海洋保护区生态风险综合评价方法初步研究*<br/>——以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例

海洋保护区生态风险综合评价方法初步研究*
——以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例

2015-04-26廖国祥刘梦琪刘长安熊德琪许道艳丛丕福

海洋开发与管理 2015年10期

关键词：贝壳生境保护区

廖国祥，刘梦琪，刘长安，熊德琪，许道艳，丛丕福

(1.国家海洋环境监测中心大连 116023； 2.大连海事大学环境科学与工程学院大连 116026)

海洋保护区生态风险综合评价方法初步研究*
——以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例

廖国祥1，刘梦琪2，刘长安1，熊德琪2，许道艳1，丛丕福1

(1.国家海洋环境监测中心大连 116023； 2.大连海事大学环境科学与工程学院大连 116026)

从保护对象及其生境的保护与管理角度出发，构建了基于概率和损失度的海洋保护区生态风险的综合评价方法。以滨州贝壳堤岛与湿地自然保护区为例，通过历史数据、遥感资料分析，筛选风暴潮、海岸侵蚀、海水污染、围填海、海冰、溢油等6种风险源，利用层次分析法确定权重并计算综合风险概率；根据贝壳堤、滩涂、养殖池塘等9种生境的自然生态、社会经济属性及生境的脆弱度，计算各生境的综合损失度；在地理信息系统(GIS)技术支持下，完成保护区生态风险的综合评价，对不同级别的风险区提出管理对策。对发展我国海洋保护区生态风险评价方法以及保护区范围科学选划调整等管理工作都有参考价值。

海洋保护区；区域生态风险评价；滨州；贝壳堤岛；滨海湿地；GIS技术

我国拥有1.8万km的大陆海岸线，建立了众多的海洋保护区，使各种海洋珍稀濒危物种、海洋自然遗迹及典型海洋生态系统得到有效的保护[1]。随着我国海洋经济的快速发展，围填海及海岸工程等剧烈人类活动，导致近海海洋环境污染、海洋生态破坏日益严重。与此同时，全球气候变化也加剧了风暴潮、赤潮等海洋灾害的频次和强度。在自然灾害和人类活动的共同影响下，海洋保护区重要物种和生态环境受到严重威胁，生态系统结构与功能日益脆弱。近年来，越来越多的海洋自然保护区申请范围及功能区调整，正是反映了这些威胁带来的影响[2]。在此背景下，科学评估海洋保护区面临的生态风险空间分布及变化趋势，对现有的海洋保护区加强生态风险管理和优化调整功能区范围，或者为拟新选划的海洋保护区确定合理范围，都有着重要的现实意义。

目前我国海洋保护区大多数位于滨海湿地区域[1]，近年来有关滨海湿地生态风险评价研究工作为海洋保护区生态风险评价研究提供理论方法参考。例如，付在毅等、许学工等构建区域生态风险评价方法，分别以辽河三角洲、黄河三角洲为例开展了生态风险评价与管理对策研究[3-4]。巫丽芸等应用景观生态风险方法评价了山东岛保护区的生态风险[5]。马喜君等借鉴许学工等的方法，评价了盐城海滨湿地的生态风险[6]。张玮等应用相对风险模型评价了昌黎黄金海岸国家级自然保护区的土地利用生态风险[7]。然而，现有研究主要关注整体生态风险，而没有重点从保护对象的保护与管理角度来分析评价海洋保护区的生态风险。

滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区位于渤海西南部的滨海湿地区域，属于海洋自然遗迹类保护区。近年来，与其他海洋保护区情况相似，各种自然灾害和人类活动导致该保护区面临着日益增高的生态风险，亟须加强主要保护对象的保护与管理[8-11]。为此，本研究在对国内外研究的基础上，参考区域生态风险评价理论方法，并且运用地理信息系统(GIS)技术，以滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区为例，探讨和建立了适用于我国海洋保护区管理需求的生态风险评价方法。

