生态风险评价方法述评

生态学报2010,30(10):2735—2744ActaEcologicaSinica

生态风险评价方法述评

张思锋,刘晗梦

(西安交通大学公共政策与管理学院,西安　710049)3

摘要:生态风险是由环境的自然变化或人类活动引起的生态系统组成、结构的改变而导致系统功能损失的可能性。生态风险评价是定量预测各种风险源对生态系统产生风险的或然性以及评估该风险可接受程度的方法体系,因而是生态环境风险管理与决策的定量依据。在介绍了生态风险概念的基础上,按照风险源性质的分类标准将生态风险划分为化学污染类风险源、生态事件类风险源、复合类风险源3类,并分别论述了3类生态风险对应评价方法的特点与发展的方向。另外,针对生态风险评价研究的现状,讨论了我国生态风险研究的优先领域,包括建立急性、慢性毒理数据库,构建外来生物入侵风险评价标准等,同时,建议将综合概率统计学、复杂系统理论与遥感技术等手段引入生态风险评价方法中,以进一步提高风险评价结果在生态风险管理中的有效性。

关键词:生态风险评价;生态风险评价方法

ReviewofecologicalriskassessmentmZHANGSifeng,LIUHanmeng

SchoolofPublicManagementandAdmXiaoTong,China3

Abstract:Theriskasthecharacterizationoftheadverseecologicaleffectsoftobynaturalchangesorhumanactivities.Ecologicalriskassessmentisaflexibleprocessforanalyzingdata,assumptions,anduncertaintiestoevaluatethelikelihood(probability)ofadverseecologicaleffectsthatmayhaveoccurredormayoccurasaresultofexposuretooneormorestressorsrelatedtosourcesofecologicalrisk.Itcanprovideareliablequantitativeevidencefortheecologicalenvironmentriskmanagementanddecision2making.Theecologicalriskassessmentcanbedividedintothreeregimesaccordingtotheclassificationstandardforthecharactersoftherisksource,includingriskassessmentofchemicalpollutionrisksource,ecologicalassessmentofecologicaleventsrisksourceandriskassessmentofcompositerisksource(naturalrisksourceandhumanactivitiesrisksource).Thispaperreviewstherecentdevelopmentssurroundingconceptofecologicalriskanddiscussesthefutureresearchdirectionsofthreemethodsofecologicalriskassessment.Theimprovedquotientmethodismorequantificationalthantheoldonebysettingmultiplelevelsofriskorgivingthevalueofrisk,andthefurtherstudyofthismethodmaybefocusedonreflectingtherelationshipbetweentheconcentrationofpollutantsandtheeffectsofthecontaminatedreceptors,estimatinginfluenceofpollutantsonreceptorswhicharenotinthestudysitesandcalculatingtherangeofbeingpollutedordamaged.Whentheacutetoxicologicaleffectsisanalyzebytheexposure2responsemethodtoassessecologicalriskinthecontrolledconditions,itisimportanttoanalyzethesecondaryeffectsofpollutantsonobjectiveenvironmentandchangesofreceptorseffectscausedbytransformationaswell.Theresearchoftheinvasiveriskassessmentofnon2indigenousspeciesisstillinthestageofconstructingtheregimeandhasnotyetformedasameconclusion.Thispaperarguesthatwecanestablishaunifiedindexsystemthroughdecomposingtheindicatorsoflayerguidelinesbydefiningtheconnotation,extensionandthenumbersofthespecificindicatorswhichcorrespondingtoeachlayergroup,andthe“thresholdvalue”oftheindexesshouldbeinvestigateaccuratelywhichreflectthecapacityoftheenvironment.Furthermore,wesuggestthatstatisticalmethodcouldbeusedas基金项目:国家自然科学基金资助项目(40771083)

收稿日期:2009207215;　　修订日期:2010202225

3通讯作者Correspondingauthor.E2mail:[email protected]

