北极海运对航道生态环境的潜在影响分析

何剑锋 张侠 陆志波 王娟 陈之依

研究综述

北极海运对航道生态环境的潜在影响分析

何剑锋1,2张侠1陆志波2王娟2陈之依1,2

(1自然资源部极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海 200136;2同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092)

随着北极快速升温和海冰储量迅速下降, 北极航道的适航性已大幅提高。北极生态环境脆弱, 北极海运活动增加对当地海洋生态系统的影响问题备受国际社会关注。海运对生态环境影响包括溢油、排污、噪声、引入外来物种以及船体对海洋哺乳动物的直接伤害等多种因素。本文对北极近年生态环境和航运活动现状和趋势进行概要分析, 对影响航道生态环境的指标进行逐项分析, 并结合层次分析法对影响指标的风险系数进行评估, 显示风险系数最高的影响指标为废气排放、废水排放和燃油/有毒化学物质泄漏。在海运活动不断增强的背景下, 未来应重点加强对污染防控技术的研发和应用。本文同时从可持续利用北极的角度, 提出了北极航道利用需要同步推进的研发污染防控技术、构建生态功能区划、建立综合监测评价体系和加强穿极航道相关研究等建议。

北极航道 海运 生态系统 环境

0 引言

在北极快速变化背景下, 北极的鸟类和哺乳类, 受到气候变化、人类活动增强(旅游、航运、油气开采、海洋工程建设)、传染病、栖息地消失或退化(海冰消融、溢油、噪声等)、污染(持久性有机物污染物、汞等)、狩猎、外来物种入侵、食谱变化(食物数量和活动区域的变化)等多重因素的影响[1], 其中气候变化是迄今对北极生物多样性的最大威胁[2]。随着海冰的消退和航道适航性的增强, 北极航道的利用程度将会大幅提高[3], 可能使气候变化影响北极生物多样性问题雪上加霜。如何保护脆弱的生态环境是发展北极航运必须面对的课题[4]。据北极理事会《2009北极海运评估报告》[5], 北极海运对生态环境的影响主要包括3个方面: (1)溢油、排污和燃油大气排放造成的污染; (2)噪声、破冰影响、碰撞致伤和光学干扰; (3)通过压舱水、船体生物附着物和货物引入外来物种对本地生态系统的影响。与此同时, 随着航运船只的增加, 影响海洋环境的事故风险也在加大。本文对北极海洋生态环境特征及自然变化进行总结, 对航道海运现状与趋势进行分析, 对潜在的影响因子进行分析评估, 并从最大限度减缓影响程度的角度, 提出了航道生态环境保护的若干建议。

1 北极海洋生态环境变化及趋势

北极的升温速率为全球平均值的2～3倍[1,6], 升温导致北极海冰储量快速下降。2018年北极海冰的最低储量仅为5033 km3, 不到1979年的30%。海冰快速变化会对海冰生物、环斑海豹和北极熊等以海冰作为栖息地的物种造成最为直接的负面影响[7]; 海冰的减少和减薄会促进浮游植物水华和冰下浮游植物水华的形成, 从而影响到包括鱼类、鸟类和哺乳动物在内的整个海洋生态系统的结构和功能[1,8-10]。研究表明, 受海冰减少、生长期延长等因素的影响, 1998—2012年间北冰洋的年净初级产量增加了30%[11]; 1975—2012年间楚科奇海海冰快速消退引起鸟类食谱发生变化, 进而导致东部海鸟数量下降了75%[12]; 2017—2018年度海冰覆盖面积的下降导致白令海区初级产量比平常高出5倍[1]。根据北极理事会北极动植物保护工作组(The Conservation of Arctic Flora and Fauna, CAFF)的预测, 受海冰消退影响, 北极熊数量在未来45年将减少30%[2]。总体而言, 北极海洋生态环境正在发生着快速变化, 这种变化的最大动因源于全球变化。北极增暖(进而引起海温升高和海洋酸化加剧等环境变化)所导致的北冰洋生态系统变化具有全海域和全系统的特点, 并且随着北极增温的持续, 其生态效应将进一步显现。

