北極海運(yùn)對航道生態(tài)環(huán)境的潛在影響分析

何劍鋒 張俠 陸志波 王娟 陳之依

研究綜述

北極海運(yùn)對航道生態(tài)環(huán)境的潛在影響分析

何劍鋒1,2張俠1陸志波2王娟2陳之依1,2

(1自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國極地研究中心, 上海 200136;2同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092)

隨著北極快速升溫和海冰儲(chǔ)量迅速下降, 北極航道的適航性已大幅提高。北極生態(tài)環(huán)境脆弱, 北極海運(yùn)活動(dòng)增加對當(dāng)?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)的影響問題備受國際社會(huì)關(guān)注。海運(yùn)對生態(tài)環(huán)境影響包括溢油、排污、噪聲、引入外來物種以及船體對海洋哺乳動(dòng)物的直接傷害等多種因素。本文對北極近年生態(tài)環(huán)境和航運(yùn)活動(dòng)現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行概要分析, 對影響航道生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)分析, 并結(jié)合層次分析法對影響指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行評估, 顯示風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最高的影響指標(biāo)為廢氣排放、廢水排放和燃油/有毒化學(xué)物質(zhì)泄漏。在海運(yùn)活動(dòng)不斷增強(qiáng)的背景下, 未來應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對污染防控技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。本文同時(shí)從可持續(xù)利用北極的角度, 提出了北極航道利用需要同步推進(jìn)的研發(fā)污染防控技術(shù)、構(gòu)建生態(tài)功能區(qū)劃、建立綜合監(jiān)測評價(jià)體系和加強(qiáng)穿極航道相關(guān)研究等建議。

北極航道 海運(yùn) 生態(tài)系統(tǒng) 環(huán)境

0 引言

在北極快速變化背景下, 北極的鳥類和哺乳類, 受到氣候變化、人類活動(dòng)增強(qiáng)(旅游、航運(yùn)、油氣開采、海洋工程建設(shè))、傳染病、棲息地消失或退化(海冰消融、溢油、噪聲等)、污染(持久性有機(jī)物污染物、汞等)、狩獵、外來物種入侵、食譜變化(食物數(shù)量和活動(dòng)區(qū)域的變化)等多重因素的影響[1], 其中氣候變化是迄今對北極生物多樣性的最大威脅[2]。隨著海冰的消退和航道適航性的增強(qiáng), 北極航道的利用程度將會(huì)大幅提高[3], 可能使氣候變化影響北極生物多樣性問題雪上加霜。如何保護(hù)脆弱的生態(tài)環(huán)境是發(fā)展北極航運(yùn)必須面對的課題[4]。據(jù)北極理事會(huì)《2009北極海運(yùn)評估報(bào)告》[5], 北極海運(yùn)對生態(tài)環(huán)境的影響主要包括3個(gè)方面: (1)溢油、排污和燃油大氣排放造成的污染; (2)噪聲、破冰影響、碰撞致傷和光學(xué)干擾; (3)通過壓艙水、船體生物附著物和貨物引入外來物種對本地生態(tài)系統(tǒng)的影響。與此同時(shí), 隨著航運(yùn)船只的增加, 影響海洋環(huán)境的事故風(fēng)險(xiǎn)也在加大。本文對北極海洋生態(tài)環(huán)境特征及自然變化進(jìn)行總結(jié), 對航道海運(yùn)現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行分析, 對潛在的影響因子進(jìn)行分析評估, 并從最大限度減緩影響程度的角度, 提出了航道生態(tài)環(huán)境保護(hù)的若干建議。

1 北極海洋生態(tài)環(huán)境變化及趨勢

北極的升溫速率為全球平均值的2～3倍[1,6], 升溫導(dǎo)致北極海冰儲(chǔ)量快速下降。2018年北極海冰的最低儲(chǔ)量僅為5033 km3, 不到1979年的30%。海冰快速變化會(huì)對海冰生物、環(huán)斑海豹和北極熊等以海冰作為棲息地的物種造成最為直接的負(fù)面影響[7]; 海冰的減少和減薄會(huì)促進(jìn)浮游植物水華和冰下浮游植物水華的形成, 從而影響到包括魚類、鳥類和哺乳動(dòng)物在內(nèi)的整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1,8-10]。研究表明, 受海冰減少、生長期延長等因素的影響, 1998—2012年間北冰洋的年凈初級產(chǎn)量增加了30%[11]; 1975—2012年間楚科奇海海冰快速消退引起鳥類食譜發(fā)生變化, 進(jìn)而導(dǎo)致東部海鳥數(shù)量下降了75%[12]; 2017—2018年度海冰覆蓋面積的下降導(dǎo)致白令海區(qū)初級產(chǎn)量比平常高出5倍[1]。根據(jù)北極理事會(huì)北極動(dòng)植物保護(hù)工作組(The Conservation of Arctic Flora and Fauna, CAFF)的預(yù)測, 受海冰消退影響, 北極熊數(shù)量在未來45年將減少30%[2]?？傮w而言, 北極海洋生態(tài)環(huán)境正在發(fā)生著快速變化, 這種變化的最大動(dòng)因源于全球變化。北極增暖(進(jìn)而引起海溫升高和海洋酸化加劇等環(huán)境變化)所導(dǎo)致的北冰洋生態(tài)系統(tǒng)變化具有全海域和全系統(tǒng)的特點(diǎn), 并且隨著北極增溫的持續(xù), 其生態(tài)效應(yīng)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

