基于生态环境脆弱的海岸带承载力评价研究*——以雷州半岛为例

陈春亮,梁春林,孙省利

(广东海洋大学海洋资源与环境监测中心 湛江 524088)

基于生态环境脆弱的海岸带承载力评价研究*
——以雷州半岛为例

陈春亮,梁春林,孙省利

(广东海洋大学海洋资源与环境监测中心 湛江 524088)

为了探究海岸带生态环境退化的原因,确保其承载力评价的科学性和合理性。文章以雷州半岛为例,基于生态环境脆弱对海岸带承载力评价进行了探讨。根据雷州半岛海岸带生态环境现状分析其生态环境脆弱的原因,然后就其存在的主要生态问题构建承载力评价指标体系,并依据野外调查数据对承载力进行评价。结果表明,雷州半岛海岸带生态环境的可载能力整体水平高,该方法能有效地对海岸带承载力作出评价,为同类问题提供一种新的解决方案。

生态脆弱性;生态承载力;指标体系;定量评价;海岸带

1 引言

海岸带是海洋与大陆交叉耦合和相互作用的地带,其生态系统处于陆地生态系统与海洋生态系统的交界过渡区域,具有复合性、边缘性和活跃性等特征。同时,海岸带生态系统受到大陆和海洋环境的共同作用[1],响应环境扰动灵敏,表现为系统稳定性较差,是典型的生态环境脆弱带。

众多调查研究表明,由于湿地资源锐减、海水水质污染加剧、自然灾害频发以及海水增殖破坏环境等因素所引起的生态环境恶化问题均是人类对海岸自然资源的过度开发利用和无约束的污染排放造成的[2-3]。因此,基于生态环境的脆弱性研究海岸带的生态承载力,有效规划和管理自然资源的开发利用,控制污染物的排放,将人类的生活、生产活动控制在海岸带的生态承载能力内,对人类的社会、经济可持续发展具有重要意义。

2 生态环境现状

2.1 自然条件

雷州半岛是我国第三大半岛,与海南岛遥遥相望,地势平缓,西北高、东南低,海拔多在100 m以下,岸线曲折,大陆岸线长约1 556 km,连海岛岸线总长达2 226 km,漫长的海岸线拥有各种类型的海岸,包括海岸平原、河流三角洲、滩涂与湿地、海滩与沙丘、珊瑚礁、红树林、潟湖、基岩等。半岛共有大小港湾107处,露出海面的岛屿(含沙洲、礁石)有104个[4],近岸底质以砂砾和黏土质堆积为主,滩涂面积广阔,共约9.9万hm2[5]。

雷州半岛地处北回归线以南,属热带季风气候,日照时间长,太阳辐射强,年均日照时间达10.4 h,年均太阳总辐射量为427.05～494.04 kJ/m2,陆地年平均气温23℃,海区年平均气温为23.15℃[6]。半岛降水充足、雨季长,但地域和季节性差异显著,北部和夏秋雨量多,南部和冬季雨量少, 5—10月为雨季,9月为暴雨鼎盛期,12月至翌年3月的降水量不及年总量的10%,且年变率大,有明显的干季和湿季之分[4]。陆地年均降水量1 300～1 700 mm,年均蒸发量达1 788～2 157 mm,蒸发量大于降雨量,有85%以上的年份发生冬连春旱,重旱年占60%～80%,无旱年仅为6%～15%;海区年均降雨量为1 300.1 mm,峰值出现在8—9月,月平均降雨286.8 mm。受季风环流影响,海区风况有明显的季节性变化[4],年均风速5.0 m/s,平均每年登陆或影响半岛地区的台风有3.93次,其中登陆的强台风占13.6%,台风占10.2%,热带低压占3.4%,受到影响的强台风、台风和热带低压分别占31.4%、28%和13.6%。

2.2 物种资源

雷州半岛地处南亚热带,是我国受人类活动影响较少的近岸海域,海洋及内陆水域的生物种类繁多,是我国水生生物多样性最高的区域之一,是难得的天然物种资源库。受到外海水和沿岸水的影响,半岛物种组成复杂,常见的鱼类达173种,甲壳类118种,贝类有547种[4];浮游植物以暖水种类为主,硅藻和甲藻共198种;浮游动物以桡足类最多,有26种[7],春季平均生物量为271 mg/m3,秋季平均生物量为374 mg/m3。

