青島近岸海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價

田 艷，曾春華，李志強(qiáng) ，張會領(lǐng)

（1.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室，廣東 湛江 524088）

海域開發(fā)利用與海洋生態(tài)環(huán)境和諧是沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要條件，海域開發(fā)活動不可避免給海洋環(huán)境帶來影響，占用灘涂濕地，破壞海洋生物生境，引起海洋生物資源量的減少、多樣性降低等問題[1]，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的敏感區(qū)、脆弱區(qū)等遭到破壞[2]。

生態(tài)適宜性評價的定義由McHarg[3]于1969年最早提出，“生態(tài)適宜性是指由土地具有的水文、地理、地形、地質(zhì)、生物和人文等特征所決定的，對特定、持續(xù)性用途的固有適宜性程度”，多用于土地適宜性評價。近年來，許多學(xué)者對生態(tài)適宜性定義進(jìn)行延伸，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，將資源、環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)等不同要素疊加到一起進(jìn)行綜合評價[4]。而關(guān)于海洋生態(tài)適宜性多是單目標(biāo)的研究分析，尚未建立成熟理論體系，缺乏海洋生態(tài)系統(tǒng)整體性和系統(tǒng)性的考慮，比如海岸工程選址的適宜性分析[5]、海岸生態(tài)保護(hù)工程的適宜性[6]、海洋資源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益評估和生物生境的適宜性分析等[7-8]。本研究定義的海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價是指在海洋生態(tài)環(huán)境中，海洋環(huán)境要素為海洋生物群落正向更替的適合程度[3][9]，其目的是從海洋生態(tài)學(xué)角度，綜合評價海域開發(fā)利用適宜程度，從而維持海洋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和實現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究根據(jù)指標(biāo)選取原則，運(yùn)用德爾菲法和層次分析法構(gòu)建海洋生態(tài)適宜性評價指標(biāo)體系，并確定各指標(biāo)權(quán)重，建立評價模型，并以青島近岸海域為例，計算指標(biāo)數(shù)據(jù)和綜合評價指數(shù)，綜合評價海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性。通過將評價結(jié)果疊加約束條件，對評價結(jié)果進(jìn)行重分類，最終得到海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價等級分布圖，為海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性評價理論體系提供借鑒。

1 建立評價模型

海洋生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)的多樣性和不確定性導(dǎo)致了海域開發(fā)利用影響的不確定性[10]。最大限度減少海域開發(fā)利用影響，維持海洋生態(tài)自我恢復(fù)能力，確保海域利用活動保持在一個合理的尺度范圍內(nèi)是生態(tài)適宜性評價的核心[11]。依據(jù)海洋生態(tài)適宜性評價定義，以生態(tài)保護(hù)為前提，采用德爾菲法和層次分析法進(jìn)行指標(biāo)體系的構(gòu)建和權(quán)重的確定，利用GIS進(jìn)行空間分析，建立綜合評價模型。

1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

為構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)體系，根據(jù)反映不同用海需求、層次性和可操作性等原則[12]，把海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價作為目標(biāo)層，分解目標(biāo)層得到準(zhǔn)則層，包括生境質(zhì)量指數(shù)、生物多樣性指數(shù)和生態(tài)脆弱性指數(shù)，進(jìn)一步分解準(zhǔn)則層得到要素層，確定海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價指標(biāo)體系（表1）。

表1 評價指標(biāo)體系Table 1 The index system of evaluation

1.1.1生境質(zhì)量指數(shù) 海洋生境是海洋生物群落的棲息環(huán)境，海域開發(fā)利用往往給海洋生境帶來破壞和影響，主要包括海水質(zhì)量和海洋生態(tài)災(zāi)害兩個要素。近岸陸源和工業(yè)污染影響海水水質(zhì)，進(jìn)而影響海洋生物的生存環(huán)境；對生態(tài)環(huán)境造成影響的海洋生態(tài)災(zāi)害主要是赤潮和綠潮等。