2 北極海運(yùn)現(xiàn)狀及趨勢

北極地區(qū)的海運(yùn)活動(dòng)總體呈上升趨勢。據(jù)2013—2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 進(jìn)入北極[“極地水域船舶航行安全規(guī)則”(Polar Code, 以下簡稱“極地規(guī)則”)定義的區(qū)域]的船舶數(shù)量從2013年的784艘增至2019年的977艘, 增長25%, 總航程增長75%, 其主要貢獻(xiàn)來源于在巴倫支海和白令海區(qū)活動(dòng)的漁船, 而加拿大北極區(qū)鐵礦石開采等增加導(dǎo)致散裝船的航程增長了160%[13]。而據(jù)俄羅斯北方海航道管理局的統(tǒng)計(jì)(https://arctic-lio.com/ nsr-shipping-traffic- transits-in-2019/), 2019年度北方海航道總貨運(yùn)量為3150萬噸, 較前兩年的1070萬噸和1970萬噸有了顯著增長, 但主要為油氣輸出, 過境運(yùn)輸量僅為37艘次、69.73萬噸, 占航道總貨運(yùn)量的2.2%。航道總運(yùn)輸量和過境運(yùn)輸量分別為同年利用蘇伊士運(yùn)河的2.6%和0.06%[蘇伊士運(yùn)河管理局(SCA): 18880艘次、12億噸], 實(shí)際利用仍處于低位。

圖1為2011—2019年東北航道過境船舶數(shù)量統(tǒng)計(jì), 顯示在此期間過境東北航道的艘次沒有明顯增加, 在2013年達(dá)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年我國6個(gè)航次中含非過境航次, 管理局公布的數(shù)據(jù)為2艘次)。中國自2013年永盛輪首航北極至2019年底, 中遠(yuǎn)海運(yùn)特運(yùn)有限公司已完成18艘31個(gè)東北航道航次(http://spe.coscoshipping.com/art/2019/10/13/art_12481_120481.html), 其中2019年達(dá)到9艘次的最高值, 呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(圖1)。但在2019年8月—2020年1月, 從環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益、國際政治壓力等因素考量, 全球已有11家航運(yùn)公司承諾不再使用北極航線, 其中包括了達(dá)飛集團(tuán)(CMA CGM)、地中海航運(yùn)公司(MSC)和赫伯羅特股份公司(Hapag-Lloyd AG)等全球排名前5的船運(yùn)公司。中國對東北航道利用的不斷增長, 將面臨更大的生態(tài)保護(hù)壓力。

圖 1 2011—2019年東北航道過境船舶數(shù)量(據(jù)俄羅斯北方海航道管理局公布的數(shù)據(jù))

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

3 北極海運(yùn)對生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 燃油/有毒化學(xué)物質(zhì)泄露

《2009北極海運(yùn)評估報(bào)告》羅列的海運(yùn)對生態(tài)環(huán)境的10個(gè)主要影響因子中, 事故導(dǎo)致的燃油/有毒化學(xué)物質(zhì)泄漏被認(rèn)為是危害最大的一個(gè)[5]。它會(huì)嚴(yán)重?fù)p害生態(tài)系統(tǒng)健康并導(dǎo)致海洋生物死亡, 并可持續(xù)影響數(shù)十年。溢油在北極低溫環(huán)境下難以降解; 若泄漏在冰上, 將更加難以清除和降解, 并會(huì)隨冰漂移至更遠(yuǎn)的距離。重燃油(HFO)是原油提取汽油、柴油后的剩余重質(zhì)油, 它的使用對環(huán)境造成污染較重, 但因價(jià)格相對低廉而被廣泛用作船舶燃油。據(jù)2017年的統(tǒng)計(jì), 北極航運(yùn)中HFO的使用量約占58%[14]。國際海事組織(IMO)有關(guān)《防止船舶污染國際公約》(MAPROL公約)附則I新增的第9章第43條禁止在南極航行的船舶裝載、攜帶或使用三類燃油的規(guī)定, 已于2011年8月1日正式生效, 禁止在北極載運(yùn)和使用HFO正在積極推進(jìn)。當(dāng)然, 在某些場合(如開闊海域和大風(fēng)環(huán)境), 輕燃油泄漏會(huì)比重燃油容易擴(kuò)散到更大海域范圍[15]。優(yōu)化船型結(jié)構(gòu)、提高船的穩(wěn)性和完整性, 有助于防止溢油的發(fā)生[16]。

