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(新)区域生态风险评价研究进展


第 34 卷 第 6G 期 第 6G 期年 6 月 2011

Environmental Science & Technology

Vol. 34 No.6G June 2011

邓飞, 于云江, 全占军.区域生态风险评价研究进展[J].环境科学与技术, 2011, 34(6G):141- 147.Deng

Fei1, Yu Yun- jiang, Quan Zhan- jun. Reseach progresses of regional ecological risk assessment[J]. Environmental Science & Technology, 2011,34(6G):141- 147.

区域生态风险评价研究进展
邓飞 1,2, 于云江 1*, 全占军 1
(1. 中国环境科学研究院, 北京 100012; 2. 常州大学, 江苏 常州 213164 )
摘 要: 生态风险评价是近十几年逐渐兴起并得到迅速发展的一个研究领域, 区域生态风险评价作为生态风险评价的一个发展方

由最初的意外事故 向, 由于其空间异质性和评价过程的复杂性, 成为了目前的研究难点与热点。文章回顾了生态风险评价的发展历程: 区域生态风险评价, 风险因子由单一发展到多元, 评价范围由种群、 局地扩展到景 风险评价发展到环境风险评价再到生态风险评价、 观、 区域。同时介绍了国内外区域生态风险评价的研究进展; 分析了各种评价模型的优缺点, 探讨了区域生态风险评价过程中存在的问 题及解决方法。展望了区域生态风险评价今后的发展方向。 关键词: 生态风险; 区域生态风险评价; 模型 中图分类号: X820.4 文献标志码: A doi: 10.3969/j.issn.1003-6504.2011.6G.036 文章编号: 1003-6504(2011)6G-0141-07

Reseach Progresses of Regional Ecological Risk Assessment
DENG Fei1,2, YU Yun-jiang1*, QUAN Zhan-jun1
(1. Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China; Changzhou 213164, China ) 2. JiangSu polytechnic University,

Abstract:Ecological risk assessment is a newly developed research field of environmental risk assessment while regional ecological risk assessment due to the spatial heterogeneity and the complexity in assessment becomes a hotspot of ecological risk assessment research at present. This paper reviewed the development history of ecological risk assessment and the research progress of that in domestic and abroad: from the initial accident risk assessment to the environmental risk regional ecological risk assessment; risk factors assessment, and then developed to the ecological risk assessment, developed from simplify into diversity. and the evaluation range from populations, communities expanded to landscape, regional. The advantages and disadvantages of various evaluation models were analyzed, the problems and solutions of the regional ecological risk assessment process were discussed, and then the development of regional ecological risk assessment was prospected. Key words: ecological risk;regional ecological risk assessment;model

工业革命以来, 大量的环境污染和公害事件导致 生态环境受到极大干扰, 因此, 国外生态风险评价伴 近 随着环境管理目标和环境观念的转变而逐渐兴起。 年来我国经济高速增长, 高能耗、 资源型、 劳动密集型 的经济发展方式致使环境事故多发, 人们开始关注生 生态风险评价作为风险管理的科学 态环境健康问题。 依据和技术支持, 得到迅速发展并成为研究热点。 1 生态风险评价概念及发展历程

生态风险评价概念 风险是指不幸事件发生的可能性及其发生后造 成的损害。 “风险概率” 是指不幸事件发生的可能性; “风险后果” 是指不幸事件发生所造成的损害的大小; 风险即是两者的乘积。生态风险 (Ecological Risk, 简 ) 是指一个种群、 生态系统或整个景观的正常 称 ER , 功能受到外界胁迫, 从而在目前和未来减小该系统健 康、 生产力、 遗传结构、 经济价值和美学价值的一种状 况。其具有不确定性、 危害性、 客观性、 复杂性和动态 1.1

