海州湾生态修复效果评价

符小明,唐建业、2,吴卫强,张硕、2

(1.上海海洋大学海洋科学学院,上海201306;2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室,上海201306;3.连云港市海洋与渔业局,江苏连云港222003)

海州湾生态修复效果评价

符小明1,唐建业1、2,吴卫强3,张硕1、2

(1.上海海洋大学海洋科学学院,上海201306;2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室,上海201306;3.连云港市海洋与渔业局,江苏连云港222003)

为评价海州湾生态修复工程实施的效果,在分析2014年春、夏、秋3个季节本底调查数据的基础上,以 “资源—环境”作为准则层,共筛选16项具体的评价因子建立生态修复效果评价指标体系,并用德尔菲法和熵权法组合赋权,通过效用函数估算海州湾生态修复治理目标的实现程度。结果表明:通过投放人工鱼礁,海州湾生态修复率达到30.14%,其中,生物资源平均修复率为17.96%,海洋环境平均修复率为33.15%,生态修复治理目标综合值为0.400 2,综合修复等级为中等。研究表明,海州湾生态修复工程对水质环境的改善效果较为明显,但对生物资源的恢复效果还有待进一步提高。

海州湾;生态修复;效果评估

海洋生态修复是指在生态系统受损的海域依靠生态系统的自我调节,并辅之以必要的人工手段,通过改善水体环境、提高水域生产力,逐步实现生态系统结构功能恢复的过程。国内外大量研究表明,科学实施生态系统修复工程能显著改善水体环境、提高水域生产力、丰富渔业资源。目前,中国海洋生态修复主要通过移植盐沼草木、培育藻场、投放鱼礁、培植生物礁等形式来实现,通常在同一海域存在多种修复形式组合,以达到最好的效果。如广东大亚湾、浙江嵊泗海域、江苏海州湾、山东莱州湾、大连獐子岛海域等[1-2]已成为国内海洋生态修复的示范区域。

恢复近海生态是中国生态文明建设的重要任务,也是实施生态红线制度和推进海洋主体功能区规划的工作基础。目前,中国海洋生态修复水平与发达国家相比尚有差距,不合理的修复方式以及沿海地区对生态环境的持续性破坏,致使修复效果并不理想[3]。为总结海洋生态修复经验、提高海洋生态修复管理水平,必须对海洋生态修复效果进行科学评价。目前,在海洋生态修复效果评价方面,国际上还未有统一标准。日本主要通过渔业资源评估来实现修复效果的评价[4-5],而欧美学者更偏好通过环境数据来反映修复效果[6-7]。中国在开展海洋生态修复过程中,一方面针对水质污染实施科学地修复治理,另一方面也十分注重其在渔业方面的综合利用[8-9],因此,通过环境和渔业资源数据相结合的方法来评价修复效果较为合适。海州湾曾是中国传统的渔场,也是重要的生态修复区,针对该海域开展生态修复工作并进行定量评价,对后续生态修复措施的改进和生态功能的提升具有重要意义。

1 评价对象与方法

1.1 评价对象

1.1.1 海州湾基本情况 海州湾是连云港东北部的开敞型海湾,海岸线从岚山头到高公岛,长达87 km,海域面积876.39 km2。沿岸有绣针河、龙王河、临洪河等18条大型河流汇入,年平均径流量达17亿m3,为海州湾提供了大量的营养盐。据调查,海州湾有浮游植物148种、浮游动物50种、底栖生物84种。海产经济动物众多,包括200多种鱼类、30多种虾类、80多种贝类、47种软体动物和7种腔肠动物[10]。海州湾还有珍贵的鸟类、哺乳类、爬行类、两栖类等野生动物资源。此外,海州湾的风能、潮汐能、太阳能等清洁能源储量丰富,极具开发潜力,天然水深超过25 m,非常适合发展港口航运业。

海州湾因具备特殊的生物种群、独特的岸线地貌和优越的气候条件,先后建成了海州湾海洋牧场示范区 (2007年)、海州湾海湾生态与自然遗迹海洋特别保护区 (2008年)、中国对虾国家级水产种质资源保护区 (2009年)、国内首批也是面积最大的国家级海洋公园 (2011年)和国内首批国家级海洋牧场示范区 (2015年)。

