基于可變模糊評價模型的東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價

陸志強(qiáng), 李吉鵬, 章耕耘, 馬 麗

1 集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 廈門 361021 2 國家海洋局第三海洋研究所, 廈門 361005

基于可變模糊評價模型的東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價

陸志強(qiáng)1, 李吉鵬1, 章耕耘1, 馬 麗2,*

1 集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 廈門 361021 2 國家海洋局第三海洋研究所, 廈門 361005

根據(jù)東山灣海域環(huán)境污染現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)的特點，從水質(zhì)環(huán)境、沉積物環(huán)境、生物殘毒以及海洋生物方面構(gòu)建了東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，提出了基于可變模糊評價模型的海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法，并利用該方法對東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：東山灣春季生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為2.36，秋季為2.44，均處于“良與中之間，偏良”水平，春季略優(yōu)于秋季。影響東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要負(fù)面指標(biāo)因子為魚卵及仔魚密度(春秋季健康指數(shù)均值為4.95)、營養(yǎng)水平(秋季健康指數(shù)為4.47)和底棲生物生物量(春季健康指數(shù)為3.59)。實例研究表明該方法通過準(zhǔn)則參數(shù)α和距離參數(shù)p的不同組合變化，以線性與非線性相結(jié)合，能夠較客觀系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)量化地評價海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的優(yōu)劣，。

生態(tài)系統(tǒng)健康; 指標(biāo)體系; 可變模糊評價模型; 東山灣

海灣水域作為陸海相互作用較為劇烈的區(qū)域，其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用和健康發(fā)展受到了人為活動的嚴(yán)重影響。為合理利用海灣資源，科學(xué)保護(hù)海洋環(huán)境，人們需要對海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行深入地了解和研究[1-3]。

現(xiàn)階段海灣生態(tài)系統(tǒng)健康的概念仍較為模糊、理解也不全面，還不足以清晰揭示海灣健康所應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)、尺度和原則[4]。但隨著相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究，已初步形成了一些共識。比如：海灣的健康主要表現(xiàn)在海灣生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的健康[5]；海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價的方法主要有指示物種法和多指標(biāo)體系法。與指示物種法相比，指標(biāo)體系法通過從不同尺度和角度刻畫生態(tài)系統(tǒng)特征，反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，其評價技術(shù)結(jié)合了物理、化學(xué)、生物和毒理學(xué)方法[6]。然而，海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價存在著許多不確定因素，評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系復(fù)雜，且多為非線性關(guān)系，對于評價的優(yōu)劣也沒有絕對分明的界限[7]。采用精確數(shù)學(xué)方法來研究這一模糊問題存在較大困難，不能很好地表征海灣生態(tài)系統(tǒng)的真實狀況和屬性。可變模糊評價模型通過調(diào)整模型及其參數(shù)，合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度，有效地解決了評價中邊界模糊評價結(jié)果的影響問題，提高了對樣本等級評價的可信度[8]。該模型已經(jīng)應(yīng)用于水質(zhì)質(zhì)量狀況評價中[8]，而應(yīng)用于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評價尚未見報道。

本文借鑒國內(nèi)外相對成熟的近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，結(jié)合東山灣的環(huán)境污染現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)特點，從水質(zhì)環(huán)境、沉積物環(huán)境、生物殘毒以及海洋生物方面構(gòu)建了東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，并采用可變模糊評價模型對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價。將可變模糊評價模型應(yīng)用于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價中可有效地解決邊界模糊評價結(jié)果的影響問題，能夠較客觀系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)量化地評價海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的優(yōu)劣，評價結(jié)果較為可信。同時，可作為一種合理而適用的海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法，為我國海灣生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警體系的建立和海洋生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法1.1 研究區(qū)域

東山灣(117°24′—117°37′E、23°43′—23°57′N)位于福建省東南沿海的漳浦縣、云霄縣和東山縣之間。整個海灣呈不規(guī)則布袋狀伸入陸地，屬窄口型半封閉海灣，封閉性較強(qiáng)。灣內(nèi)海域面積為247.89km2，海岸線約110.5km，灣頂有漳江入海[9]。海域主要功能為港口航運(yùn)、農(nóng)漁業(yè)、工業(yè)與城鎮(zhèn)用海。重點保護(hù)對象是漳江口紅樹林生態(tài)系統(tǒng)和東山珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)等[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 東山灣生態(tài)調(diào)查站位圖