1 评价方法

1.1 综合评价模型

参考许学工等[4]的黄河三角洲湿地区域生态风险评价方法，本研究建立海洋保护区生态风险的综合评价模型。该模型的原理是：首先利用GIS技术将保护区离散为多个风险小区，通过计算各种风险源在所有小区的发生概率，评估自然生态和社会经济的重要性及其脆弱度；由此计算出每个小区的生态风险值；最后综合所有小区的风险值来获得整个保护区的生态风险空间分布特征。模型基本公式[4]如下：

Rk=Pk×Dk

(1)

式中：Rk为第k个风险小区的风险值；Pk为第k个风险小区的综合风险概率；Dk为第k个风险小区的综合损失度。

其中，综合风险概率Pk的计算[4]如下：

Pk=∑βj·Pjl

(2)

式中：Pjl为k小区内j类l级生态风险的概率；βj为j类风险的权重。

综合损失度指数Dk的计算[4]如下：

(3)

式中：Ski为第k个风险小区内第i类生境的面积;Sk为第k个风险小区总面积;Di为第i类生境的损失度指数。

海洋保护区内通常存在资源开发利用活动，因而每一类生境应包含自然属性和社会属性。在相同风险条件下，不同生境的脆弱性存在差异，其承受的综合损失度是不同的。因此，损失度指数Di可表示为：

Di=(Ei+Si)·Fi

(4)

式中：Ei、Si、Fi分别为第i类生境的自然生态指数、社会经济指数、脆弱度指数。

1.1.1 自然生态指数(Ei)

借鉴文献[4]的计算方法，采用保护对象重要性指数、生物多样性指数、自然度指数共3个指标来计算自然生态指数。

(1)保护对象重要性指数(Xi)。若某一生境内存在的自然遗迹类和生态系统类保护对象，根据其典型性、稀有性采用专家判断法来评定重要性指数。为方便判断，可按照全球、国内、省、常见等级别快速赋予数值1.0、0.8、0.6、0.4。对于生物物种类保护对象，则根据某一生境类型在养护国家重点保护或濒危物种中的地位，以这一生境中各级保护生物种数占整个评价区域内相应保护和濒危生物种数的比例来表示。计算公式[4]如下：

(5)

式中：Xi为i类生境的保护对象重要性指数；Cij为i类生境中j级保护生物种数；Cj为评价区中j级保护生物种数；aij为j级保护生物在i类生境中的生态权值。

(2)生物多样性指数(Vi)用某一生境中的物种数(如湿地鸟类)占整个评价区的物种(如湿地鸟类)种数的比例来表示，计算公式[4]如下：

(6)

式中：Vi为i类生境的生物多样性指数；Ni为i类生境中物种种数；N为评价区区域内物种的种数。

(3)自然度指数(Zi)与人类对生境的干扰程度成负相关，用廊道的密度来表征人类对生境的干扰程度[4]，计算公式如下：

(7)

式中：Zi为i类生境的自然度；Si为i类生境的总面积；Li为i风险小区内廊道(如道路、堤坝、沟渠)的总长度。显然，自然度越大，生境的生态意义就越大。

根据式(5)至式(7)计算出Xi、Vi、Zi等指标后，由于数值的量纲不同，须进行归一化处理，并在此基础上加权合成各生境的自然生态指数(Ei)为：

Ei=aXi+bVi+cZi

(8)

式中：a、b、c为各指标的权重，分别取值0.6、0.3、0.1。

1.1.2 社会经济指数(Si)

目前，我国海洋自然保护区和特别保护区允许进行合理的资源开发利用活动，例如生态旅游、海水养殖、海洋工业、居民生活生产等。当发生自然灾害或突发环境污染事故，经济社会活动也会遭受损失。然而，海洋保护区建立的基本要求是自然生态属性大于社会经济属性，为了体现自然生态的重要性，某一生境的社会经济指数采用式(9)计算：

Si=Emax×d

(9)

式中：Emax为自然生态指数的最大值；d为系数，取值范围为0～1。为方便计算，采用专家判断法来确定不同类型生境的社会经济指数系数d，如按高、较高、中、较低、低来分别赋值0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。

1.1.3 脆弱度指数(Fi)