1.1.2 海州湾生态修复现状 20世纪90年代后期,连云港海域的水环境污染、生物资源衰退等生态问题日渐严重。为了修复生态环境、恢复生物资源,从2002年起,连云港政府在海州湾渔场中心区域陆续投放人工鱼礁,修复受损的渔场生态环境,迈出了海洋经济从开发利用向生态修复转变的第一步。2012年起又实施了连云港港30万t航道生态修复以及连岛、竹岛周边的海岛修复。自2002年海州湾人工鱼礁生态修复方案启动实施开始,到 2015年已累计完成渔业生态修复水域160.25 km2,航运生态修复海域面积达22.5 km2。经过长期的跟踪调查,修复海域生物资源和生态环境均有不同程度的恢复[11]。

海州湾海洋生态修复主要采用 “投放鱼礁+生态养殖+人工放流”模式,人工鱼礁修复改善的海域面积已超过海州湾海域总面积的20%[11]。该模式的主要修复机制为:(1)投放鱼礁来改善海底环境,一方面为海洋生物提供更优质的栖息地,另一方面也能有效阻止近海拖网对海底生态环境的破坏。(2)通过生态养殖调节海洋水质,在生态修复区域进行贝类底播增殖和大型藻类浮笩养殖,不但降低了海水中营养盐[12]以及重金属[13]浓度,而且能显著提高海域生产力,提升经济效益。(3)通过人工增殖放流维持生物多样性,也是对渔业资源最直接的补充。自海洋生态修复工程实施以来,连云港政府每年都向海州湾放流大量中国对虾、梭子蟹、鱼类、贝类、刺参和鲍鱼等多种海珍品苗种[11]。

近年来,海州湾生态的相关研究已有不少报道,但大部分研究集中在海州湾海洋环境[14]、海洋生物资源[15]和海洋地形[16]等方面,大多是基于生态环境自然状况,且相对独立,没有考虑生态系统的整体效应,忽略了生态修复工程的因素。海州湾生态修复的研究主要集中在修复技术手段方面,包括人工鱼礁技术、生态养殖技术及其相关技术在海洋生态修复中的应用[17],如C3D侧扫技术用于栖息底质变化研究[14],稳定同位素技术用于食物网结构分析[11]等。生态修复效果主要是考虑生态修复前后生态系统结构和功能的变化量,并不仅仅是对生态系统固有的现状进行评价。

1.1.3 评价数据的获取 本研究中主要探讨了海州湾生态修复前后的生态系统结构和功能的变化,并通过资源和环境方面的特征指标予以反映。评价的数据主要包括环境监测数据、生物调查数据和经济社会效益统计数据。直接反映环境生态状况的环境生物数据主要来自上海海洋大学和江苏省海洋水产研究所历年的跟踪调查;间接反映生态修复产生效应的经济社会数据部分来自调研,部分来自《连云港渔业统计年报》、《连云港统计年鉴 (2015 年)》和 《环境状况公报》。

1.2 评价方法

生态修复效果是个较为抽象的概念,目前尚无统一的定义。本研究中以海州湾生态修复前后,各项监测指标的加权变化率Zi作为综合修复率的基础数据,定义∑Zi为整体修复率,∑Z环境为环境整体修复率,∑Z资源为资源整体修复率。设定无量纲F作为评价生态修复治理目标实现程度的综合值,并根据F的值将生态修复治理效果划分为4个等级。

1.2.1 指标的确定 一个功能完善的评价指标体系应该具备解释、评价和预测预报的功能[18]。海洋生态修复效果主要体现在生物资源的恢复和生态环境的改善。本研究中综合资源和环境两方面因素,以生态修复指数为目标,资源恢复水平和环境改善水平为准则层,按照指标的独立性、代表性、数据的可获得性等原则选取了4类指标的16组评价因子,对评价因子的方向加以判断,并采取合理的量化处理方式,建立直观的生态修复效果评价指标体系 (表1)。其中,生物多样性通过计算香农-威纳指数来量化,渔业资源结构采用计算渔获物平均营养级的方法来量化,营养盐类和水质指标直接由检测值即可实现量化。

