王森 李九奇 侯艷偉 孫建富

摘要：在海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，針對海洋牧場區(qū)域這一復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型，結(jié)合海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征和所收集的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其可獲取性等，經(jīng)過反復(fù)篩選與提煉，形成由壓力、狀態(tài)和響應(yīng)共33個(gè)具體評價(jià)指標(biāo)組成的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系及具體指標(biāo)，并對指標(biāo)的選取和體系構(gòu)建的構(gòu)建進(jìn)行了簡要的詮釋，通過熵權(quán)法對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，通過建立綜合健康指數(shù)，確定海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：海洋牧場、生態(tài)系統(tǒng)、PSR模型

在分析總結(jié)了PSR模型在海島、濕地、海灣、河口等生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況評價(jià)指標(biāo)體系后，針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了構(gòu)建，并對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了篩選，為海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)提供一套完整的指標(biāo)體系及具體指標(biāo)。

1海洋牧場的概念及發(fā)展

1.1海洋牧場的概念

關(guān)于海洋牧場的概念，目前國際上還沒有一個(gè)統(tǒng)一的解釋，其內(nèi)涵隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷變化，也反應(yīng)了人們對其認(rèn)知的不斷深化。

農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義：基于海洋生態(tài)系統(tǒng)原理，在特定海域，通過人工魚礁、增殖放流等措施，構(gòu)建或修復(fù)海洋生物繁殖、生產(chǎn)、索餌或避敵所需要的場所，增殖養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源，改善海域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)資源可持續(xù)利用的漁業(yè)模式。 本文所涉及的關(guān)海洋牧場內(nèi)容，采用上述定義。

2海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵

2.1海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特征

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)具有下面兩點(diǎn)主要特征：

（1）海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)是通過增殖放流和投放人工魚礁等多種方式，人為改善建設(shè)海域的海洋生物的生存環(huán)境等，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。

（2）海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)是三產(chǎn)融合的體現(xiàn)，同時(shí)兼顧生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)格局。

2.2海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵

目前國內(nèi)外針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)涵尚沒有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)識。Mcmichael等提出的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)應(yīng)該是對外界的壓力要有恢復(fù)能力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織的多樣性和穩(wěn)定性以及新陳代謝能力能進(jìn)行保持[1]。本研究將健康的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)理解為在受自然或人為活動影響后能保持穩(wěn)定的功能和結(jié)構(gòu)，其物質(zhì)循環(huán)和流量流動未收到破壞，整體功能復(fù)雜、多樣且具有活力，并能滿足生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。

3PSR模型的相關(guān)研究

“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（Pressure-State-Response，PSR）模型是由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出[2]。PSR模型中，P代表著生態(tài)系統(tǒng)存在的外部壓力，S代表生態(tài)系統(tǒng)的自然資源變化，R代表生態(tài)系統(tǒng)變化后所產(chǎn)生的影響。PSR模型構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)關(guān)系[3-5]。

肖佳媚等從海島生態(tài)系統(tǒng)特征出發(fā)，分析了PSR模型在海島生態(tài)系統(tǒng)中的作用，并提出了一套基于PSR模型的海島生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)體系[6]。李云哲等對PSR模型在生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探討[7]。麥少芝等以PSR模型為基礎(chǔ)提出了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的指標(biāo)體系[8]。牛明香等基于PSR模型從壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、響應(yīng)指標(biāo)3個(gè)方面構(gòu)建了黃河河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的指標(biāo)體系，同時(shí)利用綜合指數(shù)法評價(jià)了其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[9]。顏利等根據(jù)PSR模型和東溪流域生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，對東溪流域生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)模型的指標(biāo)體系和評價(jià)模型進(jìn)行了初步構(gòu)建，并對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行了評價(jià)[10]。寧立新等基于PSR模型構(gòu)建了江蘇省海岸帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系并對其近19年間的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評價(jià)與分析[11]。紀(jì)雅寧等運(yùn)用PSR模型，采用生態(tài)系統(tǒng)健康理論評價(jià)珊瑚礁生態(tài)狀況[12]。張曉琴等運(yùn)用PSR模型構(gòu)建了蘭州城市生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)體系[13]。孫龍啟通過PSR模型構(gòu)建了廣西近海生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)指標(biāo)體系[14]。徐浩田等通過PSR模型構(gòu)建凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)體系，對凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)未來20年的健康進(jìn)行了研究[15]。肖祥利用PSR模型構(gòu)建了西江流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系，并對其健康狀況作出了評價(jià)[16]。

