基于PSR模型的鄱阳湖渔业生境健康综合评价

2024-01-10梁涛徐小雪李帅蔡燕芳欧阳珊吴小平

南昌大学学报（工科版） 2023年4期

梁涛,徐小雪,李帅,蔡燕芳,欧阳珊,吴小平*

(1.南昌大学生命科学学院,江西南昌 330031; 2.浙江省生态环境监测中心浙江省生态环境监测预警及质控研究重点实验室,浙江杭州 310012;3.南昌大学数学与计算机学院,江西南昌 330031)

渔业生境是鱼类赖以栖息、生存、繁衍和其他重要生命过程中所涉及到的各种水域环境及物理、化学、生物学过程的生命活动区域,包括水体的性质、各种结构物及相关生物群落[1,2]。良好的渔业生境对渔业产业发展起着决定性作用,影响着渔业生物的生存、发育、繁殖及资源的分布,但是在过去的数十年里,我国许多大型湖泊由于人为活动干扰强度增大、水体富营养化、挖沙等导致江湖阻隔[3],生态系统遭受破坏,渔业生境发生退化,导致鱼类群落结构发生明显变化,鱼类多样性下降等问题[4]。为保证渔业的可持续发展,需了解湖泊渔业生境的组成及健康状态,识别造成其退化的驱动因素,从而为生境修复和水生生态系统的科学管理提供重要理论支撑。

有关渔业生境的研究,最早可追溯到20世纪初前苏联科学家Vernadcky对全球河、湖水质成分的研究[5]。20世纪50年代,美国签署的“河流与湖泊化学组成”专项报告中正式提出湿地生境指标评价体系与相关监测技术。1990年之后,全球对于渔业生境的研究更多地关注于水体污染离子与营养元素含量等化学指标的变化趋势[6]。目前常用的生态系统评价模型有压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)模型、模糊综合评价、神经网络模型和生物指标评价等。Friend和Rapport于1979年首次创建PSR模型[7],而后世界经济合作发展组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)将PSR模型进一步发展,用于解决环境问题[8]。1998年OECD对模型进行进一步修正,加入驱动力(driving force)与影响(impact)两因素,形成了DPSIR模型,现PSR与DPSIR模型已在较多领域得到应用[9],如谢华晶等用DPSIR模型评价了云南省滇池水生态安全[10],Subhasis等基于PSR模型评价了穆尔西达巴德地区湿地生态系统[11]。当前评价模型的主要问题在于模型类型及指标的选择,针对不同地区及其生态系统的特点常需要选择合适模型和生态指标。选取更加全面的指标可有效提升对生态系统评价的准确性,不当的模型会使评价结果偏离现实情况,干扰评价的客观性。我国的渔业生境研究存在区域不均衡的问题,研究多集中于淮河、黄河和辽河流域等地区,西部高原与山地地区相关研究较少;渔业生境研究方法也相对落后,表现为指标体系的适用范围局限、评价角度单一等。

以往涉及鄱阳湖生态系统健康状况的评价和研究多关注于某一生态因子或某一类生物类群,如孙芳蒂等对于鄱阳湖水文状况的研究[12],胡振鹏等对多年水生植被演变的研究[13],钱奎梅等对鄱阳湖浮游植物功能群长期特征的研究[14],以及游清徽等、Li等和Liu等分别从底栖动物和鱼类等类群评估鄱阳湖生态系统健康或多样性的变化及威胁因素[15-17]。有关渔业生境退化程度和影响的驱动因素并不十分明确。为系统评价鄱阳湖渔业生境,需设计一套针对鄱阳湖生态系统实际情况并兼具科学性、先进性与多维度的健康评价综合指标体系。本研究基于PSR模型选取评价指标,构建共包含五维度的鄱阳湖渔业生境的健康评价指标体系,并结合层次分析法和熵权法构建权重模型,通过文献查阅、实验室测量和实地调查等方法收集数据,利用均值替换法、牛顿插值法和三次样条插值填补缺失值,最后根据国家环保行业标准及相关研究成果对鄱阳湖渔业生境的各维度及总体分别依权赋分,分析影响渔业生境的主要因素和各时间段生境的健康状况,为鄱阳湖渔业生境保护和科学管理提供依据,为推动鄱阳湖生态经济区生态文明建设,促进绿色中国发展做出贡献。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

