黃河河口區生態系統健康評價指標體系探討

牛明香,王　俊

(1.農業部海洋漁業可持續發展重點實驗室,山東 青島　266071; 2.山東省漁業資源與生態環境重點實驗室,山東 青島　266071;

3.中國水產科學研究院黃海水產研究所,山東 青島　266071)

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黃河河口區生態系統健康評價指標體系探討

牛明香1,2,3,王俊1,2,3

(1.農業部海洋漁業可持續發展重點實驗室,山東 青島266071; 2.山東省漁業資源與生態環境重點實驗室,山東 青島266071;

3.中國水產科學研究院黃海水產研究所,山東 青島266071)

摘要：在探討河口生態系統特征和健康內涵的基礎上,從生態系統健康的完整性出發尋求河口生態系統健康評價的適宜指標。根據河口生態系統健康評價指標體系構建原則,在充分考慮黃河河口區生態特征的基礎上,基于“壓力-狀態-響應(pressure-state-response, PSR)”模型,從黃河河口區的生物生態、環境質量、社會經濟、管理措施和人類健康等方面篩選出50個評價指標,并對每個指標的獲取方式和計算方法進行了詳細說明,構建了黃河河口區生態系統健康評價指標體系。該指標體系是一個由目標層、子系統、準則層、指標層構成的4層遞階層次指標體系結構。

關鍵詞：生態系統健康評價;指標體系;PSR模型;黃河河口

受人類活動和氣候變化的影響,全球性的環境問題不斷出現,國際社會對環境的評價也從單純的物理化學指標、單一物種或種群的監測評價擴展到對整個生態系統健康狀況的評價[1],生態系統健康已成為全球環境管理的新目標。河口生態系統是流域和海洋物質交換的主要通道,各種過程(物理、化學、生物和地質過程)耦合多變[2];同時河口區域也是人口密集、經濟發達地區[3]。在自然變化和非理性人類活動的雙重壓力下,河口生態環境遭受嚴重破壞,其生態系統健康狀況備受國內外科學家的關注[4-7]。目前,對河口生態系統健康的研究主要集中在概念及內涵的界定、評價指標的選擇和評價模型以及評價方法的確定等方面。指示物種法和指標體系法是河口生態系統健康評價的常用方法,基于多指標綜合的指標體系法可以全面、系統地反映河口生態系統的狀態,并且易于將人類的影響納入評價中,是目前河口生態系統健康評價的主要方法[8-9]。科學合理的評價指標體系是河口生態系統健康評價的關鍵。本研究借鑒國內外的成功經驗和最新研究成果,基于“壓力-狀態-響應”(pressure-state-response, PSR)模型,構建涵蓋生物生態、環境質量、社會經濟、管理措施和人類健康等方面的黃河河口區生態系統健康評價模型,根據研究區的生態狀況和社會經濟發展,篩選出河口區生態系統健康評價指標,構建評價指標體系,為客觀評價河口生態系統健康狀況提供研究基礎和方法借鑒。

1河口生態系統特征及健康內涵

河口是流域和海洋物質交換的主要通道,受陸地和海洋的交互作用,它是融淡水生態系統、海水生態系統、咸淡水混合生態系統、潮灘濕地生態系統、河口島嶼和沙洲濕地為一體的復雜生態系統[10],是社會-經濟-自然復合生態系統的組成部分之一[11-12]。河口處在流域的最下游,來自流域、河口海岸帶和海洋的自然壓力和人類活動的壓力共同影響著河口生態系統的健康狀況[13],應在整體水平上考慮各因素之間的交互影響[14]。由此,著眼于生態系統的完整性,河口生態系統健康評價范圍不能僅限于河口水域。本研究從廣義上定義河口生態系統,包括河口水域及毗鄰的陸域生態系統和海洋生態系統。

目前,對河口生態系統健康內涵的認識尚不統一。廣泛受到學術界認可的生態系統健康概念是Mcmichael等[15]提出的,認為一個健康的生態系統對外界的壓力必須有恢復力,保持內部結構和組織的多樣性和穩定性,保持新陳代謝的能力。根據Mcmichael等[15]及他人[7,14,16]論述,本研究將健康的河口理解為系統內的關鍵生態組分和有機組織完整且沒有疾病,受突發的自然或人為擾動后能保持原有的功能和結構,物質循環和能量流動未受到損害,整體功能表現出多樣性、復雜性和活力,且能滿足人類合理需求和社會經濟發展的要求。

