大连市杏树屯养殖海域人工鱼礁建设适宜性分析

马成龙，刘 敏，田 涛，单晨枫，吴忠鑫，杨 军

(1 大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁 大连 116023;2 设施渔业教育部重点实验室，辽宁 大连 116023)

近年来，中国加强海洋生态文明建设，加大现代化海洋牧场建设投入，近海渔业资源衰退现象得以遏制，海洋生态环境逐渐改善，海洋渔业可持续发展初见成效。实践证明，海洋生物生存离不开良好的栖息环境，人工鱼礁的投放可为海洋生物提供生长、栖息、索饵产卵及庇护的良好场所，栖息地的建设可使海洋生态环境逐渐形成良性循环，黄渤海区部分渔场和鱼汛已有所恢复[1-3]。

选择适宜的投礁区域是人工鱼礁建设取得成效的关键，选址是否科学合理决定人工鱼礁建设的成功与否[4]。目前国内外已开展了较多人工鱼礁建设研究，国外对于人工鱼礁建设研究较早，Robert等[5]利用ArcGIS技术对英国马里湾海域人工鱼礁建设适宜性进行了详细的研究，通过ArcGIS将各图层叠加后获得人工鱼礁建设最适区域；美国国家海洋和大气管理局(NOAA)[6]在“国家人工鱼礁规划”中对影响人工鱼礁布局的因素进行了全面系统表述，总结了部分因素对人工鱼礁布局存在一定影响。国内近年对人工鱼礁建设研究也取得了一定进展，尹增强等[7]建立资源保护型鱼礁的效果评价指标体系应用于鱼礁选址适宜性分析；许强等[8]采用层次分析法对舟山市海洋牧场选址进行评价。中国沿海各省市已陆续开展人工鱼礁建设，区域评价研究较多，但对养殖海域人工鱼礁建设综合评价尚有不足，且理论研究较多，评价指标不全面，缺乏系统方法。

养殖海域是海水养殖业中重要的一部分，科学规划合理布局养殖海域，可为水产养殖业提供持续、健康、有序发展保障[9]。大连市杏树屯周边155 km2养殖海域的海底坡度相对较陡，海水流速较大，海水中悬浮物较多，部分渔民对海域情况不甚了解，投礁后经过一段时间，发现鱼礁构建后的资源养护效果较差，既造成渔民财产损失，又影响鱼礁功能的发挥。因此，开展该海域人工鱼礁建设适宜性综合评价迫在眉睫。

本研究从自然环境和社会环境两方面考虑，选取水文、水质、沉积物、海洋生态、地质地貌和海洋功能区划等20个评价因子，构建人工鱼礁建设适宜性综合评价模型，对该养殖海域人工鱼礁建设进行适宜性分析，以期为此海域后续进行人工鱼礁建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究以大连市杏树屯周边养殖海域为研究区域(图1)，该海域面积约为155 km2，具有良好的海洋环境条件，渔业资源种类较为丰富。由于紧邻杏树渔港，受多年拖网作业和环境污染等因素影响，海底破坏较为严重，海洋生物不断减少。除部分渔民在自有海域自发人工造礁外保护了渔业资源，其他区域生物资源衰退严重[10]。

图1 研究区域

1.2 建设原则与评价因子选取

1.2.1 建设原则

人工鱼礁建设受多种因素影响，本研究从自然环境和社会环境两方面考虑。

从自然环境方面来看，人工鱼礁建设受到海域的水深、流速、坡度、底质类型和透明度等自然环境因素影响，在建设过程中，应充分对海域自然环境进行调查，根据实际情况对海域自然环境状况进行分析[11]。

从社会环境方面来看，人工鱼礁建设过程中，首先考虑选址海域是否与国家、省、市海洋功能区划和海洋生态红线相符合，避免人工鱼礁建设与其他用海相冲突[12]。并且建设海域应避开有海底缆线、海底管道和航道通过的区域[13]。

1.2.2 评价因子选取

通过查阅文献和结合已有研究，基于自然环境和社会环境两方面，根据2021年4月所获海洋环境质量现状调查数据，以及在参考贾后磊等[14]的人工鱼礁选址合理性分析基础上，综合选出20个评价因子。其中自然环境评价因子[15]分为水文水质(a)、地形地貌(b)、海底底质(c)和海洋生态(d)，社会环境评价因子[11]分为海洋功能区划(e)、海洋生态红线(f)、海底缆线(g)和海底管道(h)；将水文水质评价因子细分为水深、流速、透明度、pH、溶氧、化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐和石油类，地形地貌评价因子为坡度，海底底质评价因子细分为沉积物粒径、沉积物有机碳和沉积物硫化物，海洋生态评价因子细分为浮游植物生物量、浮游动物生物量和底栖生物生物量。

