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作者：蒲新明傅明珠王宗靈張新軍單位：國家海洋局第一海洋研究所海洋生態環境科學與工程國家海洋局重點實驗室山東省榮成市海洋與漁業局

生態系統健康的概念與評價方法概述

生態系統健康的概念目前已經得到公眾、學者和管理者的廣泛關注，并成為生態系統管理的重要依據。雖然生態系統健康目前尚沒有統一和明確的概念，但它所包涵的意義已被逐漸認識:(1)生態系統的健康就是指某個生態系統結構穩定、功能健全，對外界環境壓力具有抵抗力和恢復力，不發生生態災害;(2)生態系統健康不是僅指生態系統的自然狀態，還取決于人的價值觀;(3)需要用整體性和系統性的觀點看待生態系統的現狀和問題，才能準確認識生態系統的健康。生態系統健康的概念提法很多，目前一般認為，如果一個生態系統是穩定、持續和活躍的，能夠維持其組織結構，受到干擾后能夠在一段時間內自動恢復過來，則這個生態系統是健康的。

目前，生態系統健康評價方法主要有8種，適用于海洋生態系統的有4種，分別為指示物種法、營養級分析法、生態過程速率法和指標體系法，但最常用的為指示物種法和指標體系法。前者主要依據生態系統的關鍵物種、特有物種等的數量、生產力、多樣性及一些生理生態指標描述生態系統的健康狀況;后者則充分考慮了生態系統的復雜性，將多種指標與信息集成在一起，全面地反映生態系統的健康狀況。由于指示物種法具有篩選標準不明確、難以選擇合適的生物類群等缺點，近年來指標體系法在海洋生態系統健康評價中得到了更為廣泛的應用，例如緬因灣、Chesapeak灣、芬迪灣、香港的Tolo港、長江口、黃河口以及浙江近海等采用不同的指標體系進行了環境質量與生態系統的評價。

不同的海洋生態系統具有獨特的生物群落結構和生態系統功能，因此建立廣泛應用的評價指標體系是十分困難的，需要對不同的生態系統制定具有針對性的評價方法。海水養殖生態系統的演變與退化包括一般生態系統演變的幾個環節，即:在養殖活動和污染等環境壓力下，反映生態系統的結構和功能現狀的狀態指標發生了變化，并進一步導致了一系列的環境與生態問題。因此本文以壓力-狀態-響應這3個步步承接又相對獨立的層次為主線，采用指標體系法和層次分析法建立了海水養殖生態系統綜合評價方法，以闡明生態系統健康存在的問題、引發的原因和導致的后果等。

海水養殖生態系統健康評價目標與原則

海洋生態系統健康評價的目的不僅在于能給出一個生態系統健康的分數或級別，更在于在海洋生態系統調查和研究與海洋的管理方案、保護措施以及民眾知情之間建立一個溝通的橋梁，把晦澀難懂的科學語言和符號經過分析、提煉、綜合，以容易理解的方式向管理者或公眾解釋目標海域生態系統的基本特點、面臨的主要環境壓力和存在的主要環境問題，以指導有關該海域的開發、利用、保護等各種行為。生態系統本身的模糊性、波動性等特點決定了不可能對其健康程度給出非常精確的數量化描述;但為了體現生態系統的歷史演化趨勢和不同生態系統間的差別，應該給出生態系統健康的可量化指標。為了協調這二者之間的矛盾，以等級劃分這種半定量的方式對生態系統進行健康評價是適宜的。海水養殖生態系統健康評價的主體是海水養殖生態系統，因此需要從生態系統的整體性、穩定性和可持續性等出發，全面綜合地反映生態系統的健康狀況和存在問題，為優化管理方案提供依據，以實現海水養殖產業的健康持續發展。海水養殖生態系統評價應遵循以下原則:(1)系統性原則評價應系統反映海水養殖生態系統的結構、功能、主要脅迫因子等多個方面，防止以少數幾個指標以偏概全。(2)動態性原則動態性原則包括兩個含義，一是海水養殖生態系統健康程度是隨著各種自然和人為活動的變化而動態變化的;另一含義是不同評價指標的權重在不同生態系統之間是變化的。(3)模塊化原則直接評價養殖生態系統由于設計參數多難以入手，僅一個綜合評價指標也難以全面反映生態系統的現狀和問題。因此有必要采取模塊化的評價方法，將養殖壓力、污染壓力、生態系統結構、生態系統功能等分別評價，最后通過系統的原理與方法將它們結合起來，得到綜合全面的評價結果。(4)生態、經濟和社會相結合的原則海水養殖生態系統除了其自然屬性，還具有顯著的社會和經濟屬性，其主要經濟和社會功能是提供高產優質的海產品，要在評價過程中予以綜合考慮。

