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海水养殖体系安全评定方式

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作者:蒲新明傅明珠王宗灵张新军单位:国家海洋局第一海洋研究所海洋生态环境科学与工程国家海洋局重点实验室山东省荣成市海洋与渔业局

生态系统健康的概念与评价方法概述

生态系统健康的概念目前已经得到公众、学者和管理者的广泛关注,并成为生态系统管理的重要依据。虽然生态系统健康目前尚没有统一和明确的概念,但它所包涵的意义已被逐渐认识:(1)生态系统的健康就是指某个生态系统结构稳定、功能健全,对外界环境压力具有抵抗力和恢复力,不发生生态灾害;(2)生态系统健康不是仅指生态系统的自然状态,还取决于人的价值观;(3)需要用整体性和系统性的观点看待生态系统的现状和问题,才能准确认识生态系统的健康。生态系统健康的概念提法很多,目前一般认为,如果一个生态系统是稳定、持续和活跃的,能够维持其组织结构,受到干扰后能够在一段时间内自动恢复过来,则这个生态系统是健康的。

目前,生态系统健康评价方法主要有8种,适用于海洋生态系统的有4种,分别为指示物种法、营养级分析法、生态过程速率法和指标体系法,但最常用的为指示物种法和指标体系法。前者主要依据生态系统的关键物种、特有物种等的数量、生产力、多样性及一些生理生态指标描述生态系统的健康状况;后者则充分考虑了生态系统的复杂性,将多种指标与信息集成在一起,全面地反映生态系统的健康状况。由于指示物种法具有筛选标准不明确、难以选择合适的生物类群等缺点,近年来指标体系法在海洋生态系统健康评价中得到了更为广泛的应用,例如缅因湾、Chesapeak湾、芬迪湾、香港的Tolo港、长江口、黄河口以及浙江近海等采用不同的指标体系进行了环境质量与生态系统的评价。

不同的海洋生态系统具有独特的生物群落结构和生态系统功能,因此建立广泛应用的评价指标体系是十分困难的,需要对不同的生态系统制定具有针对性的评价方法。海水养殖生态系统的演变与退化包括一般生态系统演变的几个环节,即:在养殖活动和污染等环境压力下,反映生态系统的结构和功能现状的状态指标发生了变化,并进一步导致了一系列的环境与生态问题。因此本文以压力-状态-响应这3个步步承接又相对独立的层次为主线,采用指标体系法和层次分析法建立了海水养殖生态系统综合评价方法,以阐明生态系统健康存在的问题、引发的原因和导致的后果等。

海水养殖生态系统健康评价目标与原则

海洋生态系统健康评价的目的不仅在于能给出一个生态系统健康的分数或级别,更在于在海洋生态系统调查和研究与海洋的管理方案、保护措施以及民众知情之间建立一个沟通的桥梁,把晦涩难懂的科学语言和符号经过分析、提炼、综合,以容易理解的方式向管理者或公众解释目标海域生态系统的基本特点、面临的主要环境压力和存在的主要环境问题,以指导有关该海域的开发、利用、保护等各种行为。生态系统本身的模糊性、波动性等特点决定了不可能对其健康程度给出非常精确的数量化描述;但为了体现生态系统的历史演化趋势和不同生态系统间的差别,应该给出生态系统健康的可量化指标。为了协调这二者之间的矛盾,以等级划分这种半定量的方式对生态系统进行健康评价是适宜的。海水养殖生态系统健康评价的主体是海水养殖生态系统,因此需要从生态系统的整体性、稳定性和可持续性等出发,全面综合地反映生态系统的健康状况和存在问题,为优化管理方案提供依据,以实现海水养殖产业的健康持续发展。海水养殖生态系统评价应遵循以下原则:(1)系统性原则评价应系统反映海水养殖生态系统的结构、功能、主要胁迫因子等多个方面,防止以少数几个指标以偏概全。(2)动态性原则动态性原则包括两个含义,一是海水养殖生态系统健康程度是随着各种自然和人为活动的变化而动态变化的;另一含义是不同评价指标的权重在不同生态系统之间是变化的。(3)模块化原则直接评价养殖生态系统由于设计参数多难以入手,仅一个综合评价指标也难以全面反映生态系统的现状和问题。因此有必要采取模块化的评价方法,将养殖压力、污染压力、生态系统结构、生态系统功能等分别评价,最后通过系统的原理与方法将它们结合起来,得到综合全面的评价结果。(4)生态、经济和社会相结合的原则海水养殖生态系统除了其自然属性,还具有显著的社会和经济属性,其主要经济和社会功能是提供高产优质的海产品,要在评价过程中予以综合考虑。

