基于PSR的黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價

牛明香, 王 俊, 徐賓鐸

1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 青島 266071 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,青島 266200 3 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266071 4 山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071 5 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,青島 266003

基于PSR的黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價

牛明香1,3,4, 王 俊1,2,3,4,*, 徐賓鐸5

1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 青島 266071 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,青島 266200 3 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266071 4 山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島 266071 5 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,青島 266003

根據(jù)壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)框架模型,從廣義上定義河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng),將河口及毗鄰的陸域、海域生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體,從壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)3個方面構(gòu)建了黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標(biāo)體系,以研究區(qū)1991年數(shù)據(jù)和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),2013年代表現(xiàn)況,利用綜合指數(shù)法(CEI)評價了黃河河口區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。結(jié)果顯示：黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的響應(yīng)指數(shù)最高(0.9055),壓力指數(shù)居中(0.8288),狀態(tài)指數(shù)最低(0.6458),綜合指數(shù)為0.7427。總體來看,與1991年相比,目前黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)仍處于“健康”狀態(tài),但健康狀況明顯下降,其中狀態(tài)指數(shù)下降最為嚴(yán)重。從區(qū)域輕度開發(fā)到人類活動強(qiáng)烈干擾階段,黃河河口區(qū)存在過度捕撈、濕地不合理開發(fā)、淺海養(yǎng)殖過度及污染物排放等一系列影響生態(tài)系統(tǒng)健康的問題,應(yīng)進(jìn)行區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)和科學(xué)管理。

生態(tài)系統(tǒng)；健康評價；PSR模型；綜合評價指數(shù)；黃河口

河口是流域和海洋物質(zhì)交換的主要通道,由于陸、海交互作用及強(qiáng)烈的人類干擾活動,河口區(qū)成為環(huán)境變化的敏感帶和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱帶。河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價的一種新方法,能夠客觀反映河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的總體特征,并探索生態(tài)系統(tǒng)各個層次存在的問題和隱患[1],從而采取相應(yīng)的策略,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。該方法已廣泛應(yīng)用于河口生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境研究[2-4]。

由于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壓力共同影響著河口生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[5],僅利用河口收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價對于理解河口生態(tài)系統(tǒng)健康是受限制的,應(yīng)在流域水平上考慮各因素之間的交互影響[6]。黃河口是我國著名的大河河口,但已開展的生態(tài)系統(tǒng)健康評價分別集中于黃河三角洲濕地[7-9]、萊州灣及黃河口水域[10-11],而大空間尺度的綜合性健康評價尚未開展。為了全面理解河口生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,本研究選取反映河口及其毗鄰陸域、海域生態(tài)特征的一系列指標(biāo),基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,利用綜合指數(shù)法(comprehensive evaluation index, CEI)對黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價,以期為區(qū)域科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

河口生態(tài)系統(tǒng)健康受流域、海岸帶及海洋的綜合影響,而流域下游的各種生態(tài)指標(biāo)是對上游生態(tài)環(huán)境的一定反映。因此,本研究中的黃河河口區(qū)是指與黃河口相鄰的、對其生態(tài)環(huán)境最具影響的黃河三角洲濕地、黃河河口及一定范圍內(nèi)的相鄰海域作為一個整體進(jìn)行研究?；趨^(qū)劃的完整性、統(tǒng)計(jì)資料的一致性及海上調(diào)查范圍,以東營市河口區(qū)、東營區(qū)和墾利縣的行政區(qū)域、黃河河口及相鄰海域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)域(圖1)。

黃河口區(qū)域處于山東半島和遼東半島環(huán)抱的中心地帶,處于京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū)與沿黃經(jīng)濟(jì)帶的交匯點(diǎn)。研究區(qū)所屬的黃河三角洲是國際重要濕地,也是世界上暖溫帶保存最廣闊、最完整、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)；黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū),是以保護(hù)新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類為主的濕地類型自然保護(hù)區(qū)。毗鄰的渤海是多種經(jīng)濟(jì)魚蝦類的產(chǎn)卵場和索餌場,在黃渤海漁業(yè)生產(chǎn)上曾占有極其重要的地位。

