南海典型珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究

吳瑩瑩, 雷新明, 黃暉, 張浴陽, 丁德文,3

1. 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301;

2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

3. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061

生態(tài)系統(tǒng)是指在自然界一定的空間內(nèi), 生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體。生態(tài)系統(tǒng)健康是指在這個統(tǒng)一整體中, 生物與環(huán)境之間相互影響、相互制約, 并在一定時期內(nèi)處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)(林麗芳 等, 2018; 孫有方 等, 2018)。生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究有助于更好地理解和管理人類行為以提升環(huán)境質(zhì)量, 近年來其研究尺度從群落到生態(tài)系統(tǒng)、到景觀不斷拓展, 其成果已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到河流生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)中。較早出現(xiàn)的評價方法是“生物指標(biāo)評價法”(Idris et al, 2006;牛文濤 等, 2009), 該方法較好地解決了用單一類型指標(biāo)快捷評價珊瑚礁健康狀況的問題(Pennisi, 1997;Jameson et al, 2001; Risk et al, 2001), 其局限性主要在于未引入生態(tài)系統(tǒng)水平上的綜合指標(biāo), 具體體現(xiàn)在兩個方面: 一是僅從生態(tài)系統(tǒng)脅迫角度評價生態(tài)系統(tǒng)健康不適用于系統(tǒng)整體健康發(fā)展趨勢的預(yù)測需求; 二是評價指標(biāo)的全面性和反應(yīng)靈敏度不足。由于單一物種與整體生態(tài)系統(tǒng)功能和性質(zhì)變化相關(guān)性較弱, 系統(tǒng)受脅迫初期指標(biāo)因素可能會發(fā)生反應(yīng)滯后或超前或不能區(qū)分正常擾動和異常波動等問題。此外, 前人提出的物種篩選方法并沒有建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 因而也影響了研究效果。另一種較為常用的健康評價方法是“結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)評價法”, 相關(guān)的評價模型有“生態(tài)-經(jīng)濟-社會”評價模型(崔保山 等,2003)、“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型(肖佳媚, 2007)、“活力-組 織 力-恢 復(fù) 力”模 型(Argüelles-Jiménez et al,2020)。結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)評價法能夠反映外界脅迫的長期累積效應(yīng), 優(yōu)點是穩(wěn)健性較高。但其敏感性較低,對環(huán)境和健康狀況的變化反映需要較長時間的監(jiān)測分析。結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)評價法存在三方面問題: 一是缺少系統(tǒng)性的理論支撐, 在原理層面沒有系統(tǒng)性地闡述珊瑚礁生態(tài)健康評價方法的理論依據(jù), 例如沒有提出評價模型構(gòu)建機制、指標(biāo)體系建立的理論依據(jù); 二是指標(biāo)組合不成體系, 沒有建立指標(biāo)篩選原則和篩選標(biāo)準(zhǔn); 三是模型時空普適性不夠, 評價模型之間差異較大, 不利于在不同地域和發(fā)展時期的遷移使用, 影響研究結(jié)論之間的比較分析。

海洋生態(tài)系統(tǒng)是一類復(fù)雜的社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 其龐大的組織結(jié)構(gòu)、循環(huán)交錯的能量流動網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)平衡的群落演替等特征, 決定了其并不適合通過選取有限的幾個指示物種進行綜合健康評價的方法。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康水平下降導(dǎo)致珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)逐漸被其他生態(tài)系統(tǒng)替代, 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)組成的更高層級的系統(tǒng)整體受損, 更嚴(yán)重的將會造成高層級系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)斷開或受阻, 珊瑚生存環(huán)境更加窘迫?？梢? 僅討論珊瑚礁本身的壓力和響應(yīng)不能體現(xiàn)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康水平和發(fā)展趨勢, 需要拓寬評價視野,將人與自然系統(tǒng)作為一個整體去考慮, 建立涵蓋面廣、信息量大的指標(biāo)體系, 從更高層級反映珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的實際狀態(tài)和未來趨勢。綜上, 本文提出珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法的設(shè)計思路為: 1) 健康的生態(tài)系統(tǒng)具有良好的組織力。組織力是維系復(fù)雜活躍的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機制的統(tǒng)稱, 是個體獨特的基因構(gòu)成、發(fā)育路徑、組織規(guī)律和進化動力學(xué)共同作用的結(jié)果。生態(tài)系統(tǒng)健康的概念已經(jīng)不單純是一個生態(tài)學(xué)上的定義, 在系統(tǒng)組織力的維系下,生態(tài)、社會經(jīng)濟、人類健康三個領(lǐng)域合在一起形成了獨一無二的生物物種和生態(tài)組合規(guī)律。2) 健康的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物種結(jié)構(gòu)是完整有序的, 例如種間關(guān)系和功能良好, 生物多樣性或系統(tǒng)復(fù)雜性高。在時間水平上, 同一段時間內(nèi)群落演替保持有序進行, 演替進程未因外界環(huán)境變化而中斷, 具有良好的系統(tǒng)彈性; 在空間水平上, 同一區(qū)域內(nèi)物種之間遵循互惠共生的法則(牛文濤 等, 2009, 2010),系統(tǒng)處于高效產(chǎn)能狀態(tài), 未受到外界擾動。3) 在組織力調(diào)節(jié)下, 各種構(gòu)成個體聚集成為與個體特性簡單相加完全不同的全新的整體特性。其生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論體系不僅包括生態(tài)系統(tǒng)生理方面的要素,而且還應(yīng)包括復(fù)雜的人類價值及生物的、物理的、倫理的、藝術(shù)的、哲學(xué)的和經(jīng)濟學(xué)的觀點。

