渤海湾外来浮游植物种及其生态风险评估

覃雪波，周 然，彭士涛，张兆阳，刘嫣然，赵 阳

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456；2.天津自然博物馆，天津300201；3.天津理工大学，天津300384）

环境保护及污染治理

渤海湾外来浮游植物种及其生态风险评估

覃雪波1，2，周 然1，彭士涛1，张兆阳3，刘嫣然1，赵 阳1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456；2.天津自然博物馆，天津300201；3.天津理工大学，天津300384）

通过调研、统计和分析渤海湾外来浮游植物，构建评价模型对其生态风险进行评估。渤海湾共发现5种外来浮游植物，除了威氏圆筛藻外，其他4种均为世界广布性赤潮种类。利用层次分析法评价渤海湾外来浮游植物的入侵生态风险，结果表明，渤海湾的5种外来浮游植物种的生态风险值位于中等风险到高风险区间，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圆筛藻的生态风险属于高风险，需要加强监控。

外来浮游植物种；生态风险；评价；层次分析法；渤海湾

海洋外来物种入侵已成为最为严重的全球性环境问题之一［1］。特别是随着世界航运的发展，海洋外来种入侵的问题越来越严重，受到了广泛的关注。外来种由于在入侵地没有天敌，容易繁殖扩散，对当地的生态、经济和社会都产生了严重的影响。

渤海湾位于我国的华北地区，在沿岸地区分布众多的港口，形成明显的港口群。渤海湾港口群的发展，往来频繁的海上运输与贸易，有助于海洋外来物种的传入和扩散。浮游植物作为船舶压载水中常见的外来种，它们容易通过船舶扩散到世界各地［2］。船舶运输也因此成为浮游植物外来种最主要的扩散方式。本研究通过野外调查和文献调研，统计和分析渤海湾外来浮游植物，并构建评价模型对其生态风险进行评估，为渤海湾的海洋外来种入侵管理提供借鉴。

1 研究方法

1.1 渤海湾浮游植物外来种调研

为了更加全面的反映渤海湾外来入侵种的情况，采用野外调查和文献调研等方式获得了渤海湾外来浮游植物种。

野外调查是作者参与的渤海湾浮游植物调查所得到的成果，见已发表的文献Peng et al.［3］和周然［4］。文献调查包括两种方式，一是文献中直接记录的外来浮游植物种在渤海湾有分布，将其确定为渤海湾外来浮游植物种，主要的文献有李振宇和解炎的《中国外来入侵种》［5］，徐海根和强胜的《中国外来入侵物种编目》［6］和《中国外来入侵生物》［7］，徐海根等《外来物种入侵生物安全遗传资源》［8］等；二是查阅近年来发表的记录有渤海湾浮游植物种的期刊论文，将文中记录的浮游植物种与外来种数据库进行比对，从而确定其是否为渤海湾外来浮游植物种，期刊论文主要有孙军等［9］、张秋丰等［10］、杨世民等［11］、尹翠玲等［12］、卞少伟等［13］、武丹等［14］、王瑜等［15］等。外来种数据库网站主要参考http：//bioinvasion.fio.org.cn、http：//www.chinaias.cn，以及中国海洋灾害公报http：//www.coi.gov.cn/gongbao/zaihai/等。

1.2 风险评估方法

1.2.1 风险识别

风险识别是风险管理的第一步，就是通过各种方法识别风险产生的过程。首先，识别致灾因子中的关键因子，分析致灾因子的各种特征（包括生物学、生态学属性和经济意义）；其次识别受灾对象的特征，如生活规律、对致灾因子适应和抵御能力等；最后识别在一定区域范围内，特定致灾因子对受灾对象的危害程度（图1）。

1.2.2 评估方法

一个外来种从入侵到产生危害，通常经过以下4个过程：入侵、适应、扩散和危害。每个阶段都受到不同的因素制约，这些因素也成为了重要的评价因子。可以看出，这些因子形成不同的层次关系。因此，层次分析法（AHP）适用于外来种入侵风险评估。