評價模塊和指標體系

1評價模塊與指標體系

本文以壓力-狀態-響應(P-S-R)為主線，基于指標體系法和層次分析法，對海水養殖生態系統分為3個層次10個模塊并篩選了25類指標對其健康狀況進行評價，評價框架圖詳見圖1。

2評價指標權重

采用專家咨詢法來確定各指標的初始權重。通過問卷調查，咨詢了有關研究領域的專家50余人次，得到有效問卷24份。以生態系統健康的總評價指標為100分計，各評價指標的權重值見表1，括號內的數值為某一指標或模塊在其上一級層次中所占的歸一化權重。通過專家咨詢法得到的權重是主觀權重，反映了各評價指標在一般情況下重要程度的差異。但在實際的評價過程中，往往不同的養殖生態系統由于本身自然環境以及養殖活動的特殊性，所產生的生態問題的性質和程度也會有所不同。所以對于某一給定的養殖生態系統，各個指標在生態系統健康評價中的權重應該是具有特殊性。因此有必要采取動態權重的方法，既反映一般海水養殖生態系統的共性，又反映不同養殖生態系統的具體情況，以得到更合理的評價結果。

確定動態權重的原則一般是指標的差異程度。一般認為差異程度越大的指標越重要，因為從統計學的角度看，偏差大的指標更能反映各系統之間的差異。但很多時候指標的差異程度與其重要性并不一致。對海水養殖生態系統來說，超標程度較大或評價得分較低的指標對生態系統的影響程度較明顯，應該給予更大關注或賦以更大權重，所以指標權重應該與指標的評價得分具有負相關關系。綜合考慮專家的主觀權重和指標值的客觀權重，某一指標的動態權重可以計算為：式中，Dij為i模塊中j指標的動態權重;Wij為i模塊中j指標的專家權重;Pij為i模塊中j指標的評價得分。

評價標準與方法

海水養殖生態系統的評價標準，主要參考了我國現行的《海水水質標準》、《漁業水質標準》、《海洋沉積物質量標準》、《海洋生物質量標準》、《海水增養殖區監測技術規程》、《海洋調查規范:海洋生態調查指南》、《近岸海洋生態健康評價指南》等的相關標準與方法［25-31］。對于標準中不包含的指標，則根據文獻報道中關于海洋養殖區以及自然海區相關參數的歷史研究結果來設定評價標準，具體評價標準分別見表1—表3。

1壓力層次

1．1外源污染壓力模塊

對于養殖海區的外源污染壓力采用污染壓力指數法進行評價(參考海洋調查規范第9部分:海洋生態調查指南，并進行了適當修改):某一污染物的污染壓力指數等于該污染物每年入海通量除以評價海區中該污染物總量。式中，Pi為i污染物的污染壓力指數;Fi為i污染物每年進入評價海區的通量，單位為kg;Ci為i污染物在評價海區中的平均濃度，單位為kg/m3;Vi為評價海區的水體體積，單位為m3。外源污染物中主要考慮營養鹽、重金屬和石油類。對于營養鹽污染物主要考慮氮和磷，在評價中氮的優先順序為總氮(TN)、總無機氮(TIN)、氨氮(NH4-N)和硝態氮(NO3-N)，磷的優先順序為總磷(TP)、活性磷酸鹽(PO4-P)。營養鹽的外源污染壓力，選擇氮和磷中壓力較大的。重金屬的污染壓力分別計算Hg、Cd、As、Pb、Cu等幾種我國近海主要金屬污染物的污染壓力，并取其中的最大值。評價標準見表1。