《环境科学与技术》 编辑部: (网址 ht p:/ j chi ournalnetcn ) t / f ks. naj . . (电话 027-87643502 ) (电子信箱 hj s@ 126. ) kxyj com 收稿日期: 2010-10-13; 修回 2010-11-23 基金项目: 中央级环保公益项目 (200909101 ; ) 中央级公益性科研院所基本科研项目 (2009KYYW06 ) 作者简介: (1985- , 硕士研究生, 邓飞 ) 男, 主要从事西部采煤区生态风险方面的研究, (电话)010-84910906(手机)13401002403(电子信箱)dengfei827 @163.com; 通讯作者, * 研究员, 博士生导师, 主要从事环境与健康方面的研究, (电子信箱)yuyj@craes.org.cn。

142 性等特点 [1-2]。生态风险评价 (Ecological Risk Assess- ment, 简称 ERA 是一个通过收集、 ) 组织和分析信息, 估计不利效应在非人类有机体、 群落和生态系统水平 发生的可能性的过程[3]。区域生态风险评价 (regional ) Ecological Risk Assessment 作为生态风险评价的一 人为 个分支, 是在区域尺度上描述和评估环境污染、 活动或自然灾害等因素对生态系统及其组分产生不 利影响的可能性和大小的过程[4]。 1.2 生态风险评价发展历程 1.2.1 起步阶段 20 世纪 70 年代, 随着欧美国家经济的快速发展, 化石能源开始广泛使用,各种矿物质资源大量开采, 化学工业获得前所未有的繁荣发展, 由此导致一系列 生态环境问题, 致使欧美各国开始广泛关注生态环境 最早的环境风险评价是由美国原子能委员会为 问题。 了减少核电工程事故的风险损失, 而提出的 “大型核 电站中重大事故的理论可能性和后果” 研究报告[5]。 这 一时期的环境风险评价以意外事故发生的可能性分 析为主, 没有明确的风险受体, 亦没有明确的暴露评 价和风险表征,整个评价过程以简单的定性分析为 主。 1.2.2 成熟阶段—— —生态风险评价 1992 年, 美国环境保护署 (USEPA)在人体健康 风险评价指南[6]基础上提出了生态风险评价框架[7], 该 风险分析、 风险表征三步为核心, 并 框架以问题形成、 生 定义了生态风险评价中的概念和一系列关键术语。 态风险评价就是评估在一个或多个压力因子作用下, 不利生态效应发生可能性的过程。 “压力因子” 是指能 种群、 群落或生态系统产生不利效应的化 导致个体、 学、 物理或生物因素。1998 年, 美国 EPA 正式颁布了 [8] 生态风险评价指南 , 并对之前的生态风险评价框架 进行了完善和补充 (见图 1 。强调了进行评价前评价 ) 者与环境管理者之间共同制订评价计划这一步骤, 该 框架体现了美国生态风险评价的最大目标既为环境 诸多学着基于生态风 管理部门服务这一特点。其后, 险评价框架进行了一系列的研究工作, 美国橡树岭国 [11-14] 家实验室 (ORNL ) 基于 USEPA 生态风险评价指 南, 首次对美国克林奇河流域进行了一系列生态风险 研究, 该研究区位于东田纳西州, 流域面积 40 km2。 研 究目的是估计有毒污染物铯的扩散范围和属性, 进行 生态风险评价, 进而提出补救措施。研究选择的评价 终点有: 鱼类、 水底大型脊椎动物、 食鱼类野生动物 结果表明水生群落对于污染物危害效应的指示作 等。 用优于媒介中的污染物水平数据。 克林奇河流流域的 研究将生态风险的研究范围扩大到流域水平, 在研究

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范围上趋向区域生态风险评价, 说明流域和大尺度风 险研究是可能的, 但他们的研究对象还局限于水生生 物, 未脱离水环境生态风险评价的局限, 亦没有开展 区域综合生态风险评价研究。Barnthouse 等 [9]采用种 群模型对有毒化学物毒性在种群和生态系统水平的 影响进行了研究, 结果表明化学毒理的生态影响是可以 模拟的, 但需要大量实验和野外观测数据。Johnson[10] 通过微观实验, 对比受到化学毒害和未受化学毒害的 的办法, 解决了风险影响 系统动态, “状态空间” 采用 结果的表达问题。

