基于指标体系法的海湾生态系统健康评价方法——以莱州湾为例

程玲刘丽娟宋秀凯何健龙付萍王宁马元庆刘爱英王玮云

(山东省海洋生态修复重点实验室 山东省海洋资源与环境研究院 烟台 264006)

0 引言

生态系统健康研究起源于20世纪末,1989年加拿大生态学教授Rapport[1]首次阐述“生态系统健康”(Ecosystem health)的内涵,提出健康的生态系统是相对稳定和可持续的,具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力等特征。随后逐步形成生态系统健康的概念和评价,并在森林、河流、湿地和海洋等生态系统广泛应用[2-5]。国内外对于海洋生态系统健康的评价研究主要涉及河口湿地、红树林、珊瑚礁和海草床等近海生态系统类型[6-14]。目前我国海湾生态系统健康评价主要参考《近岸海洋生态健康评价指南》(HY/T 087-2005)[15](以下简称《指南》),使用水环境、沉积环境、生物残毒、栖息地和生物群落5类指标评价河口及海湾生态系统健康,其中权重最高的生物指标赋值主要依据生物密度和生物量,然而同一海域的生物种类、密度和生物量随水温、盐度和季节等的变化可发生大幅变化,仅生物密度和生物量难以反映生物群落健康状况。

莱州湾位于渤海南部,是典型的半封闭型海湾[16],海底地形较平坦,坡度平缓,滩涂辽阔,沿岸入海河流有39条,丰富的营养元素以及适宜的温度和盐度等条件使其成为多种海洋经济动物良好的索饵、产卵和栖息场所,发展为我国北方重要的渔业生产基地。自20世纪70年代以来,随着海洋经济的迅速崛起,莱州湾污染日趋严重,水体环境、生物群落结构和渔业资源等均受到严重干扰,海洋生物多样性遭受严重威胁。本研究参考《指南》,通过优化评价指标,构建莱州湾生态系统健康评价体系,以期更加客观地反映海湾生态系统健康水平,从而为海湾生态系统的保护及修复提供参考依据。

1 数据来源

水环境、沉积环境、海洋生物和底栖生物的数据来源于山东省海洋环境监测中心于2011—2020年每年8月开展的莱州湾典型生态系统调查,调查站位如图1所示。

图1 莱州湾调查站位

现场调查和实验室分析分别参照《海洋调查规范》(GB/T 12763.4-2007、GB/T 12763.6-2007)[17-18]和《海洋监测规范》(GB/T 17378.4-2007、GB/T 17378.7-2007)[19-20]的规定进行。

2 评价方法

目前海洋生态系统健康评价最为常用的方法包括指示物种法和指标体系法[21-22]。莱州湾作为典型的海湾生态系统,具有立体结构复杂和流动无边界等特殊性。因此,本研究根据海湾生态系统的生态特征,选择能够反映其健康状况的特征指标建立指标体系,对指标进行量化,并根据各指标对生态系统健康的影响确定其权重,最终建立海湾生态系统健康评价体系[23-25]。

2.1 指标体系

生态系统健康评价指标是在各个层次和各个角度表达生态系统健康水平的工具,指标选择的合理性直接影响评价结果的准确性和有效性[26]。指标筛选通常遵循3项要求:①较全面表征生态系统的特性;②准确反映生态系统结构和功能的变化趋势,尤其应包括具有早期预警和诊断性的指标;③具有可度量性。

生态系统健康评价指标体系通常可分为物理化学指标、生态学指标和社会经济指标3个大类[27]。本研究采用物理化学指标(水环境和沉积环境)、生态学指标(生物群落)、功能指标(初级生产力)和社会经济指标(生态灾害)作为一级指标,下设若干二级指标和三级指标。

由于多个指标的重要程度不同,须对各指标进行权重赋值。目前应用较普遍的权重确定方法是层次分析法[28],此外包括专家咨询法、环比法、判断矩阵法和相对比较法等[29]。鉴于海洋生态系统健康状况的复杂性,本研究采用层次分析法与专家咨询法相结合的方式确定莱州湾生态系统健康评价指标的权重,并将各指标相对上一级的权重进行乘积,得到各指标的最终权重,以期更加准确地反映莱州湾海洋生态系统健康状况(表1)。

