荣成俚岛人工鱼礁区生态系统健康的评价*

佟 飞，张秀梅，吴忠鑫，张沛东

（中国海洋大学水产学院，山东 青岛266003）

人工鱼礁建设既是保护、增殖海洋渔业资源的重要手段，也是改善、修复海洋生态环境的一项基础工程［1］。人工鱼礁对于海洋环境的修复、改善是一个漫长的过程，短期内可能效果不显著，即使在热带的人工鱼礁区，建立起一个群落丰富的生态系统也尚需十年时间［1］。作为一种外源投入物，人工鱼礁对海洋环境的影响不容忽视。人工鱼礁设计者选用各种不同的材料和礁型，都有其不同的作用，一些礁体材料在投放水域后，会释放一定的化学成分，影响礁区水域水质状况［2］。因此，对于礁区的海洋生态环境需要进行长期、连续的监测，同时也需要将人工鱼礁对海洋环境的影响进行客观、合理、科学的评价。

从1980年代中期生态系统健康的概念从医学界拓展而出［3］，越来越多的环境学家将维护生态系统健康作为环境保护的目标之一［4］。Costanza在1992年将生态系统健康的特征描述如下：（1）内环境稳定；（2）没有疾病；（3）生物群落复杂多样；（4）生态系统具有较好的稳定性和恢复力；（5）具有发展潜力；（6）生态系统结构、功能平衡［5］。目前，国外有关生态系统健康的相关研究很多，Noble等针对森林生态系统健康状态进行了评估［6］，Madden等对海草场生态系统健康进行了综合评价［7］，加拿大和美国政府开展了五大湖生态系统健康评估［8］。国内关于生态系统健康评估的研究也有不少，杨进等评价了大亚湾区域生态系统健康状况［9］，李利等对廉州湾海域生态系统健康进行了评价［10］。人工鱼礁区通常处于近岸水域，易受到人类各种活动的干扰，针对人工鱼礁区生态系统健康评价的相关研究较少，且多集中于南方资源保护型人工鱼礁区生态系统健康评价［1，9］，针对北方资源增殖型人工鱼礁区生态系统健康评价的相关文献尚未见。荣成俚岛人工鱼礁附近海区由于大面积养殖海带，其生物群落结构和水环境因子与其他人工鱼礁区存在一定差异。本文选取该海区的17个生态系统健康评价参数，结合国内外有关环境健康评估相关文献，在2010年8月～2011年8月荣成俚岛人工鱼礁区及附近海域的生态调查基础上，参考近5年该海区的生态环境统计监测数据，初步建立了荣成俚岛人工鱼礁区生态系统健康的评价模型，对该实验海区的生态系统健康状况进行了初步评价，以期为日后人工鱼礁区生态系统的管理、养护和规划［11］提供相关资料。

1 评价模型的构建

1.1 研究方法

运用结构功能指标法构建人工鱼礁区的生态系统健康评价模型一般需要分为5个步骤，如图1所示。

1.2 评价指标的选择

单纯的物理、化学或者生物指标不足以对一个生态系统健康状况给予全面、客观、准确的评估。由于生态系统的复杂性与可变性，对于一个生态系统健康状况的评估需要综合生态系统中物理、化学和生物等多方面指标［13］。选择生态系统健康状况评估指标应遵循以下3个原则：（1）所选指标需要考虑到人工鱼礁区环境变化的敏感性；（2）所选指标应适于长期连续的监测，即监测指标应该易于获得；（3）所选指标应涵盖物理、化学、生物3个领域［14］。

图1 人工鱼礁生态系统健康评估过程［12］Fig.1 The procedure to assess the health of artificial reefs ecosystem［12］

本文将生态系统健康状态的评估指标自上而下［15］分为2个层次。第一个层次分为3个因子：（1）海洋环境因子；（2）生物群落因子；（3）生态系统因子。第二个层次，根据生态系统健康评价指标的选择，遵循必要性、易得性和充分性原则［16］，参照国内外海洋生态系统健康评价的相关文献，将以上3个因子分为17个评价指标。其中，海洋环境因子包括活性硅酸盐（C17）［17－18］、溶解氧（C16）、pH（C15）、非离子氨（C14）［19］、活性磷酸盐（C13）［20］、BOD5（C12）、COD（C11），生物群落因子包括游泳动物多样性（C10）［21］、底栖生物多样性（C9）、底栖生物生物量（C8）［22］、附着生物多样性（C7）、附着生物生物量（C6）［23］、浮游植物多样性（C5）、浮游植物生物量（C4）［24］、浮游动物多样性（C3）、浮游动物生物量（C2）［25］，生 态 系 统 功 能 因 子 有 初 级 生 产 力 因 子（C1）［26－28］。