2736　生　态　学　报　　　30卷　anassistantwaytoprompttheaccuracyoftheassessmentwhentheecologicalnichemodelisusedtoevaluatetheinvasiveriskofnon2indigenousspecies.Thethree2tieredoftheprocedureforecologicaltieredassessmentofrisks(PETAR)isadaptedtoevaluatetheecologicalrisksinthecaseoflimitedresourcesorscarcebackgroundinformationofrelevance.Thepriorityofthestudyoftheecologicalriskassessmentshouldbegiventhreeaspectstoprompttheavailabilityoftheassessmentresultsfortheecologicalriskmanagement,oneisasystematicdatabaseoftheacuteandchronictoxicitydata,theotherisaunifiedevaluationregimeornationalstandardstoevaluatetheinvasiveriskofnon2indigenousspecies,andthewaywhichusingstatisticalmethod,complexsystemstheoryandremotesensingtechnologytoassesstheecologicalrisk.KeyWords:ecologicalrisk;ecologicalriskassessment

生态风险是由环境的自然变化或人类活动引起的生态系统组成、结构的改变而导致系统功能损失的可能性[122]。生态风险评价是定量预测各种风险源对生态系统产生风险的或然性以及评估该风险可接受程度的

[324]方法体系,因而是生态环境风险管理与决策的定量依据。20世纪30年代,5]风险源、;随着20世纪80年代“风险管理”理念被引入环境政策,风险受体的生态风险评价概念[6]年,美国国家环保局开始使用生态风险评价一词,;1992;1998年又对生态风险评价框

[728]架内容进行了修改、补充。。

,划分为化学污染类风险源生态风险评价、类风险源生态风险评价、其他复合风险源(自然生态风险源、人类活动风险源)。二是根据风险源的数量,划分为单一风险源生态风险评价、多风险源生态风险评价。,划分为单一物种受体小范围生态风险评价、多物种受体区域范围生态风险评价(见表1)。

表1　生态风险评价的类型划分

Table1　Typeofecologicalriskassessment

划分标准Criteria

风险源性质Thenatureoftherisksources分类Type化学污染类风险源

生态事件类(生物工程或生态入

侵)风险源

其他复合风险源研究实例Caseofresearch《AnApproachtoQuantifyingSpatialComponentsofExposure[9]forEcologicalRiskAssessment》[10]《外来入侵物种风险评估和风险分析体系的初步构建》[11]《露天煤矿区生态风险评价方法》

[12]《石油化工污染土壤中萘的生态风险评价》

[13]《黄河三角洲湿地区域生态风险评价》

[14]《DDT对太湖大银鱼种群危害的生态风险》

[15]《扎龙自然保护区土地利用变化与生态风险评价》风险源数量Thenumberoftherisksources风险受体数量与空间尺度Thenumberoftheriskreceptorsandspatialscales单一风险源多风险源单一物种受体、小范围多物种受体、区域范围

本文依据风险源性质的分类标准,对生态风险评价方法进行分类综述。

1　化学污染类风险源生态风险评价方法

1.1　商值法

商值法是判定某一浓度化学污染物是否具有潜在有害影响的半定量生态风险评价方法[16],即依据已有文件或经验数据,设定需要受到保护的受体的化学污染物浓度标准,再将污染物在受体中的实测浓度与浓度标准进行比较获得商值,由商值得出“有无风险”的结论。当风险表征结果为无风险时,并非表明没有污染发生,而表示污染尚处于可以接受的程度。之后出现的改进的商值法把污染物在受体中浓度的“有无风险”,改

　10期　　　张思锋　等:生态风险评价方法述评　2737进为“多个风险等级”。改进的商值法有两类。

第一类是根据研究对象的特点,设定多个风险等级,将实测浓度与浓度标准进行比较获得的商值,用“多个风险等级”表示风险表征判断结果。路永正等

险、较高风险、高风险4个风险等级。

第二类是以商值法为基础发展而成的地质累积指数法和潜在生态风险指数法。

(1)地质累计指数法是德国海德堡大学Müller等在1969年研究河底沉积物时提出的一种计算沉积物中[17]在分析松花江12种鱼类的汞含量时,划分了无风险、低风重金属元素污染程度的方法