2 北极海运现状及趋势

北极地区的海运活动总体呈上升趋势。据2013—2019年统计数据, 进入北极[“极地水域船舶航行安全规则”(Polar Code, 以下简称“极地规则”)定义的区域]的船舶数量从2013年的784艘增至2019年的977艘, 增长25%, 总航程增长75%, 其主要贡献来源于在巴伦支海和白令海区活动的渔船, 而加拿大北极区铁矿石开采等增加导致散装船的航程增长了160%[13]。而据俄罗斯北方海航道管理局的统计(https://arctic-lio.com/ nsr-shipping-traffic- transits-in-2019/), 2019年度北方海航道总货运量为3150万吨, 较前两年的1070万吨和1970万吨有了显著增长, 但主要为油气输出, 过境运输量仅为37艘次、69.73万吨, 占航道总货运量的2.2%。航道总运输量和过境运输量分别为同年利用苏伊士运河的2.6%和0.06%[苏伊士运河管理局(SCA): 18880艘次、12亿吨], 实际利用仍处于低位。

图1为2011—2019年东北航道过境船舶数量统计, 显示在此期间过境东北航道的艘次没有明显增加, 在2013年达到71艘次的峰值后迅速下降至2015年的18艘次, 而后逐步回升到2019年的37艘次(2016年我国6个航次中含非过境航次, 管理局公布的数据为2艘次)。中国自2013年永盛轮首航北极至2019年底, 中远海运特运有限公司已完成18艘31个东北航道航次(http://spe.coscoshipping.com/art/2019/10/13/art_12481_120481.html), 其中2019年达到9艘次的最高值, 呈现逐年增加的趋势(图1)。但在2019年8月—2020年1月, 从环境保护、经济效益、国际政治压力等因素考量, 全球已有11家航运公司承诺不再使用北极航线, 其中包括了达飞集团(CMA CGM)、地中海航运公司(MSC)和赫伯罗特股份公司(Hapag-Lloyd AG)等全球排名前5的船运公司。中国对东北航道利用的不断增长, 将面临更大的生态保护压力。

图 1 2011—2019年东北航道过境船舶数量(据俄罗斯北方海航道管理局公布的数据)

Fig.1.Transit voyages through NSR between 2011and 2019 (source: NSR Administration)

3 北极海运对生态环境的影响

3.1 燃油/有毒化学物质泄露

《2009北极海运评估报告》罗列的海运对生态环境的10个主要影响因子中, 事故导致的燃油/有毒化学物质泄漏被认为是危害最大的一个[5]。它会严重损害生态系统健康并导致海洋生物死亡, 并可持续影响数十年。溢油在北极低温环境下难以降解; 若泄漏在冰上, 将更加难以清除和降解, 并会随冰漂移至更远的距离。重燃油(HFO)是原油提取汽油、柴油后的剩余重质油, 它的使用对环境造成污染较重, 但因价格相对低廉而被广泛用作船舶燃油。据2017年的统计, 北极航运中HFO的使用量约占58%[14]。国际海事组织(IMO)有关《防止船舶污染国际公约》(MAPROL公约)附则I新增的第9章第43条禁止在南极航行的船舶装载、携带或使用三类燃油的规定, 已于2011年8月1日正式生效, 禁止在北极载运和使用HFO正在积极推进。当然, 在某些场合(如开阔海域和大风环境), 轻燃油泄漏会比重燃油容易扩散到更大海域范围[15]。优化船型结构、提高船的稳性和完整性, 有助于防止溢油的发生[16]。

