層次分析法在我國(guó)海洋生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展

于小涵 ，孫金輝 ,2,3，徐海龍 ,2,3,通信作者

（1.天津農(nóng)學(xué)院 水產(chǎn)學(xué)院，天津 300392；2.天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300392；3.水產(chǎn)生態(tài)與養(yǎng)殖國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津農(nóng)學(xué)院），天津 300392）

海洋生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著人類(lèi)活動(dòng)日益增多，近海海洋生態(tài)系統(tǒng)受到的破壞越發(fā)嚴(yán)重，海洋生態(tài)系統(tǒng)健康問(wèn)題已引起了廣泛關(guān)注。開(kāi)展海洋生態(tài)系統(tǒng)診斷與評(píng)估，進(jìn)而評(píng)價(jià)海洋生態(tài)系統(tǒng)健康也已成為研究熱點(diǎn)內(nèi)容之一[1]。海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)是開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)和管理海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但由于海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜多變，目前尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）是由 SAATY基于美國(guó)各工業(yè)部門(mén)對(duì)國(guó)家福利的貢獻(xiàn)度開(kāi)展電力分配研究時(shí)提出的一種決策方法[2]。目前，層次分析法是系統(tǒng)工程處理定性與定量相結(jié)合問(wèn)題比較簡(jiǎn)便有效的方法，在系統(tǒng)化研究領(lǐng)域或決策理論研究方面被廣泛應(yīng)用。該方法將與決策密切相關(guān)的指標(biāo)劃分為目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等層次，通過(guò)分化復(fù)雜的評(píng)價(jià)系統(tǒng)和對(duì)比判斷，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量的綜合決策分析，從而得到解決問(wèn)題的最優(yōu)方案。層次分析法普遍適用于研究具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)特點(diǎn)的研究對(duì)象系統(tǒng)或目標(biāo)方案難以定量描述的決策問(wèn)題，同時(shí)還具有研究思路清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便、易于掌握的優(yōu)勢(shì)。目前，層次分析法是國(guó)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康研究中應(yīng)用最早、最為廣泛的綜合決策方法，已被廣泛應(yīng)用到我國(guó)海洋生態(tài)評(píng)價(jià)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和海洋生物資源利用等方面[3-18]。本文通過(guò)探討層次分析法在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析存在的問(wèn)題，進(jìn)而給出相關(guān)建議，以期為海洋生態(tài)系統(tǒng)健康研究，及層次分析法在海洋生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 層次分析法

層次分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，自1971年首次運(yùn)用后，于1977年在國(guó)際數(shù)學(xué)建模會(huì)議上公開(kāi)發(fā)表[19]，1982年被引入到我國(guó)，迅速在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境自然、海洋生態(tài)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛重視和應(yīng)用。層次分析法將復(fù)雜的問(wèn)題條理化、有序化，通過(guò)兩兩比較的方法，將專(zhuān)家意見(jiàn)和分析者的客觀判斷結(jié)果直接而有效地結(jié)合起來(lái)，將一層次元素兩兩比較的重要性進(jìn)行定量描述，最后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方式得出權(quán)重，并進(jìn)行定量排序。

1.1 權(quán)重的確定

邀請(qǐng)多位長(zhǎng)期從事海洋生態(tài)相關(guān)研究的專(zhuān)家對(duì)各層次內(nèi)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行打分，通過(guò)對(duì)同層次指標(biāo)進(jìn)行重要性?xún)蓛杀容^的方法，構(gòu)建判斷矩陣，確定權(quán)重初始值，分值標(biāo)度為1～9之間，1表示兩個(gè)指標(biāo)同等重要，隨著數(shù)值增加，相比較下，一個(gè)指標(biāo)較另一指標(biāo)的重要程度增加，9表示絕對(duì)重要（表1）。

表1 指標(biāo)間兩兩比較的相對(duì)重要等級(jí)

1.2 一致性檢驗(yàn)

檢驗(yàn)構(gòu)造的判斷矩陣是否合理，是將所得的各層次指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[20]，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax，計(jì)算公式如下：

式中，Bi為判斷矩陣的第i個(gè)行向量。

計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI，檢驗(yàn)其一致性：

式中，n是維數(shù)。

引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，來(lái)衡量CI的大小，查找相應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（表2）。

表2 RI的值

通過(guò)CI與RI的比值，得出一致性比率：

一般情況下認(rèn)為一致性比率CR＜0.1時(shí)，矩陣的不一致程度在可容許范圍之內(nèi)，有滿(mǎn)意的一致性，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量，否則要重新構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，對(duì)aij加以調(diào)整。