鄱阳湖位于江西省北部,是中国第一大的淡水湖,流域面积约1.62×105km2,承纳赣江、抚河、修水、信江、饶河五大江河以及博阳河、漳田河、漳津河等区间来水,为典型过水性吞吐型湖泊[18]。鄱阳湖季风气候明显,属典型的温暖湿润亚热带季风气候,年均气温16～20 ℃,多年年均降雨量1 387～1 975 mm,具有雨热同期、四季分明的气候特点[19]。鄱阳湖拥有丰富的渔业资源,也是江西重要的商品粮、农产品生产基地,其对保护长江流域渔业资源、生物多样性以及促进国民生产生活等具有重要作用。近年来,由于人为活动干扰和全球气候变化显著加强,并且人们对于渔业需求增加、捕捞加剧,以及渔业生境污染,使得鄱阳湖鱼类三场面积不断缩减,渔业生境退化严重[20]。

1.2 研究方法

本研究应用PSR模型构建鄱阳湖渔业生境评价指标体系,以鄱阳湖湿地环境和渔业发展情况为研究对象,采用熵权法和AHP法确定各指标的权重,对其进行渔业生境健康的综合评价。

鄱阳湖渔业生境健康评价体系是一个复杂的多维度指标体系,包含的评价指标多种多样。PSR模型经OECD改进后成为可明确反映人与自然关系的模型,其包含压力、状态及响应3个层次,各层包含相应的基本结构元素,3个层次之间关系见图1。在生态环境评价中,压力主要反映人类活动带来的环境污染压力,状态则表示生态系统在压力作用下呈现出来的现状,响应则是人类为保护生态而做出的行为,如相应政策颁布等。PSR模型可较好地反映出生态系统中的变化及造成改变的因素,寻找自然环境与人类活动的交互关系。因此本研究基于PSR模型选取指标以期得到较为全面的科学综合评价体系。

图1 鄱阳湖压力-状态-响应(PSR)模型框架

1.3 数据来源

本研究数据主要来源于《江西统计年鉴(1983-2019)》《中国渔业统计年鉴2000-2019》《鄱阳湖资源与环境研究》[21]《鄱阳湖研究》[22]《鄱阳湖:水文·生物·沉积·湿地.开发整治》[23]和国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)、中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/)、中华人民共和国生态环境部生态环境统计年报(http://www.mee.gov.cn/)、江西省水利厅(http://slt.jiangxi.gov.cn/)等已发表的相关数据库(集)、文献资料[24-27]以及本实验室资料。收集到1980-2019年水位数据、鄱阳湖浮游植物、浮游动物、鱼类、人口密度、养殖水体面积、自然保护区建设等相关数据。

1.4 数据预处理

收集到的各指标数据存在缺失,采用以若干年份均值代替所在时间段均值、利用牛顿插值和三次样条填补空缺值后再取均值的方法进行计算,然后依据指标类型将其归一化处理得到去量纲的标准化数据(保留两位小数)。

2 评价模型

2.1 评价指标体系的构建

基于PSR模型,并参考过往研究中常用的指标体系,本研究结合常见湖泊渔业生境要素及其对生境结构功能的影响大小等,从压力、状态、响应三方面将搜集的指标与数据进行分类与汇总,依据指标筛选原则(表1),进一步将体系分为5个维度,人类活动、物理、化学、生物及生态建设,建立多维度指标体系。

表1 指标筛选原则

2.2 评价指标及权重

用若干个指标进行综合评价需要对每个指标设置权重。本研究采用组合赋权法,将层次分析法与熵权法相结合,以弥补单一赋权带来的不足。组合赋权公式为

Wj=λβj+(1-λ)αj

(1)

式中:αj为熵权值;Wj为组合权重;βj为层次分析法得到的权重;λ为偏好系数,控制主客观权重的比例,本研究中取0.5。

2.3 层次分析法得到权重

本研究采用层次分析法(AHP)获得各指标权重[28]。共邀请10位专家为评价模型的指标权重的确定做出评价,将重要关系分为7个层次,分别为强烈重要、明显重要、稍不重要、同等重要等。依据专家判断的重要性等级构造判断矩阵,完成各指标权重的判断。