评价模块和指标体系

1评价模块与指标体系

本文以压力-状态-响应(P-S-R)为主线,基于指标体系法和层次分析法,对海水养殖生态系统分为3个层次10个模块并筛选了25类指标对其健康状况进行评价,评价框架图详见图1。

2评价指标权重

采用专家咨询法来确定各指标的初始权重。通过问卷调查,咨询了有关研究领域的专家50余人次,得到有效问卷24份。以生态系统健康的总评价指标为100分计,各评价指标的权重值见表1,括号内的数值为某一指标或模块在其上一级层次中所占的归一化权重。通过专家咨询法得到的权重是主观权重,反映了各评价指标在一般情况下重要程度的差异。但在实际的评价过程中,往往不同的养殖生态系统由于本身自然环境以及养殖活动的特殊性,所产生的生态问题的性质和程度也会有所不同。所以对于某一给定的养殖生态系统,各个指标在生态系统健康评价中的权重应该是具有特殊性。因此有必要采取动态权重的方法,既反映一般海水养殖生态系统的共性,又反映不同养殖生态系统的具体情况,以得到更合理的评价结果。

确定动态权重的原则一般是指标的差异程度。一般认为差异程度越大的指标越重要,因为从统计学的角度看,偏差大的指标更能反映各系统之间的差异。但很多时候指标的差异程度与其重要性并不一致。对海水养殖生态系统来说,超标程度较大或评价得分较低的指标对生态系统的影响程度较明显,应该给予更大关注或赋以更大权重,所以指标权重应该与指标的评价得分具有负相关关系。综合考虑专家的主观权重和指标值的客观权重,某一指标的动态权重可以计算为:式中,Dij为i模块中j指标的动态权重;Wij为i模块中j指标的专家权重;Pij为i模块中j指标的评价得分。

评价标准与方法

海水养殖生态系统的评价标准,主要参考了我国现行的《海水水质标准》、《渔业水质标准》、《海洋沉积物质量标准》、《海洋生物质量标准》、《海水增养殖区监测技术规程》、《海洋调查规范:海洋生态调查指南》、《近岸海洋生态健康评价指南》等的相关标准与方法[25-31]。对于标准中不包含的指标,则根据文献报道中关于海洋养殖区以及自然海区相关参数的历史研究结果来设定评价标准,具体评价标准分别见表1—表3。

1压力层次

1.1外源污染压力模块

对于养殖海区的外源污染压力采用污染压力指数法进行评价(参考海洋调查规范第9部分:海洋生态调查指南,并进行了适当修改):某一污染物的污染压力指数等于该污染物每年入海通量除以评价海区中该污染物总量。式中,Pi为i污染物的污染压力指数;Fi为i污染物每年进入评价海区的通量,单位为kg;Ci为i污染物在评价海区中的平均浓度,单位为kg/m3;Vi为评价海区的水体体积,单位为m3。外源污染物中主要考虑营养盐、重金属和石油类。对于营养盐污染物主要考虑氮和磷,在评价中氮的优先顺序为总氮(TN)、总无机氮(TIN)、氨氮(NH4-N)和硝态氮(NO3-N),磷的优先顺序为总磷(TP)、活性磷酸盐(PO4-P)。营养盐的外源污染压力,选择氮和磷中压力较大的。重金属的污染压力分别计算Hg、Cd、As、Pb、Cu等几种我国近海主要金属污染物的污染压力,并取其中的最大值。评价标准见表1。

