基于指標(biāo)體系法的海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法
——以萊州灣為例

程玲劉麗娟宋秀凱何健龍付萍王寧馬元慶劉愛英王瑋云

(山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點實驗室 山東省海洋資源與環(huán)境研究院 煙臺 264006)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)健康研究起源于20世紀(jì)末,1989年加拿大生態(tài)學(xué)教授Rapport[1]首次闡述“生態(tài)系統(tǒng)健康”(Ecosystem health)的內(nèi)涵,提出健康的生態(tài)系統(tǒng)是相對穩(wěn)定和可持續(xù)的,具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復(fù)能力等特征。隨后逐步形成生態(tài)系統(tǒng)健康的概念和評價,并在森林、河流、濕地和海洋等生態(tài)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用[2-5]。國內(nèi)外對于海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的評價研究主要涉及河口濕地、紅樹林、珊瑚礁和海草床等近海生態(tài)系統(tǒng)類型[6-14]。目前我國海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價主要參考《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》(HY/T 087-2005)[15](以下簡稱《指南》),使用水環(huán)境、沉積環(huán)境、生物殘毒、棲息地和生物群落5類指標(biāo)評價河口及海灣生態(tài)系統(tǒng)健康,其中權(quán)重最高的生物指標(biāo)賦值主要依據(jù)生物密度和生物量,然而同一海域的生物種類、密度和生物量隨水溫、鹽度和季節(jié)等的變化可發(fā)生大幅變化,僅生物密度和生物量難以反映生物群落健康狀況。

萊州灣位于渤海南部,是典型的半封閉型海灣[16],海底地形較平坦,坡度平緩,灘涂遼闊,沿岸入海河流有39條,豐富的營養(yǎng)元素以及適宜的溫度和鹽度等條件使其成為多種海洋經(jīng)濟動物良好的索餌、產(chǎn)卵和棲息場所,發(fā)展為我國北方重要的漁業(yè)生產(chǎn)基地。自20世紀(jì)70年代以來,隨著海洋經(jīng)濟的迅速崛起,萊州灣污染日趨嚴(yán)重,水體環(huán)境、生物群落結(jié)構(gòu)和漁業(yè)資源等均受到嚴(yán)重干擾,海洋生物多樣性遭受嚴(yán)重威脅。本研究參考《指南》,通過優(yōu)化評價指標(biāo),構(gòu)建萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系,以期更加客觀地反映海灣生態(tài)系統(tǒng)健康水平,從而為海灣生態(tài)系統(tǒng)的保護及修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

水環(huán)境、沉積環(huán)境、海洋生物和底棲生物的數(shù)據(jù)來源于山東省海洋環(huán)境監(jiān)測中心于2011—2020年每年8月開展的萊州灣典型生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查,調(diào)查站位如圖1所示。

圖1 萊州灣調(diào)查站位

現(xiàn)場調(diào)查和實驗室分析分別參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.4-2007、GB/T 12763.6-2007)[17-18]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB/T 17378.4-2007、GB/T 17378.7-2007)[19-20]的規(guī)定進(jìn)行。

2 評價方法

目前海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價最為常用的方法包括指示物種法和指標(biāo)體系法[21-22]。萊州灣作為典型的海灣生態(tài)系統(tǒng),具有立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜和流動無邊界等特殊性。因此,本研究根據(jù)海灣生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)特征,選擇能夠反映其健康狀況的特征指標(biāo)建立指標(biāo)體系,對指標(biāo)進(jìn)行量化,并根據(jù)各指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響確定其權(quán)重,最終建立海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系[23-25]。

2.1 指標(biāo)體系

生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)是在各個層次和各個角度表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)健康水平的工具,指標(biāo)選擇的合理性直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性[26]。指標(biāo)篩選通常遵循3項要求:①較全面表征生態(tài)系統(tǒng)的特性;②準(zhǔn)確反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化趨勢,尤其應(yīng)包括具有早期預(yù)警和診斷性的指標(biāo);③具有可度量性。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系通?？煞譃槲锢砘瘜W(xué)指標(biāo)、生態(tài)學(xué)指標(biāo)和社會經(jīng)濟指標(biāo)3個大類[27]。本研究采用物理化學(xué)指標(biāo)(水環(huán)境和沉積環(huán)境)、生態(tài)學(xué)指標(biāo)(生物群落)、功能指標(biāo)(初級生產(chǎn)力)和社會經(jīng)濟指標(biāo)(生態(tài)災(zāi)害)作為一級指標(biāo),下設(shè)若干二級指標(biāo)和三級指標(biāo)。

由于多個指標(biāo)的重要程度不同,須對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。目前應(yīng)用較普遍的權(quán)重確定方法是層次分析法[28],此外包括專家咨詢法、環(huán)比法、判斷矩陣法和相對比較法等[29]。鑒于海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的復(fù)雜性,本研究采用層次分析法與專家咨詢法相結(jié)合的方式確定萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的權(quán)重,并將各指標(biāo)相對上一級的權(quán)重進(jìn)行乘積,得到各指標(biāo)的最終權(quán)重,以期更加準(zhǔn)確地反映萊州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀況(表1)。

