渤海灣外來浮游植物種及其生態風險評估

覃雪波，周 然，彭士濤，張兆陽，劉嫣然，趙 陽

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456；2.天津自然博物館，天津300201；3.天津理工大學，天津300384）

環境保護及污染治理

渤海灣外來浮游植物種及其生態風險評估

覃雪波1，2，周 然1，彭士濤1，張兆陽3，劉嫣然1，趙 陽1

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456；2.天津自然博物館，天津300201；3.天津理工大學，天津300384）

通過調研、統計和分析渤海灣外來浮游植物，構建評價模型對其生態風險進行評估。渤海灣共發現5種外來浮游植物，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。利用層次分析法評價渤海灣外來浮游植物的入侵生態風險，結果表明，渤海灣的5種外來浮游植物種的生態風險值位于中等風險到高風險區間，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態風險屬于高風險，需要加強監控。

外來浮游植物種；生態風險；評價；層次分析法；渤海灣

海洋外來物種入侵已成為最為嚴重的全球性環境問題之一［1］。特別是隨著世界航運的發展，海洋外來種入侵的問題越來越嚴重，受到了廣泛的關注。外來種由于在入侵地沒有天敵，容易繁殖擴散，對當地的生態、經濟和社會都產生了嚴重的影響。

渤海灣位于我國的華北地區，在沿岸地區分布眾多的港口，形成明顯的港口群。渤海灣港口群的發展，往來頻繁的海上運輸與貿易，有助于海洋外來物種的傳入和擴散。浮游植物作為船舶壓載水中常見的外來種，它們容易通過船舶擴散到世界各地［2］。船舶運輸也因此成為浮游植物外來種最主要的擴散方式。本研究通過野外調查和文獻調研，統計和分析渤海灣外來浮游植物，并構建評價模型對其生態風險進行評估，為渤海灣的海洋外來種入侵管理提供借鑒。

1 研究方法

1.1 渤海灣浮游植物外來種調研

為了更加全面的反映渤海灣外來入侵種的情況，采用野外調查和文獻調研等方式獲得了渤海灣外來浮游植物種。

野外調查是作者參與的渤海灣浮游植物調查所得到的成果，見已發表的文獻Peng et al.［3］和周然［4］。文獻調查包括兩種方式，一是文獻中直接記錄的外來浮游植物種在渤海灣有分布，將其確定為渤海灣外來浮游植物種，主要的文獻有李振宇和解炎的《中國外來入侵種》［5］，徐海根和強勝的《中國外來入侵物種編目》［6］和《中國外來入侵生物》［7］，徐海根等《外來物種入侵生物安全遺傳資源》［8］等；二是查閱近年來發表的記錄有渤海灣浮游植物種的期刊論文，將文中記錄的浮游植物種與外來種數據庫進行比對，從而確定其是否為渤海灣外來浮游植物種，期刊論文主要有孫軍等［9］、張秋豐等［10］、楊世民等［11］、尹翠玲等［12］、卞少偉等［13］、武丹等［14］、王瑜等［15］等。外來種數據庫網站主要參考http：//bioinvasion.fio.org.cn、http：//www.chinaias.cn，以及中國海洋災害公報http：//www.coi.gov.cn/gongbao/zaihai/等。

1.2 風險評估方法

1.2.1 風險識別

風險識別是風險管理的第一步，就是通過各種方法識別風險產生的過程。首先，識別致災因子中的關鍵因子，分析致災因子的各種特征（包括生物學、生態學屬性和經濟意義）；其次識別受災對象的特征，如生活規律、對致災因子適應和抵御能力等；最后識別在一定區域范圍內，特定致災因子對受災對象的危害程度（圖1）。

1.2.2 評估方法

一個外來種從入侵到產生危害，通常經過以下4個過程：入侵、適應、擴散和危害。每個階段都受到不同的因素制約，這些因素也成為了重要的評價因子。可以看出，這些因子形成不同的層次關系。因此，層次分析法（AHP）適用于外來種入侵風險評估。