1．2養殖壓力模塊

(1)養殖密度/規模采用養殖面積占海灣面積的比例進行計算，見表1。(2)養殖自身污染壓力對于養殖自身污染壓力也采用污染壓力指數法進行評價:某一污染物的污染壓力指數等于該污染物通過養殖生物的入海通量除以評價海區中該污染物總量。養殖污染考慮的污染物是氨氮和磷酸鹽。如果養殖活動增加了沉積物向水體釋放營養鹽的速率，應把增加的釋放通量計算在內。式中，Qj為評價海區中j養殖生物每年的養殖產量，單位為kg;Eij為在一個養殖周期中j養殖生物向水體中輸出的i污染物的量，單位為kg/kg。污染壓力指數Pi的計算方法與評價標準同4．1．1外源污染壓力部分。(3)養殖品種多樣性/互補性采用專家評判法。通過對了解目標海水養殖生態系統的專家、養殖戶或管理人員進行問卷調查得到評價得分。

2狀態層次

2．1水文環境模塊

海水養殖生態系統的水文環境模塊評價主要考慮海灣的水交換能力，可采用海水的半交換周期進行評價。這里的半交換周期是指物質濃度降低為原始濃度一半時所經歷的時間長度。評價標準通過參考與對比我國近海不同海灣海水半交換周期的數值模擬研究結果進行確定。

2．2水體環境質量模塊

水體環境質量模塊包括營養鹽、重金屬、溶氧/化學耗氧量、懸浮顆粒物/透明度、油類污染物5類評價指標。海水養殖海域水質環境評價標準，適用于中華人民共和國海水水質標準(GB3097-82)第二類海水水質標準。首先對每一類評價指標單獨進行評價。(1)營養鹽采用鄒景忠等提出的海灣富營養化評價指數和《近岸海域環境監測技術規范》:(2)重金屬采用單項污染指數評價法和Hakanson［40］提出的潛在生態風險指數法對多種重金屬的污染情況進行綜合評價。式中，RI為多種金屬潛在生態風險指數;Ti為第i種重金屬的毒性系數，用于反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度;Ci為第i種重金屬的實測濃度，Si為第i種重金屬的標準濃度。毒性系數Ti［41］和標準濃度的取值見表3，其中標準濃度S采用《海水水質標準》(GB3097—1997)中的Ⅱ類海水中的重金屬標準值。多種金屬潛在生態風險指數RI的評分標準見表2，借鑒了Hakanson的劃分標準，并參考蔣增杰等的相關研究進行了適當調整。(3)溶解氧對溶解氧的評價指數采取萘墨羅(N．L．Nemerow)指數公式進行計算:式中，Cmax為監測期間(如枯水、平水、豐水期)飽和溶解氧的最大值;Ci為底層溶氧的實測濃度，Si為海水溶氧的標準濃度，取值為5．0mg/L。Cmax采用Weiss提出的綜合考慮溫度和鹽度的飽和溶解氧計算公式(Weiss方程)進行計算:式中，C是氧氣的溶解度，單位為mL/L(1mg/L=1．428mL/L);T是熱力學溫度，單位為K;S為海水鹽度。(4)懸浮顆粒物/透明度(5)油類污染物采用單項污染指數評價法，評價標準參考《海水水質標準》GB3097—1997并進行了適當調整。

2．3底質環境質量模塊

底質環境質量模塊包括四類評價指標，分別為1)有機物/總氮總磷含量;2)氧化還原電位/硫化物含量(如果兩項指標均有評價結果，則以硫化物含量的評價結果為準);3)油類污染物和4)重金屬。前三類指標均采用單項污染指數評價法，評價標準的制定是在參考《海洋沉積物質量》GB18668—2002以及不同海區特別是養殖海區沉積物相關參數實測值的基礎上制定的［43-58］。沉積物重金屬評價方法同4．2．2水體重金屬污染評價方法，只是金屬背景值取值采用海洋沉積物質量標準(GB18668—2002)中的一類沉積物質量標準值(而不是工業化前沉積物中污染物背景值，在多數海灣這一背景值難以獲得)。