20世紀(jì)80年代以來,黃河斷流、入海河流水質(zhì)污染、三角洲開發(fā)、捕撈強(qiáng)度增大及海水養(yǎng)殖面積迅速擴(kuò)增等多種因素的影響,黃河口及鄰近海域生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)重威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi),1990年設(shè)立黃河三角洲自然保護(hù)區(qū),1993年黃河三角洲開發(fā)進(jìn)入山東省委決策。本研究選擇1991年和2013年為研究時段,分別代表黃河口區(qū)域輕度開發(fā)及人類活動強(qiáng)烈干擾階段。根據(jù)研究區(qū)的植被特征、物候期特點(diǎn)以及海上調(diào)查時間,以10月份為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇。

遙感數(shù)據(jù)有美國Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI 影像數(shù)據(jù)各一景,成像時間分別為1991年9月23日和2013年10月5日,軌道號為121/34。

實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)包括2013年10月河口及鄰近海域的海洋生物資源數(shù)據(jù)、物理化學(xué)等環(huán)境數(shù)據(jù)；研究區(qū)1991年相同時段內(nèi)無海上調(diào)查航次,因此海洋生物資源歷史數(shù)據(jù)選用最接近的1992年8月份。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：1991年、2013年東營市統(tǒng)計(jì)年鑒；1991年、2013年《黃河水沙公報》；2013年《黃河水資源公報》、2013年《中國海洋災(zāi)害公報》。

其它資料：《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3097—1997》、中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部2014年1月頒發(fā)的《國家生態(tài)文明建設(shè)示范村鎮(zhèn)指標(biāo)(試行)》及公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

聯(lián)合國OECD和UNEP提出的“P-S-R”概念框架模型,反映人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的壓力、生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化以及人類對于生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的響應(yīng)三者之間的關(guān)系,目前被應(yīng)用于各個領(lǐng)域及區(qū)域的生態(tài)健康評價中[12-13]。

在遵循科學(xué)性、整體性、代表性與敏感性、規(guī)范化、簡明性與可操作性、動態(tài)與穩(wěn)定性以及定性與定量相結(jié)合[14]等指標(biāo)體系構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上,綜合對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特征和生態(tài)健康影響因素的分析,基于PSR模型,構(gòu)建黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系

+：該指標(biāo)為正向指標(biāo)，值越大，生態(tài)系統(tǒng)越健康；-:該指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)，值越小，生態(tài)系統(tǒng)越健康

2.2 評價指標(biāo)計(jì)算

利用ENVI軟件,分別選取OLI 5 6 4和TM 4 5 3原始波段進(jìn)行遙感影像合成,在幾何精校正的基礎(chǔ)上,進(jìn)行增強(qiáng)處理、噪音消除等。根據(jù)計(jì)算評價指標(biāo)所需的數(shù)據(jù),采用非監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合,將研究區(qū)陸地景觀分成8種類型,即鹽田、養(yǎng)殖水面、林草地、河流、人工水域(水庫、坑塘、溝渠)、灘涂、人類干擾用地(耕地、建設(shè)用地、道路)和未利用地,生成景觀分類圖,并計(jì)算各類景觀面積。利用抽樣統(tǒng)計(jì),以現(xiàn)狀圖、野外調(diào)查采樣點(diǎn)對比等方法對解譯結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),分類精度均達(dá)到90%以上。

利用遙感影像紅色波段和近紅外波段構(gòu)成的歸一化植被指數(shù)進(jìn)行反演,獲取陸地區(qū)域NDVI指數(shù),并計(jì)算平均值。平均彈性度指數(shù)根據(jù)不同景觀面積和景觀彈性度分值計(jì)算獲得,參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]并結(jié)合實(shí)際情況,研究區(qū)各景觀的彈性度分值見表2。景觀破碎度指數(shù)和景觀多樣性指數(shù)利用Fragstats 3.2景觀指數(shù)軟件計(jì)算獲得。

利用遙感反演數(shù)據(jù)、實(shí)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算,獲取各評價指標(biāo),詳細(xì)計(jì)算方法見文獻(xiàn)[14]。