通過(guò)一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣為指標(biāo)的權(quán)重值，即向量W ＝（W1，W2，W3，W4……Wn）T即為所求判斷矩陣的特征向量，也即為指標(biāo)權(quán)重。

2 層次分析法在海洋生態(tài)研究中的應(yīng)用

層次分析法在我國(guó)海洋生態(tài)研究中應(yīng)用較為廣泛，尤其在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和海洋生物資源

2.1 海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)

在海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，層次分析法主要應(yīng)用于海洋生態(tài)健康、海水富營(yíng)養(yǎng)化、人工魚(yú)礁等[3-13]。在評(píng)價(jià)海洋生態(tài)健康領(lǐng)域，研究人員通過(guò)專(zhuān)家的判斷以及歷年科學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用層次分析法得到評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性以及權(quán)重值，對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，其所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系淺顯易懂，并可以有針對(duì)性地評(píng)價(jià)某一特定海域[3]。層次分析法的引入，有效地解決了在海洋生態(tài)評(píng)價(jià)中指標(biāo)數(shù)量偏多、數(shù)據(jù)繁雜、處理困難等現(xiàn)實(shí)，但需要注意的是，在指標(biāo)分級(jí)和權(quán)重確定上仍需加強(qiáng)量化研究，使所得指標(biāo)選取和數(shù)據(jù)處理更加合理、可靠[4-5]。

在海水富營(yíng)養(yǎng)化方面，研究者引入層次分析法替代以往根據(jù)無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、化學(xué)需氧量和葉綠素a等環(huán)境因子計(jì)算富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)海水富營(yíng)養(yǎng)化程度的方法，以富營(yíng)養(yǎng)化癥狀為基礎(chǔ)，采用層次分析法構(gòu)建指標(biāo)體系，突破以往單純依靠營(yíng)養(yǎng)鹽評(píng)價(jià)海洋富營(yíng)養(yǎng)化的常規(guī)做法，為海水富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)提供了全新的思路[6-9]。王昭洋等[10]在研究水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)又提出了AHP-CRITIC多評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合賦權(quán)法，該方法可以解決水質(zhì)評(píng)價(jià)中的隨機(jī)性和模糊性?xún)纱髥?wèn)題，已廣泛應(yīng)用到海水及內(nèi)陸水域的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中。

在人工魚(yú)礁的研究中，人工魚(yú)礁作為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境而人為地在海中設(shè)置的構(gòu)造物，是人類(lèi)行為與海洋生態(tài)直接交互的活動(dòng)之一，為評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁區(qū)的海洋生態(tài)健康，學(xué)者們對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，大多采用層次分析法和模糊隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法確定相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重[11-12]，即在兩兩比較每層元素重要性時(shí)采用三標(biāo)度表示，建立三標(biāo)度比較矩陣[12-13]。改進(jìn)的層次分析法解決了傳統(tǒng)層次分析法比較標(biāo)度不準(zhǔn)確的問(wèn)題，比較矩陣的一致性有所提高。

2.2 海洋生物資源利用

在海洋生物資源利用方面，層次分析法主要應(yīng)用于海水養(yǎng)殖，如魚(yú)卵、仔稚魚(yú)群落評(píng)估等[14-18]。海水養(yǎng)殖中，在對(duì)蝦養(yǎng)殖、大菱鲆養(yǎng)殖等方面都采用了層次分析法[14-15]，通過(guò)構(gòu)建層次分析模型，確定指標(biāo)權(quán)重[16-17]，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估養(yǎng)殖海域整體情況，有利于我國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。在魚(yú)卵、仔稚魚(yú)群落評(píng)估方面，運(yùn)用層次分析法來(lái)建立適用于魚(yú)卵、仔稚魚(yú)的層次結(jié)構(gòu)模型，解決了單一指標(biāo)無(wú)法全面評(píng)估研究對(duì)象的問(wèn)題[18]。層次分析法應(yīng)用為海水養(yǎng)殖健康發(fā)展和資源評(píng)估提供了更為科學(xué)的依據(jù)。

3 存在的問(wèn)題

在海洋生態(tài)系統(tǒng)研究中，由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、監(jiān)測(cè)指標(biāo)篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確、監(jiān)測(cè)參數(shù)難以統(tǒng)一等系列問(wèn)題，現(xiàn)在多采用指標(biāo)體系法來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在指標(biāo)體系法中，采取層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重是最普遍的方案。李福林[16]在萊州灣南岸海水養(yǎng)殖開(kāi)發(fā)對(duì)策中首次應(yīng)用層次分析法后，該方法繼而被應(yīng)用在萊州灣西部海域生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)等多個(gè)方面。隨著層次分析法的發(fā)展，很多學(xué)者也意識(shí)到了層次分析法在評(píng)價(jià)海洋生態(tài)系統(tǒng)中存在一定的局限性。

