上海海洋生态系统健康评价方法的比较分析

吴珍 陈睿山

摘要：海洋对于人类有重要的意义，不仅可以调节全球气候，而且在提供食物、生计和娱乐方面也发挥至关重要的作用.党的十八大提出提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国.上海作为全球特大沿海城市，有必要弄清其海洋生态系统健康的变化趋势和现状，以及城市与海洋之间的相互作用关系.基于国内外海洋生态系统健康评价方法，本文对比了“海洋健康指数”（Ocean Health Index，OHI）和“压力一状态一响应”（Pressure-State-Response，PSR）这两种不同的评价方法，完成了对上海海洋生态系统健康的变化趋势及现状的评价.评价结果表明，2009年以来，上海海洋生态系统的健康状况在改善，2015年呈亚健康状态.相对而言，“压力一状态一响应”（PSR）模型更适用于上海海域.

关键词：海洋健康指数;压力一状态一响应模型;海洋生态系统健康状况;上海

中图分类号：P964

文献标志码：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.04.017

0 引言

沿海地区已成为地球上人口最稠密的地区以及受灾最严重的地区[1-4].人类从海洋的开发和利用中获取了巨大的资源和财富，但由于过度捕捞和开发及污染，已经对海洋生态系统造成了破坏，降低了海洋生态系统为现在和未来提供服务的能力[3]，人类的延续与繁荣依赖一个健康的海洋.海洋和海岸的可持续性是联合国可持续发展目标之一[5].在全球范围内，人类对海洋的压力日渐增加，但我们对于这些压力的变化模式知之甚少，管理者和决策者需要这些信息来制定战略决策并监管海洋的发展[6]，以便科学地指导人类的开发行为，维系一个健康的海洋生态系统，实现人类与海洋生态系统的和谐发展.

海洋生态系统健康评价的方法主要是指示物种法[7-8]和指标体系法[9].海洋健康指数（Ocean Health Index， OHI）是一个评价海洋为人类提供福祉的能力及其可持续性的综合指标[10]，把人类与海洋看作一个整体，并融入可持续发展的思想[10].Halpern等人构建的OHI评价模型，从人類一海洋耦合的角度来定量评估海洋健康状况[11-13]，并融入了可持续发展的思想，不仅从各指标当前所受压力（生态和社会压力）评价当前海洋生态系统健康状态，也从影响（生态压力和社会压力）和缓解（生态和社会响应）当前指标压力等方面来评估指标未来可能出现的状态[14].

国际经济合作和开发组织（OECD）与联合国环境规划署（UNEP）共同提出了“压力（Pressure）-状态（State）-响应（Response）”模型，即“PSR”概念模型[15].基于PSR基本原理，国内外诸多学者构建了不同生态系统的评价体系，如Crabtree构建了苏格兰的山区生态系统的可持续性指标[16]; Jennings构建了渔业生态系统评价体系来评价其健康状况[17];Liu等人利用PSR构建了黄土高原县级生态系统健康状况评估体系[18]：陈奕等人以海河流域河北衡水湖湿地为例，分别对应PSR中的压力、状态和响应建立了相应的指标体系[19].彭涛等人为了定量评估黄柏河生态系统健康状态，以PSR模型为基础，构建了黄柏河生态系统健康评价指标体系[20]：毛义伟等人根据沿海湿地生态系统的特点，建立了一套沿海湿地生态系统适用的健康评价指标[21]：宁立新等人以江苏省海岸带为例，构建了江苏省海岸带PSR生态系统健康评价指标体系[22]，这为我们构建上海海洋生态系统评价体系提供了经验.

20世纪以来，随着上海地区经济的快速发展以及全球环境的变化，上海海域生态系统正承受着巨大的环境压力，面临海域水质恶化、生态退化和生产力下降等一系列生态环境问题.我们需要研究其海洋生态系统健康状况的变化趋势及现状，分析当前海洋生态系统面临的问题.为上海海洋相关部门制定生态、环境决策提供科学依据，从而改善海洋生态环境.也为OHI提供城市应用的案例，为其他城市提供经验.

