榮成俚島人工魚礁區生態系統健康的評價*

佟 飛，張秀梅，吳忠鑫，張沛東

（中國海洋大學水產學院，山東 青島266003）

人工魚礁建設既是保護、增殖海洋漁業資源的重要手段，也是改善、修復海洋生態環境的一項基礎工程［1］。人工魚礁對于海洋環境的修復、改善是一個漫長的過程，短期內可能效果不顯著，即使在熱帶的人工魚礁區，建立起一個群落豐富的生態系統也尚需十年時間［1］。作為一種外源投入物，人工魚礁對海洋環境的影響不容忽視。人工魚礁設計者選用各種不同的材料和礁型，都有其不同的作用，一些礁體材料在投放水域后，會釋放一定的化學成分，影響礁區水域水質狀況［2］。因此，對于礁區的海洋生態環境需要進行長期、連續的監測，同時也需要將人工魚礁對海洋環境的影響進行客觀、合理、科學的評價。

從1980年代中期生態系統健康的概念從醫學界拓展而出［3］，越來越多的環境學家將維護生態系統健康作為環境保護的目標之一［4］。Costanza在1992年將生態系統健康的特征描述如下：（1）內環境穩定；（2）沒有疾病；（3）生物群落復雜多樣；（4）生態系統具有較好的穩定性和恢復力；（5）具有發展潛力；（6）生態系統結構、功能平衡［5］。目前，國外有關生態系統健康的相關研究很多，Noble等針對森林生態系統健康狀態進行了評估［6］，Madden等對海草場生態系統健康進行了綜合評價［7］，加拿大和美國政府開展了五大湖生態系統健康評估［8］。國內關于生態系統健康評估的研究也有不少，楊進等評價了大亞灣區域生態系統健康狀況［9］，李利等對廉州灣海域生態系統健康進行了評價［10］。人工魚礁區通常處于近岸水域，易受到人類各種活動的干擾，針對人工魚礁區生態系統健康評價的相關研究較少，且多集中于南方資源保護型人工魚礁區生態系統健康評價［1，9］，針對北方資源增殖型人工魚礁區生態系統健康評價的相關文獻尚未見。榮成俚島人工魚礁附近海區由于大面積養殖海帶，其生物群落結構和水環境因子與其他人工魚礁區存在一定差異。本文選取該海區的17個生態系統健康評價參數，結合國內外有關環境健康評估相關文獻，在2010年8月～2011年8月榮成俚島人工魚礁區及附近海域的生態調查基礎上，參考近5年該海區的生態環境統計監測數據，初步建立了榮成俚島人工魚礁區生態系統健康的評價模型，對該實驗海區的生態系統健康狀況進行了初步評價，以期為日后人工魚礁區生態系統的管理、養護和規劃［11］提供相關資料。

1 評價模型的構建

1.1 研究方法

運用結構功能指標法構建人工魚礁區的生態系統健康評價模型一般需要分為5個步驟，如圖1所示。

1.2 評價指標的選擇

單純的物理、化學或者生物指標不足以對一個生態系統健康狀況給予全面、客觀、準確的評估。由于生態系統的復雜性與可變性，對于一個生態系統健康狀況的評估需要綜合生態系統中物理、化學和生物等多方面指標［13］。選擇生態系統健康狀況評估指標應遵循以下3個原則：（1）所選指標需要考慮到人工魚礁區環境變化的敏感性；（2）所選指標應適于長期連續的監測，即監測指標應該易于獲得；（3）所選指標應涵蓋物理、化學、生物3個領域［14］。

圖1 人工魚礁生態系統健康評估過程［12］Fig.1 The procedure to assess the health of artificial reefs ecosystem［12］

本文將生態系統健康狀態的評估指標自上而下［15］分為2個層次。第一個層次分為3個因子：（1）海洋環境因子；（2）生物群落因子；（3）生態系統因子。第二個層次，根據生態系統健康評價指標的選擇，遵循必要性、易得性和充分性原則［16］，參照國內外海洋生態系統健康評價的相關文獻，將以上3個因子分為17個評價指標。其中，海洋環境因子包括活性硅酸鹽（C17）［17－18］、溶解氧（C16）、pH（C15）、非離子氨（C14）［19］、活性磷酸鹽（C13）［20］、BOD5（C12）、COD（C11），生物群落因子包括游泳動物多樣性（C10）［21］、底棲生物多樣性（C9）、底棲生物生物量（C8）［22］、附著生物多樣性（C7）、附著生物生物量（C6）［23］、浮游植物多樣性（C5）、浮游植物生物量（C4）［24］、浮游動物多樣性（C3）、浮游動物生物量（C2）［25］，生 態 系 統 功 能 因 子 有 初 級 生 產 力 因 子（C1）［26－28］。

