渤海生态系统健康评价及对策研究

宋德彬, 高志强, 徐福祥, 郑翔宇, 张 华, 胡晓珂, 黄国培, 章海波



渤海生态系统健康评价及对策研究

宋德彬1, 2, 高志强1, 徐福祥1, 2, 郑翔宇1, 2, 张 华1, 胡晓珂1, 黄国培1, 2, 章海波1

(1. 中国科学院烟台海岸带研究所, 山东烟台 264003; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

根据2014~2016年渤海各航次监测数据, 选择22项因子构建表征研究区水环境、沉积环境、生态系统健康状态的评价指标体系, 利用AHP层次分析方法对渤海生态系统的健康状况进行了评价。结果表明, 渤海综合生态指数CEI为0.643, 健康等级为中级, 表明渤海生态系统整体处于亚健康的状态。生态健康较差和差的区域主要集中在莱州湾-渤海湾及其毗连地带的黄河三角洲地区; 唐山-秦皇岛-葫芦岛近海及其纵深海域大体处于中级健康水准; 渤海中部海区及其毗连的渤海海峡区域, 海洋生态健康水平较高。根据评价结果, 认为陆源输入、围填海工程是莱州湾和渤海湾的主要胁迫因子, 并探讨了相应对策, 以期为渤海的综合管理提供决策支持。

渤海; 生态系统健康; 对策; AHP

海洋生态环境正遭受着前所未有的强烈扰动如养殖、捕捞、围填海、排污、航运、疏浚等, 已经呈现出生产力下降、生物多样性减少、水质恶化等问题, 因此, 如何客观地对海洋生态系统健康展开评价已成为海洋环境管理的目标之一。目前包括海洋生态系统在内的生态系统健康的评估方法主要包括实地分析法、指示生物法和指标体系法三大类[1]。国际上已有不少学者和组织对海洋生态系统健康展开研究[2-3], 中国的海洋生态系统健康研究起步较晚, 目前的研究主要集中在滨海湿地、河口海湾、近海等典型区域[4-10]。

虽然海洋生态系统健康评价已取得大量研究成果, 但以往国内外海洋生态系统健康的研究中, 对空间化的侧重相对不足, 且到目前为止仍缺乏统一的评价模型, 而针对特定研究区域的特色评价模型是非常必要的。渤海作为中国典型的半封闭海, 也是中国诸多海域中生态环境最为脆弱的海域[11], 尤其近年来大规模的人类开发活动使渤海三大海湾的生态承载力面临超载状态[12], 表现为入海污染物和污染面积大幅增加[13]、环境灾害事件频发[14]、渔业资源呈小型化、低龄化[15]等问题。因此, 适时掌握渤海各指标因子和生态系统健康的空间分布情况, 对解决上述问题有着重要意义。本文在前人相关研究的基础上, 应用AHP层次分析法, 通过对指标体系构建相应数学模型, 以ArcGIS10.2版本为空间化实现平台, 尝试运用空间插值的方法, 将渤海各指标因子和生态健康状况空间化, 可广泛应用于渤海典型环境污染物控制、海洋生态环境保护政策实施等, 为渤海海域的改善提供决策支持。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

渤海(117°35′~122°15′E, 37°07′~41°N)地处中国大陆北端, 海岸线总长3784 km, 海域总面积77 284 km2, 平均水深18 m, 最深处85 m, 位于渤海海峡的老铁山水道, 深度较浅且多海湾, 由辽东湾、渤海湾、莱州湾、中部海区和渤海海峡五部分组成, 通过渤海海峡与黄海相通。采样站位分布图见图1。辽河、海河、黄河汇总入海, 带来丰富的营养物质, 湿地、海盐、滩涂、养殖、旅游资源丰富, 作为环渤海经济带的重要组成部分, 渤海开发环境优越, 区位优势明显, 但日趋恶化的生态环境令人担忧。

1.2 数据源选择与处理

渤海生态健康评价需要选择适宜的指标, 根据评价的科学要求和可操作性, 既要保证指标的代表性和全面性, 又要兼顾数据的可获得性。本文确定了表1所示的22项指标作为评价体系, 涵盖渤海生态、水环境、沉积环境三大模块。水环境模块包括盐度、水温、浊度、悬浮物等物理指标, 以及溶解氧、pH、营养盐、氮素等生化指标, 表征渤海水体受富营养化、热源、酸碱等污染的总体程度; 沉积物中的重金属、硫化物等毒害物质通过固液界面交换, 对渤海环境造成污染, 总碳是海洋生态系统中物质和能量流动的重要内容[16], 沉积环境模块表征渤海受此影响的程度; 生态系统模块包括叶绿素、浮游植物密度及多样性指标, 叶绿素a的含量与海洋初级生产力的高低有着直接关系[17], 该模块能表征渤海生产力及生态系统稳定程度。

