海水养殖对海岛生态系统脆弱性影响评估初探

王媛,刘述锡(.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁大连603;.国家海洋环境监测中心,辽宁大连603)

海水养殖对海岛生态系统脆弱性影响评估初探

王媛1,刘述锡2
(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁大连116023;2.国家海洋环境监测中心,辽宁大连116023)

为研究海水养殖业对海岛生态系统脆弱性的影响,通过分析海岛生态系统本身所具有的脆弱性,探讨了海水养殖活动对海岛生态系统脆弱性的影响机制。根据海岛生态系统的特点,将海岛生态系统划分为岛陆子系统、潮间带子系统和近海子系统;采用指标评价法构建VDS(暴露—敏感—适应)框架,初步探索了海水养殖业对海岛生态系统脆弱性影响的评估指标体系和评价方法。本研究结果可为今后海水养殖影响下的海岛生态系统脆弱性评估工作提供思路。

海岛;生态脆弱性;影响机制;指标体系;评价方法

改革开放初期,中国的渔业生产主要以捕捞为主,但随着人们对水产品需求量的日益增加,渔业资源日渐枯竭,人们开始转捕为养,水产养殖业逐渐兴起[1],并且迅速发展。先后经历了“藻、虾、鱼、贝、参冶五次产业浪潮,至2014年全国水产品总产量达6461.52万t,其中海水养殖产量为1812.65万t,占全国水产品产量的28.06%。海水养殖品种有鱼类、贝类、甲壳类(虾、蟹)、藻类等。全国水产养殖面积为8.39伊106hm2,其中海水养殖面积为2.31伊106hm2,占养殖总面积的27.49%。随着海水养殖业的不断发展,中国一些沿海城市周边的海岛,如辽宁省大连市的长山群岛、山东省烟台市的庙岛群岛、广东省汕头市的南澳岛等,已成为发展海水养殖的重点地区。

生态系统的脆弱性是系统自身特性和外界干扰相互作用产生的结果[2]。目前,国内外有关脆弱性的研究主要集中于专项脆弱性研究和综合脆弱性研究两方面。专项脆弱性研究包括生态系统和服务功能的脆弱性,例如,全球比较关注的气候变化下生态系统的脆弱性;综合脆弱性研究是指从多方面、多角度去研究不同尺度区域的生态系统脆弱性。生态系统脆弱性的研究以陆地为开端发展到现今的海岸带和近海区域脆弱性研究[3],而位于海洋生态系统中的海岛生态系统脆弱性的相关研究国内外均鲜有涉及,且国内外学者出发点也不同。国外研究人员认为,脆弱性是海岛的固有特征,人类活动起到的仅是调控作用,而国内研究人员则认为,人类活动是导致海岛脆弱性的驱动力之一。在海岛周边发展海水养殖业势必会影响海岛生态系统的脆弱性,在其影响下海岛内部部分环境因子会发生相应的转变。了解海水养殖活动对海岛生态系统脆弱性的影响机制,找到海水养殖影响下海岛生态系统脆弱性评价方法,可以为海岛生态系统脆弱性的深入研究、调控和保护工作提供基本思路,为海水养殖业的健康和可持续发展提供可靠的理论依据。

1 海岛生态系统脆弱性分析

1.1 海岛生态系统及其脆弱性

《联合国海洋法公约》第八部分“岛屿制度冶中提出了岛屿的概念:岛屿是四周环水并且在高潮时高于水平面的自然形成的陆地。一般认为,海岛是指面积较小、四面环水、散布在海洋之中的陆地[4]。海岛一般按成因可以分为大陆岛、海洋岛(火山岛和珊瑚岛)和冲击岛等。与其他生态系统相比,海岛生态系统是指海洋和陆地相互交错的地带,即生态交错区(过渡带、脆弱带),海岛一般远离大陆,地域结构都比较简单,土壤比较贫瘠、肥力低,其上生长的植物种类有限,有限的植物种类和营养物质使其能够供养的动物种类也相对较少,形成的食物链和食物网结构比较简单,导致其结构和功能均不稳定,易受外界影响而发生变化,这也决定了海岛本身固有的脆弱性特质。