表1 莱州湾海洋生态系统健康评价指标体系

续表1

2.2 指标的归一化及等级

2.2.1 指标归一化处理

目前我国海洋环境评价普遍采用的方法包括单因子指数法[17,19-20]和多因子综合评价法[30-31]等,均基于《海水水质标准》(GB 3097-1997)[32]。除p H值和溶解氧外,其他指标值越低表明环境质量越好[33]。无机氮和活性磷酸盐等指标是生物生存的必要营养要素,其值过低不利于生物生长繁殖,依据传统评价标准及评价方法可能无法反映海洋生态系统的实际状况。因此,将评价指标总体分为3个大类:①正向型指标,指标值越高表明环境质量越好;②负向型指标,指标值越低表明环境质量越好;③区间型指标,指标值在一定区间内为宜,过高或过低均表明环境质量存在问题。

为使不同量纲的指标具有可比性,须对指标进行归一化处理,即将所需指标经处理后限定在0～100的范围内。对于上述3种类型指标分别进行归一化处理,得到该指标的站位归一化值。

(1)正向型指标:

(2)负向型指标:

(3)区间型指标:

式中:N ij表示i指标在j站位的归一化值;C ij表示i指标在j站位的实测值;C s表示基准值;C1和C2分别表示标准区间的起点值和终点值;Cmin和Cmax分别表示最小容许值和最大容许值。

基准值的选取通常遵循3项原则:①对于有国家标准的指标,以国家标准为归一化基准值,如溶解氧以二类海水水质标准为归一化基准值;②对于无国家标准的指标,借鉴相关科学研究成果确定归一化基准值,如浮游生物和底栖生物的多样性指数;③对于均无法满足的指标,选择多年监测结果的平均值作为归一化基准值,如叶绿素a[34]。本研究中的水环境和沉积环境指标的基准值分别参考《海水水质标准》(GB 3097-1997)[32]和《海洋沉积物质量标准》(GB 18668-2002)[35],容许值和标准区间参考已有研究关于海洋增养殖区环境质量的评价方法[33];生态学指标的基准值和标准区间参考近岸海域《海洋生物多样性评价技术指南》(HY/T 215-2017)[36],其中丰度和生物量的标准区间和容许值根据莱州湾10年的监测数据统计值确定,叶绿素a以莱州湾10年的监测数据平均值作为基准值;赤潮和绿潮面积的基准值和容许值分别参考《山东省赤潮灾害应急预案》和《自然资源部北海局绿潮灾害应急执行预案》,水母密度的基准值参考《水母灾害监测及风险等级划分技术规程》(表2)。

表2 莱州湾生态系统健康评价指标的标准

2.2.2 指标等级划分

将各指标在评价时间段所有站次的归一化值,通过算数平均法计算得到其归一化均值。计算公式为:

式中:N i表示指标i的归一化均值;n表示站位数。各指标健康指数的计算公式为:

式中:H i表示指标i的健康指数;W i表示指标i的最终权重。

根据各指标的健康指数,将水环境、沉积环境、生物群落、初级生产力和生态灾害5个一级指标分为健康、亚健康和不健康3个等级(表3)。

表3 海湾生态系统健康指标的等级划分

2.3 生态系统健康指数及等级划分

将根据上述步骤计算的各指标的健康指数求和,得到海湾生态系统综合健康指数(CEH)。根据CEH的计算结果,将海湾生态系统健康等级分为健康、亚健康和不健康3个等级[16,37]。①健康(75≤CEHi≤100),表示生态系统的结构和生物多样性基本稳定,生态系统保持自然属性,能正常发挥主要服务功能,人类活动引起的生态压力在生态系统承载能力之内。②亚健康(50≤CEHi＜75),表示生态系统的结构和生物多样性已发生较小变化,生态系统的自然属性基本正常,主要服务功能尚可发挥,但已不能承受人类活动引起的生态压力;若人类活动压力解除或减弱,生态系统尚能自我恢复。③不健康(CEHi＜50),表示生态系统的结构和生物多样性已发生较大变化,生态系统的自然属性明显改变,主要服务功能严重退化或丧失,不能负荷人类活动引起的生态压力;即使人类活动压力解除或减弱,生态系统也难以在短期内自我恢复,而必须辅以外部能力。