1.2.2 权重的确定 权重的计算方法可分为主观赋值法和客观赋值法。主观赋值法就是将难以量化的指标,按照决策者自己设定的相关标准进行层次等级划分,赋予权重的过程取决于人的主观因素。这样的计算方法更倾向于决策者目标的需要,缺点是忽略评价对象的自身属性,评价结果往往不能反映被评价对象的真实状况,典型的有德尔菲法、层次分析法等[19]。客观信息赋值法就是充分利用评价对象自身的信息内容,根据各组数据观测结果的内部差异来进行统计学分析,计算出权重值,此类评价结果相对更接近真实值,但由于评价过程常常不能兼顾决策者的需求,而不为项目管理者所青睐,常见的有主成分分析法、信息熵权法等[20]。

表1 基于资源-环境框架的海洋生态修复效果评价指标体系Tab.1 Assessment indictors of marine ecological restoration effect based on the framework of resources and ecological environment

本研究中采用的是主客观相结合的方法,主观权重赋值采取专家打分的形式,即德尔菲法,客观权重赋值方法采取信息熵权法。最后利用最小信息熵原理,取几何平均数的方法[21]将其组合,得到综合权重Wj(j=1,2,…,n)。信息熵权法的计算步骤[22]如下:

(1)将各因子同度量化,计算第j项因子下第i个测量值的权重Pij:

(2)计算第j项指标的熵值ej:

(3)计算第j项指标的差异性系数gj:

(4)计算权重W2j:

(5)计算组合权重 (W1jW2j)0.5:

专家打分法主要通过专家问卷形式实现,专家们评价每项因子对生态修复效果的影响程度并据此打分。影响不显著的,计1分;影响较低的,计2 分;影响一般的,计3分;影响较高的,计4分;被认为是主要影响因素的,计5分。最后计算每一项因子的得分之和,与所有因子总分之和的比值,即可得到每一项因子的主观权重W1j。

1.2.3 综合指数的计算 采用效用函数的计算方法,即将每个评价因子根据评价目标,按照一定的计算生成对评价问题测量的一个量化值,再按照一定的合成模型加权、求和,计算出总评价值:

其中:单项因子Dj的量化值为Yj=fj(Dj);Wj为权重;fj为评价因子Dj的效用函数;F为综合评价值。在评价体系已经确定的情况下,效用函数取决于单项因子的评价值和权重值。

生态修复效果可以通过比较生态修复前后能反映各因子变化趋势的量值进行表征,因此,最终生成的评价因子量化值Yj应当是把生态修复前后各因子的观测值,按照指标的方向性进行变化率计算。因为考虑变化的整体效果,最后将各项计算值与整体的变化阈值相比较,生成各项因子最后的评价值Yj。如生物多样性是正向指标,其修复率公式为

则单项因子评价值计算公式为

如营养盐指标为负向指标,其修复率为公式为

则单项因子评价值计算公式为

其中:X1、X2分别为修复前、修复后的水平;A、B分别为各项因子修复率的最大值Zmax和最小值Zmin;A-B为生态恢复阈值。

2 评价结果与分析

在权重计算过程中,共发放问卷54份,实际回收54份,其中向连云港海洋渔业部门管理人员发放14份,占25.93%,向海洋科技专家发放17 份,占31.48%,向海洋政策研究人员发放23份, 占42.59%。回收后的问卷按照主观指标计算方式算出权重W1。根据2014年的海洋生物和海洋环境调查数据,以生态修复区内的观测结果为修复后的观测值,生态修复区外对照组的观测结果视为修复前的观测值。按照式(1)～(4)计算客观权重W2,按照式 (5)计算综合权重,结果见表2。

根据式(7)～(10)可计算海州湾生态修复对资源和环境的修复率,海州湾生态修复效果评价单项权重、修复率和各因子综合值结果见表3。再由公式 (6)计算出生态修复目标综合值F,也可以将各项因子的修复率加权求和得到总体修复率。单项修复指数与该项分类权重的比值即为该项的平均贡献率,平均贡献率能反映该项在整体中的位置。