成的环境风险程度[19][18],自然条件下或者人为活动影响下重金属在环境中的分布评价均可使用此方法。地质累计指数法通过测量环境样本浓度和背景浓度计算地质累计指数值Igeo,以评价某种特定化学物造。计算公式如下:

Igeo=log2Cnk×BE式中,Igeo为地质累积指数,Cn为样品中元素n的浓度,BEn为环境背景浓度值,k为修正指数,通常用来表征沉积特征、岩石地质以及其他影响。

(2)潜在生态风险指数法也是瑞典H…kanson于1980等主要污染物的沉积学方法[20]。rRmfi中的重金属的污染程度进行评价。计算公式如下,C=C/C,Cd=

iiifiDiRCi1=I=iirir∑Ei=1ir式中,Cf为金属iDi,CR为现代工业化以前沉积物中第i种重金属的最

高背景值,Cd,iir、R3)i[21],Er为金属i的潜在生态风险因子,RI为多金i

Er与RI的数值,因此潜在生态风

险指数法的计算结果不仅能够反映单一重金属对环

境造成的影响,还能够说明多种重金属并存时对周围

环境造成的综合影响程度。更由于对Er与RI的计

算结果具有明确的划分等级标准,因而不同区域和时

段的生态风险的评价结果之间也具有可比性[23224]ii　　表2　潜在生态风险因子、潜在生态风险指数分级与对应生态风险程度[22]Table2　Eir、RIandthecorrespondingdegreeofecologicalrisk生态风险程度Degreeofecologicalrisk潜在生态风险因子EirPotentialecological

riskfactor

Eir≥320潜在生态风险指数RIPotentialecologicalriskindex。商值法的数据和标准一般易于获得,且成本低、

便于操作,因此在生态环境管理初期,可以通过设定

合适物种的污染物标准浓度,以方便对生态风险进行

管理。但商值法评价结果为半定量,属于一种低水平

的风险评价,且由于不同物种对不同污染物之间敏感

度的差异,对标准浓度的设定具有潜在的不准确性。极高Extremelyhigh很高Veryhigh高High中等Medium轻微Low160≤Eir

改进的商值法在结果定量化上有很大进步,但仍有诸多不足,如无法反映污染物的浓度与被污染受体效应之间的关系;不能推论测度点之外的其它点上污染物浓度对受体的损伤效应;没有计算生态环境受到污染或损伤的范围等。

1.2　暴露2反应法

暴露2反应法是依据受体在不同剂量化学污染物的暴露条件下产生的反应。建立暴露2反应曲线或模型,再根据暴露2反应曲线或模型,估计受体处于某种暴露浓度下产生的效应,这些效应可能是物种的死亡率、产量的变化、再生潜力变化等的一种或数种[25]。暴露2反应曲线或模型一般在危害评价过程中专门建立,并因污染物的种类、毒性、受体的种类的不同而变化。运用暴露2反应法可以对农作物的减产、鱼类数量减少等进

2738　

[26]生　态　学　报　　　30卷　行研究。针对单一物种建立的暴露2反应曲线或模型只能反映污染物对单一的被评价物种的危害效应,而

[27]无法反映对整个环境的危害程度。目前有研究提出将物种敏感性分布引入对暴露在相同污染物中的不同物种的生态风险评价,对于克服暴露2反应法的这个缺点做出了有益探索。同时,建立暴露2反应曲线或模型,

需要大量的污染物暴露与受体效应的数据,由于很难获得足够量的与实际情况更为接近的慢性毒理数据,因而研究者往往采用受控条件下的急性毒理数据。这种基于受控条件下急性毒理数据的研究,可能会将污染物在实际环境中出现的次生效应或因转化而引起的受体效应增强或减弱排除在外,从而引起不必要的误差