2研究區概況

黃河是世界上含沙量最高的河流,也是我國北方最大的河流,每年向渤海輸入巨量的淡水、泥沙和各種營養鹽類。黃河入海口位于渤海西南岸,處在渤海灣與萊州灣之間。黃河攜帶的大量泥沙在入海口處沉積形成全國最大的三角洲——黃河三角洲,也是世界上暖溫帶保存最廣闊、最完善、最年輕的濕地生態系統。與黃河河口淤積延伸、擺動改道演變直接有關的海域稱為黃河三角洲海域,海水溫度、鹽度受大陸氣候和黃河徑流影響較大,生物資源豐富。研究區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,季風影響顯著,冬寒夏熱,四季分明。20世紀80年代以來,黃河斷流,黃河水入海量銳減,河口沖淤、油田開發建設、三角洲開發、捕撈強度增大及海水養殖面積迅速擴增等多種因素的影響,使黃河口及鄰近海域生態環境面臨嚴重威脅。

為便于健康評價指標如經濟指標、人口指標等的統計,以臨海的東營市河口區、東營區和墾利縣的行政區域、黃河河口及相鄰海域為研究范圍。

3評價指標體系構建原則

評價指標是度量河口生態系統特征的參數,指標的選取對客觀評價河口生態系統健康狀況起著決定性的作用,因此,在構建河口生態系統健康評價指標體系時,必須遵循以下原則[12,17-19]。

3.1　科學性原則

評價指標的選擇、數據的獲取與計算都要建立在科學的基礎上,選取的評價指標既能科學、系統、公正地評價河口生態系統健康狀況,又要基于現有的技術水平。指標概念、意義明確,能夠客觀地反映黃河河口區生態系統的特征。

3.2　整體性原則

本研究的黃河河口區生態系統包含黃河口水域及其相鄰陸地和海域,是復雜的自然-社會-經濟復合生態系統,受自然因素和人為因素的共同影響。各子系統、各因素之間相互作用、相互影響,因此評價指標體系既要從反映黃河河口區自然狀況的物理、化學、生物等因素和體現河口功能的指標以及反映人類活動的社會經濟指標等多方面綜合考慮,又要避免指標之間的重疊,使評價目標與評價指標有機地聯系起來,組成一個層次分明的整體。

3.3　代表性與敏感性原則

構建的指標體系應能全面反映河口生態系統的主要特征。在眾多指標中,應選擇具有代表性的指標,能從不同角度表征河口生態系統的健康狀況,且具有實際指示意義,體現區域的生態變化過程。指標能響應生態系統某一層面的變化,用于說明河口生態系統健康狀況變化的原因。

3.4　規范化原則

河口生態系統健康評價是一項長期性工作,采用的數據和資料無論在時間上還是空間上都應具有可比性,因而,選擇的指標內容和評價標準都應做到統一和規范。選用的指標盡可能與現行國際指標接軌,指標的邏輯結構符合生態系統的客觀結構。

3.5　簡明性與可操作性原則

選取的評價指標概念明確、易于理解和獲取。指標的選擇應考慮現有的生產力水平和技術水平,在方法、人力和物力上均應切實可行。

3.6　動態與穩定性原則

河口生態系統具有很強的時空特征,健康評價指標的選取隨著時空變動而不同;但同時應具有穩定的測定周期,便于比較其變化。

3.7　定性與定量相結合的原則

河口屬于復合生態系統,具有復雜多變的特點,健康是包含很多因素的復雜概念,不能簡單地定量化,因此應綜合定性指標和定量指標,進行綜合評價。

4生態系統健康評價指標體系的建立

4.1　PSR模型概念框架

PSR(press-state-response)模型是20世紀80年代由OECD和UNEP共同發展起來的環境問題研究框架體系,體現了人與自然生態系統中各種因素之間的因果關系,回答了“發生了什么、為什么發生、我們將如何做”三個可持續發展的基本問題,是目前生態系統健康評價研究中指標體系構建的主要方法。該模型包括壓力、狀態、響應三部分,壓力子模型表征來自自然界和人類的壓力、正向和負向的驅動力,是引起系統改變的外在因素;狀態子模型是系統在遭受外界干擾后呈現的狀態改變,是系統改變的內在因素;響應子模型是系統在功能發生改變后做出的反映。本研究選取PSR模型作為黃河河口區生態系統健康評價指標體系的構建模式(圖1)。

圖1　壓力-狀態-響應模型的框架結構

4.2　生態系統健康評價指標體系

基于評價指標體系構建原則和PSR模型,全面分析研究區的生態特征,按目標層-子系統-準則層-指標層構建了黃河河口區生態系統健康評價指標體系,共包含50個評價指標(表1)。