可以看出PSR模型被廣泛應(yīng)用到海島、濕地、河口、珊瑚礁和海灣等多種生態(tài)系統(tǒng)中，但在國內(nèi)的有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的研究中，尚未看到運(yùn)用PSR模型對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系建立的研究，根據(jù)我們的研究，PSR模型也同樣適用于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)。

4海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

在針對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，應(yīng)按照以下原則進(jìn)行[9，17-19]。

4.1科學(xué)性

篩選的壓力、狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)要考慮其科學(xué)性。指標(biāo)能科學(xué)正確地評價(jià)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，且要根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)獲得的可行性等構(gòu)建海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系。

4.2整體性

影響海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)因素較多，海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)體系不僅要能夠反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的水文、水質(zhì)和生物情況的指標(biāo)，還要有人為干預(yù)能夠反映生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)等多方面綜合考慮，壓力、狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)應(yīng)該是一個(gè)層次分明的整體。

4.3代表性

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建能夠反應(yīng)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇具有代表性、能從不同的方面反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，體現(xiàn)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的變化過程等。選擇的指標(biāo)能從某方面反映海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的變化，以便于說明其健康狀況的變化原因。

4.4規(guī)范性

評價(jià)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)需大量的數(shù)據(jù)、資料，在空間和時(shí)間上應(yīng)有可比性。因此，選擇的指標(biāo)內(nèi)容和指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外的相關(guān)研究中得到普遍認(rèn)可，做到規(guī)范和統(tǒng)一。

5基于PSR模型的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則和PSR模型，按照目標(biāo)層、子系統(tǒng)、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層構(gòu)建海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

5.1壓力指標(biāo)

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的壓力指標(biāo)指的是人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。根據(jù)國家級海洋牧場示范區(qū)目前的運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀分析，總結(jié)出海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力指標(biāo)的準(zhǔn)則層主要包含海岸帶開發(fā)和陸源污染兩個(gè)方面。

在海岸帶開發(fā)方面，選取捕撈強(qiáng)度、養(yǎng)殖規(guī)模、旅游開發(fā)為指標(biāo)層。其中捕撈強(qiáng)度可直接造成魚類種群水平上的減少，過度捕撈可導(dǎo)致魚類種群的衰退甚至枯竭，影響海洋牧場生態(tài)環(huán)境。養(yǎng)殖規(guī)模過大可能產(chǎn)生污染，破壞水域環(huán)境。陸基或海洋養(yǎng)殖的污水直接對海區(qū)及海洋牧場帶來負(fù)面影響。在休閑型海洋牧場建設(shè)中，旅游開發(fā)過度是造成近岸海水質(zhì)量惡化的主要原因。伴隨海岸帶等旅游開發(fā)，總氮、總磷、COD等排放物質(zhì)的增加，增加對陸地、對海水的污染可能，可引發(fā)赤潮等災(zāi)害。因此，海岸帶開發(fā)指標(biāo)層選取捕撈強(qiáng)度、養(yǎng)殖規(guī)模和旅游開發(fā)等指標(biāo)。

