河北省曹妃甸近岸海域春季生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀評價

程林，王欣平，王艷霞，田海蘭，石雅君，劉西漢，

（1.河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050021；2.河北師范大學 資源與環(huán)境科學學院 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設實驗室，河北 石家莊 050024；3.中國科學院煙臺海岸帶研究所 中國科學院和山東省海岸帶環(huán)境過程重點實室，山東 煙臺 264003；4.天津海景科技有限公司，天津 300384）

河北省曹妃甸近岸海域春季生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀評價

程林1，王欣平2，4，王艷霞1，田海蘭1，石雅君3，劉西漢1，3

（1.河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050021；2.河北師范大學 資源與環(huán)境科學學院 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設實驗室，河北 石家莊 050024；3.中國科學院煙臺海岸帶研究所 中國科學院和山東省海岸帶環(huán)境過程重點實室，山東 煙臺 264003；4.天津海景科技有限公司，天津 300384）

基于2014年5月的現(xiàn)場調(diào)查，從水質(zhì)、底質(zhì)和生物三個方面構(gòu)建了曹妃甸近岸生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標體系，利用模糊綜合評價法評價曹妃甸近岸海域各站點健康水平和綜合健康水平。評價結(jié)果顯示：底質(zhì)優(yōu)于水質(zhì)和生物，綜合健康評價結(jié)果為亞健康。采用反距離權(quán)重（IDW）空間插值法繪制的水質(zhì)、底質(zhì)和生物的健康狀況空間分布圖以及綜合健康水平空間分布圖。水質(zhì)、底質(zhì)和生物的健康水平空間變化趨勢差別較大，綜合健康分布圖反映出研究區(qū)西側(cè)比東側(cè)污染更為嚴重的現(xiàn)狀。

綜合健康指數(shù)；生態(tài)系統(tǒng)健康評價；反距離權(quán)重空間插值；曹妃甸近岸海域

近岸海域是海洋動力和沿岸陸地活動相互作用的地區(qū)，是具有海陸過渡性的特殊生態(tài)系統(tǒng)，提供豐富的能源和資源，與人類的生存和發(fā)展息息相關，受到人類活動的強烈干擾。近年，人們對近岸和海域開發(fā)利用強度與日俱增。圍填海、濱海工業(yè)建設、過度捕撈以及陸源污染物排放導致近岸濕地和耕地大面積喪失、漁業(yè)資源可捕撈量逐漸減少、近岸海域富營養(yǎng)化日益嚴重。近岸生境的破壞，直接影響著沿海地區(qū)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，引起科學界廣泛關注。對于作為生態(tài)脆弱區(qū)的近海生態(tài)系統(tǒng)，必須及時對其健康狀態(tài)進行評估和分析，提出相應的治理方案，以避免重大生態(tài)問題的出現(xiàn)，維持近海健康與人類社會經(jīng)濟的和諧發(fā)展。

有關生態(tài)系統(tǒng)健康的研究始于20世紀80年代，加拿大學者Rapport（1989）首次將健康一詞由醫(yī)學范疇引入生態(tài)系統(tǒng)中，并提出了“生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學”一詞。21世紀初我國開始關注生態(tài)系統(tǒng)健康，提出不同生態(tài)系統(tǒng)要采用不同的評價方法（孔紅梅等，2002），并建立了濕地（崔保山等，2001）、河流（唐濤等，2002）、森林（肖風勁等，2003）、海洋（楊建強 等，2003；葉屬峰 等，2007）和湖泊（劉永等，2004）等生態(tài)系統(tǒng)的健康評價方法。國際上，海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價主要采用指示物種法和指標體系法。在我國，海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價還屬于一個新興的課題，尚未形成一套成熟的評價體系，大多數(shù)研究者在海洋健康評價的過程中，側(cè)重對污染物的監(jiān)測，缺乏對生態(tài)指標的監(jiān)測，評價指標過于單一。本文基于曹妃甸近岸生態(tài)系統(tǒng)自身特點，采用指標體系法，從水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境、生物環(huán)境三方面搭建了生態(tài)健康評價指標體系對曹妃甸近岸海域春季生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1研究區(qū)域

