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基于 PSＲ 模型的独流减河河口生态系统健康评价 * 刘瑜1杨慧1刘小川1刘波1刘洪磊2刘琼琼2 1． 天津市水利科学研究院， 天津 300061; 2． 天津市环境保护科学研究院， 天津 300191 摘要 基于河口生态系统健康内涵， 结合独流减河河口的实际情况， 首次构建了基于 PSＲ 模型的独流减河河口生态系 统健康评价指标体系， 确立了生态系统健康等级及标准， 通过层次分析法确定了指标权重。采用所建立的评价指标体 系， 通过河口生态系统压力评价、 状态评价和响应评价首次对独流减河河口进行了生态系统健康综合评价。结果表 明 独流减河河口生态系统健康综合指数为 0. 471， 处于亚健康状态， 社会因素是造成河口生态系统退化的主要原因。 在此基础上提出了河口生态恢复和科学管理的建议。 关键词 独流减河河口; 河口生态系统; PSＲ 模型; 健康评价 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403029 HEALTH ASSESSMENT OF DULIUJIANHE ＲIVEＲ ESTUAＲY ECOSYSTEM BASED ON PSＲ MODEL Liu Yu1Yang Hui1Liu Xiaochuan1Liu Bo1Liu Honglei2Liu Qiongqiong2 1． Tianjin Hydraulic Science Ｒesearch Institute，Tianjin 300061，China; 2． Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191，China AbstractBased on the connotation of estuary ecosystem health and the actual situation of Duliujianhe Ｒiver estuary，a set of ecosystem health index system of Duliujianhe Ｒiver estuary based on PSＲ model is proposed for the first time． The grade and standard of ecosystem health are established． And the index weights are determined by analytic hierarchy process． The established index system is applied to uate ecosystem health in Duliujianhe Ｒiver estuary by means of pressure uation， state uation and response uation． The results showed that the ecological health index of Duliujianhe Ｒiver estuary was 0. 471． It means that the Duliujianhe Ｒiver estuary is in the sub- health condition． The main reasons which cause the damage to estuary ecosystem are attributed to several social factors． Meanwhile，some suggestions are put forward for ecological restoration and scientific management in the future． KeywordsDuliujianhe Ｒiver estuary;estuary ecosystem;press- state- response PSＲmodel;health assessment * 水利部公益性行业科研专项 201101059 。 收稿日期 2013 －07 －26 由于气候变化特别是不合理的人类活动， 导致入 海泥沙锐减、 盐水入侵加剧、 河口环境污染加剧、 生物 多样性衰减等一系列河口生态问题， 致使许多河口生 态系统的结构和功能严重退化。鉴于河口生态系统 复杂的环境因素及重要的生态服务功能， 河口生态系 统的健康状态受到越来越多的重视， 河口生态系统健 康评价引起了众多学者的广泛关注。 