周楊明, 于秀波, 鄢幫有

1. 江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室，江西 南昌330046；

2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京100101

隨著全球生態(tài)與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻[1-2]，各國政府和公眾對生態(tài)系統(tǒng)狀況的關(guān)注程度日益增加。生態(tài)系統(tǒng)是由植物、動物和微生物及其無機環(huán)境相互作用構(gòu)成的一個動態(tài)、復(fù)雜的功能單元[3]。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多樣，我們無法度量、也沒有必要度量生態(tài)系統(tǒng)的所有特征。為了了解生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)或預(yù)測其未來的狀態(tài)，人們經(jīng)常求助于一些簡單的、容易理解的“替身”，這些“替身”就稱為生態(tài)指標(biāo)。生態(tài)指標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能方面的可度量的特征[4-5]，它能夠幫助人們從龐雜的數(shù)據(jù)中分離出重要的信息[6]，并以一種易于理解和交流的方式傳遞給公眾和決策者。

生態(tài)指標(biāo)作為生態(tài)信息的一種重要載體，不僅能直接服務(wù)于生態(tài)科學(xué)研究，還能夠為生態(tài)政策的制定提供科學(xué)參考。通過合適的生態(tài)指標(biāo)，可以將生態(tài)科學(xué)知識以一種易懂易用的方式傳遞給政府和公眾，幫助人們管理好地球生態(tài)系統(tǒng)，以便持續(xù)地獲取人類所需的各種生態(tài)服務(wù)。但是，當(dāng)前日益嚴(yán)峻的生態(tài)與環(huán)境問題表明，生態(tài)科學(xué)對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)決策的影響還很有限，這些決策包括個人的消費選擇和廢棄物的處理方式，以及政府對自然資源管理和環(huán)境保護的政策等等[7-8]。因此，加強生態(tài)指標(biāo)研究不僅有助于促進生態(tài)科學(xué)與管理決策的結(jié)合，而且對實現(xiàn)地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 生態(tài)指標(biāo)研究進展

長久以來，指標(biāo)就用于監(jiān)測自然界的變化，比如人們使用動物的季節(jié)性遷移或春天開花的植物等指標(biāo)來觀察環(huán)境的季節(jié)變化。在指標(biāo)使用的初期，指標(biāo)主要反映環(huán)境狀況，并且環(huán)境指標(biāo)（Environmental Indicator）與生態(tài)指標(biāo)（Ecological Indicator）這兩個術(shù)語并不嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)?；Q使用[5]。環(huán)境指標(biāo)反映了人類活動對環(huán)境的影響，以及環(huán)境影響與社會反應(yīng)之間的因果聯(lián)系[9]。生態(tài)指標(biāo)是反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的環(huán)境指標(biāo)，是環(huán)境指標(biāo)的一個子集[5-6]。

生態(tài)指標(biāo)應(yīng)用的歷史可以追溯到柏拉圖（英文名Plato，古希臘哲學(xué)家，約公元前427年至前347年），他在文章中引述了人類活動對果樹產(chǎn)量的影響這一現(xiàn)象[10]。17世紀(jì)，開始出現(xiàn)了關(guān)于植物和動物群落的指標(biāo)概念[11]。20世紀(jì)初期，Kolkwitz和Marsson就開始采用指示物種來描述水生生態(tài)系統(tǒng)的狀況[12]。20世紀(jì)20年代，Clements開創(chuàng)了使用植物來表征土壤物理過程和變化的科學(xué)時代[5]。隨后，生態(tài)指標(biāo)的應(yīng)用范圍越來越廣，包括空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、氣候變化監(jiān)測等。隨著對生物多樣性、資源可持續(xù)利用、全球變化、環(huán)境污染等生態(tài)與環(huán)境問題的關(guān)注日益增加，涌現(xiàn)出了許多關(guān)于生態(tài)指標(biāo)的研究論文，并于2001年創(chuàng)辦了專門的學(xué)術(shù)期刊——《生態(tài)指標(biāo)》（Ecological Indicator）。