一般情况下，处于初级演替阶段、食物链结构简单、生物多样性指数小的生态系统(生境)较为脆弱。而受人为作用强、可以通过管理输入负熵的生态系统类型，如耕地，往往比其他生境类型稳定。参考文献[4]的处理方法，本研究采用主观排序赋值和归一化来确定各类生境的脆弱度指数。

(f1,f2,f3,…)

(10)

式中：B为生境类型向量；F为排序及归一化后的向量。

1.1.4 数据标准化

数据标准化计算是将不同数量级和不同量纲的各指标计算值统一标准化为0～1之间，使各指标具有可比性。本研究采用归一化法进行各指标的标准化，计算公式如下：

(11)

式中：yi是归一化后的值；xi表示样本数据；xmin表示样本数据中的最小值；xmax表示样本数据中的最大值。

1.2 评价等级划分

区域生态风险评价是多风险源、多受体、大尺度范围的评价，机理非常复杂，可将评价结果视为灰箱输出。因此，本文采用ArcGIS软件的自然断点法(natural breaks)，将评价区域的生态风险值由高至低划分为4～5个风险等级。

1.3 评价流程

根据前文的综合评价模型，建立如图1所示的海洋保护区生态风险评价流程，共分为6个主要步骤：① 评价区域界定与分析；② 风险受体分析；③ 风险源分析；④ 暴露与危害分析；⑤ 生态风险综合评价；⑥ 生态风险管理对策。

图1 保护区生态风险的评价流程

2 应用实例

2.1 评价区域界定与分析

2.1.1 保护区概况

滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区(以下简称为“保护区”)位于山东省滨州市无棣县城北60 km处。保护区功能分区有核心区、缓冲区、实验区，总面积为43 644.65 hm2，主要保护对象是贝壳堤岛和湿地生态系统。保护区内有两列平行于海岸线的新、老贝壳堤。其中：第一列(古贝壳堤)位于保护区南部，埋深0.5 ～1 m，距今5 000多年；第二列(新贝壳堤)位于保护区北部，属于裸露开敞型，距今2000～1500年，该贝壳堤仍不断生长。两列贝壳堤之间的湿地和向海的潮间湿地与潮下湿地组成了世界罕见的贝壳堤岛与湿地系统。保护区内物种丰富，海洋动植物有50余种，滨海湿地植物有350种。此外，保护区是东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙的中转站和越冬、栖息、繁衍地，区内各种鸟类96种[12]。

2.1.2 评价范围

根据保护区的地理环境特点及日常管理特点，确定保护区的功能区范围(包括核心区、缓冲区和实验区)为生态风险评价区域。

2.2 风险受体分析

2.2.1 生态景观类型

生态景观结构是区域生态风险评价的基础[4]。本研究以经过几何校正的2013年Landsat ETM遥感影像数据为基础，于2014年5月前往保护区进行实地调研和GPS定点，建立各种生境类型的解译标志，利用遥感软件ENVI 4.8解译保护区的生态景观类型。同时，通过对最新纸质海图的数字化，提取浅海和滩涂的分界线。最后，在ArcGIS10.2软件上，编制保护区生态景观类型分布图。

保护区共划分为9种生境类型，即浅海、滩涂、贝壳堤、养殖池塘、盐田、河流、居民地、灌草丛、耕地。

2.2.2 受体的选取

保护区的生境通常是各种动植物(如滨海植物、陆上野生动物、海洋生物)的栖息地，其所承受的风险可用来推断、分析或代表整个区域的生态风险。此外，前文分析得到保护区生境类型已将主要保护对象(贝壳堤岛和滨海湿地生态系统)纳入在内。因此，本研究选择保护区的9种生境作为风险受体。

2.2.3 生态终点

生态终点是指在具有不确定性的风险源作用下，风险受体可能受到的损害以及由此而发生的区域生态系统结构和功能的损伤[4]。保护区可能的生态终点有以下几种：① 主要保护对象(即贝壳堤岛与滨海湿地生态系统)的退化，包括贝壳堤岛因人为活动或自然灾害作用受到破坏后蚀退或难以形成新贝壳堤、滨海湿地生物多样性严重丧失(珍稀鸟类灭绝，地表植被毁坏、海洋生物减少)等；② 保护区生态环境受损退化，包括陆域和海域环境质量的下降；③ 保护区内人类合理开发利用的资源(如居民地)或活动(水产养殖和盐场)受自然灾害的损害影响。