海洋生态修复效果评价等级值,参考国内学者在内陆河流水域生态修复相关的研究,具体划分标准[23]为:分值＜0.25时,综合效果较差;0.25≤分值＜0.50时,综合效果中等;0.50≤分值≤0.75 时,综合效果良;分值＞0.75时,综合效果优。本研究中,综合修复率为30.14%,生态修复目标综合值F=0.4002,整体修复效果等级为中等。从表3可见:资源平均修复率 (资源项D1～D6的综合修复率之和与资源权重之比,即∑6i=1Zi/Wb仅为17.96%,明显低于综合修复率30.14%;环境平均修复率 (环境项D7～D16的综合修复率之和与环境权重之比,即∑16i=7Zi/Wb)为33.15%,高于综合修复率。这说明生态修复作用于环境效果更明显,而资源恢复效果尚不够明显。

表2 各项因子综合权重计算值Tab.2 Weight of evolution index using different methods

表3 海洋生态修复区域修复效果评价综合值Tab.3 The evaluation compositive index in Haizhou Bay ecological restoration area

3 讨论

3.1 指标权重

从表3准则层的权重结果分析,环境因素对海洋生态修复的影响最大 (占80.18%),资源因素对海洋生态修复的影响次之 (占19.82%),这与赵新生等[24]的研究结果有一定的相似性。说明德尔菲法和熵值法组合计算权重的方法是合理的。环境因素比资源因素占比率大,主要是环境方面各项因子在修复前后均发生了较明显的变化,数据离散程度较大,导致熵值偏大,影响权重的大小。

从资源准则层分析,生物多样性指标的权重更高,约占90.46%,这主要受游泳生物资源种类变动的影响,实施生态修复后该资源种类和数量均有所增加,香农-威纳指数计算结果明显升高。而渔业资源变化不大,主要是因为修复前后渔获平均营养级未发生较大的变动,当地的主要经济种类组成变化不明显。从环境准则层来看,海水水质指标权重比营养盐略高,这主要受海洋初级生产力的影响,即叶绿素浓度在实施生态修复后有显著的升高,除此之外,这些环境因子的变化还与营养盐、叶绿素a、溶解氧等环境因子的分布特征有关[25]。

3.2 评价目标综合值

从评价结果可以看出,环境因子中初级生产力D12综合修复率单项值21.56%,这说明初级生产力高于整体水平,修复效果理想。水体中总的氮盐(硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐)指标经修复也有效降低。但水体中硅酸盐和活性磷酸盐指标恢复效果不佳,其中硅酸盐(D7)和活性磷酸盐(D8)在修复区域综合修复率分别为-0.04%和-0.43%,说明被调查海域这两项营养盐在修复后出现了略有升高(向负方向移动)的现象,可能是因为海底障碍物增加了海流的扰动,使沉积物中的硅、磷元素释放到海水中,从而导致测量值略偏高[26]。

从生物因子评价综合值可知:游泳生物多样性＞浮游生物多样性＞底栖生物多样性,说明生态修复对游泳生物多样性的改变效果相对更明显,但因修复区域部分底栖优势种类占比更大,导致物种均匀度较差。而在主要渔获物营养结构组成的综合值中,甲壳类平均营养级＞鱼类平均营养级＞头足类营养级,这主要是由于在鱼礁区捕获的头足类中,营养级较低的长蛸渔获量有所增加,导致头足类平均营养级降低,而在鱼礁区的甲壳类渔获中,营养级较高的口虾蛄则优势更明显。综合分析发现,依托人工鱼礁等方式的生态修复工程,在工程核心区由于聚集效应导致生物多样性降低,在核心区周边一定范围内,生物多样性会明显增加,这也可能是由于核心区的渔获比较难获取所致。

