基于DPSIR 的黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

王廣州，凡姚申，竇身堂，于守兵，張少華

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部 黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003）

黃河河口地區(qū)北靠京津塘,南連山東半島,是環(huán)渤海經(jīng)濟圈的重要節(jié)點,區(qū)位優(yōu)勢明顯,發(fā)展動能強勁。近年來受河口海岸帶自然壓力和人類活動干擾,黃河口及毗鄰海域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化,如水質(zhì)惡化、生物多樣性降低和生態(tài)系統(tǒng)退化等［1］。王薇等［2］從生態(tài)特征、功能整合性及社會環(huán)境方面分析了黃河三角洲濕地空間,認為該區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)處于脆弱狀態(tài)；牛明香等［3］研究表明黃河河口區(qū)2013 年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與1991 年相比下降明顯。上述生態(tài)環(huán)境問題將影響黃河口地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,甚至威脅人類健康與生存。黃河口入海水沙量影響河口及毗鄰海域生物量和生產(chǎn)力,也影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康［4］。黃河水量統(tǒng)一調(diào)度工作先后歷經(jīng)不斷流階段、功能性不斷流階段、生態(tài)調(diào)度階段,以及目前的奮斗幸福河階段［5］。隨著黃河水量統(tǒng)一調(diào)度理念的創(chuàng)新與升華,黃河河口生態(tài)水量調(diào)度進入新的發(fā)展階段。在黃河河口三角洲生態(tài)補水力度不斷加大的新形勢下,黃河河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價亟待開展。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法可歸納為指示物種法和指標體系法［6］。研究表明,指示物種法存在指示物種篩選標準不明確,評價結(jié)果難以反映生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢等缺陷［7-8］；指標體系法因綜合考慮到生態(tài)、景觀、社會經(jīng)濟等影響因素,可更好反映區(qū)域生態(tài)-社會演變過程的復雜特征［9］。近年來,指標體系法中的壓力-狀態(tài)-響應(PSR)模型在生態(tài)系統(tǒng)健康評價領(lǐng)域得到廣泛應用［10］,該模型從人類活動與外部環(huán)境的相互作用出發(fā)構(gòu)建環(huán)境評價指標體系,有較強的系統(tǒng)性和適用性［11］,但是對影響環(huán)境最根本的社會驅(qū)動力以及環(huán)境變化所帶來的影響缺少考慮。在PSR 模型基礎上改進得到的驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(DPSIR)模型可為綜合分析和描述環(huán)境問題與社會發(fā)展關(guān)系提供有效支撐［12-14］,已逐漸成為判定環(huán)境狀態(tài)及其與社會經(jīng)濟發(fā)展之間因果關(guān)系的重要工具［15-17］。將黃河河口及毗鄰海域作為研究區(qū),基于DPSIR 模型構(gòu)建指標體系框架,選取區(qū)域生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟中與生態(tài)系統(tǒng)健康相關(guān)的因子建立評價指標體系,通過層次分析法(AHP)確定各指標權(quán)重,采用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)法(CEI)對2011—2020 年黃河口及毗鄰海域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價分析,以期為黃河口生態(tài)保護與綜合整治及可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

黃河河口是指以山東省東營市墾利區(qū)寧海為頂點,北起徒駭河口,南至支脈溝口之間的扇形地域以及劃定的海域容沙區(qū)［18］,主體位于山東省東營市。受制于黃河水少沙多且河口濱海動力弱的客觀條件,河口入海流路長期處于淤積、延伸、擺動、改道的不穩(wěn)定狀態(tài)［19］,嚴重制約河口地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。此外,該地區(qū)成陸時間較短,土壤結(jié)構(gòu)性差,在海陸交互作用和人類活動等影響下,生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。

黃河河口治理與保護是一項復雜而艱巨的任務。20 世紀80 年代以來,黃河斷流頻繁,入海水沙大幅減少,加之受城市建設、陸源污染排放和海洋漁業(yè)發(fā)展等多重因素影響,該地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到極大威脅［3］。為便于經(jīng)濟、人口等生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標的統(tǒng)計,將東營市和黃河河口15 m 等深線以內(nèi)的毗鄰海域作為研究區(qū)進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價,研究區(qū)見圖1。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)來源