曹妃甸位于渤海灣西岸，近岸海域潮汐性質(zhì)屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差為1.54 m；潮流為往復流，漲潮流自東向西流，落潮流自西向東流，漲潮最大流速1.24 m/s，落潮最大0.94 m/s；常浪向為S、SE，平均波高達0.7～1.1 m；底質(zhì)沉積物主要為粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂和粉砂，局部為細砂（陸永軍等，2007；季榮耀等，2011；龔政等，2012）。曹妃甸南部為深槽，并已成為重要的航道；北側(cè)是寬闊的淺灘，平均水深不足0.5 m，面積達1 100 km2。寬淺開闊的灘地為海洋生物提供了良好的生存場所和棲息地，海域生物種類豐富，有浮游植物47種，浮游動物64種，底棲動物53種（索安寧等，2012）。自2003年開始圍填海（李秀梅等，2013），到2020年預計建成區(qū)面積達到230 km2（于永海等，2013）。隨著圍填海面積不斷擴大，曹妃甸海岸帶自然屬性被改造程度日益加深，由此帶來海岸線增長，潮間帶寬度減少（方成等，2014）、近岸沖於環(huán)境改變、洪水、生物多樣性損失等一系列嚴重后果（周維海，2010）。為了促進曹妃甸工業(yè)區(qū)對海洋資源的合理利用，防止過度開發(fā)引發(fā)自然災害和投資浪費，處理好人類開發(fā)與近岸健康的矛盾關系，亟需對曹妃甸近岸開展生態(tài)健康評價。

1.2數(shù)據(jù)獲取

2014年5月，開展曹妃甸近岸海域調(diào)查，對曹妃甸近岸海域內(nèi)12個站點的水質(zhì)、沉積物、海洋生物進行了調(diào)查采樣，站點空間位置及名稱見圖1。調(diào)查過程嚴格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763，2007）進行，對近海水體、生物和沉積物進行樣品的采集和分析，保證采樣過程的科學性和分析結(jié)果的準確性。

圖1 曹妃甸站位分布圖

2 研究方法

2.1評價指標體系的構(gòu)建

目前，在近岸海域生態(tài)健康評價中應用較為普遍的方法，有歐盟近岸生態(tài)質(zhì)量綜合評價方法（European Commission，2003）和美國近海生態(tài)綜合評價方法（U.S.Environmental Protection Agency，2001）。參考以上兩種方法，遵循整體性、代表性、規(guī)范化、簡明性和和可操作性原則（祁帆等，2004），結(jié)合已有的實測數(shù)據(jù)，從水質(zhì)、底質(zhì)、生物3個方面構(gòu)建曹妃甸近岸海域生態(tài)健康評價指標體系（圖2）。

圖2 曹妃甸近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

曹妃甸工業(yè)區(qū)以發(fā)展石油、化工、鋼鐵等重工業(yè)為主，工業(yè)污染物中包含大量重金屬以及導致水體富營養(yǎng)化的氮、磷等非金屬化學元素，結(jié)合區(qū)域工業(yè)發(fā)展的實際情況進行了指標的選取。其中，水質(zhì)因子為透明度、COD、活性磷酸鹽、石油類、無機氮、懸浮物，底質(zhì)因子為鉛、鎘、砷、銅、鉻、有機碳，生物因子包括浮游動物、浮游植物及底棲生物的豐度、多樣性指數(shù)以及葉綠素a。這些因子通常用以反映水質(zhì)、底質(zhì)及生物的生態(tài)健康情況。

2.2評價標準的確定

指標體系中的指標標準設定采用兩種方法，對于有國家標準的指標，其指標標準可以參考國家標準中的一類標準值作為評價基準值，對于沒有國家標準的指標，其評價標準參考國內(nèi)學者的研究文獻。大部分指標可參照國家海洋局發(fā)布的《海水水質(zhì)標準》、《海洋沉積物質(zhì)量標準》和《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》 （表1）。