生态系统健康评价作为生态环境管理工具而提 出的新概念， 目前的研究主要集中在河流、 湖泊、 森 林、 湿地等方面， 专门针对河口生态系统健康评价的 报道较少 ［1- 3 ］。河口生态系统的复杂性导致河口生态 系统健康评价的复杂性和多学科综合性。河口由于 其生态环境复杂多变、 生产力高以及与人类活动关系 密切， 成为生态健康评价中的难点［4- 5 ］。 目前， 对于独流减河河口的生态系统健康评价未 见研究报道， 本文在 PSＲ 模型的基础上建立了独流 减河河口生态系统健康评价模型， 通过层次分析法确 定指标权重， 首次对天津独流减河河口进行了健康综 合评价。研究旨在以更加客观、 科学的角度， 应用不 确定性分析理论定量评估河口生态系统的健康水平， 建立适合我国河口生态系统的健康评价方法， 提出河 口生态系统调控对策， 对于河口生态恢复和流域可持 121 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 续发展具有重要意义。 1河口生态系统健康评价体系的构建 1. 1评价指标体系构建及权重分配 河口生态系统健康评价是在特定的区域和环境 条件下对河口健康状况和发展趋势做出评价。PSＲ 压力 － 状态 － 响应模型 是联合国 OECD 和 UNEP 提出的概念框架模型 ［6 ］， 反应了人类活动对生态环 境造成的压力、 生态系统状态变化以及人类对于生态 系统状态变化的响应三者之间的关系， 目前被许多政 府和组织认为是用于环境指标组织和环境现状汇报 最有效的框架， 已被广泛应用于土地质量指标体系研 究、 农业可持续发展评价指标体系研究以及环境保护 投资分析等领域 ［7 ］。随着人们对生态系统认识的深 入和对生态健康概念的理解， PSＲ 模型逐渐被应用于 各个领域及区域的生态健康评价中， 评价对象不断 扩增。 河口处于流域和海洋的交汇处， 河口生态系统环 境因子变化剧烈， 各种过程 物理、 化学、 生物和地质过 程 耦合多变， 生态环境错综复杂。来自流域、 河口海 岸带和海洋的自然压力和人类活动压力影响着河口生 态系统的健康状况 ［ 8 ］。流域、 河口及海湾生态系统是 一类典型的社会 － 经济 － 自然复合生态系统， PSＲ 模 型很适合对这类生态系统进行评价和管理， 针对其开 展的生态评价也越来越多 ［ 9 ］。麦少芝等［ 7 ］运用 PSＲ 模型进行了湿地生态健康指标体系的构建， 周林飞 等 ［ 10 ］运用 PSＲ 模型进行湿地水循环评价指标体系的 构建， 肖佳媚 ［ 11 ］基于 PSＲ 模型对南麂岛进行了生态系 统评价， 周晓尉 ［ 12 ］运用 PSＲ 模型对长江河口生态健康 进行了评价， 吴迪等 ［ 13 ］运用 PSＲ 模型对河口及近岸海 域富营养化评价方法进行了研究。 本研究基于 PSＲ 概念模型， 结合独流减河河口 生态系统的实际状况， 构建了河口生态系统健康评价 指标体系 见表 1 ［14- 15 ］。考虑到河口湿地作为湿地 的一种类型， 本文在丰富的调研及指标测试的基础 上， 根据湿地生态系统的特点和各评价指标对湿地生 态系统健康的贡献大小， 采用专家经验法对项目层、 因素层和指标层的评价指标进行权重分配， 确定的指 标权重见表 1。 表 1独流减河河口生态系统健康评价指标体系及其权重分配 Table 1The health assessment index system of Duliujianhe Ｒiver estuary ecosystem and its weight allocation 项目层因素层指标层量化方法 压 力 B1 0. 2120 自然因素 C1 0. 0657 海岸侵蚀 D10. 0099 以受侵蚀海岸面积表示 气候变化 D20. 0134 以年气温变化率表示 河流径流量 D30. 0191 以河流的年平均径流量表示 万 m3 降雨量 D40. 0233 以年平均降雨量表示 mm 社会因素 C2 0. 1463 闸坝流控 D50. 0367 以闸坝开发建设程度表示 油田开发 D60. 0218以油田开发面积占湿地面积比值表示 水污染 D70. 0352以滨海工业、 生活污水的处理率表示 渔业养殖 D80. 0158以渔业养殖面积占湿地的面积比值表示 围垦或土地利用强 D90. 0367以围垦面积表示 状态 B2 0. 3154 河口底质状态 C3 0. 0690 有机质含量 D100. 0115以实验室测定数据为准 总磷含量 D110. 0102以实验室测定数据为准 硫化物 D120. 0080 以实验室测定数据为准 重金属污染物浓度 D130. 0201以实验室测定数据为准 石油类 D140. 0193 以实验室测定数据为准 河口水环境状态 C4 0. 0932 有机污染物 D150. 0202以实验室测定数据为准 COD D160. 