CN115063024A - 一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法。属于海洋生态评价、保护和修复治理技术领域。方法具体包括：步骤S1：确定评价单元；步骤S2:评价指标体系构建，选取适用于海洋生态系统恢复力评价的指标，建立生态系统恢复力评价指标体系；步骤S3：指标权重确定；步骤S4：海洋生态恢复力定量评价。本发明为当前海洋生态环境定量评价提供了新的研究方法，并为未来的海洋生态系统保护和修复提供科学依据和理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法。属于海洋生态评价、保护和修复治理技术领域。
背景技术
近年来随着社会经济的迅速发展，人类对海洋资源不断的攫取和开发，给海洋生态系统的可持续发展造成了巨大压力，导致海洋生态系统破坏、生态环境恶化、海洋灾害频发等一系列生态问题，严重威胁海洋和近岸地区生态环境和社会经济的可持续发展。认清海洋生态系统现状及其恢复能力是科学防治海洋生态问题的前提和基础。
近年来海域生态系统保护目标和任务要求不断提高，急需对海域整体生态现状进行定量评价，海洋生态系统恢复力定量评价可以直观地反映区域的生态质量，为海洋资源管理和生态系统修复提供重要的理论指导和科学依据，并为海域的生态健康诊断与可持续发展决策提供参考。海洋生态系统恢复力是指海洋生态系统在受到外界干扰，偏离平衡状态后所表现出的维持自我、自我调节及抵抗外界各种压力和扰动的能力，包括维持其重要特征如生物组成、结构、生态系统功能的能力。目前针对海洋生态系统恢复力的评价较少，尚未形成系统的研究体系和定量评价方法。
发明内容
本发明为了解决当前海洋生态环境评价欠缺，且其他生态系统定量评价方法无法准确反映海洋生态系统恢复力问题，提出一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法。
本发明技术方案具体为：一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法，包括以下步骤：
S1：确定评价单元。依据所属海洋生态系统所涉及海域的面积大小和评价海洋生态系统恢复力所涵盖的数据精度，综合分析来确定评价单元的大小。海域范围没有明确的自然边界或者人为划定地行政边界，一般应用arcgis的渔网工具进行划定。
S2：评价指标体系构建。依据指标选取原则和所属海域特点，选取适用于海洋生态系统恢复力评价的指标，建立生态系统恢复力评价指标体系。指标选取原则如下：
科学性原则。构建评价指标体系时，要以科学理论为基础，在明确海洋生态系统恢复力内涵的基础上，选取科学性和客观性的评价指标，各指标概念和内涵必须明确，确保评价指标的选取能客观反映海洋生态系统恢复力的运行状态。
可操作性原则。具体包括指标可量化、指标可比和指标数据可获取3个方面。指标可量化是指标可以定量化表达，是指标参与定量评价的基础；指标可比性要求在空间差异上要保证同类指标在不同区域、统计口径以及计算方法上具有一致性，可以用于比较空间差异特征。指标数据可获取要求选取指标时，要确保指标数据可以获取，也是定量评价的基础。
系统性和层次性原则。系统内部各要素之间、系统与周围环境相互联系、相互作用，因此在指标选取时要遵循系统性原则，实现全覆盖。同时由于各指标具备不同属性特征，为使指标体系层次分明、条理清晰，要对整体系统进行分解与简化，形成多层次评价指标体系。
代表性原则。务必确保评价指标具有典型代表性，尽可能准确反映出评价区域自然环境、社会经济的综合特征。
以选取指标为基础，建立海洋生态系统恢复力定量测度的层次结构模型。层次结构模型包括：目标层A、准则层B和指标层C；
目标层A以海洋生态系统恢复力为评价目标；
准则层B包括：海洋生物(B1)、海洋物理环境(B2)、海洋化学环境(B3)、海洋灾害风险(B4)、人类活动(B5)；
指标层C包括：海洋物种丰富度(C1)、叶绿素a浓度(C2)、初级生产力(C3)、海洋表面温度(C4)、海洋深度(C5)、PH值(C6)、海水水质等级(C7)、海水颗粒有机物含量(C8)、海水溶氧量(C9)、沉积物重金属含量(C10)、赤潮发生风险等级(C11)、风暴潮发生风险等级(C12)、海洋资源利用现状(C13)；
S3：指标权重确定。采用主成分分析法(PAC)来确定各指标的权重。通过对各影响因子分析计算生成相关系数矩阵，得到特征值λi与特征向量ei(i＝1，2，3...n)。
计算得到主成分方差贡献率以及累计方差贡献率：
主成分方差贡献率：
累积方差贡献率为:
累计贡献率达80％的特征值λ1、λ2...λm所对应的第一，第二...第m(m≤n)个主成分，也可根据实际情况来定。
