基于PSR模型的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系構建

王森 李九奇 侯艷偉 孫建富

摘要：在海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵的基礎上，針對海洋牧場區(qū)域這一復雜的生態(tài)系統(tǒng)，基于壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型，結合海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征和所收集的數(shù)據(jù)特點及其可獲取性等，經(jīng)過反復篩選與提煉，形成由壓力、狀態(tài)和響應共33個具體評價指標組成的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系及具體指標，并對指標的選取和體系構建的構建進行了簡要的詮釋，通過熵權法對各指標進行權重計算，為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，通過建立綜合健康指數(shù)，確定海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

關鍵詞：海洋牧場、生態(tài)系統(tǒng)、PSR模型

在分析總結了PSR模型在海島、濕地、海灣、河口等生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況評價指標體系后，針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標體系進行了構建，并對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標進行了篩選，為海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價提供一套完整的指標體系及具體指標。

1海洋牧場的概念及發(fā)展

1.1海洋牧場的概念

關于海洋牧場的概念，目前國際上還沒有一個統(tǒng)一的解釋，其內(nèi)涵隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展不斷變化，也反應了人們對其認知的不斷深化。

農(nóng)業(yè)部行業(yè)標準定義：基于海洋生態(tài)系統(tǒng)原理，在特定海域，通過人工魚礁、增殖放流等措施，構建或修復海洋生物繁殖、生產(chǎn)、索餌或避敵所需要的場所，增殖養(yǎng)護漁業(yè)資源，改善海域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)漁業(yè)資源可持續(xù)利用的漁業(yè)模式。 本文所涉及的關海洋牧場內(nèi)容，采用上述定義。

2海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵

2.1海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特征

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)具有下面兩點主要特征：

（1）海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)是通過增殖放流和投放人工魚礁等多種方式，人為改善建設海域的海洋生物的生存環(huán)境等，促進其可持續(xù)發(fā)展。

（2）海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)是三產(chǎn)融合的體現(xiàn)，同時兼顧生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益，優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)格局。

2.2海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵

目前國內(nèi)外針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)涵尚沒有一個統(tǒng)一認識。Mcmichael等提出的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)應該是對外界的壓力要有恢復能力，內(nèi)部結構、組織的多樣性和穩(wěn)定性以及新陳代謝能力能進行保持[1]。本研究將健康的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)理解為在受自然或人為活動影響后能保持穩(wěn)定的功能和結構，其物質循環(huán)和流量流動未收到破壞，整體功能復雜、多樣且具有活力，并能滿足生態(tài)、社會和經(jīng)濟發(fā)展的要求。

3PSR模型的相關研究

“壓力-狀態(tài)-響應”（Pressure-State-Response，PSR）模型是由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出[2]。PSR模型中，P代表著生態(tài)系統(tǒng)存在的外部壓力，S代表生態(tài)系統(tǒng)的自然資源變化，R代表生態(tài)系統(tǒng)變化后所產(chǎn)生的影響。PSR模型構成了生態(tài)系統(tǒng)的壓力-狀態(tài)-響應關系[3-5]。

肖佳媚等從海島生態(tài)系統(tǒng)特征出發(fā)，分析了PSR模型在海島生態(tài)系統(tǒng)中的作用，并提出了一套基于PSR模型的海島生態(tài)系統(tǒng)評價體系[6]。李云哲等對PSR模型在生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應用進行了分析與探討[7]。麥少芝等以PSR模型為基礎提出了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系[8]。牛明香等基于PSR模型從壓力指標、狀態(tài)指標、響應指標3個方面構建了黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系，同時利用綜合指數(shù)法評價了其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[9]。顏利等根據(jù)PSR模型和東溪流域生態(tài)系統(tǒng)特點，對東溪流域生態(tài)系統(tǒng)的健康評價模型的指標體系和評價模型進行了初步構建，并對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進行了評價[10]。寧立新等基于PSR模型構建了江蘇省海岸帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系并對其近19年間的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行了評價與分析[11]。紀雅寧等運用PSR模型，采用生態(tài)系統(tǒng)健康理論評價珊瑚礁生態(tài)狀況[12]。張曉琴等運用PSR模型構建了蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)健康的指標體系[13]。孫龍啟通過PSR模型構建了廣西近海生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標體系[14]。徐浩田等通過PSR模型構建凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，對凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)未來20年的健康進行了研究[15]。肖祥利用PSR模型構建了西江流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，并對其健康狀況作出了評價[16]。

