基于“双核”评价框架的近40年来胶州湾海洋环境健康状况演变
2023-05-30王启栋宋金明袁华茂
王启栋 宋金明 袁华茂
关键词：海洋环境健康评价;“双核”框架;胶州湾
中图分类号：X826;P76 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）04-0029-10
0 引言
近数十年来，人类经济社会迅猛发展，近岸海域成为经济活动的主要承压区，污染物排放、过度捕捞和海岸工程等使得近海海洋环境频繁出现水质恶化、生境破坏、资源衰竭和生态灾害等问题，而遭到破坏的海洋生态环境反过来又会掣肘海洋经济产业的发展，因此这种以破坏海洋环境为代价的开发利用模式定然不可持续[1-2]。对近岸海洋生态环境的健康状况进行综合评估，是推进海洋生态环境管理和保护工作、使海洋生态系统能够持续为人类服务的关键。当前，国内外大多数海洋环境健康评价方法聚焦于海洋生态系统自身的状态和功能，对于海洋环境资源为人类提供可持续性价值和服务方面的评估较少。因此，本研究基于现有的近海环境健康评价体系，新构建适用于河口、海湾等近岸海域的“双核”评价框架，其中内核评价聚焦于水体、沉积物和生物群落等生态系统自身结构组成的健康状况，外核评价则通过社会经济学指标评估人类对海洋环境资源的开发利用程度[2]。
海湾与河口是陆地和海洋之间极为重要的过渡带，在人类社会经济发展中具有极为重要的地位，但同时也是环境变化的敏感区和生态系统的脆弱区，受人类活动的影响十分强烈[3]。位于南黄海西北部的胶州湾是典型的半封闭式海湾，20世纪80年代以来，青岛市经济的高速发展对胶州湾的海洋环境造成显著的破坏，污水排放、围海造地和海上开发等使胶州湾出现面积减小、纳潮能力下降、水质污染等诸多问题。近年来人们逐渐增强环保意识并加强对胶州湾的治理和保护，胶州湾海洋生态环境健康状况明显改善。本研究拟基于“双核”评价框架对近40年来胶州湾海洋环境健康状况进行综合评估，梳理胶州湾生态环境伴随青岛市经济社会发展的演变历程。
1 研究区域
胶州湾位于山东半岛南岸，是与南黄海相通的半封闭式海湾，其与南黄海的界线为团岛头和薛家岛脚子石的连线。胶州湾环湾地带为青岛市辖地区，沿岸自东向西分别为市南区、市北区、李沧区、城阳区、胶州市和黄岛区。胶州湾东西宽约27.8km，南北长约33.3km，湾内平均水深7.0m，总体上东部深、西部浅。胶州湾沿岸水系发达，沿岸河流呈放射状汇流于海湾，但无大河入海。胶州湾区域具有明显的海洋性气候特征，累年年均气温12.3℃，平均降水量755.6mm，台风、风暴潮、寒潮和海冰等是常见海洋灾害[4]。
2评价方法
本研究基于综合指标体系法所构建的“双核”评价框架，以海洋生态系统自身的状态为评价内核，以人类社会经济学指标为评价外核，其中内核要素是海洋环境健康的基础和前提，而外核要素是海洋环境健康之于人类的价值体现。采用该框架评价海洋环境健康状况的最终目的是辅助管理决策，从而实现人类对海洋资源环境的可持续利用[2]。该框架的评价细则包括3个方面[5-6]。
2.1 指标选取
内核评价以海洋生态系统自身的状态为主体，其评价要素由生物群落、水体环境和沉积物质量3个部分构成。其中，生物群落具体评价指标为浮游植物（细胞密度和多样性指数）、浮游动物（生物量和多样性指数）和底栖生物（生物量和多样性指数），水体环境具体评价指标为pH 值、溶解氧、悬浮物、富营养化指数和污染物（重金属和有机污染物），沉积物质量具体评价指标为有机碳、硫化物和污染物（重金属和有机污染物）。外核评价主要评估人类对海洋的开发利用程度，本研究根据胶州湾地区的实际情况，选取海水养殖产量、滨海湿地面积和港口吞吐量作为外核评价指标。
2.2 指标归一化和权重
