海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系與模型研究＊

鄭 偉，石洪華，王宗靈，丁德文

（國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061）

海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系與模型研究＊

鄭 偉，石洪華，王宗靈，丁德文

（國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061）

文章充分考慮了養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)及其對環(huán)境壓力的響應(yīng)關(guān)系，按照生態(tài)系統(tǒng)管理的思路，基于壓力－狀態(tài)－響應(yīng)技術(shù)框架，初步構(gòu)建海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系和模型，為海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境管理提供重要支撐技術(shù)。

海水養(yǎng)殖區(qū)；評價(jià)指標(biāo)體系；評價(jià)模型

近年來我國海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2008年海水養(yǎng)殖產(chǎn)量為1 340.3萬t，占海洋漁業(yè)產(chǎn)量的51%［1］。但是我國海水養(yǎng)殖技術(shù)總體上還比較落后，養(yǎng)殖產(chǎn)量的提高很大程度上仍然依賴于養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大、人力物力投入的增加等。片面追求產(chǎn)量最大化不僅影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康，養(yǎng)殖海產(chǎn)品質(zhì)量也受到威脅。海水養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展引發(fā)了一系列生態(tài)問題：生物資源銳減、種質(zhì)退化、生物多樣性降低、養(yǎng)殖病害頻發(fā)、經(jīng)常出現(xiàn)養(yǎng)殖產(chǎn)品大規(guī)模死亡和質(zhì)量下降問題。這些問題嚴(yán)重制約了我國海水養(yǎng)殖業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

養(yǎng)殖區(qū)是我國重要的海洋功能區(qū)之一，其生態(tài)系統(tǒng)健康關(guān)系到海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和養(yǎng)殖產(chǎn)品的食品安全。同時(shí)，由于養(yǎng)殖區(qū)特殊的功能定位和使用方式，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的表征方式也有所不同，特別是除了受到外界環(huán)境壓力的干擾外，養(yǎng)殖活動本身也會產(chǎn)生自身污染。雖然國內(nèi)外關(guān)于海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的報(bào)道不少，但未充分考慮養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖生物質(zhì)量和自身污染等特征，難以準(zhǔn)確反映這一特殊人工生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

綜上所述，無論從維持海洋生態(tài)系統(tǒng)健康，還是保障食品安全方面考慮，都亟須開展海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評估研究。本研究在系統(tǒng)分析海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評估研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，考慮養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)及其對環(huán)境壓力的響應(yīng)關(guān)系，按照生態(tài)系統(tǒng)管理的思路，基于壓力－狀態(tài)－響應(yīng)技術(shù)框架，構(gòu)建海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系和評估模型，本研究可為海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境管理提供重要支撐技術(shù)。

1 海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評估研究進(jìn)展

健康的生態(tài)系統(tǒng)是國家發(fā)展和社會穩(wěn)定的一個重要組成部分，是可持續(xù)發(fā)展的根本保證。生態(tài)系統(tǒng)健康及其服務(wù)功能價(jià)值評價(jià)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估三者共同構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)安全評價(jià)的三大內(nèi)容，是當(dāng)前海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也是海洋環(huán)境監(jiān)測急需的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

從管理角度來說，有必要應(yīng)用若干指標(biāo)獲取一個生態(tài)健康或整體性的足夠信息進(jìn)行定量化評價(jià)。但由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，選擇合適的生態(tài)系統(tǒng)健康度量指標(biāo)是一件十分困難的工作，尤其是對具有流動性特征的海洋生態(tài)系統(tǒng)來說，其健康內(nèi)涵已超越了脅迫生態(tài)系統(tǒng)范疇，需要統(tǒng)籌考慮更為廣泛的社會經(jīng)濟(jì)、人類健康、法律及政策等內(nèi)容。從研究進(jìn)展來看，生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)有3個研究途徑：①從生態(tài)系統(tǒng)受脅迫壓力角度；②從生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力角度；③從評價(jià)模型角度。