可以看出PSR模型被廣泛應用到海島、濕地、河口、珊瑚礁和海灣等多種生態(tài)系統(tǒng)中，但在國內(nèi)的有關生態(tài)系統(tǒng)的研究中，尚未看到運用PSR模型對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系建立的研究，根據(jù)我們的研究，PSR模型也同樣適用于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)。

4海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的構建原則

在針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系進行構建時，應按照以下原則進行[9，17-19]。

4.1科學性

篩選的壓力、狀態(tài)和響應指標要考慮其科學性。指標能科學正確地評價海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，且要根據(jù)指標數(shù)據(jù)獲得的可行性等構建海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。

4.2整體性

影響海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)因素較多，海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的評價指標體系不僅要能夠反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的水文、水質和生物情況的指標，還要有人為干預能夠反映生態(tài)、社會和經(jīng)濟等指標等多方面綜合考慮，壓力、狀態(tài)和響應指標應該是一個層次分明的整體。

4.3代表性

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的構建能夠反應海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特點，選擇具有代表性、能從不同的方面反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，體現(xiàn)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的變化過程等。選擇的指標能從某方面反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的變化，以便于說明其健康狀況的變化原因。

4.4規(guī)范性

評價海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)需大量的數(shù)據(jù)、資料，在空間和時間上應有可比性。因此，選擇的指標內(nèi)容和指標評價標準在國內(nèi)外的相關研究中得到普遍認可，做到規(guī)范和統(tǒng)一。

5基于PSR模型的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系構建

根據(jù)評價指標體系構建原則和PSR模型，按照目標層、子系統(tǒng)、準則層、指標層構建海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系（見表1）。

5.1壓力指標

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的壓力指標指的是人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響。根據(jù)國家級海洋牧場示范區(qū)目前的運轉現(xiàn)狀分析，總結出海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力指標的準則層主要包含海岸帶開發(fā)和陸源污染兩個方面。

在海岸帶開發(fā)方面，選取捕撈強度、養(yǎng)殖規(guī)模、旅游開發(fā)為指標層。其中捕撈強度可直接造成魚類種群水平上的減少，過度捕撈可導致魚類種群的衰退甚至枯竭，影響海洋牧場生態(tài)環(huán)境。養(yǎng)殖規(guī)模過大可能產(chǎn)生污染，破壞水域環(huán)境。陸基或海洋養(yǎng)殖的污水直接對海區(qū)及海洋牧場帶來負面影響。在休閑型海洋牧場建設中，旅游開發(fā)過度是造成近岸海水質量惡化的主要原因。伴隨海岸帶等旅游開發(fā)，總氮、總磷、COD等排放物質的增加，增加對陸地、對海水的污染可能，可引發(fā)赤潮等災害。因此，海岸帶開發(fā)指標層選取捕撈強度、養(yǎng)殖規(guī)模和旅游開發(fā)等指標。

在陸源污染方面，選取總氮排放量、總磷排放量、COD排放量和污染綜合指數(shù)為指標層?？偟⒖偭缀虲OD是海水水質富營養(yǎng)化程度的重要指標，也是生物生長的必要元素。氮、磷和COD的排放過量會造成水質富營養(yǎng)化，藻類過度繁殖，引發(fā)赤潮災害等。污染綜合指數(shù)用來評價水體的綜合污染程度。因此陸源污染指標層選取總氮排放量、總磷排放量、COD排放量和污染綜合指數(shù)等指標。

