渤海灣外來浮游植物種及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

覃雪波，周 然，彭士濤，張兆陽(yáng)，劉嫣然，趙 陽(yáng)

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.天津自然博物館，天津300201；3.天津理工大學(xué)，天津300384）

環(huán)境保護(hù)及污染治理

渤海灣外來浮游植物種及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

覃雪波1，2，周 然1，彭士濤1，張兆陽(yáng)3，劉嫣然1，趙 陽(yáng)1

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.天津自然博物館，天津300201；3.天津理工大學(xué)，天津300384）

通過調(diào)研、統(tǒng)計(jì)和分析渤海灣外來浮游植物，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。渤海灣共發(fā)現(xiàn)5種外來浮游植物，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。利用層次分析法評(píng)價(jià)渤海灣外來浮游植物的入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，渤海灣的5種外來浮游植物種的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值位于中等風(fēng)險(xiǎn)到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于高風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)監(jiān)控。

外來浮游植物種；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；評(píng)價(jià)；層次分析法；渤海灣

海洋外來物種入侵已成為最為嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題之一［1］。特別是隨著世界航運(yùn)的發(fā)展，海洋外來種入侵的問題越來越嚴(yán)重，受到了廣泛的關(guān)注。外來種由于在入侵地沒有天敵，容易繁殖擴(kuò)散，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。

渤海灣位于我國(guó)的華北地區(qū)，在沿岸地區(qū)分布眾多的港口，形成明顯的港口群。渤海灣港口群的發(fā)展，往來頻繁的海上運(yùn)輸與貿(mào)易，有助于海洋外來物種的傳入和擴(kuò)散。浮游植物作為船舶壓載水中常見的外來種，它們?nèi)菀淄ㄟ^船舶擴(kuò)散到世界各地［2］。船舶運(yùn)輸也因此成為浮游植物外來種最主要的擴(kuò)散方式。本研究通過野外調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)和分析渤海灣外來浮游植物，并構(gòu)建評(píng)價(jià)模型對(duì)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為渤海灣的海洋外來種入侵管理提供借鑒。

1 研究方法

1.1 渤海灣浮游植物外來種調(diào)研

為了更加全面的反映渤海灣外來入侵種的情況，采用野外調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)研等方式獲得了渤海灣外來浮游植物種。

野外調(diào)查是作者參與的渤海灣浮游植物調(diào)查所得到的成果，見已發(fā)表的文獻(xiàn)Peng et al.［3］和周然［4］。文獻(xiàn)調(diào)查包括兩種方式，一是文獻(xiàn)中直接記錄的外來浮游植物種在渤海灣有分布，將其確定為渤海灣外來浮游植物種，主要的文獻(xiàn)有李振宇和解炎的《中國(guó)外來入侵種》［5］，徐海根和強(qiáng)勝的《中國(guó)外來入侵物種編目》［6］和《中國(guó)外來入侵生物》［7］，徐海根等《外來物種入侵生物安全遺傳資源》［8］等；二是查閱近年來發(fā)表的記錄有渤海灣浮游植物種的期刊論文，將文中記錄的浮游植物種與外來種數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而確定其是否為渤海灣外來浮游植物種，期刊論文主要有孫軍等［9］、張秋豐等［10］、楊世民等［11］、尹翠玲等［12］、卞少偉等［13］、武丹等［14］、王瑜等［15］等。外來種數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站主要參考http：//bioinvasion.fio.org.cn、http：//www.chinaias.cn，以及中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)http：//www.coi.gov.cn/gongbao/zaihai/等。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)管理的第一步，就是通過各種方法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的過程。首先，識(shí)別致災(zāi)因子中的關(guān)鍵因子，分析致災(zāi)因子的各種特征（包括生物學(xué)、生態(tài)學(xué)屬性和經(jīng)濟(jì)意義）；其次識(shí)別受災(zāi)對(duì)象的特征，如生活規(guī)律、對(duì)致災(zāi)因子適應(yīng)和抵御能力等；最后識(shí)別在一定區(qū)域范圍內(nèi)，特定致災(zāi)因子對(duì)受災(zāi)對(duì)象的危害程度（圖1）。

1.2.2 評(píng)估方法

一個(gè)外來種從入侵到產(chǎn)生危害，通常經(jīng)過以下4個(gè)過程：入侵、適應(yīng)、擴(kuò)散和危害。每個(gè)階段都受到不同的因素制約，這些因素也成為了重要的評(píng)價(jià)因子?？梢钥闯觯@些因子形成不同的層次關(guān)系。因此，層次分析法（AHP）適用于外來種入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.2.2.1 評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)層次分析法的特點(diǎn)，結(jié)合渤海灣海域的實(shí)際環(huán)境和借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果，構(gòu)建如下的層次分析法指標(biāo)體系（表1）。