在已记录的水生动物种类中,有儒艮和中华白海豚两种国家一级保护动物,有大珠母贝、白氏文昌鱼和绿海龟等9种国家二级保护动物[8],共有30种水生动物受到国家法律或国际公约保护,还有列入我国濒危物种红皮书和世界自然保护联盟红皮书的极危、濒危、易危物种名录40种,是我国最为重要的热带近海珍稀水生动物的避难所。

雷州半岛独流入海的干支流22条,且集水面积1 000 km2以上的河流有4条。河流每年携带大量的淡水、泥沙和营养物质入海,为不同的红树植物提供适宜的生境,现有红树林面积约1.24万hm2。林区内拥有数量和种类众多的鹤类、鹳类、鹭类等水禽及其他湿地动物,其中国家一级重点保护鸟类4种,国家二级重点保护鸟类12种;列入各种国际保护协定名录的有82种[9]。同时,在半岛的南端灯楼角至流沙湾一带海区,保存着我国大陆面积最大、种类最多、最完整的自然珊瑚区,面积达1.08万hm2,其中密集区约0.6万hm2,已发现的品种有49种[10],其中石珊瑚35种,软珊瑚14种。

2.3 环境质量

雷州半岛近岸海域面积约200万hm2,其中达到一类海水水质标准的为70.0%,二类为2.0%,三类为22.6%,四类为3.2%,劣四类为2.2%[6]。未达到清洁水质标准的海域面积较小,水质总体保持稳定,以一类和三类水为主,海水质量良好,其中西部海域明显比东部海水质量高。同时,空气质量符合国家的二级标准,空气污染指数在26～54之间,其中达到一级标准的天数占统计周期的95.1%,其余天数均为二级[6],大气质量持续良好。生活垃圾无害化处理率为97.4%,污水集中处理率为87.2%[6]。森林覆盖率为28.1%,共有国家级生态示范区3个,自然保护区20个,总面积 (包括海域) 20 813 km2,其中国家级自然保护区3个,国家地质公园1个。

3 生态环境脆弱性分析

3.1 生态环境现状评价

3.1.1 海洋环境污染

据湛江市统计年鉴记载,雷州半岛近岸海域海水质量逐年改善,一类海水水质标准的海域面积比例增加显著,未达到清洁水质标准的海域面积明显减少,但是湛江湾内的海水质量没有改善,仍然处于三类海水水质标准;工业和生活废水的化学需氧量 (COD)排放总量明显减少,但总量仍然很大;工业和生活废气的二氧化硫排放总量大,增加迅速,但重点工业的各项排放总量均有明显下降;工业废水处理达标率有下降趋势,废气排放总量有上升势头;生活污水处理能力充足,处理率较高。半岛近岸海域海水质量的改善明显得益于生活污水的集中处理和多个国家级自然保护区的建立,但是工业废水集中处理能力的发展停滞不前,工业废气排放总量持续增加,半岛近岸海域环境质量仍面临压力。

雷州半岛近岸海域共有5个年份发现赤潮灾害,出现赤潮灾害海域均为湛江港湾内局部海域。赤潮原本是一种自然现象,但高速的社会经济发展所带来的环境污染加剧了这一现象发生的次数和危害的程度。近年来,湛江港湾内赤潮发生的周期越来越短,殃及的海域面积有扩大趋势。

3.1.2 生态环境退化

雷州半岛沿岸是红树林的天然分布区,红树林资源丰富,生态系统较为稳定,由于围海造田、围塘养殖以及城市发展等原因曾遭到严重破坏。在1950—1985年间,覆盖面积从1.4万hm2锐减到0.58万hm2,沿海生态环境十分脆弱。自1990年以来,半岛累计人工种植红树林面积约0.2万hm2,覆盖总面积增加到0.77万hm2。特别是国家红树林保护区成立后,保护管理机构完善,管理规定相继出台,公众的保护意识日益提高,红树林资源得到有效保护,一定程度遏制了半岛沿海生态功能退化的势头,这对抵御海潮、风浪等自然灾害,维护和改善海湾、河口地区生态环境具有不可替代的作用。