本文研究數(shù)據(jù)來源于2012年對東山灣的綜合調(diào)查，其中水質(zhì)監(jiān)測時間為4月和10月，主要包括有機(jī)污染物、營養(yǎng)鹽、重金屬和石油類；沉積物和生物殘毒監(jiān)測時間為10月，主要包括有機(jī)污染物(生物殘毒不監(jiān)測)、重金屬和石油類，生物殘毒僅在一處站位采集樣品進(jìn)行分析；海洋生物調(diào)查時間為春季(4月)和秋季(10月)，主要包括浮游植物、浮游動物和底棲生物生物量、多樣性指數(shù)、魚卵及仔魚密度和初級生產(chǎn)力。調(diào)查范圍和站位設(shè)置如圖1所示。樣品采集和分析均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378—2007)[11]和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T12763—2007)[12]中規(guī)定方法進(jìn)行。

1.3 研究方法

1.3.1 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文以美國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的《全國近岸狀況報告Ⅳ》中提出的美國近岸海域狀況評價體系[13]、歐盟水框架指令提出的歐盟近岸海域生態(tài)質(zhì)量狀況評價體系[14]和《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》(HY/T087—2005)[15]為參考，綜合考慮海灣生態(tài)系統(tǒng)易受近岸人類活動和陸源污染影響、是許多海洋生物物種最重要的養(yǎng)育場以及具有復(fù)雜多樣的理化因子和更高的生態(tài)系統(tǒng)多樣性等特點；根據(jù)東山灣海域環(huán)境污染現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)特點收集數(shù)據(jù)資料，從水質(zhì)環(huán)境、沉積物環(huán)境、生物殘毒以及海洋生物方面選取17個狀態(tài)指標(biāo)構(gòu)建了東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

(1) 有機(jī)污染指數(shù)[16]

(2) 營養(yǎng)水平指數(shù)[16]

式中,E為營養(yǎng)水平指數(shù)；CCOD(mg/L)、CIN(μg /L)、CIP(μg /L)分別為化學(xué)耗氧量、溶解態(tài)無機(jī)氮、活性磷酸鹽的實際測量值。

(3) 重金屬指數(shù)[17]

式中,Ai為第i種重金屬的相對污染指數(shù)；P為重金屬的綜合污染指數(shù)；Ci為第i種重金屬的實測濃度值；Co為第i種重金屬的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

(4) 生物多樣性指數(shù)選用Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)[11]。

式中，S為樣品中的種類總數(shù)，Pi為第i種的個體數(shù)與樣品中的總個體數(shù)的比值。

(5) 初級生產(chǎn)力 采用葉綠素a濃度估算，按照Cadee和Hegeman提出的簡化公式計算[18]。

式中，P為初級生產(chǎn)力(mg C /m2d)，Ca為葉綠素a濃度(mg /m3)，D為光照時間(h)，Q為同化系數(shù)(mg C mg-1Chl h-1)。根據(jù)以往調(diào)查結(jié)果，東山灣春季和秋季同化系數(shù)取值為4.85和3.92。

1.3.2 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重值的確定

由于不同的評價指標(biāo)對海灣生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指數(shù)的貢獻(xiàn)是不一樣的，因此指標(biāo)體系中權(quán)重值設(shè)置的合理性是決定評價結(jié)果可靠性的一個重要因素[8]。本文采用考慮權(quán)重折衷系數(shù)的權(quán)重確定方法，即將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合，公式如下：

式中，w為海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系指標(biāo)權(quán)重，α為權(quán)重折衷系數(shù)，0≤α≤1；P=(p1,p2,…,pn)為主觀權(quán)重，由層次分析法確定；Q=(q1,q2,…,qn)為客觀權(quán)重，采用改進(jìn)熵值法[19]確定。層次分析法和熵值法均屬于確定指標(biāo)權(quán)重的常用方法[20-21]。本文權(quán)重折衷系數(shù)采用α=0.5[22-23]。

