水污染的危害及防止措施,地下水生态系统健康评价研究进展
摘要: 地下水生态系统为人类提供众多宝贵的服务,如水资源供给、水质净化、洪涝灾害调节等,其健康对于人类福祉至关重要。开展地下水生态系统健康评价不仅对揭示系统的内在机制具有重要意义,且能为地下水资源保护与修复提供理论依据。本文介绍了地下水生态系统的组成、功能以及所面临的威胁,梳理了地下水生态系统健康评价的发展历程、方法、指标与流程框架。通过对比分析现有的研究成果,总结了评价理论和方法中存在的科学问题,并对未来评价方法的发展趋势进行了展望。结果表明:①当前地下水生态系统健康评价方法主要有多指标综合评价法、生物指示法、证据权重法,其中多指标综合评价法最有助于全面地了解地下水生态系统健康状况。②当前研究中评价指标的选取缺少固定的标准,存在一定的主观性,限制了不同评价之间的可比性。③以往研究中所选取的指标可以分为理化指标、生态指标、社会指标3个方面,未来研究可以制定固定标准从上述三方面对地下水生态系统健康进行评价。建议在未来的工作中增加地下水基础数据的采集频次和覆盖范围,并积极进行学科交叉,引入机器学习、大语言模型等技术,降低地下水生态系统健康评价中的主观性,实现评价的准确化、客观化、智能化。
关键词:地下水生态系统 / 生态系统健康评价 / 指标体系 / 生态指标 / 地下水微生物 / 地下水中水生动物
地下水分布广泛、水质稳定,不仅为人类的生产生活提供大量清洁的水源,而且为众多依赖地下水的生态系统提供物质和能量,具有重要的生态功能[1-2],但其深藏地下的特性导致对其的研究普遍不如地表水深入[3-4]。随着经济的快速发展,城市化、工业化进程不断加快,人类对地下水资源的需求不断攀升。不合理的地下水开采和污染排放会造成地下水水量的亏空和水质的污染,危害用水安全和社会的可持续发展。地下水生态环境问题受到了广泛的关注,研究热点包括地下水污染与修复[5-6]、地下水回补[7-8]、地下水环境监管[9]等。这些研究对于改善地下水水质,维持地下水的稳定供给具有重大现实意义,但研究的出发点多是从资源保护入手,将地下水视为自然资源,对地下水生态系统健康的关注略有不足。
随着科研工作的持续推进,研究人员对地下水复杂性的认识逐渐加深,一些研究开始从生态系统保护的视角评估地下水生态系统的健康状态。开展地下水生态系统健康评价的研究,不仅有助于揭示地下水生态系统的内在运作机制,而且能够为地下水资源的保护与修复工作提供理论依据。因此,对地下水生态系统健康进行评价十分必要。
本文通过回顾大量国内外文献,介绍了地下水生态系统的组成、功能以及所面临的威胁,对地下水生态系统健康评价的发展历程进行了系统性梳理。总结了地下水生态系统健康评价中所采用不同方法的优势与局限性,并对以往研究中使用的评价指标进行了归纳整理,提出将评价指标分为理化指标、生态指标及社会指标三大类别。针对当前地下水生态系统健康评价理论和方法面临的挑战,包括基础数据的缺乏、评价指标选择与权重分配的主观性以及评价标准的不一致性,提出了未来展望。建议增加采样点的覆盖范围和采样频率,并结合跨学科的新技术,如机器学习和大语言模型,以减少评价过程中的主观偏差,提高地下水生态系统健康评价的准确性和可靠性,为未来的研究和实践提供坚实的理论基础和明确的指导方向,进而促进地下水生态系统的可持续管理和保护。
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地下水生态系统概述
1.1 地下水生态系统的定义与生物组成
孙才志等[10]认为,地下水生态系统是指由地下水和其相关的生物群落及其周围环境组成的功能系统。地下水是地球上第二大的淡水资源,然而其生物多样性被严重低估,价值尚未得到足够的重视[11]。根据含水介质类型的不同,地下水生态系统可以分为孔隙水生态系统、裂隙水生态系统和岩溶水生态系统。这些生态系统的孔隙、裂隙和岩溶空隙(空洞)中广泛分布着微生物[12],还孕育着多样化的无脊椎动物群落,包括节肢动物、软体动物等[13-14]。在高度发育的岩溶水生态系统中,洞穴、岩溶管道以及地下河为鱼类、蝾螈提供了独特的生存环境[15-17]。