雷州半岛珊瑚礁群落集中分布在南部海域,受人类直接干扰破坏、生态灾害及污染物排放等威胁,其生态系统结构和功能已经出现退化,处于亚健康状态,盖度逐年下降,死亡率上升。其中水尾角活珊瑚的平均盖度从2004年的40%锐减至2009年的14%,放坡珊瑚的平均死亡率达到60%以上[11]。珊瑚礁出现少量白化现象,珊瑚群落结构已经发生改变,优势种由秘密角蜂巢珊瑚转变成对沉积物耐受力较强的二异角孔珊瑚。在水尾角北部的流沙湾附近存在大量的鱼类和贝类养殖场,所产生的食物残屑和废料随水流进入珊瑚礁区域,形成高营养水体,从而对珊瑚生长造成不利的影响。海水水质恶化,沉积物增加,透明度降低是南部海域珊瑚死亡和品种单一化的直接原因。

3.1.3 水生生物多样性下降

雷州半岛沿岸生态系统健康状况略有下降,主要表现在生物群落结构状况恶化,浮游植物、浮游动物和底栖生物的密度偏低,呈逐年下降的趋势。半岛近岸海域网箱养殖、底播增殖等海水养殖规模化程度高,填海造地及海洋工程建设等沿岸开发活动引起水体悬浮物含量增加、透明度降低、石油类污染加重,近岸海洋生物在一定程度上受到汞污染,部分生物体内镉残留水平超一类海洋生物质量标准[11],导致近岸海洋生物群落结构已经发生明显改变,群落结构趋于简单化,生物多样性低,处于不稳定状态。

3.1.4 自然灾害频发

雷州半岛地形特殊,呈三面倾斜的 “龟背”地形,对蓄水不利,水库常年蓄水不丰。但其地处低纬度地区,三面环海,常处于潮湿不稳定状态,有利于暴雨的形成,暴雨一年四季均有发生,频繁的暴雨常造成山洪暴发,江河泛滥,低洼地区大面积积水,涝浸成灾。同时,半岛受热带季风气候影响明显,导致降水时空分布不均,春季冷空气过强或过弱,都使锋面偏南或偏北[5],降水偏少,造成春旱,并且气温迅速回升,日照强,蒸发量大,加剧了旱情。此外,半岛也时常受到西太平洋和南海两类台风灾害侵袭,成灾强度大,速度快,危害重等。台风侵袭时,还会伴随暴雨和暴潮,侵蚀海岸。

极端天气的台风、干旱和暴雨等气象灾害对雷州半岛沿海生态环境有一定影响,但其影响程度有限。台风引起的风暴潮对东部沙质海岸有海蚀现象出现,但沿岸的防风林完整,影响范围较小;对珊瑚礁群落造成一定的损害,但礁体水深较大,影响程度很有限,不是珊瑚礁生态系统退化的主因。暴雨对沿岸陆上生态环境有一定影响,洪涝灾害主要发生在半岛的几个主要河流流域地区,但雷州半岛特殊的地形有利排洪,洪涝灾害持续时间短,对沿岸陆上生态环境的破坏程度不明显。雷州半岛的干旱灾害频发,但是半岛地下水资源丰富[6],植被面积持续增加,并且人工降雨技术日趋成熟,干旱灾害对沿海陆上生态环境的损害逐年下降。

3.2 主要生态问题

3.2.1 水质污染

雷州半岛经济总量低,现在正处于经济高速发展的黄金期,工业、港口的快速发展所带来的海洋环境污染有恶化的趋势。特别是以湛江港为中心的重点工业发展区,大量重工业的进驻、港口运输业的快速发展以及湛江湾内的大面积围填海,必将使已经处于高度富营养化的湛江湾海域污染加剧,赤潮灾害频发。污染加剧和人工海岸引起的水动力环境改变,使得海水的温度、p H值、含盐量、透明度、生物种类和数量等性状发生改变,对海洋的生态平衡构成危害,是近岸海洋生态系统严重退化的主因。

同时,半岛境内集水面积100 km2以上的干支流有42条[5],其中独流入海的有22条,且集水面积1 000 km2以上的河流有鉴江、九洲江、南渡河和遂溪河,使陆源污染经河流汇集沿岸海域,污染压力大。并且半岛城镇化水平低,内陆工业粗放,农村生活污水和内陆工业废水直接排入河流汇集海洋,使河口富营养化严重,无机氮、活性磷酸盐污染面积仍有扩大的趋势。