各指標(biāo)的含義如下：

入侵性：外來種進(jìn)入本地可能性，又由引入地的發(fā)生程度、引進(jìn)頻次和防止措施等3個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。

（1）發(fā)生程度：外來種在本地分布情況。如外來種已在本地產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，則不納入評(píng)估范圍。

（2）引進(jìn)頻次：主要是指到港船舶壓載水中發(fā)現(xiàn)的頻度。

（3）防止措施：阻止外來種入侵的各種措施，包括行政、技術(shù)和國(guó)際公約的效力。

適應(yīng)性：指的是外來種對(duì)當(dāng)?shù)馗鞣N條件的適應(yīng)，對(duì)于外來浮游植物而言，主要指氣候適應(yīng)能力、溫鹽適應(yīng)能力和其他限制因子適應(yīng)能力。

（1）氣候適應(yīng)能力：指的是外來種原分布區(qū)與入侵區(qū)的氣候的相似程度，包括溫度、光照、降雨等氣候因子。

（2）溫鹽適應(yīng)能力：該物種對(duì)入侵地水域的溫度和鹽度的適應(yīng)能力。

（3）其他限制因子適應(yīng)能力：指的是除了上述兩項(xiàng)外的其他因素，如營(yíng)養(yǎng)鹽、pH等。擴(kuò)散性：指外來種在入侵區(qū)的傳播、遷移、擴(kuò)散的可能性，包括以下6個(gè)指標(biāo)組成：（1）生長(zhǎng)速度：指單位時(shí)間內(nèi)外來物種生物量的增加量。（2）繁殖能力：指單位時(shí)間內(nèi)外來物種產(chǎn)生后代的數(shù)量。（3）擴(kuò)散能力：指外來種適應(yīng)不同棲息地生境的能力。（4）根除難度：指的是要徹底根除該物種的難度。

（5）適宜的氣候范圍：指適合外來物種生長(zhǎng)和繁殖的氣候帶的面積。

（6）控制機(jī)制：指的是控制外來種擴(kuò)散的各種措施，包括自然因素和人為措施。

危害性：指的是外來種對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的危害，包括對(duì)生物多樣性的影響以及爆發(fā)赤潮的難易程度兩個(gè)指標(biāo)。

（1）生物多樣性：外來種排斥當(dāng)?shù)匚锓N，降低生物多樣性。

圖1 外來種入侵風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過程Fig.1 Identification of invasion risk of alien species

表1 渤海灣外來物種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Tab.1 Risk assessment index system for alien species

（2）爆發(fā)赤潮的難易：該物種可能爆發(fā)赤潮的概率。

（3）產(chǎn)生毒素：該物種可以產(chǎn)生藻毒素。

1.2.2.2 評(píng)估指標(biāo)量化

在指標(biāo)體系中，有許多是定性指標(biāo)，難進(jìn)行定量分析；同時(shí)也有一些定量指標(biāo)，由于綱量的不同，也難以比較，因此需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化并無量綱，由此可以進(jìn)行定量分析。采用分級(jí)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行定量化（表2）。

1.2.2.3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)層次分析法的步驟，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重通過以下步驟完成：

（1）構(gòu)建判斷矩陣。

設(shè)Fi={F1,F2,…Fn}是一個(gè)由F層評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的指標(biāo)集；對(duì)于j=1，2，…n，Sj={ } αi1,αi2,…αij是對(duì)應(yīng)于Fi的評(píng)價(jià)因子S層組成的指標(biāo)集，于是構(gòu)建S層對(duì)F層中Fi因子的判斷矩陣P（Sij）

表2 指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criteria for ecological risk grading of assessment index

αij是指因子Si對(duì)Sj的相對(duì)重要性的標(biāo)度值，取值按表3進(jìn)行。根據(jù)AHP評(píng)價(jià)模型，從最低層開始兩兩比較，從而得出指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣，準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣。

表3 判斷矩陣中各因子標(biāo)度值Tab.3 Connotations of various factor scales in the judgment matrix

①計(jì)算判斷矩陣各行元素乘積，并計(jì)算其n次方根，得一新向量

③計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax

式中：(BW)i為向量（BW）的第i個(gè)元素。

④計(jì)算一致性比值CR，檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性

式中：CI為一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，RI按表4取值，當(dāng)CR＜0.10時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣，以便得到滿意的評(píng)價(jià)參數(shù)。

通過專家打分，根據(jù)上述計(jì)算過程，得到各指標(biāo)的權(quán)重值（表5），各個(gè)CR值均小于0.10，說明判斷矩陣具有滿意的一致性，結(jié)果可信。