5.2狀態(tài)指標

狀態(tài)指標描述了海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。根據(jù)相關研究和海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特征以及數(shù)據(jù)的可獲得性等進行綜合考慮，準則層從生物多樣性、群落結構和環(huán)境因子三個方面進行構建。

生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)中物種的豐富程度和生態(tài)系統(tǒng)復雜性的重要體現(xiàn)，起到了對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定作用，且在指標層中要選擇不同類型的生物來體現(xiàn)不同的生物多樣性，所以用灘涂生物、游泳生物、底棲生物和浮游生物的多樣性指數(shù)以及豐度指數(shù)作為指標層。群落結構體現(xiàn)的是海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)中不同類型生物的服務和產(chǎn)出功能。灘涂生物量、游泳生物量、底棲生物量、浮游生物量、優(yōu)勢種數(shù)量、魚卵仔魚密度表達系統(tǒng)的食物自然產(chǎn)出功能，是一個生態(tài)系統(tǒng)是否健康的重要指示。環(huán)境因子用于衡量海洋牧場海域生態(tài)系統(tǒng)的物理化學環(huán)境狀況。按照國家對海洋牧場建設的相關文件規(guī)定，海洋牧場建設海域海水質量必須達到二類海水標準及以上。溫度和pH是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的兩個最大的非生物因素。溶解氧、COD、活性磷酸鹽和總氮是評價海水富營養(yǎng)化程度的重要依據(jù)。葉綠素a含量直接影響生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力。所以將海洋牧場海域的海水質量、溫度、pH、溶解氧、COD、活性磷酸鹽、總氮和葉綠素a含量等指標用于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價。濁度主要對溶解氧有影響，溶解氧已經(jīng)作為一個指標，所以不再選用濁度作為指標之一。

5.3響應指標

響應指標反映了人為改善海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的結果。從海洋牧場建設意義和國內(nèi)對海洋牧場的建設情況分析，確定將生態(tài)效益、經(jīng)濟響應和政策措施作為準則層。

海洋牧場建設的最初目的就是恢復生態(tài)效益，所以環(huán)境的改善和生態(tài)修復程度是最重要的指標。生態(tài)效益的良好自然帶動的是生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟響應。海洋經(jīng)濟比重表示海洋經(jīng)濟占區(qū)域經(jīng)濟的重要程度和海洋開發(fā)強度。人均GDP和GDP增長率綜合反映了區(qū)域的人均消費能力和經(jīng)濟增長活力。從國內(nèi)外的海洋牧場建設情況來看均離不開國家和地方相關政策措施的指導和管理。以政策法規(guī)的貫徹力度、海洋牧場建設投入和海洋牧場區(qū)管理制度的完善程度表征政策措施指標。所以選用環(huán)境改善和生態(tài)修復程度、人均GDP、GDP增長率、海洋經(jīng)濟比重、政策法規(guī)貫徹力度、海洋牧場建設投入和海洋牧場區(qū)管理制度的完善程度作為指標層。

5.4數(shù)據(jù)處理

評價指標種類繁多，對應不同的量綱與單位，為方便計算，將任一指標Ii按如下公式處理成0～1之間的數(shù)據(jù)，保證了按照權重計算出來的指數(shù)在0～1之間。

Ii=Ii-Min（Ii）Max（Ii）-Min（Ii）

其中Ii為任意指標，Max，Min為最值算子。

5.5熵權法確定權重

在確定評價指標的權重時，若采用主觀賦權法則可能造成評價結果由于人的主觀因素而形成偏差。熵值法是根據(jù)各指標的觀測值所提供信息量的大小來確定權重的方法。數(shù)據(jù)分布越分散，其不準確性也越大。使用熵權法能盡量消除各指標權重計算的人為干擾，使評價結果更符合實際。根據(jù)信息論原理，第i個指標的信息熵可按照如下公式計算。