實地調(diào)查數(shù)據(jù)包括2019 年6 月黃河口及毗鄰海域水質(zhì)理化因子、生物多樣性指數(shù)等(調(diào)查點位分布見圖1)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括2011—2020 年的《黃河水資源公報》《中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》《北海區(qū)海洋環(huán)境公報》《東營統(tǒng)計年鑒》等資料。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建評價指標體系

歐洲環(huán)境署于1999 年提出了反映社會經(jīng)濟活動與環(huán)境間因果關(guān)系的DPSIR 模型,目前廣泛應用于水、土、生物及海洋資源等的評價決策和管理保護研究［20］。基于黃河口生態(tài)監(jiān)測情況,在遵循科學性、系統(tǒng)性和規(guī)范性等指標體系構(gòu)建原則基礎上［21］,構(gòu)建了包含驅(qū)動力層、壓力層、狀態(tài)層、影響層和響應層共計28 個指標的黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,見表1。其中,驅(qū)動力層選取反映人口增速、工農(nóng)業(yè)發(fā)展等驅(qū)動環(huán)境問題發(fā)生的指標；壓力層選取反映自然變化和人類活動等給生態(tài)環(huán)境帶來消極影響的指標；狀態(tài)層選取水體氮、磷營養(yǎng)鹽濃度等反映環(huán)境污染現(xiàn)狀的指標；影響層選取浮游動植物多樣性指數(shù)等反映生物特征的指標；響應層選取生態(tài)環(huán)境治理投資、引黃生態(tài)補水量等反映生態(tài)響應的指標。正向(負向)指標數(shù)值越大(小)對河口生態(tài)系統(tǒng)健康的正向貢獻越大。

表1 黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標

2.2 數(shù)據(jù)標準化處理

為消除各指標數(shù)據(jù)因性質(zhì)、量綱和數(shù)量級不同而難以比較的影響,將數(shù)據(jù)進行標準化處理。數(shù)據(jù)標準化的前提是合理確定評價基準值,健康具有相對性,人為判定某地某時生態(tài)系統(tǒng)健康與否過于主觀,因此為保證研究的客觀性,著重探討生態(tài)系統(tǒng)時間動態(tài)上的相對健康［22-23］。參考文獻［24-25］,分別采用式(1)和式(2)將正向和負向指標數(shù)值x轉(zhuǎn)化為隸屬度M。將各指標10 a 間數(shù)值由小到大排列,再均分為5 段,將第1、2 段和第4、5 段分段節(jié)點數(shù)值分別作為數(shù)據(jù)標準化處理的下限值(L)和上限值(U),將L和U的中點數(shù)值作為數(shù)據(jù)標準化處理的基準值(B)；反映海洋水質(zhì)的指標的L、B和U分別選取《海水水質(zhì)標準》(GB 3097—1997)中對應指標的一類、三類和四類標準限值。

2.3 評價方法及評價等級確定

通過專家打分法［26］并參考文獻［27-28］構(gòu)造判斷矩陣,采用層次分析法得到各指標權(quán)重［29］。通過加權(quán)和［30］計算黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù),獲得最終評價結(jié)果。

式中:CEI為生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù),取值為0～1；n為評價指標個數(shù)；Mi為第i個指標的標準化值；Wi為第i個指標的權(quán)重。

各評價指標的標準化值與其對應的權(quán)重(見表2)加權(quán)計算得出生態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響和響應準則層的健康指數(shù),進而得到整個研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)。狀態(tài)指數(shù)表明生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能受外力干擾和脅迫作用下的健康狀態(tài),在生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系中起主導作用；影響指數(shù)反映生態(tài)系統(tǒng)在自然和人類活動雙重影響下的結(jié)果,是判別生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要因素［3,29］。結(jié)合黃河口生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀并參考相關(guān)研究,將黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況劃分為5 個等級,見表3。