另外,特殊的地理位置,较小的面积导致海岛容易受到来自自然界的干扰,例如,海岛周边的气象条件、水文条件和地质灾害等引起的自然灾害(台风、地震、海啸等)[7],加重了海岛生态环境的脆弱性;此外,海岛人类活动的日益频繁和对海岛开发力度的逐渐加大,如海岛旅游业的蓬勃兴起,海水养殖业的大力发展,以及海岛城乡建设的日益完善等,从另一个层面上增加了海岛生态系统的脆弱性。

1.2 海水养殖条件下海岛生态系统范围的界定

海岛生态系统位于海洋之中,是陆地与海洋复合形成的生态系统。根据海岛生态系统的二相性特征和不同生物群落生境的差异,一般将海岛生态系统划分为岛陆(海岛的陆地部分)、潮间带(多年平均高潮线以下至多年平均低潮线以上的区域)、近海(多年平均低潮线以下的浅海区域)3个子系统。其中,海岛近海生态系统的划定方法根据研究的目的不同而具有一定差异,如有学者在海岛生态风险评估中,将近海湿地范围视为海岛近海水域范围[5],在海岛生态健康评价中有学者则将潮下带至陆架边缘近海区域作为海岛的近海水域。根据海水养殖活动对海水环境的需求和对海岛周边水域生态环境的影响,在海岛生态脆弱性评估中,近海海域范围应选取后者更为合理[6]。

2 海水养殖对海岛生态系统脆弱性的影响机制

海水养殖在一定程度上解决了资源短缺给海洋资源带来的巨大压力,养殖规模扩大、养殖数量增多、养殖种类的丰富增加了经济收入[8],却同时加剧了海岛生态系统的脆弱性。其中对海岛生态系统造成的压力主要包括:(1)养殖污染(养殖自污染、药物污染、底泥富集污染);(2)水动力特征的改变;(3)天然湿地的破坏;(4)海岛岸线的变化;(5)基因污染和生物群落的改变;(6)海水养殖对岛陆的影响。

2.1 养殖污染

海水养殖过程中自身产生的污染称其为养殖污染,它包括海水养殖过程中产生的饵料废物,一般以溶解和颗粒状态的有机物为主[9],许多国内外学者通过对虾蟹、鱼类养殖地区进行实地调查发现,有14%~20%的饵料未被利用[10],从而变成废弃物。其次,养殖污染还包括养殖生物产生的排泄物、粪便和生物遗体。他们的主要组成成分中含有N、P等有机物质,存在于水体中,随着水流的流动和沉降作用扩散到周围的海域或沉积到底质中,造成水体和底质的N、P含量增加,进而会导致水体的富营养化发生,产生赤潮等不利的灾害发生;沉积到底泥中的有机污染物为底质中的微生物提供了大量的养分,致使微生物大量繁殖,导致底质周围溶解氧含量降低,加之有机污染物的分解能力仍有限,剩余的污染物在缺氧的还原环境中很容易产生氨气、硫化氢等有毒气体。除了残饵和生物自身对水体产生的污染外,人类养殖过程中使用的消毒剂、抗菌素、激素等还会产生其他附加影响:一方面对水体中其他生物产生影响;另一方面,药品会通过食物链或食物网的生物富集作用使其毒性逐级放大,进入到一些水产品中,最终一部分被人类摄取,对人类健康与安全造成威胁。人类在养殖环境中施用的各种药品一般为化学药品,而各种化学药品之间,化学药品与物理环境之间,以及化学药品与生物环境之间会产生怎样的相互作用,对生物有怎样的影响,会对环境以及人类本身造成怎样的影响,仍然有许多未知的问题亟待进一步探究。

2.2 水动力特征的改变

牡蛎、扇贝、海带等浮筏式养殖,是将养殖对象放入到人工制造的网箱或者浮筏上,投入到海水中进行养殖的过程[11]。这些网箱和浮筏在海水中的分布均以一定的规模、密度存在于海水中,随海水的流动而产生相应的运动,但养殖网箱及浮筏与海水间的作用是相互的,其随海水运动的同时,也会对海洋水动力特征产生许多影响,除此之外,养殖生物对海洋水动力特征也会产生一定程度的影响。例如,海水流速、交换律和潮流周期发生变化会进一步影响养殖区域内海水水质状况、海中营养物质循环,以及浮游动植物、底栖动物的构成与分布,对海水养殖业的可持续健康发展产生不利影响。