1 研究区概况

上海市（30.5°N-32°N，121°E-123°E）位于我国大陆海岸线中部，处于长江入海口和东海交汇处，面向东海、北接江苏、南临浙江，区位优势明显，且拥有港口航道、滩涂湿地、滨海旅游、海洋风能和潮汐能等众多海洋资源，依据国务院批复的《上海市海洋功能区划（2011-2020年）》，上海市海域包括：西界为大陆岸线，东界为我国领海外部界限，南界为沪浙分界线，北界为沪苏分界线，面积约10 754.6 km2（见图1）.

2 评价框架与研究方法

2.1 评价指标体系

2.1.1 0HI评价体系

OHI包括10个指标，即食物供给（Food provision，FP）、人工捕鱼机会（Artisanal op-portunities，AO）、自然产品（Natural products，NP）、碳汇（Carbon storage，CS）、海岸保护（Coastal protection，CP）、海岸带生计与经济（Coastal livelihoods and economies，CLE）、休闲旅游（Tourism and recreation，TR）、地方感（Sense of place，SP）、清洁水源（Clean waters，CW）和生物多样性（Biodiversity，BD）.当与评价区域无关或影响极小的子目标，可排除该指标.自然产品（NP）用于评价从海洋中获得非食物性的，并可以用于商业活动和国际贸易的海产品，而在上海海域并未有相关海产品的报道，所以不考虑这一指标[39]（见表1）.

2.1.2 PSR评价体系

“压力一状态一响应”模型最初由Tony FYiend和David Rapport[231提出，20世纪80、90年代，由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）共同发展起来的[24].目前PSR模型仍被认为是用于环境指标组织和环境现状汇报最有效的框架[21].PSR模型有很强的因果性：人类活动对环境施加一定的压力（压力）;因为这些压力，从而改变了环境原有的性质或自然资源（状态）;之后人类又会对生态系统的恢复采取一些措施（响应）[25-26].由于PSR模型反映了人类活动的环境压力、环境现状和社会经济系统响应，因此可以被用于多级尺度，并被广泛运用[24].本文根据上海海洋生态系统评价的目的及指标选取原则，结合河口、海洋和湿地生态系统的研究，以及生态系统的组成、功能及其作用，选取了14种评价指标，并通过PSR模型形成指标体系（见表2）.

2.2 评价方法

2.2.1 0HI评价方法

基于国内外诸多对OHI的应用案例，结合上海实际情况，其中的海岸保护沿用OHI模型，食物供给，人工捕捞机会，碳汇，海岸带生计与经济，休闲旅游，地方感，清洁水源，生物多样性等指标进行了修改和重建.具体构建过程如下.

（1）食物供给（FP）

FP主要评价人类可持续地从海洋中获得海产品的量，包括捕捞和养殖.上海现在没有海洋养殖业，所以本指标只评价人们能够从海岸或海洋获得的可持续的商业捕捞量.以最大可持续量（mMSY）为参考值，FP得分越高，说明实际捕捞量与mMSY越接近，可持续性越好.mMSY通过非平衡产量模犁进行渔业资源评估[27].计算如下：

（2）人工捕捞机会（AO）

人工捕捞是指小规模的（家庭捕捞）、不参与全球渔业贸易的捕捞行为.该指标主要评价海洋提供手工捕鱼机会的能力.健康的海洋提供的手工捕鱼机会总量是一定的，在经济发展水平较好地区，人类有更多途径来获取食物和营养，所以对手工捕鱼的需求较小，进而手工捕捞的可持续性就更大.反之，经济落后的地区对食物和营养获取途径少，则对手工捕捞的需求就更大，

（7）地方感（SP）

SP划分为两个子目标，即标志性物种（ICO）和遗产保护区（LSP）.