4 结论与建议

4.1 结论

本次评价的基础数据主要来自海州湾人工鱼礁生态修复区域2014年5月、8月、10月的调查结果,时空范围虽不大,但也会造成一定的偶然性。因此,在评价过程中通过主客观相结合的方法以减少主观因素对评价结果造成的干扰。本评价结果与李飞等[27]的研究结果具有一定的相似性,均反映出海州湾生态海洋环境修复效果略优于生物资源恢复水平,且整体处于中等偏上水平。本研究中采用基于调查数据建立 “资源-环境”模型评估得到的评价结果,与实地走访调查结果基本吻合,因此,建议可推广到更大的时空范围应用。

本研究中的评价结果显示,生态修复区域水质环境明显优于未修复海域,说明生态修复工程改善了海域的物理、化学、生物环境特征,也能有效地限制人类的海上开发活动,起到生境保护的作用。生态修复区域生物多样性也明显提高,主要原因是:一方面,投放人工鱼礁提高了空间异质性,改善了栖息地环境,使生物量增加、种类增多;另一方面,海洋生态修复有效阻止了底拖网等不合理的捕捞作业方式,也有利于生物资源恢复。而渔业资源结构组成在修复前后变化不大,说明生态修复工程对当地主要的海水经济种类影响效果尚未显现,这也可能与鱼礁区捕捞方式的局限性有关。

4.2 建议

(1)生态修复应重视生物资源恢复。海州湾人工增殖放流是促进海州湾生物资源恢复的最佳途径,从评价结果来看,目前资源恢复还处在初期阶段。一方面,放流的密度和种类还可以继续增加,另一方面,放流的苗种质量和规格需要提升。此外,应制定更科学的放流和苗种保护政策,以提高海州湾生物增殖放流水平,同时还应考虑生态养殖的无害化,尽量减少养殖种类对其他生物种类的竞争压力,以进一步改善生物多样性,提高生态系统的成熟度和稳定性。

(2)评估监测应不断完善调查内容。在环境和资源的跟踪调查方面,建议扩大环境调查范围和内容,丰富生物资源调查方法。随着海洋环境不断的变化,常规监测调查内容数目可以有所增加。通过合理设置对照区域来获取用于评价修复效果的基础数据。此外,生物资源的采集可适当采用多种网具类型 (如地笼、定置刺网、张网等)增加渔获机会,进一步提高生物资源数据获取的可靠性。

(3)评价内容可优先考虑环境因素的变化。通过评价结果可知,海洋生态修复工程对环境要素的变化影响更为明显。因此,在以后的海洋生态修复实践或者修复效果评价中,可优先考虑环境因素的变化,例如水质环境的变化。

[1] 陈骁,赵新生,李妍.江苏海州湾海岛与岸线资源修复及整治途径研究[J].海洋开发与管理,2015(12):53-56.

[2] 田涛,陈勇,陈辰,等.獐子岛海洋牧场海域人工鱼礁区投礁前的生态环境调查与评估[J].大连海洋大学学报,2014,29(1): 75-81.

[3] 张毅敏,陈晶,杨阳,等.我国海洋污染现状、生态修复技术及展望[J].科学,2014,66(3):48-51.

[4] 刘卓,杨纪明.日本海洋牧场(Marine Ranching)研究现状及其进展[J].现代渔业信息,1995,10(5):14-18.

[5] 马军英,杨纪明.日本的海洋牧场研究[J].海洋科学,1995,18 (3):21-24.

[6] Coen L D,Luckenbach M W.Developing success criteria and goals for evaluating oyster reef restoration:ecological function or resource exploitation?[J].Ecological Engineering,2000,15(3-4):323-343.

[7] 于沛民,张秀梅.日本美国人工鱼礁建设对我国的启示[J].渔业现代化,2006(2):6-7,20.

[8] 陈勇,杨军,田涛,等.獐子岛海洋牧场人工鱼礁区鱼类资源养护效果的初步研究[J].大连海洋大学学报,2014,29(2):183-187.

[9] 秦传新,陈丕茂,贾晓平.人工鱼礁构建对海洋生态系统服务价值的影响——以深圳杨梅坑人工鱼礁区为例[J].应用生态学报,2011,22(8):2160-2166.

[10] 朱孔文,孙满昌,张硕,等.海州湾海洋牧场[M].北京:中国农业出版社,2011.