2.3 天然湿地的破坏

海岛生态系统由于受地域限制,原有的潮间带区域狭窄,而养殖活动的开展侵占了大量的湿地,如辽宁省瓦房店市长兴岛与大陆相连的水道基本上被养殖池塘所占据,改变了海流通路,阻塞了海水的正常交换,破坏了海洋和岛陆生态系统间的物质流动。原生长于潮间带之中的底栖动物、鱼卵等由于湿地的破坏而数量减少甚至消失,海岛周边大面积的湿地被破坏,湿地的萎缩减弱了海岛生态系统的生态服务功能,降低了其生态服务价值,增加了海岛生态系统的脆弱性。

此外,红树林是生长在热带、亚热带隐蔽海岸潮间带的木本植物,是连接海洋和陆地的重要纽带,在中国广东、广西和海南岛潮间带地区均有着广泛分布,但却被人类大规模的围塘养殖活动而破坏,失去了其原有的生态服务功能。同时,红树林的减少也给当地环境带来一系列影响,热带、亚热带地区经常有台风等灾害性天气出现,由于红树面积减少,对台风的阻挡能力减弱,一旦台风发生就会给当地居民的生产和生活带来巨大的损失。红树林还能够固定海水中的N、P等养分,如果面积减少,土地退化现象也极容易发生[12]。有研究表明,广东省粤东、珠江口的诸多海岛湿地上生长的红树林在20年的时间里减少了约14 km2,而消失的红树林多转化为海水养殖用地[13]。

2.4 海岛岸线的变化

海岛岸线是海岛上可利用的宝贵资源,对于保持海岛内部生态环境稳定、海岛生物多样性的维持等均起到重要作用。自然状况下的海岸线还是相对稳定的,但是,随着人类活动的逐步介入,对海岛岸线产生的影响也越来越大。就海水养殖来说,养殖池塘的大量建造使得原有的海岛岸线变短,海岛岸线类型向单一化发展,岸线附近海域的生物多样性减少,海岛附近水域水动力状况改变,海滩旅游资源退化等一系列问题逐步显现出来,不仅对海岛自然环境带来不利影响,也间接使海岛居民的生活质量下降[14]。所以养殖活动的开展在一定程度上会破坏海岛的天然岸线,进一步加剧海岛环境的脆弱性。

2.5 基因污染和生物群落改变

海水养殖是人类有目的地对适合当地环境的高产的适合消费市场的养殖物种进行培育的过程。选择培育的物种有当地物种和外来引进物种,外来物种进入到当地后与当地物种可能存在的关系有以下几种:

(1)外来物种能够很好地融入当地环境、食物链(网)结构中,与当地物种保持一种稳定的相互关系。但是,由于外来物种不存在于早期当地环境中,该物种的进入一定程度上会改变种间的竞争、捕食、寄生等关系,导致群落结构的改变。对庙岛群岛贝类养殖的相关研究中表明:无贝类养殖的海水环境中浮游植物的优势种为4种,当进行大规模贝类养殖后,优势种数量则减少为2种[15]。

(2)外来物种进入到本地后,环境适宜,缺少与其竞争的物种,在一段时间内大量繁殖,直接或间接影响本地物种生存,即所谓的物种入侵。如某地区水产局为了解决当地吃鱼难的问题,未经考察就进行了罗非鱼的增值与放流,导致当地罗非鱼泛滥成灾,对当地的环境和经济都造成了巨大损失。

(3)外来物种不能适应当地环境或竞争能力有限导致物种引入失败。

人工繁育的物种放流和外逃,并与天然物种杂交,造成种质混交,给天然基因库带来种质污染,会造成优良性状不可逆的破坏,导致生物污染。例如,与人工繁育鱼种相比,一些野生鱼的出肉率和繁殖能力较低,但抗病能力较高,野生鱼与人工繁育鱼种杂交导致本物种的抗病能力下降。另外,如果流散到天然环境中的人工繁育物种带有致病细菌或鱼病,对于野生鱼来说灾难是致命的。