此外,用于化学污染类风险源生态风险评价的方法还有污染指数法

2　生态事件类风险源生态风险评价方法

2.1　物种入侵生态风险评价方法[28][1]。、回归过量分析法[29]等。

人类、动物、植物及其它物质在不同地区之间的频繁流动与接触,使外来物种入侵也成为造成地区、国家生态风险的重要原因之一。在评价外来物种入侵导致的生态风险时,既要了解被侵入地的生态环境状况,也要把握入侵物种的生物学特性,由此判断风险或计算风险概率[30]。

(1)物种入侵生态风险的定性评价。实际中,有明显的全面或局部的重大风险,当判断具有重大风险时,、自身的生物学、生态学特性进行进一步的评价[31][32]。eedWRA),首先对WRA体系中设定的由初步定性评价到具体定性评价3,并针对每一个问题的回答给出一个得分,然后得到一个综合分值,、或拒绝引进、或进一步评估的结论。对需要进。

,主要集中在指标体系构建的研究。如丁晖等构建了外来,并提出了指标量化、权重设置、综合模型建立以及风险等级划分的方法

利等采用类似的指标体系构建方法对河南省入侵植物的生态风险进行了评价研究[34][33]。于广。殴健等依据国外经验和实态资料,构建了针对厦门市外来物种入侵风险评价的指标体系,其中包括外来物种的传入、定殖、扩散可能性、入侵史、已入侵分布情况、危害与影响、防治的可行性等指标,并以指标体系的综合分值表示风险等级[35]。

目前,对指标体系中的准则层,研究者们的认识比较一致,大多是从传入、定殖、扩散、危害四个角度构建指标。在计算入侵风险总值时,一种方法是对准则层各指标值进行求和,另一种方法是对准则层各指标值进行连乘。考虑到准则层各指标之间具有相互依存性,采用连乘的计算方法更加合理。对指标体系中低一级的具体指标层,研究者们尚未形成一致的看法,不同研究文献所设计的具体指标在数量、内容以及在指标体系中的功能差异很大。可以通过对准则层指标的分解,界定对应于准则层各指标的各组具体指标的数量和内涵、外延;并对那些特别重要的具体指标设定反映环境承载力的“阈值”,这些“阈值”和入侵风险总值一起作为判断物种入侵风险的依据。

(2)物种入侵生态风险的定量评价。生物学家一般采用两种方法预测物种的入侵潜力,一种是考察物种自身的特征,如生活史等;另一种是分析外在因素,即物种存在的环境[36]。生态位模型法是通过考察物种生存的环境因素即生态位要求,依据该物种的已知分布,利用数学模型归纳或模拟其生态位需求,得到被入侵区域该物种的适生区分布,再根据可能的适生区分布结果对入侵风险进行评估的一种生态风险评价方法。生态位模型方法,主要包括机理模型和关联模型两类。其中,机理模型研究方法主要有CLIMEX模型法

[38240]模型研究方法包括分类回归树法(CART)、生态位因子分析法(ENFA)等。[37];关联

(3)基于遗传算法的规则集合(GeneticAlgorithmforRulessetProduction,简称GARP),也属于对外来物种入侵导致的生态风险的定量研究中的关联模型研究方法,由于使用的比较普遍,本文予以单列介绍。GARP需要入侵物种的现有分布信息以及被入侵地区的环境数据,其中现有分布信息中一半作为训练数据以及模型

　10期　　　张思锋　等:生态风险评价方法述评　2739质量检验数据,另一半用于建模后的独立模型质量检验。首先利用训练数据,选择一种算法规则,经过多次运行,生成一个由不同规则组成的生态模型,然后运用独立数据对模型进行验证。验证通过后,只要给定一系列被入侵地区的环境变量参数即条件值,即可根据模型对该物种在被入侵区域的定殖风险进行预测。Adjemian等通过采用此方法增加了用于预测13种鼠疫载体可能分布的空间数据

黄花在中国的潜在扩散区进行预测,并对影响其分布的因素进行了分析[41][42];余岩等应用此方法对加拿大一枝。

由于生态位模型法只考虑了非生物环境,任何生物的分布同时也会受到共同生长环境中的其他生物因素的影响。如胡天印等在采用聚类方法研究外来杂草品种对浙江金华市生物多样性的影响时发现,人为干扰程度和生境土壤的干湿程度可能是某些杂草相互伴生的主要因素