4.2.1壓力指標

影響黃河河口區生態系統的壓力主要包括對環境起驅動作用的人類活動和自然變化,反映某一特定時期內的資源利用強度及其變化趨勢。研究區內石油開采、農業開墾及非農業建設等開發活動使黃河三角洲和海域遭受不同程度的生態破壞和環境污染,造成濕地水資源生態調蓄功能減弱、植被退化、面積萎縮;淺海和灘涂養殖的盲目擴大干擾并破壞了重要經濟繁育場的環境條件,餌料等廢棄物的大量排放促進了海域無機氮濃度過高;過度捕撈致使主要傳統經濟魚類資源全面衰退,海洋生物資源結構破壞嚴重。全球氣候變化下,氣溫上升,降水減少,黃河斷流,嚴重影響了區域的水循環,黃河三角洲“失退”現象正在發生[20]。

根據黃河河口區的生態特征及問題分析,借鑒相關研究成果[21-24],確定黃河河口區生態系統健康的壓力主要來自陸源污染、海岸帶開發及自然變化和人口壓力。陸源污染指標主要包括工業廢水排放和城市污水處理指標、反映土壤污染狀況的農藥和化肥使用指標;海岸帶開發主要考慮土地利用、海洋捕撈、灘涂開發、淺海養殖和油田建設等,其中土地利用以人類干擾度指數表示,灘涂開發以人工鹽田指數和養殖用地指數表示;自然壓力包括黃河斷流天數、黃河入海年徑流量、氣溫、降水指標等;研究區的人口壓力以人口密度表征。

4.2.2狀態指標

狀態指標描述了黃河河口區生態系統的現狀,包括生產力、生物多樣性、結構和功能以及物理化學等因素。

生產力因素表明了生態系統的生產能力,是一切生態系統存在的物質基礎;由于研究區包括陸地生態系統和海域生態系統,因此通過NDVI值代表的植被覆蓋率表達陸地區域的生產力水平,通過Chl-a濃度表征海域的浮游生物生產力水平。生物多樣性描述了生態系統中物種的豐富程度,體現了生態系統的復雜性,對維護生態系統的穩定具有重要作用;景觀多樣性是指不同類型的景觀在空間結構、功能機制和時間動態方面的多樣性和變異性[25],是人類活動與自然因素綜合作用的結果,在區域尺度能很好地反映濕地的生物多樣性;本研究以濕地景觀多樣性、灘涂生物多樣性、魚類生物多樣性、底棲生物多樣性和浮游生物多樣性等多個指標表征研究區不同生態類型的生物多樣性。

表1　黃河河口區生態系統健康評價指標體系

注:OLI:Operational Land Imager,Landsat-8 衛星遙感數據。

結構和功能指標表明生態系統中不同類型的組成及其服務和產出功能。以濕地面積指數、天然濕地面積指數、林草覆蓋率、裸地指數、陸地景觀破碎度表示黃河三角洲景觀的結構組成;濕地退化指數和海岸侵蝕兩個動態指標強調了濕地變化的過程和演替特點;灘涂生物量和魚類生物量表達系統的食物自然產出功能;平均彈性度指數表示系統結構與功能的穩定性,是一個生態系統是否健康的重要指示;水文調節指數表明了濕地的蓄水能力。河口及鄰近海域赤潮發生會導致魚類及其他海洋生物因缺氧死亡,同時釋放出大量有害氣體和毒素,嚴重污染環境,使海洋的正常生態系統遭受嚴重破壞,因此,以河口及鄰近海域每年赤潮發生天數表示自然災害。

物理化學指標用于衡量河口及鄰近海域生態系統的非生物環境狀況。考慮研究區的生態特點及數據的獲得性,確定將河口及鄰近海域的化學需氧量、石油類、溶解氧、無機氮、活性磷酸鹽和有機污染物等指標用于黃河河口區生態系統健康評價。

4.2.3響應指標

響應指標反映了社會或個人為了改變或預防不利于人類生存和發展的生態環境而做出的改變,主要考慮社會經濟、人類健康、文化、政策措施等因素。社會經濟指標包括人均GDP、GDP增長率和海洋經濟比重,人均GDP和GDP增長率綜合反映了區域的人均消費能力和經濟增長活力,海洋經濟比重表示海洋經濟占區域經濟的重要程度和海洋開發強度。人類健康指標以人口健康狀況表示,表達區域環境對人類健康的影響。以國民受教育程度和對環境保護的認知程度表示文化層指標,以政策法規的貫徹力度、保護區建設投入和生態恢復工程實施效果表征政策措施指標。