2.6 海水养殖对岛陆影响

海岛类型因其形成过程、组成物质的差异而不同,有的由泥沙堆积而成形成泥沙质岛,泥沙质岛屿适合进行海产品的养殖,人们大规模的进行水产养殖活动,兴建养殖池塘和工厂,导致海岛的土地利用类型发生改变,原有岛屿失去本身的岛屿性质,甚至消失[16]。例如,1992—2005年,山东滨州沿岸上的北砣子岛中编号为52的岛屿,由于养殖活动的进行,到2005年已经完全消失而被开发为养殖区。岛陆自然土地的减少导致岛陆生物栖息地丧失,岛陆生物多样性减少。

此外,岛陆海水养殖活动中产生的废水、废料、工业垃圾等污染物,如果没有经过适当的处理就进行排放,则对岛陆土壤、淡水等资源都会造成不利的影响。

3 指标体系的构建

脆弱性评价指标中指标体系的构建方式有多种,但是应用最为广泛的是PSD(压力—状态—响应)模式和VSD(暴露—敏感—适应)模式的指标体系[17]。二者均是以系统外部的干扰和压力为出发点,研究生态系统在其影响下的生态脆弱性。不同之处在于,PSD框架仅是考虑到在外界影响下系统所处的质量和状态,而VSD框架是根据脆弱性概念的分解来实现脆弱性的度量,相对于PSD框架,VSD框架展示了脆弱性发生的具体环节与过程,有利于脆弱性问题的发现与调控。本研究中,以VSD框架为基础,构建海岛生态系统脆弱性评价的指标体系。VSD模式中暴露的是指养殖活动对海岛环境产生的压力,包括非生物环境和生物环境两方面。敏感性是海岛某些自然敏感属性(地质、地貌)和过度的养殖活动综合作用的结果[18]。为了避免系统朝着不良的方向发展,海岛生态系统本身有一定的调节能力即自适应性。人类社会的适应性是指人类社会采取一定的保护和调控措施减缓或改变其向不良方向发展的趋势。经过“人—自然冶耦合系统的不断相互作用,在现有知识技术水平和环境可调节能力下,最终得出海岛生态系统的脆弱化程度。

3.1 指标体系构建原则

首先,指标体系的构建要以研究内容为出发点,考虑与养殖活动有关的暴露指标,海岛生态系统相对敏感的指标和人为、自然适应指标。其次,指标的选择要具有代表性,能够准确突出地反映养殖活动下海岛生态系统中实际存在的问题。再者,指标的全面性也是指标选取所必须考虑的方面,这是由海岛生态系统和海水养殖产生影响类型的复杂性决定的,例如,海水养殖对近海生态系统的影响不仅包括对自然的影响,同时也涉及到生物等方面。最后,指标的选取要考虑到可操作性,在实际操作中有些指标的选取要考虑现有技术手段和知识水平以及相关信息获得的难易程度。

3.2 各个子系统指标体系的构建

(1)岛陆子系统指标体系的选取。岛陆是海岛生态系统的主体,也是海岛生态系统唯一的陆地部分,海水养殖活动对于海岛陆地生态子系统产生的压力主要包括:养殖工厂和池塘建立对海岛陆地景观的破坏,养殖活动产生的固体垃圾对岛陆环境的污染,废水对于海岛淡水系统的污染等[19];而岛陆相对敏感的因素包括:岛陆生物、土壤、水质等方面,岛陆从景观结构、地质地貌、保护区建立等方面进行适应[20]。

(2)潮间带子系统。潮间带是海洋与陆地交接的地带,相对于整个海岛生态系统来说是真正的脆弱地带。在潮间带上生活的生物种类多样,生物生境复杂,对于外界环境变化相对于其他两个子系统而言更为敏感。养殖活动在潮间带子系统中产生的压力有:养殖的规模、种类、养殖结构、投饵量、投药量等。潮间带生态环境的敏感性表现在:潮间带沉积环境质量和生物质量,潮间带海水环境质量,潮间带生物变化情况,如底栖生物对于外界环境变化较为敏感,是很好的指示性物种[21]。潮间带生态系统的适应包括:海水的水动力条件、海上保护区的建立、生态服务价值等。