1.1.2生物多樣性指數(shù) Naeem 等[13]研究表明，生物多樣性可以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠為防止種群喪失或功能降低提供保障，物種數(shù)目越多，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)。生物多樣性指數(shù)要素層包括浮游植物多樣性指數(shù)、浮游動物多樣性指數(shù)和底棲生物多樣性指數(shù)。對站位調(diào)查的浮游植物、浮游動物和底棲生物的個體數(shù)和種類數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算物種多樣性指數(shù)，分析生態(tài)系統(tǒng)功能。

1.1.3生態(tài)脆弱性指數(shù) 借鑒IPCC 關(guān)于脆弱性定義[14]，海洋生態(tài)脆弱性指數(shù)是指海洋生態(tài)系統(tǒng)在面臨自然因素和人為因素不利影響時，其特征、敏感性及其適應(yīng)能力的程度。生態(tài)脆弱性指數(shù)主要考慮與生態(tài)敏感區(qū)、脆弱區(qū)和其他重要生態(tài)功能區(qū)的距離。保護(hù)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的空間范圍，距離越遠(yuǎn)，海域開發(fā)利用對海洋脆弱生態(tài)系統(tǒng)的影響則越小。

1.2 權(quán)重計算

權(quán)重計算過程主要包括設(shè)計專家調(diào)查表、多輪專家打分和調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析的步驟。綜合考慮計算每一個指標(biāo)的加權(quán)算數(shù)平均值、計算滿分比和變異系數(shù)等，計算得到準(zhǔn)則層和要素層的權(quán)重值[15]（表2）。

表2 指標(biāo)權(quán)重Table 2 The weight of index %

1.3 綜合評價

1.3.1指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 根據(jù)海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價要素層指標(biāo)性質(zhì)不同，分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)。成本型指標(biāo)是指標(biāo)數(shù)據(jù)越小，目標(biāo)越優(yōu)；效益型指標(biāo)是指標(biāo)數(shù)據(jù)越大，目標(biāo)越優(yōu)[16]。為統(tǒng)一量綱，對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用標(biāo)準(zhǔn)化形式如下。

式中，Y 為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，X 為原始指標(biāo)值，Xmax為評價指標(biāo)最大值，Xmin為評價指標(biāo)最小值。所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后取值均在0～1 間。

1.3.2綜合評價 采用GIS 的空間分析方法對生態(tài)要素指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，將每一個指標(biāo)離散成單元大小一致的柵格。對于站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用IDW空間差值的方法，以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大；對于生態(tài)紅線區(qū)數(shù)據(jù)，采用歐氏距離法進(jìn)行計算，即計算海域各點(diǎn)與紅線區(qū)的距離，分別得到每個要素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的柵格圖。為去除個別數(shù)據(jù)對評價結(jié)果的噪音影響，對計算結(jié)果進(jìn)行柵格平滑，符合評價目的，使評價結(jié)果更加可靠[17]。

進(jìn)行海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價需要把多指標(biāo)進(jìn)行綜合，采用多目標(biāo)集成方法計算綜合指數(shù)，準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的集成計算公式為：

式中，Ai為評價指標(biāo)的權(quán)重，；Ui為效益型和成本型評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值；I 為海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價綜合指數(shù)。

1.4 結(jié)果及判據(jù)

將各要素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計算，然后進(jìn)行柵格化權(quán)重疊加。按照等概率原則，將海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性程度分為三個等級：適宜開發(fā)利用區(qū)、較適宜開發(fā)利用區(qū)、不適宜開發(fā)利用區(qū)。綜合指數(shù)在0～ 0.33 時，海域不適宜開發(fā)利用，說明對生態(tài)影響處于不可接受狀態(tài)；在0.34～ 0.66 時，海域較適宜開發(fā)利用，說明對生態(tài)影響處于可接受狀態(tài)；在0.67～ 1 時，海域適宜開發(fā)利用，說明對生態(tài)影響處于接受狀態(tài)（表3）。

