刘大海,程天麒,徐文鹏,王春娟,马雪健,4,李峥
(1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061; 2.天津大学建筑工程学院 天津 300072; 3.东南大学土木工程学院 南京 210096; 4.中国海洋大学环境科学与工程学院 青岛 266100;5.厦门大学海洋与海岸带发展研究院 厦门 361102)
基于生态系统的海底功能区划初步构想
刘大海1,程天麒2,徐文鹏3,王春娟1,马雪健1,4,李峥5
(1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061; 2.天津大学建筑工程学院 天津 300072; 3.东南大学土木工程学院 南京 210096; 4.中国海洋大学环境科学与工程学院 青岛 266100;5.厦门大学海洋与海岸带发展研究院 厦门 361102)
文章研究界定了海底功能区划的概念,并结合定义从3个视角对海底生态系统特征进行了深入探讨。提出海底功能区划整体区划思路,并设计其具体步骤。以资源区位、可开发资源种类与海底区域环境条件为依据,开展了海底资源分类研究。基于生态系统的区划理念,结合海洋资源开发特征,从空间立体配置、时间动态配置和功能兼容配置3个角度探讨海底资源配置的具体原则。最后,提出我国下一步开展海底功能区划的对策建议。
海底功能区划;海洋资源;基于生态系统;兼容性
随着陆地资源日益减少,海洋逐渐成为人类新的水资源开发基地、食品生产基地、能源开发基地和生产生活空间。海洋处于自然地理位置的最低位,流域、海岸带和海洋的开发压力在海洋交织叠加,尤其是近海海域,承载压力远超陆地生态系统,近年来更是逐渐超出自身承载能力,海洋开发空间结构失衡问题愈发突出[1]。为缓解这一现状,全球海洋开发逐渐从海洋表面、滨海、海洋水体逐步深入到海底,2016年颁布的《深海法》更是吹响了认识海底、开发海底的号角。与近海海域相比,海底区域不仅具有更丰富的生物、矿产和能源等资源,同时能为海底储藏、海底隧道以及军事活动等提供空间,合理开发利用海底资源将有效缓解人口膨胀、资源短缺及环境恶化等发展难题[2]。然而,海底区域尤其是深远海海底区域的开发尚处于探索阶段,对于未来海底区域的开发,应借鉴近海的海洋开发经验和经验教训,科学合理地规划布局,有序拓展海底空间资源,以实现各类海底资源的合理开发和有效管控。本研究开展海底功能区划相关前期研究,对海底功能区划进行功能定位,从海底资源的区位、种类、自然属性和人类需求等多方面分析和探究海底功能区划选划的一般方法,尝试性地探索基于海洋生态系统的海底功能区划思路,完善其设计流程,为我国海底资源的科学开发与管理提供前期研究基础。
海底功能区划作为一项以海底自然属性和海底生态系统为基础的前瞻性工作,对于未来开发和保护海底区域资源具有重大意义。最早系统性开展此类研究的国家是澳大利亚。在进行新一轮海洋空间规划的基础上,澳大利亚对大堡礁编制了面向新世纪的海底空间区划,从海洋环境保护角度把大堡礁海底公园分为一般功能区、栖息地保护区、科学研究区、公园保护区、缓冲区、国家公园区和保存区。英国的海洋空间规划里也涉及海底功能区划相关内容[3]。
需要指出的是,当前国际上对海底尚无统一的定义。从地理范围上讲,海底是海平面立体水域之下固体、液体和气体的总称,它包括大陆架、大陆坡、大陆脊和深海底;《联合国海洋法公约》中的国际海底仅指深海底;政治上的海底有时又指国家主权管辖范围外的国际海底[4]。但随着各国对海洋管辖权的扩大和海底资源重视程度的加深,目前对海底的讨论研究不局限于某一块区域或某一个领域,而更倾向于从生态系统角度解决海底资源问题。基于此,海底功能区划研究涉及的海底是指国家管控范围内的,可以为人类所用的全部海底资源的统称。
海洋是特殊的地理单元和生态系统,其资源和环境在空间上高度重合,这样就产生了资源开发、环境保护的时序安排和统筹协调问题,海底作为海洋的一部分,其资源环境管理更加多元和复杂[1]。海底研究区域广阔,过程复杂,涉及地质环境、化学环境和特殊生态系统。在不同海底区域,由于区域位置的差异,海底水压、水温、光照、含氧量等自然属性有显著差异,其内含的资源类别和系统状况有很大差异;海底全部固、液、气所形成的生态环境的稳定性,生态系统发挥的主要功能等都有不同;因此,在人类海底资源开发过程中,应当充分尊重并明确待开发区域的自然属性,从区位、资源种类、生境特点等多方面掌握海底资源现状,再结合人类生产需求和生态系统管理要求进行海底功能区划与资源配置。