(3)近海子系统指标体系构建。近海子系统距陆较远,环境变化程度较大,海水的初级生产能力较高,经常受到洋流影响,营养物种丰富,是进行海水养殖的绝佳场所。近海海域海水养殖品种、方式多样。海水养殖对近海环境产生的压力主要为养殖的规模、数量、密度等;近海子系统发生变化(敏感性)的主要因子包括海水水质、近海生物群落及其基因结构、大型底栖生物量等;而近海生态系统的自我适应包括:水动力条件、近海地质地貌条件、原有生物群落结构等(表1)。

4 评价方法

4.1 海岛生态系统脆弱性评价方法

生态脆弱性研究一般采用的方法有情景分析法、生态模拟法、指标评价法。在气候变化对生态环境的脆弱性影响中,情景分析法应用的比较广泛,而生态模拟法在养殖活动对海水脆弱性影响中的应用还属于初步发展阶段,主要研究海水中饵料等污染物在海水作用下的运动路线模拟,并以此来评价特定养殖活动对于海域脆弱性的影响[22]。生态脆弱性的另一种定量评价方法——指数评价法在各领域的脆弱性研究中应用均比较广泛,如旅游活动对海岛的脆弱性影响研究中,有外国学者利用指数评价法分析了旅游活动对海岛脆弱性的影响[23]。运用指标评价法在VSD框架下进行海岛生态脆弱性评价能够更好地表征海岛各个子系统状态的暴露、敏感、适应性程度。

4.2 指标标准确定与分级

指标确定与标准化是脆弱性评价的关键性步骤,由于指标的可得性程度不同,有些属于定量指标,可以通过国家、行业标准获得,或者参考背景值和有关文献获得。而没有数据支持的半定量数据和定性数据收集后,需要人为对其空间属性加以定义。在上述基础上,根据指标的特征对指标进行分级:定量指标中有参考标准的指标,根据参考文献等标准进行分级,无参考标准的指标,则根据数据统计特征利用聚类分析方法分级,例如本文中的外来物种数和岸线变化比例等;定性指标可以利用专家咨询法对其加以分级,例如邀请10位以上从事本领域工作20年以上的专家对“生态修复工程建设情况冶等类似定性指标进行分级。

表1 海水养殖影响下海岛各生态子系统脆弱性评估指标Tab.1Assessment indicators of vulnerability of various ecological subsystems in sea islands during mariculture

4.3 指标权重的确定

指标权重可以通过主观、客观或二者相结合的方式进行确定。常用的主观方法包括专家打分法、经验权数法等,客观方法如主成分分析法、熵权法等。专家咨询法等主观指标赋权方法以人为喜好为出发点,主观性大,得到的权重结果可靠性差。客观赋权法如熵权法是一种客观赋值方法,可根据指标的变异程度,利用信息熵计算出熵权,即可得到各个指标的权重。虽然其得到的结果客观、可靠,但对于数据的要求较高,适用于单一指标体系中的权重确定[26]。本研究中的海岛生态系统是包含多个子系统的复杂系统,各个子系统中的暴露、敏感、适应指标各不相同,脆弱性评价指标体系属于综合指标体系,采用熵权法赋予权重存在一定困难。而层次分析法虽具有一定的主观性,但是其在定量分析中仍具有一定优势,且在生态脆弱性评价研究中具有一定的应用基础[17,27-28],在不同的决策方案中可以根据实际情况确定指标权重。利用层次分析法对海岛生态脆弱性指标进行赋权,首先,需要建立指标体系层次框架:目标层,即生态脆弱性(海岛生态系统的脆弱性);分目标层,即各个子系统的脆弱性(岛陆、潮间带、近海子系统的脆弱性);准则层,即各个子生态系统脆弱性从哪几方面进行衡量(暴露、敏感、适应);指标层,即每一准则层需要用哪些指标衡量(图1)。其次,构建判断矩阵,对各个指标之间的相对重要性大小进行判断。最后,对指标进行赋权和一致性检验。