2.3.1 建立层次结构模型

构建鄱阳湖渔业生境健康评价指标体系,包含目标层,准则层和方案层。使用Santy 1-9标度法对构造矩阵赋值,得到特征向量并将其归一化得到权重矩阵W、计算最大特征值λmax、一致性指标IC值、随机一致性指标IR值和一致性比率RC值,通过一致性检验,利用得到的权重矩阵W计算出D层每一个指标的权重;得到经过处理的数据后,编程求解得到各指标的熵权值。将利用层次分析法得到的权重和熵权值代入式(1)得到组合权重(表3)。令目标层、准则层和指标层分别为M层、P层和D层,得到如图2所示层次结构模型。其中准则层P2和P3下只有一个衡量指标,权重为1。

图2 层次结构模型

图3 1980-2019年鄱阳湖渔业生境综合评价得分

2.3.2 构建判断矩阵

从层次结构模型的第2层开始,对于从属于上一层每个因素的同一层诸因素,构建判断矩阵,直到最下层。判断矩阵是AHP工作的出发点,表示本层次所有因素针对上一层某一个因素的相对重要性给出判断和比较,本研究使用Santy1-9标度法确定判断矩阵的元素。

2.3.3 计算单层权向量并做一致性检验

对于得到的判断矩阵A,利用方根法通过式(2)和式(3)计算权重向量ωi:

(2)

求得m维向量,再将其标准化:

(3)

重复上述步骤得到权重矩阵W,计算最大特征值λmax:

(4)

式中:m、n为矩阵阶数;aij为矩阵A中的第i行j列的元素。由此可由式(2)～式(4)得IC、IR、RC值:

(5)

(6)

(7)

式中:r为判断矩阵的个数。一般,当一致性比率RC<0.1时,认为A的不一致程度在容许范围内,有满意的一致性,通过一致性检验[29]。

2.3.4 计算层次总排序并做一致性检验

层次总排序一致性比率为:

(8)

当RC<0.1时,认为层次总排序通过一致性检验。层次总排序具有满意的一致性,否则需要重新调整那些一致性比率高的判断矩阵的元素取值。

2.4 熵权法得到的权重

对于某项指标,可以用熵值来判断某个指标的离散程度,其信息熵值越小,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响(即权重)就越大,如果某项指标的值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用。因此,可利用信息熵这个工具,计算出各个指标的权重,为多指标综合评价提供依据。

2.4.1 数据标准化处理

为了消除不同评价指标之间存在的差异,便于对数据进行比较等后续操作,需要对数据进行标准化处理。假设有m个指标X,每个指标有n组数据,Xij为第i个指标下的第j个数据,利用下式得到Xij归一化后的数据Yij:

(9)

式中:Xij=(Xi1,Xi2,…,Xin),i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;Xi,min表示取Xi中的最小元素;Xi,max表示取Xi中的最大元素。

2.4.2 权重计算过程

1) 计算指标信息熵。

计算各指标在各个方案下的比重pij:

(10)

根据信息论中信息熵的定义,一组数据的信息熵Ei为:

(11)

2)计算信息冗余度。

一组数据的信息冗余度Rj为:

Rj=1-Ej

(12)

3)计算每个指标的权重。

指标的熵权值αj为:

(13)

2.5 组合权重

本研究邀请鄱阳湖生态研究专家依据Santy 1-9标度法对构造矩阵赋值,得到特征向量并将其归一化得到权重矩阵W、计算最大特征值λmax、IC值、IR值和RC值,结果表明通过一致性检验,故利用得到的权重矩阵W计算出D层每一个指标的权重;得到经过处理的数据后,带入公式求解得到各指标的熵权值。将利用层次分析法得到的权重和熵权值代入式(1)得到组合权重,渔业生境健康评价指标体系及权重见表2。