1.2养殖压力模块

(1)养殖密度/规模采用养殖面积占海湾面积的比例进行计算,见表1。(2)养殖自身污染压力对于养殖自身污染压力也采用污染压力指数法进行评价:某一污染物的污染压力指数等于该污染物通过养殖生物的入海通量除以评价海区中该污染物总量。养殖污染考虑的污染物是氨氮和磷酸盐。如果养殖活动增加了沉积物向水体释放营养盐的速率,应把增加的释放通量计算在内。式中,Qj为评价海区中j养殖生物每年的养殖产量,单位为kg;Eij为在一个养殖周期中j养殖生物向水体中输出的i污染物的量,单位为kg/kg。污染压力指数Pi的计算方法与评价标准同4.1.1外源污染压力部分。(3)养殖品种多样性/互补性采用专家评判法。通过对了解目标海水养殖生态系统的专家、养殖户或管理人员进行问卷调查得到评价得分。

2状态层次

2.1水文环境模块

海水养殖生态系统的水文环境模块评价主要考虑海湾的水交换能力,可采用海水的半交换周期进行评价。这里的半交换周期是指物质浓度降低为原始浓度一半时所经历的时间长度。评价标准通过参考与对比我国近海不同海湾海水半交换周期的数值模拟研究结果进行确定。

2.2水体环境质量模块

水体环境质量模块包括营养盐、重金属、溶氧/化学耗氧量、悬浮颗粒物/透明度、油类污染物5类评价指标。海水养殖海域水质环境评价标准,适用于中华人民共和国海水水质标准(GB3097-82)第二类海水水质标准。首先对每一类评价指标单独进行评价。(1)营养盐采用邹景忠等提出的海湾富营养化评价指数和《近岸海域环境监测技术规范》:(2)重金属采用单项污染指数评价法和Hakanson[40]提出的潜在生态风险指数法对多种重金属的污染情况进行综合评价。式中,RI为多种金属潜在生态风险指数;Ti为第i种重金属的毒性系数,用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度;Ci为第i种重金属的实测浓度,Si为第i种重金属的标准浓度。毒性系数Ti[41]和标准浓度的取值见表3,其中标准浓度S采用《海水水质标准》(GB3097—1997)中的Ⅱ类海水中的重金属标准值。多种金属潜在生态风险指数RI的评分标准见表2,借鉴了Hakanson的划分标准,并参考蒋增杰等的相关研究进行了适当调整。(3)溶解氧对溶解氧的评价指数采取萘墨罗(N.L.Nemerow)指数公式进行计算:式中,Cmax为监测期间(如枯水、平水、丰水期)饱和溶解氧的最大值;Ci为底层溶氧的实测浓度,Si为海水溶氧的标准浓度,取值为5.0mg/L。Cmax采用Weiss提出的综合考虑温度和盐度的饱和溶解氧计算公式(Weiss方程)进行计算:式中,C是氧气的溶解度,单位为mL/L(1mg/L=1.428mL/L);T是热力学温度,单位为K;S为海水盐度。(4)悬浮颗粒物/透明度(5)油类污染物采用单项污染指数评价法,评价标准参考《海水水质标准》GB3097—1997并进行了适当调整。

2.3底质环境质量模块

底质环境质量模块包括四类评价指标,分别为1)有机物/总氮总磷含量;2)氧化还原电位/硫化物含量(如果两项指标均有评价结果,则以硫化物含量的评价结果为准);3)油类污染物和4)重金属。前三类指标均采用单项污染指数评价法,评价标准的制定是在参考《海洋沉积物质量》GB18668—2002以及不同海区特别是养殖海区沉积物相关参数实测值的基础上制定的[43-58]。沉积物重金属评价方法同4.2.2水体重金属污染评价方法,只是金属背景值取值采用海洋沉积物质量标准(GB18668—2002)中的一类沉积物质量标准值(而不是工业化前沉积物中污染物背景值,在多数海湾这一背景值难以获得)。