计算成分矩阵，得到主成分特征向量矩阵，计算方法为各自主成分载荷向量除以各自主成分特征值的算术平方根。
确定主成分数量m：F1、F2...Fm。
计算主成分权重值及各指标权重值，计算得到主成分及生态系统恢复力综合得分。
S4：海洋生态恢复力定量评价。以各影响因子指标权重值和指标值为基础，累积加权值，得到海洋生态系统恢复力指数。假设用P来表示海洋生态系统恢复力指数，则海洋生态系统恢复力指数可表达为：
式中，P为海洋生态系统恢复力指数，Si为海洋生态系统特征要素，分别代表海洋生物、海洋物理环境、海洋化学环境、海洋灾害风险、人类活动等要素；Wi为各要素i所对应的权重值。
S5：海洋生态恢复力等级评价。将计算得到的海洋生态系统恢复力指数利用自然分割法划分为为五个等级：低、较低、中等、较高、高，用以表征区域恢复能力水平。
本发明一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法，相比于现有技术的方案，具有以下优点：
本发明通过建立一套针对海洋生态系统恢复力的定量评价方法，为当前海洋生态环境定量评价提供了新的研究方法，并为未来的海洋生态系统保护和修复提供科学依据和理论基础。
附图说明
图1为海洋生态系统恢复力定量评价方法流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
以某省近岸海域为例进行海洋生态系统恢复力定量评价。
评价范围为某省海域管理范围，即某省大陆岸线向海一侧12海里。依据评价区域面积大小和评价海洋生态系统恢复力所涵盖的数据精度，综合分析，将评价区域切割成4×4km的网格，作为近岸海域生态系统恢复力的评评价单元。
某省近岸海域海洋生态系统恢复力的评价指标筛选充分考虑以下原则：
(1)科学性原则。构建评价指标体系时，要以科学理论为基础，在明确海洋生态系统恢复力内涵的基础上，选取科学性和客观性的评价指标，各指标概念和内涵必须明确，确保评价指标的选取能客观反映海洋生态系统恢复力的运行状态。
(2)可操作性原则。具体包括指标可量化、指标可比和指标数据可获取3个方面。指标可量化是指标可以定量化表达，是指标参与定量评价的基础；指标可比性要求在空间差异上要保证同类指标在不同区域、统计口径以及计算方法上具有一致性，可以用于比较空间差异特征。指标数据可获取要求选取指标时，要确保指标数据可以获取，也是定量评价的基础。
(3)系统性和层次性原则。系统内部各要素之间、系统与周围环境相互联系、相互作用，因此在指标选取时要遵循系统性原则，实现全覆盖。同时由于各指标具备不同属性特征，为使指标体系层次分明、条理清晰，要对整体系统进行分解与简化，形成多层次评价指标体系。
(4)代表性原则。务必确保评价指标具有典型代表性，尽可能准确反映出评价区域自然环境、社会经济的综合特征。
某省近岸海域以某省大陆岸线向海一侧12海里以内的海域，临近海岸，生物多样性较为丰富，入海河流众多，对海洋的化学成分和物理性质有明显影响，人类活动较为频繁，对海洋生态系统的扰动也较为显著。
考虑评价区海域的特点以及数据的可获取的难易程度，并且确保指标选取的科学、全面、准确、代表且可操作性。确定从海洋生物、海洋物理环境、海洋化学环境和人类活动等4类因素进行指标筛选。
海洋物理环境。物理环境主要包括海洋表面温度和海洋深度。海洋表面温度反映了海洋的水热条件，水热条件好的区域有利于海洋生物的繁殖、代谢和迁徙，生物多样性相对丰富，生态系统恢复能力强，反之，水热条件差的区域生态系统恢复能力低。海洋深度是反映生态环境容量的直观指标。随着海洋深度的增加，海洋生态环境容量增大，能容纳污染物的最大负荷量增加，海洋生物垂直群落的层次加大，生态系统抗干扰能力增加，海洋生态系统恢复力增强。因此，选取海洋表面温度和海洋深度2项指标反映海洋物理环境对海域生态系统恢复力的影响。
海洋生物。生物因素是反映海洋生态系统生产力的重要指标，又是指示海洋污染的重要指标。若在合适范围内，生物量越高则生态系统生产力越大；若超过合理范围，生物量越大则说明生态系统富营养化风险越大。叶绿素a浓度是指示海洋生物最常用的指标。叶绿素a浓度是浮游植物现存量的重要指标，直接反映了浮游植物数量，即反映海域初级生产者的现存生物量。同时，叶绿素a浓度也是评价海洋水质、有机污染程度和探测渔场的重要参数，是反映水体富营养化程度和赤潮发生的重要指标之一。已有研究表明，叶绿素a浓度10mg/m3是海洋生态系统的临界阈值。当叶绿素a浓度低于10mg/m3时，随着叶绿素a浓度升高，海洋生态系统生物量增大，生态系统恢复力随之增强。一旦叶绿素a浓度超过10mg/m3，随着叶绿素a浓度的升高，赤潮等由水体富营养化产生的海洋自然灾害发生的概率随之增大，生态系统恢复力水平反而降低。因此，选取叶绿素a浓度作为指标反映海洋生物因素对生态系统恢复力的影响。