0267以实验室测定数据为准 pH 值 D170. 0120以实验室测定数据为准 总氮 D180. 0141 以实验室测定数据为准 总磷 D190. 0202 以实验室测定数据为准 河口湿地植被状态 C5 0. 0511 生物量 D200. 0110以植物年均地上生物量来计算 优势种 D210. 0187 以优势种覆盖率表示 植物多样性指数 D220. 0214以生物多样性指数计算 河口湿地生态系统功能状 态 C60. 1030 水质净化能力 D230. 0282以污染物去除率或净化率表示 栖息地 D240. 0209野生动物栖息地和育雏地， 以破坏或退化率表示 水文调节 D250. 0296为农业灌溉、 工业等提供用水， 以供水变化率表示 物质生产功能 D260. 0243包括渔业资源、 芦苇等， 以年收获量表示 响应 B3 0. 4718 河口湿地功能 C7 0. 3626 湿地面积 D270. 1438 以湿地面积变化率表示 hm2 湿地生产力 D280. 0843以湿地植物和渔业的单位面积生物量变化表示 物种多样性 D290. 1345以物种多样性变化率表示 人类 健 康 和 生 活 C8 0. 1092 周边人口素质 D300. 0339以初中以上文化程度人口所占百分比统计 人口健康状况 D310. 0753以发病率或死亡率率统计 221 环境工程 Environmental Engineering 从表 1 可以看出 社会因素所占权重最高， 即人 为因素是导致独流减河河口生态系统退化的主要原 因， 其中闸坝所导致的流量控制及围垦是河口生态系 统退化的主要因子。 1. 2评价等级及标准 评价标准是河口生态系统健康评价的基础， 然而 目前对河口生态系统的健康评价尚无公认或统一的 标准。本研究通过实地考察、 借鉴国家标准与相关研 究成果 ［2， 16 ］、 专家咨询等方法确定评价标准， 结合独 流减河河口生态系统的具体情况， 建立了独流减河河 口生态系统健康评价等级 见表 2 。 表 2独流减河河口生态系统健康评价等级 Table 2Health assessment level of Duliujianhe Ｒiver estuary ecosystem 评价指数 D 1 ～0. 80. 8 ～0. 6 0. 6 ～0. 4 0. 4 ～0. 20. 2 ～0 健康级别IIIIIIIVV 健康状况很健康健康亚健康不健康病态 在进行多指标评价时， 由于各指标量纲、 数量级 并不完全相同， 相互之间无法进行比较。为了消除这 种影响， 在评价时首先要对数据进行标准化处理， 将 量纲、 数量级不同的数据转化为相互间可以进行比较 的数据， 这时数据一般统一在 0 ～ 1［17 ］。用综合指数 法分别计算河口的压力强度指数， 生态环境状态指 数、 生态系统响应指数及各自对应的参照湿地评价指 数。再对以上指标进行加权求和， 得到河口生态系统 健康评价综合指数。 2河口生态系统健康评价 2. 1河口生态系统压力评价 河口生态系统始终处在变化之中， 无论自然的过 程还是人为的过程都会促使河口向着一定的方向演 进。压力的存在方式和变化既是河口退化的影响因 素， 也是河口退化的重要指标。本文通过对研究区生 态系统信息的提取和计算， 得出河口自然因素压力和 社会因素压力的指标权重赋值和标准化值 见表 3 。 表 3独流减河河口压力评价的各指标权重及标准化值 Table 3Weight and standardized value of pressure uation of Duliujianhe Ｒiver estuary ecosystem 自然因素压力社会因素压力 指标权重现状标准化值指标权重现状标准化值 海岸侵蚀0. 00990. 44水资源超量开采利用0. 03670. 5 气候变化0. 01340. 96油田开发0. 02181 河流径流量0. 01910. 0059水污染0. 03520. 9 降雨量0. 02330. 87渔业养殖0. 01580. 8 围垦0. 03670. 2876 2. 2河口生态系统状态评价 2. 2. 1河口底质环境状态评价 采用渤海及其毗邻河口区沉积物中重金属环境背 景值的最高值作为参照值， 以河口底质重金属实测浓 度与之相比， 得到河口底质重金属指数标准化值为 0. 908。采用 第二次全国海洋污染基线调查技术规 程 ［ 18 ］指定沉积物标准作为沉积物中有机质和总磷的 背景值， 分别为 3. 0和 0. 06。安立会等 ［ 19 ］对渤海 湾河口沉积物重金属污染及潜在生态风险评价和刘成 等 ［ 20 ］对环渤海湾诸河口底质的调查研究表明， 独流减 河河 口 底 质 有 机 质 含 量 为 1. 23， 总 磷 含 量 为 0. 100。