Hi=∑mk=0yikln（n）∑yiln（yikyi）

其中：Hi為指標的熵，y為對應值。為使熵值在0～1之間取值，按照如下公式進行權重計算。

wi=1-Hi∑ni=1（1-Hi）

其中：Wi為指標的熵權，Hi為對應指標的熵值。滿足下方公式：

∑ni=1wi=1

對于壓力、狀態(tài)、響應指標也可按上述方法分別確定權重，以保證指標EP、ES、ER結果在0～1之間。

WPi=1-Hi∑i∈P（1-Hi）

WSi=1-Hi∑i∈S（1-Hi）

WRi=1-Hi∑i∈R（1-Hi）

5.6綜合健康指數(shù)

為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，需要建立一個綜合健康指數(shù)（Comprehensive Health Index，CHI），取值為0～1，為了更清楚地描述健康狀態(tài)，將CHI值劃分如下：

CHI值 [0.8，1] [0.6-0.8] [0.4-0.6] [0.2-0.4] [0-0.2] 健康狀態(tài) 非常健康 健康 亞健康 不健康 很不健康CHI=∑ni=1wi×Ii

式中：n為評價指標的個數(shù);Wi為指標i的權值;Ii為指標i的歸一化值。生態(tài)系統(tǒng)的綜合指數(shù)及壓力、狀態(tài)、響應指數(shù)可按如下公式進行計算。

EP=∑i∈PWPi×Ii

ES=∑i∈PWSi×Ii

ER=∑i∈PWRi×Ii

CEI=∑ni=1Wi×Ii

6討論

依據(jù)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵，針對海洋牧場區(qū)域這一復雜的生態(tài)系統(tǒng)，基于壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型，結合海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征和所收集的數(shù)據(jù)特點及其可獲取性等，經(jīng)過反復篩選與提煉，形成由壓力、狀態(tài)和響應共33個具體評價指標組成的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。該指標體系包含了陸源污染、海岸帶開發(fā)、生物多樣性、群落結構組成、環(huán)境因子、生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和政策措施等各個方面，充分體現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，并對指標的選取和體系構建的構建進行了簡要的詮釋，通過熵權法對各指標進行權重計算，為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，通過建立綜合健康指數(shù)，確定海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

在對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系進行構建時，應注意以下幾個問題：雖然PSR模型框架因果關系清晰，為海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系構建提供了明確的指標分類方法，但對所有指標進行嚴格的分類是困難的。這些指標互相關聯(lián)，如經(jīng)濟效益既可以作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的壓力指標，也可以是生態(tài)系統(tǒng)變化后對被生態(tài)系統(tǒng)變動所影響的響應指標。

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The establishment of the index system of marine ranching

ecosystem health evaluation based on PSR model

WANG Sen1，LI Jiuqi1，SUN Jianfu2，HOU Yanwei2

（1.School of fisheries and life， dalian ocean university， Dalian 116000， China;

2.Dalian modern Marine ranching research institute， Dalian 116000，China）

Abstract：On the basis of the characteristics and health connotation of marine ranching ecosystem， aiming at the complex ecosystem of marine ranching region，a marine ranching ecosystem health evaluation index system was built composing 33 specific evaluation indexes of pressure， status and response， which was formed through repeated screening and extraction based on the pressure-state-response （PSR） model and combining with the characteristics of marine ranching ecosystem and the collected data characteristics and their accessibility， etc. The collection of indexes and the establishing of the health evaluation index system were briefly introduced.The entropy weight method can be used to calculate the weight of each index，and the health status of marine ranching ecosystem can be determined by establishing the comprehensive health indexes.

Key words：marine ranching;ecosystem;PSR model

（收稿日期：2020-03-23;修回日期：2020-04-14）