青岛近岸海域开发利用生态适宜性评价

田 艳，曾春华，李志强 ，张会领

（1.广东海洋大学海洋工程学院；2.广东海洋大学电子与信息工程学院；3.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东 湛江 524088）

海域开发利用与海洋生态环境和谐是沿海地区经济社会可持续发展的重要条件，海域开发活动不可避免给海洋环境带来影响，占用滩涂湿地，破坏海洋生物生境，引起海洋生物资源量的减少、多样性降低等问题[1]，导致生态环境的敏感区、脆弱区等遭到破坏[2]。

生态适宜性评价的定义由McHarg[3]于1969年最早提出，“生态适宜性是指由土地具有的水文、地理、地形、地质、生物和人文等特征所决定的，对特定、持续性用途的固有适宜性程度”，多用于土地适宜性评价。近年来，许多学者对生态适宜性定义进行延伸，应用领域较为广泛，将资源、环境、社会和经济等不同要素叠加到一起进行综合评价[4]。而关于海洋生态适宜性多是单目标的研究分析，尚未建立成熟理论体系，缺乏海洋生态系统整体性和系统性的考虑，比如海岸工程选址的适宜性分析[5]、海岸生态保护工程的适宜性[6]、海洋资源开发的经济效益评估和生物生境的适宜性分析等[7-8]。本研究定义的海域开发利用生态适宜性评价是指在海洋生态环境中，海洋环境要素为海洋生物群落正向更替的适合程度[3][9]，其目的是从海洋生态学角度，综合评价海域开发利用适宜程度，从而维持海洋生态系统稳定和实现海洋经济的可持续发展。

本研究根据指标选取原则，运用德尔菲法和层次分析法构建海洋生态适宜性评价指标体系，并确定各指标权重，建立评价模型，并以青岛近岸海域为例，计算指标数据和综合评价指数，综合评价海域开发利用的生态适宜性。通过将评价结果叠加约束条件，对评价结果进行重分类，最终得到海域开发利用生态适宜性评价等级分布图，为海域开发利用的生态适宜性评价理论体系提供借鉴。

1 建立评价模型

海洋生态系统是一个复杂系统，生态系统功能与结构的多样性和不确定性导致了海域开发利用影响的不确定性[10]。最大限度减少海域开发利用影响，维持海洋生态自我恢复能力，确保海域利用活动保持在一个合理的尺度范围内是生态适宜性评价的核心[11]。依据海洋生态适宜性评价定义，以生态保护为前提，采用德尔菲法和层次分析法进行指标体系的构建和权重的确定，利用GIS进行空间分析，建立综合评价模型。

1.1 构建指标体系

为构建科学合理的指标体系，根据反映不同用海需求、层次性和可操作性等原则[12]，把海域开发利用生态适宜性评价作为目标层，分解目标层得到准则层，包括生境质量指数、生物多样性指数和生态脆弱性指数，进一步分解准则层得到要素层，确定海域开发利用生态适宜性评价指标体系（表1）。

表1 评价指标体系Table 1 The index system of evaluation

1.1.1生境质量指数 海洋生境是海洋生物群落的栖息环境，海域开发利用往往给海洋生境带来破坏和影响，主要包括海水质量和海洋生态灾害两个要素。近岸陆源和工业污染影响海水水质，进而影响海洋生物的生存环境；对生态环境造成影响的海洋生态灾害主要是赤潮和绿潮等。

1.1.2生物多样性指数 Naeem 等[13]研究表明，生物多样性可以增强生态系统稳定性，能够为防止种群丧失或功能降低提供保障，物种数目越多，生态系统稳定性越强。生物多样性指数要素层包括浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数和底栖生物多样性指数。对站位调查的浮游植物、浮游动物和底栖生物的个体数和种类数进行统计分析，计算物种多样性指数，分析生态系统功能。

1.1.3生态脆弱性指数 借鉴IPCC 关于脆弱性定义[14]，海洋生态脆弱性指数是指海洋生态系统在面临自然因素和人为因素不利影响时，其特征、敏感性及其适应能力的程度。生态脆弱性指数主要考虑与生态敏感区、脆弱区和其他重要生态功能区的距离。保护脆弱生态系统的空间范围，距离越远，海域开发利用对海洋脆弱生态系统的影响则越小。