表2 不同景觀類型的生態(tài)彈性分值

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

評價指標(biāo)類型復(fù)雜,數(shù)據(jù)性質(zhì)、量綱不同,各指標(biāo)之間沒有可比性,為了消除這種影響,通過標(biāo)準(zhǔn)化處理成無量綱數(shù)據(jù),統(tǒng)一在0—1之間[18],合理確定基準(zhǔn)值是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的前提。健康是一種相對概念,絕對健康的生態(tài)系統(tǒng)是不存在的,絕對的健康標(biāo)準(zhǔn)也是不存在的,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價,應(yīng)著重于探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的時間動態(tài),而非人為判定某時某地生態(tài)系統(tǒng)的健康與否,從而保障研究的客觀性[19-20]。因此,本研究中基準(zhǔn)值的選擇按照以下原則：1)若有國家標(biāo)準(zhǔn),則以國家標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)值；2)若沒有國家標(biāo)準(zhǔn),則以1991年的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)；3)既無國家標(biāo)準(zhǔn),又無1991年數(shù)據(jù),則借鑒相關(guān)科研成果。

評價指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo),兩者的標(biāo)準(zhǔn)化形式不同。

對于正向指標(biāo):

對于負(fù)向指標(biāo):

2.4 評價等級的確定

生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的劃分沒有統(tǒng)一或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),本研究參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[8,21],將黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況劃分為5個等級(表3)。

表3 黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價等級

2.5 評價方法

本研究通過專家打分法[22]并參考相關(guān)研究成果[7-8]構(gòu)造判斷矩陣,采用層次分析法確定指標(biāo)因子權(quán)重[23-24],通過加權(quán)求和[2,17]構(gòu)建黃河河口區(qū)生態(tài)健康評價綜合指數(shù)(CEI),獲得其生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果。

式中,CEI為生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù),取值范圍為0—1,n為評價指標(biāo)個數(shù),Wi為第i指標(biāo)的權(quán)重,Ei為第i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。各評價因子的權(quán)重與各評價因子的無量綱化標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到上一級的健康指數(shù),依次計(jì)算,分別獲得黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)壓力層、狀態(tài)層和響應(yīng)層健康指數(shù),最終獲得整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)。

“有抗節(jié)不屈、臨危致命”作“前明諸臣”的定語，這句可譯為有為保全志節(jié)而寧死不屈、臨危獻(xiàn)身的以前明朝的臣子。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力分析

壓力指數(shù)描述人類活動和自然過程對生態(tài)系統(tǒng)形成的干擾和脅迫,一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)所承受的壓力以及人類向生態(tài)系統(tǒng)索取資源的程度。根據(jù)專家打分和層次分析結(jié)果,各指標(biāo)的權(quán)重值見表4。在眾多壓力指標(biāo)中,黃河入海年徑流量對生態(tài)系統(tǒng)壓力狀況影響最大,其次為黃河斷流天數(shù)。黃河入海徑流每年向渤海輸入巨量淡水,泥沙和各種營養(yǎng)鹽類,并在河口和鄰近海域形成了適宜于海洋生物生長、發(fā)育的高生產(chǎn)力海洋生態(tài)環(huán)境,因此黃河入海徑流量和黃河斷流天數(shù)對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康意義重大。另外,人類干擾度指數(shù)、海洋捕撈產(chǎn)量等人為影響因素對河口區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)壓力也影響顯著。

從現(xiàn)狀值和基準(zhǔn)值的比較來看,人工鹽田指數(shù)、淺海養(yǎng)殖產(chǎn)量、養(yǎng)殖用地指數(shù)以及海洋捕撈產(chǎn)量變化較大,基準(zhǔn)值均為1991年數(shù)據(jù),這表明從1991年到2013年,隨著海岸帶開發(fā)及海洋過度捕撈,人工鹽田面積、淺海養(yǎng)殖產(chǎn)量、養(yǎng)殖用地面積以及海洋捕撈產(chǎn)量都大幅上升。研究區(qū)的農(nóng)藥使用強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),而生活污水處理率、黃河入海年徑流量和黃河斷流天數(shù)都有所改善。