表2 黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價各指標標準化值及權(quán)重

表3 黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況等級劃分

3 結(jié)果與討論

3.1 準則層生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

2011—2020 年黃河口及毗鄰海域各準則層生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果見表4。驅(qū)動力包括人口增長率、第一產(chǎn)業(yè)及第二產(chǎn)業(yè)比重等指標,描述人口與經(jīng)濟指標引發(fā)的生態(tài)環(huán)境變化,反映人口增速和社會經(jīng)濟發(fā)展對河口生態(tài)環(huán)境演變的驅(qū)動作用,是引起河口環(huán)境變化的潛在原因。2011—2020 年驅(qū)動力指數(shù)為0.317～0.729,呈現(xiàn)“高—低—高”變化趨勢。工農(nóng)業(yè)的發(fā)展必然伴隨著污廢水排放量的增加,水資源污染加劇,給河口生態(tài)系統(tǒng)健康造成負向影響。旅游人數(shù)增加,雖然可以促進人均GDP 的穩(wěn)定增長,但也給河口生態(tài)帶來巨大壓力。2014—2018 年,人口增長率、第一產(chǎn)業(yè)及第二產(chǎn)業(yè)比重過高,使得黃河口及毗鄰海域驅(qū)動力處于亞健康甚至不健康狀態(tài),隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,2019年驅(qū)動力轉(zhuǎn)變?yōu)榻】禒顟B(tài)。

表4 黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

2011—2020 年壓力指數(shù)為0.287～0.865,反映了自然變化與人類干擾給黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)帶來的壓力,其呈現(xiàn)與驅(qū)動力指數(shù)相似的變化趨勢。工農(nóng)業(yè)污水和生活廢水等陸源污染排放造成環(huán)境破壞,限制了黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展［31］。年徑流量是影響生態(tài)系統(tǒng)最重要的因子,黃河來水給近海補充了大量淡水資源和營養(yǎng)鹽等,促進海洋生物生長,有利于生態(tài)改善［32］。此外,泥沙作為污染物的重要吸附載體,黃河輸沙量的波動必然引起水質(zhì)的變化進而影響黃河口及毗鄰海域生態(tài)健康［33］。2011—2017 年黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)壓力都處于亞健康甚至不健康狀態(tài)。2018 年后,黃河年徑流量顯著增加,河口地區(qū)加大了生態(tài)水量調(diào)度,生態(tài)系統(tǒng)壓力由亞健康轉(zhuǎn)變成健康狀態(tài)。

環(huán)境狀態(tài)制約著黃河口及毗鄰海域浮游動植物和底棲生物的生長發(fā)育、種群演變。2011—2020 年狀態(tài)指數(shù)為0.579～0.897,大部分年份處于健康狀態(tài)。鹽度對海洋浮游生物的生命活動有重要影響,黃河口海域鹽度變化與黃河入海徑流量顯著相關(guān)［34］。2011—2020 年黃河口及毗鄰海域化學需氧量及無機氮濃度波動變化,活性磷酸鹽濃度呈升高趨勢。營養(yǎng)鹽是河口生態(tài)系統(tǒng)無機環(huán)境的重要組成部分,驅(qū)動著河口生化過程的進行和生態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,然而過高的營養(yǎng)鹽濃度會導致水體富營養(yǎng)化,對海域生態(tài)環(huán)境和生物群落結(jié)構(gòu)良性維持產(chǎn)生危害［35］。

影響指數(shù)主要表征自然變化和人類干擾對黃河口及毗鄰海域生物多樣性的影響。生物多樣性可反映各種生態(tài)脅迫對水環(huán)境的累積效應,是黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎。2011—2020 年影響指數(shù)為0.285～0.795。黃河口及毗鄰海域浮游植物種類及多樣性指數(shù)變化不大,優(yōu)勢種為硅藻和甲藻,但相比于20世紀,其群落結(jié)構(gòu)趨于小型化［36］。浮游動物多樣性指數(shù)及生物量整體偏低,優(yōu)勢種為背針胸刺水蚤和強壯箭蟲。底棲生物生物量先升高后降低,多樣性指數(shù)偏低,入海淡水不足及水質(zhì)惡化是其多樣性偏低的重要影響因素［37-38］。

響應指數(shù)反映社會為改變對人類生存和發(fā)展不利的生態(tài)環(huán)境所采取的措施,常用指標包括生態(tài)環(huán)境治理投資、污水處理廠集中處理率等。2011—2020 年響應指數(shù)為0.418～0.951,總體呈上升趨勢,表明黃河口地區(qū)對生態(tài)環(huán)境保護和修復投入增加,重視程度提高。引黃生態(tài)補水量加大和污水處理率提高是黃河口及毗鄰海域生態(tài)響應指數(shù)持續(xù)上升的關(guān)鍵因素。因此,需持續(xù)加大引黃生態(tài)補水力度,同時強化環(huán)保政策,推動產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型,促進河口生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

