长岛挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康评价*

赵荣荣 公丕海 张 艳 袁 伟 关长涛 史佰佰 谢振辉 李 娇

长岛挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康评价*

赵荣荣1,2公丕海2张 艳2袁 伟2关长涛2史佰佰3谢振辉4李 娇2①

(1. 浙江海洋大学 国家海洋设施养殖工程技术研究中心 舟山 316000；2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所农业农村部海洋渔业可持续发展重点实验室 青岛市海水鱼类种子工程与生物技术重点实验室 青岛 266071；3. 上海海洋大学海洋科学学院 上海 201306；4. 西南大学动物科技学院 西南大学渔业资源环境研究中心 重庆 400716)

本研究从理化环境、生物群落结构和生态系统功能3个层面，运用模糊综合评价法构建了人工鱼礁区生态系统健康评价模型。基于2013~2015年山东长岛挡浪岛人工鱼礁区5个航次调查结果，对挡浪岛人工鱼礁区、辐射区和对照区的生态系统开展健康评价。结果显示，人工鱼礁区及辐射区的生态系统为健康状态，对照区为亚健康状态。三者的生态健康指数为鱼礁区(0.783)>辐射区(0.646)>对照区(0.594)。与未投礁时相比，鱼礁区和辐射区的生态系统均脱离了亚健康状态且逐步提升，但对照区仍处于亚健康状态且发展不稳定。健康评价研究表明，挡浪岛人工鱼礁区生态系统比对照区更稳定，并带动辐射区提高了系统健康水平，表明挡浪岛人工鱼礁建设在生态环境修复和海洋渔业资源养护方面已取得一定效果。

人工鱼礁；生态系统健康；模糊综合评价法；层次分析法

生态系统健康的概念由Rappor(1989)首次提出，其基本内涵是生态系统本身具有自我维持与更新的能力。此概念提出后，迅速得到国内外重视。目前，生态系统健康评价在森林、海草场、河流、城市等不同领域已被广泛应用(Evans, 1993; Malley, 1992; Munawar, 1993; Rosenberg, 1994; Sonstegard, 1984; Xu, 1996)，但对于海洋牧场的生态健康评价仍处于初步探索阶段(唐伟尧等, 2018)。

人工鱼礁作为保护、增殖海洋渔业资源、发展海洋经济的重要手段，在海洋渔业发展中的作用不断凸显。其作为一种人为的外来投放物，投放到海域后,会通过一系列的理化过程影响海洋的生物和非生物环境(Willia, 2009)，对海洋生态系统的影响状况需进行长期调查、监测并作出系统的科学评价。

目前，关于人工鱼礁生态系统健康评价的研究已有报道。陈应华(2009)对大亚湾大辣甲南人工鱼礁生态系统健康进行了评价；杨进(2011)也对大亚湾区域生态系统健康进行了研究；尹增强等(2012)对东海区资源保护型人工鱼礁生态效果评价体系进行了研究；佟飞等(2014)对荣成俚岛人工鱼礁区生态系统健康进行了评价。但以上研究对人工鱼礁生态系统健康评价均集中在单个或少量因子(张艳等, 2013)。

本研究基于2013~2015年山东挡浪岛鱼礁区、辐射区和对照区海域的生态环境监测数据，选取25个评价指标，采用模糊综合评价法和层次分析法，尝试建立人工鱼礁区生态系统健康评价模型，并对该海域的生态系统健康进行综合评价。本研究有利于对人工鱼礁的生态系统健康做出更加完善的评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究示范区位于山东烟台市长岛县西北侧海域(120°38¢47²~120°39¢21²E，37°59¢17²~ 37°59¢56²N)，距蓬莱渔港北偏西方向约20 km，距长岛县渔港西北方向10 km。研究示范区总面积约为100 hm2，包括核心建礁区和辐射区。鱼礁区水深为15~20 m，水温范围为3.3℃~27.5℃，平均水温为15.4℃。