1.2.3 当今生态风险评价发展方向—— —区域生态风 险评价 为定量而系统地估计环境问题在大范围地理区 Hunsaker 和 Suter 等 [15]学者进行了大 域的危害效应, 量的区域尺度生态风险评价理论研究。 提出区域生态 风险评价的研究方法, 即将区域评价方法和景观生态 学理论组成复合模型,重点强调了生态系统扰动状 况、 研究边界的确定以及景观空间的异质性等区域生 态风险评价关键问题。Susan M 等[16]进行了流域水平 的生态风险评价研究,对美国俄亥俄州 Big Darby River 流域进行了生态风险评价。该流域面积 1 443 km2, 区域内有 86 种鱼类、 种软体动物。其在计划 38 并 和问题形成阶段借鉴了 EPA 生态风险评价框架, 形成了暴露模型。 风险受体选取鱼类和底栖无脊椎动 物。 压力因子除了有毒化学物, 还考虑了非化学因子: 农业、 居住、 道路导致的生境破碎化, 河流形态, 径流 流量, 沉积物, 水体温度, 水体氮磷等营养物质等, 并 分析了压力因子和受体间的作用途径和关系。 评价指

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标采用生物完整性系数 (IBI 、 ) 无脊椎动物指数 (ICI 、 ) 健康系数等。 他们的研究为区域水平生态风险评价的 计划和问题形成提供了参考案例, 提出了针对单个种 群的暴露模型。 但对于多压力因子在群落水平的效应 但 分析还缺乏相关的模型和暴露—响应关系。 Willis, [17-18] Wayne G 等 认为以上参数在描述生态风险时存在 着误差, 因为将评价范围从个体外推到景观存在着很 多不确定性因素。 2 国内外区域生态风险研究现状

国外区域生态风险研究现状 在积极探索区域生态风险评价的理论、 方法与技 术的同时,国外学者进行了大量相关的实践应用研 究。 其特点是评价范围大、 风险因子多, 强调不确定性 ) 分析,评价模型多采用相对生态风险评价法 (RRM 。 [19] 在自然灾害生态风险评价方面: Hayes 等 运用相对 生态风险分析法 (RRM 评价了海滨区生态风险, ) 并用 蒙特卡罗法进行了不确定性分析; Hooper 和 Duggin [20] 建立了基于生态特征的洪水风险区划模型, 并运用 于墨累河岸地区的洪水管理。 在土地利用变化生态风 险方面: Wallack [21]根据土地利用方式、 营养物质浓度 与杀虫剂浓度之间的相关关系, 以土地利用方式等数 据代替杀虫剂浓度, 通过分区的方法定量地评价了杀 Walker 等[22]评价了农业 虫剂对水域造成的可能影响; 土地利用和居住用地扩展对区域生态系统产生的潜 在生态风险。Angela 等[23]研究了 Codorus Creek 流域 多压力因子区域生态风险, 利用相对风险评价的方法 思想构建了基于压力因子-受体-生境三者相互关系 的概念模型。 通过 GIS 将研究区按景观类型分为若干 子区, 选择的压力因子包括土地利用、 水土流失、 地表 水质、 本地鱼类 覆盖和废水排放等; 评价端点有水量、 数量减少、 水生生物减少、 恢复损害和暴雨危害等。 分别 评价了各子区和各评价端点的风险值, 同时进行了不确 定性分析, 最后借助 GIS 将评价结果进行图像表征。 2.2 国内区域生态风险研究现状 国内的区域生态风险评价工作起步较晚, 目前为 止, 我国还没有明确的技术导则。但从 20 世纪 90 年 以来, 我国学者在借鉴吸收欧美等国生态风险评价的 方法思想后, 对生态风险评价的框架进行了完善和补 殷浩文[24]将生态风险评价过程分为 充。在理论方面: 五个基本部分: 风险源分析、 受体评价、 暴露评价、 危 [25] 害评价和风险表征。许学工等 提出了区域生态风险 评价五步法: 研究区的界定与分析、 受体分析、 风险源 分析、 暴露与危害分析以及风险综合评价。在实践应 用方面: 付在毅 [26]、 卢宏玮 [27] 、 李谢辉 [28] 和蒋良群 [29] 2. 1

