水生态系统健康评价-理论框架、指标体系与定量方法ppt课件

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1、全国污染生态学术研讨会全国污染生态学术研讨会提提 纲纲I.生态系统健康研究现状生态系统健康研究现状II.理论框架及其应用理论框架及其应用 湖泊生态系统湖泊生态系统 海湾生态系统海湾生态系统III.评价方法及其应用评价方法及其应用 直接监测评价法（直接监测评价法（DMM）生态健康指数法（生态健康指数法（EHIM）生态模型法（生态模型法（EMM）IV.结论结论v 1980s:“健康健康”概念被引入生态学研究，出现概念被引入生态学研究，出现“生态健康生态健康”和和“生态系统健康生态系统健康”的概念，研究胁迫作用对生态系统的影响及的概念，研究胁迫作用对生态系统的影响及受胁迫生态系统的管理等问题。受胁迫

2、生态系统的管理等问题。v 三个发展阶段三个发展阶段：多样化定义多样化定义 综合定义综合定义 学科定义学科定义 多样化定义多样化定义:生态学家、经济学家、哲学家、政治家、环境管理人员生态学家、经济学家、哲学家、政治家、环境管理人员 综合定义综合定义(Costanza,1992)1992)系统能维持自我平衡、系统能维持自我平衡、系统无疾病、系统无疾病、具有多样性或复杂性、具有多样性或复杂性、系统的稳定性或恢复力强、系统的稳定性或恢复力强、增长活力大、及增长活力大、及系统成份间保系统成份间保持平衡。持平衡。学科定义学科定义(ISEH,1998)“具有诊断、预测和预防特征的具有诊断、预测和预防特征的,

3、研究生态系统管理以及生态系统研究生态系统管理以及生态系统健康与人类健康之间关系的健康与人类健康之间关系的交叉性的系统科学交叉性的系统科学”研究现状研究现状 概念起源与发展概念起源与发展研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（1 1）单指标单指标 多指标多指标 综合指标综合指标v单指标单指标(早期阶段早期阶段):用特殊的种或成份作为衡量指标用特殊的种或成份作为衡量指标，如，如 o 毒理学家毒理学家:生物个体健康；生物个体健康；o 生态学家生态学家:种群丰度；种群丰度；o 鱼类生态学家鱼类生态学家:种群的年龄结构种群的年龄结构;o Hannon(1985):生态总产量生态总产量(GEP)(类似类似GD

4、P)o 这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性；这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性；o 易于使用（特别对管理者）易于使用（特别对管理者）v 多指标多指标（当前主流）（当前主流）:oKarr 等等(1986)：生物完整性指数生物完整性指数(IBI)：12个指标个指标oRapport 等等(1985)：生态系统胁迫指标生态系统胁迫指标：即营养物、初级生产力、体长分布、种群多：即营养物、初级生产力、体长分布、种群多样性及系统的恢复能力。样性及系统的恢复能力。oUlanowicz(1986)：网络优势指数（网络优势指数（INA）：包括种群丰度、生态位、发育循环与反馈，：包括种群丰度、生

5、态位、发育循环与反馈，及总活力等生态系统的四个重要特征。及总活力等生态系统的四个重要特征。oKay 等等(1991)：河流生态系统健康指标河流生态系统健康指标：生物量、输入、输出、生产力、呼吸、循环、：生物量、输入、输出、生产力、呼吸、循环、Finn 循环指数及优势度等来评价循环指数及优势度等来评价Crystal 河流生态系统健康（或完整性）。河流生态系统健康（或完整性）。oCostanza(1992)：系统健康指数系统健康指数：HI=系统活力指数系统活力指数*系统组织指数系统组织指数*系统恢复力指数系统恢复力指数oJorgensen(1995):Exergy（Ex）、）、Structural