表4 RI取值Tab.4 Summary of RI values

1.2.2.4 綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值與權(quán)重值，采用綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（ER）對(duì)各個(gè)外來種的入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)定義如下

式中：Pi為單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分值（分值需要?dú)w一化處理）；Wi為為評(píng)價(jià)指標(biāo)i的權(quán)重；N為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)劃分

采用五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分類進(jìn)行劃分，即從低到高依次為極低、低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)值設(shè)定在0～1，不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)需要不同的管理手段，具體見表6。

表5 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)的權(quán)重分配Tab.5 Weight allocation of the indexes of ecological risk identification

2 結(jié)果與討論

2.1 外來浮游植物

渤海灣外來浮游植物較少，僅為5種（表7）。從表7中可以看出，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。一是這些浮游植物都有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，而且繁殖速度快，它們大多是通過船舶壓截水入侵到別的區(qū)域。通常，船舶壓截倉(cāng)中環(huán)境惡劣，其他生物難以存活，而這些外來浮游植物能存活下來，說明其適應(yīng)能力非常強(qiáng)，一旦到了新的環(huán)境，比較容易適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，在適宜的環(huán)境條件下，能快速繁殖，造成赤潮爆發(fā)。二是外來浮游植物種具有多種擴(kuò)散途徑。大多的外來浮游植物的細(xì)胞和包囊可以附著在各種物體上（如漂浮物），可以隨海流而傳播；附著沉積物，在沉積物轉(zhuǎn)移到別處時(shí)，也將其帶到新地方；附著于巖石、沙子、貝類等，也隨這些物體的轉(zhuǎn)移而傳播；外來浮游植物的細(xì)胞和包囊也存在于壓截水，通過船舶來往傳播；三是一些浮游植物還能產(chǎn)生藻毒素［16］。如棕囊藻產(chǎn)生溶血毒素等有毒物質(zhì)［17］。這些有毒物質(zhì)對(duì)水體產(chǎn)生極大的負(fù)面影響，引發(fā)水生生物大量死亡，特別是對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，可以造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。更嚴(yán)重的是，這些毒素會(huì)富集于水生生物體中，通過食物鏈傳遞最終遷移到人體中，威脅人類的身體健康［18］。

外來浮游植物只要環(huán)境適應(yīng)，就可引起赤潮爆發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)環(huán)境等產(chǎn)生破壞。從表7中也可以看出，這些浮游植物大多為甲藻，且為赤潮種類，具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表6 外來物入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Criteria for ecological risk grading of alien species

表7 渤海灣外來入侵植物種類Tab.7 The alien phytoplankton in Bohai Bay

表8 渤海灣外來浮游植物入侵生態(tài)影響Tab.8 The ecological impacts of alien phytoplankton in Bohai Bay

2.2 渤海灣外來浮游植物入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

2.2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

由于渤海灣是一個(gè)半封閉的海灣，位于我國(guó)最重要經(jīng)濟(jì)圈——環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)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產(chǎn)廢水被排放到灣內(nèi)，海水富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，赤潮容易暴發(fā)［19-20］。因此，赤潮已成為渤海灣最大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過對(duì)表2中的5種外來浮游植物的入侵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，這些浮游植物的生態(tài)影響見表8。

2.2.2 外來種入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值

利用上述的計(jì)算方法，對(duì)5種外來浮游植物的入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見圖2。

從圖2中可以看出，渤海灣的5種外來浮游植物種的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值位于中等風(fēng)險(xiǎn)到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于高風(fēng)險(xiǎn)。特別是多甲藻和球形棕囊藻能產(chǎn)生藻毒素，它們的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。因此要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，特別是在赤潮易暴發(fā)的季節(jié)，要加大監(jiān)測(cè)頻率，積極采取預(yù)防措施。

圖2 渤海灣外來浮游植物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值Fig.2 The ecological risk of alien phytoplankton in Bohai Bay

3 結(jié)論

（1）渤海灣海洋水域中共發(fā)現(xiàn)5種浮游植物，除了威氏圓篩藻外，其他4種均為世界廣布性赤潮種類。

（2）利用層次分析法，以渤海灣浮游植物為例對(duì)外來種的入侵生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)渤海灣的5種外來浮游植物種的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值位于中等風(fēng)險(xiǎn)到高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，其中，多甲藻、球形棕囊藻和威氏圓篩藻的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于高風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)監(jiān)控。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21307045）；交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（TKS160113）

覃雪波（1977-），男，廣西宜州人，副研究員，博士，主要從事生態(tài)學(xué)研究。

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