基于DPSIR 的黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價

王廣州，凡姚申，竇身堂，于守兵，張少華

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部 黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003）

黃河河口地區北靠京津塘,南連山東半島,是環渤海經濟圈的重要節點,區位優勢明顯,發展動能強勁。近年來受河口海岸帶自然壓力和人類活動干擾,黃河口及毗鄰海域生態環境發生了顯著變化,如水質惡化、生物多樣性降低和生態系統退化等［1］。王薇等［2］從生態特征、功能整合性及社會環境方面分析了黃河三角洲濕地空間,認為該區域濕地生態系統處于脆弱狀態；牛明香等［3］研究表明黃河河口區2013 年的生態系統健康狀況與1991 年相比下降明顯。上述生態環境問題將影響黃河口地區社會經濟的可持續發展,甚至威脅人類健康與生存。黃河口入海水沙量影響河口及毗鄰海域生物量和生產力,也影響該地區生態系統健康［4］。黃河水量統一調度工作先后歷經不斷流階段、功能性不斷流階段、生態調度階段,以及目前的奮斗幸福河階段［5］。隨著黃河水量統一調度理念的創新與升華,黃河河口生態水量調度進入新的發展階段。在黃河河口三角洲生態補水力度不斷加大的新形勢下,黃河河口生態系統健康評價亟待開展。

生態系統健康評價方法可歸納為指示物種法和指標體系法［6］。研究表明,指示物種法存在指示物種篩選標準不明確,評價結果難以反映生態系統變化趨勢等缺陷［7-8］；指標體系法因綜合考慮到生態、景觀、社會經濟等影響因素,可更好反映區域生態-社會演變過程的復雜特征［9］。近年來,指標體系法中的壓力-狀態-響應(PSR)模型在生態系統健康評價領域得到廣泛應用［10］,該模型從人類活動與外部環境的相互作用出發構建環境評價指標體系,有較強的系統性和適用性［11］,但是對影響環境最根本的社會驅動力以及環境變化所帶來的影響缺少考慮。在PSR 模型基礎上改進得到的驅動力-壓力-狀態-影響-響應(DPSIR)模型可為綜合分析和描述環境問題與社會發展關系提供有效支撐［12-14］,已逐漸成為判定環境狀態及其與社會經濟發展之間因果關系的重要工具［15-17］。將黃河河口及毗鄰海域作為研究區,基于DPSIR 模型構建指標體系框架,選取區域生態環境、社會經濟中與生態系統健康相關的因子建立評價指標體系,通過層次分析法(AHP)確定各指標權重,采用生態系統健康綜合指數法(CEI)對2011—2020 年黃河口及毗鄰海域的生態系統健康狀況進行評價分析,以期為黃河口生態保護與綜合整治及可持續發展提供依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

黃河河口是指以山東省東營市墾利區寧海為頂點,北起徒駭河口,南至支脈溝口之間的扇形地域以及劃定的海域容沙區［18］,主體位于山東省東營市。受制于黃河水少沙多且河口濱海動力弱的客觀條件,河口入海流路長期處于淤積、延伸、擺動、改道的不穩定狀態［19］,嚴重制約河口地區的社會經濟發展。此外,該地區成陸時間較短,土壤結構性差,在海陸交互作用和人類活動等影響下,生態系統較為脆弱。

黃河河口治理與保護是一項復雜而艱巨的任務。20 世紀80 年代以來,黃河斷流頻繁,入海水沙大幅減少,加之受城市建設、陸源污染排放和海洋漁業發展等多重因素影響,該地區生態環境受到極大威脅［3］。為便于經濟、人口等生態系統健康評價指標的統計,將東營市和黃河河口15 m 等深線以內的毗鄰海域作為研究區進行生態系統健康評價,研究區見圖1。

圖1 研究區范圍

1.2 數據來源

實地調查數據包括2019 年6 月黃河口及毗鄰海域水質理化因子、生物多樣性指數等(調查點位分布見圖1)。統計數據包括2011—2020 年的《黃河水資源公報》《中國海洋生態環境狀況公報》《北海區海洋環境公報》《東營統計年鑒》等資料。

2 研究方法

2.1 構建評價指標體系

歐洲環境署于1999 年提出了反映社會經濟活動與環境間因果關系的DPSIR 模型,目前廣泛應用于水、土、生物及海洋資源等的評價決策和管理保護研究［20］。基于黃河口生態監測情況,在遵循科學性、系統性和規范性等指標體系構建原則基礎上［21］,構建了包含驅動力層、壓力層、狀態層、影響層和響應層共計28 個指標的黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價指標體系,見表1。其中,驅動力層選取反映人口增速、工農業發展等驅動環境問題發生的指標；壓力層選取反映自然變化和人類活動等給生態環境帶來消極影響的指標；狀態層選取水體氮、磷營養鹽濃度等反映環境污染現狀的指標；影響層選取浮游動植物多樣性指數等反映生物特征的指標；響應層選取生態環境治理投資、引黃生態補水量等反映生態響應的指標。正向(負向)指標數值越大(小)對河口生態系統健康的正向貢獻越大。