2.2　遗传修饰生物体生态风险的评价方法[43]。因此在采用各类生态位模型法研究的同时,引入概率统计学方法研究非生物环境对生物入侵的影响,可以增加对物种入侵生态风险评价的准确度。

运用现代生物工程技术对已有生物进行遗传修饰,得到遗传修饰生物体(GeneticallyModifiedOrganism,

[44]简称GMO)。研究表明,有些GMO放入环境中会对人类健康与环境产生潜在风险。对GMO导致的生态

风险的评价,主要是实验方法,即通过个体水平实验、种群水平实验、,获得相关信息,作为评价GMO已经或可能带来的生态风险的依据,是近代发展起来的研究生物种群、群落、,(ModelEcosystem)法。,功能的研究[45]。,是在可控条件下进行的,G3　[46249]),风险源也延伸为涉及化学、生物、(污染物、物种入侵、自然灾害、生境破坏、以及严重干扰生态系统的人为活动等)[50]。,因而20世纪末形成了研究区域范围内的复合风险源类生态风险评价方法。

3.1　R=P・D模型

其中,R为生态风险,P为风险源发生的概率,D为风险源可能造成的损失。在进行区域生态风险评价时,根据研究需要,运用适当的函数关系式把R=P・D模型具体化

标,计算风险源发生的概率P和风险源可能造成的损失D[52254][51];选用模型具体化过程中形成的典型指

[55];在进行区域生态风险评价时,对指标的选取要考虑到被评价对象的特点,即生态系统的稳定性、完整性、生态系统功能的可持续性以及空间异质性

生态损失度指数法就是一种应用较为广泛的基于R=P・D模型的生态风险评价方法

R=P・D[56]。,其数学表达式是,

其中,D=YSi=Ei・CRi

式中,YSi为生态损失度指数,Ei为生态指数①,CRi为生态脆弱度指数。

国内应用生态损失度指数法进行生态风险评价的研究,较多的集中在湿地、湖区、流域、岛屿等生态风险的评价

则[60][57259]。但是由于这些研究所选用的指标不尽一致,使得不同研究的结论之间缺乏可比性。蒙吉军等在研究区域生态风险评价的指标体系时,提出了建立统一指标体系的客观性、整体性、层次性、可比性原,这些原则对于完善生态损失度指数法的指标体系,提高不同研究结论之间的可比性具有借鉴意义。

[61]此外,由于生态风险的数学内涵定义的不统一,以及生态风险具有模糊性、灰色性和不确定性等特点,还有学者在进行评价时采用模糊数学或灰色系统理论的方法来构建生态风险的数学表征公式

3.2　生态梯度风险评价方法(procedureforecologicaltieredassessmentofrisks,简称PETAR)。

[62]Moraes与Molander设计了在背景资料、基本数据短缺情况下分步进行的生态梯度风险评价方法。第

①生态指数多通过物种多样性指数、物种原生性指数、自然度这3个指标按一定权重加权获得,也有利用其他指标计算获得生态指数的

2740　生　态　学　报　　　30卷　一步,在生态功能区域内,通过定性评价,初步确定风险源、风险受体、风险源特点、风险源对风险受体可能造成的生态效应;第二步,在初步确定的风险源影响范围内,通过半定量评价,确定影响最大的风险源、面临风险最大的生境、最有可能遭受风险源影响的次级区域;第三步,在最有可能遭受风险源影响的次级区域,通过定量评价,验证定性评价确定的生态效应是否在特定次级区域及特定生境发生,并且将特定风险源与生态效应一一对应。生态梯度风险评价方法有3个特点:在概念模型构建中加入了对压力的产生、传递、形成风险的因果分析;采用综合方法进行暴露和危害分析;将证据权重分析法运用于因果分析。

3.3　相对风险模型法(RelativeRiskModel,简称RRM)