6、 Exergy（Exst）和）和 生态缓冲容量生态缓冲容量等。等。oDalsgaard(1995,1996)：农业生态系统健康指标农业生态系统健康指标：生物量：生物量,收成收成,N 通量通量,系统管理费用系统管理费用,P/B,H/E,效率效率,Shinn 指数指数,Finn 循环指数循环指数,优势度优势度,Ex,Exst及生态缓冲容量。及生态缓冲容量。oXu等等(1999，2001)：湖泊生态系统健康生态指标体系湖泊生态系统健康生态指标体系，包括生态结构指标、生态功能，包括生态结构指标、生态功能指标及生态系统指标。胁迫指标和响应指标。指标及生态系统指标。胁迫指标和响应指标。研究现状研究现状 诊

7、断指标诊断指标（2 2）v综合指标综合指标（发展趋势）：（发展趋势）：（人口（人口 +资源资源 +环境环境 +社会社会 +经济经济 +灾害）灾害）o 美、加联合项目美、加联合项目“大湖生态系统健康评价大湖生态系统健康评价”：o 生物、生态、社会经济和人口健康等方面的综合指标体系生物、生态、社会经济和人口健康等方面的综合指标体系（Shear,1996）研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（3 3）研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（4 4）研究现状研究现状 进展与问题进展与问题 近年来，在可持续发展思想的推动下，生态系统健康研究已近年来，在可持续发展思想的推动下，生态系统健康研究已成为国际生态环境

8、领域新的研究成为国际生态环境领域新的研究热点热点和联系地球科学、环境和联系地球科学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁桥梁。在北美在北美,生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医学、兽医等专业的学、兽医等专业的一门课程一门课程 v 研究对象单一：研究对象单一：单一生态系统单一生态系统；v 研究内容不深入：研究内容不深入：评价指标、评价方法评价指标、评价方法；研究现状研究现状国内研究现状国内研究现状v起步晚，发展快起步晚，发展快v相关文献相关文献-中国期刊网中国期刊网o 检索词：生态健康检索词：生态

9、健康 or 生态系统健康生态系统健康o 主题：主题：93年，第一篇年，第一篇 o 篇名：篇名：99年，第一篇年，第一篇 综述文章综述文章 研究文章研究文章305173II-理论框架及其应用理论框架及其应用 湖泊生态健康指标湖泊生态健康指标 海湾生态健康指标海湾生态健康指标指标指标体系开发体系开发 评价评价方法方法确定确定 定性定量定性定量评价评价 胁迫胁迫因素识别因素识别 生态系统生态系统响应响应分析分析 理理 论论 框框 架架（胁迫（胁迫-响应关系）响应关系）应应 用用富营养化富营养化酸化酸化重金属污染重金属污染杀虫剂污染杀虫剂污染油污染油污染湖泊生态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应湖泊生

10、态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应湖泊化学污染湖泊化学污染胁迫胁迫效应的系统分析效应的系统分析实测数据实测数据:富营养化富营养化(国内国内30个个+国外国外31个个),酸化酸化+油污染油污染+重金属污染重金属污染+杀虫剂污染杀虫剂污染(数十个数十个)试验数据试验数据:酸化酸化(4个个)+油污染油污染(2个个)+重金属污染重金属污染(2个个)+杀虫剂污染杀虫剂污染(13个个)湖泊生态系统指标开发湖泊生态系统指标开发 湖泊生态结构响应湖泊生态结构响应l 浮游植物细胞：变大浮游植物细胞：变大l 浮游动物个体：变小浮游动物个体：变小l 浮游植物生物量（浮游植物生物量（BA)：增加：增加l 浮游动物生

11、物量浮游动物生物量(BZ)：减少：减少l 小型浮游动物生物量小型浮游动物生物量(BZmicro):增加增加l 大型浮游动物生物量大型浮游动物生物量(BZmacro):减少减少l 种群多样性指数：减小种群多样性指数：减小l BZ/BA比率比率:减小减小l(BZmacro)/BZmicro比率：减小比率：减小 湖泊生态功能响应湖泊生态功能响应l 浮游植物初级生产力：降低浮游植物初级生产力：降低l 浮游植物碳吸收率：变小浮游植物碳吸收率：变小l 浮游动物碳吸收率：变小浮游动物碳吸收率：变小l 生态转移效率：降低生态转移效率：降低l 毛生产力呼吸率：偏离毛生产力呼吸率：偏离1l 毛生产力生物量：减小毛