海洋生態(tài)健康評價(jià)采用指示物種法和結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)評價(jià)法兩種方法。指示物種法根據(jù)物種的特性和出現(xiàn)的情況，用簡單的數(shù)字表達(dá)污染的程度或生態(tài)質(zhì)量狀況，該方法在海洋生態(tài)系統(tǒng)健康研究領(lǐng)域已取得了一些進(jìn)展。如Edwards等［2－3］采用鮭魚為指示種來監(jiān)測湖泊貧營養(yǎng)化。20世紀(jì)70年代開展的“美國貽貝監(jiān)測計(jì)劃”和“國際貽貝監(jiān)測計(jì)劃”，利用貽貝對污染物的敏感性來監(jiān)測海洋的污染狀況。結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)評價(jià)法是比較常用的方法，主要根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其服務(wù)功能建立評價(jià)指標(biāo)體系，通過模糊綜合評判法、層次分析法或健康距離法等目前生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)中比較常用的3種方法，再建立數(shù)學(xué)模型來評價(jià)確定其健康狀況。如楊建強(qiáng)等［4］構(gòu)建海洋生態(tài)健康綜合評價(jià)指數(shù)模型，并應(yīng)用該模型評價(jià)萊州灣西部海域的生態(tài)健康狀況。葉屬峰等［5］基于結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)體系評價(jià)法，利用層次分析法構(gòu)建長江河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，并評估了長江口生態(tài)健康狀況。此外，其他學(xué)者如楊紅、張秋豐、李晴新等也開展了一些相關(guān)的研究工作［6－8］。以上研究多針對自然生態(tài)系統(tǒng)而言，而關(guān)于人工生態(tài)系統(tǒng)研究較少。對于海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尚沒有系統(tǒng)的研究報(bào)道。

我國養(yǎng)殖海域生態(tài)系統(tǒng)健康和環(huán)境安全評價(jià)體系尚不完善?，F(xiàn)有的《海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》主要關(guān)注海洋生物，而《近岸海洋生態(tài)健康評價(jià)指南》主要關(guān)注的是海洋環(huán)境。已有的關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康研究的報(bào)道，直接針對海水養(yǎng)殖區(qū)的也尚不多見。同時(shí)從環(huán)境壓力、生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)等方面綜合考慮才能有效揭示海水養(yǎng)殖區(qū)的健康狀態(tài)，特別是可為診斷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并據(jù)以提出合理的管理對策提供技術(shù)支撐。

依據(jù)壓力－狀態(tài)－響應(yīng)－調(diào)控的系統(tǒng)工程模式，初步構(gòu)建了海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)技術(shù)初步框架（圖1）。該框架邏輯嚴(yán)密、指標(biāo)意義明確，可操作性強(qiáng)，屬于框架式的指標(biāo)體系，也是本文研究的重要基礎(chǔ)。

圖1 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)技術(shù)框架

2 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

剖析海水養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境壓力、生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的基本特征，按照相對獨(dú)立性、完備性、代表性和可操作性等原則，采用主成分分析法（PCA）初步構(gòu)建海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。該指標(biāo)體系針對海水養(yǎng)殖區(qū)這一類特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，基于“壓力－狀態(tài)－響應(yīng)”的框架，充分考慮養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖生物、外界干擾、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面的特征。為便于計(jì)算和數(shù)據(jù)收集，本體系盡量采取常規(guī)的環(huán)境統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，部分指標(biāo)雖不是常規(guī)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，亦可經(jīng)過簡單計(jì)算獲得。

表1 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系

2.1 壓力指標(biāo)

壓力指標(biāo)主要指環(huán)境壓力，包括外來污染（徑流排污量、排污口排污量）、自身污染量、養(yǎng)殖病害影響、氣象災(zāi)害影響（如大風(fēng)、寒潮等）及生態(tài)災(zāi)害影響（如赤潮）。

徑流排污量、排污口排污量和自身污染量根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查獲得；養(yǎng)殖病害影響通過統(tǒng)計(jì)同期同類地區(qū)養(yǎng)殖病害發(fā)生與否、發(fā)生程度及威脅大小，在此基礎(chǔ)上確定影響大??；氣象災(zāi)害影響據(jù)歷史資料評估養(yǎng)殖區(qū)域發(fā)生大風(fēng)、寒潮等氣象災(zāi)害的概率及其程度，估算對養(yǎng)殖的影響大??；生態(tài)災(zāi)害影響統(tǒng)計(jì)養(yǎng)殖海域和鄰近海域是否發(fā)生赤潮、綠潮等生態(tài)災(zāi)害及其造成的損害，評估其對養(yǎng)殖的影響。