2.3 风险源分析

2.3.1 风险源识别

威胁保护区的风险源可分为两大类：自然风险源和人为风险源。自然风险源主要有海岸侵蚀、海水入侵、风暴潮、海冰、赤潮等灾害。人为风险源主要有海水污染、围填海(围垦及沿岸工程修筑)、溢油事故等。

根据2002-2013年的《北海区海洋灾害公报》《滨州市海洋环境公报》《中国海洋灾害公报》以及有关著作、论文等文献资料[8-19]，分析各自然灾害发生的概率、强度及范围，结合对保护区管理人员的采访调研，本研究确定等为海岸侵蚀、风暴潮、海冰、海水污染、围填海、溢油等6种海洋灾害和人类活动为本区的主要风险源。

2.3.2 风险源描述

风险源通常采用发生概率、严重程度、影响范围来描述。风险源的概率是指一定年限内灾害/事件的发生年数与统计年数的比值。风险源的严重程度分成重大、较大、一般。

风暴潮、海冰等海洋灾害的发生概率是根据各类公报数据统计得到；海岸侵蚀的影响范围根据文献[18]研究结果分析划定；围填海发生概率根据2004年以来遥感影像数据分析统计得到，并认为保护区内的围填海危害等级都属于重大级别；保护区附近港口航道是发生溢油事故的高概率区(事故发生概率采用文献[19]报道的数值)，航道周边区域被污染概率可根据不利风向频率和事故发生概率的乘积来推算；海水污染概率则根据多年环境状况公报给出的污染频率来统计确定。最后，得到6种风险源的概率(表1)。

表1 各风险源概率统计

注：①表示缺少区域数据，采用文献[19]报道的渤海区船舶和港口溢油事故平均数据.

2.4 暴露与危害分析

2.4.1 主要海洋灾害的危害

风暴潮可以造成居民死亡，冲毁沿岸养殖池塘、盐田，损毁沿岸工程，造成巨大经济损失。如1992年、1997年的两次特大风暴潮，给滨州市造成直接经济损失达15亿元。风暴潮引起的沿岸增水，加剧了海岸侵蚀对沿海环境的破坏[9]。风暴潮灾还往往扩大海水入侵的范围，加剧海水入侵的危害。

海岸侵蚀使岸线后退，滩面下蚀，直接导致滨海湿地面积损失。滨海湿地基底物质流失，营养物质缺乏，海水理化性质发生变化，波浪扰动强烈，不利于贝类的生长，难以形成新贝壳堤[10]。

严重的海冰给水产养殖造成巨大损失，许多越冬的水产品因为低温和缺氧而死亡，浅海滩涂贝类受灾严重。2010年海冰灾害使无棣县的养殖贝类死亡率达到了近70%，2011年的海冰灾害造成无棣近1万t养殖贝类死亡，经济损失达到七八百万元。

2.4.2 主要人类活动的危害

保护区内的围填海主要包括围垦和沿岸工程的建设。滨海湿地一旦被围垦就等于切断了与海水的直接联系，在贝壳堤后几十米修建养殖池，养殖池防护堤阻挡潮水向后漫溢，波浪作用在此增强[11]。围填海，往往导致原有的贝壳堤岛的彻底损失，危害极大。

保护区内外污染物改变了生态环境的物质基础，生态环境的结构和面貌随之发生变化，与原有环境相适应的生物群落因此而退化，生态系统遭到破坏[16]。

保护区外的港口码头建设工程，加重了海岸侵蚀和淤积。黄骅港和滨州港的修建改变了贝壳堤沿岸潮流特征，加剧了对贝壳堤的侵蚀和冲刷，同时也影响了近岸贝壳堤物种的栖息地环境；另一方面，这两个港口如果发生石油、化学品等的泄漏事故，对保护区的海域会造成巨大影响。