3.2 废水排放

IMO已于2017年1月开始启用环保要求更为严格的“极地规则”, 制订了包括海洋环境保护在内的强制性要求, 禁止极地航行船舶排放燃油、含油混合物、有毒液体和有害化学物质入海, 同时建立了较为严格的垃圾处理规定[17]。但目前废水和灰水排放管理则显得较为温和。根据MARPOL公约附则IV《防止船舶生活污水污染规则》第3章第11条的规定, 允许船舶在离岸12海里之外的海域直接排放未经处理的来自厕所等处的生活废水[18], 而对洗涤和洗澡等产生的、污染程度较低的灰水排放则没有任何限制, 除非沿岸国家有相关法律要求。而灰水中可能含有的细菌、金属元素、化学物质、病菌、食物残渣以及高浓度的氮、磷等营养物质, 会对航道生态环境产生影响。随着海冰消退, 在属于公海区的北冰洋中央区活动的船舶将会增加, 而该海域的生态系统比其他北极海域更为脆弱, 生活废水排放可能导致的环境污染问题需引起足够重视。

3.3 废气排放

船舶燃油排放的污染物主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氮氧化合物(NO)、硫氧化合物(SO)和黑炭(BC)等颗粒物(PM)[19]。因船舶数量有限, 向大气污染物排放很有限。以2019年度为例, 在IMO北极极地规则区航行的船舶CO2排放量约为211万吨(根据2017年度185万吨和2017/ 2019航程=940万海里/1070万海里来推算[13-14]), 占～12亿吨全球船舶排放量的0.2%, 占330亿吨全球燃烧化石燃料产生的CO2总排放量的0.007%, 要比因增温导致冻土每年净释放3～6亿吨碳低两个数量级(https://arctic.noaa.gov/Report-Card/Report- Card-2019)。同时, 北极航运的启用对减少全球航运排气具有积极意义。我国利用东北航道可以降低约1/4的油料消耗和碳排放。据统计, 2013—2018年中远海运特运有限公司的22个北极航次相比穿越苏伊士运河的传统北欧航次共减少燃油消耗8948吨, 减少CO2排放27833吨(http://spe.coscoshipping.com/art/2019/7/20/art_12481_ 109944.html)。值得注意的是, 黑炭等排放后在冰上累积会加速海冰融化,对北极增温存在正反馈效应。控制(如禁止使用重油)和工艺控制(如尾气清洁系统)可显著降低黑炭和SO等污染物排放, 使用液化天然气(LNG)或轻柴油(MGO)可以使NO/SO/PM/BC的排放量减少85%～98%或35%～94%[14,20]。

3.4 噪声干扰

北极哺乳动物当地种有7种: 环斑海豹、髭海豹、海象、弓头鲸、白鲸、一角鲸和北极熊[21]。船舶噪声主要为5～500 Hz的低频噪声, 在北极冰区, 频率为15～30 Hz的声波传播最佳[22-23]; 噪声与哺乳动物发声频谱有重叠, 例如弓头鲸夏季发出的音频为50～1000 Hz, 一角鲸发声频率为400～15000 Hz[24-25]。对西北航道上述7个种类80个种群的研究表明, 其中42个种群会受到航线船舶噪声的影响; 白鲸和一角鲸对噪声敏感, 环斑海豹对水下噪声的忍受度要高于鲸, 但也会主动远离密集噪声区[26-28]。模型显示, 高噪音船舶可以影响52 km以外哺乳动物的行为, 而低噪音船舶可以把影响距离降至2 km[24]。海洋酸化也会降低400～5000 Hz音频的吸收, 从而增加该音频的传播距离(最大近40%[29])。海冰减少的同时会导致风引起的噪声增加[30], 需要对船舶噪声影响有一个科学的综合评估。提高船舶建造和动力推进工艺, 生产使用低噪声船舶; 避开聚集地, 无法避免时降低船速[31]; 测量噪声等级, 记录海洋动物活动, 使用声音威慑器(ADD)驱离海洋动物, 可以有效降低噪声的影响。