等借助遥感 (RS 和地理信息系统(GIS), ) 分别完成了 辽河三角洲湿地、 洞庭湖流域、 渭河下游和塔里木河 下游的区域生态风险评价。研究涉及风险源包括洪 涝、 干旱、 风暴潮灾害等自然灾害以及工业污染、 农业 污染;并提出度量生态环境重要性和脆弱性的指标, 磷毒性污染指数、 重金属类 引入由氮毒性污染指数、 毒性污染指数共同构成的毒性污染指数, 自然灾害指 多样性指 数和生态系统自身的生态指数, 如生物指数、 物种重要性指数以及脆弱性指数等。王春梅等 [30] 数、 应用 Blither 生态风险评价模式对东北地区森林资源 进行了生态风险评价研究, 指出东北区森林生态系统 存在的主要生态风险问题。并确定胁迫因子: 物理胁 化学胁迫, 生物胁迫和社会胁迫。 研究表明东北区 迫、 森林生态风险的地域分异明显, 靠近长白山区的森林 处于轻风险和中风险等级,向西生态风险越来越重。 陈辉[31]依托人工神经网络 MLP (Multilayer Percetron) 模型对青藏铁路沿线的生态风险进行了评价, 根据青 旱 藏公路铁路沿线生态系统特征,选取了雪灾频率、 崩塌滑坡、 生境破碎化、 土壤肥力、 生物量、 生 灾频率、 物多样性 7 项评价指标,分别计算了针叶林生态系 阔叶林生态系统、 灌丛生态系统、 荒漠生态系统、 统、 草原生态系统等 10 种不同生态系统类型的生态风险 值。并通过 GIS 做出风险等级分布图。 从国内外学者的研究可以看出:1 区域生态风险评 () 人为活动或自然灾害 价主要关注大尺度上环境污染、 对区域内生态系统结构和功能等产生的不利影响; (2 与以往的生态风险评价相比, ) 区域生态风险及其 涉及的风险源与评价受体等在区域内具有空间异质 性, 同一区域内的不同受体间存在差异性, 且不同区 域内的风险类型和风险程度各异;3 区域生态风险评价 () 更多考虑风险源、 风险受体及其生境, 在评价终点上 更多关注生态系统本身的属性, 如生态脆弱度、 生物 植被类型等; ) (4 在研究手段上, 大多借助于 多样性、 地理信息系统 (GIS 工具, ) 分析并描述风险分布与风 险等级。 2.3 区域生态风险评价模型 模型的应用可使评价结果定量化, 在区域生态风 险评价中有重要作用。其中, 区域生态风险评价模型 又分为概念模型和数学模型。 2.3.1 区域生态风险评价概念模型 区域生态风险评价概念模型是描述生态风险评 价的过程和框架结构, 包括因果分析法, 相对生态风 等级动态框架 (HPDP)法, 生态 险评价模型 (RRM)法, 等级风险评价 (PETAR)法等。 (1 因果分析法。该方法是在野外数据充足的情 )