近年來，由于評估生態(tài)系統(tǒng)狀況和改善生態(tài)系統(tǒng)管理的需求，人們對生態(tài)指標(biāo)的開發(fā)和應(yīng)用的興趣急劇增長。一方面，公眾日益要求對生態(tài)和環(huán)境狀況進行報道，以確定生態(tài)和環(huán)境是在不斷改善還是在不斷惡化；另一方面，為了保護生態(tài)與環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，政府需要能服務(wù)于決策的生態(tài)與環(huán)境信息[5,12-14]。實際上，一些國家都已經(jīng)或正在實施相關(guān)項目對生態(tài)指標(biāo)進行常規(guī)報道。比如，1980年美國國家科學(xué)基金會啟動長期生態(tài)研究計劃（Long-Term Ecological Research Program, LTER）開始長期監(jiān)測大空間尺度上不同的生態(tài)過程、格局和現(xiàn)象，20世紀(jì)90年代初期美國環(huán)境保護局又設(shè)立了一個長期環(huán)境監(jiān)測和評估項目采用指標(biāo)來評估美國區(qū)域尺度上的生態(tài)狀況和變化趨勢[15]，2002年海因茨中心（The Heinz Center）發(fā)布了美國第1份《國家生態(tài)系統(tǒng)狀況報告》采用了103個指標(biāo)從生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模、理化狀況、生物組成和人類利用4個方面對農(nóng)田、森林等生態(tài)系統(tǒng)狀況進行報道，2008年該報告發(fā)布了第2版[16-17]。此外，一部分國際公約也提出了報道關(guān)鍵生態(tài)狀態(tài)指標(biāo)的要求。響應(yīng)各國政府履行4大國際公約（《生物多樣性公約》、《聯(lián)合國防治荒漠化公約》、《國際濕地公約》和《遷移物種公約》）的需求，2001—2005年聯(lián)合國實施了千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其對人類福祉的影響為核心對全球生態(tài)系統(tǒng)進行了多尺度評估，為決策者提供了可靠的地球生態(tài)系統(tǒng)狀況信息，并闡明了政策干預(yù)的可能性[1]。2012年6月聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在全球范圍發(fā)布“全球環(huán)境展望”第5版(GEO5)，它基于驅(qū)動力、壓力、現(xiàn)狀、影響和應(yīng)對（DPSIR）的分析框架，采用代表性指標(biāo)闡明了全球大氣、土地、水、生物多樣性的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。GEO5指出如果人類不盡快改變其生產(chǎn)生活方式，可能導(dǎo)致人類活動超過地球生態(tài)系統(tǒng)中的幾種承受極限，生命賴以生存的地球機能可能會發(fā)生突然且不可逆轉(zhuǎn)的改變[18]。

2 生態(tài)指標(biāo)的應(yīng)用

在實際應(yīng)用中所采用的生態(tài)指標(biāo)多種多樣，大致可以分為2大類：第1類是反映生態(tài)系統(tǒng)某一方面特征或?qū)傩缘暮唵沃笜?biāo)或指數(shù)，比如生物量、物種豐富度指數(shù)、NPP、指示物種、浮游生物密度、出生率和死亡率等[19-23]；第2類是為了反映生態(tài)系統(tǒng)的整體狀態(tài)，將多個生態(tài)系統(tǒng)特征或?qū)傩约蔀檎w性指標(biāo)（Holistic indicator），比如生物多樣性指數(shù)、生物完整性指數(shù)、生命地球指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)等[24-28]。與簡單指標(biāo)相比，整體性指標(biāo)具有更豐富的信息量、可以度量出生態(tài)系統(tǒng)整體狀態(tài)隨時間的變化趨勢。生態(tài)指標(biāo)的使用基于這樣一個假設(shè)：指標(biāo)能夠反映發(fā)生在各級生態(tài)層級（從基因到物種、群落、區(qū)域）上的變化[29]。生態(tài)指標(biāo)可以服務(wù)于多種目的，可以用于評估生態(tài)與環(huán)境狀態(tài)、提供環(huán)境變化的早期預(yù)警信號、診斷環(huán)境問題的原因、指導(dǎo)自然資源利用和生態(tài)系統(tǒng)管理，此外還可以服務(wù)于生態(tài)與環(huán)境政策的制定和評價[20,30]。實際上，同一個生態(tài)指標(biāo)可以服務(wù)于不同的目的，比如NPP既可以直接用于反映生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)功能[21]，還可以用于評價區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性[31]。表1展示了生態(tài)指標(biāo)在不同生態(tài)層級上的應(yīng)用。此外，生態(tài)指標(biāo)還與其他指標(biāo)相結(jié)合應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)展評價、區(qū)域生態(tài)安全評價和生態(tài)系統(tǒng)綜合評估[1,16,32-33]。