2.5 生态风险综合评价

2.5.1 风险小区的划分

为保证空间数据叠加计算分析的一致性，以保护区生境类型分布图为基础，采用与Landsat ETM遥感影像数据相同的空间分辨率(即30 m×30 m)，将评价区域划分为1 695×1 935个风险小区。

2.5.2 综合风险概率计算

各主要风险源对风险受体的作用强度是不同的，对形成区域性生态风险的作用大小也有差异。采用层次分析法得到各风险源的权重：风暴潮0.38，海岸侵蚀0.26，海水污染0.17，围填海0.11，溢油0.05，海冰0.03。根据式(2)，计算得到各个风险小区的综合风险概率(Pk)，其空间分布如图2所示。

图2 保护区综合风险概率分布

2.5.3 综合损失度计算

(1)自然生态指数。根据式(5)至式(8)及保护区科学考察报告、学术著作中的物种统计数据[12-14]，在ArcGIS平台上统计各参数的分布，通过保护对象重要性指数(Xi)(其中该保护区的新贝壳堤的重要性指数直接赋值为1.0)、生物多样性指数(Vi)、自然度指数(Zi)3个分指数计算得到各个风险小区的自然生态指数(Ei)。

(2)社会经济指数。保护区内存在社会经济活动的风险小区(生境)主要有滩涂、养殖池塘、盐田、耕地、居民地。这些小区的社会经济损失度系数(d)分别赋值为0.3、0.9、0.7、0.5、0.5，其余风险小区赋值为0。根据式(9)计算得到各个风险小区的社会经济指数(Si)。

(3)脆弱度指数。按照最脆弱到最稳定来排序，分别保护区的9种生境赋以数值：贝壳堤9，滩涂8，灌草丛7，浅海水域6，河口水域5，养殖池塘4，耕地3，盐田2，居民地1。根据式(10)和式(11)，归一化得到各类生境的脆弱度指数(Fi)为：贝壳堤1，滩涂0.875，灌草丛0.75，浅海水域0.625，河口水域0.5，养殖池塘0.375，耕地0.25，盐田0.125，居民地0，并将相应的数值赋予对应的风险小区。

根据前面的自然生态指数(Ei)、社会经济指数(Si)和脆弱度指数(Fi)，利用式(4)计算各风险小区的综合损失度指数(Di)及其空间分布(图3)。

图3 保护区综合损失度分布

2.5.4 综合风险值计算

根据综合风险概率和综合损失度，利用式(1)计算得到所有风险小区的风险值。然后利用ArcGIS软件的自然断点法划分为4个级别的风险区(即由高至低排序分别是一级、二级、三级、四级风险区)，得到保护区生态风险综合评价图(图4)。

图4 保护区生态风险综合评价

2.6 生态风险管理对策

2.6.1 一级风险区

分布区域：核心区内大口河岸段和北部的滩涂区域。其中，大口河至高坨子海岸侵蚀影响较大，严重威胁该岸段的贝壳堤。北部滩涂是贝壳堤的物源地，受海底侵蚀和河口长期陆源污染的共同作用，贝类生物的生存环境受到严重威胁，不利于新贝壳堤的形成和发展。

管理对策：① 开展海洋环境动力的监测评价，科学分析海岸侵蚀和淤积的趋势及影响，制订有效的防护措施，逐步控制和降低黄骅港和滨州港建设对贝壳堤带来的损害影响；② 与地方环境保护部门共同加强对大口河陆源污染排放的监测，控制工业、生活污水的排放；③ 开展滩涂贝类生物资源修复工程，为贝壳堤的发育提供物源条件。

2.6.2 二级风险区

分布区域：核心区高坨子至马颊河口及近岸滩涂区域。该区域受轻微海岸侵蚀和马颊河的陆源污染影响，马颊河口的滩涂也存在围填海风险。

管理对策：① 控制马颊河陆源污染，减轻工业污染对滩涂贝类生物的损害；② 加强围填海管控，降低新贝壳堤直接灭失的概率。

2.6.3 三级风险区

分布区域：缓冲区的浅海水域和第二列贝壳堤后的灌草丛地带。浅海水域容易受到多种风险源的威胁。后者该区域珍稀物种及鸟类资源较多，生态环境脆弱，容易受到居民活动(保护区成立前已有一个村庄)和风暴潮的影响。