参考我国海洋功能区划的定义,可以将海底功能区划理解为一项根据海底不同区域的自然属性,结合部分上覆水域的特点,并考虑区域海洋开发现状和社会经济发展需求,按海底功能区的划分标准而划分出不同类型海底功能单元的基础性管理工作。从海底生态系统本身来看,其至少具有以下特征:①空间立体性。不同位置的地形特征、地球物理场(重力场、磁力场)、沉积类型、压力、水动力、温度、氧气含量等都不尽相同,使得海洋环境在不同海域、不同深度都具有相当大的差异。②时间动态性。海洋生物种类繁多,每个物种在生长繁殖的不同阶段对生存环境的要求一般不同,表现出明显的时空分布差异。③功能层叠性。同一位置的海底可能出现多种资源交叉分布,从而具有多种功能并存的特点。开展海底功能区划工作,首先要从宏观尺度把握海底生态系统共性特征,这样才能进一步结合区划方法研究思路,明确区域海底资源类别和特点,从而较全面而科学地指导海底功能区划选划。
回顾近海海域资源开发历程,可归纳出3个问题:一是早期海域资源开发过程中环境意识及保障技术较弱,导致近海海洋生态环境破坏严重;二是海陆开发未能统筹协调;三是海洋开发总体布局不合理,海洋产业结构矛盾和区域不平衡问题突出,地区间产业趋同性严重[4-5]。借鉴近海海域资源开发的经验教训,在把握海底生态系统共性特征的基础上,从待选划区域的自身条件出发,了解区域资源的特殊性。从自然属性、物质条件、社会与人的需求等方面客观分析区域海底资源开发的适宜性,科学界定其功能,合理开展区划。
海底资源的不合理开发往往会导致某一种或某几种海底自然属性的剧烈改变,甚至造成局部海洋生态系统失衡。比如,海洋底栖生物是海洋生态系统的重要结构性类群,同时也是受经济活动影响较大的海底属性之一,开发海底矿产及能源致使海床破坏,易引发海洋底栖生物大批死亡,造成区域生态系统失衡。因此,海底功能区划必须综合考虑海底资源、物理条件及其与开发活动之间的关系等具体情况,以进行系统化地设计。课题组研究认为,海底功能区划的整体思路和主体流程大体包括以下步骤。首先,明确目的海底区域位置;其次,考察海底可开发资源类型;再次,明确海底自然属性及上覆水域的特点,判断开发合理性;最后,结合人类社会经济需求和技术条件,有针对性地开展海底功能区划。
2.1 流程设计
在以上主体思路基础上,基于海洋生态系统,以海底的自然属性为基础,运用海洋资源的配置手段进行具体流程设计。
(1)收集资料,重点调查标志性生物习性及海底现存主要资源状况。由于不可能把所有海洋生物都纳入评价体系中,因此以海洋生物的数量和其与自然环境的关联程度为基础,确定海域存在的标志性海洋生物,继而研究它们的循环周期特性。同时调查海底所具有的主要资源和其功能及价值,分析各类资源、功能开发利用之间的兼容性。
(2)确定规划区的功能类型。根据调查资料了解海域资源,确定海底功能,将功能一一列出。
(3)建立区划评价指标。海底功能区划的指标体系是判别海底特定区域对应何种功能的标准,其建立主要根据海底的环境条件和上覆水域的情况。为了科学合理地建立划定海底功能区的指标体系,需遵循以下原则:指标选取必须适用于描述海底属性;兼顾地域性和可操作性;兼顾海底功能的可塑性;定量与定性相结合;与各类涉海规划、区划相协调。
(4)根据所确定的指标进行设计,对海底资源进行功能兼容配置和冲突处理。
(5)基于生态系统特征的海底资源配置。选取某时间段对海洋资源进行空间立体配置,确定某一时间段内的海底功能区划方案;再进行海底区划的时间动态配置,依据上述步骤,制订其他时间段内的区划方案。时间动态的方案应充分考虑海洋生物活动的特性,结合气候、水动力周期性变化等自然因素,对同一片海域进行不同时间段的规划调整,以尽可能地保护生态环境。
该方案综合考虑海底功能的兼容性和限制性,解决了海域区划单一性的问题,使一片海域中的多种资源都可以有效利用。同时,以海洋自然属性为基础进行设计,利用时间动态配置,精准、有效地保护海洋生态环境;此外,在保护整体海洋环境的前提下进行海底功能区划设计,使海底功能区划的设计方案更加合理,也加强了海底功能区划与海洋功能区划的协调性。
2.2 分类研究
海底功能区划研究是以整体海洋生态系统为基础,以海底资源的科学利用为目的,因此海底功能区划工作中不仅要考虑海底的自然属性(包括区域位置、可开发资源种类、生态环境状态等),也要满足人类生产需求。结合海底功能区划的整体思路,探讨海底区域位置分类、资源种类分类和海底资源条件分类。
2.2.1 按海底区域位置分
按照海底地理位置,分为大陆架、大陆坡、大陆脊和深海底。其中大陆架离岸较近,地势平缓,有丰富的矿藏和海洋资源。大陆坡和大陆脊是联结大陆与深海的过渡区域,其沉积物中含有丰富的有机质,均具有良好的油气远景,上升流区域容易形成渔场。深海底也叫大洋底,是最深的海底。