3.2.2 典型生态系统退化

雷州半岛西南沿岸的珊瑚礁、海草床等典型生态系统已经出现退化。其中部分珊瑚群落出现盖度下降、死亡率上升、白化,生长受到抑制、优势种转变和珊瑚礁生物量减少等退化现象。海草床生态系统退化的症状为草场面积缩小和植株低矮稀疏等。导致这些典型生态系统退化的因素包括水质恶化、破坏性渔业活动、捕捞作业、养殖活动、船只停泊、旅游业过度开发、海岸带开发、海岸工程建设和污水排放等。其中,海水养殖模式及管理技术落后,粗放式养殖仍占据较大比例,养殖企业自身环保措施薄弱以及水域滩涂养殖开发管理不尽完善,超容量开发,不注重养殖布局和养殖模式的优化,造成自身水体污染,是珊瑚礁、流沙湾海草床等典型生态系统出现退化的主因。

3.2.3 天然岸线和生境减少

雷州半岛港湾众多,大、小港湾共107处,现有滩涂、浅海养殖开发多局限在风浪平静的内湾水域和滩涂,已开发用于海水养殖的浅海滩涂面积仅占总面积的8%,深海水域及开阔型海岸的浅海滩涂未能得到有效利用,导致总体布局明显不合理,养殖密度大。并且随着海水养殖新品种的传播和移植,外来海洋物种数量大,养殖对象经各种方式进入自然海域,繁殖并建立稳定种群,不仅与土著生物争夺生存空间和饵料,夺取优越生态位,并且传播疾病,与土著生物杂交导致遗传污染,降低土著生物的生存能力,导致土著生物自然群体降低,甚至濒于灭绝。

同时,随着半岛城市、港口的发展和陆上海水养殖的兴起,围填海用地使得海岸线平直化,导致海湾水动力环境改变和纳污能力降低,滩涂湿地锐减,潮间带生物灭绝。这些都将导致滨海湿地、潮间带和浅海生物栖息地减少,引起海岸滩涂生态系统退化,对海洋生物多样性和海洋生态系统安全带来了一定影响。

4 承载力评价指标体系及模型

4.1 指标体系

生态环境承载力是指在一定时期内,在维持生态系统正常功能相对稳定的前提下,生态环境所能容纳的人口密度和经济规模的大小。生态系统退化问题,是人类活动与生态环境承载力之间出现冲突的表现。生态环境承载力指标体系是区域生态环境特征的定量描述,既要能够反映区域生态环境客观自然属性差异的实质,也要充分体现社会经济活动对区域生态环境的影响。同时,还要兼顾评价实施的技术可行性。

影响海岸带生态环境脆弱性的原因很多,评价中既不能采用所有要素,也不能遗漏关键的因素[3]。全面分析了雷州半岛海岸带生态环境脆弱性的成因、特征及各脆弱因子之间的作用形式、作用强度,力图建立准确、完整的评价指标体系。

指标选取的原则有3个:一是综合性原则,综合考虑各种影响因子和表现方式,建立多指标评价体系;二是主导性原则,突出海岸带生态环境脆弱化过程中的主导因素;三是可操作性原则,选取作用大、敏感性强、可测性好的具体要素为指标,做到简单实用。

依据以上原则,在雷州半岛生态环境脆弱性分析结果的基础上,制定适用于其海岸带生态环境承载力的指标体系。海岸带经生态环境承载力指标体系评价后输出三类承载能力,分别是超载、满载、可载。其体系结构见图1。

图1 海岸带生态环境承载力指标体系

4.2 评价模型

目前,承载力评价的主要方法有指标判别、层次分析,综合分析和叠加比较法等,这些方法都是基于对所掌握的承载力影响因素,人为地对其进行定性或定量的分析研究,未能真正揭露数据的本质,评价结果容易受主观因素的影响。在国内外已有研究的基础上,根据雷州半岛海岸带生态环境脆弱性影响因素,借助数据挖掘工具和聚类方法论,基于模糊逻辑理论和C均值算法原理,建立模糊C均值海岸带生态环境承载力评价模型。

该模型是一种基于划分的聚类算法,其思想是使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大,而不同簇之间的相似度最小。模糊C均值算法是普通C均值算法的改进,普通C均值算法对于数据的划分是硬性的,而该模型则是一种柔性的模糊划分。