礁区建设在核心区海域内(约52 hm2)，建设单位鱼礁群9座，投放HTSK-CN-3型大型组合式鱼礁88个、HTR-25Si型金字塔鱼礁9个、ZFT-2.0JG加高型正方体鱼礁180个，石块礁10400 m3，共计21400空m3。

1.2 数据来源与预处理

本研究的数据类型主要包括水质、沉积物、渔业生物(地笼和刺网)、底栖生物(抓斗式采泥器)、浮游生物(大型浮游生物网)、浮游植物(小型浮游生物网)。实验设计点位为鱼礁区、辐射区和对照区各设3处(图1)，但由于辐射区(S3)和对照区(C3)在多次调查航次中出现网具丢失现象，所以对丢失站位未进行数据分析。

图1 挡浪岛人工鱼礁区调查站位示意

本研究的站点空间布设(图2)分别为鱼礁区3个(H1、H2、H3)；辐射区2个(S1、S2)；对照区2个(C1、C2)。采样时间为2013年7月、2014年8~11月、 2015年4、7月。实验样品在野外采集后直接现场固定保存，带回实验室进行定性定量分析。经研究分析，所有数据均达到本研究质量要求。

图2 挡浪岛人工鱼礁区调查站位

2 人工鱼礁区生态系统健康综合评价指标体系

2.1 评价指标的选择

将人工鱼礁区的生态系统健康作为本研究核心，其指标评价框架包括目标层、准则层和指标层(表1)。将人工鱼礁区的生态系统健康作为目标层；区域的评价因子作为准则层，包括理化环境、生物群落结构和生态系统功能；区域的评价指标作为指标层，包括水质和沉积物共计25项指标。

2.2 权重的确定

本研究对各项评价因子进行权重分析，通过计算和转化，使各评价因子之间具有可比较性和可加性。采用层次分析法(AHP)来估算权重，具体如下：(1)构建层次结构模型。根据本研究建立的指标评价框架由上到下依次建立层次模型；(2)判断矩阵和层次单排序的计算。将构建出的矩阵由相关专家和有实践经验的技术人员根据各指标相对于上层的相对重要性做出判断和检验；(3)层次总排序的计算。计算矩阵中指标的准则层和指标层相对于目标层的相对重要性排序权值，实际上是层次单排序的加权组合(郭金玉等, 2008; 杨进等, 2011)。由层次分析法计算得出的25项指标权重见表1。

表1 挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康评价指标及对应权重

Tab.1 Ecosystem health assessment indicators and corresponding weights of artificial reef area in Danglang Island

2.3 数据归一化处理

2.3.1 评价标准和依据 本研究对理化环境指标和生物生态指标的评价标准的选择遵循优先考虑国家标准；无国家标准时，则参考行业标准或相关研究成果(李利, 2011)。按照上述原则，在评估理化环境因子时，主要参考《海水水质标准》(GB3097-1997)和《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)；生物群落结构因子主要按照《近岸海洋生态健康评价指南》(HY/T087-2005)、陈清潮等(1994)提出的生物多样性阈值分级标准和李纯厚等(2013)研究的海湾生态系统生物评价为参考标准；生态系统功能因子采用贾晓平等(2003)提出的初级生产力水平分级标准。具体相关指标及标准见表2~表6。

2.3.2 指标标准化 本研究在参考国内外相关资料的基础上，主要参照尹增强等(2012)提出的将鱼礁生态效果划分为优、良、合格、较差和很差5种类型，并分别赋值为1.0、0.8、0.6、0.4和0.2的计算方法；借鉴李娇等(2018)提出的将评价指标划分为正向、逆向和适度指标3类的阈值法。挡浪岛人工鱼礁的生态健康体系中，各生态指标运用以下3个类型中的相应隶属函数进行标准化计算。计算公式如下：

(1) 正向指标 即评价指标的数值越高，对海洋生态系统健康越有利。本研究选取溶解氧(DO)、浮游植物多样性阈值、浮游动物多样性阈值、底栖动物多样性阈值、渔业资源多样性阈值和初级生产力，这些指标的标准值按公式(1)计算：