表2 鄱阳湖渔业生境健康评价指标体系及权重

2.6 评价标准

生境评价指标一般包含定性、定量2个维度,对于不同的指标也应有相应的评价标准以确保评价结果的合理、准确,为确保本次评价的科学性、代表性、有效性,评价标准参照国家相关行业标准(如GB 11607-89《渔业水质标准》、国家及地方相关文件(如《河湖健康评价指南(试行)》)以及已有的研究成果[30]三方面进行制定,见表3。

表3 鄱阳湖渔业生境健康评价指标及其等级标准

2.6.1 人类活动评价指标

1)人口密度。

ρ=N/S

(14)

式中:ρ为人口密度;N为鄱阳湖地区总人口数(本研究使用鄱阳湖4市共38个县、区数据);S为鄱阳湖生态经济区总面积,单位为km2。

2)捕捞占比。

(15)

式中:ω为捕捞占比;M为该时间段平均捕捞量;M0为历史最高年份捕捞量。

3)生境质量指数。

对区域土地的生境适宜性和生境退化程度状况进行评价,利用单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异表示。

Sh=Awatn×(0.18×SF+0.23×SG+0.40×SW+0.08×SC+0.01×SB+0.10×SU)/ST

式中:Sh为生境质量指数;Awatn为水域湿地生态系统类型自然保护区生境质量指数的归一化系数,参考值为785.60;SF为林地面积;SG为草地面积;SW为水域面积;SC为耕地面积;SB为建设用地面积;SU为未利用地面积;ST为保护区总面积。

2.6.2 物理评价指标

湖泊萎缩率。选取湖泊萎缩率作为鄱阳湖渔业生境健康评价指标,并参考DB36/T 1404-2021《河湖(水库)健康评价导则》(以下简称《导则》)确定评价标准并赋分。计算公式如下:

RA=1-Scur/Shis

式中:RA为湖泊萎缩率;Scur为当前湖泊面积;Shis为历史湖泊面积。

2.6.3 水质评价指标

本研究将耗氧有机物、氮磷、溶解氧等指标根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》与GB 11607-89《渔业水质标准》整合为水质评价指标,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级,再根据各种水质其所占比例进行赋分,再分类为劣、较差、一般、良、优5个等级。

2.6.4 生物评价指标

1)大型水生植物覆盖度。

有研究表明,天然未受干扰的水体中水生植物覆盖度可达60%～80%,以此为依据,确定大型水生植物评价标准。

2)鱼类保有指数。

本研究拟以鄱阳湖已有的134种鱼类隶属20科78属为研究对象,通过以134种鱼类为历史基点,计算鱼类保有指数。

(16)

式中:FR为鱼类保有指数;FO为现有鱼类种数;FE为历史累计鱼类种群。

2.6.5 生态建设评价指标

卵场保有指数。本研究选取鱼类产卵场面积保有指数来评价,通过调查面积与历史调查面积比值来确定,参考《导则》确定评价标准。

(17)

式中:w为鱼类产卵场保有指数;S为本次调查产卵场面积,单位为km2;S0为历史调查面积,单位为km2。

2.7 评价模型

将收集到的数据依据表3标准进行处理,得到指标D1～Dm在时间段t1～tn的值D,依据评价标准赋分,得到指标Di在tj上的分数值gi,j,i=1,…,m,j=1,…,n,m∈(1,15),n∈(1,4)。

代入以下公式,计算得到最终的评价模型得分,即鄱阳湖渔业生境健康在tj上的综合评分:

(18)

式中:Gj为鄱阳湖渔业生境健康综合评分。

时间段划分上按照每十年为一段,分为1980-1989、1990-1999、2000-2009及2010-2019年4个时间段。

2.8 鄱阳湖渔业生境健康综合评价

健康评价等级参考《导则》将评价等级分为健康、良好、一般、较差、极差5个等级,标准划分如表4所示。

表4 鄱阳湖渔业生境评价等级划分

3 评价结果与分析

由表5、图4可以看出1980-2019年40年期间鄱阳湖渔业生境健康状况随时间呈先下降后上升的趋势。鄱阳湖的渔业生境健康综合得分为:1980-1989年(75.35)>1990-1999年(72.08)>2010-2010年(68.83)>2000-2009年(58.57)。可以看出1980-1999年及2010-2019年鄱阳湖渔业生境处于良好状态,2000-2009年为一般状态。