主觀權(quán)重值的確定主要是對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層進(jìn)行指標(biāo)相對重要性的專家打分、經(jīng)驗明確、判斷矩陣的構(gòu)建及軟件YAAHP V7.5 計算得到，判斷矩陣一致性比例小于0.1?？陀^權(quán)重值的確定主要是對指標(biāo)層數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、坐標(biāo)平移、指標(biāo)熵值和差異系數(shù)的計算得到。東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系權(quán)重如表2所示。

生物殘毒指標(biāo)只有一個站位的監(jiān)測值，故客觀權(quán)重以零計；沉積物環(huán)境指標(biāo)春秋季采用同一期監(jiān)測值；魚卵及仔魚密度為魚類主要產(chǎn)卵季節(jié)的密度。

1.3.3 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值確定

東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的確定，主要參考我國現(xiàn)行的《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)[24]、《海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB18668—2002)[25]、《海洋生物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB18421—2001)[26]和《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》(HY/T087—2005)[15]。由于我國海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分為4級，沉積物和生物標(biāo)準(zhǔn)分為3級，所以評價標(biāo)準(zhǔn)參考國內(nèi)外的研究成果做了一定調(diào)整。對于標(biāo)準(zhǔn)中不包含的指標(biāo)，則根據(jù)文獻(xiàn)[27-28]報道中關(guān)于自然海區(qū)相關(guān)歷史研究結(jié)果和專家咨詢建議來設(shè)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

表2 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系權(quán)重

表3 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

1.3.4 基于可變模糊評價模型的海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價

海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價存在著許多不確定因素，評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系復(fù)雜，且許多現(xiàn)象呈非線性關(guān)系，對于評價的優(yōu)劣沒有絕對分明的界限。模糊評價法可以將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，直觀反映評價指標(biāo)與各級標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的隸屬程度，并以最大隸屬度所對應(yīng)的級別作為評價系統(tǒng)所處類別，從而更加客觀、準(zhǔn)確地反映評價系統(tǒng)狀況與標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系[7]。然而模糊綜合評價法在評價過程中存在一定的不確定性，且模型難以自我調(diào)整與驗證，評價結(jié)果不能表征同一等級內(nèi)的優(yōu)劣狀況[29]。

陳守煜在札德模糊集合的基礎(chǔ)上提出相對隸屬度概念，建立了工程模糊集，并在可變模糊集理論基礎(chǔ)上，提出了可變模糊評價模型[30]。該模型能通過變化模型參數(shù)，合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度，有效地解決評價中邊界模糊評價結(jié)果的影響問題，提高對樣本等級評價的可信度[8]。海灣生態(tài)系統(tǒng)健康可變模糊評價模型構(gòu)建如下：

(1)指標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)格化處理

設(shè)有待識別的n個海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價樣本集，每個樣本按m個指標(biāo)、5個級別進(jìn)行識別，其指標(biāo)特征值與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣分別為：

通常指標(biāo)分為遞增型和遞減型兩類，遞增型和遞減型指標(biāo)與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值的規(guī)格化公式分別為：

式中，rij為海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價樣本j對指標(biāo)i特征值的規(guī)格化數(shù)；yi1、yih、yi5分別為指標(biāo)i的1級、h級、5級標(biāo)準(zhǔn)特征值；sih為級別h指標(biāo)i標(biāo)準(zhǔn)特征值yih的規(guī)格化數(shù)。

(2)綜合相對隸屬度的確定

可變模糊評價模型的一般形式為[30]：

αj≤h≤bj

1≤h<αj或bj

式中，uhj為樣本j對級別h的相對隸屬度；wi為指標(biāo)權(quán)重；bj、αj分別為樣本j的級別上限值與級別下限值，將樣本j的m個指標(biāo)相對隸屬度分別與矩陣S中相應(yīng)指標(biāo)的各類標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可得樣本j的級別上限值bj和級別下限值αj。

α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，p為距離參數(shù)。兩者可組成模型的4種組合：1)α=1，p=1；2)α=1，p=2；3)α=2，p=1；4)α=2，p=2。

