基于PSR模型的海洋牧场生态系统健康评价指标体系构建

来源:用户上传      作者:王森 李九奇 侯艳伟 孙建富

　　摘要：在海洋牧场生态系统特征及健康内涵的基础上，针对海洋牧场区域这一复杂的生态系统，基于压力-状态-响应（PSR）模型，结合海洋牧场生态系统特征和所收集的数据特点及其可获取性等，经过反复筛选与提炼，形成由压力、状态和响应共33个具体评价指标组成的海洋牧场生态系统健康评价指标体系及具体指标，并对指标的选取和体系构建的构建进行了简要的诠释，通过熵权法对各指标进行权重计算，为了定量海洋牧场生态系统健康状态，通过建立综合健康指数，确定海洋牧场生态系统的健康状态。
　　关键词：海洋牧场、生态系统、PSR模型
　　在分析总结了PSR模型在海岛、湿地、海湾、河口等生态系统的健康状况评价指标体系后，针对海洋牧场生态系统的健康评价指标体系进行了构建，并对海洋牧场生态系统的健康评价指标进行了筛选，为海洋牧场生态系统的健康评价提供一套完整的指标体系及具体指标。
　　1海洋牧场的概念及发展
　　1.1海洋牧场的概念
　　关于海洋牧场的概念，目前国际上还没有一个统一的解释，其内涵随着社会经济的发展不断变化，也反应了人们对其认知的不断深化。
　　农业部行业标准定义：基于海洋生态系统原理，在特定海域，通过人工鱼礁、增殖放流等措施，构建或修复海洋生物繁殖、生产、索饵或避敌所需要的场所，增殖养护渔业资源，改善海域生态环境，实现渔业资源可持续利用的渔业模式。 本文所涉及的关海洋牧场内容，采用上述定义。
　　2海洋牧场生态系统特征及健康内涵
　　2.1海洋牧场生态系统的特征
　　海洋牧场生态系统具有下面两点主要特征：
　　（1）海洋牧场生态系统是通过增殖放流和投放人工鱼礁等多种方式，人为改善建设海域的海洋生物的生存环境等，促进其可持续发展。
　　（2）海洋牧场生态系统是三产融合的体现，同时兼顾生态效益、社会效益和经济效益，优化了产业格局。
　　2.2海洋牧场生态系统健康内涵
　　目前国内外针对海洋牧场生态系统的内涵尚没有一个统一认识。Mcmichael等提出的生态系统健康状态应该是对外界的压力要有恢复能力，内部结构、组织的多样性和稳定性以及新陈代谢能力能进行保持[1]。本研究将健康的海洋牧场生态系统理解为在受自然或人为活动影响后能保持稳定的功能和结构，其物质循环和流量流动未收到破坏，整体功能复杂、多样且具有活力，并能满足生态、社会和经济发展的要求。
　　3PSR模型的相关研究
　　“压力-状态-响应”（Pressure-State-Response，PSR）模型是由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）共同提出[2]。PSR模型中，P代表着生态系统存在的外部压力，S代表生态系统的自然资源变化，R代表生态系统变化后所产生的影响。PSR模型构成了生态系统的压力-状态-响应关系[3-5]。
　　肖佳媚等从海岛生态系统特征出发，分析了PSR模型在海岛生态系统中的作用，并提出了一套基于PSR模型的海岛生态系统评价体系[6]。李云哲等对PSR模型在生态系统健康评价中的应用进行了分析与探讨[7]。麦少芝等以PSR模型为基础提出了湿地生态系统健康评价的指标体系[8]。牛明香等基于PSR模型从压力指标、状态指标、响应指标3个方面构建了黄河河口区生态系统健康评价的指标体系，同时利用综合指数法评价了其生态系统健康状况[9]。颜利等根据PSR模型和东溪流域生态系统特点，对东溪流域生态系统的健康评价模型的指标体系和评价模型进行了初步构建，并对其生态系统健康状态进行了评价[10]。宁立新等基于PSR模型构建了江苏省海岸带生态系统健康评价指标体系并对其近19年间的生态系统健康状况进行了评价与分析[11]。纪雅宁等运用PSR模型，采用生态系统健康理论评价珊瑚礁生态状况[12]。张晓琴等运用PSR模型构建了兰州城市生态系统健康的指标体系[13]。孙龙启通过PSR模型构建了广西近海生态系统的健康评价指标体系[14]。徐浩田等通过PSR模型构建凌河口湿地生态系统健康评价体系，对凌河口湿地生态系统未来20年的健康进行了研究[15]。肖祥利用PSR模型构建了西江流域生态系统健康评价指标体系，并对其健康状况作出了评价[16]。