3.5 外来种引入

外来种会通过航运的压舱水和船体生物附着物引入, 会与当地种竞争, 导致栖息地、生物多样性、食物网和生态稳定性的改变[32], 可能导致严重的生态、经济和健康问题。目前北极多数地区尚未被外来物种侵扰[2], 但随着航海活动的增加, 这种威胁正在增加[33]。研究和模式表明, 斯瓦尔巴群岛峡湾排泄的压舱水中含有23个浮游动物外来种, 其中仅有1种适应当地环境, 但适应种会随着未来的持续升温而增加[34], 从而加大对当地生物群落的威胁。由于现有的压舱水处理装置标准未必适应北极，并且也没有要求把压舱水中的微生物数量降至安全浓度[35], 有必要加强对压舱水导致的物种入侵风险进行监测和评估, 同时提升压舱水的处理工艺。避免因生物附着而引入外来种最有效的方法是涂上一层能抵抗海冰刮擦并能有效防污的油漆[35]; 若出现明显的生物附着物, 需要及时加以清除。此外, 气候变化和自然资源开采活动等也可能导致外来种入侵[36-37], 需要在分析时加以考虑。

3.6 其他影响因子

其他影响因子包括破冰干扰、碰撞致伤和光学干扰等。其中, 船舶的破冰过程可能对附近冰面上海豹等哺乳动物的栖息产生短暂的干扰。其他的干扰包括, 打扰冰间水道和冰间湖动物越冬和迁移, 破坏陆上哺乳动物冰上迁徙通道等。

碰撞导致哺乳动物受伤在生物种群数量有限的情况下是小概率事件。统计显示, 1990—2012年在白令海-楚科奇海-波弗特海渔获的521头弓头鲸中约12%存在伤痕, 主要是渔网缠绕等造成的, 因船舶撞击造成的仅占约2%[38]。到目前为止, 减少船舶对哺乳动物的直接碰撞的唯一方法就是避开哺乳动物聚集区或在必经之地降低船速, 略微更改航向远离所看到的鲸类动物。确定高风险区, 从而科学设置航线或限速, 对主要种群进行监测, 并把鲸群的活动信息实时发送给经过的船只, 是减缓这种伤害的有效措施。

对于在极夜期间仍有活动的生物而言, 月光、星光和北极光都可能成为影响其分布和行为的重要因素, 但船舶强光可以覆盖这些弱光, 从而干扰其分布和行为。研究显示, 冬季极夜期间人造光源可以影响到200 m以深鱼类和浮游动物的行为[39]。只是冬季船舶活动数量有限, 中国至少在很长一段时间内不会在冬季去使用航道。

北极航道船舶活动的增加会导致船舶事故增加, 从而给航道生态环境带来风险。据统计, 1995—2004年间北极海域发生的船舶事故为293起, 2008—2017年间增加至507起, 并呈逐年上升趋势, 但多数为活跃在喀拉海和巴伦支海俄罗斯老旧渔船的机损事故, 很少导致环境污染[5,40], 尚未发生过境船舶出现重大事故。

3.7 各因子风险系数分析

基于上述分析, 建立北极航运对生态环境潜在影响因子一览表(表1), 并根据风险事故的特征, 分别从发生概率、影响范围和影响后果3个方面对各影响因子进行总体风险系数评估。根据风险定义: 指某种特定的危险事件(事故或意外事件)发生的可能性与其产生的后果的组合, 可用事故发生概率()与事故造成后果()的乘积来表征风险值(), 即:

=×

其中,参照北极理事会《2009北极航运评估报告》进行评价及赋值, 分为5个等级: 极大、大、中、小、极小, 依次赋值1.0、0.8、0.6、0.4、0.2;从“影响范围”()和“影响程度”()两个方面取其平均值进行表征, 即:

其中,同样分为5个等级: 极大、大、中、小、极小, 依次赋值1.0、0.8、0.6、0.4、0.2;赋值则采用层次分析法(AHP法), 通过确定各因子影响的权重来表征。

AHP法是指将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次, 在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法, 比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统, 而且目标值又难于定量描述的决策问题。主要步骤为如下。