5 承载力评价应用

5.1 野外调查

2010年6月30日至7月12日,在雷州半岛近岸海域大约15 m等深线范围以内共设置19个断面进行海水采样调查。其中,每个断面自陆向海依次设置近岸、中间和远岸3个调查点,共计57个站位,具体分布如图2所示。本次调查项目有盐度、叶氯素a、石油类、溶解氧、活性磷酸盐以及溶解性无机氮等,调查结果如表1所示。

图2 雷州半岛近岸海域野外调查站位

表1 雷州半岛近岸海域野外调查结果

续表

续表

5.2 评价结果

根据海岸带生态环境承载力指标体系及评价模型,雷州半岛海岸带承载力评价结果如图3所示。

图3 雷州半岛海岸带承载力评价结果

由评价结果可知,经济欠发达的雷州半岛三面环海,海岸带生态环境承载力可载能力整体水平高,满载海域主要出现在港湾以及河口,未出现超载海域。其中,以湛江港为中心的海岸带承载力评价结果与对氮限制的潜在富营养程度评价结果相符;同时,也与文献记载的湛江港赤潮发生面积和频率相一致。半岛南北部海域海岸带承载力评价结果则与国家海洋局中国海洋环境质量监测结果相符[11],由此可见,海岸带承载力评价指标体系设置合理,基于模糊C均值的评价方法有效。

雷州半岛海岸带生态环境承载力满载海域仅局限在海上交通运输繁忙的港湾、浅海养殖密集区以及主要河口,其中以湛江港为中心的海域面积最大,引起其生态环境改变的原因有二:一是该海域涵盖雷州半岛两条主要河流(鉴江、南渡河)的河口区,陆源污染是生态环境改变的原因之一;二是湛江港湾内的大面积围填海以及高密度的海水养殖在一定程度上改变了水动力环境,降低了湾内的纳污能力,对生态环境造成一定的负面影响。当然,以湛江港为中心的海岸带生态环境有进一步恶化的可能;但是,由于其直接面向南海,纳污能力强、容量大,发生的概率较低,生态环境修复难度较小。其他满载海域面积较小,仅发生在近岸海域。其中,引起海安港生态环境改变的主要原因是繁忙的海上交通运输,其他满载海域主要是由浅海养殖密度高所致。

6 结束语

海岸带拥有丰富的自然资源,为人类社会的可持续发展提供了强大的物质基础。然而,随着海岸带自然资源利用的纵深发展,使得其生态功能已经失调并导致了严重的生境退化,正面临着严峻的挑战。本研究以雷州半岛为例,基于生态环境脆弱对海岸带承载力评价进行了探讨,希望能对海岸带地区的社会经济可持续发展有所裨益。保护海岸带生态环境,应该建立一个合理的长效机制,以统筹海岸带自然、经济与社会的协调发展,解决海岸带开发利用与生态环境保护之间的矛盾。

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[2] 周嘉慧,黄晓霞.生态脆弱性评价方法评述[J].云南地理环境研究,2008,20(1):56-59.

[3] 张继民,刘霜,唐伟,等.海洋生态脆弱性评估理论体系探析[J].海洋开发与管理,2009,26(8):30-33.

[4] 广东省海岛资源综合调查大队.湛江-茂名海区海岛资源综合调查报告[M].广州:广东科技出版社,1994.

[5] 湛江市海洋与渔业局.湛江市养殖水域滩涂规划[R].2008.

[6] 湛江市统计局.湛江市统计年鉴[R].2009.

[7] 广东省海洋与渔业局,南海水产研究所.广东省养殖水域滩涂规划(2003—2010)[R].2004.

[8] 湛江市海洋与渔业局.湛江市沿海人工鱼礁建设规划报告[R].2002.

[9] 邹发,杨琼芳,蔡俊钦,等.雷州半岛红树林湿地鸟类多样性[J].生态学杂志,2008,27(3):383-390.

[10] 赵焕庭,王丽荣,宋朝景.雷州半岛灯楼角珊瑚岸礁的特征[J].海洋地质与第四纪地质,2002, 22(2):35-40.

[11] 国家海洋局.2009年中国海洋环境质量公报[J].海洋开发与管理,2010,27(4):24-57.

海洋公益性科研专项(200905005-05).