1.2.2.1 評估指標體系

根據層次分析法的特點，結合渤海灣海域的實際環境和借鑒國內外相關學者的研究成果，構建如下的層次分析法指標體系（表1）。

各指標的含義如下：

入侵性：外來種進入本地可能性，又由引入地的發生程度、引進頻次和防止措施等3個指標構成。

（1）發生程度：外來種在本地分布情況。如外來種已在本地產生嚴重的危害，則不納入評估范圍。

（2）引進頻次：主要是指到港船舶壓載水中發現的頻度。

（3）防止措施：阻止外來種入侵的各種措施，包括行政、技術和國際公約的效力。

適應性：指的是外來種對當地各種條件的適應，對于外來浮游植物而言，主要指氣候適應能力、溫鹽適應能力和其他限制因子適應能力。

（1）氣候適應能力：指的是外來種原分布區與入侵區的氣候的相似程度，包括溫度、光照、降雨等氣候因子。

（2）溫鹽適應能力：該物種對入侵地水域的溫度和鹽度的適應能力。

（3）其他限制因子適應能力：指的是除了上述兩項外的其他因素，如營養鹽、pH等。擴散性：指外來種在入侵區的傳播、遷移、擴散的可能性，包括以下6個指標組成：（1）生長速度：指單位時間內外來物種生物量的增加量。（2）繁殖能力：指單位時間內外來物種產生后代的數量。（3）擴散能力：指外來種適應不同棲息地生境的能力。（4）根除難度：指的是要徹底根除該物種的難度。

（5）適宜的氣候范圍：指適合外來物種生長和繁殖的氣候帶的面積。

（6）控制機制：指的是控制外來種擴散的各種措施，包括自然因素和人為措施。

危害性：指的是外來種對當地環境的危害，包括對生物多樣性的影響以及爆發赤潮的難易程度兩個指標。

（1）生物多樣性：外來種排斥當地物種，降低生物多樣性。

圖1 外來種入侵風險識別過程Fig.1 Identification of invasion risk of alien species

表1 渤海灣外來物種風險評估指標體系Tab.1 Risk assessment index system for alien species

（2）爆發赤潮的難易：該物種可能爆發赤潮的概率。

（3）產生毒素：該物種可以產生藻毒素。

1.2.2.2 評估指標量化

在指標體系中，有許多是定性指標，難進行定量分析；同時也有一些定量指標，由于綱量的不同，也難以比較，因此需要對指標進行量化并無量綱，由此可以進行定量分析。采用分級法對指標進行定量化（表2）。

1.2.2.3 評估指標權重確定

根據層次分析法的步驟，各個指標的權重通過以下步驟完成：

（1）構建判斷矩陣。

設Fi={F1,F2,…Fn}是一個由F層評價指標組成的指標集；對于j=1，2，…n，Sj={ } αi1,αi2,…αij是對應于Fi的評價因子S層組成的指標集，于是構建S層對F層中Fi因子的判斷矩陣P（Sij）

表2 指標分級標準Tab.2 Criteria for ecological risk grading of assessment index

αij是指因子Si對Sj的相對重要性的標度值，取值按表3進行。根據AHP評價模型，從最低層開始兩兩比較，從而得出指標層對準則層的判斷矩陣，準則層對目標層的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣中各因子標度值Tab.3 Connotations of various factor scales in the judgment matrix

①計算判斷矩陣各行元素乘積，并計算其n次方根，得一新向量

③計算判斷矩陣最大特征值λmax

式中：(BW)i為向量（BW）的第i個元素。

④計算一致性比值CR，檢驗判斷矩陣的一致性

式中：CI為一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，RI按表4取值，當CR＜0.10時，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣，以便得到滿意的評價參數。

通過專家打分，根據上述計算過程，得到各指標的權重值（表5），各個CR值均小于0.10，說明判斷矩陣具有滿意的一致性，結果可信。

表4 RI取值Tab.4 Summary of RI values

1.2.2.4 綜合生態風險值

根據各項指標值與權重值，采用綜合生態風險指數（ER）對各個外來種的入侵生態風險進行評價。綜合生態風險指數定義如下

式中：Pi為單項指標評分值（分值需要歸一化處理）；Wi為為評價指標i的權重；N為評價指標數。

1.2.3 風險劃分

采用五級風險分類進行劃分，即從低到高依次為極低、低風險、中等風險、高風險和極高風險，風險值設定在0～1，不同風險等級需要不同的管理手段，具體見表6。

表5 生態風險識別指標的權重分配Tab.5 Weight allocation of the indexes of ecological risk identification

2 結果與討論

2.1 外來浮游植物

渤海灣外來浮游植物較少，僅為5種（表7）。從表7中可以看出，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。一是這些浮游植物都有較強的適應能力，而且繁殖速度快，它們大多是通過船舶壓截水入侵到別的區域。通常，船舶壓截倉中環境惡劣，其他生物難以存活，而這些外來浮游植物能存活下來，說明其適應能力非常強，一旦到了新的環境，比較容易適應當地的環境，在適宜的環境條件下，能快速繁殖，造成赤潮爆發。二是外來浮游植物種具有多種擴散途徑。大多的外來浮游植物的細胞和包囊可以附著在各種物體上（如漂浮物），可以隨海流而傳播；附著沉積物，在沉積物轉移到別處時，也將其帶到新地方；附著于巖石、沙子、貝類等，也隨這些物體的轉移而傳播；外來浮游植物的細胞和包囊也存在于壓截水，通過船舶來往傳播；三是一些浮游植物還能產生藻毒素［16］。如棕囊藻產生溶血毒素等有毒物質［17］。這些有毒物質對水體產生極大的負面影響，引發水生生物大量死亡，特別是對于水產養殖業，可以造成嚴重的經濟損失。更嚴重的是，這些毒素會富集于水生生物體中，通過食物鏈傳遞最終遷移到人體中，威脅人類的身體健康［18］。