在實際評價時應(yīng)根據(jù)評價對象的復(fù)雜性來確定采用弱、一般、強(qiáng)非線性模型，當(dāng)評價對象為弱非線性時采用模型參數(shù)α=1，p=1；一般非線性時采用α=1，p=2或α=2，p=1；強(qiáng)非線性時采用α=2，p=2?？紤]到海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價是一個非線性問題，且難以確定其非線性程度，故采用四種組合參數(shù)結(jié)果的均值作為評價結(jié)果。

(3)結(jié)果的定量化評定

基于前文計算的綜合相對隸屬度，按最大 隸屬度對應(yīng)的等級作為評價結(jié)果的準(zhǔn)則來判定海灣生態(tài)系統(tǒng)健康等級。為避免采用最大隸屬度造成評價結(jié)果失真，本文采用級別特征值來判定評價級別。

式中，H為待評價樣本海灣生態(tài)系統(tǒng)健康等級的特征值。

海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況級別的判斷準(zhǔn)則大致分為優(yōu)、良、中、差、劣，可進(jìn)一步細(xì)化為13個等級。等級優(yōu)代表生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各項服務(wù)功能正常發(fā)揮，沒有表現(xiàn)出退化或者表現(xiàn)出極小退化跡象。等級良代表生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，主要服務(wù)功能正常發(fā)揮，表現(xiàn)出較小的退化。等級中代表生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度變化，主要服務(wù)功能尚能發(fā)揮，表現(xiàn)出中等程度的退化。等級差代表生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及結(jié)構(gòu)發(fā)生較大程度變化，各項服務(wù)功能嚴(yán)重退化。等級劣代表生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性及結(jié)構(gòu)發(fā)生本質(zhì)的變化，各項服務(wù)功能喪失。結(jié)合有關(guān)研究確定本文海灣生態(tài)系統(tǒng)健康級別判斷準(zhǔn)則如表4所示。

表4 海灣生態(tài)系統(tǒng)健康級別判斷準(zhǔn)則

2 結(jié)果與分析

2.1 東山灣生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)健康水平分析

如果指標(biāo)健康指數(shù)平均數(shù)低于1.5，則它對海灣生態(tài)系統(tǒng)的健康會造成直接的正面影響，即正面指標(biāo)因子；指標(biāo)健康指數(shù)平均數(shù)高于3.5，則它對海灣生態(tài)系統(tǒng)的健康會造成直接的負(fù)面影響，即負(fù)面指標(biāo)因子。東山灣生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)健康指數(shù)平均值，如圖2所示。

由圖2可見，春季健康指數(shù)高于3.5的指標(biāo)為底棲生物生物量(C14)和魚卵及仔魚密度(C16)，這2項指標(biāo)是影響春季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要負(fù)面指標(biāo)因子，即對東山灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，會降低東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的整體水平；春季健康指數(shù)低于1.5的指標(biāo)為有機(jī)污染指數(shù)(C1)、營養(yǎng)水平指數(shù)(C2)、海水重金屬指數(shù)(C3)、海水石油類(C4)、沉積物重金屬指數(shù)(C6)、沉積物石油類(C7)、生物體重金屬指數(shù)(C8 )、浮游植物細(xì)胞密度(C10)、浮游植物多樣性指數(shù)(C11)、浮游動物生物量(C12)和底棲生物多樣性指數(shù)(C15)，這11項指標(biāo)是影響春季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要正面指標(biāo)因子，會提升東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的整體水平。

圖2 東山灣生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)健康指數(shù)

秋季健康指數(shù)高于3.5的指標(biāo)為營養(yǎng)水平指數(shù)(C2)和魚卵及仔魚密度(C16)，這2項指標(biāo)是影響秋季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要負(fù)面指標(biāo)因子；秋季健康指數(shù)低于1.5的指標(biāo)為海水重金屬指數(shù)(C3)、海水石油類(C4)、沉積物重金屬指數(shù)(C6)、沉積物石油類(C7)、生物體重金屬指數(shù)(C8)、浮游植物細(xì)胞密度(C10)、浮游植物多樣性指數(shù)(C11)、浮游動物生物量(C12)和底棲生物多樣性指數(shù)(C15)，這9項指標(biāo)是影響秋季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要正面指標(biāo)因子。

