基于指標體系法的海灣生態系統健康評價方法
——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

(山東省海洋生態修復重點實驗室 山東省海洋資源與環境研究院 煙臺 264006)

0 引言

生態系統健康研究起源于20世紀末,1989年加拿大生態學教授Rapport[1]首次闡述“生態系統健康”(Ecosystem health)的內涵,提出健康的生態系統是相對穩定和可持續的,具有維持其組織結構、自我調節和對脅迫的恢復能力等特征。隨后逐步形成生態系統健康的概念和評價,并在森林、河流、濕地和海洋等生態系統廣泛應用[2-5]。國內外對于海洋生態系統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系統類型[6-14]。目前我國海灣生態系統健康評價主要參考《近岸海洋生態健康評價指南》(HY/T 087-2005)[15](以下簡稱《指南》),使用水環境、沉積環境、生物殘毒、棲息地和生物群落5類指標評價河口及海灣生態系統健康,其中權重最高的生物指標賦值主要依據生物密度和生物量,然而同一海域的生物種類、密度和生物量隨水溫、鹽度和季節等的變化可發生大幅變化,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,豐富的營養元素以及適宜的溫度和鹽度等條件使其成為多種海洋經濟動物良好的索餌、產卵和棲息場所,發展為我國北方重要的漁業生產基地。自20世紀70年代以來,隨著海洋經濟的迅速崛起,萊州灣污染日趨嚴重,水體環境、生物群落結構和漁業資源等均受到嚴重干擾,海洋生物多樣性遭受嚴重威脅。本研究參考《指南》,通過優化評價指標,構建萊州灣生態系統健康評價體系,以期更加客觀地反映海灣生態系統健康水平,從而為海灣生態系統的保護及修復提供參考依據。

1 數據來源

水環境、沉積環境、海洋生物和底棲生物的數據來源于山東省海洋環境監測中心于2011—2020年每年8月開展的萊州灣典型生態系統調查,調查站位如圖1所示。

圖1 萊州灣調查站位

現場調查和實驗室分析分別參照《海洋調查規范》(GB/T 12763.4-2007、GB/T 12763.6-2007)[17-18]和《海洋監測規范》(GB/T 17378.4-2007、GB/T 17378.7-2007)[19-20]的規定進行。

2 評價方法

目前海洋生態系統健康評價最為常用的方法包括指示物種法和指標體系法[21-22]。萊州灣作為典型的海灣生態系統,具有立體結構復雜和流動無邊界等特殊性。因此,本研究根據海灣生態系統的生態特征,選擇能夠反映其健康狀況的特征指標建立指標體系,對指標進行量化,并根據各指標對生態系統健康的影響確定其權重,最終建立海灣生態系統健康評價體系[23-25]。

2.1 指標體系

生態系統健康評價指標是在各個層次和各個角度表達生態系統健康水平的工具,指標選擇的合理性直接影響評價結果的準確性和有效性[26]。指標篩選通常遵循3項要求:①較全面表征生態系統的特性;②準確反映生態系統結構和功能的變化趨勢,尤其應包括具有早期預警和診斷性的指標;③具有可度量性。

生態系統健康評價指標體系通常可分為物理化學指標、生態學指標和社會經濟指標3個大類[27]。本研究采用物理化學指標(水環境和沉積環境)、生態學指標(生物群落)、功能指標(初級生產力)和社會經濟指標(生態災害)作為一級指標,下設若干二級指標和三級指標。

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

表1 萊州灣海洋生態系統健康評價指標體系

續表1

2.2 指標的歸一化及等級

2.2.1 指標歸一化處理

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

為使不同量綱的指標具有可比性,須對指標進行歸一化處理,即將所需指標經處理后限定在0～100的范圍內。對于上述3種類型指標分別進行歸一化處理,得到該指標的站位歸一化值。

(1)正向型指標:

(2)負向型指標:

(3)區間型指標:

式中:N ij表示i指標在j站位的歸一化值;C ij表示i指標在j站位的實測值;C s表示基準值;C1和C2分別表示標準區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。

基準值的選取通常遵循3項原則:①對于有國家標準的指標,以國家標準為歸一化基準值,如溶解氧以二類海水水質標準為歸一化基準值;②對于無國家標準的指標,借鑒相關科學研究成果確定歸一化基準值,如浮游生物和底棲生物的多樣性指數;③對于均無法滿足的指標,選擇多年監測結果的平均值作為歸一化基準值,如葉綠素a[34]。本研究中的水環境和沉積環境指標的基準值分別參考《海水水質標準》(GB 3097-1997)[32]和《海洋沉積物質量標準》(GB 18668-2002)[35],容許值和標準區間參考已有研究關于海洋增養殖區環境質量的評價方法[33];生態學指標的基準值和標準區間參考近岸海域《海洋生物多樣性評價技術指南》(HY/T 215-2017)[36],其中豐度和生物量的標準區間和容許值根據萊州灣10年的監測數據統計值確定,葉綠素a以萊州灣10年的監測數據平均值作為基準值;赤潮和綠潮面積的基準值和容許值分別參考《山東省赤潮災害應急預案》和《自然資源部北海局綠潮災害應急執行預案》,水母密度的基準值參考《水母災害監測及風險等級劃分技術規程》(表2)。