1.3 评价方法及标准

本文主要利用生态系统健康综合评价模型对人工鱼礁区生态系统健康进行初步评价，评价标准主要遵循3个原则：（1）若相关指标有国家标准，则优先考虑国家标准；（2）若相关指标缺乏国家标准，则参考国内外相关科学研究成果；（3）如果前两者都欠缺，则选用常年监测的平均值作为相应标准［10］。按照上述3个原则，本文在评估海洋环境因子指标时主要参考《海水水质标准》（GB3097—1997）；在考虑生物群落相关因子指标时主要参考贾晓平等［29］提出的饵料生物水平分级标准和陈真然等［30］提出的生物多样性阈值分级标准；在考虑生态系统功能因子时则采用贾晓平等［29］提出的初级生产力水平分级标准。具体相关指标参考标准如表1～3所示。

表1 人工鱼礁区生态系统健康评价标准Table 1 Standards for health assessment of artificial reef ecosystem

续表1

表2 饵料生物水平分级评价标准［29］Table 2 The evolution standard for the lever of food organisms［29］

表3 生物多样性阈值评价标准［30］Table 3 The evolution standard for the threshold of biodiversity［30］

1.4 评价指标的计算

本文在参考国内外相关资料的基础上，主要使用构建模糊隶属函数的方法对评价指标进行标准化计算，使各指标之间具有可比性与可加和性。参照章守宇等［32］提出的计算方式，将鱼礁生态效果划分为优、良、合格、较差和很差5种类型，并分别赋值为1.0、0.8、0.6、0.4和0.2。各指标评价值由构建的模糊隶属函数求得［32］。其中，溶解氧、化学需氧量、IP、pH、浮游植物密度、浮游动物密度、底栖生物密度、附着生物密度、物种多样性9个评价指标的标准化计算方法参考尹增强等［32］2012年建立的模糊隶属函数，NH3－N，活性硅酸盐、BOD5、初级生产力4个评价指标标准化方法分别参照各自的标准推导而出，其隶属函数如表4所示。

表4 相应指标隶属函数及其确定依据Table 4 The evaluating standard for quantitative index

1.5 各指标权重的确定

由于各指标在人工鱼礁生态系统健康评估中的重要性有所差异，因此需要确定各指标在该评估系统中的权重，对人工鱼礁区的生态系统健康状态做出准确的判断。确定指标权重的方法有层次分析法、灰色系统关联度分析法、因子贡献法等［34］。本文选用层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）确定各指标的权重，因层次分析法已发展的比较成熟，自提出后已经广泛用于多种生态系统的评价，避免了主观判断权重时的不确定性［35］，可以提供涵盖面广、信息量大的评价指标体系。所以本文采用层次分析法软件Yaahp V0.6.0对所选指标进行权重计算。主要分为3步：（1）构建层次结构模型；（2）判断矩阵，将所构建矩阵中各指标进行两两比较，确定其相对重要性；（3）计算权重。使用层次分析法软件对于分析步骤有了极大的简化，而且提高了其计算速度与准确性。通过该软件计算出的各指标权重如图2所示。

由层次分析法计算出的17项指标权重（见图2）可见，在生物群落结构子系统中，由于实验礁区是以资源增殖为目的，所以本文将游泳动物和底栖生物赋有较高权重；在海洋环境因子子系统中，当海区为磷限制性水体时，常成为限制海区浮游植物与初级生产力的因子，所以将活性磷酸盐含量赋有较高权重；在生态系统功能子系统中，由于只有1个指标参数－初级生产力，且初级生产力直接关系到各营养级的能量流动和物质循环，故赋有较高权重。通过AHP软件计算所得结果与各指标的相对重要性一致。

图2 各项指标权重Fig.2 The weight of each indicators

1.6 生态系统健康指数（EHI）计算

根据上文计算的各项指标的标准化值与各指标的权重值，利用综合指数法［36］对人工鱼礁生态系统健康指数（Ecosystem health index，EHI）进行综合评价，所构建的评价模型见公式1。