本文在借鑒前人評價方法的基礎(chǔ)上, 基于生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)復(fù)雜性原理提出了一種普適性較強且指標(biāo)體系較為完整的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法, 擬命名為“組織力及系統(tǒng)功能評價法”。同時, 系統(tǒng)地提出了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價工作的完整流程,即: 建立珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)通用型評價框架→篩選關(guān)鍵指標(biāo)形成健康評價指標(biāo)體系→設(shè)計符合區(qū)域特點的評價模型→結(jié)合實地調(diào)研及歷史數(shù)據(jù)復(fù)核評價模型的科學(xué)性和有效性→完善通用型評價框架, 促使評價框架和指標(biāo)不斷在實踐中得到完善和提升。本文研究成果將為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價與管理提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗對象及數(shù)據(jù)來源

本研究的實驗對象為西沙群島海域珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)來源于實地調(diào)查及南海珊瑚礁科學(xué)考察報告、海南省統(tǒng)計年鑒、海南省生態(tài)環(huán)境廳生態(tài)環(huán)境及海洋環(huán)境公報。生物類數(shù)據(jù)來自2005—2008年西沙群島部分島礁(永興島、趙述島、金銀島、東島、北島、羚羊礁、西沙洲、晉卿島、甘泉島)的56個調(diào)查站位每年2個航次的生物調(diào)查結(jié)果, 調(diào)查范圍為109°13′—112°51′E、16°60′—18°13′N。環(huán)境類數(shù)據(jù)來自國家環(huán)境保護總局、海南省生態(tài)環(huán)境廳、國家自然資源部南海局2001—2019年發(fā)布的有關(guān)中國近岸及海南省的生態(tài)環(huán)境及海洋環(huán)境公報。經(jīng)濟類數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局2010—2019年海南省統(tǒng)計年鑒。具體包括: 1) 海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院,《西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)報告》(2014—2018年); 2)海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院, 《海南省海洋自然保護區(qū)生物多樣性調(diào)查報告》(2016—2018年); 3) 中國科學(xué)院南海海洋研究所,《珊瑚礁生態(tài)調(diào)查研究報告》(2005年、2006年、2015年); 4) 海南省統(tǒng)計局,《海南統(tǒng)計年鑒》(2010—2019年); 5) 國家環(huán)境保護總局,《中國近岸海域(生態(tài))環(huán)境質(zhì)量公報》(2001—2018年); 6) 海南省生態(tài)環(huán)境廳(原海南省海洋與漁業(yè)廳), 《海南省(生態(tài))環(huán)境狀況公報》(2009—2019年);7) 海南省生態(tài)環(huán)境廳(原海南省海洋與漁業(yè)廳),《海南省海洋環(huán)境狀況公報》(2005—2018年); 8) 國家自然資源部南海局, 《南海區(qū)海洋環(huán)境狀況公報》(2009—2016年)。

1.2 評價指數(shù)

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價采用分級指標(biāo)評分法,逐級加權(quán), 綜合評定健康指數(shù), 然而目前并沒有統(tǒng)一公認(rèn)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。珊瑚礁健康狀況通常劃分為4級: 理想狀況、健康、亞健康、不健康(表1)。

表1 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評估分級表Tab. 1 Grading results of coral health appraisal

評價為“健康”表明珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)保持其自然屬性, 生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定, 生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能正常發(fā)揮, 病害或人為活動所產(chǎn)生的生態(tài)壓力在生態(tài)系統(tǒng)的承載范圍之內(nèi)。評價為“亞健康”表明珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)基本保持其自然屬性,生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變,生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能不能完全正常發(fā)揮, 病害或人為活動所產(chǎn)生的生態(tài)壓力超出生態(tài)系統(tǒng)的承載能力, 但生態(tài)系統(tǒng)在去除人為干預(yù)的情況下尚能自然修復(fù)。評價為“不健康”表明珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)自然屬性明顯改變, 生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大程度改變, 生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能嚴(yán)重退化或喪失,病害或人為活動所產(chǎn)生的生態(tài)壓力超出生態(tài)系統(tǒng)的承載能力, 生態(tài)系統(tǒng)在短期內(nèi)難以恢復(fù)。