12、生产力生物量：减小l 生物量能流比率：减小生物量能流比率：减小 湖泊生态系统响应湖泊生态系统响应l 生态缓冲容量：降低生态缓冲容量：降低l (Exergy)：降低：降低l (Structural exergy)：降低：降低 火火 用用结构结构火火 用用随胁迫加强随胁迫加强湖泊湖泊 生态系统健康定量表征生态系统健康定量表征 综合指标体系综合指标体系Location Mainland China海湾生态系统指标开发（香港吐露港）海湾生态系统指标开发（香港吐露港）城市化城市化工业化工业化农业发展农业发展资源开发资源开发物理物理 响应响应化学化学 响应响应生物生物 响应响应系统水平系统水平 响应响应生

13、态服务功能响应生态服务功能响应胁迫胁迫 指标指标响应响应 指标指标环境污染环境污染Land-lockedLength:15 kmAverage depth:10-20 mSurface area:52 km2Velocity:0.04-0.08 m/sThree subzones:harbor,buffer,channelCurrent Seven sample sections Two cities:Tai Po,Sha TinThree Reservoirs:Plover Cove,Shing Mun,Lower Shing MunUrbanization19712001Area:21.1

14、 28.3 km2Population:24,000 625,000Stresses-Sha Tin New Town 19712001Tai Po New Town Area:1.5 5 km2Population:21,000 321,000UrbanizationStresses-Industrializationn 1971:isolated small factoriesn 1989:seven industry regions with total area of more then 200 ha1989Stresses-Agricultural development Lives

15、tock breeding020000040000060000080000063 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99YearPig(heads)05000000100000001500000020000000Chichen(heads)Pig(heads)Chichen(heads)1965 1989Pigs:3,000 6,000 headsChickens:5,000,000 15,000,000 heads Stresses-Water resource explorationResvervior Date to u

16、se Water-gathering area(ha)Volume(m3)Shing Mun 1936 1202 13,280,000 Lower Shing Mum 1965 252 4,300,000 Plover Cove()1968 2335 169,920,000 Plover Cove(II)1973 3217 229,730,000 Make a dam,Pump sea water Stresses-200Fishy resource explorationStresses-Area&production:30%of the total Mariculture Fish in

17、Tolu HarborFour mariculture fish zonesOre mine explorationMa An Shan Ore Mine,Only one in Hong KongDuration:1906-1976Outputs:900-170,000 tons per acre 120,000(average)Stresses-Pollution loading14716474580060001986Stresses-Physical responsesEcosystem responses1936 19651968 197319688138.5 km265.3 km23

18、.5 m2 m53%65%Ecosystem responsesChemical responsesBOD5TNTPFaecal coli.Biological responsesEcosystem responsesRed tides occurrence in Tolo Harbour434Biological responsesEcosystem responsesEcosystem-serve-function responsesEcosystem responsesv 海湾海湾 生态系统健康定量表征生态系统健康定量表征 综合指标体系综合指标体系III-评价方法及其应用评价方法及其应用

19、 直接监测评价法直接监测评价法(相对比较法相对比较法)（DMM）生态系统健康指数法（生态系统健康指数法（EHIM）生态模型法生态模型法（EMM)ProcedureSelect indicators Measure directly or calculate indirectly indicator values Assess lake ecosystem health 直接监测评价法（直接监测评价法（DMM）及其应用实例）及其应用实例Case study：Lake Chao (Indicators&Data)直接监测评价法（直接监测评价法（DMM）及其应用实例）及其应用实例Case study

20、 ：Lake Chao(Results)直接监测评价法（直接监测评价法（DMM）及其应用实例）及其应用实例Bad Good:Aug.Oct(C)Apr.May(A)Jun.Jul.(B)Nov.Dec.(D)Jan.Mar.(E)Tolu Harbor 生态系统健康评价生态系统健康评价(indicators and data)Tolu Harbor 生态系统健康评价生态系统健康评价(Results)EHI 设设 计计步步 骤骤计算公式计算公式EHI-synthetic ecosystem health index EHIi-the i-th ecosystem health index for