标志性物种是指对当地具有重要意义或价值的物种.根据IUCN（世界自然保护联盟）濒危物种红色名录中确定的物种濒危等级和标准，将上海标志性物种分为灭绝、极危、濒危、易危和近危5个等级.计算如下：

（8）清洁水源（CW）

清洁水源用于评价海洋水体受污染程度，分数越高，意味着海洋水体受到污染越少.基于我国《海水水质标准》划分上海海域水质面积，并给不同的水质等级进行权重赋值，一类水、二类水、三类水、四类水和劣四类水的权重分别为1、0.75、0.5、0.25和0.计算如下：

上海市工业直排入海的废水对海水水质影响很大，依据上海市实际情况，我们增加上海市工业废水直排量为清洁水源评价指标之一，以该指标在评价时间段内相对最佳值为参考值.计算如下：

经过一致性检验，最终得出各指标的相应权重.OHI中每个指标得分介于O～100.指标得分越高，代表其健康状况越好：反之，得分越低，代表其健康状况越差.

2.2.2 PSR评价方法

PSR评价体系中的指标主要采用“标准化”进行处理和计算，计算如下[37-39]：其中，i为指标数量，Xi.和Xa*分别是指标i的原始数据和标准化数据，Xmax和Xmin分别表示参考年份内数据中的最大值和最小值.指标分为正效应指标和负效应指标40，41]，当指标对生态系统健康的贡献为正时，使用等式（16），当对生态系统贡献为负时，使用等式（17）[39].标准化值X*∈（0，1），其越接近1表示健康程度越高.

为了定量地评价上海海洋生态系统的健康状态，需要建立一个综合健康指数（Comprehen-sive Health Index，ICH）.參考相关文献，结合上海海洋实际情况，将计算结果分为很健康、健康、亚健康、不健康和疾病5个等级（0～1，1为满分）[15，21，42-44]，确定上海海洋生态系统的健康状况.即，式中，ICH为整个上海海洋生态系统的健康状况;n为评价指标的个数;Xi*表示第i种指标的标准化值，0≤Ii≤1;wi为指标的权重，通过AHP法来确定各指标权重[41，48-50].要说明的是，PSR和OHI中都有捕捞和湿地相关指标，但评价侧重点有所不同.在PSR中，捕捞指上海海洋捕捞量的多少，而OHI中人工捕捞机会和食物供给这两个指标评价的是捕捞行为的可持续性：PSR中湿地是指湿地面积，而在OHI中碳汇是湿地的固碳能力，海岸保护是湿地对海岸带居民建筑的保护能力.

3 结果分析

3.1 0HI与PSR单指标评价结果分析

2009 2015年间，在OHI评估结果中，呈上升趋势的是碳汇、海岸保护、海岸带生计与经济、休闲旅游和清洁水源，反映了上海海域的海岸带生境对于碳的储存能力和对于海岸带居民建筑的保护能力变好，上海海域为当地居民提供的就业岗位和带来的经济收入保持增长，上海海洋水质变好.呈下降趋势的是人工捕捞机会和生物多样性，反映了上海市海域的小规模捕捞行为的可持续性在降低，近海的生物多样性也在减少，这两个方面需引起重视并加以改善.呈“高一低一高”波动趋势的是食物供给，说明上海市海洋能够提供大规模商业捕捞量的能力并不稳定（见图2a）.

2009-2016年间，在PSR评估结果中，呈波动增加趋势的有海岸带生境、垃圾倾倒、海洋资源、科研和观测站，代表其健康状况在改善.上海市重视对湿地和滩涂的管理，严格管控城市垃圾的排放，并对海洋投入了大量的科研力量.在相关部门的管理下，加强规范，合理开发海洋油气资源，重视对海洋灾害风险等的预防[51-52]，有效降低了海洋灾害带来的风险威胁，海洋灾害风险程度减小.呈波动减小趋势的是捕捞、港口建设和海洋风险，代表其健康状况在变差.上海海洋的过度捕捞和环境污染造成海洋再生资源能力的下降，导致上海市的捕捞量逐年减少.全球气候变暖，导致极端气候灾害的频度和强度不断上升，赤潮、咸潮、强风暴、海浪灾害和海平面上升是上海海洋面临的重要灾害隐患[53].呈“高一低一高”波动的是陆源污染、生物多样性、海洋功能区环境和水资源，其中海洋功能区环境和水资源总体变好了，陆源排污和生物多样性波动较大且其健康状况总体是下降的.上海市海洋相关部门重视对海洋环境的管治和提高环境质量.重视金山城市沙滩的环境保护，所以海洋功能区的环境质量状况在改善.上海市人口不断增多，2016年上海市已超过2400万人，居民带来的生产和生活垃圾增多，排放的废水增多，这也是影响上海水质最根本的原因，这与胶州湾类似[54].海洋污染会破坏生物生存环境，生物多样性会随之波动.呈“低一高一低”波动的是水质和海洋管理，其健康状况在变差.上海的海水水质不仅受到废水的影响，海洋灾害等也会对其产生影响.2012年海洋管理得分很高，之后，海权证书的发放和增殖放流资金的投入都有所减少，所以得分也随之降低了（见图2b-d）.