外來浮游植物只要環境適應，就可引起赤潮爆發，對當地海洋生態環境等產生破壞。從表7中也可以看出，這些浮游植物大多為甲藻，且為赤潮種類，具有潛在的生態風險。

表6 外來物入侵生態風險等級劃分標準Tab.6 Criteria for ecological risk grading of alien species

表7 渤海灣外來入侵植物種類Tab.7 The alien phytoplankton in Bohai Bay

表8 渤海灣外來浮游植物入侵生態影響Tab.8 The ecological impacts of alien phytoplankton in Bohai Bay

2.2 渤海灣外來浮游植物入侵風險評估結果

2.2.1 評價對象

由于渤海灣是一個半封閉的海灣，位于我國最重要經濟圈——環渤海經濟圈，聚集了大量的超大型城市，如北京、天津等。造成大量的生活和生產廢水被排放到灣內，海水富營養化嚴重，赤潮容易暴發［19-20］。因此，赤潮已成為渤海灣最大的生態風險。因此，通過對表2中的5種外來浮游植物的入侵風險進行評估，這些浮游植物的生態影響見表8。

2.2.2 外來種入侵生態風險值

利用上述的計算方法，對5種外來浮游植物的入侵生態風險進行評估，結果見圖2。

從圖2中可以看出，渤海灣的5種外來浮游植物種的生態風險值位于中等風險到高風險區間。其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態風險屬于高風險。特別是多甲藻和球形棕囊藻能產生藻毒素，它們的生態風險不可忽視。因此要加強監測，特別是在赤潮易暴發的季節，要加大監測頻率，積極采取預防措施。

圖2 渤海灣外來浮游植物生態風險值Fig.2 The ecological risk of alien phytoplankton in Bohai Bay

3 結論

（1）渤海灣海洋水域中共發現5種浮游植物，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。

（2）利用層次分析法，以渤海灣浮游植物為例對外來種的入侵生態風險進行評價，結果發現渤海灣的5種外來浮游植物種的生態風險值位于中等風險到高風險區間，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態風險屬于高風險，需要加強監控。

［1］劉艷，吳惠仙，薛俊增.海洋外來物種入侵生態學研究［J］.生物安全學報，2013，22：8-16. LIU Y，WU H X，XUE J Z.The ecology of invasions by marine exotic species［J］.Journal of Biosafety，2013，22：8-16.

［2］沈欣軍，白希堯，湯紅，等.船舶壓載水攜帶外來物種及其對水域生態環境的影響［J］.生態學雜志，2004，23（1）：125-128. SHEN X J，BAI X Y，TANG H，et al.Introduced species via ship′s ballast water and their effects on the environment and ecology of water area［J］.Chinese Journal of Ecology，2004，23（1）：125-128.

［3］Peng S T，Qin X B，Shi H H，et al.Distribution and controlling factors of phytoplankton assemblages in a semi?enclosed bay during spring and summer［J］.Marine Pollution Bulletin，2012，64（5）：941-948.

［4］周然，彭士濤，覃雪波，等.渤海灣浮游植物與環境因子關系的多元分析［J］.環境科學，2013，34（3）：864-873. ZHOU R，PENG S T，QIN X B，et al.Phytoplankton Assemblages and Their Relation to Environmental Factors by Multivariate Sta?tistic Analysis in Bohai Bay［J］.Environmental Science，2013，34（3）：864-873.

［5］李振宇，解火.中國外來入侵種［M］.北京：中國林業出版社，2002.

［6］徐海根，強勝.中國外來入侵物種編目［M］.北京：環境科學出版社，2004.

［7］徐海根，強勝.中國外來入侵生物［M］.北京：科學出版社，2011.

［8］徐海根，王健民，強勝.外來物種入侵生物安全.遺傳資源［M］.北京：科學出版社，2004.

［9］孫軍，劉東艷，王威，等.1998年秋季渤海中部及其鄰近海域的網采浮游植物群落［J］.生態學報，2004，24（9）：1 643-1 655. SUN J，LIU D Y，WANG W，et al.The netz?phytoplankton community of the central Bohai Sea and its adjacent waters in autumn，1998［J］.Acta Ecologica Sinica，2004，24（9）：1 643-1 655.