4.4 评价单元划分与生态脆弱性计算

海岛脆弱性评价单元的划分应根据不同的研究目的、研究方法等有所差异。如为保持海岛生态系统脆弱性评价的统一性与可比较性,需要根据海岛的具体面积、地质、地貌等状况结合GIS中栅格成图划分合适的评价单元[29]。如果以海岛生态系统各个子系统区分式管理为目的,则各个子系统可以根据不同的标准进行评价单元的划分。在此基础上采用综合评价法,根据各个指标值及权重值计算得出每个评价单元的脆弱值。根据海岛生态系统的脆弱性与暴露、敏感程度成正比,与适应程度成反比关系,本研究中评价单元脆弱值的计算公式为

其中:CVI为评价单元的综合脆弱值;Pindex为评价单元的综合暴露度值;Sindex为评价单元的综合敏感度值;Aindex为评价单元的综合适应度值;wip为评价单元内第i项指标压力值的权重;Pi为评价单元内第i项指标压力值;wis为评价单元内第i项指标敏感值的权重;Si为评价单元内第i项指标敏感值;wia为评价单元内第i项指标适应能力的权重; Ai为评价单元内第i项指标适应值。

最后,根据评价单元所得到的综合脆弱值进行脆弱性分级与不同程度脆弱区域的划分。

5 结论

海水养殖在海岛生态系统的脆弱性形成过程中的作用已不容忽视。国内关于脆弱性的研究起步相对较晚,研究理论体系和评价方法还不尽完善,加之生态保护意识不足,以及海岛生态系统有其特殊性,关于海水养殖影响下,海岛脆弱性评估尚未形成一套科学系统的指标体系。本研究中给出的脆弱性指标的选取尽可能从实际和总体角度出发,涵盖海水养殖活动以及海岛生态系统脆弱性评估相关的指标,在实际应用和理论发展过程中这些指标的科学性还有待进一步考证。本研究中仅是初步分析了海水养殖对海岛生态系统的影响,并以相关研究为基础,提出了海水养殖下海岛生态系统脆弱性形成机制(图1),以及评估指标体系和评价方法,希望为今后相关研究提供可借鉴的理论基础和研究思路。本研究中的评价指标在应用实践方面有待于进一步延伸,比如,本研究中提出的海水养殖影响下,海岛生态系统脆弱性评估针对的海岛具有普遍性,在实际研究中还应根据养殖与海岛情况对评价的指标和评价方法进行具体分析。此外,海岛生态系统脆弱性评估还应着眼于人类不同活动下的不同用岛类型的脆弱性评估,以便进一步探索人类活动对海岛生态系统的影响,为海岛环境保护提供更多的科学依据。

图1 海水养殖对海岛生态系统脆弱性影响机制Fig.1Themechanism of im pact ofmariculture on island vulnerability

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Effect ofmariculture on ecological vulnerability in islands

WANG Yuan1,LIU Shu-xi2
(1.College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023,China)

The vulnerability of an island ecosystem is evaluated and mechanism of the effect ofmariculture on the vulnerability of the island ecosystem is discussed in order to investigate the impact of human activities including mariculture on the vulnerability of island ecological system.An island ecosystem is divided into the island land sub-system,intertidal subsystem and offshore subsystem based on the characteristics of the ecological system formed by the combination of land and sea.The vulnerability of island ecosystem,and the potential factors leading to the fur-ther development of island vulnerability are discussed.The evaluation index system and assessment of vulnerability in mariculture island are preliminarily explored using index evaluation method and establishment of the exposuresensitivity-adaptation model to provide some ideas for assessment of the vulnerability of the island caused by the mariculture impact in the future.

island;ecological vulnerability;impactmechanism;index system;evaluation method

X826

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.03.015

2095-1388(2017)03-0349-07

2016-07-31

国家海洋公益性行业科研专项(201405007,201505012)

王媛(1992—),女,硕士研究生。E-mail:ayawang456@163.com

刘述锡(1971—),男,高级工程师。E-mail:sxliu@nmemc.org.cn