根據(jù)各評價因子標(biāo)準(zhǔn)值及其權(quán)重,獲得黃河河口區(qū)壓力指數(shù)為0.8288,處于健康狀態(tài)。

表4 黃河河口區(qū)壓力評價的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值及權(quán)重

3.2 狀態(tài)分析

狀態(tài)指數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)健康評價中最重要的指標(biāo),不僅反映生態(tài)系統(tǒng)在自然和人為因素作用下的結(jié)果,也反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在外力干擾和脅迫下所處的狀態(tài)。黃河河口區(qū)狀態(tài)評價各指標(biāo)的權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化值見表5。從狀態(tài)指標(biāo)的組合權(quán)重來看,魚類生物多樣性指數(shù)和魚類生物量的重要性最大,其次為濕地面積指數(shù)和浮游動物種類數(shù),而河口及鄰近海域的石油類、無機(jī)氮相對較小。魚類作為海洋生態(tài)系統(tǒng)食物產(chǎn)出的主要類群,其生物多樣性指數(shù)和生物量代表了海域生態(tài)系統(tǒng)的變化。濕地面積指數(shù)代表了陸地區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和功能,濕地作為與海洋、森林并稱的全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候以及美化景觀等多個方面具有不可替代的作用,對維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要。

對各指標(biāo)現(xiàn)狀值和基準(zhǔn)值對比發(fā)現(xiàn),正向指標(biāo)中的陸地區(qū)域NDVI指數(shù)、魚類生物多樣性指數(shù)和底棲生物種類數(shù)較1991年均大幅提高。NDVI指數(shù)表征陸地區(qū)域的生產(chǎn)力水平；生物多樣性則描述了生態(tài)系統(tǒng)中物種的豐富程度,體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,對維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用,這表明該類指標(biāo)對維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康起到積極作用。濕地面積指數(shù)、天然濕地面積指數(shù)、林草覆蓋率、魚類生物量較1991年均顯著降低,根據(jù)1991年和2013年遙感數(shù)據(jù)解譯,1991年研究區(qū)濕地面積為2679 km2,而2013年降為2155 km2；天然濕地面積由1991年的2496 km2下降為2013年的1222 km2；林草地由1991年的1240 km2下降為2013年的499 km2；2013年的魚類生物量僅為1991的3.84%。物理化學(xué)指標(biāo)中的重金屬指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3097- 1997》規(guī)定的海洋漁業(yè)水域標(biāo)準(zhǔn)(≤7)。

經(jīng)計(jì)算,黃河口區(qū)域狀態(tài)指數(shù)為0.6458,處在健康和亞健康的臨界狀態(tài)。

表5 黃河河口區(qū)狀態(tài)評價的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值及權(quán)重

*自然濕地退化指數(shù)、海岸侵蝕，將基準(zhǔn)值看作1，則現(xiàn)狀值等于變化數(shù)量與1991年數(shù)據(jù)的比值加1

3.3 響應(yīng)分析

響應(yīng)指數(shù)主要表征人類為防止生態(tài)環(huán)境惡化和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康所做出的反應(yīng)。人是生態(tài)系統(tǒng)的核心,所以人類健康指標(biāo)所占的權(quán)重較大,區(qū)域的人口健康狀況對其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)評價有重要影響。政策法規(guī)貫徹力度對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)評價影響次之,這是由于政策法規(guī)的傾斜程度和執(zhí)行力度對區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展都具有深遠(yuǎn)影響。

從指標(biāo)現(xiàn)狀值和基準(zhǔn)值的比較可以看出,與1991年相比,2013年人均GDP為1991年的133倍,GDP增長率為1991年的3.5倍,區(qū)域的海洋經(jīng)濟(jì)比重也大幅增長。但人口死亡率上升,人口健康狀況較1991年有所下降。

經(jīng)計(jì)算,黃河口區(qū)域響應(yīng)指數(shù)為0.9055,為健康狀態(tài)。

表6 黃河河口區(qū)響應(yīng)評價的各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值及權(quán)重

海洋經(jīng)濟(jì)比重的基準(zhǔn)值為2006年數(shù)據(jù)；國民受教育程度的基準(zhǔn)值為理想值；生態(tài)恢復(fù)工程，基準(zhǔn)值看作1，現(xiàn)狀值在比值的基礎(chǔ)上加上1

3.4 黃河河口區(qū)健康狀況評價

根據(jù)區(qū)域特征分析和相關(guān)參考文獻(xiàn),壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的權(quán)重分別賦予0.297、0.539、0.164。基于上述分析和權(quán)重值,利用健康評價綜合指數(shù)模型,獲得黃河河口區(qū)綜合健康指數(shù)為0.7427。表明就整體而言,與1991年相比,2013年黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)仍處于健康狀態(tài)(0.6—0.8),但健康狀況卻明顯下降。