微生物群落占据了地下生物量和生物多样性的主体部分[12]。由于地下水环境缺少光照和营养,生活在含水层中的微生物主要是适应了寡营养环境的异养生物[12]以及化能自养生物[18]。地下水动物群可以按照其对地下水环境的适应程度进行划分,分为“永久生活在地下水环境中的动物”(Stygobites)、“偶然或偶尔生活在地下水环境中的动物”(Stygophiles)以及“地表和地下水两栖类动物”(Stygoxenes)三类[2,19-20]。地下水动物群受区域水文地质条件、沉积物性质[21]和气候带[22]的强烈影响,地理分布极不均衡,具有很强的地方性[23]。如图1所示,地下水生态系统的生物多样性和独特性为深入理解该系统提供了重要视角。
1.2 地下水生态系统的功能
Korbel等[24-25]认为,地下水生态系统的健康体现在含水层保持其活力、恢复力和结构稳定性,同时能够提供高质量的生态系统产品和服务。健康的地下水生态系统可以发挥众多生态服务功能,例如,提供用于饮用和灌溉的水源[26];在微生物有氧、厌氧或共养的方式下降解污染物,保持并进一步净化水质[27-28],保障人类用水安全;促进地下营养物质的循环和生物地球化学过程[29-30];在雨季调节地表径流,在旱季补给河流避免干涸,调节极端水文事件[31-33];维持地下水和地下水支撑生态系统(Groundwater Dependent Ecosystems, GDEs)中的生物多样性[2,34]。 1.3 地下水生态系统面临的威胁在气候变化[26,35-36]和人类活动[37-38]双重压力的共同作用下,全球许多地区正面临地下水资源量减少和水质恶化的问题[39-40]。这一现象对地下水生态系统的健康构成了显著威胁,不仅降低了地下水的可用性,也对地下水生态系统的平衡和生物多样性构成重大威胁[41-42]。水文循环在气候变化的背景下受到巨大影响,气候变化会造成地下水温度的改变[43-44]。通常情况下,温度的小幅升高对未受污染的地下水生态系统的影响较小,但是在被污染的含水层中可能会导致水质的剧变和生物群落结构变化[45]。研究表明,地下水的过量开采会造成环境条件和水文条件的改变,影响生物群落竞争的平衡,导致区域动植物群落发生退化[46]。地下水中常见的污染物包括石油烃、杀虫剂、硝酸盐和亚硝酸盐等,近年来微塑料、抗生素等新污染物也频繁出现,这些污染物存在生态毒理学风险,可以改变生物群落结构[1]。此外,即使在NH4+浓度较高但低于现行标准阈值的井中,地下水中水生动物的多样性和丰度也明显偏低,这提示环境标准可能无法充分保护地下水中水生动物[47]。
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地下水生态系统健康的评价理论与方法
2.1 地下水生态系统健康评价研究历程
第一阶段,认知萌芽期。人们开始认识地下水的生态价值,政府和决策者也制定了相应政策。1998年,瑞士《水保护条例》明确了地下水生态系统的生态目标,强调生物群落应维持自然状态,与栖息地未受污染的水体相同[48-49]。2003年,西澳大利亚环境保护协会(the Western Australian Environmental Protection Authority, EPA)发布的指南强调,在开发利用地下水时,必须评估其对地下水生境及洞穴生物的影响。2006年,欧盟出台的《地下水指令》(European Union Groundwater Directive, EU-GWD)中指出,“应开展相关研究,为地下水生态系统的保护提供更好的标准”[48]。