3 生態(tài)指標(biāo)研究中的熱點問題

在理想的狀態(tài)下，生態(tài)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)能夠反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和組成的關(guān)鍵信息。但是有些因素會嚴(yán)重妨礙生態(tài)指標(biāo)成為生態(tài)系統(tǒng)管理或資源管理的工具，比如[30]：①監(jiān)測項目通常依賴于一小部分指標(biāo)，沒有全面考慮生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性；②監(jiān)測項目的長期目標(biāo)含糊不清，導(dǎo)致生態(tài)指標(biāo)的選擇非?；靵y；③由于沒有一個既定的規(guī)則來篩選生態(tài)指標(biāo)，使得監(jiān)測項目缺乏科學(xué)的嚴(yán)密性。

事實上，很多使用生態(tài)指標(biāo)的努力都遭到了批評，而且不少批評是正確的。大多數(shù)批評集中在[5,49]：指標(biāo)服務(wù)的目標(biāo)不明確；沒有確定指標(biāo)適用的時空尺度；缺乏一個說明指標(biāo)含義的概念性框架；忽視了指標(biāo)的誤差來源；沒有驗證指標(biāo)的有效性等等。因此，在具體應(yīng)用中，為了避免生態(tài)指標(biāo)所傳達的信息被誤用，下列幾個方面的問題已經(jīng)成為了生態(tài)指標(biāo)研究的熱點。

3.1 指標(biāo)的監(jiān)測目標(biāo)與選擇標(biāo)準(zhǔn)

在具體應(yīng)用中，研究者必須了解生態(tài)指標(biāo)與監(jiān)測目標(biāo)之間的關(guān)系，必須針對特定的監(jiān)測目標(biāo)進行優(yōu)化。如果目標(biāo)含糊不清，指標(biāo)的科學(xué)基礎(chǔ)和客觀性就成了中心問題。因此，應(yīng)用生態(tài)指標(biāo)的首要問題就是明確監(jiān)測的目標(biāo)。同時還應(yīng)該注意到，指標(biāo)是對復(fù)雜的現(xiàn)象的概要反映，因此，天生就具有很大的片面性。生態(tài)指標(biāo)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一在于：指標(biāo)要既能盡量全面反映生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，又能保持足夠的簡單以便進行日常監(jiān)測[30]。

表1 生態(tài)指標(biāo)在不同生態(tài)層級上的應(yīng)用舉例 Table 1 Examples of Ecological indicators that have been applied within different ecological levels

為此，明確了監(jiān)測目標(biāo)后，還必須選擇能夠正確且能全面反映監(jiān)測對象的適當(dāng)指標(biāo)，以降低指標(biāo)的片面性。生態(tài)指標(biāo)的選擇取決于監(jiān)測的對象和目標(biāo)[5,50]。指標(biāo)選擇需要在眾多的因素中達成妥協(xié)，必須針對特定的目的進行優(yōu)化。如果指標(biāo)選擇不當(dāng)，即使目標(biāo)明確、監(jiān)測結(jié)果無誤，也不能獲取到所需的正確信息，從而導(dǎo)致決策的失誤。比如，許多國家對化肥進行補貼，鼓勵農(nóng)民施用化肥，使得糧食產(chǎn)量大幅增長。如果采取糧食產(chǎn)量作為評價化肥補貼政策的成功與否的指標(biāo)，結(jié)果當(dāng)然是肯定的。但是，化肥的過量使用，使得N、P等營養(yǎng)元素在水體富集，造成水體富營養(yǎng)化，給下游地區(qū)的漁業(yè)帶來巨大的損失。如果采取下游漁業(yè)產(chǎn)量為評價化肥補貼政策的成功與否的指標(biāo)，結(jié)果卻是否定的[51]。再比如，人們通常采用氣溫和降水作為監(jiān)測氣候變化的首選指標(biāo)，但是越來越多的證據(jù)表明氣候變化對生物造成了顯著的影響[52]，如果要全面反映氣候變化，還需要生物方面的指標(biāo)（如物候變化、物種分布、群落組成和動態(tài)等）。