为了便于比较和计算，所有指标均通过基准值进行归一化（取值为0～1）。对于内核要素指标，得分越高意味着海洋生态系统自身健康状况越好;而对于外核要素指标，得分越高表示对海洋资源环境的开发利用程度越高。具体的归一化方法，根据指标特性的不同分为2类。
（1）正指标（取值越高越健康）的归一化公式为：
Ii=Meai/Refi（1）
式中：Ii为正指标i 的归一化值;Meai为指标i 的实际监测值;Refi 为指标i 的基准值，且当计算出的Ii 大于1时其取值为1。
此外，水体环境和沉积物质量中的污染物指标，包括重金属及有机污染物等也通过该规则来确定权重。外核指标的权重则依据不同指标所体现的对海洋资源环境的扰动程度来确定。
2.3 内核要素评级和最终评价结果
生物群落是海洋生态系统的核心，因此在内核评价中，生物群落的优先级（或权重）高于水体环境和沉积物质量，这将体现在最终的评级规则中。根据3个评价要素的得分，将海洋生态系统自身状态的评价等级划分为优、良、中、差、劣5 个等级（表1）。总体来说，生物群落的健康状况决定内核评级的上限。
本框架的最终评价结果将保留内核因素的评级和外核因素的评分2个部分（内核评级+外核得分），2个部分结果对比可以明确指示海洋資源开发利用的力度是否与海洋生态环境的健康稳定相匹配，这可为平衡海洋环境保护和经济社会发展提供更明确的指导。在针对评价结果进行管理决策时，经济社会的发展应该以海洋生态环境的健康为前提，即内核要素具有更高的优先级。
3 评价结果
3.1 内核评价
3.1.1 水体环境
水体环境的评价指标包括pH 值、溶解氧、悬浮物、富营养化和污染物。近40年来，胶州湾海水未出现明显的酸化和低氧现象，以海水水质标准为参考，pH 值和溶解氧的年均值均优于第一类海水水质标准的要求，按照“双核”框架的评价原则，指标pH 值和溶解氧的归一化得分为1，在水体环境要素评价中的权重为0。因此，本研究对悬浮物、富营养化和污染物3个指标进行重点讨论。
悬浮物浓度不仅能从视觉上直观反映海水水质，还与生物活动、污水排放等密切相关。胶州湾水体中悬浮物浓度少有报道，选取水体透明度作为替代指标。近40年来胶州湾年均海水透明度的变化[7]如图1所示。
胶州湾年均海水透明度总体上呈现下降趋势。以多年平均值作为参考基准，对海水透明度指标进行归一化，然后以每10年为1个阶段，计算出1981—1990 年、1991—2000 年、2001—2010 年、2011—2020年胶州湾海水透明度指标的归一化得分分别为1.00、1.00、0.97和0.95，反映出胶州湾水体的清澈程度不断降低，但总体上降低的程度不大。
富营养化是近岸海域最普遍的健康问题之一，可通过富营养化指数（E ）进行评估。近40年来胶州湾海水DIN、DIP和COD 年均浓度的变化[4]如图2所示。
DIN 自20 世纪80 年代以来逐渐升高，至2005—2008年达到浓度最大值;DIP 的浓度自2000年开始逐渐升高，2007—2008年大幅升高，之后迅速回落;COD没有明显的变化趋势。
富营养化指数的变化如图3所示。自2000年开始出现富营养化现象（E >1），2005年达到中度富营养化水平（2≤E <5），2007—2008年达到重度富营养化水平（5≤E <15），之后富营养化水平迅速回落，2010年后整体上不再富营养化。以1作为富营养化指数的归一化标准，计算出的归一化得分如图3所示，以每10年为1个阶段，4个阶段的归一化得分分别为0.98、1.00、0.48和0.93。
胶州湾海水中的主要污染物为汞（Hg）、铅（Pb）和石油类（PHs），近40 年来的主要浓度变化[4，8]如图4所示。