在这一阶段,健康评价的体系构建尚未成型,但法律法规中的要求标志着地下水生态系统保护意识的觉醒。第二阶段,理论发展期。理论框架的构建取得了显著进展,学者们提出了一系列评估指标和方法。2009年,Steube等[48]首次提出了地下水生态系统生态评价的综合概念,这一概念将评估过程分为4个步骤:①确定地下水生态系统的类型;②推导自然背景值;③确定潜在生物指标;④开发评估模型。这项研究构建了地下水生态系统健康评价的结构化评价方案,多指标综合评价法在此时初现雏形,标志着地下水生态系统健康评价研究进入理论发展期。同年,孙才志等[50]提出地下水生态系统健康评价指标体系的构建方法属于多指标综合评价法,从系统结构特征、生态功能、资源功能、系统保护以及社会环境五方面精选29个核心指标,以全面评价地下水生态系统的健康状态。这一研究丰富了地下水生态系统健康评价指标体系构建的理论。2010年,Stein等[19]发现地下水生物群落对地表水和土地利用的影响具有显著的敏感性,“永久生活在地下水环境中的动物”“偶然或偶尔生活在地下水环境中的动物”以及“地表和地下水两栖类动物”的比例和数量与未受影响的样品相比存在明显差异。此外,受到土地利用影响的样品中表现出了高细菌多样性。这项研究表明,地下水中水生动物与地下水微生物具备作为生物指标来反映地下水生态系统健康状况的潜力,指示物种法在地下水生态系统健康评价中具有应用价值。在这一阶段,有关地下水生态系统健康评价的理论迅速发展。第三阶段,探索实践期。地下水生态系统健康评价不再局限于理论探讨,而是通过具体的实践案例,展现出应用价值。Korbel等[24]于2011年首次定义了地下水生态系统健康的概念,并提出了一种分级评价方法。该研究构建多指标、双层框架的模型,综合考虑功能指标(微生物活度、无脊椎动物丰度、DOC)、结构指标(微生物多样性、无脊椎动物多样性)和压力指标(硝酸盐、总磷、农用化学品),计算地下水健康指数(the groundwater health index, GHI),量化评估地下水生态系统的健康状况,其有效性在澳大利亚新南威尔士州西北部一个冲积含水层得到了验证,是多指标综合评价法的首次实践。2012年,孙才志等[10]从地下水系统结构特征、区域自然条件、外界压力、资源与保护和生态环境5个维度挑选了10个证据因子,以硝酸盐浓度为响应因子,基于ArcView平台应用证据权重法(weights of evidence, WOE)在辽河平原开展了地下水生态系统健康评估,验证了WOE方法的可行性。2016年,安新丽等[51]将微生物生物完整性指数(microbiome index of biotic integrity, M-IBI)应用于包钢稀土尾矿库周边地下水生态系统健康评估中,筛选出4个生物参数(Pseudidiomarina属相对丰度、Methyloversatilis属相对丰度、Thiobacillus属相对丰度、高温敏感属相对丰度),构建了针对地下水生态系统健康的M-IBI评价体系,是指示物种法与多指标综合评价法的结合。Korbel等[25]于2017年对GHI进行了改进,引入加权系统,构建加权地下水健康指数(the weighted groundwater health index, wGHI)。这使得评估结果能够更准确地解释自然因素对生物分布的影响。通过计算加权后的总得分,将地下水生态系统的健康状况划分为“与参考点相近”“轻微偏移参考点”和“重度偏移参考点”三个等级。2019年,Fillinger等[52]开发了一种基于3个微生物参数(原核细胞密度、活度及生物可利用碳浓度)的地下水生态监测方法−D-A-(C)指数法。这一方法通过马氏距离来量化样本的异常程度,具有价格低廉,便于与常规检测结合的优势。2020年,Di-Lorenzo等[53]为了更好地评估硝酸盐污染对欧洲含水层生态系统健康的影响,在wGHI的基础上提出了wGHIN。