1.3 評價框架

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是一個開放的復(fù)雜系統(tǒng), 由珊瑚蟲、海星、海膽、螺類等底棲生物、藍(lán)藻等浮游生物、珊瑚礁魚類、細(xì)菌真菌類等無數(shù)個體聚集而成的相對獨立的一個整體(雷新明 等, 2019)。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架作為健康評價工作的基礎(chǔ)和核心, 應(yīng)體現(xiàn)出珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)這種獨一無二的生物物種和生態(tài)組合規(guī)律?；谏鷳B(tài)學(xué)和系統(tǒng)復(fù)雜性理論, 將珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、能量循環(huán)及動態(tài)平衡等獨特的整體特征納入框架, 同時結(jié)合珊瑚礁調(diào)查和觀測情況, 梳理統(tǒng)籌生物群落、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟、人類健康等各方面因素, 形成了關(guān)于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康的評價框架(趙帥 等,2013; 柴立和 等, 2004)。

本研究根據(jù)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能重要因素的比重關(guān)系, 邀請業(yè)內(nèi)專家, 根據(jù)西沙群島珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)獨特的物候條件和高度豐富的物種結(jié)構(gòu)以及近年島礁開發(fā)情況, 篩選了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面的關(guān)鍵要素組成評價框架(表2)。該評價框架包括四大模塊, 分別是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與其他海洋生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系、與人類社會生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展制約因素。第一模塊為生物類因素, 是體系評價的固定板塊;第二至第四模塊統(tǒng)稱為環(huán)境類因素, 可隨地域特性和調(diào)查情況設(shè)置個性化的評價指標(biāo)及權(quán)重參與生態(tài)系統(tǒng)整體評價。

表2 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架Tab. 2 Evaluation framework of coral reef ecosystem

本文提出的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架, 是對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法規(guī)范化和范式化的一次新嘗試。它涵蓋了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能、壓力、物理化學(xué)、社會經(jīng)濟及人類健康等各類指標(biāo),能從綜合層面反映珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量。評價框架的第一模塊是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能, 這個大類包含三小類系統(tǒng)能力, 分別是系統(tǒng)內(nèi)生物共生能力、互惠能力和系統(tǒng)彈性恢復(fù)能力。系統(tǒng)互惠是指物質(zhì)能量循環(huán)順暢時, 系統(tǒng)內(nèi)生物能夠通過物質(zhì)能量交換來獲得必須的營養(yǎng)物質(zhì); 系統(tǒng)彈性是指珊瑚繁殖率及補充量高時, 系統(tǒng)能夠在逆境中保持種群的延續(xù)性。本文將從物種和種群兩個水平上分別評估共生能力。在物種水平上, 共生關(guān)系的基礎(chǔ)是組織黏性和關(guān)鍵種存量, 當(dāng)消費者、生產(chǎn)者、分解者存量豐富且組成交錯牢固的食物鏈時, 會產(chǎn)生較強的組織黏性; 造礁石珊瑚關(guān)鍵種存量較高且無天敵威脅的情況下, 能夠構(gòu)建堅固的珊瑚礁礁體(黃林韜等, 2020), 為珊瑚礁生物提供賴以生存的物理生境(蔡澤富 等, 2015)。種群水平上的共生體現(xiàn)為種群組成的動態(tài)平衡, 建立于物種多樣性和均勻度較高的基礎(chǔ)之上(Huang et al, 2006)。評價框架的第二模塊是生態(tài)系統(tǒng)與其他海洋生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系。系統(tǒng)間關(guān)系按地質(zhì)地貌分為陸地和水域兩大類, 陸地模塊包括生物棲息地保護和城市建設(shè)、自然災(zāi)害、地理分布和深度三類指標(biāo), 例如用森林及保護區(qū)占比衡量生物棲息地情況, 用巨浪天數(shù)、潮高超標(biāo)次數(shù)衡量自然災(zāi)害破壞水平。水域模塊包括水域富營養(yǎng)化程度和季節(jié)性洋流軌跡變化。評價框架的第三模塊是生態(tài)系統(tǒng)與人類社會生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系, 分為人類社會系統(tǒng)壓力和人類社會系統(tǒng)彈性兩類。壓力來源為人口與環(huán)境(施祺 等, 2007), 具體的壓力指標(biāo)包括生存資源占用、治污排污技術(shù)水平。彈性來源于城市建設(shè)、經(jīng)濟政治博弈, 具體為城市生態(tài)文明建設(shè)的實際舉措和遠(yuǎn)景規(guī)劃、漁業(yè)、運輸業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展以及主權(quán)領(lǐng)土和能源爭奪戰(zhàn)爭。評價框架的第四模塊是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展制約因素, 包括了人文因素、水域因素、氣候因素、時間因素。人文因素具體為人口增長、經(jīng)濟及制造業(yè)發(fā)展、國家政策及國際形勢、城市建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展等; 水域因素為洋流、溫室效應(yīng)、富營養(yǎng)化及石油泄漏等; 氣候因素為自然災(zāi)害等; 時間因素為引發(fā)系統(tǒng)健康整體改變的時間累積效應(yīng)。