表3 海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The ecological suitability evaluation criterion of marine exploitation

2 模型應(yīng)用

青島海域位于山東黃海南部，海岸綿延曲折，岸線長度約779 km。青島近岸海底相對陡峭，海底平均坡度0.1%～ 0.2%，由岸線區(qū)域向東南傾斜。青島近岸海域物種豐富，海洋生態(tài)環(huán)境總體狀況較好[18]。本研究范圍向陸一側(cè)以政府公布大陸岸線為界，向海一側(cè)大致沿25 m 等深線。結(jié)合青島市確權(quán)海域使用現(xiàn)狀，統(tǒng)計青島市海域已開發(fā)利用海域面積約365 km2（圖1）。

圖1 海域使用現(xiàn)狀分布情況Fig.1 Marine exploitation of current distribution

以青島近岸海域為例，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS），把生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可度量的參數(shù)，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算并柵格化處理，柵格單元為100 m × 100 m，得到量綱統(tǒng)一的柵格數(shù)據(jù)。

2.1 生境質(zhì)量指數(shù)指標(biāo)計算

2.1.1海水水質(zhì) 海水水質(zhì)是海洋環(huán)境質(zhì)量的重要表征指標(biāo)，根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[19]統(tǒng)計，青島海域海水質(zhì)量總體狀況良好，水質(zhì)分布由近岸向遠(yuǎn)海逐漸變好，水質(zhì)較差海域主要分布在膠州灣、鰲山灣和丁字灣等幾個灣內(nèi)海域。海洋環(huán)境質(zhì)量是成本型指標(biāo)，水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)越小，生境質(zhì)量越高，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值越大。依據(jù)《青島海洋環(huán)境公報》關(guān)于海水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)[18]，對2018 年3 月、5 月、8 月、10 月調(diào)查的四期數(shù)據(jù)加權(quán)平均后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算，得到柵格數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 水質(zhì)計算結(jié)果Fig.2 Calculation results of marine seawater quality

2.1.2海洋生態(tài)災(zāi)害 海洋生態(tài)災(zāi)害主要包括赤潮和綠潮。據(jù)調(diào)查，近年來赤潮對青島沿海影響次數(shù)較少，而綠潮連續(xù)大規(guī)模常態(tài)化爆發(fā)，惡化了近海生態(tài)環(huán)境，成為廣泛關(guān)注的生態(tài)問題[20]。本研究以綠潮表征海洋生態(tài)災(zāi)害，是成本型指標(biāo)。本研究依據(jù)MODIS-TERRA 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯分析數(shù)據(jù)，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）對綠潮分布面積進(jìn)行提取，得到綠潮時空分布圖。綠潮生命周期以在青島市海域觀測到本次綠藻開始，至消亡結(jié)束，觀測頻率1 次/d。

2018 年5 月中旬綠潮開始進(jìn)入青島，7 月底逐漸消亡。考慮綠潮在海面上作用時間的長短對海洋生態(tài)環(huán)境的影響程度不同，統(tǒng)計2018 年青島市海域綠潮一個生命周期對海洋生態(tài)環(huán)境影響的時空分布。海洋災(zāi)害是成本型指標(biāo)，綠潮作用時間越長，對生境影響越大，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值越小。疊加計算時空分布圖，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算，得到柵格數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 綠潮計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of green tide

2.2 生物多樣性指數(shù)計算

生物多樣性是生物與環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過程總和，是評價生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[21]。調(diào)查時間2018 年5 月和10 月，采用的監(jiān)測站位分布如圖4 所示。生物多樣性指數(shù)的要素層指標(biāo)包括浮游植物多樣性指數(shù)、浮游動物多樣性指數(shù)和底棲生物多樣性指數(shù)，采用Shannon-Winner 指數(shù)計算方法，對站位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，青島市近岸海域物種多樣性指數(shù)平均為2.67 左右，物種豐富。生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)是效益型指標(biāo)指數(shù)越大，物種越豐富，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值越大。

