我国水生态系统完整性研究的重大意义、现状、挑战与主要任务

水生态系统完整性研究是当今国际热点，维护水生态系统健康与稳定已成为世界各国水生态系统保护的目标、方向和管理策略。“十三五”以来，我国地表水环境质量改善效果显著，但部分流域或局部水生态退化问题成为突出短板，强调水生态系统整体保护、促进水生态环境质量全面改善、提高生态系统自我修复能力将是未来我国水生态环境保护的重点任务。本文详细剖析了典型流域水生态系统保护现状和需求，阐述了我国开展水生态系统完整性研究的重大意义，系统总结了完整性研究国际进展和应用实践，深入分析了当前我国完整性研究面临的主要挑战，提出了未来发展思路与重点任务。

加快研发完整性监测与评价新技术，建立物理、化学和水生生物多要素统筹的完整性评价指标体系，创新发展多尺度完整性评价理论，持续开展典型流域完整性状况评估，摸清水生态家底及演变趋势；突破完整性退化诊断与修复调控新技术，厘清退化机制及驱动因子，阐明气候变化与人类活动复杂压力下退化水生态系统修复路径和调控策略，提升水生态系统保护修复的科学性，加快推动我国水生态环境管理制度迈上新台阶，为恢复和维持重点流域水生态系统原真性和完整性提供科技支撑。

研究概述

水生态系统完整性研究是当前国际上水生态监测与评价、生态环境综合治理、水生态系统保护与修复等领域的研究热点和前沿[1-2]. 目前，国际上对于水生态系统完整性的定义侧重点略有不同，但达成共识的“水生态系统完整性”是指物理、化学和生物完整性的有机整体[3-5]. 1972年，美国《清洁水法》将“恢复和维持国家淡水水域化学、物理和生物完整性”确定为国家目标[6]. Karr等[4]于1981年首次明确提出了生态系统完整性的概念，将其定义为“生态系统能够支撑或维持生物群落具有平衡性、整体性、且适应外界压力的能力，生物群落应具有自然状态下的全部群落种类组成、多样性和功能属性”. 完整性良好的生态系统，具有完整的生物群落结构，包括完整的物种组成、协调的外界环境和过程，同时具有一定的抗性和弹性，可以抵抗自然环境过程或者人类活动的干扰和破坏，拥有良好的自组织和恢复能力[3-4,7]. 水生态系统完整性研究主要包括完整性监测、评价、退化诊断、模型预测、修复调控等方面。

“十三五”期间，我国水污染防治攻坚战取得显著成效，地表水环境质量持续改善. 然而，部分流域或局部水生态保护形势依然严峻，存在生物多样性减少、生境破碎化、部分河湖水生态功能退化严重等问题[8-9]. 在生态文明建设全面推进的新形势下，如何运用新思路、新理论、新方法恢复水生态系统各要素持续发展是未来我国水生态环境保护的重大科技需求。美国、欧盟、加拿大、澳大利亚、南非等先后开展了水生态系统完整性监测与评价，构建了适用于本土流域水生态系统特征的监测与评价技术体系，动态掌握水生态系统完整性状况及其演变趋势. 在过去几十年，完整性监测技术、评价方法不断创新，配套政策也得到了迅速发展，在流域综合管理实践中表现出良好的应用效果[2,5]. 目前我国水生态系统完整性研究起步较晚，基础薄弱，亟需全面了解国际进展和经验，切实做好相关技术研发和机理机制研究. 该文系统剖析了当前我国流域水生态系统保护现状与问题，阐述了完整性研究的重要意义，系统总结了完整性研究的国际进展，分析了当前我国完整性研究面临的机遇和挑战，系统谋划未来研究的主要思路与重点任务，旨在为国家重点流域水生态考核与评价提供科技支撑，推动我国水生态环境管理制度迈上新高度，与国际接轨。 

一.我国开展水生态系统完整性研究的重大意义

进入“十三五”以来，我国水环境治理力度持续加大，全国及重点流域地表水环境质量改善成效突出，水污染防治攻坚战取得阶段性成果. 根据《中国生态环境状况公报》[10]监测数据显示：近年来全国地表水水质持续好转，水质优良(Ⅰ～Ⅲ类)断面比例大幅提升，由2015年64.5%提高到2021年84.9%，劣五类断面比例大幅下降，由2015年8.8%下降至2021年1.2%(见图1). 从流域层面上看，重点流域水环境质量状况普遍好转，以长江流域为例，水质优良断面比例由2015年81.8%提高到2020年96.9% (见图2)，2020年长江流域全面消除劣V类水质，干流全面达到了Ⅱ类水质，地表水环境质量总体达到历史最优水平

 

 

图1  全国地表水水质状况变化(2014—2021年)^[10]   Fig.1 Changes in the status of national surface water quality from 2014 to 2021^[10]

 

图2  长江流域地表水水质状况变化(2009—2020年)^[10]

Fig.2 Changes in the status of surface water quality for Yangtze River from 2009 to 2020^[10]