有機(jī)污染指數(shù)(C1)和營養(yǎng)水平指數(shù)(C2)是春秋季差別最顯著的2項指標(biāo)，春季健康指數(shù)均較低，秋季有明顯的增加，營養(yǎng)水平指數(shù)(C2)增加尤為顯著(由0.39升至4.47)，這可能是秋季在東北季風(fēng)影響下，受高營養(yǎng)鹽、低鹽度的浙閩沿岸流南下影響調(diào)查海域。

魚卵及仔魚密度(C16)采用魚類主要產(chǎn)卵季節(jié)的密度，但指標(biāo)的健康指數(shù)仍高達(dá)4.95，是影響東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康的首要負(fù)面指標(biāo)因子。同時，底棲生物生物量(C14)和初級生產(chǎn)力(C17)也對東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康有負(fù)面影響。本次調(diào)查東山灣初級生產(chǎn)力均值為206.7 mg C m-2d-1，與1988年的385.11 mg C m-2d-1[31]相比較下降了46.33%。

2.2 東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康水平分析

2.2.1 基于可變模糊評價模型評價結(jié)果驗證

為了分析基于可變模糊評價模型的東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果的可信度，本文采用模糊綜合評價法對評價結(jié)果進(jìn)行驗證分析。具體評價結(jié)果見表5。

表5 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康水平綜合評價結(jié)果

由表5可見，隨著準(zhǔn)則參數(shù)a和距離參數(shù)p的4種不同組合，各站位評價等級基本穩(wěn)定在一個較小的范圍，出現(xiàn)最大差異值的春季D6站位(最大差異值為0.49<0.5)也在一個等級范圍內(nèi)，最后將4種組合參數(shù)結(jié)果的均值作為評價等級。同時，基于可變模糊評價模型的東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果與模糊綜合評價法基本一致。僅秋季D3、D5、D6、D7、D8、D10和D12站位評價等級與模糊綜合評價法略有出入。

分析表5中基于可變模糊評價模型與模糊綜合評價法評價結(jié)果出現(xiàn)偏差的原因，可能在于模糊綜合評價法依據(jù)最大隸屬度原則進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康等級的判定，這樣在過渡生態(tài)系統(tǒng)健康級別歸屬問題上會造成大量有用信息的丟失(如秋季D5、D7、D8、D10和D12站)，直接影響評價的客觀性，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。另外，模糊綜合評價法按照各分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隸屬度的確定，小于某一閾值的被定為一個級別，這樣會導(dǎo)致同一級別范圍內(nèi)優(yōu)劣差異難以體現(xiàn)。而基于可變模糊評價模型以級別特征值評價結(jié)果反映東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價結(jié)果較為可信。級別特征值是對各站位生態(tài)系統(tǒng)健康等級的精確描述，能夠區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的優(yōu)劣。

2.2.2 東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康水平分析

東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)平均值如圖3所示。

圖3 東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)

由圖3可見，春季東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)在2.31—2.47之間，所有站位生態(tài)系統(tǒng)健康均處于良與中間，偏良水平。高值區(qū)主要為D1(2.46)、D3(2.47)、D4(2.41)和D10(2.42)站位，其中D1和D3位于《福建省海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)》[10](后文簡稱 “區(qū)劃”)中劃定的東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)，D4位于區(qū)劃劃定的古雷工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)，D10位于區(qū)劃劃定的東山灣港口航運(yùn)區(qū)。

秋季東山灣各站位生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)在2.29—2.74之間，其中D11、D13和D14站位生態(tài)系統(tǒng)健康處于良與中間、偏良水平，剩余站位生態(tài)系統(tǒng)健康處于良與中間、偏中水平。高值區(qū)主要為D1(2.59)、D3(2.62)、D4(2.74)和D6(2.66)站位，其中D1和D3位于區(qū)劃劃定的東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)，D4和D6位于區(qū)劃劃定的古雷工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)。