表1 渤海生态系统健康评价指标权重分配

以上数据全部由本所在2014~2016年各航次采集得到, 样品的采集、存储、运输与分析均按照《海洋监测规范》[18]和《海洋调查规范》[19]执行。由于数据涉及多次不同站位的监测, 分析前进行数据的预处理如下:

(1) 采集表、中、底层水样的站位, 评价时以不同水层的平均值代表;

(2) 相同站位不同时间的监测结果, 取多次平均值代表。

图1为采样站位整体的空间分布, 本文基于采样点的均匀空间分布信息, 在ArcGIS10.2软件中使用克里金插值法实现评价因子的空间化, 并根据赋值标准, 对评价因子进行重分类, 得到归一化的评价指标。最终在栅格计算器中根据各自权重, 叠加得到渤海生态健康评价结果。

1.3 指标权重赋值

各指标的权重决定了其对渤海生态系统健康状况的贡献大小, 目前在多目标综合评价中, 权重赋值方法有专家打分法、层次分析法、主成分分析法、熵权法等[20]。专家打分法操作简单, 但受主观影响较大, 准确性较低; 主成分分析法虽然可以避免主观随意性, 但计算过程复杂, 对数据要求较高[21]; 熵权法是一种客观赋权方法, 专家经验知识不能体现, 难以表征指标的相对重要性, 有时得到的权重与实际重要程度完全不符[22]。

层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是目前被广泛应用的确定权重的方法, 在分析多目标、多准则的复杂决策时, 既考虑了专家意见, 又有严密的统计学基础[23-24], 将复杂问题分解为多个层次, 同层次指标进行重要性的两两比较, 应用1~9倒数标度法构建判断矩阵, 通过一致性检验的判断矩阵即为指标权重赋值。为解决1~9倒数标度法较大的主观任意性, 本文由多位中国科学院烟台海岸带研究所从事海洋环境、海洋生态研究的专家对指标层相对重要性进行打分, 并取多次结果的平均值以剔除主观任意成分。计算过程在Excel 2007软件中实现, 得到各评价因子的权重分配系数如表1所示。

1.4 指标分级赋值

评价指标的权重确立后, 根据《海水水质标准》[25]和《渔业水质标准》[26], 参照现场调查得到的实测数据, 将各指标分为四个等级: 4为好; 3为一般; 2为较差; 1为很差, 并赋以相应数值A。如对于溶解氧指标, >7 mg/L赋值为4, 6~7 mg/L赋值为3, 5~6 mg/L赋值为2, <5 mg/L时赋值为1, 以此类推, 将各指标因子标准量化。

1.5 CEI指数

目前有关生态系统健康的研究, 多采用综合指数的方法以定量评价生态健康状态, 本研究在参考前人成果基础上, 根据上述确定的评价指标体系, 结合各指标因子得分和对应的权重, 建立渤海综合生态系统指数CEI(Comprehensive Ecological Index)。

综合生态系统指数[27-32]:

式中, CEI为综合生态系统指数, 取值范围为0~1;W为对应指标的权重;A为对应指标的分级赋值1~4分;0为理想值, 取每个因子在最高等级下的指标值4分;为指标个数。生态系统健康分级并没有统一或公认的标准, 本文参考已有的文献材料[27,31,33-34], 将渤海生态系统CEI指数分为5级, 见表2。

表2 渤海生态系统CEI分级标准

2 结果与讨论

2.1 单因子分析

从图2可看出各因子的空间分布:

(1) 铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、叶绿素、水温、溶解氧的空间分布一致, 由近海向远端逐级递减, 并在莱州湾存在一个高值区。其中铵态氮、硝态氮、亚硝态氮在莱州湾西侧达到最大浓度, 叶绿素a最高含量在莱州湾西南侧, 莱州湾溶解氧浓度明显低于渤海中部和渤海海峡, 水温也显著高于本底值1℃以上。