将wGHIN用于意大利易受硝酸盐影响的松散含水层中发现,虽然硝酸盐污染普遍存在,但多数监测点的生态环境状况仅轻微偏离理想的健康标准。探索实践期的到来,预示着地下水生态系统健康评价正逐步从学术研究走向实际操作,从理论模型走向应用工具,为地下水资源的可持续管理和保护开辟了新的道路。2.2 地下水生态系统健康评价方法地下水生态系统健康评价方法主要可以分为多指标综合评价法、指示物种法和证据权重法,各评价方法多方面对比见表1。多指标综合评价法是水生态系统健康评价中的常用方法,以其全面性和易于量化的特性而备受青睐[59]。尽管这一方法在全面评估生态系统的多个关键方面展现出其独特的优势,但在评价体系的构建和评价指标的选择上,目前尚未形成统一的方法论。为了规范评价指标的选取,研究者们已经开发了多种评价框架体系。这些框架体系主要可以归纳为三大类:活力组织弹性(VOR)模型及其改进模型[60-61];压力状态响应(PSR)模型及其改进模型[62-63];基于生态完整性框架的评价[64-65]。在地下水生态系统健康评价中,该方法从地下水生态系统的多个维度构建评估框架,通过选定反映生态系统多维度特征的关键指标,进行量化分析和权重分配,构建起一个评价体系,并与健康、未受扰动的生态系统特征进行比较,以反映生态系统的健康状况。这一过程涉及将众多独立指标综合为一个全面的单一指数,从而简化了评估过程。该方法考虑了与地下水生态系统健康密切关联的多种类型指标之间的相互关系和整体生态系统的健康状态,但是指标的选择和权重的确定存在主观性,缺乏统一的评价标准,限制了评价结果的可比性。指示物种法在地表水生态系统健康评价中有着广泛应用[66]。这一方法在地下水生态系统健康评价中的应用主要体现在通过选择具有代表性的物种或群落结构来评估地下水生态系统的健康状况。生物指标主要分为4种类型,分别是组成或丰度指标、丰富度或多样性指标、敏感性或耐受性指标、功能指标[67]。指示物种法具有操作简便、结果直观的优势。随着人类对地下水生态系统及其生物多样性的理解日渐深入,未来研究中代表性生物的选择将具备更多科学依据,指示物种法在评估地下水生态系统健康状况方面有望得到更多关注和发展。证据权重法是一种结合概率论和贝叶斯定理的空间决策模型,通过分析证据因子与响应因子的空间相关性并进行加权叠加生成响应因子的预测概率图[68]。这一方法广泛应用于矿产资源评价[69],在地下水相关研究中也有所体现,如地下水中氮浓度影响因素[68]、地下水脆弱性评价[70]等领域。在地下水生态系统健康评价中使用证据权重法的优点在于该方法以风险概率的形式表现评价结果,而不是以评价等级或数值的结果进行呈现,可以更好地体现出地下水生态系统健康的随机不确定性[10]。然而,这一方法存在响应因子单一、评价不够全面的问题。此外,目前在地下水生态系统健康评价的研究中较少使用这一方法,其评价效果有待进一步验证。
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地下水生态系统健康评价的体系构建与指标选择
3.1 地下水生态系统健康评价的指标体系构建
在构建地下水生态系统健康评价体系的过程中,学者们根据不同的研究视角和专业背景,提出了多样化的指标选取策略。Steube等[48]强调了在地下水生态系统评估中建立生态标准的重要性,认为评价指标应综合考虑物理化学属性、微生物基本特征、微生物群落结构特征以及地下水中水生动物的多样性和丰度,并特别指出微生物作为生物指标具有巨大的发展潜力。在提出地下水生态系统健康理念的基础上,孙才志等[50]以维持地下水生态系统健康为目标,提出从系统结构、生态功能、资源作用、保护措施和社会环境这五方面进行指标选取,研究成果丰富了地下水生态系统健康评价的理论和指标的选择。通过整理总结前人文献发现,Korbel等[24-25]确定了健康地下水生态系统的一般属性,将反映地下水生态系统健康的潜在指标划分为功能指标、结构指标与压力指标。此外,徐斌等[54]基于自然、环境、生态、社会、经济这五个维度构建评价体系,提出了适用于新疆石河子垦区的地下水生态系统评价方法。经过对先前研究中选定的评价指标的系统梳理与深入分析,将评价指标分为三类,分别为理化指标、生态指标和社会指标,分类汇总结果如图2所示。