4 討論與結(jié)論

4.1 關(guān)于研究區(qū)域的選擇

河口生態(tài)系統(tǒng)健康不僅受自身因素的影響,來自流域、海岸和海洋的多重壓力共同影響著其健康狀況[5- 6],本著評價指標(biāo)全面、評價結(jié)果客觀的原則,該研究著眼于大空間尺度、多生態(tài)類型、綜合性評價河口生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。理論上講,整個流域的自然壓力和人為壓力都會影響河口生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,但由于數(shù)據(jù)獲得等方面的原因,將整個流域的指標(biāo)納入評價體系是困難的。而與河口緊鄰的三角洲濕地處于咸淡水交匯處,生態(tài)環(huán)境異常脆弱,受外界因素影響極易發(fā)生變化,且其變化對黃河河口的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響；此外,下游的各種生態(tài)指標(biāo)也是對流域生態(tài)環(huán)境的一定反映。因此本論文將研究范圍定義為對河口生態(tài)環(huán)境影響最大的黃河三角洲濕地、黃河河口及其一定范圍內(nèi)的相鄰海域作為一個整體。同時,評價指標(biāo)中的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)都以一定的區(qū)劃單位獲取數(shù)據(jù),因此,黃河三角洲濕地具體指臨海的東營市河口區(qū)、東營區(qū)和墾利縣的行政區(qū)域；考慮海洋相關(guān)數(shù)據(jù)的獲得性,相鄰海域根據(jù)海洋生物資源、海洋環(huán)境海上調(diào)查范圍及其與河口的距離大致確定。

4.2 評價指標(biāo)體系

在河口生態(tài)系統(tǒng)健康評價中,選擇合適的評價指標(biāo)是關(guān)鍵。研究區(qū)包含了多個子系統(tǒng),并且各子系統(tǒng)間存在著交互作用,為了能夠客觀評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,必須按照一套嚴(yán)格的指標(biāo)篩選原則,構(gòu)建一個能覆蓋和衡量河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各個方面的指標(biāo)體系,全面反映該特定生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的聯(lián)系[25]。本研究借助于PSR因果關(guān)系模型,全面分析黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的“壓力”、“狀態(tài)”和“響應(yīng)”,充分理解影響河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中各因素的作用過程以及彼此之間的因果關(guān)系,從多個方面遴選了43個指標(biāo)系統(tǒng)地構(gòu)建了黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。

壓力指標(biāo)包含了人口壓力、陸源污染、海岸帶開發(fā)和自然壓力4個方面,為人類和自然對生態(tài)系統(tǒng)的外源性輸入和干擾,反映了一定時期內(nèi)的資源利用強(qiáng)度及其變化趨勢。狀態(tài)指標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)對人類壓力和自然壓力響應(yīng)后的現(xiàn)狀,狀態(tài)指標(biāo)可作為生態(tài)系統(tǒng)異常的早期預(yù)警提示,狀態(tài)指標(biāo)包含了河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、生物多樣性、結(jié)構(gòu)和功能、自然災(zāi)害、物理化學(xué)等指標(biāo)。生產(chǎn)力表明了生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力,是一切生態(tài)系統(tǒng)存在的物質(zhì)基礎(chǔ)；生物多樣性描述了生態(tài)系統(tǒng)中物種的豐富程度,表征了生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,對維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用；結(jié)構(gòu)和功能指標(biāo)表明生態(tài)系統(tǒng)中不同類型的組成及其服務(wù)和產(chǎn)出功能；物理化學(xué)指標(biāo)則用于衡量河口及鄰近海域生態(tài)系統(tǒng)的非生物環(huán)境狀況。響應(yīng)指標(biāo)反映了社會或個人為了改變或預(yù)防不利于人類生存和發(fā)展的生態(tài)環(huán)境而做出的改變,主要考慮社會經(jīng)濟(jì)、人類健康、文化、政策措施等因素。所有指標(biāo)涵蓋了黃河三角洲濕地、河口、相鄰海域各區(qū)域的主要生態(tài)特征和生態(tài)問題。

該指標(biāo)體系主要基于宏觀指標(biāo)和景觀格局指標(biāo),將遙感數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及他人研究成果相結(jié)合進(jìn)行評價指標(biāo)的計(jì)算,與其他類似研究[7- 8]相比較,本研究提出了更全面、更綜合的評價指標(biāo)體系,并將遙感技術(shù)應(yīng)用其中。