3.1 權(quán)重的確定存在主觀性

層次分析法確定權(quán)重存在一定的主觀性，最主要的表現(xiàn)是在專(zhuān)家打分方面，專(zhuān)家評(píng)判時(shí)的個(gè)人局限性和主觀隨意性問(wèn)題較為突出。因此，為盡可能地減小或避免上述問(wèn)題，層次分析法多與其他評(píng)價(jià)方法結(jié)合。張鵬[21]在研究南通市海域海洋生態(tài)承載力時(shí)，運(yùn)用了層次分析法和熵值法的組合賦權(quán)法，即AHP-熵值法；彭建交等[22]在研究海洋生態(tài)健康時(shí)采用層次分析法與德?tīng)柗品ńY(jié)合，以減少專(zhuān)家打分過(guò)程中的主觀成分影響。

3.2 指標(biāo)的選取存在誤差

運(yùn)用層次分析法開(kāi)展海洋生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究，除專(zhuān)家打分時(shí)的個(gè)人局限和主觀隨意問(wèn)題外，指標(biāo)選取也是影響研究結(jié)果的重要因素之一。在指標(biāo)體系選取上，評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)存在客觀的區(qū)域性特性和選取的主觀性差異。彭建交等[22]在利用層次分析法評(píng)價(jià)14個(gè)沿海城市的海洋健康狀況時(shí)，基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（Pressure-State-Response,PSR）”框架模型，選取了海洋捕撈產(chǎn)量等15個(gè)指標(biāo)。路文海等[23]在對(duì)天津、福建、山東三地沿岸海域進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，從功能多樣、產(chǎn)出效率、壓力脅迫及生態(tài)文明這四個(gè)方面，選取了單位確權(quán)海域使用面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出等14個(gè)指標(biāo)。兩個(gè)研究中都涉及天津沿海，但兩者在指標(biāo)的選取上存在明顯差異，相同指標(biāo)僅有4個(gè)。而不同海區(qū)海洋生態(tài)間存在差異，應(yīng)用層次分析法開(kāi)展研究時(shí)，基于貼合研究海域生態(tài)特征的指標(biāo)選取存在差異是必然。另外，選取的指標(biāo)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析的工作量增大，同時(shí)也易造成權(quán)重難以確定。

4 建議

海洋生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)用層次分析法以海洋生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象開(kāi)展相關(guān)研究時(shí)，針對(duì)層次分析法存在的缺陷進(jìn)行方法的改進(jìn)已成為趨勢(shì)，并取得了積極結(jié)果[24]?，F(xiàn)針對(duì)層次分析法在評(píng)價(jià)海洋生態(tài)系統(tǒng)時(shí)存在的缺陷給出以下建議：

（1）由于不同海域海洋生態(tài)系統(tǒng)的差異性，指標(biāo)選取應(yīng)以遵從整體性、綜合性、簡(jiǎn)明性、層次性和可獲性原則為基準(zhǔn)，以研究海域海洋生態(tài)系統(tǒng)特征和服務(wù)于研究目標(biāo)為根本，才能更有效地反應(yīng)研究海域的海洋生態(tài)系統(tǒng)狀況。

（2）在指標(biāo)權(quán)重確定過(guò)程中，針對(duì)于評(píng)價(jià)方法的主觀性，雖然有特征向量和CR值等客觀定權(quán)法替代[25]，但真實(shí)度較主觀法低，因此建議采用主觀定權(quán)法，通過(guò)建立專(zhuān)家?guī)?，以?zhuān)家的背景知識(shí)、對(duì)研究區(qū)域的了解程度、研究經(jīng)驗(yàn)的豐富度等為基礎(chǔ)，引入專(zhuān)家信用度[26]，取代簡(jiǎn)單將專(zhuān)家打分值平均處理，從而更加客觀真實(shí)反應(yīng)各指標(biāo)的權(quán)重，以提高研究結(jié)果的可靠度。

（3）受限于海洋生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和區(qū)域性特點(diǎn)，及層次分析法自身定性分析與定量分析相結(jié)合的限制，無(wú)論如何改進(jìn)方法在研究中的應(yīng)用，得到的結(jié)果都不可避免存在誤差。因此，應(yīng)用層次分析法開(kāi)展海洋生態(tài)系統(tǒng)研究，在基于研究結(jié)果分析的過(guò)程中，還需要結(jié)合研究海域?qū)嶋H情況進(jìn)行，這樣才能得到更有利于研究對(duì)象利用與保護(hù)的科學(xué)信息。