1.3 評價方法及標準

本文主要利用生態系統健康綜合評價模型對人工魚礁區生態系統健康進行初步評價，評價標準主要遵循3個原則：（1）若相關指標有國家標準，則優先考慮國家標準；（2）若相關指標缺乏國家標準，則參考國內外相關科學研究成果；（3）如果前兩者都欠缺，則選用常年監測的平均值作為相應標準［10］。按照上述3個原則，本文在評估海洋環境因子指標時主要參考《海水水質標準》（GB3097—1997）；在考慮生物群落相關因子指標時主要參考賈曉平等［29］提出的餌料生物水平分級標準和陳真然等［30］提出的生物多樣性閾值分級標準；在考慮生態系統功能因子時則采用賈曉平等［29］提出的初級生產力水平分級標準。具體相關指標參考標準如表1～3所示。

表1 人工魚礁區生態系統健康評價標準Table 1 Standards for health assessment of artificial reef ecosystem

續表1

表2 餌料生物水平分級評價標準［29］Table 2 The evolution standard for the lever of food organisms［29］

表3 生物多樣性閾值評價標準［30］Table 3 The evolution standard for the threshold of biodiversity［30］

1.4 評價指標的計算

本文在參考國內外相關資料的基礎上，主要使用構建模糊隸屬函數的方法對評價指標進行標準化計算，使各指標之間具有可比性與可加和性。參照章守宇等［32］提出的計算方式，將魚礁生態效果劃分為優、良、合格、較差和很差5種類型，并分別賦值為1.0、0.8、0.6、0.4和0.2。各指標評價值由構建的模糊隸屬函數求得［32］。其中，溶解氧、化學需氧量、IP、pH、浮游植物密度、浮游動物密度、底棲生物密度、附著生物密度、物種多樣性9個評價指標的標準化計算方法參考尹增強等［32］2012年建立的模糊隸屬函數，NH3－N，活性硅酸鹽、BOD5、初級生產力4個評價指標標準化方法分別參照各自的標準推導而出，其隸屬函數如表4所示。

表4 相應指標隸屬函數及其確定依據Table 4 The evaluating standard for quantitative index

1.5 各指標權重的確定

由于各指標在人工魚礁生態系統健康評估中的重要性有所差異，因此需要確定各指標在該評估系統中的權重，對人工魚礁區的生態系統健康狀態做出準確的判斷。確定指標權重的方法有層次分析法、灰色系統關聯度分析法、因子貢獻法等［34］。本文選用層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）確定各指標的權重，因層次分析法已發展的比較成熟，自提出后已經廣泛用于多種生態系統的評價，避免了主觀判斷權重時的不確定性［35］，可以提供涵蓋面廣、信息量大的評價指標體系。所以本文采用層次分析法軟件Yaahp V0.6.0對所選指標進行權重計算。主要分為3步：（1）構建層次結構模型；（2）判斷矩陣，將所構建矩陣中各指標進行兩兩比較，確定其相對重要性；（3）計算權重。使用層次分析法軟件對于分析步驟有了極大的簡化，而且提高了其計算速度與準確性。通過該軟件計算出的各指標權重如圖2所示。

由層次分析法計算出的17項指標權重（見圖2）可見，在生物群落結構子系統中，由于實驗礁區是以資源增殖為目的，所以本文將游泳動物和底棲生物賦有較高權重；在海洋環境因子子系統中，當海區為磷限制性水體時，常成為限制海區浮游植物與初級生產力的因子，所以將活性磷酸鹽含量賦有較高權重；在生態系統功能子系統中，由于只有1個指標參數－初級生產力，且初級生產力直接關系到各營養級的能量流動和物質循環，故賦有較高權重。通過AHP軟件計算所得結果與各指標的相對重要性一致。

圖2 各項指標權重Fig.2 The weight of each indicators

1.6 生態系統健康指數（EHI）計算

根據上文計算的各項指標的標準化值與各指標的權重值，利用綜合指數法［36］對人工魚礁生態系統健康指數（Ecosystem health index，EHI）進行綜合評價，所構建的評價模型見公式1。

其中：EHI為生態系統健康指數；Wi為第i個評價指標的權重；H為對應第i個指標的標準化值。

通過上述流程構建的評價方法得到的生態系統健康指數都落在0～1之間，且數值越接近1則健康狀態越好，越接近0則健康狀況越差。根據EHI的大小，將其分為5個等級（見表5）［1，9，29］。

表5 人工魚礁區海域生態系統健康水平分級［29］Table 5 Grades for ecosystem state assessment of artificial reef ecosystem

2 評價模型的應用

2.1 研究區域

俚島人工魚礁區位于山東半島東部榮成市俚島鎮，南起馬他角、北至俚島灣東端的外遮島，由近岸礁區（水深9～11m）和遠岸礁區（水深20～30m）組成，礁區海域面積97hm2。高綠水產有限公司于2006—2008年在所轄海域共投大料石10×104m3（空方）；混凝土構件礁13 015件，計6.5×104m3（空方）；報廢漁船60艘，計0.43×104m3（空方），形成12個人工魚礁群。本實驗選取近岸人工魚礁區作為實驗區域。在近5年對該海域生態環境的連續監測的基礎上，結合2010年8月～2011年8月逐月在該人工魚礁海區生態環境的綜合調查資料，對該海區的生態系統健康狀況進行初步評價。本實驗選擇混凝土人工魚礁區作為實驗區域，以距離人工魚礁區1km的海區作為對照區，每個區域設置3個取樣點。實驗地點見圖3。