1.4 評價指標(biāo)體系

按照評價框架的模塊劃分, 結(jié)合前人的珊瑚礁調(diào)查資料及篩選標(biāo)準(zhǔn), 選擇一系列關(guān)鍵性指標(biāo),之后運用層次分析法將關(guān)鍵指標(biāo)在時間和空間層級分類排序, 構(gòu)建起珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵指標(biāo)體系。關(guān)鍵性指標(biāo)是體現(xiàn)一定時間尺度內(nèi)系統(tǒng)被干擾的指示標(biāo)記。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的演化系統(tǒng), “不穩(wěn)定—變化—穩(wěn)定”是組織在干擾中趨向于相對穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程, 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生了顯著不同的波動時, 關(guān)鍵性指標(biāo)應(yīng)出現(xiàn)實時或滯后的顯著變化(黃暉 等, 2008, 2011)。因此, 本文將關(guān)鍵性指標(biāo)的篩選標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為: 第一,關(guān)鍵性指標(biāo)應(yīng)是可指示系統(tǒng)受到干擾后的恢復(fù)能力指標(biāo); 第二, 關(guān)鍵性指標(biāo)應(yīng)具有整體關(guān)鍵性,若失去關(guān)鍵要素或關(guān)鍵要素及其相關(guān)的反饋作用發(fā)生變化, 將影響本層次甚至更高層次的結(jié)構(gòu)、功能和運動規(guī)律。

本研究以南海典型珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)服務(wù)功能為主要評估內(nèi)容, 建立了南海典型珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系(見表3), 共包括5個層次: 1) 第1層次是目標(biāo)層, 為“生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)”。2) 第2層次是次目標(biāo)層, 包括: ①“生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)平衡水平”, 用于評價珊瑚礁在人類活動的干擾下與健康狀態(tài)的距離, 以反映系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定程度; ②“生態(tài)系統(tǒng)間平衡水平”, 用于評價珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與外部其他生態(tài)系統(tǒng)間的平衡狀態(tài)及趨勢。3) 第3層次是準(zhǔn)則層, 包括目標(biāo)層中“生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)平衡水平”劃分的“生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均衡性: 共生關(guān)系”和“生態(tài)系統(tǒng)功能: 互惠關(guān)系”2個準(zhǔn)則, 以及“生態(tài)系統(tǒng)間平衡水平”劃分的“地理環(huán)境-棲息地破壞水平”“水環(huán)境變化”和“人類社會環(huán)境發(fā)展水平”3個準(zhǔn)則。4) 第4層是次準(zhǔn)則層, 包括“物種間共生關(guān)系和功能”“種群組成動態(tài)平衡水平”“物質(zhì)能量循環(huán)-魚類密度與石珊瑚覆蓋率比值”“系統(tǒng)彈性, 繁衍和恢復(fù)力”“人為開發(fā)”“自然災(zāi)害”“生產(chǎn)力相關(guān)水文條件”“水質(zhì)條件”“人類生活環(huán)境”“人口素質(zhì)”“環(huán)保水平”“經(jīng)濟發(fā)展”等12個次準(zhǔn)則。5) 第5層次是因素層, 包括“組織黏性”“關(guān)鍵物種生物量”“物種多樣性”“物種均勻度”“病害”“幼體補充量”“死亡率”“森林覆蓋率”“自然保護區(qū)占比”“自然災(zāi)害強度”“自然災(zāi)害頻率”“海水pH”“海表溫度”“海水透明度”“懸浮物”“重金屬含量”“富營養(yǎng)水平”“站點油類含量”“污水排放量”“污水水質(zhì)”“人口密度”“文盲率”“農(nóng)村居民人均可支配收入”“城鎮(zhèn)污水處理率”“農(nóng)村生活污水處理率”“工業(yè)固體綜合利用率”“生活垃圾無害化處理率”“漁業(yè)捕撈發(fā)展”“海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展”“貨物吞吐量”“旅游業(yè)發(fā)展”“工業(yè)制造業(yè)發(fā)展”等32大類。6) 第6層是要素層, 包括67項指標(biāo)。

1.5 評價模型設(shè)計

根據(jù)達爾文自然選擇學(xué)說闡述的生物體和生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)與進化過程, 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)具有根據(jù)外部環(huán)境條件變化適應(yīng)和進化的能力。生態(tài)系統(tǒng)的均衡狀態(tài)是一個持續(xù)的重組—退化—發(fā)展的動態(tài)平衡,當(dāng)系統(tǒng)達到自組織的臨界條件時, 系統(tǒng)在適應(yīng)環(huán)境過程中啟動了自調(diào)節(jié)的自組織行為, 逐漸形成珊瑚礁獨特的整體行為與特征。復(fù)雜的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)因存在著由大量個體組成的結(jié)構(gòu)特性而不易于預(yù)測其發(fā)展趨勢, 其中某些組分變動時可能會影響到整個系統(tǒng), 甚至導(dǎo)致系統(tǒng)突然性全面崩潰, 例如極端的白化現(xiàn)象和天敵災(zāi)害對種群結(jié)構(gòu)會造成較大損傷。