表1 黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價指標

2.2 數據標準化處理

為消除各指標數據因性質、量綱和數量級不同而難以比較的影響,將數據進行標準化處理。數據標準化的前提是合理確定評價基準值,健康具有相對性,人為判定某地某時生態系統健康與否過于主觀,因此為保證研究的客觀性,著重探討生態系統時間動態上的相對健康［22-23］。參考文獻［24-25］,分別采用式(1)和式(2)將正向和負向指標數值x轉化為隸屬度M。將各指標10 a 間數值由小到大排列,再均分為5 段,將第1、2 段和第4、5 段分段節點數值分別作為數據標準化處理的下限值(L)和上限值(U),將L和U的中點數值作為數據標準化處理的基準值(B)；反映海洋水質的指標的L、B和U分別選取《海水水質標準》(GB 3097—1997)中對應指標的一類、三類和四類標準限值。

2.3 評價方法及評價等級確定

通過專家打分法［26］并參考文獻［27-28］構造判斷矩陣,采用層次分析法得到各指標權重［29］。通過加權和［30］計算黃河河口區生態系統健康評價綜合指數,獲得最終評價結果。

式中:CEI為生態系統健康評價綜合指數,取值為0～1；n為評價指標個數；Mi為第i個指標的標準化值；Wi為第i個指標的權重。

各評價指標的標準化值與其對應的權重(見表2)加權計算得出生態系統驅動力、壓力、狀態、影響和響應準則層的健康指數,進而得到整個研究區生態系統健康評價綜合指數。狀態指數表明生態系統的結構功能受外力干擾和脅迫作用下的健康狀態,在生態系統健康評價體系中起主導作用；影響指數反映生態系統在自然和人類活動雙重影響下的結果,是判別生態系統健康與否的重要因素［3,29］。結合黃河口生態系統健康現狀并參考相關研究,將黃河口及毗鄰海域生態系統健康狀況劃分為5 個等級,見表3。

表2 黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價各指標標準化值及權重

表3 黃河口及毗鄰海域生態系統健康狀況等級劃分

3 結果與討論

3.1 準則層生態系統健康評價結果

2011—2020 年黃河口及毗鄰海域各準則層生態系統健康評價結果見表4。驅動力包括人口增長率、第一產業及第二產業比重等指標,描述人口與經濟指標引發的生態環境變化,反映人口增速和社會經濟發展對河口生態環境演變的驅動作用,是引起河口環境變化的潛在原因。2011—2020 年驅動力指數為0.317～0.729,呈現“高—低—高”變化趨勢。工農業的發展必然伴隨著污廢水排放量的增加,水資源污染加劇,給河口生態系統健康造成負向影響。旅游人數增加,雖然可以促進人均GDP 的穩定增長,但也給河口生態帶來巨大壓力。2014—2018 年,人口增長率、第一產業及第二產業比重過高,使得黃河口及毗鄰海域驅動力處于亞健康甚至不健康狀態,隨著產業結構的調整,2019年驅動力轉變為健康狀態。

表4 黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價結果

2011—2020 年壓力指數為0.287～0.865,反映了自然變化與人類干擾給黃河口及毗鄰海域生態系統帶來的壓力,其呈現與驅動力指數相似的變化趨勢。工農業污水和生活廢水等陸源污染排放造成環境破壞,限制了黃河口及毗鄰海域生態系統健康發展［31］。年徑流量是影響生態系統最重要的因子,黃河來水給近海補充了大量淡水資源和營養鹽等,促進海洋生物生長,有利于生態改善［32］。此外,泥沙作為污染物的重要吸附載體,黃河輸沙量的波動必然引起水質的變化進而影響黃河口及毗鄰海域生態健康［33］。2011—2017 年黃河口及毗鄰海域生態系統壓力都處于亞健康甚至不健康狀態。2018 年后,黃河年徑流量顯著增加,河口地區加大了生態水量調度,生態系統壓力由亞健康轉變成健康狀態。

環境狀態制約著黃河口及毗鄰海域浮游動植物和底棲生物的生長發育、種群演變。2011—2020 年狀態指數為0.579～0.897,大部分年份處于健康狀態。鹽度對海洋浮游生物的生命活動有重要影響,黃河口海域鹽度變化與黃河入海徑流量顯著相關［34］。2011—2020 年黃河口及毗鄰海域化學需氧量及無機氮濃度波動變化,活性磷酸鹽濃度呈升高趨勢。營養鹽是河口生態系統無機環境的重要組成部分,驅動著河口生化過程的進行和生態結構的調整,然而過高的營養鹽濃度會導致水體富營養化,對海域生態環境和生物群落結構良性維持產生危害［35］。

影響指數主要表征自然變化和人類干擾對黃河口及毗鄰海域生物多樣性的影響。生物多樣性可反映各種生態脅迫對水環境的累積效應,是黃河口及毗鄰海域生態系統穩定的基礎。2011—2020 年影響指數為0.285～0.795。黃河口及毗鄰海域浮游植物種類及多樣性指數變化不大,優勢種為硅藻和甲藻,但相比于20世紀,其群落結構趨于小型化［36］。浮游動物多樣性指數及生物量整體偏低,優勢種為背針胸刺水蚤和強壯箭蟲。底棲生物生物量先升高后降低,多樣性指數偏低,入海淡水不足及水質惡化是其多樣性偏低的重要影響因素［37-38］。