表1 曹妃甸近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準

2.3評價指標權(quán)重的確定

采用層次分析法確定指標權(quán)重，層次分析法具有定性和定量相結(jié)合、不需要理解復雜的數(shù)學模型的特點，具有很強的實用性（路文海等，2013）。利用Matlab軟件實現(xiàn)層次分析的計算方法，求出各層次評價指標的權(quán)重值（表2）。

表2 曹妃甸近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價各指標及其權(quán)重

2.4評價指標的歸一化

本文將評價指標分為正指標和負指標，正指標是指在評價過程中，值越大表示生態(tài)系統(tǒng)越健康，而負指標值越大表示生態(tài)系統(tǒng)健康水平越差。因此需要采用不同的計算方式對正負指標進行歸一化，歸一化后的值用R表示。對于正指標：

對于負指標：

其中，Acstat表示實際監(jiān)測值，Refcon表示評價基準值。

2.5綜合健康指數(shù)評價

通過評價指標歸一化得到每個站點每個指標的R指數(shù)以后，可以求得每個站點分別在3個因素層的綜合健康指數(shù)。綜合健康指數(shù)（CHI）計算方法（歐文霞，2006）：

式中，wi表示第i個指標的權(quán)重，Ri表示第i個指標的歸一化指標值。為了更清晰的分析不同區(qū)域的差異，在借鑒《國家海洋環(huán)境狀況公報》對不同健康狀態(tài)的描述的基礎上，將健康水平劃分為5級（表3）。

表3 綜合健康指數(shù)等級劃分

2.6數(shù)據(jù)的空間插值處理方法

通過空間插值的方法可以由已知采樣點的綜合健康指數(shù)來推算未知采樣點的綜合健康指數(shù)，從而得到整個研究區(qū)域三方面因素健康指數(shù)的空間分布特征。常見的空間插值方法有反距離權(quán)重插值（IDW）、樣條函數(shù)插值（Spline）、克里格插值（Kriging）和自然鄰近法（Natural neighbour）。常規(guī)條件下，插值結(jié)果的誤差均方根的大小，表示插值效果的好壞（李純厚等，2013），前者越小，后者越好。通過對比發(fā)現(xiàn)，用反距離權(quán)重插值法所得空間插值結(jié)果的誤差均方根絕對值最小，所以本文選擇反距離權(quán)重插值方法來進行近海水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境和生物環(huán)境的插值，從空間上表征曹妃甸近岸海域健康狀況差異。

3 評價結(jié)果與分析

3.1曹妃甸綜合健康指數(shù)測算結(jié)果

將調(diào)查數(shù)據(jù)代入以上公式，可得到不同因素的綜合健康指數(shù)，詳見表4。

表4 曹妃甸近岸海域各站點的綜合健康指數(shù)

根據(jù)表3和表4，得出各個站點在水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境和生物環(huán)境3個方面的健康水平，詳見表5。水質(zhì)環(huán)境評價中，42%的站點處于健康水平，58%的站點處于亞健康水平，整體健康狀況不佳。底質(zhì)環(huán)境評價中，43%的站點屬于很健康水平，57%的站點屬于健康水平，整體健康狀況良好。生物環(huán)境評價中，75%的站點處于不健康水平，25%的站點處于很不健康水平，整體健康狀況惡劣。由此可以得出：健康水平整體表現(xiàn)為底質(zhì)環(huán)境>水質(zhì)環(huán)境>生物環(huán)境，因此，在今后的海洋經(jīng)濟發(fā)展過程中，需要加強對生物環(huán)境的保護，提高生物多樣性。

水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境和生物環(huán)境在各個健康等級上所占的比例，即因素層三要素在各個健康等級上的隸屬程度。根據(jù)模糊綜合評價法（符學葳，2011）評價曹妃甸近海的綜合健康水平。由表5可以得出模糊關系矩陣為：