生態(tài)指標(biāo)是監(jiān)測、評估和制定決策的重要依據(jù)，目的是快速方便地向公眾和決策者傳遞生態(tài)信息。目前，還沒有一個普適的指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的監(jiān)測目標(biāo)，指標(biāo)的選擇標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。綜合目前的研究結(jié)果來看，大多數(shù)學(xué)者傾向于認(rèn)為有效的生態(tài)指標(biāo)都應(yīng)符合如下要求[6,53]：①能夠提供重要生態(tài)過程的變化信息；②足夠敏感能夠檢測到重要的變化，但也不要太敏感以至被自然的變異性現(xiàn)象掩蓋；③能監(jiān)測適度時空范圍內(nèi)的變化；④基于易理解且普遍接受的概念模型；⑤數(shù)據(jù)可靠且足以用于評估變化趨勢，數(shù)據(jù)的收集過程相對簡單；⑥從已有的監(jiān)測系統(tǒng)中可以獲得用于計算指標(biāo)的重要數(shù)據(jù)；⑦容易被決策者理解。

3.2 指標(biāo)的參考狀態(tài)

為了反映生態(tài)系統(tǒng)的變化或評價生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢的好壞往往要對監(jiān)測的生態(tài)指標(biāo)進行比較研究，這就需要一個比較的基準(zhǔn)。在沒有一個絕對的比較基準(zhǔn)時，往往把初始的測量值作為與將來的測量值進行比較的基準(zhǔn)。這種比較只能說明生態(tài)指標(biāo)的相對變化是增還是減，而不能說明生態(tài)指標(biāo)所反映的狀態(tài)處于一個什么樣的地位。因而，大部分監(jiān)測機構(gòu)、公眾和決策者希望每個生態(tài)指標(biāo)能有一個更明確的最佳基準(zhǔn)或參考狀態(tài)。一般地，人們傾向于將受到人類干擾最少的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)作為最佳基準(zhǔn)或參考狀態(tài)[54-55]。但是，這些狀態(tài)通常無法通常直接測量得到，因此，模型和歷史數(shù)據(jù)就成為了最好的近似估計了。目前，對生態(tài)指標(biāo)的最佳參考狀態(tài)的研究還很薄弱，爭議也非常大。

3.3 指標(biāo)適用的時空尺度

在理想狀態(tài)下，生態(tài)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)能夠反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和功能方面的關(guān)鍵信息。但是，實際上生態(tài)指標(biāo)并沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)全部的復(fù)雜性，而是關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的概要信息。生態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測通常只在一個或幾個具體地點進行，而公共政策決策卻需要大范圍區(qū)域上的生態(tài)信息[56]。由于生態(tài)系統(tǒng)具有較強的空間異質(zhì)性，根據(jù)某個或某幾個樣區(qū)的生態(tài)數(shù)據(jù)來推斷大范圍區(qū)域上的生態(tài)系統(tǒng)狀況，這樣不可避免地帶來不確定性。雖然目前常見的尺度轉(zhuǎn)換方法有圖示法、回歸分析、變異函數(shù)、自相關(guān)分析、譜分析、分形和小波變換，同時遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在尺度研究中也發(fā)揮著重要作用，但是如何在異質(zhì)景觀中進行尺度推繹仍然是一個沒有解決的科學(xué)難題[57-58]。因此，在基于生態(tài)指標(biāo)進行區(qū)域尺度上的決策時，必須充分考慮到生態(tài)指標(biāo)的適用的時間和空間尺度。

3.4 指標(biāo)的敏感性和穩(wěn)定性問題

指標(biāo)的敏感性和穩(wěn)定性是一對難以調(diào)和的矛盾。為了使監(jiān)測結(jié)果能夠指導(dǎo)人類活動，一方面人們希望指標(biāo)敏感到能夠監(jiān)測人為因素導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)的細微變化；另一方面人們希望指標(biāo)對自然因素導(dǎo)致的變化不敏感。Forst等（1992）建議生態(tài)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)既能敏感到足以檢測到人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，同時在未受干擾的生態(tài)系統(tǒng)中又能保持合理的穩(wěn)定性[59]。換言之，就是在自然變化的背景下，生態(tài)指標(biāo)要能夠監(jiān)測到人為因素導(dǎo)致的變化。這樣，生態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果就可以直接為人類活動提供指導(dǎo)。但是，在實際應(yīng)用中，這樣理想的生態(tài)指標(biāo)幾乎不存在，因此，在依據(jù)生態(tài)指標(biāo)做出決策時要注意區(qū)分導(dǎo)致生態(tài)指標(biāo)變化的主導(dǎo)因素。