　　可以看出PSR模型被广泛应用到海岛、湿地、河口、珊瑚礁和海湾等多种生态系统中，但在国内的有关生态系统的研究中，尚未看到运用PSR模型对海洋牧场生态系统健康评价指标体系建立的研究，根据我们的研究，PSR模型也同样适用于海洋牧场生态系统。
　　4海洋牧场生态系统健康评价指标体系的构建原则
　　在针对海洋牧场生态系统健康评价指标体系进行构建时，应按照以下原则进行[9，17-19]。
　　4.1科学性
　　筛选的压力、状态和響应指标要考虑其科学性。指标能科学正确地评价海洋牧场生态系统的健康状况，且要根据指标数据获得的可行性等构建海洋牧场生态系统健康评价指标体系。
　　4.2整体性
　　影响海洋牧场生态系统因素较多，海洋牧场生态系统的评价指标体系不仅要能够反映海洋牧场生态系统的水文、水质和生物情况的指标，还要有人为干预能够反映生态、社会和经济等指标等多方面综合考虑，压力、状态和响应指标应该是一个层次分明的整体。
　　4.3代表性
　　海洋牧场生态系统健康评价指标体系的构建能够反应海洋牧场生态系统的特点，选择具有代表性、能从不同的方面反映海洋牧场生态系统的健康状况，体现海洋牧场生态系统的变化过程等。选择的指标能从某方面反映海洋牧场生态系统的变化，以便于说明其健康状况的变化原因。
　　4.4规范性
　　评价海洋牧场生态系统需大量的数据、资料，在空间和时间上应有可比性。因此，选择的指标内容和指标评价标准在国内外的相关研究中得到普遍认可，做到规范和统一。 　　5基于PSR模型的海洋牧场生态系统健康评价指标体系构建
　　根据评价指标体系构建原则和PSR模型，按照目标层、子系统、准则层、指标层构建海洋牧场生态系统健康评价指标体系（见表1）。
　　5.1压力指标
　　海洋牧场生态系统的压力指标指的是人为活动对生态系统的负面影响。根据国家级海洋牧场示范区目前的运转现状分析，总结出海洋牧场生态系统健康的压力指标的准则层主要包含海岸带开发和陆源污染两个方面。
　　在海岸带开发方面，选取捕捞强度、养殖规模、旅游开发为指标层。其中捕捞强度可直接造成鱼类种群水平上的减少，过度捕捞可导致鱼类种群的衰退甚至枯竭，影响海洋牧场生态环境。养殖规模过大可能产生污染，破坏水域环境。陆基或海洋养殖的污水直接对海区及海洋牧场带来负面影响。在休闲型海洋牧场建设中，旅游开发过度是造成近岸海水质量恶化的主要原因。伴随海岸带等旅游开发，总氮、总磷、COD等排放物质的增加，增加对陆地、对海水的污染可能，可引发赤潮等灾害。因此，海岸带开发指标层选取捕捞强度、养殖规模和旅游开发等指标。
　　在陆源污染方面，选取总氮排放量、总磷排放量、COD排放量和污染综合指数为指标层。总氮、总磷和COD是海水水质富营养化程度的重要指标，也是生物生长的必要元素。氮、磷和COD的排放过量会造成水质富营养化，藻类过度繁殖，引发赤潮灾害等。污染综合指数用来评价水体的综合污染程度。因此陆源污染指标层选取总氮排放量、总磷排放量、COD排放量和污染综合指数等指标。
　　5.2状态指标
　　状态指标描述了海洋牧场生态系统的现状。根据相关研究和海洋牧场生态系统的特征以及数据的可获得性等进行综合考虑，准则层从生物多样性、群落结构和环境因子三个方面进行构建。
　　生物多样性是生态系统中物种的丰富程度和生态系统复杂性的重要体现，起到了对生态系统的稳定作用，且在指标层中要选择不同类型的生物来体现不同的生物多样性，所以用滩涂生物、游泳生物、底栖生物和浮游生物的多样性指数以及丰度指数作为指标层。群落结构体现的是海洋牧场生态系统中不同类型生物的服务和产出功能。滩涂生物量、游泳生物量、底栖生物量、浮游生物量、优势种数量、鱼卵仔鱼密度表达系统的食物自然产出功能，是一个生态系统是否健康的重要指示。环境因子用于衡量海洋牧场海域生态系统的物理化学环境状况。按照国家对海洋牧场建设的相关文件规定，海洋牧场建设海域海水质量必须达到二类海水标准及以上。温度和pH是影响海洋生态系统的两个最大的非生物因素。溶解氧、COD、活性磷酸盐和总氮是评价海水富营养化程度的重要依据。叶绿素a含量直接影响生态系统的初级生产力。所以将海洋牧场海域的海水质量、温度、pH、溶解氧、COD、活性磷酸盐、总氮和叶绿素a含量等指标用于海洋牧场生态系统健康评价。浊度主要对溶解氧有影响，溶解氧已经作为一个指标，所以不再选用浊度作为指标之一。
　　5.3响应指标
　　响应指标反映了人为改善海洋牧场生态系统健康状况的结果。从海洋牧场建设意义和国内对海洋牧场的建设情况分析，确定将生态效益、经济响应和政策措施作为准则层。