1.3 单因子适宜性评价

1.3.1 单因子适宜性评价计算

自然环境方面评价因子的计算参考尹增强等[7]的构建模糊隶属函数法，通过建立评价标准对评价因子进行标准化计算，使各评价因子之间具有可比性和可加和性[16]；社会环境方面评价因子的计算采用赋值法[17]，按照评价标准对评价因子的适宜性进行划分赋值。

1.3.2 单因子适宜性评价标准

本研究在评价标准的确定中，优先考虑国家标准，若评价因子缺乏相应的国家标准，则需参考国内外人工鱼礁建设适宜性评价相关研究。自然环境评价因子的评价标准见表1，社会环境评价因子的评价标准见表2。

表1 自然环境评价因子的隶属函数及其确定依据

(续表)

表2 社会环境评价因子划分标准

1.4 综合适宜性评价

1.4.1 综合适宜性评价因子权重确定

各项评价因子对人工鱼礁建设适宜性的重要程度是不一样的，为判断各项评价因子的相对重要性，运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)确定各项评价因子权重。

该方法通过建立层次结构模型，构建判断矩阵，将评价因子成对比较，计算各项评价因子权重，并进行一致性检验，最终确定各项评价因子的相对重要性[22]。20个评价因子权重如图2所示。

图2 各项评价因子权重

1.4.2 综合适宜性评价指数计算

将各项评价因子权重与经模糊隶属函数计算得到的数值代入综合评价指数计算公式中，得到该养殖海域人工鱼礁建设适宜性分析结果。

综合评价指数计算公式为：

(1)

式中：S为人工鱼礁建设综合评价指数，n为1～20，Pi为评价因子权重，Yi为评价因子标准化值。

综合评价指数取值范围为0～1，其中0.8～1.0代表最适宜，0.6～0.8代表较适宜，0.4～0.6代表一般适宜，0.2～0.4代表不适宜，0.0～0.2代表完全不适宜。

2 结果

2.1 自然环境单因子适宜性评价结果

依据自然环境评价因子的评价标准，对16个自然环境评价因子进行量化评分，评分范围为0～1，评分越靠近1适宜性越高，评分越靠近0适宜性越低。将所获海洋环境质量现状调查数据分别代入表1所列各式中，运用ArcGIS对16个自然环境评价因子进行标准化计算[23]，首先对评价因子进行空间插值，使评价因子在研究区域内呈连续分布状态，其次利用条件函数及栅格计算器工具对评价因子进行计算，获得自然环境因子单因子适宜性评价分布图，如图3所示。。

图3 自然环境因子单因子适宜性评价分布图

根据单因子适宜性评价结果可知，海域东北部和东南部自然环境状况较优，表现出高适宜性。海域西北部自然环境状况较差，化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐和石油类等评价因子适宜性较低，低适宜性区域主要集中在杏树渔港附近，由于渔港区域活动密集等原因，水体平衡遭到破坏，总体污染程度较高[24-25]，限制了人工鱼礁的投放。海域近岸区域浮游生物含量较高，浮游生物是鱼、贝类等生物的重要饵料来源[26]，通过投放人工鱼礁，为海洋生物提供良好栖息场所，保证海洋渔业资源可持续发展。

2.2 社会环境单因子适宜性评价结果

依据社会环境评价因子的划分标准，对4个自然环境评价因子进行标准化处理，获得社会环境因子单因子适宜性评价分布图，如图4所示。

图4 社会环境因子单因子适宜性评价分布图

根据各项评价因子对人工鱼礁建设的适宜性程度和限制性强度进行级别划分[27]，分为一级、二级、三级和四级4种级别，并分别赋值为1、0.6、0.2和0，赋值越高代表人工鱼礁建设适宜性越高。根据单因子适宜性评价结果可知，海洋功能区划适宜性指数为1的区域有2块，所属功能区划分别为农渔业区和旅游休闲娱乐区，适宜性指数为0.6的区域有1块，所属功能区划为保留区，海域共有85%的区域符合海洋功能区划要求，适宜进行人工鱼礁建设。海域内不涉及围填海、矿产资源开发及其他城市建设开发，整体符合海洋生态红线管控措施。海域中部各有1条海底缆线和海底管道，海底缆线和海底管道2 km范围内不适宜进行人工鱼礁建设。