1.2.2.1 评估指标体系

根据层次分析法的特点，结合渤海湾海域的实际环境和借鉴国内外相关学者的研究成果，构建如下的层次分析法指标体系（表1）。

各指标的含义如下：

入侵性：外来种进入本地可能性，又由引入地的发生程度、引进频次和防止措施等3个指标构成。

（1）发生程度：外来种在本地分布情况。如外来种已在本地产生严重的危害，则不纳入评估范围。

（2）引进频次：主要是指到港船舶压载水中发现的频度。

（3）防止措施：阻止外来种入侵的各种措施，包括行政、技术和国际公约的效力。

适应性：指的是外来种对当地各种条件的适应，对于外来浮游植物而言，主要指气候适应能力、温盐适应能力和其他限制因子适应能力。

（1）气候适应能力：指的是外来种原分布区与入侵区的气候的相似程度，包括温度、光照、降雨等气候因子。

（2）温盐适应能力：该物种对入侵地水域的温度和盐度的适应能力。

（3）其他限制因子适应能力：指的是除了上述两项外的其他因素，如营养盐、pH等。扩散性：指外来种在入侵区的传播、迁移、扩散的可能性，包括以下6个指标组成：（1）生长速度：指单位时间内外来物种生物量的增加量。（2）繁殖能力：指单位时间内外来物种产生后代的数量。（3）扩散能力：指外来种适应不同栖息地生境的能力。（4）根除难度：指的是要彻底根除该物种的难度。

（5）适宜的气候范围：指适合外来物种生长和繁殖的气候带的面积。

（6）控制机制：指的是控制外来种扩散的各种措施，包括自然因素和人为措施。

危害性：指的是外来种对当地环境的危害，包括对生物多样性的影响以及爆发赤潮的难易程度两个指标。

（1）生物多样性：外来种排斥当地物种，降低生物多样性。

图1 外来种入侵风险识别过程Fig.1 Identification of invasion risk of alien species

表1 渤海湾外来物种风险评估指标体系Tab.1 Risk assessment index system for alien species

（2）爆发赤潮的难易：该物种可能爆发赤潮的概率。

（3）产生毒素：该物种可以产生藻毒素。

1.2.2.2 评估指标量化

在指标体系中，有许多是定性指标，难进行定量分析；同时也有一些定量指标，由于纲量的不同，也难以比较，因此需要对指标进行量化并无量纲，由此可以进行定量分析。采用分级法对指标进行定量化（表2）。

1.2.2.3 评估指标权重确定

根据层次分析法的步骤，各个指标的权重通过以下步骤完成：

（1）构建判断矩阵。

设Fi={F1,F2,…Fn}是一个由F层评价指标组成的指标集；对于j=1，2，…n，Sj={ } αi1,αi2,…αij是对应于Fi的评价因子S层组成的指标集，于是构建S层对F层中Fi因子的判断矩阵P（Sij）

表2 指标分级标准Tab.2 Criteria for ecological risk grading of assessment index

αij是指因子Si对Sj的相对重要性的标度值，取值按表3进行。根据AHP评价模型，从最低层开始两两比较，从而得出指标层对准则层的判断矩阵，准则层对目标层的判断矩阵。

表3 判断矩阵中各因子标度值Tab.3 Connotations of various factor scales in the judgment matrix

①计算判断矩阵各行元素乘积，并计算其n次方根，得一新向量

③计算判断矩阵最大特征值λmax

式中：(BW)i为向量（BW）的第i个元素。

④计算一致性比值CR，检验判断矩阵的一致性

式中：CI为一致性指标，RI为平均随机一致性指标，RI按表4取值，当CR＜0.10时，判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵，以便得到满意的评价参数。

通过专家打分，根据上述计算过程，得到各指标的权重值（表5），各个CR值均小于0.10，说明判断矩阵具有满意的一致性，结果可信。

表4 RI取值Tab.4 Summary of RI values

1.2.2.4 综合生态风险值

根据各项指标值与权重值，采用综合生态风险指数（ER）对各个外来种的入侵生态风险进行评价。综合生态风险指数定义如下

式中：Pi为单项指标评分值（分值需要归一化处理）；Wi为为评价指标i的权重；N为评价指标数。

1.2.3 风险划分

采用五级风险分类进行划分，即从低到高依次为极低、低风险、中等风险、高风险和极高风险，风险值设定在0～1，不同风险等级需要不同的管理手段，具体见表6。

表5 生态风险识别指标的权重分配Tab.5 Weight allocation of the indexes of ecological risk identification

2 结果与讨论

2.1 外来浮游植物

渤海湾外来浮游植物较少，仅为5种（表7）。从表7中可以看出，除了威氏圆筛藻外，其他4种均为世界广布性赤潮种类。一是这些浮游植物都有较强的适应能力，而且繁殖速度快，它们大多是通过船舶压截水入侵到别的区域。通常，船舶压截仓中环境恶劣，其他生物难以存活，而这些外来浮游植物能存活下来，说明其适应能力非常强，一旦到了新的环境，比较容易适应当地的环境，在适宜的环境条件下，能快速繁殖，造成赤潮爆发。二是外来浮游植物种具有多种扩散途径。大多的外来浮游植物的细胞和包囊可以附着在各种物体上（如漂浮物），可以随海流而传播；附着沉积物，在沉积物转移到别处时，也将其带到新地方；附着于岩石、沙子、贝类等，也随这些物体的转移而传播；外来浮游植物的细胞和包囊也存在于压截水，通过船舶来往传播；三是一些浮游植物还能产生藻毒素［16］。如棕囊藻产生溶血毒素等有毒物质［17］。这些有毒物质对水体产生极大的负面影响，引发水生生物大量死亡，特别是对于水产养殖业，可以造成严重的经济损失。更严重的是，这些毒素会富集于水生生物体中，通过食物链传递最终迁移到人体中，威胁人类的身体健康［18］。