3.2 理化指标
在进行地下水质量评估时,理化指标的选取通常涵盖了物理性质、化学成分、营养盐水平、有机污染物及重金属污染状况等多个方面[71-72]。在地下水生态系统健康评价中,理化指标的选取可以借鉴地下水质量评价的成熟经验并进行扩展。除了考虑传统的理化指标外,还应考虑纳入一些特定的参数,如含水层介质类型、上覆保护层厚度、地下水埋深、地下水矿化度等描述地下水生态系统特征的理化指标[10],以期对地下水生态系统的健康进行更全面的评价。3.3 生态指标在地下水生态系统评价中,微生物、动物、依赖地下水生态系统的植物等作为生态指标的可行性得到了验证。微生物的群落结构可以反映土地利用类型[73]、海水入侵[74]、温度变化[45]对含水层造成的影响,微生物的细胞丰度被用作评价地下水生态系统是否受扰动的指标[52]。地下水中水生动物以无脊椎动物为主,它们的丰度、多样性和群落组成对环境条件的变化很敏感。地下水中水生动物的群落组成可以反映浅层地下水与地表水的水文联系[75],不同类群地下水中水生动物的比例被认为是地下水生态系统健康的评价标准[76]。然而地下水中水生动物的分布零散,具有不均匀性且密度较低,相较之下无处不在的地下水微生物可能是更有前景的生态指标[19,32,77]。一些植物的生长与地下水有着密切联系,依赖地下水植物的生长分布情况和覆盖率,可以作为生态指标反映出地下水位的变化[78]。此外,土壤盐渍化率、水土流失程度也是值得关注的生态功能指标[50]。3.4 社会指标地下水生态系统健康评价中,社会指标旨在提供地下水开发利用、污染排放、环境政策对地下水生态系统的影响。地下水供水比、地下水开采程度反映了人类对地下水资源的需求[50]。污水处理率定量展现了人类为了平衡发展的需要与生态环境的保护,在水资源保护和提升水资源利用效率方面所做出的努力[79]。将社会指标纳入地下水生态系统健康评级,可以反映人类活动对地下水生态系统健康的影响,提供地下水生态系统自身属性之外的评价维度,实现对地下水生态系统健康状况更全面和更深入的评估。3.5 地下水生态系统健康多指标综合评价的框架地下水生态系统健康多指标评价法可以拆解为以下3个步骤。第一步,选取关键指标。评价指标的选取应满足从多个角度全面反映地下水生态系统的健康状况。综合前人研究,评价指标可以分为理化指标、生态指标与社会指标。面对众多候选指标,构建评价体系时并不需要覆盖所有指标,而是选择对环境扰动敏感的指标,并考虑指标之间的关联,避免出现指标冗余的问题,根据实际情况选择具有代表性的关键指标,确保所选指标可以真实、准确地反映地下水生态系统健康。第二步,确定参考点。理想情况下,参考点应选取与待评估区域环境条件相似且未受人类活动干扰的地点。然而在人类活动的影响下找到完全未受干扰的地点几乎是不可能的。因此,应确定受干扰最小的地点并以此作为参考点[77]。参考点的选择对于建立评价指标的基准至关重要,将会直接影响评价结果的准确性和可靠性。因此,参考点的选择需要极为谨慎,并且确保参考点的数量足够提供可靠的基准数据。 第三步,构建评价指标体系。获取参考点的基准数据之后,需要将待评估区域的指标数据与之进行比对,量化每个指标的得分,进而将这些得分进行综合汇总,以得出地下水生态系统健康的整体评分[80]。这个总得分将作为对生态系统健康状况进行分类的依据。为了提高评价结果的精确度,计算的过程中可以根据各指标对地下水生态系统健康的贡献进行加权计算,以获得更准确的评价结果[25]。 基于多种指标评估地下水生态系统健康的流程框架如图3所示。