21、 the i-th indicatori-the weighting factor for the i-th indicator计算方程计算方程 for EHI(BA),EHI(BZ),EHI(BZ/BA),EHI(Ex)&EHI(Exst)3030个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果Case study:Italy Lakes(Discussion：EHI-TSI Relations)Indicators for EHI Calculations:BA,BZ,BZ/BA,Ex,ExstIndicators for TSI Calculations:

22、TP,SD,Chl-a30 Italy Lakes分分 析析 湖湖 泊泊 生生 态态 结结 构构模模 型型 验验 证证计计 算算 生生 态态 指指 标标 值值评评 价价 湖湖 泊泊 生生 态态 健健 康康 状状 态态确定指标确定指标 满满 意意?YESNO概概 念念 框框 图图模模 型型 方方 程程模模 型型 参参 数数构构 建建 湖湖 泊泊 模模 型型基本基本流程流程火火 用用巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型生态健康指标生态健康指标ExergyStr.ExergyCalibrations巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型Calibrations巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型Calculation&Ass

23、essment巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型Results from EMM&DMM(Bad-Good):Aug.Oct(C)Apr.May(A)Jun.Jul.(B)Nov.Dec.(D)Jan.Mar.(E)ABCDEDiscussion评价结果评价结果巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型IV-Conclusions(1)A theoretical frame for aquatic ecosystem health assessment was proposed(3)A procedure with five steps for assessing ecosystem health(3)A set

24、 of indicators including structural,functional&system-level aspects for lake ecosystem health assessment were proposed.(4)A set of indicators including stress indicators and response indicators(physical,chemical,biological,system-level&ecosystem-serves-function aspects)for marine coastal ecosystem h

25、ealth assessment were recommended.(5)Three methods(DMM,EMM,EHIM)were introduced&applied to some cases with satisfactory results.DMM for the assessment with poor data EHIM for the assessment with systematic data EMM for the assessment with the ecological model developed.1.Jorgensen S.E.,Xu F.-L.Const

26、ansan R.,“Handbook of Ecological Indicators for Assessment of Ecosystem Health”.CRC Press,2005.3,pp.439.2010，第二版2.Xu,F.L.,et al.(2006).Restorating marine coastal ecosystem health as a new goal for integrated catchment management in Tolo Harbour,Hong Kong,China.Environmental Management 37(4):540-552.

27、(SCI)3.Xu,F.L.et al.An Ecosystem Health Index Methodology(EHIM)for Lake Ecosystem Health Assessment.Ecol.Model.,2005,188(2-4):327-339.(SCI)4.Xu,F.L.et al.(2004).Marine Coastal Ecosystem Health Assessment:a case study of Tolo Harbour,Hong Kong,China.Ecological Modelling 173(4):355-370.(SCI)5.Xu,F.L.e

28、t al.(2004).The Long-term Temporal-spatial Dynamics of Marine Coastal Water Quality in the Tolo Harbour,Hong Kong,China.J.Environ.Sci.(China),169(1):161-166.(SCI)6.Xu,F.L.et al.System-level responses of lake ecosystems to chemical stresses using exergy and structural exergy as ecological indicators.

29、Chemosphere,2002,46(2):173-185.(SCI)7.Xu,F.L.et al.Lake ecosystem health assessment:indicators and methods.Water Research，2001,35(13):3157-3167.(SCI)8.Xu,F.L.et al.A method for lake ecosystem health assessment:an Ecological Modeling Method and its application.Hydrobiologica，2001,443(1-3):159-175.(SC

30、I)9.Xu,F.L.,et al.Modellig the effects of ecological engineering on ecosystem health of the Lake Chao.Ecol Model.,1999,117（2-3）:239-260.(SCI)10.Xu,F.L.Exergy&structural exergy as ecological indicators for the development state of Lake Chao ecosystems.Ecol.Model.,1997,99(1):41-49.(SCI)有关论著有关论著Thank you for your attentions