3.2 廢水排放

IMO已于2017年1月開始啟用環(huán)保要求更為嚴(yán)格的“極地規(guī)則”, 制訂了包括海洋環(huán)境保護(hù)在內(nèi)的強(qiáng)制性要求, 禁止極地航行船舶排放燃油、含油混合物、有毒液體和有害化學(xué)物質(zhì)入海, 同時(shí)建立了較為嚴(yán)格的垃圾處理規(guī)定[17]。但目前廢水和灰水排放管理則顯得較為溫和。根據(jù)MARPOL公約附則IV《防止船舶生活污水污染規(guī)則》第3章第11條的規(guī)定, 允許船舶在離岸12海里之外的海域直接排放未經(jīng)處理的來自廁所等處的生活廢水[18], 而對洗滌和洗澡等產(chǎn)生的、污染程度較低的灰水排放則沒有任何限制, 除非沿岸國家有相關(guān)法律要求。而灰水中可能含有的細(xì)菌、金屬元素、化學(xué)物質(zhì)、病菌、食物殘?jiān)约案邼舛鹊牡⒘椎葼I養(yǎng)物質(zhì), 會(huì)對航道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。隨著海冰消退, 在屬于公海區(qū)的北冰洋中央?yún)^(qū)活動(dòng)的船舶將會(huì)增加, 而該海域的生態(tài)系統(tǒng)比其他北極海域更為脆弱, 生活廢水排放可能導(dǎo)致的環(huán)境污染問題需引起足夠重視。

3.3 廢氣排放

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)等顆粒物(PM)[19]。因船舶數(shù)量有限, 向大氣污染物排放很有限。以2019年度為例, 在IMO北極極地規(guī)則區(qū)航行的船舶CO2排放量約為211萬噸(根據(jù)2017年度185萬噸和2017/ 2019航程=940萬海里/1070萬海里來推算[13-14]), 占～12億噸全球船舶排放量的0.2%, 占330億噸全球燃燒化石燃料產(chǎn)生的CO2總排放量的0.007%, 要比因增溫導(dǎo)致凍土每年凈釋放3～6億噸碳低兩個(gè)數(shù)量級(https://arctic.noaa.gov/Report-Card/Report- Card-2019)。同時(shí), 北極航運(yùn)的啟用對減少全球航運(yùn)排氣具有積極意義。我國利用東北航道可以降低約1/4的油料消耗和碳排放。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2013—2018年中遠(yuǎn)海運(yùn)特運(yùn)有限公司的22個(gè)北極航次相比穿越蘇伊士運(yùn)河的傳統(tǒng)北歐航次共減少燃油消耗8948噸, 減少CO2排放27833噸(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積會(huì)加速海冰融化,對北極增溫存在正反饋效應(yīng)?？刂?如禁止使用重油)和工藝控制(如尾氣清潔系統(tǒng))可顯著降低黑炭和SO等污染物排放, 使用液化天然氣(LNG)或輕柴油(MGO)可以使NO/SO/PM/BC的排放量減少85%～98%或35%～94%[14,20]。

3.4 噪聲干擾

北極哺乳動(dòng)物當(dāng)?shù)胤N有7種: 環(huán)斑海豹、髭海豹、海象、弓頭鯨、白鯨、一角鯨和北極熊[21]。船舶噪聲主要為5～500 Hz的低頻噪聲, 在北極冰區(qū), 頻率為15～30 Hz的聲波傳播最佳[22-23]; 噪聲與哺乳動(dòng)物發(fā)聲頻譜有重疊, 例如弓頭鯨夏季發(fā)出的音頻為50～1000 Hz, 一角鯨發(fā)聲頻率為400～15000 Hz[24-25]。對西北航道上述7個(gè)種類80個(gè)種群的研究表明, 其中42個(gè)種群會(huì)受到航線船舶噪聲的影響; 白鯨和一角鯨對噪聲敏感, 環(huán)斑海豹對水下噪聲的忍受度要高于鯨, 但也會(huì)主動(dòng)遠(yuǎn)離密集噪聲區(qū)[26-28]。模型顯示, 高噪音船舶可以影響52 km以外哺乳動(dòng)物的行為, 而低噪音船舶可以把影響距離降至2 km[24]。海洋酸化也會(huì)降低400～5000 Hz音頻的吸收, 從而增加該音頻的傳播距離(最大近40%[29])。海冰減少的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)引起的噪聲增加[30], 需要對船舶噪聲影響有一個(gè)科學(xué)的綜合評估。提高船舶建造和動(dòng)力推進(jìn)工藝, 生產(chǎn)使用低噪聲船舶; 避開聚集地, 無法避免時(shí)降低船速[31]; 測量噪聲等級, 記錄海洋動(dòng)物活動(dòng), 使用聲音威懾器(ADD)驅(qū)離海洋動(dòng)物, 可以有效降低噪聲的影響。