3种污染物浓度均从20世纪80年代初期快速升高，并从90年代开始逐渐回落至第一类海水水质标准以下。根据《青岛市海洋环境公报》，2010—2020年各类重金属的年均浓度均不超过第一类海水水质标准。根据内核评价的归一化原则，Hg在1981—1990年的归一化得分为0.69，Pb在1981—1990年、1991—2000年和2001—2010年3个时间区间的归一化得分分别为0.25、0.73 和0.91，PHs在1981—1990年的归一化得分为0.90。根据内核评价的权重确定原则，最终计算出海水污染物这一指标在4个时间区间的得分分别为0.42、0.73、0.91和1.00。
基于上述5个水体环境指标的详细评估以及内核评价指标的权重确定原则，对水体环境这一内核要素的最终得分进行计算，结果如表2 所示。1981—1990年胶州湾海水污染严重，水体环境最差，总体得分仅0.44;1991—2000年随着污染物水平的下降，胶州湾水体环境质量有所提高;2001—2010年胶州湾海水出现严重的富营养化问题，导致总体水环境质量再次下降;2011—2020年胶州湾的污染和富营养化问题都得到较好的治理和缓解，水体环境总体上较好。
3.1.2 沉积物环境
沉积物环境通过有机碳含量、硫化物含量以及重金屬和石油类等污染物的含量来评价，以《海洋沉积物质量》（GB18668-2002）中第一类沉积物的标准界定值为归一化基准。根据2016年和2017年《青岛市海洋环境公报》，2012—2017年除东北部娄山河口附近及海西湾部分站位石油类超过第一类海洋沉积物质量标准外，其他区域沉积物的有机碳、硫化物以及铜、铅、锌、镉、铬、汞、砷等重金属含量均符合第一类海洋沉积物质量标准[8-9]。根据柱状沉积物反演的结果，近40年来胶州湾中部及湾口处沉积物中重金属的含量均低于第一类海洋沉积物质量标准[10];胶州湾西部沉积物中，铬的含量在20世纪80年代末、90年代初介于第一类和第二类海洋沉积物质量标准之间[11];胶州湾东部的海泊河口沉积物中，2003年前铜、铅、锌、镉、铬的含量均远远超出第一类海洋沉积物质量标准，但仅限于紧邻近岸河口的小部分区域[12]。从整个胶州湾海域的平均值来看，近40年来胶州湾沉积物环境整体上处于健康状态，各指标均在第一类海洋沉积物质量标准范围内，即在“双核”框架的评价原则下，胶州湾沉积物质量评价的归一化得分为1。
3.1.3 生物群落
近40年来胶州湾浮游植物数量和多样性指数、浮游动物生物量和多样性指数以及底栖生物生物量和多样性指数年均值的变化[13-16]如图5所示。
自1981年以来，胶州湾浮游植物数量呈现先下降后升高的趋势，自20世纪90年代末期开始浮游植物数量显著升高，2001—2010年浮游植物数量的年均值为90年代浮游植物平均数量的6.5倍，而从90年代中后期开始胶州湾显著升高的营养盐含量是浮游植物增长的驱动因素[13]。与浮游植物相对应，胶州湾浮游动物生物量在2001—2010年同样显著升高，超过90年代的3倍。胶州湾底栖生物生物量（不计菲律宾蛤仔）在近40年来呈现先减少后增加的趋势，与浮游植物和浮游动物不同，底栖生物生物量（不计菲律宾蛤仔）在2001—2010年较低且变化不大，而计入菲律宾蛤仔后这一时期的底栖生物量与2000年之前相比反而显著增加，这说明2000年以后总底栖生物量的上升是由菲律宾蛤仔引起的[13]。由于人工捕捞和底播养殖活动对胶州湾菲律宾蛤仔数量变化的影响较大，在内核要素评价中暂不计入。
以多年平均值为参考基准对生物群落指标进行归一化。生物量的年均值数据波动较大，为避免个别年份出现的极大值或极小值对平均值的影响过大，通过2倍标准差对数据进行初步筛选，将筛选后的年均数据平均值作为参考基准进行归一化，对于指标数据不全的年份，仅以所获取的指标进行计算。近40年来，胶州湾生物群落评价得分的变化如图6所示。胶州湾生物群落整体处于比较健康的状态，近40年的平均得分为0.84，仅在1990—2000年有所下降，该阶段有3个年份的生物群落得分在0.66以下。同样以每10年为1个阶段，生物群落在4个阶段的归一化得分平均值分别为0.93、0.69、0.85和0.91，反映近40年来胶州湾生物群落的健康状况总体呈现先下降后升高的变化趋势。
