海水养殖区生态系统健康评价指标体系与模型研究＊

郑 伟，石洪华，王宗灵，丁德文

（国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061）

海水养殖区生态系统健康评价指标体系与模型研究＊

郑 伟，石洪华，王宗灵，丁德文

（国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061）

文章充分考虑了养殖区养殖产品品质及其对环境压力的响应关系，按照生态系统管理的思路，基于压力－状态－响应技术框架，初步构建海水养殖区生态系统健康评价指标体系和模型，为海水养殖区环境管理提供重要支撑技术。

海水养殖区；评价指标体系；评价模型

近年来我国海水养殖业发展迅速，2008年海水养殖产量为1 340.3万t，占海洋渔业产量的51%［1］。但是我国海水养殖技术总体上还比较落后，养殖产量的提高很大程度上仍然依赖于养殖规模的扩大、人力物力投入的增加等。片面追求产量最大化不仅影响海洋生态系统健康，养殖海产品质量也受到威胁。海水养殖业的迅猛发展引发了一系列生态问题：生物资源锐减、种质退化、生物多样性降低、养殖病害频发、经常出现养殖产品大规模死亡和质量下降问题。这些问题严重制约了我国海水养殖业的健康持续发展。

养殖区是我国重要的海洋功能区之一，其生态系统健康关系到海洋经济的可持续发展和养殖产品的食品安全。同时，由于养殖区特殊的功能定位和使用方式，其环境风险的表征方式也有所不同，特别是除了受到外界环境压力的干扰外，养殖活动本身也会产生自身污染。虽然国内外关于海洋生态系统健康评价的报道不少，但未充分考虑养殖区养殖生物质量和自身污染等特征，难以准确反映这一特殊人工生态系统的健康状态。

综上所述，无论从维持海洋生态系统健康，还是保障食品安全方面考虑，都亟须开展海水养殖区生态系统健康评估研究。本研究在系统分析海洋生态系统健康评估研究进展的基础上，考虑养殖区养殖产品品质及其对环境压力的响应关系，按照生态系统管理的思路，基于压力－状态－响应技术框架，构建海水养殖区生态系统健康评价指标体系和评估模型，本研究可为海水养殖区环境管理提供重要支撑技术。

1 海洋生态系统健康评估研究进展

健康的生态系统是国家发展和社会稳定的一个重要组成部分，是可持续发展的根本保证。生态系统健康及其服务功能价值评价、生态风险评估三者共同构成生态系统安全评价的三大内容，是当前海洋生态系统监控的重点与难点，也是海洋环境监测急需的关键支撑技术之一。

从管理角度来说，有必要应用若干指标获取一个生态健康或整体性的足够信息进行定量化评价。但由于生态系统的复杂性，选择合适的生态系统健康度量指标是一件十分困难的工作，尤其是对具有流动性特征的海洋生态系统来说，其健康内涵已超越了胁迫生态系统范畴，需要统筹考虑更为广泛的社会经济、人类健康、法律及政策等内容。从研究进展来看，生态系统健康评价有3个研究途径：①从生态系统受胁迫压力角度；②从生态系统恢复力角度；③从评价模型角度。

海洋生态健康评价采用指示物种法和结构功能指标评价法两种方法。指示物种法根据物种的特性和出现的情况，用简单的数字表达污染的程度或生态质量状况，该方法在海洋生态系统健康研究领域已取得了一些进展。如Edwards等［2－3］采用鲑鱼为指示种来监测湖泊贫营养化。20世纪70年代开展的“美国贻贝监测计划”和“国际贻贝监测计划”，利用贻贝对污染物的敏感性来监测海洋的污染状况。结构功能指标评价法是比较常用的方法，主要根据生态系统的特征及其服务功能建立评价指标体系，通过模糊综合评判法、层次分析法或健康距离法等目前生态系统健康评价中比较常用的3种方法，再建立数学模型来评价确定其健康状况。如杨建强等［4］构建海洋生态健康综合评价指数模型，并应用该模型评价莱州湾西部海域的生态健康状况。叶属峰等［5］基于结构功能指标体系评价法，利用层次分析法构建长江河口生态系统健康评价指标体系，并评估了长江口生态健康状况。此外，其他学者如杨红、张秋丰、李晴新等也开展了一些相关的研究工作［6－8］。以上研究多针对自然生态系统而言，而关于人工生态系统研究较少。对于海水养殖区的生态系统健康和环境风险尚没有系统的研究报道。

我国养殖海域生态系统健康和环境安全评价体系尚不完善。现有的《海洋生物质量标准》主要关注海洋生物，而《近岸海洋生态健康评价指南》主要关注的是海洋环境。已有的关于生态系统健康研究的报道，直接针对海水养殖区的也尚不多见。同时从环境压力、生态系统状态和生态响应等方面综合考虑才能有效揭示海水养殖区的健康状态，特别是可为诊断环境风险并据以提出合理的管理对策提供技术支撑。

依据压力－状态－响应－调控的系统工程模式，初步构建了海水养殖区生态系统健康评价技术初步框架（图1）。该框架逻辑严密、指标意义明确，可操作性强，属于框架式的指标体系，也是本文研究的重要基础。