因此计算得到有机质和总磷的标准化值为 0. 41 和0. 6。采用 GB 186682002中华人民共和国 海洋沉积物质量 一类标准作为沉积物中石油类含量 和硫化物含量背景值， 分别为500 10 －6 mg/L和300 10 －6 mg/L。调研发现所有监测站位沉积物中石油类 和硫化物的含量符合国家一类沉积物质量标准的要 求， 故硫化物和石油类的标准化值取1。 2. 2. 2河口水环境状态评价 以地表水 II 类水质标准作为理想河口参照水 质， 代入河口水质的实测平均值 高锰酸盐指数 17. 52 mg/L， COD 66. 3 mg/L， pH 值 7. 7 ～8. 09， 总氮 1. 514 mg/L， 总磷 0. 502 mg/L ， 计算得到水环境状 态各个指标的指数标准化值。 2. 2. 3河口植被状态评价 独流减河河口周边岸滩植被很少， 根据董立新 等 ［21 ］的调研， 三大河口近岸海域生物指标中， 初级生 产力幅度提高; 浮游植物数量增加， 但种类不单以硅 藻为优势种， 绿藻门的扁藻和兰隐藻也有一定比例。 因此， 独流减河河口植物多样性指数、 优势种和生物 量指标标准化值均取 1。 2. 2. 4河口生态系统功能状态评价 河口建闸后， 潮水不再进入河道， 使原来由潮汐 水流控制的河道变成水库型河道。该污水在被潮汐 321 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 水流稀释的条件下尚达不到农灌标准， 若将其蓄积起 来， 因蒸发浓缩等因素必将加重河道水体污染的严重 性。这样的水体若作为农用， 将给人体健康带来直接 和潜在威胁。同时， 独流减河也兼负排污功能， 水质 污染严重， 河口建闸后变成水库型河道， 河道水体污 染加重， 因此， 河口水文调节标准化值取 0. 2， 水质净 化能力标准化值取 0. 4。根据于洁等 ［22 ］对渤海渔业 资源的调查， 近年来渤海水生生物资源呈严重衰减趋 势， 目前渤海水域生产力水平已不足 20 世纪 80 年代 的 1/5， 因此河口生产力标准化值取 0. 2。由于开发 利用， 独流减河河口面积由 168. 95 km2缩减为 48.59 km2， 计算得河口栖息地面积标准化值为0.2876。 总之， 独流减河河口生态系统状态评价的指标权 重值及各指数标准化值见表 4。 表 4独流减河河口状态评价的各指标权重及标准化值 Table 4Weight and standardized value of state uation of Duliujianhe Ｒiver estuary ecosystem 评价指数评价指标权重现状标准化值 底质状态 水环境状态 植被状态 河口生态系 统功能状态 有机质含量0. 01150. 41 总磷含量0. 01020. 6 硫化物0. 00801 重金属污染物浓度0. 02010. 908 石油类0. 01931 有机污染物0. 02020. 2283 COD0. 02670. 2301 pH 值 0. 01201 总氮0. 01410. 3302 总磷0. 02020. 1992 生物量0. 01001 优势种0. 01871 植物多样性指数0. 02141 水质净化能力0. 02820. 4 栖息地0. 02090. 2876 水文调节0. 02960. 2 物质生产功能0. 02430. 2 2. 3河口生态系统响应评价 用同样方法对河口生态系统响应进行评价， 结果 见表 5。 表 5独流减河河口响应评价的各指标权重及标准化值 Table 5Weight and standardized value of response uation of Duliujianhe Ｒiver estuary ecosystem 项目 河口 面积 河口生 产力 物种 多样性 周边人 口素质 人口健 康状况 指标权重0. 14380. 08430. 13450. 03390. 0753 响应评价参照值3. 11 河口响应标准化值0. 28760. 20. 1810. 74 由于临港工业区和天津港的建设， 以及闸桥建设 带来的影响， 独流减河河口面积由 168. 95 km2缩减 为 48. 59 km2， 因此， 独流减河河口面积标准化值为 0. 2876。据我们调研， 近年来渤海水生生物资源呈严 重衰减趋势， 目前渤海水域生产力水平已不足 20 世 纪 80 年代的五分之一， 因此， 河口生产力标准化值取 0. 2。王志勇 ［23 ］1994 年对渤海湾水域中的浮游生物 进行了测定分析， 得到生物多样性均值为 3. 11， 我们 以此值作为生物多样性背景值。黎洁 ［24 ］于 2009 年 监测到独流减河两个站位的浮游动物多样性指数分 别为 0. 