[11] 连云港市海洋与渔业局.江苏省海州湾海洋生物资源与生态环境修复区规划(2016-2020)[R].连云港市:连云港市海洋与渔业局,2015.

[12] 杨柳.海州湾人工鱼礁区浮游生物变动分析[D].上海:上海海洋大学,2011.

[13] 邓莉萍,苏营营,苏华,等.大型海藻吸附水体中重金属离子的机理及影响因素[J].海洋科学,2008,32(8):91-96.

[14] 张进,沈蔚,韩军,等.成像声呐在人工鱼礁建设中的应用[J].江苏农业科学,2012,40(8):370-372.

[15] 孙习武,张硕,赵裕青,等.海州湾人工鱼礁海域鱼类和大型无脊椎动物群落组成及结构特征[J].上海海洋大学学报, 2010,19(4):505-513.

[16] 陈晓英,张杰,马毅.近40年来海州湾海岸线时空变化分析[J].海洋科学进展,2014,32(3):324-334.

[17] 张明亮.连云港海州湾人工鱼礁建设浅论[J].海洋开发与管理,2008,25(5):123-126.

[18] 王雨晴,宋戈.城市土地利用综合效益评价与案例研究[J].地理科学,2006,26(6):743-748.

[19] 梁湘波.海洋功能分区方法及其应用研究[D].天津:天津师范大学,2005.

[20] 杜利楠,栾维新,孙战秀,等.中国沿海省区海洋科技竞争力动态演变测度[J].中国科技论坛,2015(8):99-105.

[21] 吴开亚,金菊良.区域生态安全评价的熵组合权重属性识别模型[J].地理科学,2008,28(6):754-758.

[22] 赵丽,朱永明,付梅臣,等.主成分分析法和熵值法在农村居民点集约利用评价中的比较[J].农业工程学报,2012,28 (7):235-242.

[23] 高强,唐清华,孟庆强.感潮河湖水系连通水环境改善效果评价[J].人民长江,2015(15):38-40,50.

[24] 赵新生,孙伟富,任广波,等.海州湾海洋牧场生态健康评价[J].激光生物学报,2014,23(6):626-632.

[25] 龙爱民,陈绍勇,周伟华,等.南海北部秋季营养盐、溶解氧、pH值和叶绿素a分布特征及相互关系[J].海洋通报,2006, 25(5):9-16.

[26] 高春梅,朱珠,王功芹,等.海州湾海洋牧场海域表层沉积物磷的形态与环境意义[J].中国环境科学,2015,35(11): 3437-3444.

[27] 李飞,徐敏.海州湾保护区海洋环境质量综合评价[J].长江流域资源与环境,2014,23(5):659-667.

Evaluation of ecological restoration performance in Haizhou Bay,Lianyungang

FU Xiao-ming1,TANG Jian-ye1,2,WU Wei-qiang3,ZHANG Shuo1,2

(1.College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources,Ministry of Education,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;3.Lianyungang Marine and Fishery Bureau,Lianyungang 222003,China)

A set of ecological restoration effect evaluation system was established based on“resource-environment”with 16 concrete evaluation factors and evaluation method by the marine environment ecological survey in spring, summer and autumn of 2014 and the performance of ecological restoration and governance of Haizhou Bay ecological restoration project was assessed using Delphi method and entropy weight method combination empowerment.Results showed that the conditions of the ecological restoration areas were found to be improved by 30.14%,with mean repair rate of 17.96%in biological resources and 33.15%in marine environment improvement.There was comprehensive evolution value of 0.400 2 in ecological restoration in the Haizhou Bay,up to the moderate level.The findings indicated that environmental remediation was obvious,but marine biological resources recovery needed to be further improved in Haizhou Bay areas.

Haizhou Bay;ecological restoration;performance evaluation

S953.1

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.01.016

2095-1388(2017)01-0093-06

2016-04-25

国家公益性行业 (农业)科研专项 (201303047);海州湾海洋牧场示范项目 (D-8006-12-0018,D8006-15-8014)

符小明 (1990—),男,硕士研究生。E-mail:m130302632@st.shou.edu.cn

张硕 (1976—),男,博士,副教授。E-mail:s-zhang@shou.edu.cn