表5 1980-2019年鄱阳湖渔业生境健康各准则层评价得分

图4 1980-2019年鄱阳湖渔业生境各指标评价得分

分析图4可知,压力要素层方面,最低生态水位在指标体系中占比最高(10.32%),除2010-2019年(50分)外都处于良好水平(75分),表明40年间的水位基本处于稳定状态,生境质量指数权重次之(7.00%),整体处于稳定状态,主要变化为环湖区的建设用地增加,草地面积减少;虽然捕捞占比与养殖水体面积在指标体系中占比稍低,但是捕捞和水产品养殖仍为渔业生境压力的重要来源,由于水产养殖的面积持续增长,该项评分逐渐下降,且在1990-2009年时间段内面积上升幅度最大,这可能源于人们对水产品的需求增长及限制湖区自然捕捞政策导致的人工养殖增加;40年间人口密度持续增长,但仍处于一般范围内,评分较稳定。

状态要素层方面,共包含物理、水质、生物3个维度的7个指标,其中水质综合指数和底栖动物密度为权重最高的两指标,权重分别为12.51%与8.30%。水质综合指数评分呈现一定下降,整体水质下降,底栖动物密度下降较明显,说明鄱阳湖底栖生境存在一定退化,底栖动物种群多样性与密度减少。鄱阳湖面积在2000-2009年平均值最小,1990-1999年最大;20世纪初期鱼类保有指数开始降低,鱼类的物种数量在逐渐减少,两者均在2000-2009年的时间区段内取得最低评分(50分),二者的低评分也在较大程度上导致了此时间段的综合评分降低。大型植物覆盖度、浮游植物密度是得分变化最大的2个指标,它们的得分在所选时间跨度内分别表现为下降-后恢复、下降-持续波动的变化情况,大型水生植物覆盖度在1980-2009年区间内持续下降,而在2010年后有一定恢复;浮游植物密度在1990-1999年最低,2010-2019年最高。

响应要素层方面,鱼类产卵场的权重较高且在4个时间区段的得分稳定,说明产卵场的保护情况较好,废污水处理情况持续改善、江豚、南矶湿地保护区等的建设使鄱阳湖地区污水的排放得到规范控制、自然保护区面积增加,使得二者得分均稳步上升,表明鄱阳湖环境的保护政策执行力及人类改善鱼类生态环境的行动力不断增强。

分析表5中准则层的5个维度数据可得出如下结论:人类活动、生物因素、生态建设因素三者评价得分变动最大,其中人类活动与生物因素是2000-2009年综合评分低的重要原因,说明该段时间内人类活动影响明显加剧,生物多样性与渔业生境受到较大破坏,而生态建设的得分稳步提升,使得鄱阳湖渔业生境综合得分在2010年后发生上升。1980-2019年鄱阳湖渔业生境的生物多样性表现为整体下降,水质呈现恶化趋势,导致生境综合评分表现为持续下降,但近年来政府与民众对环境的要求提升,加大了对生态建设的投入,促进了生态环保事业的发展对于改善渔业生境起到了一定积极作用。

4 讨论

渔业生境健康评价涉及水质监测、人类活动影响、生物多样性评估等多角度,本研究针对鄱阳湖渔业生境的健康水平构建了一套评价体系,该体系在PSR(压力-状态-响应)模型的基础上加以改进,评价了40年间鄱阳湖的渔业生境得分。这一评价体系结合渔业生活史特点,以水体生态系统健康评价为基础,对渔业生境相关要素作了筛选,筛选确定15个指标层因素。

4.1 渔业生境健康PSR机理分析

2000-2009年间鄱阳湖渔业生境健康程度较低,原因是人类活动压力较大,生物多样性降低,说明鄱阳湖地区在人口增长与进行地区开发的同时,环境的保护与治理进程未能及时匹配,具有一定的滞后性,导致渔业生境发生一定程度恶化。其中,捕捞占比、生境质量指数、最低生态水位、大型植被覆盖率均在此时段内取得最低评分,为一般或较差水平。2010年后,鄱阳湖渔业生境健康状况得到一定改善,这得益于对生态环境的监管加强与相关法律法规的实行,鄱阳湖生态经济区、自然保护区等的建立,长江流域十年禁渔政策的实行,对流域面源污染的治理等推动着鄱阳湖经济模式的转变,也为改善湖区渔业生境提供了支持。