其中：EHI为生态系统健康指数；Wi为第i个评价指标的权重；H为对应第i个指标的标准化值。

通过上述流程构建的评价方法得到的生态系统健康指数都落在0～1之间，且数值越接近1则健康状态越好，越接近0则健康状况越差。根据EHI的大小，将其分为5个等级（见表5）［1，9，29］。

表5 人工鱼礁区海域生态系统健康水平分级［29］Table 5 Grades for ecosystem state assessment of artificial reef ecosystem

2 评价模型的应用

2.1 研究区域

俚岛人工鱼礁区位于山东半岛东部荣成市俚岛镇，南起马他角、北至俚岛湾东端的外遮岛，由近岸礁区（水深9～11m）和远岸礁区（水深20～30m）组成，礁区海域面积97hm2。高绿水产有限公司于2006—2008年在所辖海域共投大料石10×104m3（空方）；混凝土构件礁13 015件，计6.5×104m3（空方）；报废渔船60艘，计0.43×104m3（空方），形成12个人工鱼礁群。本实验选取近岸人工鱼礁区作为实验区域。在近5年对该海域生态环境的连续监测的基础上，结合2010年8月～2011年8月逐月在该人工鱼礁海区生态环境的综合调查资料，对该海区的生态系统健康状况进行初步评价。本实验选择混凝土人工鱼礁区作为实验区域，以距离人工鱼礁区1km的海区作为对照区，每个区域设置3个取样点。实验地点见图3。

图3 人工鱼礁投放地点Fig.3 Experimental sites of artificial reefs

2.2 数据采集与计算

本研究各调查项目的采样、分析方法和技术要求按《海洋监测规范》（GB17378—1998）和《海洋调查规范》（GB12763—1991）的规定进行，规范上没有涉及的监测方法，按各行业标准进行。

本研究根据2011年荣成俚岛人工鱼礁区周年生态环境调查数据，构建生态系统健康评价模型，评价该海区的生态系统健康状况，所选17个指标参数的年平均值与归一化值如表6所示。

将各指标归一化值与权重代入公式EHI＝∑Wi·Hi得到俚岛人工鱼礁区和对照区的年平均生态系统健康指数分别为0.647和0.614。

3 结果与分析

按照贾晓平［29］提出的健康等级分级标准评价荣成俚岛人工鱼礁区和对照区生态系统的健康状况，结果显示：2处海区生态系统健康指数分别为0.647和0.614，都处于较健康状态。其中人工鱼礁区生态系统健康状态略好于对照区。

荣成俚岛资源增殖型人工鱼礁区底栖生物和游泳动物的生物量和多样性都高于对照区，人工鱼礁在一定程度上起到了资源增殖的效果；礁区和对照区水质状况都达到国家二类海水水质标准。虽然该人工鱼礁区处于较健康状态，但是其健康指数不高，究其原因可能受以下几方面的影响：

（1）虽然本研究的投礁区域和对照区无海带养殖浮筏，但研究区域外围的公司确权海域均属大规模海带养殖区，海底沉积有大量海带碎屑，在水动力的作用下悬浮于水体中，导致海区整体透明度不高；海区表层的年平均水温较低，不利于某些浮游植物的繁殖与生长，加之养殖海带与浮游植物竞争营养盐等原因，使该海区年平均初级生产力水平低于北黄海区域的年均水平［26］。（2）Shannon－Wiener多样性指数不能很好地反映优势种类的更替，也不能反映出密度的变化［25］，因此本文选用生物多样性阈值来评价浮游动植物、附着生物和底栖生物的多样性。归一化结果显示，人工鱼礁区和对照区的生物多样性较低，可能是由于该海区的营养盐含量不高、优势种比较稳定，因此生物多样性不高。除了附着生物的生物多样性为对照区高于人工鱼礁区外，浮游动植物和底栖生物的生物多样性都是人工鱼礁区高于对照区，对照区附着生物多样性较高的原因是由于其自然岩礁生境形成的时间较长，而人工鱼礁区生境的形成仅有近5年时间，尚未能发展到附着生物高度多样化阶段。人工鱼礁区的浮游动植物、底栖生物和游泳动物的多样性高于对照区，究其原因可能是人工鱼礁区的空间异质性较高，为浮游动植物提供了滞留的环境，并成为许多鱼类和甲壳类产卵、育幼的场所，从而使人工鱼礁区的生物多样性高于对照区。（3）海水中的活性硅酸盐是海洋浮游植物，尤其是硅藻繁殖必须的营养元素之一，因此本文将活性硅酸盐作为重要的评价因子之一，活性硅酸盐的含量受到大陆径流输入量、生物吸收和悬浮颗粒的吸附—脱附—溶解的影响［18］。该海区的活性硅酸盐含量较低，可能是由于海区大量养殖海带吸收硅酸盐，同时受大量海带碎屑等悬浮颗粒吸附作用的影响，导致该区域的活性硅酸盐含量接近支持浮游植物生长的最低阈值［37］，成为浮游植物生长的限制性因子之一［38］。