響應指數反映社會為改變對人類生存和發展不利的生態環境所采取的措施,常用指標包括生態環境治理投資、污水處理廠集中處理率等。2011—2020 年響應指數為0.418～0.951,總體呈上升趨勢,表明黃河口地區對生態環境保護和修復投入增加,重視程度提高。引黃生態補水量加大和污水處理率提高是黃河口及毗鄰海域生態響應指數持續上升的關鍵因素。因此,需持續加大引黃生態補水力度,同時強化環保政策,推動產業綠色轉型,促進河口生態系統健康發展。

3.2 黃河口及毗鄰海域生態系統健康整體分析

2011—2020 年黃河口及毗鄰海域生態系統健康評價綜合指數基本處于健康與亞健康之間。亞健康狀態的年份為2015—2017 年,2016 年健康狀況最差。河口水沙情勢對區域生態系統的發育演替、生物多樣性和生態結構完整性有著重要影響。自1999 年黃河水量統一調度以來,實現了黃河不斷流的階段目標,但徑流量年際間差異較大(見表5),加之黃河流域工農業引水量不斷增加,使得河口來水來沙量在2016—2017 年處于低值,難以滿足河口近海海域的生態需水量。此外,黃河三角洲有著我國暖溫帶最完整的濕地生態系統,但2016 年未進行濕地生態補水,濕地面積減少、濕地水文調節指數和平均彈性指數下降,進而影響黃河口及毗鄰海域生態系統健康［39］。2018 年以來,黃河流域實施生態脆弱地區生態補水,向黃河三角洲自然保護區現行清水溝流路和黃河故道刁口河流路濕地實施自流生態補水,使河口三角洲蘆葦濕地面積恢復到了20 世紀80 年代的較好水平,濕地生態得到顯著恢復［40］。同時,黃河入海淡水的增加對河流生態廊道功能維持、近海生態改善起到積極作用。

表5 2011—2020 年黃河口年入海徑流量及生態補水量統計

黃河口及毗鄰海域生態系統除受氣候變化、入海徑流等自然因素影響外,還受人類活動的干擾。灘涂圍墾、淺海養殖等人類活動加大了陸源污染物排放,致使海水中氮、磷等污染物濃度升高,海水富營養化嚴重［41］。海洋過度捕撈、水質惡化導致河口生物多樣性降低。黃河口及毗鄰海域生態系統健康恢復與保護是一項復雜和長期的系統工程,需要科學規劃與管理,既要科學進行水量調度,加大引黃生態補水力度,也要推動產業轉型與綠色發展,強化污染防治,控制海洋捕撈,嚴禁天然濕地開發,提升公眾環境保護意識等多措并舉。

3.3 各準則相關性及驅動機制分析

各準則之間及準層與黃河口生態系統健康評價綜合指數間的相關系數見圖2(a)。由圖2(a)可見,生態系統健康評價綜合指數與所有準則均顯著正相關。準則兩兩之間雖均正相關,但狀態與除驅動力外的其他準則均為不顯著正相關,影響與驅動力、響應之間亦不顯著正相關。

圖2 準則間相互關系及驅動機制

圖2(b)反映了人類活動與環境間的因果關系,即人類活動和社會經濟發展導致環境污染物排放量增加,水質污染嚴重,進而生態系統健康狀況下降,生態環境治理投資加大。本研究結果與DPSIR 模型相符,但狀態及影響和其他準則間正相關性不顯著,表明狀態與影響因受多種因素影響而較難控制,或狀態與影響對響應的調控作用較弱。有研究表明,海水溫度影響河口地區生物多樣性［42］,水利工程建設勢必導致年徑流量和入海泥沙量的改變進而影響河口地區生態環境,氣候變化亦會對河口地區生態環境產生重要影響,因此需要統籌考慮各種影響因素,采取多種措施促進河口地區生態系統健康發展。

4 結論

借助DPSIR 模型,采用層次分析法和綜合指數法,構建評價指標體系,較全面地評價了黃河口及毗鄰海域的生態系統健康狀況,各準則和生態系統健康評價綜合指數呈現相似的變化趨勢,狀態和影響對生態系統健康評價綜合指數貢獻最大。2011—2020 年黃河口及毗鄰海域生態系統整體處于亞健康與健康狀態,2018 年以來,黃河口開展了更高水平的生態水量調度,有效增加了濕地生態補水和入海淡水量,河口生態系統健康狀況顯著向好。生態系統健康評價綜合指數與所有準則均顯著正相關,環境狀態及生物特征受多種因素共同影響,狀態及影響和其他準則間大部分正相關性不顯著。黃河口及毗鄰海域生態保護與治理修復是一項復雜長久的系統工程,需要科學規劃與管理。