(2) 铅、锰、砷、铬、铜、锌重金属的空间分布存在较强的一致性, 除锰元素外, 基本在渤海湾存在明显的高值区域, 其中铜、锌元素的高值区蔓延到唐山-秦皇岛近海, 呈东北-西南走向, 锰元素在渤海湾的沉积不明显, 但在唐山-秦皇岛近海存在两个高值区。

(3) 总碳、浊度分别在渤海湾的西侧、南侧达到最大, 总碳在黄河三角洲附近也存在大量分布, 悬浮物在辽东湾存在明显的高值区。

(4) pH和盐度在渤海中部海区的分布明显高于其他海域。

(5) 浮游植物密度、生物多样性、磷酸盐、硅酸盐、硫化物的分布规律不明显。浮游植物密度随着距离岸线距离变远而减少, 硫化物在渤海中部海区浓度较高, 硅酸盐和磷酸盐分别在莱州湾东部和辽东湾东部达到最高, 生物多样性呈现沿岸高、中部海区低的分布趋势。

2.2 综合评价结果

渤海生态系统健康最高得分0.853, 最低得分0.490, 平均得分0.643, CEI分级为0.6~0.7, 等级为中级, 表明渤海生态系统整体处于亚健康的状态。对渤海各健康等级的统计结果表明: 生态健康等级为好、差级别所占的比例比较少, 分别为0.26%和6.62%, 面积为201.8 km2和4 995.8 km2; 较好和较差级别的占比分别为31.74%和25.03%, 面积为24 601.3 km2和19 399.2 km2; 中级占比最高为36.35%, 面积分布28 302 km2。

将ArcGIS中的栅格表导入SPSS, 对各健康得分所占比率进行正态分布拟合, 鉴于样本量较大, 对其置信度采用了K-S检验和Shapiro-Wilk检验(检验)两种方法。两者都通过了> 95%置信度条件下的显著性检验, 各生态健康等级所占面积比率符合地统计数据正态分布的规律性, 表明所得到的评价结果是科学、可信的(图3)。

从空间分布(图4)来看, 生态健康较差和差的区域主要集中在三大海湾, 尤其是莱州湾-渤海湾及其毗连地带的黄河三角洲地区, 辽东湾的健康水平稍好于莱州湾及渤海湾; 唐山-秦皇岛-葫芦岛近海及其纵深海域大体处于中级健康水准; 渤海中部海区及其毗连的渤海海峡区域, 海洋生态健康水平较高, 201.8 km2的最健康海域就被包围其间, 但由于面积过小, 可忽略不计。

2.3 讨论

上述评价结果表明渤海生态系统已处于亚健康状态, 这与国内诸多学者在其他近海海域的研究结论类似[35-38], 中国近海生态系统健康前景不容乐观, 必须引起足够重视, 以防进一步恶化。本文研究发现莱州湾存在多条入海河流, 且工矿企业和养殖池集中分布, 大量工农业废水入海极易导致氮素、营养盐浓度超标, 致使海水富营养化。叶绿素a虽并未达到富营养化水平, 但考虑到低氧水体, 莱州湾水体富营养化趋势明显, 风险较大, 同时工业废水也可能对莱州湾近海造成热污染。李延峰等[39]的研究表明, 莱州湾西南区域受人类活动影响最为强烈, 其中污水排放处于强烈影响程度, 周凤霞等[40]以叶绿素a为标志物, 发现莱州湾沿岸河流富营养化程度明显高于近海水体, 莱州湾海域目前仍以低度富营养化为主, 氮元素是其营养盐限制。莱州湾以富营养化为标志的水质恶化风险加大, 氮素、硅酸盐、叶绿素a、溶解氧和水温的总权重达到39.6%, 陆源废水的排放是水质恶化的主要原因。渤海湾海岸带作为环渤海经济带的重要组成部分, 工业生产活动频繁, 导致沿海土地资源紧缺, 大规模的围填海工程位于天津滨海新区和曹妃甸, 已有研究表明[41-42], 渤海湾近年来持续的海岸带开发, 导致天津港、黄骅港、曹妃甸港海域的平均水存留时间明显增加, 水交换下降。海水稀释作用的减弱, 对区域水质改善十分不利, 沉积物中的重金属、总碳等污染物, 在适宜条件下又释放进入上层水域, 造成水体的二次污染, 加之该海域还是永定新河、大沽排污河和海河入海口, 陆源排放和近海工业活动是沉积物中重金属生态风险的主要来源。