表6 各指标监测值与归一化值Table 6 The monitoring value of the indicators

（4）温度是决定附着生物地理分布的最主要外界环境因子，温度又与附着生物的生长、发育和附着季节紧密相关［39］，本研究海区的年平均水温在12℃左右，年平均水温较低，也可能成为导致该人工鱼礁区和对照区附着生物量和多样性不高的原因之一。

（5）浮游动物是海洋生态系统物质循环和能量流动中的关键调控功能群，在海洋生态系统中有着极为重要的生态学意义［40］。因此本文将浮游动物作为较重要的评价指标之一。研究海区的浮游动物生物量和多样性阈值都不高，究其原因可能是由于该海区浮游植物的生物量不高，海区营养盐含量较低，鱼类的捕食也在一定程度上影响着浮游动物的种类和大小组成［41］，故该海区浮游动物的生物量不高。

（6）针对不同海区评价其生态系统健康状况时，所选评价指标的权重各有差异。本文根据资源增殖型人工鱼礁区生态系统特征进行了指标的选择和相关权重的赋值，但赋值结果可能与实际状态仍存差异，还需要更多的实验来验证与完善［25］。

（7）荣成俚岛人工鱼礁区生物群落可能仍处于发展阶段，加之人工鱼礁生态系统是一个动态生态系统，因此需要对该礁区进行长期连续的调查监测，以进一步了解人工鱼礁投放对海洋生态系统所造成的影响和资源增殖效果。

［1］ 陈应华.大亚湾大辣甲南人工鱼礁区的生态效应分析［D］.广州：暨南大学，2009.

［2］ 张磊.俚岛人工鱼礁生态养护效果及其生态系统综合效应的初步评价［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

［3］ Rapport D J.Ecosystem health：exploring the territory［J］.Ecosyst health，1995，1（1）：5－13.

［4］ Rapport D J，Costanza R，Mcmichael A J.Assessing ecosystem health［J］.Trends in Ecology ＆amp；Evolution，1998，13（10）：397－402.

［5］ Costanza R，Norton B G，Haskell B D.Ecosystem Health：New Goals for Environmental Management［M］.Washington：Island Press，1992.

［6］ Noble I R，Dirzo R.Forests as human－dominated ecosystems［J］.Science，1997，277（5325）：522－525.

［7］ Madden C J，Rudnick D T，Mcdonald A A，et al.Ecological indicators for assessing and communicating seagrass status and trends in Florida Bay［J］.Ecological Indicators，2009，9（Sup）：68－82.

［8］ Harvey S，Nancy S S，Paul B，et al.The development and implementation of indicators of ecosystem health in the great lakes basin［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2003，88（1）：119－151.

［9］ 杨进.大亚湾区域生态系统健康评价研究［D］.上海：上海海洋大学，2011.

［10］ 李利.廉州湾海域生态系统健康评价［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

［11］ 杨柳，张硕，孙满昌，等.海州湾人工鱼礁海域春、夏季浮游植物群落结构及其与环境因子的关系［J］.生物学杂志，2011，28（6）：14－18.

［12］ Xu F，Zhao Z，Zhan W，et al.An ecosystem health index methodology（EHIM）for lake ecosystem health assessment［J］.Ecological Modelling，2005，188：327－339.

［13］ Xu F L，Tao S，W D R，et al.Lake ecosystem health assessment：indicators and methods［J］.Water Research，2001，35（13）：3157－3167.

［15］ Munkittrick K R，Mccarty L S.An integrated approach to aquatic ecosystem health top－down，bottom－up or middle－out［J］.Journal of Aquatic Ecosystem Health，1995（4）：77－90.

［16］ Jorgensen S E，Costanza R，Xu F L.Ecological Indicators for Assessment of Ecosystem Health［M］.United States of America：CRC，2005：1－24.