4.3 黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀及原因分析

評價結(jié)果表明,以1991年及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),2013年黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)為0.7427,處于健康狀態(tài),但與1991年相比較,健康狀況明顯下降。于洪良[9]從濕地功能整合性、濕地生態(tài)特征及社會環(huán)境3個方面分析了墾利縣濕地生態(tài)健康狀況,總體得分為0.6865；王薇等[8]的研究表明墾利縣濕地生態(tài)系統(tǒng)處于脆弱狀態(tài)；安樂生等[7]以現(xiàn)代黃河三角洲為研究區(qū)域進(jìn)行濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間分析,結(jié)果顯示研究區(qū)濕地健康條件處于一般病態(tài)和健康之間。由于評價目的、感興趣區(qū)域、研究關(guān)注點(diǎn)甚至個人學(xué)術(shù)興趣的差異,評價指標(biāo)的選擇會有所不同,評價結(jié)果往往不能進(jìn)行絕對比較[26-27],但本研究結(jié)果反映的黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與上述研究基本一致。

狀態(tài)指數(shù)和壓力指數(shù)下降是黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)下降的主要原因。就各評價指標(biāo)而言,無論是正向指標(biāo)還是負(fù)向指標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)化值越大,表明該指標(biāo)的現(xiàn)狀值越接近基準(zhǔn)值,對生態(tài)系統(tǒng)健康狀況貢獻(xiàn)越大；反之,則會引起生態(tài)系統(tǒng)健康狀況退化。對表4和表5各指標(biāo)權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)化值綜合分析,從1991到2013年,也即黃河口區(qū)域輕度開發(fā)至人類活動強(qiáng)烈干擾階段,過度捕撈、濕地不合理開發(fā)、淺海養(yǎng)殖過度及污染排放是黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康下降的主要影響因素。研究區(qū)內(nèi),海洋捕撈產(chǎn)量從1991年的587 774 t增加到2013年的1043 391 t(表4),捕撈強(qiáng)度過大使得渤海魚類小型化和低齡化,魚類資源密度大幅下降[28-29],黃河口鄰近海域魚類生物量大大降低(表5)。遙感數(shù)據(jù)解譯獲得,1991—2013年間,養(yǎng)殖蝦蟹池增加了318.66 km2,鹽田由1.56 km2增加為432.42 km2,人類干擾用地亦大幅增加,由2641.25 km2增加到3104.65 km2,致使研究區(qū)內(nèi)的濕地景觀和結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化：天然濕地面積大大下降,林草覆蓋率降低,以養(yǎng)殖水域、人工鹽田為主的人工濕地急劇增加[30-31]。濕地面積減少,導(dǎo)致濕地的平均彈性度指數(shù)和水文調(diào)節(jié)指數(shù)下降(表5)。淺海養(yǎng)殖大力發(fā)展,1991—2013年,淺海養(yǎng)殖產(chǎn)量增加了232%(表4),由于淺海養(yǎng)殖主要位于水交換能力較差的淺海灘涂和內(nèi)灣水域,使得局部水域環(huán)境惡化。陸源污染物的排放及海水養(yǎng)殖過度等原因,使得海水中的重金屬、氮、磷含量嚴(yán)重超標(biāo)；海洋污染、海水富營養(yǎng)化嚴(yán)重,海域赤潮頻發(fā),面積不斷擴(kuò)大(表5)。黃河入海徑流量是河口生態(tài)系統(tǒng)的主要影響因子[32],自1999年黃河水量統(tǒng)一調(diào)度以來,黃河保持不斷流,因此黃河斷流天數(shù)和徑流量指標(biāo)都優(yōu)于基準(zhǔn)值；但由于黃河流域工農(nóng)業(yè)引沙量的急劇上升且凈流量仍然偏小,致使河口來沙量呈下降趨勢(表4)。

黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況已明顯下降,應(yīng)進(jìn)行科學(xué)管理和生態(tài)恢復(fù)?？刂坪Ｑ蟛稉?養(yǎng)護(hù)海洋生物資源；嚴(yán)禁天然濕地開發(fā),逐步恢復(fù)林草覆蓋,保護(hù)三角洲濕地的生態(tài)環(huán)境；合理規(guī)劃淺海養(yǎng)殖,開展生態(tài)養(yǎng)殖；控制陸源污染等一系列措施亟待實(shí)施,但河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)是復(fù)雜而長期的系統(tǒng)工程,需要建立長期的觀測和評價機(jī)制,更需要社會各界的積極參與與支持。