表2 萊州灣生態系統健康評價指標的標準

2.2.2 指標等級劃分

將各指標在評價時間段所有站次的歸一化值,通過算數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i的歸一化均值;n表示站位數。各指標健康指數的計算公式為:

式中:H i表示指標i的健康指數;W i表示指標i的最終權重。

根據各指標的健康指數,將水環境、沉積環境、生物群落、初級生產力和生態災害5個一級指標分為健康、亞健康和不健康3個等級(表3)。

表3 海灣生態系統健康指標的等級劃分

2.3 生態系統健康指數及等級劃分

將根據上述步驟計算的各指標的健康指數求和,得到海灣生態系統綜合健康指數(CEH)。根據CEH的計算結果,將海灣生態系統健康等級分為健康、亞健康和不健康3個等級[16,37]。①健康(75≤CEHi≤100),表示生態系統的結構和生物多樣性基本穩定,生態系統保持自然屬性,能正常發揮主要服務功能,人類活動引起的生態壓力在生態系統承載能力之內。②亞健康(50≤CEHi＜75),表示生態系統的結構和生物多樣性已發生較小變化,生態系統的自然屬性基本正常,主要服務功能尚可發揮,但已不能承受人類活動引起的生態壓力;若人類活動壓力解除或減弱,生態系統尚能自我恢復。③不健康(CEHi＜50),表示生態系統的結構和生物多樣性已發生較大變化,生態系統的自然屬性明顯改變,主要服務功能嚴重退化或喪失,不能負荷人類活動引起的生態壓力;即使人類活動壓力解除或減弱,生態系統也難以在短期內自我恢復,而必須輔以外部能力。

3 結果與分析

3.1 萊州灣生態系統健康評價

基于本研究建立的指標體系和評價方法,對2011—2020年萊州灣夏季航次的調查數據進行生態系統健康評價。評價結果顯示,除2013年外,2011—2020年夏季萊州灣生態系統健康均處于亞健康水平,2013年為健康水平(表4)。

表4 2011—2020年夏季萊州灣生態系統健康指數

2011年和2019年夏季萊州灣生態系統健康指數較低:2011年6月位于萊州灣內的19-3油田發生溢油事件,導致當年萊州灣附近海域石油類含量嚴重超標,水環境健康指數明顯偏低;2019年臺風“利奇馬”過境導致萊州灣海域無機氮含量超標,且臺風過境后萊州灣海域暴發夜光藻混合擬菱形藻赤潮[38],導致綜合健康指數偏低。其他年份萊州灣生態系統雖均處于亞健康水平,但綜合健康指數基本接近健康水平,表明萊州灣生態系統健康狀況總體穩定。

3.2 評價結果準確性

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

圖2 萊州灣生態系統健康評價結果對比

由圖2可以看出:在《指南》評價結果中,除生物群落外,其他指標的健康指數10年來均無明顯變化;在本研究評價結果中,水環境和生物群落的健康指數直接影響生態系統健康評價結果。鑒于此,分別對2種方法的水環境和生物群落的健康指數進行單獨分析(表5)。

表5 2種方法計算的健康指數

由表5可以看出,《指南》健康指數的年際變化差異不顯著,而本研究健康指數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系統健康狀況的評價更為合理。

4 結語

海灣生態系統是與人類活動聯系密切的復雜生態系統,對海灣生態系統健康狀況進行評價需要全面、綜合和合理的指標體系。本研究基于指標體系法,結合萊州灣生態系統的特征,選取水環境、沉積環境、生物群落、初級生產力和生態災害5個指標,建立海灣生態系統健康評價指標體系,在此基礎上對2011—2020年夏季萊州灣生態系統健康狀況進行評價,評價結果與現行《指南》的評價結果基本一致,即萊州灣生態系統長期處于亞健康狀態。

與傳統評價方法相比,本研究評價方法更為合理和準確。例如:根據《指南》計算的2011—2020年萊州灣水環境健康指數的平均值為13.4±0.6,而根據本研究評價方法計算的2011年萊州灣水環境健康指數最低且與其他年份相差較大,進一步分析原因是2011年6月的溢油事故導致當年萊州灣附近海域石油類含量嚴重超標。此外,赤潮、綠潮和水母暴發等生態災害是生態系統不穩定的直觀表現,本研究將生態災害作為負向型指標引入評價方法,在一定程度上反映生態系統健康狀況,生態系統健康指數的變化尤為明顯。例如:2019年超強臺風“利奇馬”過境造成萊州灣海域無機氮含量嚴重超標和赤潮暴發。

本研究在借鑒傳統評價方法的基礎上對指標體系進行優化和創新。例如:對營養鹽等指標引入區間型指標的概念,有效規避監測數據的“劣勢掩蓋”,即監測值越低而環境評價結果越優的“偽優良”結論;引入容許值的概念,避免“信息漏缺”和極限監測值對評價結果的放大問題。

由于海洋生態系統具有特殊性和復雜性,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,參評指標可能有所變化;現階段選定的指標及其權重賦值可能帶有一定的主觀性,需要更多的實測數據來驗證。