2.2.2 按可开发的资源种类分
按人类对海底资源的开发和需求类型,对海底资源进行分类。对应海底区域探明的主要资源种类,将其分为包括海底矿产资源、海底生物资源,海底空间资源和海底文教娱乐资源。
海底矿产资源最受瞩目,目前已知重要的海底资源包括石油天然气资源、金属与非金属等硬矿资源、新型可燃冰资源等。
海底生物资源主要指生物资源丰富的海底,主要能向人类提供具有药用、食用等价值的海洋底栖生物、微生物等。
海底空间资源,因其分类众多,资源价值也更多样,如:可提高生物资源生产、更新效率;可储存、净化废物;可做为二氧化碳储存区、特殊物质储存区;可为海底基地、海底隧道、海底仓储等基础设施建设提供必要的海底空间;海底交通、停泊等;利用水面、水体、海床或底土铺设或规划铺设的海底通信光(电)缆和电力电缆以及输水、输油和输气等管状设施的区域[7];可提供适合海底保护区、军事设施建设、特种设施放置、海底航行和坐沉等特殊用途活动的区域。
海底文教娱乐资源主要能提供水下运动、观光等;海底文化遗产调查、勘测和发掘等;海底生态系统、动植物群落、特殊地质地貌等,为自然科学研究和教育等方面提供了对象、材料和试验基地,科研教育价值巨大。
2.2.3 按海底资源环境条件分
海底资源状态和环境条件不同,人类开发过程中应有不同的侧重。按照海底资源环境条件,暂将海底分为特殊生境海底(包括产卵场、育幼场、索饵场、洄游通道等)、重要物种保护海底(海洋保护区,珊瑚礁、海草床等重要生态物种区域)、生态环境脆弱海底、其他海底。从生态系统保护的角度来看,应当重点保护特殊生境海底和重要物种,有条件地或限制性开发生态系统脆弱性海底。
2.3 区划理念
基于生态系统开展海底功能区划,首先要明确基于生态系统管理的理念(ecosystem-based management,EBM)。目前海洋界对生态系统的管理的认识并不完全一致,主要包括:学者认为生态系统管理是在对生态系统组成、结构和功能过程充分理解的基础上,制定适应性的管理(adaptive management)策略,以恢复或维持生态系统的整体性和可持续性;北太平洋渔业管理会认为EBM是为维持生态系统的可持续性而规范人类行为的策略;2002年欧盟保护海洋环境战略会议提出EBM的作用为在基于对生态系统及其动态最可靠的科学知识的基础上,对人类活动进行一体化综合管理,以维持生态系统的完整性,并使生态系统产品和服务功能可持续利用[8-13]。
上述定义的核心思想即通过管理人类活动,来实现生态系统健康可持续发展。虽然我国目前还不具备全面实施基于生态系统的海底管理的条件,但可以循序渐进地纳入生态系统的管理理念,一边制订一边完善。同时,在海底功能区划实践中逐渐提高对生态系统保护的重视程度,为将来全面实现基于生态系统的海洋综合管理奠定基础。
2.4 配置原则
基于生态系统管理开展海底功能区划时,应遵循空间立体配置、时间动态配置和功能兼容配置3种原则,统筹优化海底资源开发与保护,使海底功能区划更加科学合理。
2.4.1 海底资源空间立体配置原则
海底空间立体配置是指针对海底空间的某一位置,利用资源的优先级进行特定的海底空间规划。针对海洋空间资源立体化的特征,空间立体配置的关键在于考虑海洋水平和纵深两个方向的资源配置,在海底空间中寻求海洋资源立体配置的最优解[4]。利用空间立体配置,可以使海底资源配置和整个海洋资源配置相协调,使得资源的利用更加充分,使海洋的各类功能区划更加合理。
需要指出的是,海底地下空间也是海底空间的重要组成部分,也应纳入立体配置的一部分,整体考虑,全面谋划。
2.4.2 海底资源时间动态配置原则
基于海洋生态的特性,海底区划需重视海洋资源的时间动态性。许多资源的开采势必会影响当地环境,对海洋生物活动尤其是鱼类的洄游特性产生干扰[14]。海洋生物的时间动态性不仅对人类科学技术提出新挑战,也为海底区划的设计开辟了全新的思路。时间动态配置是从根本上解决生态环境保护与开发利用之间矛盾的方法之一。
时间动态配置是指以保护海洋生物为导向,制订不同时间段内的海底功能区划方案,力求在开发利用海底资源的同时将海洋生物损害降至最小。