3.2 0HI与PSR评价结果分析

如图3所示，2009 2015年期间，OHI的评价结果波动较小，在54.93～ 61.49分之间波动，属于亚健康：2009 2016年期间，PSR的评价结果波动较大，在0.29～ 0.63分之间波动，总体来看，健康状况有所改善，由不健康到亚健康.从单指标来看，OHI与PSR可以相互佐证评价结果.OHI中人工捕捞机会的可持续性是降低的，在PSR中捕捞量是增加的，因为海洋所提供的捕捞总量是一定的，上海海洋的捕捞量在增加，对海洋生态系统造成的压力增加，所以海洋可以提供的捕捞能力降低，即捕捞行为的可持续性降低.2009年以来，OHI中清洁水源得分是增加的趋势，即上海海域的水质在变好：而在PSR中陆源排污情况总体变差，代表海域的水质在变差.据《上海海洋环境质量公報》统计，上海海域目前面临劣四类水占比较大和富营养化较严重的问题.OHI中的生物多样性得分呈下降趋势，PSR中生物多样虽有波动但总体也是变差了，反映上海海域的生物多样性确实减少了.OHI中碳汇和海岸保护的得分是增加的趋势，PSR中湿地面积也是增加的趋势，反映了上海海岸带的湿地面积增加，进而提高了海岸带固碳能力和保护居民建筑的能力.

3.3 现状分析

将2015年作为现状年份来计算当年结果，通过2.2.1中构建的模型，计算得出上海海洋生态系统OHI综合得分为59.97分，低于当年全球平均得分（71分），也低于中国海洋健康平均得分（64分）1，反映了上海海洋的生态系统并不健康.通过PSR模型评价体系，计算得出上海海洋生态系统健康综合得分为0.59分，刚刚处在亚健康状态的边缘.综合两种评价结果，2015年上海海洋应属于亚健康.

4 讨论

目前OHI已应用在全球[55]不同国家和地区，如南极56]、巴西[11]、加拿大[57]和斐济[58]等，也应用到不同城市，如美国西部的华盛顿、俄勒冈州和加州[12]等，我国的浙江（55.3分）、温州（50.01分）[30]、天津（66分）[59]和青岛（67.8分）[54]等海域也已有相关学者展开过研究.“压力一状态一响应”（PSR）模型在国内外已被广泛应用，PSR已用于山区生态系统[16]、渔业生态系统[17]、黄土高原县级生态系统[66]、海岸带生态系统[22]、湿地生态系统[15，61-62]和流域生态系统[63]等的健康状况及其可持续性评价[64].本文以此为借鉴，构建了上海海洋生态系统的评价体系并完成了其健康状况的评估.