144 况下,对压力—响应关系进行因果联系回顾性分析, 然后进行预测评价。 以实现定性与定量分析的有机结 合。 比较有代表性的是通过因果权重半定量法对压力 与响应之间的作用关系进行打分评定,确定风险大 小。 因果分析的不足在于它只是进行回顾性的风险评 价, 无法将区域生态风险的动态纳入到评价体系之中 [32] , 故因果分析法多与其他方法结合使用。 (2 相对生态风险评价模型 (RRM)。该模型最早 ) 由 Landis 和 Kelly 在 20 世纪 90 年代提出,经过 20 多年的不断发展和完善, 被广泛用于区域生态风险评 [33] 价 。该评价模型的步骤包括[2,34]: 确定区域风险管 Ⅰ 理的目标;Ⅱ 对与区域风险管理相关的潜在风险源 Ⅲ 风险源和生 和生境进行制图; 根据风险管理目标、 境对区域进行进一步划分; 建立连接风险源、 Ⅳ 受体 Ⅴ 确定相 以及评价终点的概念模型; 根据评价终点, 对风险计算的等级系统; 计算相对风险值; 对风 Ⅵ Ⅶ 险等级进行不确定性和敏感性评价;Ⅷ 为将来样地 和实验室的调查建立可检验的风险假设, 目的是减少 风险评价的不确定性和确定风险的等级;Ⅸ 检验上 一步骤中的风险假设, 对相对风险和不确定性进行表 达以便与区域风险管理目标相对应。RRM 的最大特 点是着重于将多重风险源、 多重压力、 多种生境与综 合生态影响联系起来, 强调区域的空间异质性。通过 建立风险源—生境—生态受体的关联框架, 按生态发 生过程将评价区域划分为多个子区, 量化风险源与生 [35] 态终点之间的暴露—响应关系 。RRM 反映了区域 内各个子区生态风险程度的相对关系, 因而具有较强 的实用性。 (3 等级动态模型 (HPDP)。该模型由 Colnar 等 [36] ) 在 2007 年提出, 是在 RRM 模型基础上改进, 用于评 价物种入侵生态风险评价,例如欧洲青蟹 (Carcinus maenas 对华盛顿波因特的入侵, ) 该模型假设生态系 统结构中存在等级, 等级之间的相互关系产生了标志 生态系统特征的属性[37]。HPDP 中的等级是指生态系 统的不同范围,不是指控制因子空间尺度的推移。 HPDP 中的斑块属性包括斑块的位置、 分布和动态, 斑 压力因子与风险受体的相互 块特征会影响物种分布、 关系和环境变化影响等。斑块是有一定组成的, 在自 然界中是动态的, 具有内稳定性。 HPDP 是一个可以用 于区域尺度风险评价的概念框架, 它将时空联系有机 结合起来。 (4 生态等级风险评价 (PETAR)。该模型由 ) Moraes 和 Molander 于 2002 年提出,为了满足发展中 国家, 在数据有限和背景资料缺乏的情况下, 开展回 顾性生态风险评价的需要。 该方法可确保特定地点的

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通过定量 可用资源在评估前阶段直接用于问题形成。 分析与定性分析相结合的方法, 在不同尺度对多重压 力和多重受体进行区域生态风险评价[38]。该模型将风 险评价分为 3 个阶段来进行 [39]: Ⅰ初级评价, 对现有 风险来源和预期生态效应进行定性 的人为压力因子、 Ⅱ 属半定量评价, 通过对整个区域 评价; 区域评价, 内可能风险源、 风险压力因子及可能受影响的区域进 结合区域 行计算。根据第一阶段危险度评价的结果, Ⅲ 此阶 受体易损性进行风险大小的评价; 局地评价, 段为定量评价, 主要回答受体损失大小这一问题。在 更小范围建立起风险源、 风险因子与生态、 社会相关 的评价端点之间的数学关系。 通过建立关于风险度以 及受体生态社会经济指标的损失评估模型, 评估区域 不同位置风险损失大小, 并根据受体损失的高低划分 区域风险等级。PETAR 法可在局地和区域两个尺度 上分析风险因子和风险受体之间的因果关系, 解决了 因果分析的尺度问题, 其缺陷在于未考虑时间的动态 变化。 2.3.2 区域生态风险评价数学模型 区域生态风险评价的数学模型就是利用数学方 法, 定量地描述生态风险值的大小或概率问题。包括 商值法, 暴露—反应法, 概率模型等。 (1 商值法实质上是 ) “常识性” 方法 [40], 用同一化 学物质特定毒理学终点的浓度与估计的环境浓度之 当 比得到:商值=估计的环境浓度/毒理学终点浓度, 商值接近或超过 1 或更大, 则说明环境中毒理终点的 危险性出现。如商值小于 1 则说明危险较小。该方法 的缺点是在小范围的研究结果很难推移到大尺度上, 不能反映异质性区域景观整体情况。 (2 暴露—反应法通过估测某种污染物的暴露浓 ) 度产生某种效应的数量, 确定暴露—反应关系, 做出 [41] 暴露—反应曲线, 进而估测风险值的大小 。该方法 的不足是对于一些非化学性毒物因子, 不能很好的做 不能准确估测其风险。 出暴露-反应曲线, (3 概率模型是将针对生态风险的发生概率与不 ) 利生态影响相乘,然后利用权重求和, 对各级各类生态 这种方法能够应用于不同类型的 风险进行线性计算。 风险受体, 较好地解决了区域生态系统的多重风险计 算问题, 但也存在一定的缺陷, 不能考虑生态系统各 [42] 个组成要素的非线性作用方式 。 数学模型在实际运用于评价过程中时, 需要大量 基础数据支撑, 相关方面基础数据不足以及数据的准 但随着研究手段 确性不高使该模型的应用受到限制。 的成熟和基础数据积累, 数学模型将体现出其不可替 代的优势。