针对渤海生态系统所面临的上述主要问题, 提出以下对策:

(1) 对莱州湾、渤海湾等重点海域, 应以陆源污染控制为重点, 设立排污指标控制清单, 组织人力进行常态化监测。总氮、总磷、营养盐应作为莱州湾防控重点, 遏制海水富营养化趋势; 渤海湾应定期抽查河口处的重金属含量, 将生态风险处于可控范围内。

(2) 渤海湾海岸带开发应制定科学的系统规划, 以岸线为基准, 设置多层缓冲区, 对重要的海洋功能区、敏感区和脆弱区如滨海湿地、河口砂质岸线等划定生态红线进行人工保护, 根据评分准入原则规范不同等级的海岸带土地资源使用, 在生态红线区要从严控制开发活动, 减少人类活动对自然岸线的干扰; 对已受损区域, 尝试生物修复等技术手段治理有毒有害污染物。

(3) 通过明确渤海渔业区划、捕鱼期制定合理的捕捞方案、人工增殖放流等措施, 实现渤海渔业资源的可持续利用。

3 结论

本文在国内外海洋生态系统健康研究的基础上, 基于层次分析方法, 构建包含22项指标的评价体系, 对渤海生态系统健康状况进行评价, 主要结论如下:

(1) 渤海生态系统整体处于亚健康的状态, 莱州湾-渤海湾及其毗连地带的黄河三角洲区域生态健康较差, 唐山-秦皇岛-葫芦岛近海及其纵深海域大体处于中级健康水准; 渤海中部海区及其毗连的渤海海峡区域, 生态健康水平较高。

(2) 海水富营养化和重金属沉积污染分别是莱州湾和渤海湾面临的主要生态风险, 沿岸河流的陆源废水输入是造成风险的主要原因, 渤海湾的围填海工程加剧了所面临的生态风险。

(3) 莱州湾应将总氮、总磷、营养盐等指标作为排污监测重点, 遏制水体富营养化趋势, 渤海湾应规范海岸带开发, 减少人类活动对自然岸线的干扰, 通过明确渔业区划, 实现渤海渔业资源的可持续利用。

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Assessment of ecosystem health in the Bohai Sea and countermeasures study

SONG De-bin1, 2, GAO Zhi-qiang1, XU Fu-xiang1, 2, ZHENG Xiang-yu1, 2, ZHANG Hua1, HU Xiao-ke1, HUANG Guo-pei1, 2, ZHANG Hai-bo1

(1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the index system of 22 indicators including water environment, sedimentary environment, and ecosystem obtained from the investigation data of several voyages in the Bohai Sea during 2014 to 2016, the ecosystem health in the Bohai Sea was assessed using the Analytic Hierarchy Process (AHP) method. The results showed the CEI value of marine ecosystem health is 0.643 and its health level is medium, which indicates the ecosystem health around the Bohai Sea is in a sub-health state. The maritime areas with poor ecosystem performance were located mainly in Laizhou Bay, Bohai Bay, and its adjacent area of the Yellow River Delta. The ecosystem health of offshore waters and high-seas area nearby Tangshan, Qinhuangdao, and Huludao were generally at an intermediate level. The central study area along with Bohai Straits displayed relatively better health state. Be familiar with the assessment result, this paper performed analysis on the health stress factors in Laizhou Bay and Bohai Bay, and obtained land-based input and reclamation results. Based on these stress factors, countermeasures are studied to provide decision support in the management of the Bohai Sea.

the Bohai Sea; ecosystem health; countermeasures; AHP

(本文编辑: 梁德海)

[Strategic priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA11020000; Key Program of the Chinese Academy of Sciences, No. KZZD-EW-14; National Key Technology R&D Program of the Ministry of Science and Technology, No. 2014FY210600]

Nov. 25, 2016

S931

A

1000-3096(2017)05-0017-10

10.11759/hykx20161213001

2016-11-25;

2017-01-16

中国科学院战略性先导科技专项(XDA11020000, A类); 中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-14); 科技部基础支撑项目(2014FY210600)

宋德彬 (1989-), 男, 山东菏泽人, 博士研究生, 主要从事海洋遥感与GIS应用, E-mail: dbsong@yic.ac.cn; 高志强(1966-), 通信作者, 男, 研究员, 博士生导师, E-mail: zqgao@yic.ac.cn