將指標的權(quán)重向量與模糊關系矩陣利用模糊算子進行計算，得到生態(tài)健康水平在各等級的分布向量B={0.163，0.42，0.54，0.297，0.08}，歸一化后的B′={0.109，0.28，0.36，0.198，0.053}。按照最大隸屬度原則，亞健康等級所占比重最大，為0.36，所以判斷曹妃甸近岸生態(tài)系統(tǒng)健康處于亞健康水平，這與2011-2014年國家海洋環(huán)境狀況公報中公布的渤海灣的健康評價結(jié)果一致。因此根據(jù)此評價體系獲得的評價結(jié)果可靠，評價結(jié)果符合實際情況，評價指標體系合理。

3.2曹妃甸近岸健康水平空間分布

3.2.1 水質(zhì)環(huán)境健康水平空間分布

研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)以健康及亞健康為主。水質(zhì)環(huán)境健康指數(shù)呈現(xiàn)由岸向海、由西北向東南逐漸升高的趨勢（圖3）。不健康和亞健康的水域主要位于近岸海域，此處人類活動頻繁，工業(yè)發(fā)達，屬于陸源污染的始發(fā)地，海水所要承受的污染壓力較大，水質(zhì)受到較嚴重污染。

圖3 生態(tài)健康狀況空間分布圖（a、b、c、d依次為水質(zhì)、底質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)健康綜合評價）

表5 三要素在各等級所占比例

3.2.2 底質(zhì)環(huán)境健康水平空間分布

底質(zhì)環(huán)境健康指數(shù)介于2.213～6.004之間，研究區(qū)范圍內(nèi)全部處于健康和很健康水平，總體健康狀況良好，其中很健康的底質(zhì)環(huán)境面積占到總海域面積的50%。底質(zhì)環(huán)境健康指數(shù)呈現(xiàn)由岸及海逐漸降低的趨勢，健康指數(shù)最大值位于溯河口周圍（圖4）。

溯河口近年來因建閘導致河流斷流，阻礙了帶有大量陸源污染物的河水入海，減弱了陸源污染的壓力，所以此處沉積物中污染物含量最少。由此處向海延伸，沿岸河口對海水的擾動作用減弱，污染物逐漸沉積，造成了沉積物中污染物逐漸增加，因而健康指數(shù)逐漸降低。

3.2.3 生物的健康水平空間分布

生物環(huán)境健康指數(shù)范圍為0.419～1.674，研究區(qū)內(nèi)8%的海域處于很不健康的水平，75%的海域面積處于不健康水平，17%處于亞健康水平，健康水平總體較差。海洋生物環(huán)境健康指數(shù)呈現(xiàn)出由岸及海逐漸降低的趨勢，最高值出現(xiàn)在近岸中部（圖5）。在近岸區(qū)浮游植物和浮游動物無論在數(shù)量上還是豐富度上，都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，同時數(shù)量上還沒有超出《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》中規(guī)定的一類健康限度，所以生物環(huán)境健康水平在此處最高。但是如果近岸地區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)持續(xù)增加，就有可能引起近海的富營養(yǎng)化，所以也必須引起足夠重視。生物健康水平最低處，位于貨輪運輸線上，該區(qū)域水質(zhì)環(huán)境不穩(wěn)，不利于動植物的生存。

3.3春季曹妃甸近海生態(tài)系統(tǒng)整體健康指數(shù)空間分布趨勢

曹妃甸近海綜合健康指數(shù)空間分布現(xiàn)狀（圖6）是由水質(zhì)環(huán)境健康指數(shù)、底質(zhì)環(huán)境健康指數(shù)和生物環(huán)境健康指數(shù)分別加權(quán)求和得出，綜合健康指數(shù)范圍為1.347～2.261。研究區(qū)內(nèi)58%的海域處于亞健康水平，42%的海域面積處于健康水平，總體健康水平為亞健康。研究海域整體健康指數(shù)呈現(xiàn)出由西向東增加和由海向陸增加的趨勢。東北部健康指數(shù)最高，距岸越遠，健康指數(shù)逐漸下降的趨勢，這是因為溯河斷流減少污染物進入，導致沉積物質(zhì)量較好，此外靠近陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入導致生物質(zhì)量較好。曹妃甸港東西兩側(cè)差異明顯，東側(cè)的健康指數(shù)明顯高于西側(cè)，其原因是由多方面造成的。首先，研究海域處于渤海灣與相對開闊的外海的邊界，渤海灣海洋環(huán)境相對封閉，近年來國家海洋環(huán)境監(jiān)測公報均顯示渤海灣海域為亞健康，其對研究區(qū)域的海洋環(huán)境影響顯著。其次，圍填海影響了近海的潮流走向和兩側(cè)的水動力環(huán)境，導致污染物在西側(cè)更易集聚，污染物難以擴散，污染程度逐漸加深。此外，溯河斷流，減少了陸源污染物對溯河口處海域的污染。