3.5 生態(tài)指標(biāo)與社會、經(jīng)濟指標(biāo)結(jié)合的問題

一般地，單純由科學(xué)家開發(fā)的生態(tài)指標(biāo)，關(guān)注的是科學(xué)家們所認(rèn)為的生態(tài)系統(tǒng)評估的重要方面[15]。但是，環(huán)境管理者、政策制訂者或決策者要求指標(biāo)能夠被公眾所理解。在理想狀態(tài)下，與政策相關(guān)的生態(tài)指標(biāo)應(yīng)該符合下述要求[5]：①能夠評估已有的和即將出現(xiàn)的問題；②能夠診斷出導(dǎo)致?lián)p害的人為因素；③能夠建立變化趨勢來度量環(huán)境政策和環(huán)境項目的效果；④易于與公眾交流。要達到上述目標(biāo)，生態(tài)指標(biāo)的開發(fā)和使用需要科學(xué)和政策的共同參與，這樣開發(fā)出來的指標(biāo)不僅可以反映生態(tài)系統(tǒng)的變化，而且還可以評估生態(tài)與環(huán)境政策的效果。當(dāng)前，由經(jīng)濟力量驅(qū)動的人類活動影響了地球上所有的生態(tài)系統(tǒng)，為了使決策者更深刻地認(rèn)識到生態(tài)變化所導(dǎo)致的社會和經(jīng)濟后果，讓生態(tài)指標(biāo)能直接服務(wù)于決策，生態(tài)指標(biāo)還應(yīng)該與眾所周知的社會和經(jīng)濟指標(biāo)相結(jié)合。2001—2005年實施的聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目為生態(tài)指標(biāo)與社會經(jīng)濟指標(biāo)的結(jié)合開創(chuàng)一個成功范例，它從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度把生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉聯(lián)系起來，使得其評估結(jié)果能夠直接服務(wù)于管理決策。但是，如何實現(xiàn)生態(tài)指標(biāo)與社會、經(jīng)濟指標(biāo)更有效的結(jié)合，讓生態(tài)指標(biāo)能夠直接服務(wù)與決策，還需進一步探索。

4 結(jié)語及展望

在實踐中，我們必須認(rèn)識到使用生態(tài)指標(biāo)的復(fù)雜性和局限性。有效的指標(biāo)只是問題的一個方面，要想成功地實施生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和評估項目還必須有正確的項目設(shè)計，有效的數(shù)據(jù)管理、分析、綜合和解釋[60]。有效地使用生態(tài)指標(biāo)要求：監(jiān)測目標(biāo)清楚；時空尺度明確；參考狀態(tài)清晰；了解指標(biāo)定量化過程中的精度和準(zhǔn)確性；與具體的脅迫因子相聯(lián)系；與社會經(jīng)濟指標(biāo)相結(jié)合[5]。隨著科技的進步和發(fā)展，以及分子生物學(xué)、空間信息技術(shù)（如GIS、RS）、數(shù)據(jù)管理和分析技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用生態(tài)指標(biāo)監(jiān)測生態(tài)與環(huán)境變化的能力將不斷得到加強。

從生態(tài)科學(xué)到政策制定，生態(tài)指標(biāo)都具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。由生態(tài)學(xué)家和決策者共同參與開發(fā)出來的生態(tài)指標(biāo)能夠以一種易于公眾和決策者的理解和交流的方式來提供生態(tài)信息，不僅可以用于監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化，而且可以用于評估相關(guān)政策的得失。當(dāng)前，經(jīng)濟指標(biāo)在監(jiān)測經(jīng)濟系統(tǒng)表現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用，可以預(yù)見，生態(tài)指標(biāo)將像經(jīng)濟指標(biāo)一樣，在維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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