3.5 外來種引入

外來種會(huì)通過航運(yùn)的壓艙水和船體生物附著物引入, 會(huì)與當(dāng)?shù)胤N競爭, 導(dǎo)致棲息地、生物多樣性、食物網(wǎng)和生態(tài)穩(wěn)定性的改變[32], 可能導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和健康問題。目前北極多數(shù)地區(qū)尚未被外來物種侵?jǐn)_[2], 但隨著航海活動(dòng)的增加, 這種威脅正在增加[33]。研究和模式表明, 斯瓦爾巴群島峽灣排泄的壓艙水中含有23個(gè)浮游動(dòng)物外來種, 其中僅有1種適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境, 但適應(yīng)種會(huì)隨著未來的持續(xù)升溫而增加[34], 從而加大對當(dāng)?shù)厣锶郝涞耐{。由于現(xiàn)有的壓艙水處理裝置標(biāo)準(zhǔn)未必適應(yīng)北極，并且也沒有要求把壓艙水中的微生物數(shù)量降至安全濃度[35], 有必要加強(qiáng)對壓艙水導(dǎo)致的物種入侵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測和評估, 同時(shí)提升壓艙水的處理工藝。避免因生物附著而引入外來種最有效的方法是涂上一層能抵抗海冰刮擦并能有效防污的油漆[35]; 若出現(xiàn)明顯的生物附著物, 需要及時(shí)加以清除。此外, 氣候變化和自然資源開采活動(dòng)等也可能導(dǎo)致外來種入侵[36-37], 需要在分析時(shí)加以考慮。

3.6 其他影響因子

其他影響因子包括破冰干擾、碰撞致傷和光學(xué)干擾等。其中, 船舶的破冰過程可能對附近冰面上海豹等哺乳動(dòng)物的棲息產(chǎn)生短暫的干擾。其他的干擾包括, 打擾冰間水道和冰間湖動(dòng)物越冬和遷移, 破壞陸上哺乳動(dòng)物冰上遷徙通道等。

碰撞導(dǎo)致哺乳動(dòng)物受傷在生物種群數(shù)量有限的情況下是小概率事件。統(tǒng)計(jì)顯示, 1990—2012年在白令海-楚科奇海-波弗特海漁獲的521頭弓頭鯨中約12%存在傷痕, 主要是漁網(wǎng)纏繞等造成的, 因船舶撞擊造成的僅占約2%[38]。到目前為止, 減少船舶對哺乳動(dòng)物的直接碰撞的唯一方法就是避開哺乳動(dòng)物聚集區(qū)或在必經(jīng)之地降低船速, 略微更改航向遠(yuǎn)離所看到的鯨類動(dòng)物。確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 從而科學(xué)設(shè)置航線或限速, 對主要種群進(jìn)行監(jiān)測, 并把鯨群的活動(dòng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給經(jīng)過的船只, 是減緩這種傷害的有效措施。

對于在極夜期間仍有活動(dòng)的生物而言, 月光、星光和北極光都可能成為影響其分布和行為的重要因素, 但船舶強(qiáng)光可以覆蓋這些弱光, 從而干擾其分布和行為。研究顯示, 冬季極夜期間人造光源可以影響到200 m以深魚類和浮游動(dòng)物的行為[39]。只是冬季船舶活動(dòng)數(shù)量有限, 中國至少在很長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)在冬季去使用航道。

北極航道船舶活動(dòng)的增加會(huì)導(dǎo)致船舶事故增加, 從而給航道生態(tài)環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 1995—2004年間北極海域發(fā)生的船舶事故為293起, 2008—2017年間增加至507起, 并呈逐年上升趨勢, 但多數(shù)為活躍在喀拉海和巴倫支海俄羅斯老舊漁船的機(jī)損事故, 很少導(dǎo)致環(huán)境污染[5,40], 尚未發(fā)生過境船舶出現(xiàn)重大事故。

3.7 各因子風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分析

基于上述分析, 建立北極航運(yùn)對生態(tài)環(huán)境潛在影響因子一覽表(表1), 并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事故的特征, 分別從發(fā)生概率、影響范圍和影響后果3個(gè)方面對各影響因子進(jìn)行總體風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評估。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)定義: 指某種特定的危險(xiǎn)事件(事故或意外事件)發(fā)生的可能性與其產(chǎn)生的后果的組合, 可用事故發(fā)生概率()與事故造成后果()的乘積來表征風(fēng)險(xiǎn)值(), 即:

=×

其中,參照北極理事會(huì)《2009北極航運(yùn)評估報(bào)告》進(jìn)行評價(jià)及賦值, 分為5個(gè)等級: 極大、大、中、小、極小, 依次賦值1.0、0.8、0.6、0.4、0.2;從“影響范圍”()和“影響程度”()兩個(gè)方面取其平均值進(jìn)行表征, 即:

其中,同樣分為5個(gè)等級: 極大、大、中、小、極小, 依次賦值1.0、0.8、0.6、0.4、0.2;賦值則采用層次分析法(AHP法), 通過確定各因子影響的權(quán)重來表征。

AHP法是指將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次, 在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法, 比較適合于具有分層交錯(cuò)評價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng), 而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題。主要步驟為如下。

1.建立層次結(jié)構(gòu)模型, 將影響因子分為3個(gè)一級指標(biāo)(A、B、C)和10個(gè)二級指標(biāo)(A1～A3、B1～B4、C1～C3)(表1)。

2.把3個(gè)一級指標(biāo)構(gòu)成1個(gè)判斷矩陣、10個(gè)二級指標(biāo)構(gòu)成3個(gè)判斷矩陣, 將每個(gè)矩陣的所有因子采用相對尺度兩兩比較。采用1～9標(biāo)度法賦值(表2), 矩陣中=X×,X×中x= 1/x。

表1 北極航運(yùn)對航道生態(tài)環(huán)境的潛在影響評估表

*: 影響效果剔除了垃圾入海等違規(guī)操作導(dǎo)致的影響。

表2 判斷矩陣標(biāo)度定義

3.采用和積法分別計(jì)算一級指標(biāo)和二級指標(biāo)影響程度相對權(quán)重。各指標(biāo)相對權(quán)重為該指標(biāo)在矩陣橫行每個(gè)賦值占其所在縱列賦值總和比重的平均值, 獲得的數(shù)值見表3。各二級指標(biāo)的影響程度()綜合權(quán)重為其相對權(quán)重與其對應(yīng)一級指標(biāo)相對權(quán)重的積(見表1)。

表3 計(jì)算得到的各指標(biāo)影響程度相對權(quán)重

4.為判斷所獲得權(quán)重的科學(xué)性, 需要引入一致性指標(biāo)對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

其中,max為該矩陣過的最大特征值。值越小, 說明矩陣的一致性越好, 當(dāng)取值為 0時(shí), 表明矩陣具有完全一致性。同時(shí), 為檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性, 需要定義檢驗(yàn)系數(shù)。

其中,為隨機(jī)一致性指標(biāo), 其標(biāo)準(zhǔn)值見表4。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值

通常情況<0.1時(shí)認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn), 則可以根據(jù)確定的權(quán)重進(jìn)行分析決策, 反之, 則需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整, 直到通過一致性檢驗(yàn)。本研究矩陣見表3, 符合一致性檢驗(yàn)。

5.計(jì)算得出各因子總體風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值(表1), 計(jì)算公式如下:

表1顯示, 各影響因子的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)由高到低排序?yàn)? 廢氣排放>廢水排放>燃油/有毒化學(xué)物質(zhì)泄漏>壓艙水引入>噪聲干擾>破冰干擾>船體生物附著物引入>碰撞致傷>貨物攜帶引入>光學(xué)干擾。在海運(yùn)活動(dòng)不斷增強(qiáng)的背景下, 為確保航道生態(tài)和環(huán)境健康, 通過技術(shù)進(jìn)步來減少污染物的排放成為當(dāng)務(wù)之急。同時(shí), 要加強(qiáng)燃油/有毒化學(xué)物質(zhì)泄漏、壓艙水和噪聲等影響因子對生態(tài)環(huán)境的影響監(jiān)測、評估和管理, 推進(jìn)航道的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

我們應(yīng)該看到, 目前北極航運(yùn)相對全球航運(yùn)而言仍處于低位。若延續(xù)2013～2019年北冰洋海運(yùn)活動(dòng)航程線性增長趨勢[13], 2025年北極航運(yùn)導(dǎo)致的CO2排放量也僅有296萬噸。北極航運(yùn)對生態(tài)環(huán)境的影響應(yīng)更關(guān)注對局域而非全球的影響, 如黑炭、廢水排放等影響。同時(shí), 要考慮到海運(yùn)僅是影響航道生態(tài)環(huán)境的其中一個(gè)因素, 水溫升高、海洋酸化和環(huán)境污染等都是重要的影響因子。例如, 北極大西洋扇區(qū)虎鯨體內(nèi)多氯聯(lián)苯(PCB)高含量已影響其免疫和內(nèi)分泌系統(tǒng)功能, 從而威脅到種群數(shù)量的長期穩(wěn)定[41]。需對關(guān)鍵影響因子進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的系統(tǒng)、綜合評估, 從而支撐科學(xué)決策, 確保航道利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的平衡。