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讨论与展望
版社, 2003: 197-199.

生态风险评价在短短的几十年间取得了巨大的 发展, 但是正如任何一个新兴学科一样, 它在快速发 展的同时, 自身还有很多不足和缺陷, 而评价对象的 不断发展也给生态风险评价提出了更加严峻的挑战。 综合上述分析,总结出生态风险评价存在的问题, 并 预测其未来发展趋势。 3.1 存在问题 (1 评价模型的问题, ) 生态风险评价起源于危险 毒物的环境风险问题, 早期的评价模型中, 大多是基 但是随着评价范围 于有毒有害物的暴露—反应关系, 评价因子的多样化, 原有的评价模型已不能 的扩大、 满足评价的需要。 因此国内外学者发展了各种不同的 评价模型, 由于各生态系统的特异性 [32], 很难将适用 于某一类型的模型复制到别的生态系统, 且各种评价 模型的准确性难以验证。 (2 风险因子筛选的问题, ) 筛选出主要风险因子, 同时这种风险因子又要在现有认知和技术水平下可 度量, 因而有些风险因子虽然存在, 但无法进行准确 的定量评价。 (3 评价范围的问题, ) 由于研究者评价能力的有 限, 评价范围必然也是局限于一定的范围, 当评价尺 度扩大时, 由于空间异质性的存在, 将产生不可避免 的误差。 (4 不确定性处理的问题, ) 在生态系统中, 每一种 风险均有其不确定性来源。 生态系统本身存在的固有 端点、 暴露等分析过程 随机性和对风险评估的受体、 的复杂性构成了生态风险评价的误差, 数据和信息来 源的准确性难以检验, 影响生态风险评价的结果。 3.2 发展趋势 (1 区域生态风险评价的定量研究方法将更加完 ) 善, 建立基于多风险源、 多受体的生态风险评价模型, 强化区域生态风险研究中的不确定性分析及处理。 (2 研究手段将更加先进, ) 随着 3S 技术 (GIS、 RS、 GPS 的发展, ) 由于其在空间分析和表达上的优势, 将 作为风险评价辅助工具发挥重要作用。 (3 以种群、 ) 群落为评价端点的微观研究模式与 在景观、 区域水平的宏观研究模式相互结合补充。 (4 研究将更加关注与人类生存环境密切相关的 ) 自然灾害, 地质灾害, 以及人类大规模活动对生态系 统本身造成的影响。由于生态灾害的形成过程缓慢、 时间跨度大、 危害范围大等特点, 对于一些尚于萌芽 阶段的问题, 如提前研究, 可防患于未然, 为政府部门 相关决策的制定提供参考。

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