2.3 综合适宜性评价结果

基于自然环境和社会环境20个评价因子的单因子适宜性评价结果，结合各项评价因子权重，利用ArcGIS加权计算和叠加分析[23]，对大连市杏树屯养殖海域人工鱼礁建设进行综合适宜性评价，获得人工鱼礁建设适宜性分布图，如图5所示。适宜性分布图表明，最适宜人工鱼礁建设区域有2块，较适宜人工鱼礁建设区域有1块。人工鱼礁建设最适宜区域主要位于该海域的东北部和东南部，海域面积约26.5 km2，符合海洋功能区划与海洋生态红线要求，不与海上其他海洋工程设施和其他行业用海相冲突。离岸距离约7.5 km，平均水深20 m，流速介于1.0～1.5 m/s，水质环境质量良好，底质为粉砂质砂，浮游生物及底栖生物种类和数量较多，处于较高水平状态。在此区域开展人工鱼礁建设，可充分发挥人工鱼礁的生态功能，有效改善水域生态环境，增加水域物种多样性。

图5 人工鱼礁建设适宜性分布图

3 讨论

3.1 人工鱼礁建设综合适宜性评价体系

人工鱼礁建设适宜性评价涉及多种学科多种要素[28]，国内外已有学者通过选取海洋物理环境、化学环境和海洋生物资源环境等因子对人工鱼礁建设适宜性进行分析，或者对人工鱼礁建设适宜性给出了一些建设性意见，对人工鱼礁建设具有一定的指导意义。佟飞等[15]基于生态系统效应构建了资源保护型人工鱼礁建设选址评价方法，探讨了柘林湾溜牛人工鱼礁建设适宜性，建立了人工鱼礁建设选址生态评估模型，综合评价了30个海洋环境与海洋生物因子，但未对社会环境因子进行考虑，而本研究综合考虑自然环境和社会环境两方面，针对人工鱼礁建设适宜性评价更为全面。Erftemijer等[29]基于ArcGIS技术和水动力模型对巴林人工鱼礁区域进行适宜性分析，选出913 km2最适建礁区域，该研究评价过程是非等级的，不赋予任何评价因子权重，因其缺乏可靠的科学依据或决策者偏好，无法确定每个评价因子的相对重要性，本研究通过使用层次分析法对评价因子赋予权重，可以确定每个评价因子的相对重要性。许妍等[27]采用赋值法对天津市近海海域人工鱼礁投放的适宜性进行了评价，筛选出了3块适宜人工鱼礁建设区域，与本研究评价体系基本一致。但该研究对所选因子均进行等级划分，并赋予相应的数值，而本研究针对自然环境因子采用构建模糊隶属函数法，社会环境方面因子计算采用赋值法，两种计算方法相结合，人工鱼礁建设适宜性评价更有针对性。

上述研究结果表明，人工鱼礁建设适宜性评价应科学合理开展，所选评价因子越全面，人工鱼礁建设适宜性评价越准确，针对不同类型评价因子应建立不同评价层次。人工鱼礁建设综合适宜性评价体系可以根据海域自然环境质量和社会环境状况，快速取得海域的最适建礁区域，为人工鱼礁建设提供合理规划和设计，极大提高了评价效率。

3.2 人工鱼礁建设适宜性分析的科学合理性

科学合理地对人工鱼礁建设进行规划，以发挥人工鱼礁的最佳效应，达到修复海洋生态、改善生物栖息环境的目的[30]。评价结果中最适宜人工鱼礁建设区域内，目前已成功开展人工鱼礁建设，并获批国家级海洋牧场示范区。通过对已建礁区进行长期、连续、全面的监测，已建礁区礁体上已附着大量藻类和大型底栖生物，游泳生物的资源密度较投礁前明显升高，海域海洋生物资源丰度显著高于其他海域，鱼礁在海底状态稳定良好，未出现下陷和倾覆等现象，进一步验证了本研究的综合适宜性评价体系具有一定的科学性和合理性。此外，影响人工鱼礁建设效果的因素众多，人工鱼礁建设适宜性分析还应结合海洋地质调查等物理方法[31-32]，包括通过对海底地形地貌和海底浅层结构进行勘测，人工鱼礁建设适宜性应继续细分探索，有关评价方法和标准体系仍有待今后进一步实践和完善。

4 结论

人工鱼礁建设可促进海洋生态环境和渔业资源恢复，合理的人工鱼礁建设不仅需要对人工鱼礁建设有着深刻的了解，还需要对海域的生态环境等进行充分调查。选取20个评价因子，运用综合评价体系，对大连市杏树屯周边养殖海域进行评价分析，选出最适宜投礁区域，构建了适用于大面积养殖海域范围内人工鱼礁建设适宜性综合评价体系，可为大连市杏树屯养殖海域人工鱼礁建设提供技术支撑和参考依据，同时也可为中国人工鱼礁建设适宜性评价提供借鉴。

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