4 對策建議

在北極東北航道、西北航道和穿極航道中, 東北航道的適航性最高[42]。中國在《中國的北極政策》白皮書中明確表示, 中國將著力促進(jìn)北極的可持續(xù)發(fā)展。中國愿依托北極航道的開發(fā)利用, 與各方共建“冰上絲綢之路”; 而俄羅斯正在極力推進(jìn)北方海航道的利用, 以促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 雙方存在互惠互利、合作共贏的基礎(chǔ)。同時(shí)由于北方海航道位于俄羅斯200 海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi), 參與合作也成為必然的選擇。

從上述分析可以看出, 對北極航道利用、特別是過境航運(yùn), 對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響還是相對較小和可控的, 但隨著航運(yùn)活動(dòng)的增加, 不斷加強(qiáng)對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)將成為必然。如IMO已承諾到2050年把航運(yùn)碳排減至2008年一半的水平。為推進(jìn)我國的北極航道利用, 同時(shí)提前布局國際社會(huì)對北極航道生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求[43-45], 促進(jìn)北極的可持續(xù)利用, 推進(jìn)我國北極相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 可積極開展和參與以下4個(gè)方面的工作。

1.積極推進(jìn)污染防控技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用, 不斷提升船舶工藝水平

為了最大限度降低船舶航行對航道的生態(tài)環(huán)境影響, 一方面需要加強(qiáng)對航道本底、特別是活動(dòng)密集區(qū)的本底監(jiān)測, 評估灰水和黑炭等排放對環(huán)境的實(shí)際影響; 另一方面, 應(yīng)積極推進(jìn)溢油控制、污水處理、尾氣凈化等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用, 推進(jìn)新能源的應(yīng)用, 提升螺旋槳的靜音性能, 優(yōu)化船型設(shè)計(jì), 確保航道利用的同時(shí)能最大限度保護(hù)航道生態(tài)環(huán)境, 同時(shí)促進(jìn)我國船舶工業(yè)和極端環(huán)境環(huán)保技術(shù)的發(fā)展。

2.構(gòu)建生態(tài)功能區(qū)劃和健康評估技術(shù), 科學(xué)制定航線和活動(dòng)區(qū)域

北極理事會(huì)北極監(jiān)測和評估項(xiàng)目組已完成針對北冰洋大型鳥類和哺乳動(dòng)物的重要生態(tài)區(qū)分析[46]。但實(shí)際上, 不同季節(jié)生物種群數(shù)量和分布會(huì)有很大差異。需在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上根據(jù)不同季節(jié)進(jìn)一步細(xì)化生態(tài)區(qū), 并建立海洋健康評估技術(shù)。主航道設(shè)計(jì)盡量避開這些重要生態(tài)區(qū), 或在經(jīng)過維利基茨基海峽等必經(jīng)區(qū)域時(shí)緩行, 可最大限度減少對大型生物的影響。

3.建立綜合監(jiān)測評價(jià)體系, 加強(qiáng)管理體系建設(shè)

需建立航道生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 科學(xué)評估比較氣候變化、船舶航行和其他人類活動(dòng)對航道生態(tài)環(huán)境的影響, 為平衡航道利用和環(huán)境保護(hù)的決策提供科學(xué)依據(jù)。制定相應(yīng)的政策, 加強(qiáng)對北極航道的生態(tài)環(huán)境管理; 加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè), 強(qiáng)化事故的應(yīng)急處置能力; 對重要種群進(jìn)行監(jiān)測, 并組織過往船舶提供相關(guān)信息, 實(shí)時(shí)掌握種群的活動(dòng); 及時(shí)提供優(yōu)化的航行路線, 并為經(jīng)過的船舶提出預(yù)警, 岸站和船舶間以及船舶和船舶間共享相關(guān)信息。

4.提前布局穿極航道, 系統(tǒng)積累相關(guān)環(huán)?？萍汲晒?/p>

北冰洋中央?yún)^(qū)作為公海, 是目前北冰洋認(rèn)知最為匱乏、生態(tài)環(huán)境最為脆弱、但同時(shí)也是我們可以自由開展科考活動(dòng)的海域。因資料缺乏, 北極理事會(huì)的北冰洋重要生態(tài)區(qū)劃僅僅把整個(gè)北冰洋公海區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行劃定[46]。廢水等在該海域的排放可能會(huì)顯著影響其環(huán)境和生物生產(chǎn)。需提前布局, 系統(tǒng)積累該海域生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)資料以及重要研究和技術(shù)成果, 為北冰洋中央?yún)^(qū)的治理和穿極航道利用奠定基礎(chǔ)。

1 AMAP.Arctic Climate Change Update 2019: An update to key findings of snow, water, ice and permafrost in the Arctic (SWIPA) 2017[R].Oslo, Norway: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2019.