綜合春秋季評價結(jié)果， D1(2.53)、D3(2.55)和D4(2.57)站位生態(tài)系統(tǒng)健康處于良與中間、偏中水平，剩余站位生態(tài)系統(tǒng)健康處于良與中間、偏良水平。高值區(qū)主要集中于區(qū)劃劃定的東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)和古雷工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)。處于灣口的4個低值區(qū)站位(D11、D12、D13和D14)臨近東山珊瑚保護(hù)區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較好。除D13站位外，其余站位生態(tài)系統(tǒng)健康狀況春季優(yōu)于秋季。

2.2.3 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結(jié)果

東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結(jié)果如圖4所示。

圖4 東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結(jié)果

由圖4可直觀的看出，春秋季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均處于良與中間、偏良水平，春季略優(yōu)于秋季。影響春季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要負(fù)面指標(biāo)因子為魚卵及仔魚密度(健康指數(shù)為4.95)和底棲生物生物量(健康指數(shù)為3.59)；影響秋季東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的主要負(fù)面指標(biāo)因子為魚卵及仔魚密度(健康指數(shù)為4.95)和營養(yǎng)水平指數(shù)(健康指數(shù)為4.47)。

底棲生物生物量(C14)過低站位主要集中在航道周邊和底質(zhì)類型為砂和礫石，航道周邊由于流急，不利于底棲生物棲息。秋季D1、D2、D3和D5站位營養(yǎng)水平指數(shù)(C2)明顯高于其他站位，主要原因是其處于東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)，養(yǎng)殖餌料引起營養(yǎng)過剩。魚卵及仔魚密度(C16)是影響東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的首要負(fù)面指標(biāo)因子，造成魚卵及仔魚密度下降的原因有很多，比如過度捕撈、港口活動、生境損失和環(huán)境污染等。現(xiàn)階段將魚類指標(biāo)用于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究較少，但魚類確實是表征海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)[32]，本文將魚卵及仔魚密度納入評價指標(biāo)體系中較合理。

3 討論與結(jié)論

正確地確定評價因子及其指標(biāo)體系，是構(gòu)建海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型的關(guān)鍵[4]。因此有必要從眾多復(fù)雜的信息中篩選出與海灣生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)涵和評價目標(biāo)相一致的指標(biāo)，構(gòu)建一個能全面反映海灣生態(tài)系統(tǒng)實際狀態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系的指標(biāo)體系[33-34]。本文指標(biāo)體系的構(gòu)建借鑒國內(nèi)外相對成熟的近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系[13-15]，評價指標(biāo)主要從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能水平上進(jìn)行選取，包括生物指標(biāo)和非生物指標(biāo)[35]，體現(xiàn)了指標(biāo)選取應(yīng)遵循的完整性和代表性原則。同時，根據(jù)東山灣海域的環(huán)境污染現(xiàn)狀對評價指標(biāo)體系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，多數(shù)指標(biāo)為常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，體現(xiàn)了指標(biāo)選取應(yīng)遵循的可取性和可比性原則。

將水質(zhì)與海洋生物指標(biāo)用于近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價有較多案例，如：美國切薩皮克灣[36]、澳大利亞沿岸及大堡礁海域[37]以及墨西哥東南部的沿海區(qū)域[38]。由于近岸海域狀況和監(jiān)測資料的差異，評價指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整?？紤]到東山灣受陸源污染、漁業(yè)養(yǎng)殖和港口航運(yùn)的影響，本文水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)主要選取有機(jī)污染物、營養(yǎng)鹽、重金屬和石油類綜合性的評價指標(biāo)。有研究表明魚類是表征海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價的重要指標(biāo)[39]。因此，本文海洋生物指標(biāo)除了選取浮游植物、浮游動物、底棲生物和初級生產(chǎn)力等常規(guī)指標(biāo)還增加了魚類指標(biāo)。