2.4生物群落质量模块

(1)浮游植物、浮游动物和底栖动物浮游植物、浮游动物和底栖动物是海洋生态系统中最重要的几个生物类群。生物多样性是其群落质量的最佳评价指标,指示生物多样性变化最常用的是Shannon-Weaver指数,其计算公式如下:式中,S为样品中的种类总数;N为样品中的总个体数;ni为样品中第i种的个体数。评价标准的确定参考陈清潮提出的生物多样性阈值评价标准以及《海水增养殖区监测技术规程》[30]中底栖生物多样性的评价标准,并进行了适当的调整,见表2。(2)微生物对微生物的评价采用单项指数法,对水体和底质中的粪大肠菌群分别进行评价,评价结果选择评价得分较低者,见表2。(3)养殖对海区生境和野生生物的影响采用专家评判法。通过对了解目标海水养殖生态系统的专家、养殖户或管理人员进行问卷调查得到评价得分,见表2。

3响应层次

对于海水养殖生态系统的生态问题和响应采用专家评判法。通过对了解目标海水养殖生态系统的专家、养殖户或管理人员进行问卷调查得到评价得分。

综合评价模式

1对各模块和层次的评价结果计算

对于某一个评价因子,其评价依据主要来自调查资料。但由于调查数据在生态系统中的空间和时间跨度是有限的,很难全面反映生态系统的特征。一些短期的生态现象,如赤潮问题,由于其时间跨度一般只有数天到数周,在很多以季度为周期的调查中可能完全体现不出来。因此为了保证评价结果的真实和科学性,应深入调查目标海域的管理者和用海民众,以了解其生态系统的真正问题所在。尤其在生态问题/响应层次,应主要根据当地调访的结果。对某一项指标进行评价,应对各个站位的调查数据分别计算其评价得分后,取平均值,在无法获得详细的调查数据时也可用平均数据进行评价。对一项指标中包含数项评价因子,如外源污染压力中包括多项污染物,应取因子中的最低评价得分作为指标的得分。在一个评价模块中包括数项指标的,则根据指标的评价得分和权重因子计算其模块的评价得分:式中,Pi是第i项评价模块的评价得分;m是该模块中评价指标的数量;Pij是第j项指标的评价得分;Dij是第j项指标的动态权重;Di是第i项评价模块的评价权重,等于m项评价指标的权重之和。在一个评价层次(压力、状态和响应层次分别计算)中包括数项模块的,首先计算各模块的动态权重Di,然后根据评价模块的评价得分和动态权重计算其评价结果:式中,Pk是海水养殖生态系统健康的k层次的评价得分;Pi是第i项评价模块的评价得分;Wi是第i项评价模块的评价权重,Di是第i项评价模块的评价动态权重。

2评价结果与级别划分

海水养殖生态系统健康评价的得分范围在1.0—5.0之间,5.0表示健康程度最高,1.0表示健康程度最低。根据具体得分将海水养殖生态系统的健康程度划分为5级,见表5:根据评价结果,采用国际上通用的5等级法来划分养殖生态系统的健康程度,并分别用绿、蓝、黄、橙、红等色彩表示。评价结果除了要给出各评价指标、模块和层次的得分,需要配以说明文字来阐述结果。要分为压力、状态和响应3个层次分别进行描述。根据结果评价生态系统的现状、受到的压力和存在的问题。海水养殖生态系统健康综合评价结果表,将表中区域的评价结果填上并标注颜色。计算评价海区的总评价得分,并给出总计评价意见,包括海水养殖生态系统在压力、状态和响应的各个方面的特点和问题;并根据生态学的原理分析这些问题产生的原因,并结合其历史变化情况预测以后的发展方向。最后根据评级结果和评价中发现的问题,提出改善海水养殖生态系统的建议,为制定科学有效的管理方案提供依据,最终实现海水养殖产业的健康持续发展。致谢:国家海洋局第二海洋研究所、山东省海水养殖研究所、宁波大学、国家海洋环境监测中心、中国海洋大学、中国科学院海洋研究所、国家海洋局第一海洋研究所等多名专家对本文的评价方法给出了宝贵意见并参与了专家评分,特此致谢。

海水养殖体系安全评定方式责任编辑:陈老师    阅读:人次