圖3 人工魚礁投放地點Fig.3 Experimental sites of artificial reefs

2.2 數據采集與計算

本研究各調查項目的采樣、分析方法和技術要求按《海洋監測規范》（GB17378—1998）和《海洋調查規范》（GB12763—1991）的規定進行，規范上沒有涉及的監測方法，按各行業標準進行。

本研究根據2011年榮成俚島人工魚礁區周年生態環境調查數據，構建生態系統健康評價模型，評價該海區的生態系統健康狀況，所選17個指標參數的年平均值與歸一化值如表6所示。

將各指標歸一化值與權重代入公式EHI＝∑Wi·Hi得到俚島人工魚礁區和對照區的年平均生態系統健康指數分別為0.647和0.614。

3 結果與分析

按照賈曉平［29］提出的健康等級分級標準評價榮成俚島人工魚礁區和對照區生態系統的健康狀況，結果顯示：2處海區生態系統健康指數分別為0.647和0.614，都處于較健康狀態。其中人工魚礁區生態系統健康狀態略好于對照區。

榮成俚島資源增殖型人工魚礁區底棲生物和游泳動物的生物量和多樣性都高于對照區，人工魚礁在一定程度上起到了資源增殖的效果；礁區和對照區水質狀況都達到國家二類海水水質標準。雖然該人工魚礁區處于較健康狀態，但是其健康指數不高，究其原因可能受以下幾方面的影響：

（1）雖然本研究的投礁區域和對照區無海帶養殖浮筏，但研究區域外圍的公司確權海域均屬大規模海帶養殖區，海底沉積有大量海帶碎屑，在水動力的作用下懸浮于水體中，導致海區整體透明度不高；海區表層的年平均水溫較低，不利于某些浮游植物的繁殖與生長，加之養殖海帶與浮游植物競爭營養鹽等原因，使該海區年平均初級生產力水平低于北黃海區域的年均水平［26］。（2）Shannon－Wiener多樣性指數不能很好地反映優勢種類的更替，也不能反映出密度的變化［25］，因此本文選用生物多樣性閾值來評價浮游動植物、附著生物和底棲生物的多樣性。歸一化結果顯示，人工魚礁區和對照區的生物多樣性較低，可能是由于該海區的營養鹽含量不高、優勢種比較穩定，因此生物多樣性不高。除了附著生物的生物多樣性為對照區高于人工魚礁區外，浮游動植物和底棲生物的生物多樣性都是人工魚礁區高于對照區，對照區附著生物多樣性較高的原因是由于其自然巖礁生境形成的時間較長，而人工魚礁區生境的形成僅有近5年時間，尚未能發展到附著生物高度多樣化階段。人工魚礁區的浮游動植物、底棲生物和游泳動物的多樣性高于對照區，究其原因可能是人工魚礁區的空間異質性較高，為浮游動植物提供了滯留的環境，并成為許多魚類和甲殼類產卵、育幼的場所，從而使人工魚礁區的生物多樣性高于對照區。（3）海水中的活性硅酸鹽是海洋浮游植物，尤其是硅藻繁殖必須的營養元素之一，因此本文將活性硅酸鹽作為重要的評價因子之一，活性硅酸鹽的含量受到大陸徑流輸入量、生物吸收和懸浮顆粒的吸附—脫附—溶解的影響［18］。該海區的活性硅酸鹽含量較低，可能是由于海區大量養殖海帶吸收硅酸鹽，同時受大量海帶碎屑等懸浮顆粒吸附作用的影響，導致該區域的活性硅酸鹽含量接近支持浮游植物生長的最低閾值［37］，成為浮游植物生長的限制性因子之一［38］。

表6 各指標監測值與歸一化值Table 6 The monitoring value of the indicators

（4）溫度是決定附著生物地理分布的最主要外界環境因子，溫度又與附著生物的生長、發育和附著季節緊密相關［39］，本研究海區的年平均水溫在12℃左右，年平均水溫較低，也可能成為導致該人工魚礁區和對照區附著生物量和多樣性不高的原因之一。

（5）浮游動物是海洋生態系統物質循環和能量流動中的關鍵調控功能群，在海洋生態系統中有著極為重要的生態學意義［40］。因此本文將浮游動物作為較重要的評價指標之一。研究海區的浮游動物生物量和多樣性閾值都不高，究其原因可能是由于該海區浮游植物的生物量不高，海區營養鹽含量較低，魚類的捕食也在一定程度上影響著浮游動物的種類和大小組成［41］，故該海區浮游動物的生物量不高。

（6）針對不同海區評價其生態系統健康狀況時，所選評價指標的權重各有差異。本文根據資源增殖型人工魚礁區生態系統特征進行了指標的選擇和相關權重的賦值，但賦值結果可能與實際狀態仍存差異，還需要更多的實驗來驗證與完善［25］。

（7）榮成俚島人工魚礁區生物群落可能仍處于發展階段，加之人工魚礁生態系統是一個動態生態系統，因此需要對該礁區進行長期連續的調查監測，以進一步了解人工魚礁投放對海洋生態系統所造成的影響和資源增殖效果。

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