在水污染防治工作取得显著成效的同时，还应看到水生态系统失衡问题依然存在，成为建设“美丽中国”的突出短板和瓶颈问题[8]，主要表现在以下方面：①典型流域水生生物资源普遍面临严峻形势. 部分流域(如长江)水生生物多样性下降，多种珍稀水生野生动植物濒危程度加剧，水生物种资源严重衰退，已成为影响中国生态安全的突出问题[11]；②典型河湖生境状况发生重大改变. 部分流域(如长江)或区域(京津冀地区)天然水生生境面积大幅萎缩，水生生物生存空间被挤占，导致栖息地破碎化，“人鱼争水”问题凸显，严重威胁水生生物生存[12-13]；③湖泊富营养化和水华问题突出[14]. 全国重点湖库藻类生物量自1980年以来，稍有增加的趋势，微囊藻水华有逐步北移的趋势，如拟柱孢藻原适应于亚热带区域，近年在华北地区湖库出现；④典型流域水环境风险依然存在. 伴随经济快速发展，重金属、农药、内分泌干扰物(如全氟化合物及其替代物、新型溴代阻燃剂等)有毒有害物质进入水体，对水生生物安全构成潜在威胁[9,15]. 由于部分污染物特别是新型污染物未列入常规水质监测评价，从而忽视了其对水生生物的长短期毒性效应和影响。当前我国全面进入生态文明建设新时期，水生态环境保护形势与需求发生重大转变，守护大江大河，必须着眼更大的格局，从生态系统的整体性和全局性出发[16-17]，根据物理、化学和生物完整性全要素保护需求，统筹管理，系统推动水生态保护与修复工作，维护水生态系统稳定性与可持续发展。

1.1 符合生态文明建设的国家重大需求

水生态系统完整性保护理念符合新时期全面推进生态文明建设的重大需求，是贯彻“生态文明建设”的有力抓手. “十四五”时期是推动我国水生态环境管理制度从以“水污染防治”为主导向“水生态系统保护修复”转变的重要阶段，强调水生态系统整体保护、促进水生态系统质量全面改善是未来我国水生态环境保护的重点方向和任务[8]. 因此，全面加快流域水生态系统完整性科学研究刻不容缓，亟需系统开展完整性监测、评价、退化诊断与修复调控相关研究，促进水生态系统健康发展。

1.2有助于实现多要素综合评价水生态系统质量状况

水生生物是水生态系统的主体，健康完整的水生态系统是生物与维护其生存的各环境要素达到和谐共生、稳定发展的状态. 长期以来，我国水质监测评价与治理目标主要以总磷、COD等常规理化指标为主，无法综合反映水生态系统健康状况. 以长江流域为例，近年来长江水质改善显著(见图2)，但受气候变化、水利工程等长期累积影响，流域水生态功能退化严重，生物完整性指数到了最差的‘无鱼’等级，因此如何准确评价水生态系统质量状况成为亟待解决的科学问题. 用完整性来表征水生态系统健康状况，是把物理、化学和生物完整性及其生态过程和影响因素作为一个系统来整体考虑，从物种、种群、群落、生态系统到景观水平开展多尺度要素综合评价，有助于全面反映水生态系统质量状况。

1.3有助于科学解析水生态系统退化成因与复杂机制

水生态系统退化成因复杂，如气候变暖、栖息地丧失、水文情势改变、环境污染、物种入侵等，各胁迫因素存在交互作用，会产生协同、拮抗和加和作用，对生物多样性产生复杂影响[18]，为流域水生态系统保护修复带来较大难度，如何准确解析水生态系统复杂退化成因及其贡献是影响修复效果的关键. 目前，定量解析多种胁迫因素对流域水生生物群落结构与功能交互影响的研究已成为国际热点[19-20]. 完整性研究是从水生态系统的物理、化学和水生生物多要素出发，识别自然与人类活动多重环境压力下的复杂退化机制与关键驱动因子，为流域水生态系统保护与修复提供有力的科学依据和目标，有助于实现系统治污、精准治污、科学治污。 

1.4有助于提升我国水生态环境管理与治理能力现代化水平

维护和提升水生态完整性已成为国际上许多国家水生态系统管理策略，稳固水生态环境质量改善成效是我国“十四五”期间的重要任务和发展目标，亟需寻求更加完善的管理理念和治理模式. 系统开展完整性相关研究是实现这一目标的有力支撑，能够实现水生态管理制度由单一水质理化参数向多指标、多要素、多尺度的完整性监测评估体制转变，为水生生物多样性恢复、流域综合治理和保护修复提供指导和方向，具有极其重要的科学价值. 完整性监测与评价将逐步成为我国未来水生态环境管理的核心和基础，促进我国水生态环境质量管理制度现代化能力建设，与国际接轨。