1.2 权重计算

权重计算过程主要包括设计专家调查表、多轮专家打分和调查结果统计分析的步骤。综合考虑计算每一个指标的加权算数平均值、计算满分比和变异系数等，计算得到准则层和要素层的权重值[15]（表2）。

表2 指标权重Table 2 The weight of index %

1.3 综合评价

1.3.1指标数据标准化 根据海域开发利用生态适宜性评价要素层指标性质不同，分为成本型指标和效益型指标。成本型指标是指标数据越小，目标越优；效益型指标是指标数据越大，目标越优[16]。为统一量纲，对指标进行标准化处理，采用标准化形式如下。

式中，Y 为标准化后的指标值，X 为原始指标值，Xmax为评价指标最大值，Xmin为评价指标最小值。所有指标进行标准化处理后取值均在0～1 间。

1.3.2综合评价 采用GIS 的空间分析方法对生态要素指标数据进行栅格化，将每一个指标离散成单元大小一致的栅格。对于站点数据，采用IDW空间差值的方法，以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大；对于生态红线区数据，采用欧氏距离法进行计算，即计算海域各点与红线区的距离，分别得到每个要素指标标准化数值的栅格图。为去除个别数据对评价结果的噪音影响，对计算结果进行栅格平滑，符合评价目的，使评价结果更加可靠[17]。

进行海域开发利用生态适宜性评价需要把多指标进行综合，采用多目标集成方法计算综合指数，准则层和目标层的集成计算公式为：

式中，Ai为评价指标的权重，；Ui为效益型和成本型评价指标的标准化数值；I 为海域开发利用生态适宜性评价综合指数。

1.4 结果及判据

将各要素指标标准化计算，然后进行栅格化权重叠加。按照等概率原则，将海域开发利用的生态适宜性程度分为三个等级：适宜开发利用区、较适宜开发利用区、不适宜开发利用区。综合指数在0～ 0.33 时，海域不适宜开发利用，说明对生态影响处于不可接受状态；在0.34～ 0.66 时，海域较适宜开发利用，说明对生态影响处于可接受状态；在0.67～ 1 时，海域适宜开发利用，说明对生态影响处于接受状态（表3）。

表3 海域开发利用的生态适宜性评价标准Table 3 The ecological suitability evaluation criterion of marine exploitation

2 模型应用

青岛海域位于山东黄海南部，海岸绵延曲折，岸线长度约779 km。青岛近岸海底相对陡峭，海底平均坡度0.1%～ 0.2%，由岸线区域向东南倾斜。青岛近岸海域物种丰富，海洋生态环境总体状况较好[18]。本研究范围向陆一侧以政府公布大陆岸线为界，向海一侧大致沿25 m 等深线。结合青岛市确权海域使用现状，统计青岛市海域已开发利用海域面积约365 km2（图1）。

图1 海域使用现状分布情况Fig.1 Marine exploitation of current distribution

以青岛近岸海域为例，运用地理信息系统（GIS），把生态调查数据转化为可度量的参数，对指标数据进行标准化计算并栅格化处理，栅格单元为100 m × 100 m，得到量纲统一的栅格数据。

2.1 生境质量指数指标计算

2.1.1海水水质 海水水质是海洋环境质量的重要表征指标，根据《海水水质标准》[19]统计，青岛海域海水质量总体状况良好，水质分布由近岸向远海逐渐变好，水质较差海域主要分布在胶州湾、鳌山湾和丁字湾等几个湾内海域。海洋环境质量是成本型指标，水质指标数据越小，生境质量越高，标准化后数值越大。依据《青岛海洋环境公报》关于海水环境质量数据[18]，对2018 年3 月、5 月、8 月、10 月调查的四期数据加权平均后进行标准化计算，得到栅格数据（图2）。

图2 水质计算结果Fig.2 Calculation results of marine seawater quality

2.1.2海洋生态灾害 海洋生态灾害主要包括赤潮和绿潮。据调查，近年来赤潮对青岛沿海影响次数较少，而绿潮连续大规模常态化爆发，恶化了近海生态环境，成为广泛关注的生态问题[20]。本研究以绿潮表征海洋生态灾害，是成本型指标。本研究依据MODIS-TERRA 卫星数据进行解译分析数据，采用归一化植被指数（NDVI）对绿潮分布面积进行提取，得到绿潮时空分布图。绿潮生命周期以在青岛市海域观测到本次绿藻开始，至消亡结束，观测频率1 次/d。