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在模型的指標(biāo)組成方面, 對具體區(qū)域進行健康評價時, 結(jié)合研究對象的地域和生態(tài)特征, 運用綜合分析法和層次分析法調(diào)整生物、環(huán)境、社會經(jīng)濟等方面的關(guān)鍵指標(biāo)及權(quán)重, 可建立起該區(qū)域的珊瑚礁健康評價模型。首先, 選擇相應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)。在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架基礎(chǔ)上, 結(jié)合地域特征、生態(tài)水平、調(diào)查情況, 對指標(biāo)體系進行保留和優(yōu)化或者查漏補缺, 可以獲得特定區(qū)域的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型。鑒于西沙珊瑚礁距三亞市榆林港和文昌市清瀾港330km, 可將水質(zhì)條件、污水排放、環(huán)保水平、經(jīng)濟發(fā)展等生態(tài)系統(tǒng)間平衡因素暫不納入至西沙珊瑚礁的健康評價模型中。南渡江是海南省主要河流入?？卩徑Ｓ蚝Ｑ蟓h(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的最主要監(jiān)測位點, 也是海南省五大河流中污染程度較高的流域, 故可將其納入至南海近岸珊瑚礁健康評價模型中, 但不適合列入西沙珊瑚礁健康評價模型。其次, 考慮納入生物多樣性評價指標(biāo)。建立生物因素與珊瑚礁健康程度的關(guān)聯(lián)關(guān)系, 找到珊瑚群落中的模式, 并確定每個物種對場地相似性的貢獻。綜合考慮生物數(shù)據(jù)與珊瑚數(shù)據(jù)的關(guān)系, 以確定每個因素的權(quán)重。食物鏈從頂端到底端呈現(xiàn)為物種豐富、數(shù)量均衡的狀態(tài), 群落演替才能自然持續(xù)地運作下去。由于魚類、底棲生物、浮游生物是食物鏈的重要種群, 因此增加魚類種類、底棲種類、魚類密度、底棲動物密度、浮游植物細(xì)胞豐度、浮游動物豐度、魚類平均體長、底棲動物生物量、浮游動物生物量等指標(biāo)可以提升評價的全面性。

在模型的比較維度方面, 根據(jù)西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境和社會發(fā)展水平, 選擇2011—2018年和2014—2018年兩個時間段, 比較珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康水平受社會經(jīng)濟發(fā)展累積效應(yīng)的影響。在指標(biāo)體系構(gòu)建方面, 設(shè)置含社會環(huán)境指標(biāo)、生物多樣性指標(biāo)和不包含相應(yīng)指標(biāo)的兩套評價指標(biāo)體系, 比較評價結(jié)果受評價體系組成的影響。在人類干擾方面,選擇了受人類干擾較強和較弱的島礁進行比較。綜上, 根據(jù)研究區(qū)域的環(huán)境和社會發(fā)展水平, 對西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)總共設(shè)計了4個健康評價模型, 分別是: ①2011—2018年含環(huán)境指標(biāo)和生物多樣性指標(biāo)的西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型; ②2011—2018年不含環(huán)境指標(biāo)、含生物多樣性指標(biāo)的西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型; ③2014—2018年含環(huán)境指標(biāo)和生物多樣性指標(biāo)的西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型; ④2014—2018不含環(huán)境指標(biāo)、含生物多樣性指標(biāo)的西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型。

本次研究設(shè)計的4個評價模型旨在通過時間、空間、食物鏈等多維度比較來探索珊瑚礁、人類及環(huán)境之間的相關(guān)性, 以及由相互依賴性產(chǎn)生的數(shù)學(xué)及物理指標(biāo)數(shù)據(jù)間的聯(lián)系, 進一步闡釋其內(nèi)在原因和機理, 作出對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)重要特性的粗粒度量化描述, 形成一個基于數(shù)學(xué)或可計算的基本原理而構(gòu)建的理論框架, 使今后能夠在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能層面構(gòu)建理想化的可統(tǒng)計比較的標(biāo)準(zhǔn)量化系統(tǒng), 并基于此為對照或基數(shù)進行在外界環(huán)境條件或進化選擇影響下的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展趨勢預(yù)測, 以應(yīng)對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和長期生存。

1.6 評價方法

本研究采用組織力及系統(tǒng)功能評價法對西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價。首先, 對2011—2018年西沙群島(包括永興島、趙述島、金銀島、東島、北島、羚羊礁、西沙洲、晉卿島、甘泉島)的珊瑚礁進行區(qū)域內(nèi)健康狀況整體評價; 然后, 對2011—2018年北島、西沙洲、永興島、趙述島4個島礁的珊瑚礁分別進行健康評價; 最后, 開展實地調(diào)查和居民問卷調(diào)查, 對評價方法進行科學(xué)性和可行性驗證。