基于上述水体环境、沉积物质量和生物群落的评价结果以及“双核”框架的内核评级方法，对胶州湾近40年来海洋环境健康状况的内核要素进行评级。1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年以及2011—2020年胶州湾海洋环境内核要素的评级结果分别为良、优、良和优。1981—1990年较高的污染物含量使胶州湾水体环境较差，导致内核评级为“良”;2001—2010年胶州湾水体富营养化比较严重，影响水体环境得分，导致内核评级为“良”。总体来看，近40年来胶州湾海洋环境健康状况经历20世纪80年代较差、90年代好转、2000年后再次恶化、2010年后再次改善的变化过程。
3.2 外核评价
综合考虑对海洋环境产生扰动的可量化性以及产业类型差异性等因素，本研究选择海水养殖产量、滨海湿地面积和港口吞吐量作为外核评价指标，评估近40年来青岛市海洋经济发展对胶州湾资源环境的开发利用程度。海水养殖是人类对海洋资源的直接索取，对海洋生态环境的扰动最大;滨海湿地面积变化反映人类对海洋资源环境的直接占用;港口吞吐量反映海上交通运输的密集程度，胶州湾平均水深只有7m，中、大型船只在胶州湾内的运输活动会给水体带来巨大扰动，加速水体混合和沉积物再悬浮等，进而对海洋生态环境造成影响。这3个指标均与人类经济活动密切相关。
根据《青岛市统计年鉴》的统计数据，胶州湾的海水养殖产业归属于城阳区、胶州市和黄岛区（原黄岛、胶南），其中黄岛区处于胶州湾和以外海域的海岸线比例为1∶5，因此仅将黄岛区养殖产量的1/6计入胶州湾养殖产量中[17]。近40年来，胶州湾海水养殖年产量的变化[18-19]如图7所示。
胶州湾海水养殖的产量自1990年左右开始迅速增长，至2006年达到最大值，而后开始呈现缓慢下降的趋势，因此将2006年的海水养殖产量作为参考基准进行归一化，从而计算出1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年以及2011—2020年胶州湾海水养殖产量指标的平均得分分别为0.03、0.45、0.95和0.87。
胶州湾沿岸水系较为发达，发育有大面积的河口湿地和潮间带湿地，不同年份的湿地面积[17]如表3所示。
人类的经济开发活动是滨海湿地面积减少的主要原因，人类开发程度越大，滨海湿地的面积越少。由于外核指标主要反映人类对海洋资源环境的开发利用程度，滨海湿地面积越小反映开发利用程度越高，以滨海湿地面积最小的年份作为参考基准计算归一化得分，1986 年、1995 年、2010 年和2013年分别为0.66、0.92、0.95和1.00（由于数据有限，仅以特定年份代表4个年份区间）。总体来看，胶州湾滨海湿地的面积不断减小，其中20 世纪80年代和90 年代剧烈减少，1986—1995 年不到10年的时间缩减27.6%，这可能与20世纪80年代以来胶州湾的开发利用进入快速期有关，而2000年后滨海湿地缩减的速度明显变缓，1995—2013 近20年的时间仅缩减不到10%。
近40年来，青岛市港口货物吞吐量及其年增长率的变化[19]如图8所示。除极少数年份下降以外，青岛市港口吞吐量基本呈现逐年增长的趋势，其中1993—2008年经历快速增长时期，2010年后增长速率放缓，近40年来的平均增长率约为9.64%。总体来说，港口吞吐量越大意味着船舶航行对胶州湾海洋生态环境的扰动越大，因此以港口吞吐量最大的2020年作为参考基准进行归一化计算，1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年以及2011—2020年胶州湾港口货物吞吐量的平均得分分别为0.05、0.14、0.54和0.83。