4.2 渔业生境健康驱动变化因素

导致鄱阳湖渔业生境退化的因素很多。由鄱阳湖地区人口增长情况可知,40年来鄱阳湖地区人口增长迅速,人口密度从260 人·km-2达到370 人·km-2,虽未超过警戒线,但庞大的人口数量带来了围湖造田过度、渔业捕捞强度增大、污水排放严重等问题,对水产品的需求使捕捞强度增大并将更多水域用于养殖,放养的某些经济鱼类,与生境原有的鱼类产生了竞争,影响了鄱阳湖渔业生境的结构稳定,使鱼类物种多样性降低、鱼类种群繁育等功能减弱[31],给鄱阳湖渔业生境带来巨大压力。

产业结构的工业化及城镇化的发展也是影响地区发展水平及土地结构的重要因素。为满足工业化的发展需求,城区建设、工业用地增加,周边大量湿地、自然水域转化为耕地及养殖水域,土地利用结构发生变化,水体生态系统受到破坏。污水排放、无序采砂、捕捞过度等使鄱阳湖渔业生境承载能力超出负荷。1990-2000年间鄱阳湖地区渔业捕捞量、水产养殖面积不断增加,导致鱼类多样性减少,过度的资源利用使渔业生境系统压力增大,生态系统物种多样性下降。这反映出城市化进程与人口需求是导致压力系统状态空间差异的重要驱动因素。

国家政策与政府的生态保护措施也是影响鄱阳湖生态系统健康响应机制的重要因素。近十几年,一系列环境保护措施,如十年禁渔、废污水排放管理、自然保护区建设、环保监测加强等。截至2010年,全省污水处理率已达80%,拥有120个以上环境监测站,鄱阳湖相关自然保护区面积超1 046 km2。政府生态建设措施的开展对渔业生境的保护起到重要作用,有效地提高了响应指数,对渔业生境的健康发展起到了积极作用。

4.3 评价模型选择及数据规范化

基于不同的评价目标,往往采用不同的模型。尽管他们也能反映生态系统演变的一般趋势,但对不同评价目标而言,获得的评价结果也不尽相同,各自仍然有其片面性,特别是影响生境演变的关键驱动因素及阈值的判定。因此,找到合适的评价模型以及构建恰当的指标体系仍然需要不断实践。我们首次针对湖泊渔业生境收集多项指标综合评价生境状况,基本反映鄱阳湖渔业生境的特点。但人类活动对鄱阳湖渔业生境的影响体现在多个方面,既包括捕捞水产品、养殖水产、污水排放等活动,也包括对生境改变的潜在影响,如采砂,本研究未将其完全纳入评价体系,选取的指标也未考虑不同因素间的相互作用,未来需要进一步完善。

对于大型湖泊而言,渔业小生境多样,数据获取方法需要不断规范,现场采集样点更需要有代表性并保证样本量。从我们的评价实践看,获得高质量的长期观察数据是评价结果精度的保证。过往对鄱阳湖的生态系统评价多涉及湖泊生态系统现状,本研究收集了过去40年间共15项数据指标,评估结果反映鄱阳湖渔业生境的演变过程。但鄱阳湖渔业生境是一个复杂的生态系统,需要进一步完善对数据采集的标准化,并增加对模型的验证。

4.4 治理建议

目前鄱阳湖渔业生境面临的主要问题有:1)人类活动干扰强度增大;2)生物多样性减少;3)水质恶化与低枯水位的持续出现;4)公众管理保护意识薄弱。基于以上评价结果及问题,并结合国内外管理经验与启示,提出以下几条建议:1)制定鄱阳湖综合管理规划,限制对自然区域的破坏性开发利用;2)健全鄱阳湖环境监测预警机制,严格限制周边工业、生活污水的排放,严格执行十年禁渔策略;3)加强对鱼类及其他生物的保护,限制对生物资源的过度利用;4)改善鄱阳湖水体水质,加快新兴技术在生境治理、修复中的运用;5)加强群众的环保意识、吸引群众参与环保事业。