4 討論

本文結(jié)合曹妃甸工業(yè)區(qū)的實際情況，科學地選取了一系列評價指標，然后基于指標評價法從水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境和生物環(huán)境3個方面建立了曹妃甸近海生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，對曹妃甸近岸海域健康狀況進行了客觀地評價。本文所建立的近岸海域態(tài)系統(tǒng)健康評價指標數(shù)量較少，且均為我國典型的常規(guī)監(jiān)測指標，可操作性強。在整體健康評價中采用模糊數(shù)學的方法，運用隸屬度函數(shù)確定健康水平的最大隸屬度，彌補了僅用一個確定的標準值來衡量評價結(jié)果的不足。

因海洋環(huán)境復雜，數(shù)據(jù)獲取中具有困難性和隨機性，有無法獲取某個站點數(shù)據(jù)的情況。本文采用底質(zhì)環(huán)境評價中所有站點在各健康等級所占百分比，結(jié)合模糊數(shù)學運算的方法，實現(xiàn)了對近海生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價。采用反距離權(quán)重（IDW）插值法繪制曹妃甸近岸海域在水質(zhì)環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境、生物環(huán)境健康狀態(tài)的空間分布圖和綜合健康評價空間分布圖，更直觀地展示了曹妃甸近岸海域的健康水平空間分布特征。

受調(diào)查時間和條件所限，本文僅對曹妃甸近岸春季健康狀況進行了評價，該海域的全年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有待調(diào)查和評估。

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（本文編輯:袁澤軼）

Nearshore ecosystem health assessment for the coastal area of Caofeidian of Hebei Province in spring

CHENG Lin1,WANG Xin-ping2,4,WANG Yan-xia1,TIAN Hai-lan1,SHI Ya-jun3,LIU Xi-han1，3

（1.Institute of Geographical Science,Hebei Academy of Science,Shijiazhuang 050021,China;2.College of Resource and Environmental Science,Hebei Normal University,Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Shijiazhuang 050024,China;3.Key Laboratory of Coastal Environmental processes and Ecological Remediation,Yantai Institute of Coastal Zone Research,China Academy of Sciences,Yantai 264003,China;4.Tianjin Marinfo Technology Co.,Ltd,Tianjin 300384,China）

Based on the field site investigation data in May 2014,Caofeidian nearshore ecosystem health assessment index system was built from three aspects including the water quality,the sediments and the biology.This paper evaluated health level and the comprehensive health level of each site in Caofeidian offshore area by using the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the bottom environment is the best,and the water environment is better than the biological environment.The comprehensive health level is sub-health.In order to directly show the spatial distribution of ecological health status in Caofeidian offshore area,this paper draws the space distribution maps of health level of the water,the sediments,the biology and the comprehensive health level by using the spatial interpolation method of inverse distance weighting （IDW）. It shows that the health level spatial variation trend of the water environment,the sediment environment and the biological environment has great difference.The comprehensive health spatial distribution map reflects that the pollution status in the west of the study area is more serious than that in the eastern side.

comprehensive health index;ecosystem health assessment;spatial interpolation method of IDW;nearshore area in Caofeidian

P76

A

1001-6932（2017）01-0107-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.01.014

2015-09-18；

2015-12-31

河北省科學院科技計劃項目（14008013）；中國科學院院地合作項目。

程林（1985-），碩士，研究方向為自然地理學，海洋防災減災。電子郵箱：Chinachenglin@126.com。

王欣平（1987-），碩士研究生，研究方向為GIS應用與遙感影像處理。電子郵箱：wangxp0707@163.com。