根据不同海洋产业对海洋资源环境扰动程度的不同对外核指标进行赋权，对应海洋第一产业的海水养殖产量权重为50%，主要与海洋第一、二产业相关的滨海湿地面积权重为30%，对应海洋第三产业的港口吞吐量权重为20%，进而计算出不同时间段的外核得分如表4所示。随着年代推进而不断增大的外核得分表明，人类活动对胶州湾的开发利用程度不断加大，其中20世纪80年代和90年代是开发利用海洋资源环境的快速增长期，2010年后开发利用的增长速度明显放缓。外核得分变化与青岛市近40年来GDP增长率的变化有较高的吻合度，反映胶州湾海洋资源环境对青岛市经济社会发展的重要贡献。
3.3 “双核”评价结果
基于上述内核和外核评价结果，以每10年为1个区间概括近40年来胶州湾海洋生态环境健康状况的“双核”评价结果为：1981—1990 年为“良+0.22”、1991—2000 年为“优+0.53”、2001—2010年为“良+0.87”以及2011—2020年为“优+0.90”。
总体来说，近40年来随着青岛市经济社会的发展，对胶州湾海洋资源环境开发利用力度不断加大，而胶州湾的海洋生态环境健康状况也在人类活动加剧和青岛市经济结构转型过程中经历起伏。20世纪80年代胶州湾的开发利用进入快速期，这一时期的主要特点是对海洋资源环境的开发利用粗犷、直接，环境保护意识薄弱，尽管总體上开发程度还不高，但沿岸迅猛发展的工农业给胶州湾带来大量的污染物质，直接导致胶州湾水体环境的恶化。90年代青岛市经济出现“过热”，在宏观调控“双紧”背景下，工业经济增长速度趋缓，产业结构不断调整，这一时期胶州湾水体污染物含量有所下降，但前期环境恶化的积累开始对生物群落产生显著影响，生物群落的健康状况相对较差。2000年后青岛市经济结构进一步调整，一次产业的比例缩小至5%以下，经济发展不再单纯追求速度，而是更加看重质量，多个经济指标在这一时期达到峰值并迎来拐点，同时也意味着对胶州湾的开发利用程度达到新的高度，这一时期胶州湾海洋生态环境最显著的特点是营养物质的大量增加导致水体富营养化。2010年以来人们的环境保护意识不断加强，青岛市践行“绿水青山就是金山银山”的理念，统筹推进环境污染防治，加大生态保护和环境治理力度，胶州湾的海洋生态环境也迎来显著的改善，总体上处于健康状态，尽管经济指标指示对胶州湾的开发利用程度仍在高位，但随着新旧动能转化提速、产业结构不断优化升级，经济开发活动对海洋生态环境的扰动也不断降低，对海洋环境影响较大的海洋渔业转型升级、资源修复步伐加快，滨海旅游业释放新活力，交通运输业运行平稳，海洋设备制造、海洋生物医药、海洋新材料、海水利用等产业蓬勃发展，这些新兴产业在为海洋经济提供新的增长点的同时，也大幅降低海洋经济产业对胶州湾海洋生态环境的扰动，实现良性、健康的绿色发展模式。
4 结语
近40年来，基于“双核”评价框架的胶州湾海洋生态环境健康状况评价结果为：1981—1990 年为“良+0.22”、1991—2000年为“优+0.53”、2001—2010年为“良+0.87”以及2011—2020 年为“优+0.90”。1981—1990 年和2001—2010 年内核评价不为“优”的主要原因分别是水体污染和富营养化，而尽管1991—2000年内核评级总体为“优”，但部分年份生物群落健康状况较差。随着青岛市经济社会的发展，近40年来人们对胶州湾的开发利用程度不断提高，但在2000年后迎来增速的拐点，这与青岛市GDP增速的变化相吻合，体现胶州湾海洋经济对青岛市经济总量的贡献。2010年以来，在不断增强的环境保护意识和相关政策的推动下，青岛市加大胶州湾海洋生态环境保护和治理力度，同时加快产业结构升级，大力发展海洋新兴产业，为海洋经济增长释放新活力的同时，大幅降低经济开发活动对胶州湾海洋生态环境的扰动，从而走出一条经济社会与海洋资源环境的可持续发展之路。