2 CAFF.Arctic biodiversity assessment: report for policy makers[R].Akureyri, Iceland: Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF), 2013.

3 Committee on the Marine Transportation System (CMTS).A ten-year prioritization of infrastructure needs in the U.S.Arctic[R].Arctic National Strategy for the Arctic Region Implementation Plan Task 1.2.http://www.cmts.gov/.

4 曹玉墀, 劉大剛, 劉軍坡.北極海運(yùn)對北極生態(tài)環(huán)境的影響及對策[J].世界海運(yùn), 2011, 34(12): 1-4.

5 AC.Arctic marine shipping assessment 2009 report[R].Akureyri, Island: Arctic Council (AC), 2009.

6 IPCC.Global Warming of 1.5℃.An IPCC Special Report[R].Geneva: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2018.

7 CAFF.Life linked to ice: a guide to sea-ice-associated biodiversity in this time of rapid change[R].Akureyri, Iceland: Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF) International Secretariat, 2013.

8 何劍鋒, 張芳.北冰洋環(huán)境快速變化與生態(tài)響應(yīng)[J].自然雜志, 2012, 34(2): 96-101, 125.

9 HORVAT C, JONES D R, IAMS S, et al.The frequency and extent of sub-ice phytoplankton blooms in the Arctic Ocean[J].Science Advances, 2017, 3(3): e1601191.

10 HUNTINGTON H P, DANIELSON S L, WIESE F K, et al.Evidence suggests potential transformation of the Pacific Arctic ecosystem is underway[J].Nature Climate Change, 2020, 10(4): 342-348.

11 ARRIGO K R, VAN DIJKEN G L.Continued increases in Arctic Ocean primary production[J].Progress in Oceanography, 2015, 136: 60-70.

12 GALL A E, MORGAN T C, DAY R H, et al.Ecological shift from piscivorous to planktivorous seabirds in the Chukchi Sea, 1975-2012[J].Polar Biology, 2017, 40(1): 61-78.

13 PAME.Arctic shipping status report #1: The increase in Arctic shipping 2013–2019[R].Akureyri, Iceland: Protection of the Arctic Enviornment (PAME), 2020.

14 PAME.Alternative fuels in the Arctic[R].Hfvik, Norway: DNV GL, 2019.

15 HELLE I, M?KINEN J, NEVALAINEN M, et al.Impacts of oil spills on Arctic marine ecosystems: A quantitative and probabilistic risk assessment perspective[J].Environmental Science & Technology, 2020, 54(4): 2112-2121.

16 KIRCHNER S, KLEEMOLA-JUNTUNEN P.Dumping and oil pollution: Regulatory approaches for vessel operations in an ice-free Central Arctic Ocean[J].Review of European, Comparative & International Environmental Law, 2018, 27(1): 28-34.

17 DEGGIM H.The international code for ships operating in polar waters (Polar Code)[M]//Sustainable Shipping in a Changing Arctic.Cham: Springer International Publishing, 2018: 15-35.

18 IMO.The international convention for the prevention of pollution from ships (MARPOL)[R].London, England: International Maritime Orgaization (IMO), 1973/1978.

19 SCHR?DER C, REIMER N, JOCHMANN P.Environmental impact of exhaust emissions by Arctic shipping[J].Ambio, 2017, 46(3): 400-409.

20 WINTHER M, CHRISTENSEN J H, ANGELIDIS I, et al.Emissions from shipping in the Arctic from 2012-2016 and emission projections for 2020, 2030 and 2050[R].Aarhus, Denmark: Aarhus University, 2017.

21 CAFF.State of the Arctic Marine Biodiversity Report[R].Akureyri, Iceland: Conservation of Arctic Flora and Fauna (CAFF) International Secretariat, 2017.

22 張國勝, 顧曉曉, 邢彬彬, 等.海洋環(huán)境噪聲的分類及其對海洋動(dòng)物的影響[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 89-94.

23 李啟虎, 王寧, 趙進(jìn)平, 等.北極水聲學(xué): 一門引人關(guān)注的新型學(xué)科[J].應(yīng)用聲學(xué), 2014, 33(6): 471-483.

24 HALLIDAY W D, INSLEY S J, HILLIARD R C, et al.Potential impacts of shipping noise on marine mammals in the western Canadian Arctic[J].Marine Pollution Bulletin, 2017, 123(1/2): 73-82.