海底资源的时间动态配置应考虑3个方面:①针对不同海洋生物的周期性活动特点,在不同时间段制订动态的海底功能区划方案。②由于海洋生物活动可能存在不确定性,对于关键性的海洋生物要实施动态监测,根据监测报告对该片海域的功能进行动态调整,并反馈动态海底功能区划方案。例如:对于海底某些资源开采和工程建设项目应尽可能在洄游性鱼类离开此海域时进行,而当监测到其洄游归来时,应及时减少作业,结合鱼类的洄游规律做好相应的保护工作,并将此次监测的洄游时间、路线及时反馈,进行下一年度海底功能区划的动态调整[14]。③在海底进行作业时,不仅要考虑海洋生物的周期性活动,同时需要做远期预测,在长周期尺度范围内考虑海底作业将带来的生态环境影响,根据环境影响采取相应的功能区划方案。在重视环境保护的今天,进行海底资源时间动态配置对统筹各类资源的开发,建立高效、科学、可持续的海洋开发环境具有重要意义。
2.4.3 海底资源功能兼容配置原则
同一区域的海底呈现多种资源层叠分布的特点。有些海洋资源可以同时利用和开发,使得海洋同一片区域可以兼容多种功能,如渔业资源和海底空间资源等。对于这样的区域,如果只限定海域为单一功能,会造成海洋资源的极大浪费。同时,对有些资源的开发利用则存在冲突,如近海渔业资源可能会与海底矿产能源资源发生冲突。如果不进行资源利用权限的限定,则会导致两种资源的闲置浪费。因此,海底功能区划应考虑到海底资源的兼容配置,海底资源兼容配置是指某一片海底功能区划发展为以一种功能为主导,多种功能同时发展的兼容模式。兼容配置有助于资源的高效利用,可以解决一片海域功能单一的问题。
功能兼容配置需要通过权衡各种资源的重要性进行规划设计。首先,列举该海域所具有的资源,从资源经济价值、社会需求、开发的生态环境影响等角度,量化评价这些资源的综合效益。按照评估结果对各种海洋资源的重要性进行排序,同时标出可以兼容的资源和相互冲突的资源,如果相互冲突的资源重要性相近,则应从技术、政策等领域细化分析,或考虑将该区域视为保留区,等到技术成熟后再重新评价。
功能兼容配置的优势在于:提高海洋资源的利用效率,也将开发强度限制在环境承载能力之内;冲突保留为目前海洋生态的稳定和未来海洋资源的合理开发提供更多可能性。这两者相辅相成,使海底功能区划成为一个可行性强同时兼顾未来的动态规划。
结合我国海洋与海底管理现状,基于上述研究,提出对策建议如下。
3.1 建立“多规合一”的海底功能区划新体系
海底情况复杂多变,人工干预成本高,应系统区划,科学设计,把目前涉及海底的管控措施加以系统整合,协调配套形成海底空间区划,把海底空间区划的核心内容和空间要素,像棋子一样按照最优规则和次序,有机整合放入棋盘,形成“一张蓝图干到底”整体[15]。
3.2 探索海底地下空间与资源协同利用的海底功能区划新方式
海底空间是海洋空间的重要组成部分,是实现未来海洋空间立体开发、综合应用的重要资源之一。海底功能区划作为海底空间开发利用的前提和基础,对实现海底空间合理开发意义重大。因此,在海底功能区划制定过程中,除了要考虑海底生物资源、矿产能源等的有效配置和科学利用外,还要让海底空间开发与海底资源利用相互协调、互利兼容,这样才能充分发挥海底空间的最大潜力。
3.3 探讨海底经济与海底生态和谐的海底功能区划新模式
人类文明进步不能以牺牲环境生态利益为代价。在未来海底资源开发过程中,应当充分了解海底生态系统的状态,掌握区域生态系统的脆弱性、特殊性、稳定性和适宜性等,制订最为合理的海底功能区开发方案,做到因地制宜、因海制宜。综合海洋生物、海洋化学、物理海洋等海洋学科的海底部分,系统开展海底科学研究,以科学技术和生态理念指导海底功能区划和海底资源开发,从根本上促进海底经济与海底生态和谐共赢。
3.4 发展适用于海底开发保护的新装备
海底开发涉及深海极端装备、特殊装备的研发与技术体系的建立,还涉及深海探测与研究平台的建设。一方面应深入研究全球海底的不同生境,尤其是海山生态系统、深渊生态系统,为制备能够良好适应深海环境的新装备奠定理论基础;另一方面,在研究手段上不断改进,自主创新,努力突破制约海底开发的科技“瓶颈”,推进核心技术和关键共性技术的研究开发,发展立体化、自动化、信息化的新型海底设备。
3.5 完善全覆盖、全海深的海底资源新资料
海底功能区划的开展的制约因素之一是人们对海底的认知。应加强对海底的调查研究,鼓励多种形式的深海探测科研项目,提高海底探索技术和装备实力,不断更新和完善我国海底资源现状资料,对海底资源的种类、储量、使用定位、可持续开发等关键要素有充分的认识。只有充分掌握海底基本情况,才能形成系统利用海底资源的科学方案,才能使海底功能区划的实用性得到最大限度地发挥。
3.6 探索海底功能区划研究的新试点
目前开展海底功能区划的国家甚少,同时各个国家的国情又具有很大差别,对我国的直接借鉴意义较为有限。而我国对海底功能区划的理论研究尚处于探索阶段,对海底功能区划的区划方法、理论工具、理论实践等都尚未有人们所认可的统一理论。因此,建议从国外成功的案例着手,总结出一些海底功能区划,并尽快在试点试验区开展实验,并随着理论方法与技术逐步成熟,根据具体条件进行更大范围的示范应用。