　　海洋牧场建设的最初目的就是恢复生态效益，所以环境的改善和生态修复程度是最重要的指标。生态效益的良好自然带动的是生态系统的经济响应。海洋经济比重表示海洋经济占区域经济的重要程度和海洋开发强度。人均GDP和GDP增长率综合反映了区域的人均消费能力和经济增长活力。从国内外的海洋牧场建设情况来看均离不开国家和地方相关政策措施的指导和管理。以政策法规的贯彻力度、海洋牧场建设投入和海洋牧场区管理制度的完善程度表征政策措施指标。所以选用环境改善和生态修复程度、人均GDP、GDP增长率、海洋经济比重、政策法规贯彻力度、海洋牧场建设投入和海洋牧场区管理制度的完善程度作为指标层。
　　5.4数据处理
　　评价指标种类繁多，对应不同的量纲与单位，为方便计算，将任一指标Ii按如下公式处理成0～1之间的数据，保证了按照权重计算出来的指数在0～1之间。
　　Ii=Ii-Min（Ii）Max（Ii）-Min（Ii）
　　其中Ii为任意指标，Max，Min为最值算子。
　　5.5熵权法确定权重
　　在确定评价指标的权重时，若采用主观赋权法则可能造成评价结果由于人的主观因素而形成偏差。熵值法是根据各指标的观测值所提供信息量的大小来确定权重的方法。数据分布越分散，其不准确性也越大。使用熵权法能尽量消除各指标权重计算的人为干扰，使评价结果更符合实际。根据信息论原理，第i个指标的信息熵可按照如下公式计算。
　　Hi=∑mk=0yikln（n）∑yiln（yikyi）
　　其中：Hi为指标的熵，y为对应值。为使熵值在0～1之间取值，按照如下公式進行权重计算。
　　wi=1-Hi∑ni=1（1-Hi）
　　其中：Wi为指标的熵权，Hi为对应指标的熵值。满足下方公式：
　　∑ni=1wi=1
　　对于压力、状态、响应指标也可按上述方法分别确定权重，以保证指标EP、ES、ER结果在0～1之间。
　　WPi=1-Hi∑i∈P（1-Hi）
　　WSi=1-Hi∑i∈S（1-Hi）
　　WRi=1-Hi∑i∈R（1-Hi）
　　5.6综合健康指数
　　为了定量海洋牧场生态系统健康状态，需要建立一个综合健康指数（Comprehensive Health Index，CHI），取值为0～1，为了更清楚地描述健康状态，将CHI值划分如下：
　　CHI值 [0.8，1] [0.6-0.8] [0.4-0.6] [0.2-0.4] [0-0.2] 健康状态 非常健康 健康 亚健康 不健康 很不健康CHI=∑ni=1wi×Ii 　　式中：n為评价指标的个数;Wi为指标i的权值;Ii为指标i的归一化值。生态系统的综合指数及压力、状态、响应指数可按如下公式进行计算。
　　EP=∑i∈PWPi×Ii
　　ES=∑i∈PWSi×Ii
　　ER=∑i∈PWRi×Ii
　　CEI=∑ni=1Wi×Ii
　　6讨论
　　依据海洋牧场生态系统特征及健康内涵，针对海洋牧场区域这一复杂的生态系统，基于压力-状态-响应（PSR）模型，结合海洋牧场生态系统特征和所收集的数据特点及其可获取性等，经过反复筛选与提炼，形成由压力、状态和响应共33个具体评价指标组成的海洋牧场生态系统健康评价指标体系。该指标体系包含了陆源污染、海岸带开发、生物多样性、群落结构组成、环境因子、生态效益、经济效益和政策措施等各个方面，充分体现了海洋牧场生态系统的健康状况，并对指标的选取和体系构建的构建进行了简要的诠释，通过熵权法对各指标进行权重计算，为了定量海洋牧场生态系统健康状态，通过建立综合健康指数，确定海洋牧场生态系统的健康状态。
　　在对海洋牧场生态系统健康评价指标体系进行构建时，应注意以下几个问题：虽然PSR模型框架因果关系清晰，为海洋牧场生态系统健康评价指标体系构建提供了明确的指标分类方法，但对所有指标进行严格的分类是困难的。这些指标互相关联，如经济效益既可以作为生态系统健康评价的压力指标，也可以是生态系统变化后对被生态系统变动所影响的响应指标。
　　参考文献：
　　[1] MCMICHAEL  A  J，BOLIN B，COSTANZA R，et al.Globalization and the sustainability of human health：anecological perspective[J].Biosciences，1995，49（3）：205-210.