在健康評價指數(shù)計算上, 采用層次分析法以確定指標(biāo)權(quán)重。依據(jù)Saaty提出的1～9標(biāo)度法(吳易雯等, 2017)判斷指標(biāo)的相對重要性, 自上而下對評價體系指標(biāo)及權(quán)重進行分析, 可得到相應(yīng)的區(qū)域評價模型(趙煥臣 等, 1986; 彭濤 等, 2016)。指標(biāo)權(quán)重的確定方法如下:

1) 構(gòu)建判斷矩陣A: 采用專家打分法, 建立環(huán)境因素與珊瑚礁健康程度的關(guān)聯(lián)矩陣; 對于從屬于(或影響)上一層每個因素的同一層諸因素, 用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對比較陣, 確定每個物種對場地相似性的貢獻。用aij表示第i個因素相對于第j個因素的比較結(jié)果。

2) 計算權(quán)向量并作一致性檢驗: 計算判斷矩陣B的最大特征根及對應(yīng)的特征向量。計算公式為:

式中:λmax為B的最大特征根;W為對應(yīng)于B的正規(guī)化特征向量;W的分量Wi即是相應(yīng)因素單排序的權(quán)值。

對于每一個成對比較陣計算得到的最大特征根及對應(yīng)特征向量, 利用一致性指標(biāo)CI、隨機一致性指標(biāo)RI和一致性比率CR作一致性檢驗。當(dāng)CR≤0.1時, 檢驗通過, 特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量;若不通過, 則需重新構(gòu)造成對比較陣。一致性檢驗公式為:

式中: CI為層次總排序一致性指標(biāo); RI為層次總排序平均隨機一致性指標(biāo); CR為層次總排序隨機一致性比率;n為因素個數(shù)。

3) 層次總排序及指標(biāo)權(quán)重計算: 利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果, 可以計算針對上一層次而言的本層次所有因素重要性的權(quán)值。若中間層包含m個主因素A1、A2……Am, 其層次總排序權(quán)值分別為a1、a2……am; 而最底層包含n個子因素B1、B2……Bn, 它們對于因素Aj的層次單排序權(quán)值分別為b1j、b2j……bmj。當(dāng)Bi與Aj無聯(lián)系時,bij=0, 最底層的子因素Bi的總權(quán)重公式則為:

本研究采用綜合指數(shù)法進行珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)計算, 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價綜合指數(shù)(Coral Reef Ecosystem Health Assessment Comprehensive Index, CHI)的數(shù)值范圍是0～100, 計算公式如下:

式中: CHI為珊瑚礁健康評價綜合指數(shù);Wi表示第i個一級指標(biāo)的權(quán)重;Yij表示第i個一級指標(biāo)中的第j個二級指標(biāo)的賦值得分;Wij表示第i個一級指標(biāo)中的第j個二級指標(biāo)的權(quán)重。

評價指標(biāo)P的指數(shù)計算方法為:

式中:Er是第q項評價指標(biāo)的第r個樣品(或樣方)的賦值;n是評價指標(biāo)監(jiān)測樣品總數(shù)(或監(jiān)測樣方總數(shù))。

2 評價結(jié)果

以2011—2018年度西沙群島生態(tài)系統(tǒng)常規(guī)調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ), 采用包含環(huán)境因素和不包含環(huán)境因素的兩個珊瑚礁健康評價體系, 對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)進行了健康評價。結(jié)果顯示, 西沙群島健康指數(shù)年均降低約2.3%～2.4%(圖1—4), 期間未見明顯回升,一直保持在亞健康的水平。

圖1 2011—2018年西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀況評價結(jié)果Fig.1 Health evaluation results of entire Xisha coral reef ecosystem (2011-2018)

將2011—2018年西沙群島珊瑚礁健康評價指數(shù)和環(huán)境指標(biāo)進行相關(guān)性分析, 結(jié)果顯示, 與島礁珊瑚礁健康狀況顯著相關(guān)(p＜0.01)的環(huán)境因素包括:森林覆蓋率、海洋傾倒量、工業(yè)固體廢物、全省常住人口密度、海水養(yǎng)殖產(chǎn)值占海水產(chǎn)品產(chǎn)值比重、貨物吞吐量、旅游總收入、原油加工量、商品混凝土產(chǎn)量、粗鋼產(chǎn)量。從影響顯著的環(huán)境因子類型可知, 增設(shè)自然保護區(qū)、控制上島人口、增強工業(yè)生活廢水垃圾處理率、減少海洋傾倒量等措施均有利于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)。