1.建立层次结构模型, 将影响因子分为3个一级指标(A、B、C)和10个二级指标(A1～A3、B1～B4、C1～C3)(表1)。

2.把3个一级指标构成1个判断矩阵、10个二级指标构成3个判断矩阵, 将每个矩阵的所有因子采用相对尺度两两比较。采用1～9标度法赋值(表2), 矩阵中=X×,X×中x= 1/x。

表1 北极航运对航道生态环境的潜在影响评估表

*: 影响效果剔除了垃圾入海等违规操作导致的影响。

表2 判断矩阵标度定义

3.采用和积法分别计算一级指标和二级指标影响程度相对权重。各指标相对权重为该指标在矩阵横行每个赋值占其所在纵列赋值总和比重的平均值, 获得的数值见表3。各二级指标的影响程度()综合权重为其相对权重与其对应一级指标相对权重的积(见表1)。

表3 计算得到的各指标影响程度相对权重

4.为判断所获得权重的科学性, 需要引入一致性指标对判断矩阵进行一致性检验。

其中,max为该矩阵过的最大特征值。值越小, 说明矩阵的一致性越好, 当取值为 0时, 表明矩阵具有完全一致性。同时, 为检验判断矩阵是否具有满意的一致性, 需要定义检验系数。

其中,为随机一致性指标, 其标准值见表4。

表4 平均随机一致性指标RI标准值

通常情况<0.1时认为该判断矩阵通过一致性检验, 则可以根据确定的权重进行分析决策, 反之, 则需要对判断矩阵进行调整, 直到通过一致性检验。本研究矩阵见表3, 符合一致性检验。

5.计算得出各因子总体风险系数值(表1), 计算公式如下:

表1显示, 各影响因子的风险系数由高到低排序为: 废气排放>废水排放>燃油/有毒化学物质泄漏>压舱水引入>噪声干扰>破冰干扰>船体生物附着物引入>碰撞致伤>货物携带引入>光学干扰。在海运活动不断增强的背景下, 为确保航道生态和环境健康, 通过技术进步来减少污染物的排放成为当务之急。同时, 要加强燃油/有毒化学物质泄漏、压舱水和噪声等影响因子对生态环境的影响监测、评估和管理, 推进航道的生态环境保护。

我们应该看到, 目前北极航运相对全球航运而言仍处于低位。若延续2013～2019年北冰洋海运活动航程线性增长趋势[13], 2025年北极航运导致的CO2排放量也仅有296万吨。北极航运对生态环境的影响应更关注对局域而非全球的影响, 如黑炭、废水排放等影响。同时, 要考虑到海运仅是影响航道生态环境的其中一个因素, 水温升高、海洋酸化和环境污染等都是重要的影响因子。例如, 北极大西洋扇区虎鲸体内多氯联苯(PCB)高含量已影响其免疫和内分泌系统功能, 从而威胁到种群数量的长期稳定[41]。需对关键影响因子进行风险系数的系统、综合评估, 从而支撑科学决策, 确保航道利用和生态环境保护间的平衡。

4 对策建议

在北极东北航道、西北航道和穿极航道中, 东北航道的适航性最高[42]。中国在《中国的北极政策》白皮书中明确表示, 中国将着力促进北极的可持续发展。中国愿依托北极航道的开发利用, 与各方共建“冰上丝绸之路”; 而俄罗斯正在极力推进北方海航道的利用, 以促进其经济发展, 双方存在互惠互利、合作共赢的基础。同时由于北方海航道位于俄罗斯200 海里专属经济区内, 参与合作也成为必然的选择。

从上述分析可以看出, 对北极航道利用、特别是过境航运, 对当地生态环境的影响还是相对较小和可控的, 但随着航运活动的增加, 不断加强对生态环境的保护将成为必然。如IMO已承诺到2050年把航运碳排减至2008年一半的水平。为推进我国的北极航道利用, 同时提前布局国际社会对北极航道生态环境保护需求[43-45], 促进北极的可持续利用, 推进我国北极相关产业的发展, 可积极开展和参与以下4个方面的工作。