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地下水生态系统健康评价的科学挑战与发展趋势
地下水生态系统健康评价领域仍处于发展阶段,其评价理论和方法尚未完全成熟,面临着一系列亟待解决的科学问题。由于地下水生态系统的复杂性和空间异质性,以及对地下水生态系统内在机制认识的不足,准确定义地下水生态系统健康,确定影响地下水生态系统健康的关键指标并赋予各指标权重存在困难。在进行地下水生态系统健康评价时,无法覆盖所有的指标,不同专业背景的学者对地下水生态系统健康的认识存在差异,导致建立评价体系时指标选择的主观性强,不同研究间的可比性受限。确定地下水生态系统各指标的健康标准也是一大难题。人类活动的影响使得寻找未受干扰的含水层变得困难,确定自然状态下的参考状态存在挑战。此外,地下水生态系统的健康评价过程主要包括指标数据的采集、测量、处理和分析,均高度依赖于专业知识,这些过程不仅操作复杂,成本昂贵,而且存在一定的技术门槛。目前,地下水生态系统健康评价的实践案例相对较少,现有的评价方法需要进一步的发展和完善。未来研究中,跨学科合作对于构建对地下水生态系统健康状态的全面理解至关重要。研究人员应扩大采样和研究的覆盖范围,深化地下水生物与环境因素相互作用的认识,并发展多样化的评价方法。通过对比不同评价方法的结果,增强评估的准确性和一致性。此外,应规范指标选择的依据和健康标准的设置,积极引入机器学习、大语言模型等技术取代经验判断和专家打分,降低地下水生态系统健康评价中的主观性,提高评价结果的可靠性。
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结论与展望
a) 地下水生态系统健康评价工作可以分为认知萌芽期、理论发展期、探索实践期3个阶段。认知萌芽期标志着保护意识的觉醒,不再仅把地下水视作资源,而是生态系统。理论发展期提出了地下水生态系统健康评价应该覆盖的指标,评价的理论迅速发展。探索实践期提出了多种地下水生态系统健康评价方法,并在实践案例中得到了验证。 b) 地下水生态系统健康评价的主要方法有多指标综合评价法、指示物种法和证据权重法,其中多指标综合评价法具有全面性和易于量化的优势,是当下使用最多的评价方法。指示物种法可以作为生态指标与多指标综合评价法进行结合使用。随着人们对地下水生物认识的深入,指示物种法有望得到更多关注和发展。证据权重法以风险概率的形式表现评价结果,可以体现地下水生态系统健康的随机不确定性,但其应用较少,评价效果有待补充验证。 c) 目前地下水生态系统健康评价体系构建中,评价指标的选择缺乏统一标准,不同评价体系中指标的选择各有侧重,指标选取的主观性较强。研究认为前人选取的评价指标可以分为理化指标、生态指标及社会指标三类。后续工作可以制定选择指标的规范流程,从上述三类指标中进行选取,增加不同地下水生态系统健康评价研究结果之间的可比性。此外,应当增大采样工作的频率以及研究的覆盖范围,理清地下水生物与环境因素之间的联系,为地下水生态系统健康评价的指标选择和科学保护地下水生态系统提供理论基础。
d) 多指标综合评价法的流程可以分为三步。第一步,选择关键指标,从多个角度进行评价;第二步,确定参考点,建立评价指标的基准;第三步,构建评价指标体系,计算地下水生态系统总得分,判断地下水生态系统健康状况。在汇总每个指标得分,计算地下水生态系统总得分时,主要根据其生态重要性对每个指标进行标准化和加权。然而,目前对地下水生态系统各指标如何响应各种环境扰动的知识有限,在确定各指标生态重要性时高度依赖经验判断和专家打分,权重的分配存在较强的主观性。建议通过机器学习、大语言模型等技术取代经验判断和专家打分,降低地下水生态系统健康评价中的主观性
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