管理对策：① 与当地村民开展社区共管工作，加强宣传教育，提高村民对贝壳堤岛和湿地生态系统重要性的认识；② 加强对贝壳堤与灌草丛独特生态系统和珍稀、濒危物种的保护，加强外来人员活动的监控，禁止人类活动干扰。

2.6.4 四级风险区

分布区域：第二列贝壳堤以南的养殖池塘和盐田、马颊河及其河岸滩涂。该区域存在水产养殖、盐田等资源开发利用活动，社会经济价值较高，主要受风暴潮及其引起的淹没影响。但2003年开始建设防潮堤以来，风暴潮对该区域的威胁概率和程度都在降低。

管理对策：做好较大和特大风暴潮灾害的防范工作，加强对盐田的保护，并做好居民的灾前预警、疏散工作。

3 结束语

本研究从主要保对象及其生境的保护管理角度出发，参考区域生态风险评价理论方法，以R=P×D模型为基础，构建ArcGIS支持下的海洋保护区生态风险评价方法。在此基础上，以滨州贝壳堤岛与湿地自然保护区为例，完成主要自然灾害和人类活动共同作用下的保护区生态风险综合评价。

由于研究中的计算采用历史资料的统计及实地调查数据，数据本身会存在一定的误差(如文献资料通常仅给出风暴潮、海冰灾害等级，但缺少损害影响空间分布图；又如风险概率统计数据时间序列较短等)，这给评价结果带来一定的不确定性。下一步工作综合运用多种定量分析技术(如数值模拟预测技术、遥感技术、GIS技术)，完善现有的评价方法；收集更全面和客观的数据资料，提高评价结果的可靠性，使其能更有效地服务保护区管理工作。

值得注意的是，目前人类活动的威胁日益增大，越来越多的海洋保护区面临着范围调整的巨大压力。本研究建立的评价方法能够以直观的方式反映保护区在自然和人为风险源共同作用下的生态风险空间分布特征，评价结果可以为保护区功能区的优化调整提供科学决策参考。同理，若在建立新海洋保护区之前，对主要保护对象及其生境所在区域进行生态风险评价，有利于更科学地划定重点保护分区和缓冲分区，以及减少正式建区后进行范围调整的可能性。也就说，海洋保护区生态风险评价方法在海洋保护区的选划论证方面具有较高的应用价值。

[1] 国家海洋局.2012年中国海洋环境状况公报[R].2013.

[2] 环境保护部.关于调整天津古海岸与湿地等5处国家级自然保护区有关事项的通知[Z].2009.12.

[3] 付在毅，许学工，林辉平，等.辽河三角洲湿地区域生态风险评价[J].生态学报，2001，21(3)：365-373.

[4] 许学工，布仁仓.黄河三角洲湿地区域生态风险评价[J].北京大学学报：自然科学版，2001，37(1)：111-120.

[5] 巫丽芸，黄义雄.东山岛景观生态风险评价[J].台湾海峡，2005，24(1)：35-42.

[6] 马喜君，陆兆华，林涛.盐城海滨湿地生态风险评价[J].海洋环境科学，2010，29(4)：599-602.

[7] 张玮，赵晶晶，高伟明.昌黎黄金海岸国家级自然保护区土地利用生态风险评价[J].水土保持通报，2013，33(002)：241-246.

[8] 田家怡，潘怀剑.滨州市海洋环境灾害与减灾对策[J].海洋环境科学，2002，21(4)：59-62.

[9] 张晓龙，李培英，刘月良.黄河三角洲风暴潮灾害及其对滨海湿地的影响[J].自然灾害学报，2006，15(2)：10-13.

[10] 刘志杰，张晓龙，李萍，等.滨州贝壳堤岛与湿地系统保护现状及其管理对策[J].海洋开发与管理，2010，27(1)：65-68.

[11] 薛春汀.渤海西岸自然保护区内贝壳堤现状和应对措施[J].海洋地质动态，2010(1)：41-44.

[12] 中国海洋大学.滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区科学考察报告[R].2008.