3 结果与分析

3.1 莱州湾生态系统健康评价

基于本研究建立的指标体系和评价方法,对2011—2020年莱州湾夏季航次的调查数据进行生态系统健康评价。评价结果显示,除2013年外,2011—2020年夏季莱州湾生态系统健康均处于亚健康水平,2013年为健康水平(表4)。

表4 2011—2020年夏季莱州湾生态系统健康指数

2011年和2019年夏季莱州湾生态系统健康指数较低:2011年6月位于莱州湾内的19-3油田发生溢油事件,导致当年莱州湾附近海域石油类含量严重超标,水环境健康指数明显偏低;2019年台风“利奇马”过境导致莱州湾海域无机氮含量超标,且台风过境后莱州湾海域暴发夜光藻混合拟菱形藻赤潮[38],导致综合健康指数偏低。其他年份莱州湾生态系统虽均处于亚健康水平,但综合健康指数基本接近健康水平,表明莱州湾生态系统健康状况总体稳定。

3.2 评价结果准确性

本研究的莱州湾生态系统健康评价结果与现行《指南》的评价结果基本一致,但与《指南》相比,本研究的评价方法更能反映影响生态系统健康水平的主要因素(图2)。

图2 莱州湾生态系统健康评价结果对比

由图2可以看出:在《指南》评价结果中,除生物群落外,其他指标的健康指数10年来均无明显变化;在本研究评价结果中,水环境和生物群落的健康指数直接影响生态系统健康评价结果。鉴于此,分别对2种方法的水环境和生物群落的健康指数进行单独分析(表5)。

表5 2种方法计算的健康指数

由表5可以看出,《指南》健康指数的年际变化差异不显著,而本研究健康指数的年际变化差异更为显著。因此,本研究的评价方法对莱州湾生态系统健康状况的评价更为合理。

4 结语

海湾生态系统是与人类活动联系密切的复杂生态系统,对海湾生态系统健康状况进行评价需要全面、综合和合理的指标体系。本研究基于指标体系法,结合莱州湾生态系统的特征,选取水环境、沉积环境、生物群落、初级生产力和生态灾害5个指标,建立海湾生态系统健康评价指标体系,在此基础上对2011—2020年夏季莱州湾生态系统健康状况进行评价,评价结果与现行《指南》的评价结果基本一致,即莱州湾生态系统长期处于亚健康状态。

与传统评价方法相比,本研究评价方法更为合理和准确。例如:根据《指南》计算的2011—2020年莱州湾水环境健康指数的平均值为13.4±0.6,而根据本研究评价方法计算的2011年莱州湾水环境健康指数最低且与其他年份相差较大,进一步分析原因是2011年6月的溢油事故导致当年莱州湾附近海域石油类含量严重超标。此外,赤潮、绿潮和水母暴发等生态灾害是生态系统不稳定的直观表现,本研究将生态灾害作为负向型指标引入评价方法,在一定程度上反映生态系统健康状况,生态系统健康指数的变化尤为明显。例如:2019年超强台风“利奇马”过境造成莱州湾海域无机氮含量严重超标和赤潮暴发。

本研究在借鉴传统评价方法的基础上对指标体系进行优化和创新。例如:对营养盐等指标引入区间型指标的概念,有效规避监测数据的“劣势掩盖”,即监测值越低而环境评价结果越优的“伪优良”结论;引入容许值的概念,避免“信息漏缺”和极限监测值对评价结果的放大问题。

由于海洋生态系统具有特殊性和复杂性,本研究评价方法仍存在一定的局限性,许多理论问题尚待完善。例如:受人类活动的影响,随着时间的推移,参评指标可能有所变化;现阶段选定的指标及其权重赋值可能带有一定的主观性,需要更多的实测数据来验证。