3.2 黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康整體分析

2011—2020 年黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)基本處于健康與亞健康之間。亞健康狀態(tài)的年份為2015—2017 年,2016 年健康狀況最差。河口水沙情勢對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育演替、生物多樣性和生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性有著重要影響。自1999 年黃河水量統(tǒng)一調(diào)度以來,實現(xiàn)了黃河不斷流的階段目標,但徑流量年際間差異較大(見表5),加之黃河流域工農(nóng)業(yè)引水量不斷增加,使得河口來水來沙量在2016—2017 年處于低值,難以滿足河口近海海域的生態(tài)需水量。此外,黃河三角洲有著我國暖溫帶最完整的濕地生態(tài)系統(tǒng),但2016 年未進行濕地生態(tài)補水,濕地面積減少、濕地水文調(diào)節(jié)指數(shù)和平均彈性指數(shù)下降,進而影響黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康［39］。2018 年以來,黃河流域?qū)嵤┥鷳B(tài)脆弱地區(qū)生態(tài)補水,向黃河三角洲自然保護區(qū)現(xiàn)行清水溝流路和黃河故道刁口河流路濕地實施自流生態(tài)補水,使河口三角洲蘆葦濕地面積恢復到了20 世紀80 年代的較好水平,濕地生態(tài)得到顯著恢復［40］。同時,黃河入海淡水的增加對河流生態(tài)廊道功能維持、近海生態(tài)改善起到積極作用。

表5 2011—2020 年黃河口年入海徑流量及生態(tài)補水量統(tǒng)計

黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)除受氣候變化、入海徑流等自然因素影響外,還受人類活動的干擾。灘涂圍墾、淺海養(yǎng)殖等人類活動加大了陸源污染物排放,致使海水中氮、磷等污染物濃度升高,海水富營養(yǎng)化嚴重［41］。海洋過度捕撈、水質(zhì)惡化導致河口生物多樣性降低。黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)健康恢復與保護是一項復雜和長期的系統(tǒng)工程,需要科學規(guī)劃與管理,既要科學進行水量調(diào)度,加大引黃生態(tài)補水力度,也要推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與綠色發(fā)展,強化污染防治,控制海洋捕撈,嚴禁天然濕地開發(fā),提升公眾環(huán)境保護意識等多措并舉。

3.3 各準則相關(guān)性及驅(qū)動機制分析

各準則之間及準層與黃河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)見圖2(a)。由圖2(a)可見,生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)與所有準則均顯著正相關(guān)。準則兩兩之間雖均正相關(guān),但狀態(tài)與除驅(qū)動力外的其他準則均為不顯著正相關(guān),影響與驅(qū)動力、響應之間亦不顯著正相關(guān)。

圖2 準則間相互關(guān)系及驅(qū)動機制

圖2(b)反映了人類活動與環(huán)境間的因果關(guān)系,即人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展導致環(huán)境污染物排放量增加,水質(zhì)污染嚴重,進而生態(tài)系統(tǒng)健康狀況下降,生態(tài)環(huán)境治理投資加大。本研究結(jié)果與DPSIR 模型相符,但狀態(tài)及影響和其他準則間正相關(guān)性不顯著,表明狀態(tài)與影響因受多種因素影響而較難控制,或狀態(tài)與影響對響應的調(diào)控作用較弱。有研究表明,海水溫度影響河口地區(qū)生物多樣性［42］,水利工程建設勢必導致年徑流量和入海泥沙量的改變進而影響河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境,氣候變化亦會對河口地區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響,因此需要統(tǒng)籌考慮各種影響因素,采取多種措施促進河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。

4 結(jié)論

借助DPSIR 模型,采用層次分析法和綜合指數(shù)法,構(gòu)建評價指標體系,較全面地評價了黃河口及毗鄰海域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,各準則和生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)呈現(xiàn)相似的變化趨勢,狀態(tài)和影響對生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)貢獻最大。2011—2020 年黃河口及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)整體處于亞健康與健康狀態(tài),2018 年以來,黃河口開展了更高水平的生態(tài)水量調(diào)度,有效增加了濕地生態(tài)補水和入海淡水量,河口生態(tài)系統(tǒng)健康狀況顯著向好。生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)與所有準則均顯著正相關(guān),環(huán)境狀態(tài)及生物特征受多種因素共同影響,狀態(tài)及影響和其他準則間大部分正相關(guān)性不顯著。黃河口及毗鄰海域生態(tài)保護與治理修復是一項復雜長久的系統(tǒng)工程,需要科學規(guī)劃與管理。