美國近岸海域狀況評價體系[13]和歐盟近岸海域生態(tài)質(zhì)量狀況評價體系[14]中均包含沉積物環(huán)境和生物殘毒指標(biāo)。東山灣部分海域?qū)儆谵r(nóng)漁業(yè)用海區(qū)域，為了保證水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展，有必要將生物殘毒指標(biāo)列入東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系中。結(jié)合東山灣海域環(huán)境污染特征，生物殘毒指標(biāo)主要包括重金屬和石油類。沉積環(huán)境指標(biāo)包括總有機(jī)碳、重金屬和石油類。

對于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價，指標(biāo)權(quán)重值設(shè)置的合理性是決定評價結(jié)果可靠性的一個重要因素，本文采用考慮權(quán)重折衷系數(shù)的權(quán)重確定方法，將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合，使各種賦權(quán)方法的優(yōu)點融為一體。本文東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系中生物指標(biāo)的權(quán)重值約為0.6，符合國際上對近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價指標(biāo)選取以生物指標(biāo)為主的要求[35]。在實際評價過程中，不同的海灣生態(tài)系統(tǒng)由于自然和人為活動影響的特殊性，產(chǎn)生的生態(tài)影響性質(zhì)和程度也有所不同。因此有必要將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合，這樣既可以反映一般海灣生態(tài)系統(tǒng)的共性，又可以反映不同評價海域的具體情況，以便得到更合理的評價結(jié)果[40]。未來在海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價中如何更合理的確定評價指標(biāo)權(quán)重折衷系數(shù)還需要根據(jù)實際情況進(jìn)一步完善和調(diào)整。

本文評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的確定，主要參考我國現(xiàn)行的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)指南、國內(nèi)外的研究成果中關(guān)于自然海區(qū)相關(guān)歷史研究結(jié)果和專家咨詢建議來設(shè)定。目前統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)可能忽略了不同研究區(qū)域背景的差異，導(dǎo)致評價結(jié)果的廣泛適用性較差，尤其以海洋生物指標(biāo)差異較顯著。但不同區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)值的確定是一個非常復(fù)雜的過程，我國海灣研究起步相對較晚，缺少詳細(xì)的未受人為活動影響區(qū)域的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，難以建立不同區(qū)域準(zhǔn)確的參考標(biāo)準(zhǔn)值。故針對不同區(qū)域確定相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)值也是保證海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果合理性的重要部分[41]。同時，本文研究結(jié)果為決策者提供了一個直觀的標(biāo)準(zhǔn)量化依據(jù)，可為海洋生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐。通過海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評估可找出海灣生態(tài)系統(tǒng)存在的環(huán)境問題，出臺遏制近岸海域環(huán)境惡化的規(guī)劃和行動計劃，強(qiáng)化海洋污染防治與監(jiān)管。有序推進(jìn)受損海洋生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與恢復(fù)，探索開展提升海洋生態(tài)彈性和恢復(fù)力的生態(tài)建設(shè)工作；促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。通過對海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的了解，制定基于海洋資源環(huán)境承載力、符合海洋生態(tài)平衡要求的產(chǎn)業(yè)目錄和發(fā)展指南。

本文將可變模糊評價模型應(yīng)用于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價中，同時采用模糊綜合評價法對評價結(jié)果可信度進(jìn)行驗證分析。驗證分析表明兩種方法評價結(jié)果基本一致，僅秋季部分站位略有出入。分析其出現(xiàn)偏差的原因主要為模糊綜合評價法采用最大隸屬度原則進(jìn)行等級的判定，導(dǎo)致在過渡生態(tài)系統(tǒng)健康級別歸屬問題上造成大量有用信息的丟失和同一級別范圍內(nèi)優(yōu)劣差異難以體現(xiàn)。而基于可變模糊評價模型通過準(zhǔn)則參數(shù)a和距離參數(shù)p的4種不同組合，將線性與非線性相結(jié)合，以級別特征值評價結(jié)果反映東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，該方法能夠較客觀精確地評價海灣生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的優(yōu)劣，評價結(jié)果較為可信。此外，本文評價結(jié)果也與《2012年福建省海洋環(huán)境狀況公報》中“東山灣海洋環(huán)境質(zhì)量整體良好”這一結(jié)論相吻合。