［17］ 林峰，许清辉，黄江淮，等.东山湾海水中活性硅酸盐的分布特征［J］.台湾海峡，1993，12（1）：30－34.

［18］ 钟硕良，谢联峰，李文斌.围头湾潮间带养殖区海水中的硅酸盐［J］.福建水产，1986（4）：31－36.

［19］ 辛福言，曲克明，崔毅，等.鳌山湾氮、磷营养盐的分布及变化特征［J］.中国水产科学，2001，8（4）：79－82.

［20］ 赵亮，魏皓，冯士筰.渤海氮磷营养盐的循环和收支［J］.环境科学，2002，23（1）：78－81.

［21］ 涂忠，张秀梅，张沛东，等.荣成俚岛人工鱼礁建设项目—人工鱼礁投放海域资源环境状况前期评价［J］.现代渔业信息，2007，22（12）：3－7.

［22］ 刘卫霞.北黄海夏、冬两季大型底栖生物生态学研究［D］.青岛：中国海洋大学，2009.

［23］ 张磊，张秀梅，吴忠鑫，等.荣成俚岛人工鱼礁区大型底栖藻类群落及其与环境因子的关系［J］.中国水产科学，2012，19（1）：116－125.

［24］ 杨柳，张硕，孙满昌，等.海州湾人工鱼礁区浮游植物与环境因子关系的研究［J］.上海海洋大学学报，2011，20（3）：445－450.

［25］ 王志忠，巩俊霞，陈金萍，等.东平湖浮游动物群落特征与水体营养类型评价［J］.广东农业科学，2012（7）：172－174.

［26］ 窦勇，唐学玺，杨震，等.山东近海黄海段营养盐结构对初级生产力的影响研究［J］.海洋环境科学，2011，30（2）：177－181.

［27］ 王增焕，李纯厚，贾晓平.应用初级生产力估算南海北部的渔业资源量［J］.海洋水产研究，2005，26（3）：9－15.

［28］ 杨建强，崔文林，张洪亮，等.莱州湾西部海域海洋生态系统健康评价的结构功能指标法［J］.海洋通报，2003，22（5）：58－63.

［29］ 贾晓平，杜飞雁，林钦，等.海洋渔场生态环境质量状况综合评价方法探讨［J］.中国水产科学，2003，10（2）：160－164.

［30］ 陈真然，陈清潮，黄良民.海洋生态学和生物学研究 南沙群岛及其邻近海区海洋生物多样性与生物资源［R］.北京：海洋出版社，1994.

［31］ 温婷婷，张传松，王丽莎，等.春、秋季北黄海生源要素的平面分布特征［J］.中国海洋大学学报：自然科学版，2009，39（4）：789－798.

［32］ 尹增强，章守宇.东海区资源保护型人工鱼礁生态效果评价体系的初步研究［J］.海洋渔业，2012，34（1）：23－31.

［33］ Justic D，Rabalais N N，Turner R E，et al.Changes in nutrient structure of river－dominated coastal waters：stoichiometric nutrient balance and its consequences［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1995，40（3）：339－356.

［34］ 胡婕.沿岸海域生态环境质量综合评价方法研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［35］ 魏婷，朱晓东，李杨帆.基于突变级数法的厦门城市生态系统健康评价［J］.生态学报，2008，28（12）：6312－6320.

［36］ 胡成，苏丹.综合水质标识指数法在浑河水质评价中的应用［J］.生态环境学报，2011，20（1）：186－192.

［37］ Dortch Q.Changes in nutrient structure of river－dominated coastal waters［J］.Estuarine Coastal and Shelf Science，1995（40）：339－356.

［38］ 李学刚，宋金明，袁华茂，等.胶州湾沉积物中高生源硅含量的发现—胶州湾浮游植物生长硅限制的证据［J］.海洋与湖沼，2005，36（6）：572－579.

［39］ 张伟，李纯厚，贾晓平，等.环境因子对大亚湾人工鱼礁上附着生物分布的影响［J］.生态学报，2009，29（8）：4053－4060.

［40］ 陈洪举.黄、东海浮游动物群落结构和多样性研究［D］.青岛：中国海洋大学，2010.

［41］ Swierzowski A，Godlewska M，Poftorak T.The relationship between the spatial distribution of fish，zooplankton and other environmental parameters in the Solina reservoir，Poland［J］.Aquatic Living Resources，2000，13（5）：373－377.