2 和 0. 9， 我们以这两个值的平均值与背景值 的比值 0. 18 作为河口生物多样性标准化值。随着经 济的发展， 天津各河口周边居民素质比 7080 年代 有了很大提升， 因此， 周边人口素质标准化值取 1。 然而， 同样随着经济的发展， 河流的污染程度比 70 80 年代有了较大恶化。本研究通过查阅天津统计年 鉴 ［25- 26 ］得出， 1985 年天津滨海人口死亡率为 4. 18‰， 2010 年人口死亡率增至 5. 6‰， 以 1985 年死亡率为 参考值， 得出周边人口健康评价指数为 0. 7464。 2. 4河口生态系统综合评价 根据本文所依托的“水利部公益性行业科研专 项” 天滨海河口生态系统恢复关键技术研究的 调研结果表明， 独流减河的入海径流量远低于最小河 口生态需水量， 入海径流远不能满足目前河口生态所 需。同时， 随着滨海经济迅速发展， 废污水入河口排 放量与日俱增， 河口水生态水环境遭到严重破坏。佐 证了本研究中社会因素如水资源过度开发、 污染物大 量排放等不合理人类活动， 以及闸坝所导致的流量控 制和围垦是河口生态系统结构和功能退化的主要 原因。 通过河口生态系统压力评价 自然因素压力和 社会因素压力 、 状态评价 底质环境状态、 水环境状 态、 植被状态和系统功能状态 、 响应评价， 并对各评 价指标进行加权求和， 计算得到独流减河河口生态系 统健康评价的综合指数为 0. 471。必须指出的是， 在 整个评价过程中， 为了便于计算， 本研究统一采用数 值越大河口环境质量越好的标准， 对于数值越小环境 越好的指标在标准化时做了取倒数处理。参照评价 等级， 独流减河生态系统的健康级别属于 III 类， 亚健 康状态。与独流减河河口实际情况基本相符， 验证了 本文所提出的河口生态系统健康评价模型具有一定 的有效性与实用性。 421 环境工程 Environmental Engineering 3结论与建议 1基于河口生态系统的健康内涵， 结合独流减 河河口的实际情况， 构建了基于 PSＲ 模型的独流减 河河口生态系统健康评价指标体系， 确立了生态系统 健康等级及标准， 通过层次分析法确定了指标权重。 2采用所建立的评价模型对独流减河河口生态 系统健康进行评价， 通过河口生态系统压力评价、 状 态评价和响应评价， 并对各评价指标进行加权求和， 得到独流减河河口生态系统退化的综合评价指数为 0. 471， 参照河口生态系统健康评价标准可知， 独流减 河河口生态系统的健康级别均属于 III 类， 处于亚健 康状态， 河口生态系统已遭受进一步破坏。 3根据独流减河河口生态健康评价结果， 采取 人为干预措施恢复和重建河口生态系统已迫在眉睫。 具体建议如下 加大流域截污减排力度， 减少陆源污 染物排入河流从而经过河口入海; 增强水资源的合理 配置， 统筹兼顾生活、 生产和生态用水， 考虑利用非常 规水源对河口生态修复进行生态补水; 开展河口潮滩 及底泥的污染治理研究， 开展河口湿地生态恢复技术 研究， 恢复河口地区的自然生态环境， 保护生物多样 性; 遵循自然规律， 顺应河口自身特点， 努力维系河口 生态系统结构和生态服务功能。 参考文献 ［1］水利部黄河水利委员会． 2002 年黄河水资源公报［M］． 郑州 黄河水利出版社， 2002． ［2］胡志新， 胡维平， 谷孝鸿， 等． 太湖湖泊生态系统健康评价［J］． 湖泊科学， 2005， 17 3 256- 262． ［3］肖风劲， 欧阳华， 孙江华， 等． 森林生态系统健康评价指标与方 法［J］． 林业资源管理， 2004 1 27- 30． ［4］侯晓龙， 黄建国， 刘爱琴． 福建闽江河口湿地土壤重金属污染 特征及评价研究［ J］ ． 农业环境科学学报， 2009， 28 11 2302- 2306． ［5］钦佩， 左平， 何祯祥． 滨海系统生态学［ M］ ． 北京 化学工业出版 社， 2004 170- 193． ［6］Ｒainer Walz． Development of environmental indicator systems Experiences from Germany［J］ ． Environmental Management， 2000， 25 6 613- 623． ［7］麦少芝， 徐颂军， 潘颖君． PSＲ 模型在湿地生态系统健康评价中 的应用［J］． 热带地理， 2005， 25 4 317- 321． ［8］杨志， 赵冬至， 林元烧． 河口生态安全评价方法研究综述［J］． 海洋环境科学， 2011， 30 2 296- 300． ［9］周晓蔚， 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