2018 年5 月中旬绿潮开始进入青岛，7 月底逐渐消亡。考虑绿潮在海面上作用时间的长短对海洋生态环境的影响程度不同，统计2018 年青岛市海域绿潮一个生命周期对海洋生态环境影响的时空分布。海洋灾害是成本型指标，绿潮作用时间越长，对生境影响越大，标准化后数值越小。叠加计算时空分布图，进行标准化计算，得到栅格数据（图3）。

图3 绿潮计算结果Fig.3 Calculation results of green tide

2.2 生物多样性指数计算

生物多样性是生物与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程总和，是评价生态系统稳定性的重要指标[21]。调查时间2018 年5 月和10 月，采用的监测站位分布如图4 所示。生物多样性指数的要素层指标包括浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数和底栖生物多样性指数，采用Shannon-Winner 指数计算方法，对站位数据进行统计分析，青岛市近岸海域物种多样性指数平均为2.67 左右，物种丰富。生态系统指数是效益型指标指数越大，物种越丰富，标准化后数值越大。

图4 监测站位分布Fig.4 Spatial distribution of sampling station

运用IDW 空间插值方法，根据要素层指标的权重进行叠加，得到栅格数据（图5）。

图5 生态多样性指数计算结果Fig.5 Calculation results of biodiversity index

2.3 生态脆弱性指数计算

海洋生态红线区是海域开发利用的限制性条件，根据《海洋生态红线划定指南》[22]，青岛海域生态红线区包括海洋生态敏感区、海洋生态脆弱区和重要生态功能区。主要包括青岛胶州湾国家级海洋公园、青岛西海岸国家级海洋公园、胶南灵山岛省级自然保护区、青岛大公岛岛屿生态系统省级自然保护区等。红线区范围内禁止改变自然属性，破坏生态环境的海域开发利用活动，是海洋生态安全的底线。生态脆弱性指数的要素指标是效益型指标，距离海洋生态红线区越远，指标数据越大，对海洋生态环境影响越小，标准化后数值越大。

运用欧氏距离法，计算与海洋生态红线区的距离并标准化，按照要素层指标权重进行叠加，得到栅格数据（图6）。

图6 生态脆弱性指数计算结果Fig.6 Calculation results of ecological vulnerability index

3 评价结果

通过计算获得要素层和准则层指标数据，根据不同权重对栅格数据进行叠加，计算得到海域开发利用的生态适宜性综合指数。。

根据判据，将综合指数分为三级，得到青岛近岸海域开发利用生态适宜性程度（图7）。结果如下：

图7 综合评价结果Fig.7 Comprehensive evaluation results

1）适宜程度较高的海域主要分布在：①田横岛附近海域；②崂山湾附近海域；③棋子湾海域和董家口港口航运区。其余适宜性程度较高的海域主要分布在评价范围的北部海域。

2）适宜性程度较低海域主要分布在生态红线区及其附近距离较近海域，胶州湾及评价范围的中部海域。此范围内海域生态环境应加强保护，限制或禁止严重影响海洋生态环境的海域开发利用方式。

本研究从海洋生境质量、生物多样性以及生物脆弱性三方面来构建海域开发利用生态适宜性评价体系和评价模型，利用调查数据对青岛近岸海域进行评价，并验证评价模型的适用性。评价结果表明，青岛近岸海域开发利用生态适宜性程度较低的海域主要分布在开发程度较高的岸线附近，同时胶州湾海洋生态环境状况并不容乐观。

4 结语

本研究运用GIS对海域开发利用的生态适宜性进行评价，充分考了海洋的连续性和生态系统的完整性，是比较科学合理的技术手段。以青岛市近岸海域为例，通过模型计算，对青岛近岸海域开发利用生态适宜性的程度进行划分，对于优化海洋生态格局，支撑海洋空间规划具有十分重要的意义。随着研究深入，在此模型基础上构建多学科交叉的研究框架，更有利于在可持续决策与管理中的应用。