(2) 逆向指标 即评价指标的数值越低，对海洋生态系统健康越有利。本研究选取化学需氧量(COD)、无机氮(IN)、油类、活性磷酸盐(IP)、悬浮物(SS)、硫化物、水质及沉积物中石油类、Cu、Hg、Zn、Cd、Pb、As，这些指标的标准值按公式(2)计算：

(3) 适度指标 即评价因子的数值过高或过低都不利于海洋生态系统健康。本研究选取pH、氮磷比(N : P)、浮游植物密度、浮游动物密度、底栖生物生物量和渔业资源生物量，这些指标的标准值按公式(3)计算：

表2 挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康评价标准

Tab.2 Standards for health assessment of artificial reef ecosystem in Danglang Island

表3 海湾生态系统生物评价指标

表4 潜在性富营养化级数分类

Tab.4 Grade classification of potential eutrophication

表5 生物多样性阀值分级评价标准

Tab.5 Evaluation standards for the threshold of biodiversity

表6 初级生产力水平分级评价标准

Tab.6 The evolution standards for the lever of primary productivity

式中，为各指标标准值；x为单项指标的实测值；max为单项指标的最大值；min为单项指标的最小值；、为指标最佳范围阈值；为指数。

本研究中的指标评价值采用阈值抛物线型标准化处理方法建立模糊隶属函数求得，其中，阈值范围主要参照各自指标的生态健康评价标准，指数的确定除去pH、IN和IP的值为1，其他指标的值均由其对应的评价值≥0.6计算得出(杨进, 2011; 尹增强等, 2012)。

2.4 生态系统健康综合评价模型

根据计算的各项指标的标准化值和权重值，利用模糊综合评价法(Xu，2004)构建一个评价模型，对人工鱼礁区、辐射区和对照区的生态系统健康指数(Ecosystem health index，EHI)进行综合评价。

式中，EHI为生态系统综合健康指数；W为第个指标的权重，H为对应第个指标的标准化值。

通过上述方法计算得到的EHI分布范围在0~1之间，共6个等级(表7)。

表7 人工鱼礁生态系统健康水平分级

Tab.7 Grade for health level of artificial reef ecosystem

3 评价结果

基于2013~2015年挡浪岛人工鱼礁区、辐射区和对照区5个航次调查数据，将各指标进行归一化处理，其中，2014、2015年的数据处理结果均取年平均值。计算得到挡浪岛人工鱼礁区的25个分健康指标(表8)。通过构建的生态系统健康评价模型，计算得到生态系统健康综合指数(图3)。

3.1 指标层分健康指标

2013~2015年挡浪岛人工鱼礁区生态系统的分健康指标见表8。从表8可以看出，人工鱼礁区、辐射区和对照区的理化环境准则层中，除SS、N : P的分健康指标较低外，其他均达到较高的水平，且3个区之间的差异性较小，整体上呈现了较为健康的海洋理化环境。

生物群落结构准则层的分健康指标结果显示， 3年来，3个区域的浮游植物密度一直保持在高水平；浮游植物、浮游动物、底栖动物的多样性阈值基本维持中等状态且逐年增长；鱼礁区和辐射区的渔业资源生物量和生物多样性阈值均呈增长趋势，其增长幅度鱼礁区明显大于辐射区，相反对照区则出现轻微的下降趋势。

生态系统功能准则层中初级生产力的分健康指标结果显示，2013~2015年3个区域均有所增长，但总体上处于中等偏下的水平。2013年辐射区和对照区的健康指数略高于鱼礁区，到2015年鱼礁区则明显超过其他2个区。

3.2 生态系统健康综合指数

挡浪岛2013~2015年的生态系统健康综合指数见图3。从图3可以看出，鱼礁区、辐射区的EHI随着投礁时间的增长而逐渐增大，且鱼礁区的增长幅度明显大于辐射区，对照区则呈先减小后增大的趋势。在2013年本底调查时，3个区域的EHI差别不大，且对照区高于鱼礁区和辐射区，到2014、2015年，即投礁后1～2年，健康指数则均呈鱼礁区＞辐射区＞对照区。