海洋化学环境。海洋化学环境主要是指海洋水质状况。海洋水质是反应海洋水环境质量等级的直接指标。水质好的海域，有利于海洋生物的生长、繁衍和迁徙，生态系统恢复能力也较强；水质差的海域，不利于海洋生物的生长、繁衍，生态系统恢复能力也较差。因此，本研究选取海洋水质指标反映海洋化学环境对海域生态系统恢复能力的影响。
人类活动。人类活动对海域生态系统的影响主要是对海域资源的利用。海洋资源利用现状反映了海域的开发强度和人类活动影响的强弱。人类活开发利用强度越大，生态系统的恢复力能力越弱；人类活开发利用强度越小，生态系统的恢复力能力越强。因此，本研究选取海洋资源利用现状作为指标反映人类活动对海洋生态系统恢复力的影响。
依据选取指标，建立海洋生态系统恢复力测度的层次结构模型。层次结构包括：目标层A、准则层B和指标层C；
目标层A以海洋生态系统恢复力为评价目标；
准则层B包括：海洋生物(B1)、海洋物理环境(B2)、海洋化学环境(B3)、人类活动(B4)；
指标层C包括：海洋深度(C1)、海水水质(C2)、叶绿素a浓度(C3)、海洋表面温度(C4)、海洋资源利用现状(C5)。
对指标因子数据进行数据预处理。数据预处理包括数据格式处理和数据标准化。数据格式处理主要是将研究所用的数据转换为统一的坐标信息系统和空间分辨率的栅格数据。数据标准化处理即通过标准化处理，将每个评价指标数值通过线性拉伸方法限定在0.00到1.00之间，即当评价因子为0时表示此区域生态系统恢复力最小，评价因子为1时此区域生态系统恢复力最大。标准化处理公式如下：
式中，IS代表经标准化处理后的空间评价指标数据，I代表原始数据，Imin和Imax分别代表所对应原始数据集阈值范围内的最小值和最大值。其中，人类活动数据中的海洋资源利用因子，依据生态恢复能力等级，对海洋资源利用现状进行恢复力评价因子赋值。
表1海洋资源利用恢复力评价因子赋值
| 海洋资源利用现状 | 恢复力评价因子 |
| 保护区 | 100 |
| 未开发利用海域 | 80 |
| 海域腌养殖区域 | 60 |
| 港口 | 40 |
| 油田 | 20 |
采用主成分分析法(PAC)来确定各指标的权重。利用SPSS22.0软件完成指标体系的主成分分析。主成分分析的步骤如下：
(1)计算生成相关系数矩阵，并进一步计算主成分方差贡献率以及各因子累计方差贡献率。表2中F1、F2、F3的累积贡献率为84.86％＞80％，选择F1、F2、F3作为主成分来概括绝大部分信息，各主成分的方差贡献率表示该成分对评价目标的重要性程度，在各子系统综合评价时，将其归一化后作为相应主成分的权数。
表2各因子对总体方差贡献率
| 成分 | 特征根 | 方差的贡献率％ | 累积贡献率％ |
| F1 | 2.586 | 51.72 | 51.72 |
| F2 | 1.012 | 20.25 | 71.97 |
| F3 | 0.645 | 12.89 | 84.86 |
| F4 | 0.483 | 9.65 | 94.51 |
| F5 | 0.275 | 5.49 | 100 |
(2)计算成分矩阵，得到主成分特征向量矩阵(表3)，计算方法为各自主成分载荷向量除以各自主成分特征值的算术平方根。
表3主成分特征向量矩阵
| 特征向量1 | 特征向量2 | 特征向量3 | |
| c1(水深) | 0.557 | -0.01 | -0.126 |
| c2(水质) | 0.506 | -0.151 | 0.200 |
| c3(叶绿素a) | -0.467 | -0.084 | 0.718 |
| c4(表面温度) | -0.463 | -0.015 | -0.649 |
| c5(资源利用) | 0.035 | 0.985 | 0.082 |
(3)计算主成分权重值及各指标权重值。将F1、F2、F3的方差贡献率归一化后得到主成分的权重，归一化公式为：
式中，F为归一化后第i个主成分的权重，λi为第i个主成分的方差贡献率，n为所取的主成分数量。将特征向量分别归一化，得到各评价指标的权重，归一化公式为：
式中，W为归一化后第i个指标的权重，wi为第i个指标的方差贡献率，n为所取的主成分数量。计算结果见表4。
表4各指标权重及主成分权重
主成分及生态系统恢复力综合得分，假设用G来表示主成分的综合得分，则各主成分的表达式分别为：
G1＝0.319×C1*+0.29×C2*
G2＝0.239×C5*
G3＝0.08×C3*+0.072×C4*
式中，Ci为Ci标准化后的数值，根据主成分综合模型，计算得到生态系统恢复力指数。计算公式如下：