根據(jù)海南省政府及當(dāng)?shù)乜蒲袡C構(gòu)2014—2018年發(fā)布的《西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)報告》和2005—2018年發(fā)布的《海南省海洋環(huán)境狀況公報》, 2005年和2009年西沙珊瑚礁的健康水平出現(xiàn)了較大幅度的降低, 這兩年為變化峰值年份。吳瑩瑩（2020）采用模擬計算法測試了評價模型的科學(xué)性和預(yù)測水平, 含環(huán)境和不含環(huán)境因素的西沙珊瑚礁健康指數(shù)在2003—2017年期間波峰為2005年和2012年, 波谷為2009年, 波峰與波谷指數(shù)差距在10～15左右,與歷史記錄吻合。根據(jù)2019年對西沙群島漁民捕撈量及捕撈船只的調(diào)查結(jié)果, 2019年11月七連嶼漁民捕魚1311.5kg, 其中赤口螺、太陽螺、毛蟹、紅蟹、排蝦等1124.2kg, 魚類僅有187.3kg。據(jù)不完全統(tǒng)計,2019年4—11月漁民捕撈的魚類為19種, 底棲動物8種, 共計2442.1kg, 10年內(nèi)漁業(yè)產(chǎn)量下降了50%～80%。結(jié)合永興島居民入戶調(diào)查問卷結(jié)果得知,2006—2008年較快的漁業(yè)發(fā)展、2012年嚴(yán)重的海星泛濫、2014—2015年啟動的島礁建設(shè)等歷史事件可能是近10年來西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化的主要因素, 對西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)造成了較大影響。這與本文的珊瑚礁健康評價指數(shù)反映的歷年健康狀況變化也較為吻合, 可以側(cè)面驗證本評價模型的設(shè)計與珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)運行模式是比較符合的,模型評價結(jié)果能夠反映珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的整體健康水平。

圖2 2011—2018年西沙各島礁珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果Fig.2 Coral reef ecosystem health assessment results at various islands in Xisha (2011-2018)

圖3 2014—2018年西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀況評價結(jié)果Fig.3 Health evaluation results of entire Xisha coral reef ecosystem (2014-2018)

3 分析與討論

3.1 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型的科學(xué)性

本文提出的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法——組織力及系統(tǒng)功能評價法, 在空間層次上將研究范圍拓展到了更高層級的人與珊瑚礁組成的整體生態(tài)系統(tǒng)。有研究認(rèn)為, 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物個體及單個系統(tǒng)不能獨立生存, 依靠廣泛的、大量的聯(lián)系生存,系統(tǒng)的上、下游是系統(tǒng)物質(zhì)能量流動的來源和去處,系統(tǒng)與周圍其他系統(tǒng)進行物質(zhì)能量交換(王賽, 2016;馬孟磊 等, 2020), 在更高層級上可以理解為所有這些系統(tǒng)再次組合, 并構(gòu)成一個更大的開放性整體。本研究提出的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法將珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)間存在的交叉影響進行量化比較, 從而體現(xiàn)出島礁生態(tài)系統(tǒng)的獨特個性,即人類社會經(jīng)濟、科技、政治等子系統(tǒng)與珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的子系統(tǒng)共同形成的具有地域人文特色的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)。本研究關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康評價的理論與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架理論的最新進展較為接近, 近年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究模型由半定性評價逐漸過渡為全定量地對生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、功能、服務(wù)進行多層級的綜合評估(Armo?kait? et al,2020)。

組織力及系統(tǒng)功能評價法在時間跨度和指標(biāo)體系選擇方面充分考慮了環(huán)境對系統(tǒng)的影響作用。造成珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)擾動的外界環(huán)境作用包括自然選擇和人為干擾兩方面, 來自自然選擇的干擾有自然災(zāi)害和正常種間競爭(張喬民 等, 2007); 來自人為干擾的有造礁、旅游業(yè)發(fā)展、采礦、捕撈等人類直接接觸傷害, 以及生活污水、溫室效應(yīng)、富營養(yǎng)化水體、養(yǎng)殖等人類間接傷害(Eastwood et al, 2017;Tebbett et al, 2018; Ding et al, 2019)。本研究選擇了西沙開發(fā)建設(shè)及海南島社會經(jīng)濟跨越式發(fā)展的主要時間段作為調(diào)查時段, 同時將自然選擇和人為干擾因素納入評價指標(biāo)體系, 比較珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在人為干擾程度逐年升高過程中的健康狀況變化。在健康評價模型中, 增加了衡量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或衡量種群組成動態(tài)平衡水平的指標(biāo), 例如物種多樣性、均勻度指標(biāo); 增加了衡量食物鏈完整度的指標(biāo), 例如底棲浮游魚類存量、天敵密度等; 增加了與健康指數(shù)顯著相關(guān)的因素, 如農(nóng)田水利有效灌溉面積、化肥施用量、文盲率、農(nóng)村全年人均可支配收入、城市生活垃圾無害化處理率、海水捕撈產(chǎn)量占海水產(chǎn)品比重、海水捕撈產(chǎn)值占海水產(chǎn)品產(chǎn)值比重、機制紙及紙板產(chǎn)量。西沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況比較結(jié)果說明, 健康指數(shù)下降與島礁近年捕撈量、城市建設(shè)發(fā)展水平上升有顯著相關(guān)關(guān)系, 可見食物鏈完整度類指標(biāo)、種群組成動態(tài)平衡類指標(biāo)能夠較好地反映系統(tǒng)健康水平的變動, 是適合本區(qū)域的關(guān)鍵評價指標(biāo)。