表8 生态系统健康指标分布

Tab.8 Distribution of ecosystem health index

图3 挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康综合指数

4 讨论

4.1 生态系统健康综合评价指标的优化

本研究建立的挡浪岛人工鱼礁区健康评价指标体系，建立了3个准则层和25项评价指标，以使构建的评价系统更加全面，对人工鱼礁在资源环境修复和生态健康方面进行科学的分析与评价。

与尹增强等(2012)建立的指标体系相比增加了海洋沉积物指标。由于“蓬莱19-3油田溢油污染”对山东长岛在内的大部分渤海海域的生态环境造成了一定影响(郭楠等, 2015; 胡建平等, 2016)，长岛海域的SS增多、N : P水平波动较大，因此，把水质和沉积物中的石油类含量及其他沉积物指标作为一项评价标准是十分必要的。本海域调查结果显示，沉积物的重金属指标监测中并无超标现象，水质和沉积物中的石油类和硫化物均符合国家标准，这也为整个生态环境提供了一定的恢复条件。

与李娇等(2018)建立的指标体系相比增加了初级生产力指标。海洋初级生产力是海洋生物生产的基础，支撑着海洋生态系统的物质循环和能量流动，决定着海洋渔业资源的生物容量，即渔业资源量(虞聪达等, 2009)。鱼礁区海域的叶绿素和脱镁叶绿素在2013~2015年夏季呈逐年递增的变化趋势，可见人工鱼礁的建设对海域初级生产力具有一定的促进作用，这也将为海区的渔业资源增长做准备。

4.2 人工鱼礁区的生态系统健康效果

根据挡浪岛建礁后的EHI显示，2014年鱼礁区(0.650)>对照区(0.598)、2015年鱼礁区(0.783)>对照区(0.594)。与其他学者的相关研究结果比较，佟飞等(2014)研究表明，荣成俚岛建礁后EHI为鱼礁区(0.647)>对照区(0.641)；李娇等(2018)研究表明，北戴河建礁后的EHI 2014年为鱼礁区(0.787)>对照区(0.807)、2015年为鱼礁区(0.838)>对照区(0.671)，其研究结果相一致，即建礁后的EHI鱼礁区>对照区，且鱼礁区的EHI逐年上升。由于生态系统本身具有复杂性及各指标之间的权重赋值差异会引起一定的综合评价差异，但变化趋势基本一致，均为鱼礁区的健康指数状况变好。表明鱼礁建设对于生态系统健康具有一定的积极作用。

本研究中除设置鱼礁区和对照区外，还增设了辐射区，辐射区设于鱼礁区外围800 m范围内(杨吝等，2005)，可以对人工鱼礁生态效应进行更客观、更全面的评价。根据调查结果显示，建礁后辐射区效果逐渐好于对照区，并在2015年摆脱亚健康状态达到了健康状态。说明鱼礁区的建设的确对外围海域具有辐射性，且在一定程度上带动了生态环境的改善和渔业资源的丰富，使其生态系统更加健康。

5 结论

本研究综合考虑挡浪岛人工鱼礁区的生态状况，选择理化环境、生物群落与生态系统结构中的25个指标，构建了生态系统健康评价模型，对人工鱼礁区及周围海域生态系统健康状况进行对比分析。结果显示，建礁前，人工鱼礁区、辐射区和对照区都属于亚健康状态，EHI为对照区>鱼礁区>对照区。但建礁完成2年后，鱼礁区带动辐射区由亚健康状态转变为健康状态，EHI均呈现逐年上升趋势且增幅较大。而对照区3年一直未摆脱亚健康状态，虽2015年的EHI明显高于前2年，但总体状态并不稳定，2014年呈现负增长，险些成为病态环境。对照区的EHI明显低于鱼礁区和辐射区，说明人工鱼礁的建设正在逐步发挥作用，人工鱼礁的建设利于溢油污染海域生态逐步恢复。为促进人工礁区生态系统健康稳定发展，应开展增殖放流和移(种)植大型藻类等措施，促进海洋生物增殖，即可较快实现保护和修复区域性海洋生态环境的目的，营造出“海底森林”的效果，扩增海洋碳汇功能，将产生良好的海洋生态效益。人工鱼礁区作为动态发展的生态系统，环境、生物变化受到周围大尺度环境和人为调控的影响，因此，对人工鱼礁的综合调查和评价应是一个长期的过程，应持续调查监测和进一步完善优化评价体系，从而得到更加科学和综合的海洋牧场评价。