［10］張秋豐，尹翠玲，徐玉山，等.2006年夏季渤海灣赤潮重點監控區的網采浮游植物群落［J］.天津科技大學學報，2007，22（3）：19-23. ZHANG Q F，YIN C L，XU Y S，et al.The phytoplankton community sampled by nets in the dominant area monitoring red tide in Bohai Bay in summer，2006［J］.Journal of Tianjin University of Science&Technology，2007，22（3）：19-23.

［11］楊世民，董樹剛，李鋒，等.渤海灣海域生態環境的研究Ⅰ.浮游植物種類組成和數量變化［J］.海洋環境科學，2007，26（5）：442-445.YANG S M，DONG S G，LI F，et al.Study on ecological environment in Bohai Bay I.species composition and abundance of phyto?plankton［J］.Marine Environmental Science，2007，26（5）：442-445.

［12］尹翠玲，張秋豐，崔健，等.2008-2012年渤海灣天津近岸海域夏季浮游植物組成［J］.海洋科學進展，2013，31（4）：527-537. YIN C L，ZHANG Q F，CUI J，et al.Phytoplankton composition in Bohai Bay Tianjin coastal area in summer from 2008 to 2012［J］.Advances in Marine Science，2013，31（4）：527-537.

［13］卞少偉，武丹，方普杰，等.天津近岸海域冬季浮游植物群落結構特征［J］.環境影響評價，2015（3）：77-80. BIAN S W，WU D，FANG P J，et al.Community structure of phytoplankton in Tianjin offshore waters in winter［J］.Environmental Impact Assessment，2015（3）：77-80.

［14］武丹，韓龍，梅鵬蔚，等.渤海灣浮游植物群落特征及其環境影響因子［J］.環境科學與技術，2016（4）：68-73. WU D，HAN L，MEI P G，et al.Community characteristics of phytoplankton and its environment impact factors in Bohai Bay［J］. Environmental Science&Technology，2016，39（4）：68-73.

［15］王瑜，劉錄三，朱延忠，等.渤海灣近岸海域春秋季網采浮游植物群落特征［J］.海洋環境科學，2016，35（4）：564-570. WANG Y，LIU L S，ZHU Y Z，et al.The community structure of phytoplankton sampled by nets in the coastal seawaters of Bohai Bay in spring and autumn［J］.Marine Environmental Science，2016，35（4）：564-570.

［16］Flewelling L J，Naar J P，Abbott J P，et al.Brevetoxicosis：red tides and marine mammal mortalities［J］.Nature，2005，435：755-756.

［17］李薔.溶藻細菌的分離鑒定及其胞外活性物質對球形棕囊藻的溶藻特性研究［D］.廣州：暨南大學，2012.

［18］謝平.微囊藻毒素對人類健康影響相關研究的回顧［J］.湖泊科學，2009，21（5）：603-613. XIE P.A review on the studies related to the effects of microcystins on human health［J］.Journal of Lake Sciences，2009，21（5）：603-613.

［19］Tang D，Kawamura H，Oh I S，et al.Satellite evidence of harmful algal blooms and related oceanographic features in the Bohai Sea during autumn 1998［J］.Advances in Space Research，2006，37（4）：681-689.

［20］Duan L，Song J，Li X，et al.Distribution of selenium and its relationship to the eco?environment in Bohai Bay seawater［J］.Marine Chemistry，2010，121（1）：87-99.

The alien phytoplankton species and their ecological risk assessment in Bohai Bay

QIN Xue?bo1,2,ZHOU Ran1,PENG Shi?tao1,ZHANG ZHAO?yang3,LIU Yan?ran1,ZHAO Yang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.Tianjin Natural History Museum, Tianjin 300201,China;3.Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China）

In the present study,alien phytoplankton species were surveyed,and their ecological risks were as?sessed by the evaluation model.Five alien phytoplankton species were found in Bohai Bay.They were the red tide species expect of theCoscinodiscus wailesii.The ecological risks were assessed by the analytic hierarchy process. The result shows that the ecological risks of the five alien phytoplankton species range from moderate to high levels. The ecological risk ofPeridinium perardiforme,Phaeocystis Pouchetii,andCoscinodiscus wailesiiare the high risk level,indicating it is important to monitor.

alien phytoplankton species;ecological risk;assessment;analytic hierarchy process;Bohai Bay

Q 948

A

1005-8443（2017）02-0192-06

2016-09-22；

2016-12-15

國家自然科學基金項目（21307045）；交通運輸部天津水運工程科學研究所科研創新基金項目（TKS160113）

覃雪波（1977-），男，廣西宜州人，副研究員，博士，主要從事生態學研究。

Biography：QIN Xue?bo（1977-），male，associate professor.