圖4 2014—2018年西沙各島礁珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果Fig.4 Coral reef ecosystem health assessment results at various islands in Xisha (2014-2018)

本研究對組織力及系統(tǒng)功能評價法在系統(tǒng)調(diào)控和反饋方面也進行了探索, 進一步完善了評價指標(biāo)體系構(gòu)建的理論基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上的調(diào)節(jié)機制, 既是自上而下的調(diào)節(jié)控制, 也是自下而上的級聯(lián)反應(yīng)關(guān)系(趙衛(wèi)東 等, 2001)。實際的生態(tài)系統(tǒng)間影響會受到周期、頻率、速率、反應(yīng)時間的限制, 例如發(fā)生反應(yīng)的延遲、抵消及放大效應(yīng), 因此局部或者外觀上的惡化或者短期內(nèi)突發(fā)的白化不一定代表珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)整體的退化(Lanct?t et al,2020; Graham et al, 2020)。為避免評價結(jié)果受系統(tǒng)反應(yīng)延遲、抵消或放大影響的局限性, 本研究設(shè)計了包含生物環(huán)境因素、影響周期長短因素、局部整體因素、天敵因素等四維度交錯的各類評價模型。比較含環(huán)境因素與不含環(huán)境因素評價體系的健康指數(shù)發(fā)現(xiàn), 含環(huán)境因素的評價體系對珊瑚礁健康水平變化的反應(yīng)更為敏銳。例如, 在2005年、2012年和2015年珊瑚礁健康水平好轉(zhuǎn), 以及2009年和2014年惡化這些轉(zhuǎn)折事件發(fā)生前, 含環(huán)境因素評價體系的珊瑚礁健康指數(shù)走向出現(xiàn)了比不含環(huán)境因素評價體系的健康指數(shù)更為顯著的上升或下降。因此, 含環(huán)境因素的評價體系更符合西沙地域的特點, 采用該評價模式能夠為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展趨勢提供比較科學(xué)的預(yù)測。同時, 組織力及系統(tǒng)功能評價法能夠通過調(diào)節(jié)評價模型的方式, 對不同區(qū)域珊瑚礁在組織結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)功能等層級進行同一時期內(nèi)的橫向比較, 也可以對生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)外相互作用過程進行不同時間上的縱向比較, 綜合橫向和縱向評價結(jié)果可得到立體的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)畫像。根據(jù)同期對南海近岸珊瑚礁的評價研究結(jié)果得知, 大區(qū)域、長時間尺度模型的預(yù)測結(jié)果更為穩(wěn)健,因此本方法在跨區(qū)間的健康評價研究方面是一種能夠綜合評價系統(tǒng)組織力和系統(tǒng)功能的動態(tài)評價方法。

綜上, 組織力及系統(tǒng)功能評價法作為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法, 將珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)拓展為人類和珊瑚礁協(xié)調(diào)共生的生態(tài)系統(tǒng), 以珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與其他海洋生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與人類社會生態(tài)系統(tǒng)間關(guān)系、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展制約因素為主要框架,結(jié)合地域特點選擇關(guān)鍵指標(biāo)組成個性化珊瑚礁健康評價體系。與目前已有的評價體系相比, 其評價框架能夠較好地體現(xiàn)出珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、能量流及動態(tài)平衡等獨特的整體特征; 其關(guān)鍵指標(biāo)能夠比較全面地表征珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及與周邊生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用, 較好地反映出當(dāng)?shù)厣汉鹘干鷳B(tài)系統(tǒng)的整體健康水平, 具有統(tǒng)籌綜合、結(jié)構(gòu)靈活、計算便捷的特點。

3.2 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型的潛在應(yīng)用價值

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型的設(shè)計意義不僅在于綜合動態(tài)地掌握珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況, 更重要的是在于其潛在應(yīng)用價值: 1) 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的綜合健康水平能夠用于預(yù)測已衰退的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到自然平衡狀態(tài)的可能性;2) 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康評價過程與記錄能為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)方案提供設(shè)計思路和指導(dǎo)方向; 3) 對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測規(guī)劃提出關(guān)于監(jiān)測數(shù)據(jù)來源、傳輸、采樣方式、數(shù)據(jù)處理方法等的具體需求, 可加快監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)效率; 4) 將珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康評價框架、指標(biāo)體系、評價模型、評價過程及結(jié)果數(shù)據(jù)、監(jiān)測綜合網(wǎng)絡(luò)與人類生態(tài)城市建設(shè)、海洋服務(wù)價值結(jié)合起來, 可為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)與人類社會共同可持續(xù)發(fā)展探索新方向。