将计算得到的某省近岸海域海洋生态系统恢复力指数利用自然分割法划分为为五个等级：低、较低、中等、较高、高，用以表征区域恢复能力水平(表5)。
表5某省近岸海域生态系统恢复力评价等级
根据评价结果，某省近岸海域生态系统恢复力指数在0.156到0.788之间，平均值恢复力为0.534。从空间上，海岸带北段地区生态恢复力水平明显高于南段，生态恢复力水平从近岸到远海逐渐升高。
生态系统恢复力水平低的区域主要集中在B市近岸海域区域，海岸带北段基本没有生态恢复力水平低的区域，这可能主要与人类活动、海洋水质有关。A市南部近岸海域、B市南部近岸海域恢复力水平较低，这可能主要受水质环境的影响。生态系统恢复力水平中等区域主要在近岸和远海之间的过渡带海域，生态系统恢复力水平高和较高的的区域主要集中在海岸带北段的远海区域。
通过应用本发明，提供了一种统筹分析已有海洋数据，进而提出一套系统的海洋生态系统恢复力评价的方法，为海洋生态环境保护和系统修复提供科学依据和理论性指导意见。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法具体包括：
步骤S1：确定评价单元；
步骤S2:评价指标体系构建，选取适用于海洋生态系统恢复力评价的指标，建立生态系统恢复力评价指标体系；
步骤S3：指标权重确定；
步骤S4：海洋生态恢复力定量评价。
2.根据权利要求1所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法步骤S2还包括：以选取指标为基础，建立海洋生态系统恢复力定量测度的层次结构模型；层次结构模型包括：目标层、准则层和指标层。
3.根据权利要求2所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法中目标层以海洋生态系统恢复力为评价目标；
准则层包括：海洋生物、海洋物理环境、海洋化学环境、海洋灾害风险、人类活动；
指标层包括：海洋物种丰富度、叶绿素a浓度、初级生产力、海洋表面温度、海洋深度、PH值、海水水质等级、海水颗粒有机物含量、海水溶氧量、沉积物重金属含量、赤潮发生风险等级、风暴潮发生风险等级、海洋资源利用现状。
4.根据权利要求2所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法步骤S3中采用主成分分析法来确定各指标的权重,通过对各影响因子分析计算生成相关系数矩阵，得到特征值λi与特征向量ei(i＝1，2，3...n)；
计算得到主成分方差贡献率以及累计方差贡献率：
主成分方差贡献率：
累积方差贡献率为:
累计贡献率达80％的特征值λ1、λ2...λm所对应的第一，第二...第m(m≤n)个主成分，也可根据实际情况来定；
计算成分矩阵，得到主成分特征向量矩阵，计算方法为各自主成分载荷向量除以各自主成分特征值的算术平方根。
确定主成分数量m：F1、F2...Fm；
计算主成分权重值及各指标权重值，计算得到主成分及生态系统恢复力综合得分。
5.根据权利要求4所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法中步骤S4具体包括：海洋生态系统恢复力指数可表达为：
式中，P为海洋生态系统恢复力指数，Si为海洋生态系统特征要素，分别代表海洋生物、海洋物理环境、海洋化学环境、海洋灾害风险、人类活动；Wi为各要素i所对应的权重值。
6.根据权利要求1所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法还包括步骤S5：海洋生态恢复力等级评价。
7.根据权利要求6所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法步骤S5具体包括：将计算得到的海洋生态系统恢复力指数利用自然分割法划分为为五个等级：低、较低、中等、较高、高，用以表征区域恢复能力水平。
8.根据权利要求1所述的海洋生态系统恢复力的定量评价方法，其特征在于：所述方法中步骤S1具体包括：依据所属海洋生态系统所涉及海域的面积大小和评价海洋生态系统恢复力所涵盖的数据精度，来确定评价单元的大小；海域范围没有明确的自然边界或者人为划定地行政边界，应用arcgis的渔网工具进行划定。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118071531A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-05-24 | 重庆地质矿产研究院 | 一种露天矿山生态系统恢复力评价方法 |
-
2022
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