5評價指標的數據獲取

5.1　人口壓力指標

人口密度以區域內單位面積的人口數表示(人/km2),包括東營河口區、東營區和墾利縣的人口數量和行政區域面積,利用統計年鑒資料即可獲得。

5.2　陸源污染指標

工業廢水達標排放率(%)、生活污水處理率(%)指研究區內工業和生活污水的處理情況,數據可從相關環保部門統計資料獲得。農藥施用強度(kg/hm2)、農用化肥施用強度(kg/hm2)分別指每年實際用于農業生產的農藥施用量、化肥施用量(包括氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥)與耕地總面積之比。該數據從統計年鑒和農業部門統計資料獲得。

5.3　海岸帶開發指標

人類干擾度指數為耕地、建設用地、道路、鹽田、陸地養殖水面面積之和占研究區陸域面積的百分比；人工鹽田指數為鹽田面積占研究區陸域面積的百分比；養殖用地指數為陸地養殖水面面積占研究區陸域面積的百分比。

以上各地類面積由OLI遙感數據解譯獲取。通過V=IOLI5-IOLI3模型結合人機交互分析提取養殖水面和鹽田的面積;以非監督分類提取耕地、建設用地和道路的面積。其中IOLI3、IOLI5指第5波段、第3波段的光譜值。

淺海養殖面積指東營市行政區鄰近淺海海域的養殖面積,由東營市海洋與漁業局相關統計數據、東營市統計年鑒等方式獲取。海洋捕撈產量指整個渤海的漁業捕撈產量,由《漁業統計年鑒》獲得。油田建設占用面積由相關部門的統計資料獲取。

5.4　自然壓力

表征自然壓力的4個指標都是常見指標,其中黃河斷流天數、黃河入海年徑流量由水文觀測站獲取,降水和氣溫數據由當地氣象部門獲取。

5.5　生產力指標

陸地NDVI指數由OLI數據獲取,公式如下:

(1)

式中：IOLI4、IOLI5分別為第4波段和第5波段的光譜值。

河口及鄰近海域葉綠素濃度由NASA(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的modis L3數據提取后獲得。

5.6　生物多樣性指標

陸地景觀多樣性指數H的計算式為

(2)

式中:pk為第k種景觀類型占總面積的比例;m為陸地區域景觀類型的總數。

灘涂生物、魚類、底棲生物和浮游動物的多樣性指數均根據實地調查數據,利用Shannon-wiener指數進行計算獲得,公式如下:

(3)

式中:Ni為種i的個體數;N為所有物種的個體數之和。

5.7　結構和功能指標

濕地面積指數為鹽田、陸地養殖水面、林草地、河流、人工水域、灘涂面積之和占研究區陸域面積的百分率；天然濕地面積指數為林草地、河流、人工水域、灘涂面積之和占研究區陸域面積的百分率；林草覆蓋率為林草地面積占研究區陸域面積的百分率； 裸地指數為裸地面積占研究區陸域面積的百分率； 陸地景觀破碎度為景觀的斑塊數量與景觀的總面積比值； 濕地退化指數為天然濕地退化面積占原有天然濕地面積的百分率； 海岸侵蝕指數為海岸線退化面積占原有區域總面積的百分率； 平均彈性度指數為不同地類面積與相應地類彈性度分值之積累積值與研究區陸域總面積的比值，不同地類的彈性度分值參考文獻[26-27]獲得。

水文調節指數為河流、水庫、池塘、溝渠、灘涂面積之和占研究區陸域面積的百分率。

以上各指標中用到的各濕地類型面積均由OLI遙感數據提取獲得。提取方法見5.3。

灘涂生物量和魚類生物量指標由實地調查數據計算獲取。

5.8　自然災害指標

自然災害指標包括年度內河口及鄰近海域赤潮發生天數及面積,從相關的海洋環境報告中即可獲得數據。

5.9　物理化學指標

物理化學指標包含的所有指標均屬項目水質監測指標,經實地取樣后測定分析獲得。

5.10　經濟指標

人均GDP屬常規經濟數據,GDP增長率指本年度GDP相比對照年度GDP的增長速率,海洋經濟比重指涉海海洋產品經濟收入占總經濟的百分比,相關數據由地方統計數據均可獲得。

5.11　人類健康指標

以人口健康狀況表征,以發病率包括死亡率進行統計計算,數據由地方相關部門獲得。

5.12　文化指標

國民受教育程度以初中以上文化程度人口所占的百分比進行統計,利用統計部門數據計算獲得;環保認知程度以具有生態保護意識的人口所占百分比表示,通過設計調查表格隨機發放獲得數據。