在陸源污染方面，選取總氮排放量、總磷排放量、COD排放量和污染綜合指數(shù)為指標(biāo)層?？偟?、總磷和COD是海水水質(zhì)富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)，也是生物生長的必要元素。氮、磷和COD的排放過量會造成水質(zhì)富營養(yǎng)化，藻類過度繁殖，引發(fā)赤潮災(zāi)害等。污染綜合指數(shù)用來評價(jià)水體的綜合污染程度。因此陸源污染指標(biāo)層選取總氮排放量、總磷排放量、COD排放量和污染綜合指數(shù)等指標(biāo)。

5.2狀態(tài)指標(biāo)

狀態(tài)指標(biāo)描述了海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。根據(jù)相關(guān)研究和海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的特征以及數(shù)據(jù)的可獲得性等進(jìn)行綜合考慮，準(zhǔn)則層從生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子三個(gè)方面進(jìn)行構(gòu)建。

生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)中物種的豐富程度和生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性的重要體現(xiàn)，起到了對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定作用，且在指標(biāo)層中要選擇不同類型的生物來體現(xiàn)不同的生物多樣性，所以用灘涂生物、游泳生物、底棲生物和浮游生物的多樣性指數(shù)以及豐度指數(shù)作為指標(biāo)層。群落結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的是海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)中不同類型生物的服務(wù)和產(chǎn)出功能。灘涂生物量、游泳生物量、底棲生物量、浮游生物量、優(yōu)勢種數(shù)量、魚卵仔魚密度表達(dá)系統(tǒng)的食物自然產(chǎn)出功能，是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是否健康的重要指示。環(huán)境因子用于衡量海洋牧場海域生態(tài)系統(tǒng)的物理化學(xué)環(huán)境狀況。按照國家對海洋牧場建設(shè)的相關(guān)文件規(guī)定，海洋牧場建設(shè)海域海水質(zhì)量必須達(dá)到二類海水標(biāo)準(zhǔn)及以上。溫度和pH是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的兩個(gè)最大的非生物因素。溶解氧、COD、活性磷酸鹽和總氮是評價(jià)海水富營養(yǎng)化程度的重要依據(jù)。葉綠素a含量直接影響生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力。所以將海洋牧場海域的海水質(zhì)量、溫度、pH、溶解氧、COD、活性磷酸鹽、總氮和葉綠素a含量等指標(biāo)用于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)。濁度主要對溶解氧有影響，溶解氧已經(jīng)作為一個(gè)指標(biāo)，所以不再選用濁度作為指標(biāo)之一。

5.3響應(yīng)指標(biāo)

響應(yīng)指標(biāo)反映了人為改善海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的結(jié)果。從海洋牧場建設(shè)意義和國內(nèi)對海洋牧場的建設(shè)情況分析，確定將生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)響應(yīng)和政策措施作為準(zhǔn)則層。

海洋牧場建設(shè)的最初目的就是恢復(fù)生態(tài)效益，所以環(huán)境的改善和生態(tài)修復(fù)程度是最重要的指標(biāo)。生態(tài)效益的良好自然帶動的是生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)響應(yīng)。海洋經(jīng)濟(jì)比重表示海洋經(jīng)濟(jì)占區(qū)域經(jīng)濟(jì)的重要程度和海洋開發(fā)強(qiáng)度。人均GDP和GDP增長率綜合反映了區(qū)域的人均消費(fèi)能力和經(jīng)濟(jì)增長活力。從國內(nèi)外的海洋牧場建設(shè)情況來看均離不開國家和地方相關(guān)政策措施的指導(dǎo)和管理。以政策法規(guī)的貫徹力度、海洋牧場建設(shè)投入和海洋牧場區(qū)管理制度的完善程度表征政策措施指標(biāo)。所以選用環(huán)境改善和生態(tài)修復(fù)程度、人均GDP、GDP增長率、海洋經(jīng)濟(jì)比重、政策法規(guī)貫徹力度、海洋牧場建設(shè)投入和海洋牧場區(qū)管理制度的完善程度作為指標(biāo)層。