2. 国外水生态系统完整性研究进展

从20世纪80年代开始，美国、欧盟、澳大利亚、南非等国家和地区先后开展了完整性监测与评价国家项目，从物理、化学和水生生物完整性角度综合评估国家河流(溪流)、湖泊(水库)的完整性状况，完整性监测与评估技术得到不断完善，主要体现在以下方面：监测技术从传统分类学发展到现代分子生物学手段，提高了水生态监测效率和精度[21]；评价指标由水质理化指标，逐步拓展到涵盖物理生境、理化、水生生物、水文水动力等多指标体系，水生生物完整性指标从群落组成向生态系统水平发展，生态系统功能、食物网和景观等指标日益得到重视[22]；评价方法从生物指数法、指示生物法发展到生物完整性指数法(F-IBI，D-IBI，B-IBI)[23-24]、多指标综合评价(MMI)[25]等，统计和模型预测得到应用；完整性评价对象也从单一河流发展到流域尺度[5]. 美国和欧盟较早地开展了完整性评价研究并形成了较为成熟的技术方法，本文着重介绍美国和欧盟完整性评价相关进展，以期为我国完整性研究提供思路、方向和经验指导。

2.1 美国水生态系统完整性研究进展

为支撑《清洁水法》，美国EPA制定并颁布了一系列水生态系统完整性监测评价的法令法规和标准. 1999年，美国EPA制定了《可涉水河流和溪流快速生物评价方案(第二版)》[26]，提出了河流和溪流中着生藻类、大型底栖无脊椎动物和鱼类调查的标准方法及质控措施，并对栖息地质量进行评估，该方案提出了生物数据分析的多指标评价法，即基于生物完整性指数法(IBI法)进行水生态状况评价. 2006年，美国EPA出版了《不可涉水河流和溪流生物评价概念及方法》[27]，规定了大型河流中藻类、大型底栖无脊椎动物和鱼类调查标准方法，并着重强调对物理生境(水深、浸湿宽度、蜿蜒度、坡度、河岸稳定性)的监测评估，同时对调查数据分析、整合和评估有了更具体的规定。

在标准化的标准技术方法的支撑下，美国EPA开展了多项国家水生态调查项目，定期评价水生态系统健康状况. 目前，美国正在实施的水生态调查项目为国家水生资源调查项目(NARS)，2007年开始执行，以5年为一个周期，旨在调查评估国家河流(溪流)、湖泊(水库)、沿海水域以及湿地水生态系统完整性状况. 本文详细总结了美国近期开展的河流和湖泊评价项目结果，分别如表1和表2所示. 2013—2014年，NARS项目对1 853条河流和小溪开展了水生态调查与评价[28]，结果如表1所示：①水生生物状况. 选择了大型底栖无脊椎动物和鱼类作为评价指标，被评估水体中生物状况良好的河长占比30%，一般生物状况的河长占比26%，较差生物状况的河长占比44%；其中，底栖动物和鱼类为良好状态的河长占比分别为30%和26%，与2008—2009年的调查结果相比，鱼类良好状况比例下降了8.3%. ②物理生境状况. 选择了鱼类栖息地、河岸带植被覆盖度、河床沉积物、河岸带人类扰动4项参数进行评价，各参数评估为良好的河长占比分别为64%、58%、52%和29%. ③化学污染状况. 总氮和总磷状况为良好的河长比例分别为32%和18%，与2008—2009年的调查结果相比，分别下降6.4%和17%。 

2012年，NARS项目对美国1 038个湖泊、水库和池塘的水生态状况进行了调查[29]，评价结果如表2所示：①水生生物状况. 31%的湖库中大型底栖无脊椎动物群落受到严重干扰，21%的湖库中浮游动物群落受到严重干扰，退化的种群包括小型水生生物(如腹足类和蜉蝣). ②物理生境状况. 岸带植被覆盖和生境复杂度两类指标受到最大程度干扰的湖库占比分别为28%和29%，湖水位波动异常的情况显著改善，受水位干扰最小的湖库占79%，比2007年提高42%. ③营养盐状况. 受总氮和总磷严重干扰的湖库分别占35%和40%. ④营养状况. 据叶绿素a浓度进行评估，重度营养型、富营养型、中营养型和寡营养型湖库占比分别为21%、34%、35%和10%. ⑤微囊藻毒素. 39%的湖库中检出了微囊藻毒素，检出率比2007年提高了9.4%。

2.2 欧盟水生态系统完整性研究进展

2000年，欧盟颁布《水框架指令(2000/60/EC)》(WFD)[30]，提出了流域综合管理新理念，旨在促进所有水域达到良好状态、实现水资源可持续利用. WFD规定：良好的地表水状况是指地表水体的生态状况和化学状况同时达到良好及以上水平. WFD规定地表水生态状况评价参数主要为水生生物、水文地貌和物理化学3大类[30]. 根据生物、水文形态和物理化学质量要素评估结果，地表水生态状况分为极好、良好、中等、较差、极差5个等级，并针对支持或维护生物生存环境的水文、物理和化学条件采取相应的治理措施，从根本上满足动植物保护及水资源可持续利用的需求. 对于生物质量要素来说，河流水生态状况评价采用的是大型底栖无脊椎动物和鱼类，以及沉水植物或其它大型维管束植物中至少一种，湖泊水生态状。