需要說明的是,生態(tài)系統(tǒng)健康狀況具有時效性,同一系統(tǒng)在不同的時間內(nèi)所面臨的壓力、呈現(xiàn)的狀態(tài)及其做出的響應(yīng)都有差別。本研究基于PSR框架模型構(gòu)建的評價指標(biāo)體系是以研究區(qū)現(xiàn)有的生態(tài)特征和發(fā)展水平為基礎(chǔ)的,隨著黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的自然演變、人類活動方式的改變、人類對河口價值期望的改變以及人類對河口科學(xué)認(rèn)識水平的提高,反映河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平的指標(biāo)也會發(fā)生變化,研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況也會發(fā)生相應(yīng)改變。

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Assessment of the ecosystem health of the Yellow River Estuary based on the pressure-state-response model

NIU Mingxiang1,3,4, WANG Jun1,2,3,4,*, XU Binduo5

1YellowSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Qingdao266071,China2LaboratoryforMarineEcologyandEnvironmentalScience,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266200,China3KeyLaboratoryofSustainableDevelopmentofMarineFisheries,MinistryofAgriculture,Qingdao266071,China4ShandongProvincialKeyLaboratoryofFisheryResourcesandEcologicalEnvironment(SFREE),Qingdao266071,China5CollegeofFisheries,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China

As the main channel of matter exchange between riverine and marine environments, estuarine ecosystems have been subjected to growing environmental interference and disturbance. Anthropogenic activities and the interactions between land and sea considerably affect estuarine ecosystems and health, and they have resulted in challenges for ecosystem management. Ecosystem health assessment, a new method of ecosystem assessment, determines the current ecosystem structure and function, and provides substantial information necessary for effective ecosystem management. Therefore, for the management of the Yellow River Estuary, a pressure-state-response (PSR) method was used to assess the health status of the ecosystem. The estuary and the adjacent marine and terrestrial ecosystems were considered an entity under the broad definition of estuarine ecosystems. An ecosystem health assessment indicator system was developed, taking external pressure, ecosystem state, and response parameters into consideration to calculate indicators of regional ecosystem health. The health status of the Yellow River estuarine ecosystem was then assessed using a comprehensive evaluation index (CEI), including historical data from 1991. The results showed that the overall index of the Yellow River Estuary was 0.7427 in October 2013. In detail, the response index was 0.9055, which indicates that the Yellow River estuarine ecosystem was “very healthy,” suggesting the policy and behavior of local government, relevant departments, and individuals reduced the pressure on the regional environment to a certain extent. The pressure index was 0.8288, which indicates that the ecosystem was at a “good status,” but has been under growing pressure and its health has deteriorated. The state index was 0.6458, suggesting that the ecosystem is “unhealthy” and is under considerable pressure, requiring improvement. Overall, the current status of the Yellow River estuarine ecosystem was reasonably “healthy” as compared to that in 1991, but it has deteriorated. The state index showed the most serious decline among pressure, state, and response indexes. The main reasons for the health degradation of the Yellow River estuarine ecosystem were investigated by analyzing the index variation and its weight. The factors resulting in the deterioration included overfishing, unreasonable wetland development, over-farming in shallow seawater, and pollution. Therefore, actions should be taken to prevent further deterioration through ecological restoration and appropriate management of the Yellow River estuarine ecosystem. Any future development should be based on scientific planning for the sustainability of the ecosystem.

ecosystem; health assessment; PSR model; CEI (comprehensive evaluation index); Yellow River Estuary

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303050)；黃海水產(chǎn)研究所級基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(20603022013001)；國家自然基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406403)

2015- 08- 13;

日期:2016- 06- 14

10.5846/stxb201508131702

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangjun@ysfri.ac.cn

牛明香, 王俊, 徐賓鐸.基于PSR的黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價.生態(tài)學(xué)報,2017,37(3):943- 952.

Niu M X, Wang J, Xu B D.Assessment of the ecosystem health of the Yellow River Estuary based on the pressure-state-response model.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):943- 952.