图1 海水养殖区生态系统健康评价技术框架

2 海水养殖区生态系统健康评价指标体系构建

剖析海水养殖区环境压力、生态系统健康状态的基本特征，按照相对独立性、完备性、代表性和可操作性等原则，采用主成分分析法（PCA）初步构建海水养殖区生态系统健康评价指标体系（表1）。该指标体系针对海水养殖区这一类特殊的人工生态系统，基于“压力－状态－响应”的框架，充分考虑养殖区的养殖生物、外界干扰、生态环境质量等方面的特征。为便于计算和数据收集，本体系尽量采取常规的环境统计指标，部分指标虽不是常规统计指标，亦可经过简单计算获得。

表1 海水养殖区生态系统健康评价指标体系

2.1 压力指标

压力指标主要指环境压力，包括外来污染（径流排污量、排污口排污量）、自身污染量、养殖病害影响、气象灾害影响（如大风、寒潮等）及生态灾害影响（如赤潮）。

径流排污量、排污口排污量和自身污染量根据现场调查获得；养殖病害影响通过统计同期同类地区养殖病害发生与否、发生程度及威胁大小，在此基础上确定影响大小；气象灾害影响据历史资料评估养殖区域发生大风、寒潮等气象灾害的概率及其程度，估算对养殖的影响大小；生态灾害影响统计养殖海域和邻近海域是否发生赤潮、绿潮等生态灾害及其造成的损害，评估其对养殖的影响。

2.2 状态指标

状态指标主要指生态系统中生物和环境状态，具体包括生态系统活力、生物群落结构和水环境质量。生物群落结构又细分为初级生产力、浮游植物多样性指数和种类丰富度、浮游动物多样性指数和种类丰富度、底栖生物多样性指数和种类丰富度。水环境质量细分为无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、重金属、石油类和药物残留。各指标主要通过现场调查资料分析获取，评价方法和标准参考《近岸海洋生态健康评价指南》和《海水水质标准》等执行。

2.3 响应指标

响应指标主要是指生态系统响应，从压力造成的生态损失出发，主要包括养殖产品食用安全性、养殖产量改变、水环境质量变化、纳潮量改变等指标。养殖产量改变、水环境质量变化、纳潮量改变等指标根据评估年份数据与历史资料比较，计算其相对改变比例获得。养殖产品的食用安全性是本研究的一个重要指标，可通过分析养殖产品体内有毒有害物质的残留水平及对人类健康的潜在危害确定，主要考虑重金属含量，石油类、微生物、贝毒、抗生素、激素和消毒剂残留含量。

各评价指标的标准值按以下方法确定：有国家或行业标准的按标准执行，没有标准的采用参考类似文献或专家咨询法确定。

3 海水养殖区生态系统健康评价模型构建

基于上述指标体系构建海水养殖区生态系统健康评价模型。首先根据加权平均和层次分析方法对评价体系中的“压力”“状态”“响应”进行评价，根据模糊数学的方法将这3个指标映射为［0，1］之间的某个值，分别称为“压力系数”“状态系数”和“响应系数”。在此基础上初步构建了海水养殖区生态风险系数评价模型

式中，H表示生态系统健康系数；P为压力系数；S为状态系数；D为响应系数。

按照H值的大小划分5个健康等级，分别为不健康、较不健康、亚健康、较健康和健康，其基本思路如图2所示。环境压力越大，生态健康系数越小；生态系统状态越好，生态健康系数越大；响应越大，生态健康系数越小。生态系统健康等级初步划分标准见表2。

图2 海水养殖区生态系统健康等级划分

表2 海水养殖区生态系统健康等级划分标准

4 结束语

海水养殖区是一类特殊的人工生态系统，其服务功能发挥与人类开发利用密切相关，其生态系统健康同时受到外界和自身的干扰，特别是生态系统自身状态、环境压力和生物质量等都是其生态健康与否的重要表征。本研究在系统分析研究的基础上，充分考虑养殖区养殖产品品质及其对环境压力的响应关系、养殖活动自身污染，基于压力－状态－响应技术框架，开发海水养殖区生态系统健康评价指标体系和模型。本研究可应用于海水增养殖活动环境影响评价和监控领域，也可指导养殖用户科学安排生产，为管理部门监管养殖环境和产品质量、实施风险控制和风险管理提供科学方法。

［1］ 农业部渔业局.中国渔业年鉴［M］.北京：中国农业出版社，2009.

［2］ GOLDBERG E D，MISSEL U S.Result on trace metals and radionuclides［J］.Estuarine，Costal and Shelf Science，1977－1978，16（1）：69－93.

［3］ EDWARDS C J，RYDER R A，MARSHALL T R.Using lake trout as a surrogate of ecosystem health for oligotrophic waters of the Great Lakes［J］.Journal of Great Lakes Research，1990，16（4）：591－608.

［4］ 杨建强，崔文林，张洪亮，等.莱州湾西部海域海洋生态系统健康评价的结构功能指标法［J］.海洋通报，2003，22（5）：58－63.

［5］ 叶属峰，刘星，丁德文.长江河口海域生态系统健康评价指标体系及其初步评价［J］.海洋学报，2007，29（4）：128－136.

［6］ 张秋丰，屠建波，胡延忠，等.天津近岸海域生态环境健康评价［J］.海洋通报，2008，27（5）：73－78.

［7］ 杨红，袁政涛，刘健，等.上海隧桥工程海域生态系统健康的初步评价［J］.长江流域资源与环境，2009，18（11）：1031－1037.

［8］ 李晴新，朱琳，陈中智.灰色系统法评价近海海洋生态系统健康［J］.南开大学学报：自然科学版，2010，43（1）：39－43.

国家海洋局青年海洋科学基金（2010118）；国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项资金项目（2010G27，2011T06）；海洋公益性行业科研专项经费项目（201005009，201005008）.