OHI与PSR都属于“指标体系法”，实际上OHI的指标体系也是从“压力一状态一响应”来考虑的.两种模型构建原则相同，都是从海洋生态系统受到的压力、目前所呈现出来的状态和社会对其响应来构建.虽然部分指标侧重点不同，但是两种模型的指标相互联系，甚至可以相互佐证评价结果.如PSR中海岸带生境是增加趋势，在OHI中碳汇和海岸保护能力也是增加的趋势：PSR中捕捞是减小的趋势，OHI中人工捕捞机会的可持续性是减少的趋势，反映了上海海洋提供捕捞的能力在减弱.我国是渔业大国，沿海城市对水产品需求的增加，使渔业资源和渔业水域环境出现了严重的衰退和恶化，影响了渔业资源的可持续利用[65].部分指标由于评价方法不同，结果出现差异，如PSR中陆源排污和水质的波动较大，水质情况总体在变差：而在OHI中清洁水源得分却在增加，反映了水质变好.因为计算时，在PSR中分别统计了第一、二、三、四和劣四类水的面积，再做标准化计算，而在OHI中只是将海域水质面积对应到相应得分区间.OHI的结果粗略，不具有代表性.20世纪90年代后，随着工业化进程的加快和氮肥用量的增长，上海海域水质快速恶化，2000年以后继续恶化，但恶化速度有所减缓[66].并结合《上海海洋环境质量公报》，证明PSR中水质相关的结果更客观.在OHI中生物多样性是减少的趋势，而在PSR中生物多样波动较大，但其得分仍是减小的.由于人类活动影响，上海和长江口生物多样性显著下降[67-68]，但是在OHI中生物多样性只是粗略地将Shannon-Weiner指数结果对应到相应得分区间，结果不够精细.而在PSR中是分别统计了浮游植物、浮游动物和底栖生物的种类，结果较精细.OHI中的9个指标保留了原始模型的指标，但PSR是根据压力、状态和响应分别结合上海实际情况来构建对应的评价指标，如海洋灾害风险[37，69]和港口[70]对上海是重要的评价指标，在PSR中有相关指标，但在OHI中却没有.最初Halpern等人构建OHI模型是用于全球和国家尺度的海域，本文将其运用到上海这一市级尺度，不仅指标数据统计困难，而且各指标是否适用于市级尺度仍值得商榷.PSR数据主要来源是上海、东海和中国的海洋环境公报和年鉴，相比较而言数据收集更容易，且更符合上海实际情况.PSR中部分评价指标计算方法更加精细，结果更客观.客观而言，PSR模型评价体系更适合上海.

虽然OHI与PSR评价指标体系和计算方法不同，但是两种模型构建原则相同，都是基于“压力一状态一响应”来构建的，其中PSR中的指标则考虑了更多上海典型指标，如海洋灾害风险和港口建设.两种模型评价结果一致，都反映了上海海洋的健康状况有所改善，但是总体仍处于亚健康状态.评价结果反映了上海的海洋生态系统面临陆源污染、海洋灾害、生物多样性减少和人工捕捞的可持续性不足的问题。

5 结论

我们利用海洋健康指数（OHI）和“压力一状态一响应”模型（PSR）完成了对上海海洋生态系统健康的评价，利用OHI与PSR的指标体系，对上海海洋生态系统进行单因子和综合评价，为上海海洋的可持续发展提供了一定的科学依据.且两种方法评价结论一致，上海的海洋生态系统健康状况虽在改善，但仍属于亚健康状态.评价结果明确了上海海洋生态系统目前面临的问题，可为相关部门制定管理决策时提供科学依据，也可避免盲目效仿其他城市和采取无用措施.本研究有助于认清海洋健康现状，避免继续过度开发海洋资源和破坏海洋生态环境.上海作为沿海特大城市之一，应当坚持陆海统筹、保持海洋生态系统可持续发展.

目前上海海洋出現的主要问题是陆源污染严重、生物多样性减少、海洋提供捕捞的能力减弱和面临海洋灾害的威胁.长江、黄浦江和陆源入海的污染物是影响水质的主要因素，相关部门应加强陆源污染的控制与管理，建立有效的污水排放监控机制，坚持“污染者付费、利用者补偿、开发者保护、破坏者恢复”的原则，实现海洋生态监控区可持续发展的目标.建议应保护近海渔场环境与渔业资源，认真执行海洋伏季休渔制度，加强增殖放流，使伏季休渔秩序得到有效维护.严格保护自然保护区的物种多样性，严厉打击破坏生物多样性的行为.完善海洋灾害的监测和预警系统，减小海洋灾害造成的损失.

由于影响海洋生态系统健康状况的因素众多，文中所选指标的完整性和代表性仍存在不足，时间序列还可以继续深入，我们后续将建立长期的监测体系来研究上海海洋的生态系统健康状况和可持续管理.

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