表1 萊州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

續(xù)表1

2.2 指標(biāo)的歸一化及等級

2.2.1 指標(biāo)歸一化處理

目前我國海洋環(huán)境評價普遍采用的方法包括單因子指數(shù)法[17,19-20]和多因子綜合評價法[30-31]等,均基于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)[32]。除p H值和溶解氧外,其他指標(biāo)值越低表明環(huán)境質(zhì)量越好[33]。無機氮和活性磷酸鹽等指標(biāo)是生物生存的必要營養(yǎng)要素,其值過低不利于生物生長繁殖,依據(jù)傳統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)及評價方法可能無法反映海洋生態(tài)系統(tǒng)的實際狀況。因此,將評價指標(biāo)總體分為3個大類:①正向型指標(biāo),指標(biāo)值越高表明環(huán)境質(zhì)量越好;②負(fù)向型指標(biāo),指標(biāo)值越低表明環(huán)境質(zhì)量越好;③區(qū)間型指標(biāo),指標(biāo)值在一定區(qū)間內(nèi)為宜,過高或過低均表明環(huán)境質(zhì)量存在問題。

為使不同量綱的指標(biāo)具有可比性,須對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,即將所需指標(biāo)經(jīng)處理后限定在0～100的范圍內(nèi)。對于上述3種類型指標(biāo)分別進(jìn)行歸一化處理,得到該指標(biāo)的站位歸一化值。

(1)正向型指標(biāo):

(2)負(fù)向型指標(biāo):

(3)區(qū)間型指標(biāo):

式中:N ij表示i指標(biāo)在j站位的歸一化值;C ij表示i指標(biāo)在j站位的實測值;C s表示基準(zhǔn)值;C1和C2分別表示標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的起點值和終點值;Cmin和Cmax分別表示最小容許值和最大容許值。

基準(zhǔn)值的選取通常遵循3項原則:①對于有國家標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo),以國家標(biāo)準(zhǔn)為歸一化基準(zhǔn)值,如溶解氧以二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為歸一化基準(zhǔn)值;②對于無國家標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo),借鑒相關(guān)科學(xué)研究成果確定歸一化基準(zhǔn)值,如浮游生物和底棲生物的多樣性指數(shù);③對于均無法滿足的指標(biāo),選擇多年監(jiān)測結(jié)果的平均值作為歸一化基準(zhǔn)值,如葉綠素a[34]。本研究中的水環(huán)境和沉積環(huán)境指標(biāo)的基準(zhǔn)值分別參考《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)[32]和《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18668-2002)[35],容許值和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間參考已有研究關(guān)于海洋增養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境質(zhì)量的評價方法[33];生態(tài)學(xué)指標(biāo)的基準(zhǔn)值和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間參考近岸海域《海洋生物多樣性評價技術(shù)指南》(HY/T 215-2017)[36],其中豐度和生物量的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間和容許值根據(jù)萊州灣10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值確定,葉綠素a以萊州灣10年的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值作為基準(zhǔn)值;赤潮和綠潮面積的基準(zhǔn)值和容許值分別參考《山東省赤潮災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》和《自然資源部北海局綠潮災(zāi)害應(yīng)急執(zhí)行預(yù)案》,水母密度的基準(zhǔn)值參考《水母災(zāi)害監(jiān)測及風(fēng)險等級劃分技術(shù)規(guī)程》(表2)。

表2 萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 指標(biāo)等級劃分

將各指標(biāo)在評價時間段所有站次的歸一化值,通過算數(shù)平均法計算得到其歸一化均值。計算公式為:

式中:N i表示指標(biāo)i的歸一化均值;n表示站位數(shù)。各指標(biāo)健康指數(shù)的計算公式為:

式中:H i表示指標(biāo)i的健康指數(shù);W i表示指標(biāo)i的最終權(quán)重。

根據(jù)各指標(biāo)的健康指數(shù),將水環(huán)境、沉積環(huán)境、生物群落、初級生產(chǎn)力和生態(tài)災(zāi)害5個一級指標(biāo)分為健康、亞健康和不健康3個等級(表3)。

表3 海灣生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)的等級劃分

2.3 生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)及等級劃分

將根據(jù)上述步驟計算的各指標(biāo)的健康指數(shù)求和,得到海灣生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)(CEH)。根據(jù)CEH的計算結(jié)果,將海灣生態(tài)系統(tǒng)健康等級分為健康、亞健康和不健康3個等級[16,37]。①健康(75≤CEHi≤100),表示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生物多樣性基本穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)保持自然屬性,能正常發(fā)揮主要服務(wù)功能,人類活動引起的生態(tài)壓力在生態(tài)系統(tǒng)承載能力之內(nèi)。②亞健康(50≤CEHi＜75),表示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生物多樣性已發(fā)生較小變化,生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性基本正常,主要服務(wù)功能尚可發(fā)揮,但已不能承受人類活動引起的生態(tài)壓力;若人類活動壓力解除或減弱,生態(tài)系統(tǒng)尚能自我恢復(fù)。③不健康(CEHi＜50),表示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生物多樣性已發(fā)生較大變化,生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性明顯改變,主要服務(wù)功能嚴(yán)重退化或喪失,不能負(fù)荷人類活動引起的生態(tài)壓力;即使人類活動壓力解除或減弱,生態(tài)系統(tǒng)也難以在短期內(nèi)自我恢復(fù),而必須輔以外部能力。