圖4 監(jiān)測站位分布Fig.4 Spatial distribution of sampling station

運(yùn)用IDW 空間插值方法，根據(jù)要素層指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行疊加，得到柵格數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5 生態(tài)多樣性指數(shù)計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of biodiversity index

2.3 生態(tài)脆弱性指數(shù)計算

海洋生態(tài)紅線區(qū)是海域開發(fā)利用的限制性條件，根據(jù)《海洋生態(tài)紅線劃定指南》[22]，青島海域生態(tài)紅線區(qū)包括海洋生態(tài)敏感區(qū)、海洋生態(tài)脆弱區(qū)和重要生態(tài)功能區(qū)。主要包括青島膠州灣國家級海洋公園、青島西海岸國家級海洋公園、膠南靈山島省級自然保護(hù)區(qū)、青島大公島島嶼生態(tài)系統(tǒng)省級自然保護(hù)區(qū)等。紅線區(qū)范圍內(nèi)禁止改變自然屬性，破壞生態(tài)環(huán)境的海域開發(fā)利用活動，是海洋生態(tài)安全的底線。生態(tài)脆弱性指數(shù)的要素指標(biāo)是效益型指標(biāo)，距離海洋生態(tài)紅線區(qū)越遠(yuǎn)，指標(biāo)數(shù)據(jù)越大，對海洋生態(tài)環(huán)境影響越小，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值越大。

運(yùn)用歐氏距離法，計算與海洋生態(tài)紅線區(qū)的距離并標(biāo)準(zhǔn)化，按照要素層指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行疊加，得到柵格數(shù)據(jù)（圖6）。

圖6 生態(tài)脆弱性指數(shù)計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of ecological vulnerability index

3 評價結(jié)果

通過計算獲得要素層和準(zhǔn)則層指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同權(quán)重對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，計算得到海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性綜合指數(shù)。。

根據(jù)判據(jù)，將綜合指數(shù)分為三級，得到青島近岸海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性程度（圖7）。結(jié)果如下：

圖7 綜合評價結(jié)果Fig.7 Comprehensive evaluation results

1）適宜程度較高的海域主要分布在：①田橫島附近海域；②嶗山灣附近海域；③棋子灣海域和董家口港口航運(yùn)區(qū)。其余適宜性程度較高的海域主要分布在評價范圍的北部海域。

2）適宜性程度較低海域主要分布在生態(tài)紅線區(qū)及其附近距離較近海域，膠州灣及評價范圍的中部海域。此范圍內(nèi)海域生態(tài)環(huán)境應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，限制或禁止嚴(yán)重影響海洋生態(tài)環(huán)境的海域開發(fā)利用方式。

本研究從海洋生境質(zhì)量、生物多樣性以及生物脆弱性三方面來構(gòu)建海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性評價體系和評價模型，利用調(diào)查數(shù)據(jù)對青島近岸海域進(jìn)行評價，并驗證評價模型的適用性。評價結(jié)果表明，青島近岸海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性程度較低的海域主要分布在開發(fā)程度較高的岸線附近，同時膠州灣海洋生態(tài)環(huán)境狀況并不容樂觀。

4 結(jié)語

本研究運(yùn)用GIS對海域開發(fā)利用的生態(tài)適宜性進(jìn)行評價，充分考了海洋的連續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性，是比較科學(xué)合理的技術(shù)手段。以青島市近岸海域為例，通過模型計算，對青島近岸海域開發(fā)利用生態(tài)適宜性的程度進(jìn)行劃分，對于優(yōu)化海洋生態(tài)格局，支撐海洋空間規(guī)劃具有十分重要的意義。隨著研究深入，在此模型基礎(chǔ)上構(gòu)建多學(xué)科交叉的研究框架，更有利于在可持續(xù)決策與管理中的應(yīng)用。