5.13　政策措施

政策法規貫徹力度根據區域內相關政策法規的實施狀況進行定性評價;保護區建設投入以每年內對保護區建設投入的資金數量表示;生態恢復工程以生態恢復工程實施面積占退化面積的百分比表示,根據OLI遙感數據進行信息提取,獲得增加的天然濕地面積(林草地、河流、人工水域及灘涂)和退化的天然濕地面積,兩者進行比值計算即可獲得。

6結論與討論

a. 本研究在界定河口生態系統特征及健康內涵的基礎上,針對黃河口區域這一復雜的自然-社會-經濟系統,基于壓力-狀態-響應(PSR)模型,借鑒相關研究成果,結合研究區域的生態特征和所收集的數據特點及其可獲取性等,經過反復篩選與提煉,形成由壓力層、狀態層、響應層共50個具體評價指標組成的綜合指標體系。該指標體系包含了人為壓力、自然壓力、生產力、生物多樣性、結構和功能、物理化學指標以及經濟、人類健康、文化和政策措施等各個方面,全面反映了人類活動和自然生態系統的響應,充分體現了黃河河口區生態系統健康的現狀與水平。基于PSR模型的河口生態系統健康評價指標體系,可以直觀認識河口在外部壓力下的狀態改變及其響應,便于決策者識別河口生態系統的變化并制定管理措施。

b. 指標體系構建時應注意如下問題:PSR模型框架雖然因果關系清晰,為生態系統健康評價指標體系構建提供了明確的指標分類方法,但其難以對所有指標進行嚴格的分類,如經濟指標和文化指標既可以作為對生態系統健康產生影響的壓力因子,也可以是生態系統變化后對被生態系統變動所影響的響應因子。因此,實際操作中一定要根據生態系統的演化特征和所處階段,合理分配評價指標。

c. 在構建的評價指標體系中,不同指標對維護黃河河口區生態系統健康的重要性程度不同,這種差異要通過賦予各個指標不同的權重來體現。權重的確定是進行生態系統健康評價的重要步驟之一,目前的研究中多利用層次分析法(AHP,analytic hierarchy process)[7-8,28],也可將層次分析法、主成分分析與信息熵賦權法結合[19,29]確定指標權重。研究目標不同,權重的設定也不同,下一步研究中,應根據研究區的生態特征綜合分析,合理設置各評價指標的權重。另外,各指標因子健康分級標準及健康程度確定也是生態系統健康評價的重要環節,研究中需詳細分析區域的生態特征,比對歷史資料進行確定。

d. 本研究基于PSR模型構建的評價指標體系是以研究區現有的生態特征和發展水平為基礎的,隨著黃河河口區生態系統的自然演變、人類對河口價值期望的改變以及人類對河口科學認知水平的提高,反映河口生態系統健康水平的指標也會發生相應的變化,因此,河口生態系統健康評價指標體系具有動態性和時效性。

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Discussion over health assessment indicator system of ecosystem in Yellow River estuary area

NIU Mingxiang1,2,3, WANG Jun1,2,3

(1.KeyLaboratoryofSustainableDevelopmentofMarineFisheries,MinistryofAgriculture,Qingdao266071,China;

2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofFisheryResourcesandEcological

Environment(SFREE),Qingdao266071,China;

3.YellowSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Qingdao266071,China)

Abstract：Based on the discussion over the characteristic and health connotation of estuary ecosystem, the appropriate indices for estuary ecosystem health evaluation from the view of ecosystem integrity were created. With comprehensive consideration of the actual status of the Yellow River estuary ecosystem, on the basis of the PSR (pressure-state-response) model, 50 indices were selected from the evaluation indices including biological ecology, environmental quality, social economy, management measures and human health of the study area,according to the principle of building estuary ecosystem health evaluation indicator system. In addition, the acquisition ways and calculation methods were detailed explained for these indices, then an index system appropriate for the evaluation of Yellow River estuary ecosystem health was established. This system is a four-layer hierarchy-structured index system involving the target layer, the subsystem layer, criterion layer and the evaluation index layer.

Key words：ecosystem health evaluation; indicator system; PSR model; Yellow River Estuary

(收稿日期：2015-03-24編輯：徐娟)

中圖分類號：X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0057-07

作者簡介:牛明香(1977—),女,助理研究員,博士,主要從事生態系統健康、漁業生物環境與生態研究。 E-mail:nmx77@163.com通信作者:王俊,研究員。E-mail: wangjun@ysfri.ac.cn

基金項目:公益性行業(農業)科研專項(201303050);黃海水產研究所級基本科研業務費(20603022013001)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.009