外来浮游植物只要环境适应，就可引起赤潮爆发，对当地海洋生态环境等产生破坏。从表7中也可以看出，这些浮游植物大多为甲藻，且为赤潮种类，具有潜在的生态风险。

表6 外来物入侵生态风险等级划分标准Tab.6 Criteria for ecological risk grading of alien species

表7 渤海湾外来入侵植物种类Tab.7 The alien phytoplankton in Bohai Bay

表8 渤海湾外来浮游植物入侵生态影响Tab.8 The ecological impacts of alien phytoplankton in Bohai Bay

2.2 渤海湾外来浮游植物入侵风险评估结果

2.2.1 评价对象

由于渤海湾是一个半封闭的海湾，位于我国最重要经济圈——环渤海经济圈，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产废水被排放到湾内，海水富营养化严重，赤潮容易暴发［19-20］。因此，赤潮已成为渤海湾最大的生态风险。因此，通过对表2中的5种外来浮游植物的入侵风险进行评估，这些浮游植物的生态影响见表8。

2.2.2 外来种入侵生态风险值

利用上述的计算方法，对5种外来浮游植物的入侵生态风险进行评估，结果见图2。

从图2中可以看出，渤海湾的5种外来浮游植物种的生态风险值位于中等风险到高风险区间。其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圆筛藻的生态风险属于高风险。特别是多甲藻和球形棕囊藻能产生藻毒素，它们的生态风险不可忽视。因此要加强监测，特别是在赤潮易暴发的季节，要加大监测频率，积极采取预防措施。

图2 渤海湾外来浮游植物生态风险值Fig.2 The ecological risk of alien phytoplankton in Bohai Bay

3 结论

（1）渤海湾海洋水域中共发现5种浮游植物，除了威氏圆筛藻外，其他4种均为世界广布性赤潮种类。

（2）利用层次分析法，以渤海湾浮游植物为例对外来种的入侵生态风险进行评价，结果发现渤海湾的5种外来浮游植物种的生态风险值位于中等风险到高风险区间，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圆筛藻的生态风险属于高风险，需要加强监控。

［1］刘艳，吴惠仙，薛俊增.海洋外来物种入侵生态学研究［J］.生物安全学报，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］沈欣军，白希尧，汤红，等.船舶压载水携带外来物种及其对水域生态环境的影响［J］.生态学杂志，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，彭士涛，覃雪波，等.渤海湾浮游植物与环境因子关系的多元分析［J］.环境科学，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.中国外来入侵种［M］.北京：中国林业出版社，2002.

［6］徐海根，强胜.中国外来入侵物种编目［M］.北京：环境科学出版社，2004.

［7］徐海根，强胜.中国外来入侵生物［M］.北京：科学出版社，2011.

［8］徐海根，王健民，强胜.外来物种入侵生物安全.遗传资源［M］.北京：科学出版社，2004.

［9］孙军，刘东艳，王威，等.1998年秋季渤海中部及其邻近海域的网采浮游植物群落［J］.生态学报，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］张秋丰，尹翠玲，徐玉山，等.2006年夏季渤海湾赤潮重点监控区的网采浮游植物群落［J］.天津科技大学学报，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］杨世民，董树刚，李锋，等.渤海湾海域生态环境的研究Ⅰ.浮游植物种类组成和数量变化［J］.海洋环境科学，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，张秋丰，崔健，等.2008-2012年渤海湾天津近岸海域夏季浮游植物组成［J］.海洋科学进展，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］卞少伟，武丹，方普杰，等.天津近岸海域冬季浮游植物群落结构特征［J］.环境影响评价，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，韩龙，梅鹏蔚，等.渤海湾浮游植物群落特征及其环境影响因子［J］.环境科学与技术，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，刘录三，朱延忠，等.渤海湾近岸海域春秋季网采浮游植物群落特征［J］.海洋环境科学，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］李蔷.溶藻细菌的分离鉴定及其胞外活性物质对球形棕囊藻的溶藻特性研究［D］.广州：暨南大学，2012.

［18］谢平.微囊藻毒素对人类健康影响相关研究的回顾［J］.湖泊科学，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

国家自然科学基金项目（21307045）；交通运输部天津水运工程科学研究所科研创新基金项目（TKS160113）

覃雪波（1977-），男，广西宜州人，副研究员，博士，主要从事生态学研究。

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