1.积极推进污染防控技术研发与应用, 不断提升船舶工艺水平

为了最大限度降低船舶航行对航道的生态环境影响, 一方面需要加强对航道本底、特别是活动密集区的本底监测, 评估灰水和黑炭等排放对环境的实际影响; 另一方面, 应积极推进溢油控制、污水处理、尾气净化等相关技术的研发应用, 推进新能源的应用, 提升螺旋桨的静音性能, 优化船型设计, 确保航道利用的同时能最大限度保护航道生态环境, 同时促进我国船舶工业和极端环境环保技术的发展。

2.构建生态功能区划和健康评估技术, 科学制定航线和活动区域

北极理事会北极监测和评估项目组已完成针对北冰洋大型鸟类和哺乳动物的重要生态区分析[46]。但实际上, 不同季节生物种群数量和分布会有很大差异。需在现有资料基础上根据不同季节进一步细化生态区, 并建立海洋健康评估技术。主航道设计尽量避开这些重要生态区, 或在经过维利基茨基海峡等必经区域时缓行, 可最大限度减少对大型生物的影响。

3.建立综合监测评价体系, 加强管理体系建设

需建立航道生态环境监测系统, 科学评估比较气候变化、船舶航行和其他人类活动对航道生态环境的影响, 为平衡航道利用和环境保护的决策提供科学依据。制定相应的政策, 加强对北极航道的生态环境管理; 加强基础设施建设, 强化事故的应急处置能力; 对重要种群进行监测, 并组织过往船舶提供相关信息, 实时掌握种群的活动; 及时提供优化的航行路线, 并为经过的船舶提出预警, 岸站和船舶间以及船舶和船舶间共享相关信息。

4.提前布局穿极航道, 系统积累相关环保科技成果

北冰洋中央区作为公海, 是目前北冰洋认知最为匮乏、生态环境最为脆弱、但同时也是我们可以自由开展科考活动的海域。因资料缺乏, 北极理事会的北冰洋重要生态区划仅仅把整个北冰洋公海区作为一个整体进行划定[46]。废水等在该海域的排放可能会显著影响其环境和生物生产。需提前布局, 系统积累该海域生态环境基础资料以及重要研究和技术成果, 为北冰洋中央区的治理和穿极航道利用奠定基础。

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Potential influence of Arctic shipping on passage environments and ecosystems

He Jianfeng1,2, Zhang Xia1, Lu Zhibo2, Wang Juan2, Chen Zhiyi1,2

(1Key Laboratory of Polar Science, MNR, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Following warming and decreasing of pack ice concentrations in the Artic region, the navigability of Arctic passages is increasing.The environment and ecosystem of the Arctic Ocean are fragile, and the influence of increasing Arctic shipping on the local marine environment and ecosystem is of public concern.Fuel leakage, exhaust emission, wastewater discharge, and noise disturbance, are all factors that could affect the environments and ecosystems of these passages.We summarize the situation, discuss the Arctic marine ecosystem and navigation patterns, analyze each factor, and calculate their risk coefficients using the method ofAnalytical Hierarchy Process.The result shows that exhaust emission, wastewater discharge and fuel leakage are the three most important factors likely to affect the Arctic region related to shipping.Development and application of innovative monitoring technologies will be extremely useful in the future.From the perspective of sustainable Arctic passage utilization, we propose some initiatives, which include studying and developing pollution prevention and control technologies, setting up of ecologically functional zones, constructing an integrated monitoring and assessment system, and strengthening the study of the impacts of fuel leaks.

Arctic passage, shipping, ecosystem, environment

2020年4月收到来稿, 2021年4月收到修改稿

国家自然科学基金(41976230, 41476168)资助

何剑锋, 男, 1968年生。研究员, 主要从事极地生态环境监测与研究。E-mail: hejianfeng@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20200041