海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法正在不斷的研究和發(fā)展中，然而迄今為止，還未有任何一種評估方法可以獨(dú)立地承擔(dān)評估復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)(包括海灣生態(tài)系統(tǒng))健康狀況的重任[42]。主要問題在于要做到因地而宜地選取指標(biāo)和確定評價標(biāo)準(zhǔn)存在較大困難，這是目前相關(guān)研究的主要內(nèi)容之一，也是海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價中值得關(guān)注的問題。同時，建立統(tǒng)一、長期的監(jiān)測和預(yù)警體系也是我國海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價和管理的迫切需要。

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Ecosystem health assessment based on variable fuzzy evaluation model in Dongshan Bay, Fujian, China

LU Zhiqiang1, LI Jipeng1, ZHANG Gengyun1, MA Li2,*

1FisheriesCollegeofJimeiUniversity,Xiamen361021,China2TheThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration(SOA),Xiamen361005,China

Human activities such as overfishing, coastal development and pollution have altered bay ecosystems and eroded their capacity to provide benefits now and in the future. A systematic diagnosis of bay ecosystem health for sustainable ecological management is urgently needed. Sustainable management aims at maintaining the flow of a broad range of benefits from the bay and also requires a comprehensive and quantitative method to measure and monitor the health of bay at the level of ecosystem. A variable fuzzy evaluation model is introduced for the comprehensive evaluation of bay ecosystem health. According to the environmental pollution conditions and ecosystem characteristics in Dongshan Bay, Fujian, China, an integrated index system comprising water, sediment environment, residual toxicity in organisms and marine biota were created for evaluation of bay ecosystem health. The judgment criteria regarding the level of bay ecosystem health could be roughly classified as “excellent, good, moderate, poor, and bad”. The five levels could be further sub-classified into 13 ranks. Ecosystem health assessment of Dongshan Bay in spring and autumn based on variable fuzzy evaluation model was presented in this paper. The results showed that the score of ecosystem health index for Dongshan bay was 2.36 in spring and 2.44 in autumn, respectively. The status of Dongshan bay ecosystem health could be generally classified as “between good and moderate, mostly good”, with better level in spring than in autumn. In more detail, the scores of ecosystem health index ranged from 2.31 to 2.47 and all stations were classified as “between good and moderate, mostly good” in spring. In autumn, the scores of ecosystem health index ranged from 2.29 to 2.74. Only three stations (D11、D13 and D14) were classified as “between good and moderate, mostly good” and the other stations were classified as “between good and moderate, mostly moderate”. Several factors showed their positive effects on the ecosystem heath status, such as heavy metals in seawater, sediment and organism, oil in seawater and sediment, zooplankton biomass, phytoplankton cells density and diversity as well as benthos diversity. The scores of health index for these indicators were all lower than 1.5 in spring and autumn. However, the health status of the ecosystem was potentially made to change to “between good and moderate, mostly moderate” by the negative factors including fish eggs and larva density (average score of heath index in spring and autumn was 4.95), nutrition level (the score of heath index in autumn was 4.47), and benthos biomass (the score of heath index in spring was 3.59). The scores of health index for these three indicators were all higher than 3.5. Case study indicates that the ecosystem health assessment based on variable fuzzy evaluation model also provides a standardized and quantitative approach for measuring overall health condition of bay ecosystems, which can perform well and accurately evaluate the comprehensive status of the bay ecosystem heath through the change of variable model parameters (the criterion and distance parameter,αandp), combining the linear and nonlinear models. Therefore, the model result is more reliable than before.

ecosystem health; indicator system; variable fuzzy evaluation model; Dongshan Bay

中國海洋生物多樣性保護(hù)研究(海洋生態(tài)影響評價方法研究)HD130701-13(6)

2013-12-05;

2014-10-09

10.5846/stxb201312052899

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mali@tio.org.cn

陸志強(qiáng), 李吉鵬, 章耕耘, 馬麗.基于可變模糊評價模型的東山灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價.生態(tài)學(xué)報,2015,35(14):4907-4919.

Lu Z Q, Li J P, Zhang G Y, Ma L.Ecosystem health assessment based on variable fuzzy evaluation model in Dongshan Bay, Fujian, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4907-4919.