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Ecosystem Health Assessment of Artificial Reef Area in Long Island

ZHAO Rongrong1,2, GONG Pihai2, ZHANG Yan2, YUAN Wei2, GUAN Changtao2, SHI Baibai3, XIE Zhenhui4, LI Jiao2①

(1. College of National Marine Facilities Culture Engineering Technology Research Center, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316000; 2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Qingdao Key Laboratory for Marine Fish Breeding and Biotechnology, Qingdao 266071; 3. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306; 4. School of Animal Science and Technology, Research Center of Fishery Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716)

In this study, we used a fuzzy synthetic evaluation to build an ecosystem-health assessment model according to offshore sea ecosystem characteristics and artificial reef construction functions from three aspects: Physicochemical environment, biological community structure and ecosystem function. To eliminate the dimension effect of sub-indexes, normalization process was used. An analytic hierarchy process was used to assign a threshold or the ecological indicator. The synthetic health index was used to assess the health status of the artificial reef areas, radiation areas and contrast areas. Sub-indexes of artificial reef ecosystem health assessments included physical, chemical, and biological factors. Assessment standards were based on seawater quality, standard marine sediment quality, and guidance for the assessment of coastal marine ecosystem health. We conducted a series of ecosystem health assessments of artificial reefs, and radiation and control areas of Danglang Island based on the survey results of 5 voyages in 2013~2015. The results showed that the ecosystem of artificial reef areas was in a healthy state, whereas the control area was in a sub-healthy state. From the highest to the lowest, the ecological health index was: The three reef area (0.783)>radiation areas (0.646)>control area (0.594). Compared with non-reefing, the ecosystems of the reef and radiant areas were all separated from the sub-healthy state and gradually improved, however, the control area was still in a sub-healthy state and its development was unstable. Therefore, the conclusion was that the ecosystem of the artificial reef areas of Danglang Island were more stable than the control areas, and ecosystem health of radiation areas, was gotten better, due to effect of reefs. The study of reef ecosystem health and scientifically assessing artificial reef ecological effects is important for the construction of reef projects, environment protection, stock enhancement, efficient administration, and sustainable development of fisheries.

Artificial reef; Ecosystem health; Fuzzy synthetic evaluation; Analytic hierarchy process

S953.1

A

2095-9869(2019)06-0009-09

10.19663/j.issn2095-9869.20181221001

http://www.yykxjz.cn/

赵荣荣, 公丕海, 张艳, 袁伟, 关长涛, 史佰佰, 谢振辉, 李娇. 长岛挡浪岛人工鱼礁区生态系统健康评价. 渔业科学进展, 2019, 40(6): 09–17

Zhao RR, Gong PH, Zhang Y, Yuan W, Guan CT, Shi BB, Xie ZH, Li J. Ecosystem health assessment of artificial reef area in Long Island. Progress in Fishery Sciences, 2019, 40(6): 09–17

* 中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费(2016HY-ZD0103)和蓬莱溢油生物资源养护与渔业生态修复项目共同资助[This work was supported by Special Scientific Research Funds for Central Non-Profit Institutes, ChineseAcademy of Fishery Sciences (2016HY-ZD0103), and Bioresources Conservation and Fishery Eco-Restoration for the Penglai OilSpill]. 赵荣荣，E-mail: 15853287200@163.com

李娇，高级工程师，E-mail:lijiao@ysfri.ac.cn

2018-12-21,

2019-02-25

LI Jiao, E-mail:lijiao@ysfri.ac.cn

(编辑 陈 严)