3 結(jié)果與分析

3.1 萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價

基于本研究建立的指標(biāo)體系和評價方法,對2011—2020年萊州灣夏季航次的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價。評價結(jié)果顯示,除2013年外,2011—2020年夏季萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康均處于亞健康水平,2013年為健康水平(表4)。

表4 2011—2020年夏季萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)

2011年和2019年夏季萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)較低:2011年6月位于萊州灣內(nèi)的19-3油田發(fā)生溢油事件,導(dǎo)致當(dāng)年萊州灣附近海域石油類含量嚴(yán)重超標(biāo),水環(huán)境健康指數(shù)明顯偏低;2019年臺風(fēng)“利奇馬”過境導(dǎo)致萊州灣海域無機氮含量超標(biāo),且臺風(fēng)過境后萊州灣海域暴發(fā)夜光藻混合擬菱形藻赤潮[38],導(dǎo)致綜合健康指數(shù)偏低。其他年份萊州灣生態(tài)系統(tǒng)雖均處于亞健康水平,但綜合健康指數(shù)基本接近健康水平,表明萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體穩(wěn)定。

3.2 評價結(jié)果準(zhǔn)確性

本研究的萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果與現(xiàn)行《指南》的評價結(jié)果基本一致,但與《指南》相比,本研究的評價方法更能反映影響生態(tài)系統(tǒng)健康水平的主要因素(圖2)。

圖2 萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果對比

由圖2可以看出:在《指南》評價結(jié)果中,除生物群落外,其他指標(biāo)的健康指數(shù)10年來均無明顯變化;在本研究評價結(jié)果中,水環(huán)境和生物群落的健康指數(shù)直接影響生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果。鑒于此,分別對2種方法的水環(huán)境和生物群落的健康指數(shù)進(jìn)行單獨分析(表5)。

表5 2種方法計算的健康指數(shù)

由表5可以看出,《指南》健康指數(shù)的年際變化差異不顯著,而本研究健康指數(shù)的年際變化差異更為顯著。因此,本研究的評價方法對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評價更為合理。

4 結(jié)語

海灣生態(tài)系統(tǒng)是與人類活動聯(lián)系密切的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng),對海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價需要全面、綜合和合理的指標(biāo)體系。本研究基于指標(biāo)體系法,結(jié)合萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的特征,選取水環(huán)境、沉積環(huán)境、生物群落、初級生產(chǎn)力和生態(tài)災(zāi)害5個指標(biāo),建立海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,在此基礎(chǔ)上對2011—2020年夏季萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價,評價結(jié)果與現(xiàn)行《指南》的評價結(jié)果基本一致,即萊州灣生態(tài)系統(tǒng)長期處于亞健康狀態(tài)。

與傳統(tǒng)評價方法相比,本研究評價方法更為合理和準(zhǔn)確。例如:根據(jù)《指南》計算的2011—2020年萊州灣水環(huán)境健康指數(shù)的平均值為13.4±0.6,而根據(jù)本研究評價方法計算的2011年萊州灣水環(huán)境健康指數(shù)最低且與其他年份相差較大,進(jìn)一步分析原因是2011年6月的溢油事故導(dǎo)致當(dāng)年萊州灣附近海域石油類含量嚴(yán)重超標(biāo)。此外,赤潮、綠潮和水母暴發(fā)等生態(tài)災(zāi)害是生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定的直觀表現(xiàn),本研究將生態(tài)災(zāi)害作為負(fù)向型指標(biāo)引入評價方法,在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)的變化尤為明顯。例如:2019年超強臺風(fēng)“利奇馬”過境造成萊州灣海域無機氮含量嚴(yán)重超標(biāo)和赤潮暴發(fā)。

本研究在借鑒傳統(tǒng)評價方法的基礎(chǔ)上對指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。例如:對營養(yǎng)鹽等指標(biāo)引入?yún)^(qū)間型指標(biāo)的概念,有效規(guī)避監(jiān)測數(shù)據(jù)的“劣勢掩蓋”,即監(jiān)測值越低而環(huán)境評價結(jié)果越優(yōu)的“偽優(yōu)良”結(jié)論;引入容許值的概念,避免“信息漏缺”和極限監(jiān)測值對評價結(jié)果的放大問題。

由于海洋生態(tài)系統(tǒng)具有特殊性和復(fù)雜性,本研究評價方法仍存在一定的局限性,許多理論問題尚待完善。例如:受人類活動的影響,隨著時間的推移,參評指標(biāo)可能有所變化;現(xiàn)階段選定的指標(biāo)及其權(quán)重賦值可能帶有一定的主觀性,需要更多的實測數(shù)據(jù)來驗證。