　　[2] 杨建宇. 基于PSR模型的企业知识产权管理评价体系构建[J]. 现代企业（09）：17-18.
　　[3] 韩尚信. 基于PSR-改进TOPSIS模型安徽省资源环境承载力及影响因素耦合协调度研究[D]. 合肥工业大学，2018：14-15.
　　[4] 张颖， 钞振华， 杨永顺，等. 基于PSR模型的青海湖流域生态环境保护效果评价[J]. 草业科学， 2016， 033（005）：851-860.
　　[5] 于谨凯， 高磊. 基于PSR模型的海洋生物资源可持续开发政府诱导研究[J]. 经济问题探索（9）：15-19.
　　[6] 肖佳媚， 杨圣云. PSR模型在海岛生态系统评价中的应用[J]. 厦门大学学报（自然科学版）， 2007， 46（S1）：191-196.
　　[7] 李云哲， 蒲凌海， 孙涛. PSR模型在生态系统健康评价中的应用[J]. 科技视界， 2017（25）：19+21.
　　[8] 麦少芝， 徐颂军， 潘颖君. PSR模型在湿地生态系统健康评价中的应用[J]. 热带地理， 2005， 25（4）：317-321.
　　[9] 牛明香， 王俊， 徐宾铎. 基于PSR的黄河河口区生态系统健康评价[J]. 生态学报， 2017，37（3）：943-952.
　　[10] 颜利， 王金坑， 黄浩. 基于PSR框架模型的东溪流域生态系统健康评价[J]. 资源科学， 2008， 30（1）：107-113.
　　[11] 宁立新， 马兰， 周云凯，等. 基于PSR模型的江苏海岸带生态系统健康时空变化研究[J]. 中国环境科学， 2016， 36（2）：534-543.
　　[12] 纪雅宁， 牛文涛， 黄丁勇，等. 基于PSR模型的珊瑚礁生态系统健康评价指标体系的构建与应用[J]. 应用海洋学学报， 2014， 33（3）：343-347.
　　[13] 张晓琴， 石培基. 基于PSR模型的兰州城市生态系统健康评价研究[J]. 干旱区资源与环境， 2010， 24（3）：77-82.
　　[14] 孙龙启. 广西近海生态系统健康评价[D]. 厦门大学， 2014：33-116.
　　[15] 徐浩田， 周林飞， 成遣. 基于PSR模型的凌河口湿地生态系统健康评价与预警研究[J]. 生态学报， 2017， 37（24）：8264-8274.
　　[16] 肖祥. 基于PSR模型的西江流域生态系统健康评价研究[J]. 人民珠江， 2017，38（9）：1-5.
　　[17] 叶属峰， 刘星， 丁德文. 长江河口海域生态系统健康评价指标体系及其初步评价[J]. 海洋学报：中文版， 2007， 29（4）：128-136.
　　[18] 蒋卫国， 李京， 李加洪，等. 辽河三角洲湿地生态系统健康评价[J]. 生态学报， 2004， 25（3）：408-414.
　　[19] 谢飞， 顾继光， 林彰文.基于主成分分析和熵权的水库生态系统健康评价——以海南省万宁水库为例[J]. 应用生态学报， 2014， 25（6）：1773-1779.
　　The establishment of the index system of marine ranching
　　ecosystem health evaluation based on PSR model
　　WANG Sen1，LI Jiuqi1，SUN Jianfu2，HOU Yanwei2
　　（1.School of fisheries and life， dalian ocean university， Dalian 116000， China; 　　2.Dalian modern Marine ranching research institute， Dalian 116000，China）
　　Abstract：On the basis of the characteristics and health connotation of marine ranching ecosystem， aiming at the complex ecosystem of marine ranching region，a marine ranching ecosystem health evaluation index system was built composing 33 specific evaluation indexes of pressure， status and response， which was formed through repeated screening and extraction based on the pressure-state-response （PSR） model and combining with the characteristics of marine ranching ecosystem and the collected data characteristics and their accessibility， etc. The collection of indexes and the establishing of the health evaluation index system were briefly introduced.The entropy weight method can be used to calculate the weight of each index，and the health status of marine ranching ecosystem can be determined by establishing the comprehensive health indexes.
　　Key words：marine ranching;ecosystem;PSR model
　　（收稿日期：2020-03-23;修回日期：2020-04-14）
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