5.4數(shù)據(jù)處理

評價(jià)指標(biāo)種類繁多，對應(yīng)不同的量綱與單位，為方便計(jì)算，將任一指標(biāo)Ii按如下公式處理成0～1之間的數(shù)據(jù)，保證了按照權(quán)重計(jì)算出來的指數(shù)在0～1之間。

Ii=Ii-Min（Ii）Max（Ii）-Min（Ii）

其中Ii為任意指標(biāo)，Max，Min為最值算子。

5.5熵權(quán)法確定權(quán)重

在確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重時(shí)，若采用主觀賦權(quán)法則可能造成評價(jià)結(jié)果由于人的主觀因素而形成偏差。熵值法是根據(jù)各指標(biāo)的觀測值所提供信息量的大小來確定權(quán)重的方法。數(shù)據(jù)分布越分散，其不準(zhǔn)確性也越大。使用熵權(quán)法能盡量消除各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的人為干擾，使評價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。根據(jù)信息論原理，第i個(gè)指標(biāo)的信息熵可按照如下公式計(jì)算。

Hi=∑mk=0yikln（n）∑yiln（yikyi）

其中：Hi為指標(biāo)的熵，y為對應(yīng)值。為使熵值在0～1之間取值，按照如下公式進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

wi=1-Hi∑ni=1（1-Hi）

其中：Wi為指標(biāo)的熵權(quán)，Hi為對應(yīng)指標(biāo)的熵值。滿足下方公式：

∑ni=1wi=1

對于壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指標(biāo)也可按上述方法分別確定權(quán)重，以保證指標(biāo)EP、ES、ER結(jié)果在0～1之間。

WPi=1-Hi∑i∈P（1-Hi）

WSi=1-Hi∑i∈S（1-Hi）

WRi=1-Hi∑i∈R（1-Hi）

5.6綜合健康指數(shù)

為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，需要建立一個(gè)綜合健康指數(shù)（Comprehensive Health Index，CHI），取值為0～1，為了更清楚地描述健康狀態(tài)，將CHI值劃分如下：

CHI值 [0.8，1] [0.6-0.8] [0.4-0.6] [0.2-0.4] [0-0.2] 健康狀態(tài) 非常健康 健康 亞健康 不健康 很不健康CHI=∑ni=1wi×Ii

式中：n為評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù);Wi為指標(biāo)i的權(quán)值;Ii為指標(biāo)i的歸一化值。生態(tài)系統(tǒng)的綜合指數(shù)及壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)可按如下公式進(jìn)行計(jì)算。

EP=∑i∈PWPi×Ii

ES=∑i∈PWSi×Ii

ER=∑i∈PWRi×Ii

CEI=∑ni=1Wi×Ii

6討論

依據(jù)海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征及健康內(nèi)涵，針對海洋牧場區(qū)域這一復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）模型，結(jié)合海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)特征和所收集的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其可獲取性等，經(jīng)過反復(fù)篩選與提煉，形成由壓力、狀態(tài)和響應(yīng)共33個(gè)具體評價(jià)指標(biāo)組成的海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系包含了陸源污染、海岸帶開發(fā)、生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)組成、環(huán)境因子、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和政策措施等各個(gè)方面，充分體現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，并對指標(biāo)的選取和體系構(gòu)建的構(gòu)建進(jìn)行了簡要的詮釋，通過熵權(quán)法對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，為了定量海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，通過建立綜合健康指數(shù)，確定海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

在對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：雖然PSR模型框架因果關(guān)系清晰，為海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建提供了明確的指標(biāo)分類方法，但對所有指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的分類是困難的。這些指標(biāo)互相關(guān)聯(lián)，如經(jīng)濟(jì)效益既可以作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的壓力指標(biāo)，也可以是生態(tài)系統(tǒng)變化后對被生態(tài)系統(tǒng)變動所影響的響應(yīng)指標(biāo)。

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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）