25 BLACKWELL S B, TERVO O M, CONRAD A S, et al.Spatial and temporal patterns of sound production in East Greenland narwhals[J].PLoS One, 2018, 13(6): e0198295.DOI:10.1371/journal.pone.0198295.

26 AULANIER F, SIMARD Y, ROY N, et al.Effects of shipping on marine acoustic habitats in Canadian Arctic estimated via probabilistic modeling and mapping[J].Marine Pollution Bulletin, 2017, 125(1/2): 115-131.

27 HAUSER D D W, LAIDRE K L, STERN H L.Vulnerability of Arctic marine mammals to vessel traffic in the increasingly ice-free Northwest Passage and Northern Sea Route[J].PNAS, 2018, 115(29): 7617-7622.

28 PAME.Underwater noise in the Arctic: A state of knowledge report[R].Akureyri, Island: Protection of the Arctic Marine Environment (PAME) Secretariat, 2019.

29 DUDA T F.Acoustic signal and noise changes in the Beaufort Sea Pacific Water duct under anticipated future acidification of Arctic Ocean waters[J].The Journal of the Acoustical Society of America, 2017, 142(4): 1926-1933.

30 STAFFORD K M, CASTELLOTE M, GUERRA M, et al.Seasonal acoustic environments of beluga and bowhead whale core-use regions in the Pacific Arctic[J].Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2018, 152: 108-120.

31 PINE M K, HANNAY D E, INSLEY S J, et al.Assessing vessel slowdown for reducing auditory masking for marine mammals and fish of the western Canadian Arctic[J].Marine Pollution Bulletin, 2018, 135: 290-302.

32 MOLNAR J L, GAMBOA R L, REVENGA C, et al.Assessing the global threat of invasive species to marine biodiversity[J].Frontiers in Ecology and the Environment, 2008, 6(9): 485-492.

33 MILLER A W, RUIZ G M.Arctic shipping and marine invaders[J].Nature Climate Change, 2014, 4(6): 413-416.

34 WARE C, BERGE J, JELMERT A, et al.Biological introduction risks from shipping in a warming Arctic[J].Journal of Applied Ecology, 2016, 53(2): 340-349.

35 COHEN A N.Ship-mediated bioinvasions in the Arctic: pathways and control strategies[R].London, England: United Nations International Maritime Organization(IMO), Marine Environmental Protection Committee(MEPC), 2016.

36 FERNANDEZ L, KAISER B A, VESTERGAARD N.Marine invasive species in the Arctic[R].Copenhagen, Denmark: Nordic Council of Ministers, 2014.

37 CAFF and PAME.Arctic invasive alien species: strategy and action plan, conservation of Arctic flora and fauna and protection of the Arctic marine environment[R].Akureyri, Iceland: CAFF and PAME International Secretariats, 2017.

38 GEORGE J C, SHEFFIELD G, REED D J, et al.Frequency of injuries from line entanglements, killer whales, and ship strikes on Bering-Chukchi-Beaufort seas bowhead whales[J].Arctic, 2017, 70(1): 37-46.

39 BERGE J, GEOFFROY M, DAASE M, et al.Artificial light during the polar night disrupts Arctic fish and zooplankton behaviour down to 200 m depth[J].Communications Biology, 2020, 3(1): 102.

40 付姍姍, 劉燕平, 席永濤, 等.北極水域船舶事故特征及關(guān)聯(lián)規(guī)則分析[J].極地研究, 2020, 32(1): 102-111.

41 AMAP.AMAP Assessment 2018: Biological effects of contaminants on Arctic wildlife and fish, summary for policy-makers[R].Oslo, Norway: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2019.

42 張俠, 楊惠根, 王洛.我國北極航道開拓的戰(zhàn)略選擇初探[J].極地研究, 2016, 28(2): 267-276.

43 楊劍.北極航運(yùn)與中國北極政策定位[J].國際觀察, 2014(1): 123-137.

44 PAME.Framework for a pan-Arctic network of marine protected areas[R].Akureyri, Island: Protection of the Arctic Marine Environment (PAME) Secretariat, 2015.

45 ASHLEY ROACH J.Beyond the Polar Code: IMO measures for assuring safe and environmentally sound Arctic navigation[M]//Sustainable Shipping in a Changing Arctic.Cham: Springer International Publishing, 2018: 51-71.

46 AMAP/CAFF/SDWG.Identification of Arctic marine areas of heightened ecological and cultural significance: Arctic Marine Shipping Assessment (AMSA) IIc[R].Oslo, Norway: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2013.

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月收到來稿, 2021年4月收到修改稿

國家自然科學(xué)基金(41976230, 41476168)資助

何劍鋒, 男, 1968年生。研究員, 主要從事極地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究。E-mail: hejianfeng@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20200041