此方法是美国学者Landis与Wiegers1997年在评价原油运输船压舱水处理站对Valdez港口151.2km范围内11个次级区域内8类生境的生态风险时,构建的用于区域生态风险评价的方法[63]2。RRM方法的基本程序是,①确定评价区域及评价区域的生态环境管理与利益目标;②由熟悉评价区域情况的利益相关者,根据生态环境管理和利益目标,选择、确定作为风险受体的生境与评价终点;③通过对评价区域生态环境资料的分析,识别区域内的风险源;④根据资料与实际测量数据等,分析每种可能风险源的产生地点、压力作用、强度及潜在影响;⑤分析每种可能风险源是通过何种压力作用使生境发生变化的,用改变评价终点的;⑥构建RRM概念模型;⑦对风险源、生境、暴露系数、⑧根据RRM模型的计算公式分别计算风险源、生境、⑨对风险模型法的计算公式为:

RSl;j;m=[64265]。相jllm)

式中,RS),Sj为风险源得分,Hl为生境得分,Xjkl为各风险源2压,Elm为各生境2评价终点组合的危害系数得分,j为风险源类型,k,,m为评价终点类型[66]。

[67268]目前RRM,如,Landis、Luxon等应用RRM方法分别于2000、2005年先后两次评价了俄勒冈州Willamette2McKenzie流域的区域生态风险;HartHayes与Landis

于2004年应用RRM方法评价了华盛顿CherryPoint区域的生态风险

了山东省长岛县南五岛的生态系统风险

目开发土地整理的生态风险[71][70][69];王小龙2006年应用RRM方法评价;付光辉2007年应用RRM方法评价了江苏省大丰市沿海滩涂项。

RRM方法中的一个重要创新就是等级打分法(rankingmethod)的使用,通过设置等级使得将多风险源、多压力以及多终点能够较好的结合在一起,同时概念模型中对风险源与栖息地、栖息地与评价终点之间暴露、效应“系数(Filter)”概念的引入也进一步推进了等级打分法的使用。RRM方法进行风险表征时是分别对风险源、生境、评价终点进行计算,有利于后续生态风险管理中有重点的对风险源、生境进行治理与修复。4　结论与展望

(1)目前针对化学污染物类风险源的生态风险评价研究方法较为成熟,但研究过程中的各类毒理数据多参考其他国家已有的数据库中的数据,且以急性毒理数据为主。可能会因为地域间物种差异性而造成一定的结果偏差。此外,使用慢性毒理数据能够获得更准确的评价结果,而慢性毒理数据的获得需要长期连续的监测才能获得,因此尽早建立我国系统、完整的急性、慢性毒理数据库,补充各类化学物质参考计量数据十分具有必要性。

(2)针对物种入侵造成的生态风险我国目前还没有正式提出一个评价体系或标准[72],目前国内对此类生态风险评价的指标体系的研究为今后国家相关标准的提出做出了有益探索,但对标准体系内某些关键指标的“阈值”设定研究还有所欠缺。此外在采用生态位模型法对物种入侵生态风险进行定量研究的同时,进一步采用概率统计学方法研究非生物环境对生物入侵的影响可能对更准确的评价物种入侵生态风险具有重要意义。

(3)由于目前国内关于生态风险评价的评价指标繁杂,没有统一的指标体系。因此用于生态风险评价的

　10期　　　张思锋　等:生态风险评价方法述评　2741一手数据资料大多较为匮乏,在此条件下生态梯度风险评价方法中3个评价层级的划分理念可以将一个区域内的风险评价工作在有限的资源情况下尽可能得到准确而定量的结果。以此为基础进一步引入综合概率统计学方法、复杂系统理论、遥感技术等,加强定量模型开发,是生态风险评价方法的发展重要趋势之一。

(4)生态风险评价的目的是为生态风险管理提供决策依据,国内目前的研究还集中在对生态风险评价的研究中,对生态风险管理的研究尚不够深入[73]。因此在发展已有的生态风险评价研究的同时,还应注意提高评价过程与管理过程的可对接性,提高评价结果在管理决策中的有效性。

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