海底功能区划是全新的事物,具有较强的前瞻性。从技术层面,本研究尊重海底生态系统共性特征,基于区域海底资源的自然属性、物质条件和人类需求等特点,探索了海底功能区划选划思路;在管理层面,研究融合了生态系统管理思想,对海底资源的空间配置、时间动态配置、兼容配置等手段进行探索。但需要指出的是,目前该海底功能区划还停留于理论探索阶段,建议借鉴国外的经验,尽快开展我国试点,进一步认识海底,探索海底,开发海底,逐步探索科学合理通用有效的海底功能区划理念和手段。
展望未来,随着海洋经济社会的快速发展和科学技术水平的逐渐提高,基于生态系统的海底功能区划将成为现实。而基于生态系统的海底资源管理和科学配置,将成为保证海洋资源可持续利用管理、海洋产业可持续发展和提高海洋整体利用率的有效举措,在国家深海开发战略的实施过程中发挥更重要的作用。
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Exploration of the Ecosystem-based Seabed Functional Zoning
LIU Dahai1,CHENG Tianqi2,XU Wenpeng3,WANG Chunjuan1,MA Xuejian1,4,LI Zheng5
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China;2.College of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.College of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;4.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;5.Coastal and Ocean Management Institute,Xiamen University,Xiamen 361102,China)
The concept of seabed functional zoning was defined and discussed thoroughly from three aspects of spatial,temporal and functional in the study.The holistic zoning framework of seabed functional zoning was proposed and its specific steps were designed.On this basis,the paper carried out the classification of seabed resources according to the resource locations,the types of exploitable resource and underwater regional environmental conditions.Based on the concept of ecosystem zoning and combined with the characteristics of marine resources exploitation,three fundamental principles of seabed resources allocations were discussed,including spatial allocation,temporal dynamic allocation and compatible allocation.
Seabed functional zoning,Marine resource,Ecosystem-based,Compatibility
2017-01-06;
2017-03-20
海洋公益性行业科研专项经费项目“基于生态系统的海洋功能区划关键技术研究与应用”(201505001);“近岸海域空间整治效果与开发存量评估关键技术研究应用”(201405025);“海洋生态文明区建设的评估指标体系构建与示范应用”(201305023).
刘大海,助理研究员,博士,研究方向为海洋政策,电子信箱:Liudahai@fio.ogr.cn
P74
A
1005-9857(2017)05-0009-07