2.2 狀態(tài)指標(biāo)

狀態(tài)指標(biāo)主要指生態(tài)系統(tǒng)中生物和環(huán)境狀態(tài)，具體包括生態(tài)系統(tǒng)活力、生物群落結(jié)構(gòu)和水環(huán)境質(zhì)量。生物群落結(jié)構(gòu)又細(xì)分為初級生產(chǎn)力、浮游植物多樣性指數(shù)和種類豐富度、浮游動物多樣性指數(shù)和種類豐富度、底棲生物多樣性指數(shù)和種類豐富度。水環(huán)境質(zhì)量細(xì)分為無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、重金屬、石油類和藥物殘留。各指標(biāo)主要通過現(xiàn)場調(diào)查資料分析獲取，評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)參考《近岸海洋生態(tài)健康評價(jià)指南》和《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等執(zhí)行。

2.3 響應(yīng)指標(biāo)

響應(yīng)指標(biāo)主要是指生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，從壓力造成的生態(tài)損失出發(fā)，主要包括養(yǎng)殖產(chǎn)品食用安全性、養(yǎng)殖產(chǎn)量改變、水環(huán)境質(zhì)量變化、納潮量改變等指標(biāo)。養(yǎng)殖產(chǎn)量改變、水環(huán)境質(zhì)量變化、納潮量改變等指標(biāo)根據(jù)評估年份數(shù)據(jù)與歷史資料比較，計(jì)算其相對改變比例獲得。養(yǎng)殖產(chǎn)品的食用安全性是本研究的一個重要指標(biāo)，可通過分析養(yǎng)殖產(chǎn)品體內(nèi)有毒有害物質(zhì)的殘留水平及對人類健康的潛在危害確定，主要考慮重金屬含量，石油類、微生物、貝毒、抗生素、激素和消毒劑殘留含量。

各評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值按以下方法確定：有國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，沒有標(biāo)準(zhǔn)的采用參考類似文獻(xiàn)或?qū)＜易稍兎ù_定。

3 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)模型構(gòu)建

基于上述指標(biāo)體系構(gòu)建海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)模型。首先根據(jù)加權(quán)平均和層次分析方法對評價(jià)體系中的“壓力”“狀態(tài)”“響應(yīng)”進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法將這3個指標(biāo)映射為［0，1］之間的某個值，分別稱為“壓力系數(shù)”“狀態(tài)系數(shù)”和“響應(yīng)系數(shù)”。在此基礎(chǔ)上初步構(gòu)建了海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評價(jià)模型

式中，H表示生態(tài)系統(tǒng)健康系數(shù)；P為壓力系數(shù)；S為狀態(tài)系數(shù)；D為響應(yīng)系數(shù)。

按照H值的大小劃分5個健康等級，分別為不健康、較不健康、亞健康、較健康和健康，其基本思路如圖2所示。環(huán)境壓力越大，生態(tài)健康系數(shù)越小；生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)越好，生態(tài)健康系數(shù)越大；響應(yīng)越大，生態(tài)健康系數(shù)越小。生態(tài)系統(tǒng)健康等級初步劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

圖2 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分

表2 海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

海水養(yǎng)殖區(qū)是一類特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，其服務(wù)功能發(fā)揮與人類開發(fā)利用密切相關(guān)，其生態(tài)系統(tǒng)健康同時(shí)受到外界和自身的干擾，特別是生態(tài)系統(tǒng)自身狀態(tài)、環(huán)境壓力和生物質(zhì)量等都是其生態(tài)健康與否的重要表征。本研究在系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，充分考慮養(yǎng)殖區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)及其對環(huán)境壓力的響應(yīng)關(guān)系、養(yǎng)殖活動自身污染，基于壓力－狀態(tài)－響應(yīng)技術(shù)框架，開發(fā)海水養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系和模型。本研究可應(yīng)用于海水增養(yǎng)殖活動環(huán)境影響評價(jià)和監(jiān)控領(lǐng)域，也可指導(dǎo)養(yǎng)殖用戶科學(xué)安排生產(chǎn)，為管理部門監(jiān)管養(yǎng)殖環(huán)境和產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)方法。

［1］ 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局.中國漁業(yè)年鑒［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009.

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國家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2010118）；國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2010G27，2011T06）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201005009，201005008）.