2．4生物群落質量模塊

(1)浮游植物、浮游動物和底棲動物浮游植物、浮游動物和底棲動物是海洋生態系統中最重要的幾個生物類群。生物多樣性是其群落質量的最佳評價指標，指示生物多樣性變化最常用的是Shannon-Weaver指數，其計算公式如下:式中，S為樣品中的種類總數;N為樣品中的總個體數;ni為樣品中第i種的個體數。評價標準的確定參考陳清潮提出的生物多樣性閾值評價標準以及《海水增養殖區監測技術規程》［30］中底棲生物多樣性的評價標準，并進行了適當的調整，見表2。(2)微生物對微生物的評價采用單項指數法，對水體和底質中的糞大腸菌群分別進行評價，評價結果選擇評價得分較低者，見表2。(3)養殖對海區生境和野生生物的影響采用專家評判法。通過對了解目標海水養殖生態系統的專家、養殖戶或管理人員進行問卷調查得到評價得分，見表2。

3響應層次

對于海水養殖生態系統的生態問題和響應采用專家評判法。通過對了解目標海水養殖生態系統的專家、養殖戶或管理人員進行問卷調查得到評價得分。

綜合評價模式

1對各模塊和層次的評價結果計算

對于某一個評價因子，其評價依據主要來自調查資料。但由于調查數據在生態系統中的空間和時間跨度是有限的，很難全面反映生態系統的特征。一些短期的生態現象，如赤潮問題，由于其時間跨度一般只有數天到數周，在很多以季度為周期的調查中可能完全體現不出來。因此為了保證評價結果的真實和科學性，應深入調查目標海域的管理者和用海民眾，以了解其生態系統的真正問題所在。尤其在生態問題/響應層次，應主要根據當地調訪的結果。對某一項指標進行評價，應對各個站位的調查數據分別計算其評價得分后，取平均值，在無法獲得詳細的調查數據時也可用平均數據進行評價。對一項指標中包含數項評價因子，如外源污染壓力中包括多項污染物，應取因子中的最低評價得分作為指標的得分。在一個評價模塊中包括數項指標的，則根據指標的評價得分和權重因子計算其模塊的評價得分:式中，Pi是第i項評價模塊的評價得分;m是該模塊中評價指標的數量;Pij是第j項指標的評價得分;Dij是第j項指標的動態權重;Di是第i項評價模塊的評價權重，等于m項評價指標的權重之和。在一個評價層次(壓力、狀態和響應層次分別計算)中包括數項模塊的，首先計算各模塊的動態權重Di，然后根據評價模塊的評價得分和動態權重計算其評價結果:式中，Pk是海水養殖生態系統健康的k層次的評價得分;Pi是第i項評價模塊的評價得分;Wi是第i項評價模塊的評價權重，Di是第i項評價模塊的評價動態權重。

2評價結果與級別劃分

海水養殖生態系統健康評價的得分范圍在1．0—5．0之間，5．0表示健康程度最高，1．0表示健康程度最低。根據具體得分將海水養殖生態系統的健康程度劃分為5級，見表5:根據評價結果，采用國際上通用的5等級法來劃分養殖生態系統的健康程度，并分別用綠、藍、黃、橙、紅等色彩表示。評價結果除了要給出各評價指標、模塊和層次的得分，需要配以說明文字來闡述結果。要分為壓力、狀態和響應3個層次分別進行描述。根據結果評價生態系統的現狀、受到的壓力和存在的問題。海水養殖生態系統健康綜合評價結果表，將表中區域的評價結果填上并標注顏色。計算評價海區的總評價得分，并給出總計評價意見，包括海水養殖生態系統在壓力、狀態和響應的各個方面的特點和問題;并根據生態學的原理分析這些問題產生的原因，并結合其歷史變化情況預測以后的發展方向。最后根據評級結果和評價中發現的問題，提出改善海水養殖生態系統的建議，為制定科學有效的管理方案提供依據，最終實現海水養殖產業的健康持續發展。致謝:國家海洋局第二海洋研究所、山東省海水養殖研究所、寧波大學、國家海洋環境監測中心、中國海洋大學、中國科學院海洋研究所、國家海洋局第一海洋研究所等多名專家對本文的評價方法給出了寶貴意見并參與了專家評分，特此致謝。