李延峰　宋秀賢　吳在興　俞志明

(1. 中國科學院海洋研究所　海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室　青島　266071; 2. 中國科學院大學　北京　100049)

隨著世界人口的不斷增加, 人地矛盾日益突顯,人們便開始向海洋尋求新的發(fā)展。海洋資源的高強度開發(fā)與利用, 在促進沿岸社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時,也給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來一些負面影響, 甚至造成嚴重威脅, 如何有效地開展人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的定量化評價已成為海域管理的研究熱點。目前,較多學者以海洋生態(tài)系統(tǒng)為研究視角, 從海水理化性質(Brickeret al, 2003; 陳鳴淵等, 2007)、污染物狀況(Groteet al, 2005; 劉慧慧等, 2013)、海洋生物指示物種(Gasparet al, 2012; 韓志萍等, 2012)、生物群落結構(Cabralet al, 2012; 蔡文倩等, 2012)、多種參數(shù)綜合(Borjaet al, 2008; 李延峰等, 2014)、以及利用海洋生態(tài)系統(tǒng)的服務價值(Halpernet al, 2012; 張秀英等, 2013)等側面反映人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的作用, 而直接從人類活動的視角開展相關研究的文獻報道并不多見。在海洋開發(fā)與保護并重的時代, 人類活動對近海生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視, 迫切需要以新的研究視角發(fā)展更為直觀的評價技術與手段。

近些年來, 海洋空間數(shù)據(jù)的獲取與處理技術加速發(fā)展, 尤其是地理信息系統(tǒng)(GIS)的廣泛應用(Yateset al, 2013), 為直接的定量化評價提供了新的思路。國外學者利用生態(tài)系統(tǒng)空間通量模型(multiscale spatial model), 在全球范圍內根據(jù)人類活動對海域的影響狀況和程度, 評估了人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的作用(Halpernet al, 2008)。另有研究者利用地理空間模型(geospatial modeling approach), 將沿岸人類社會經(jīng)濟活動強度轉化到近岸海域空間范圍內, 評價了人類活動對其鄰近海域生態(tài)系統(tǒng)的壓力狀況(Parraviciniet al,2012)。然而, 我國有關這方面的研究尚未見報道, 與此同時, “山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)”(簡稱“藍區(qū)”)已從規(guī)劃階段步入建設階段(譚曉嵐, 2013), 迫切需要切實可行的海域管理技術與手段。筆者試圖在前人相關研究的基礎上, 發(fā)展適合我國海域的定量化評價人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的模型與方法——人海關系空間量化模型(spatial quantization for the relationship between human-activities and marine ecosystems, SQRHM), 并以“藍區(qū)”建設中占有重要地位的萊州灣為應用案例,從方法和技術上為其海域管理提供支持。

1　模型與方法

1.1　概念模型介紹

人海關系空間量化模型(SQRHM)是在地理空間模型(Parraviciniet al, 2012)的基礎上改進后被提出,用于評價人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響, 并將評價結果空間可視化。其基本原理是將海洋生態(tài)系統(tǒng)看作是由若干個空間單元點組成, 各種涉海人類活動作用于海洋生態(tài)系統(tǒng), 并對其造成影響, 人類活動所處的空間位置是影響源點, 即作用點, 如果人類活動是以非“點”的形式(如大面積的圍填海工程)存在于海域空間, 那么取其中心點為作用點。通過調查獲取各作用點的作用強度, 根據(jù)空間位置關系, 量化各空間單元點受作用點的影響程度, 依據(jù)隨著兩者之間距離的增大而逐漸減小, 直至影響消失的規(guī)律, 即線性遞減原則, 將作用點的作用強度轉化為各空間單元點的受影響程度, 綜合各單元點受各作用點的影響,即在空間中呈現(xiàn)人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響狀況。SQRHM模型主要有三方面的改進: ① 以空間單元點代替單元格, 用“點”代替“面”提高邊界區(qū)域的量化精確度; ② 指標體系充分考慮了人類在人海關系中扮演的雙重角色, 既衡量了人類給海洋生態(tài)系統(tǒng)所帶來的壓力, 也反映了人類為海洋可持續(xù)發(fā)展所做出的響應; ③ 作用強度的確定引入了標準值作為參照, 避免了人為直接打分所帶來的主觀性, 增加了量化評價的客觀準確性。模型的具體評價流程如圖1所示: (1) 確定研究區(qū)域, 包括空間范圍, 以及合理的單元點布局; (2) 識別涉海人類活動, 即確定作用點, 包括空間位置、作用強度及最大影響距離; (3) 分別計算各種人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響; (4) 疊加上述過程(3)中的計算結果, 即綜合評價。

圖1　人海關系空間量化模型評價流程Fig.1　Flow chart of the SQRHM methodology

1.2　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文選取萊州灣為實際評價海域, 其沿岸人類社會經(jīng)濟活動數(shù)據(jù)主要來源于國家海洋局2009年關于山東近岸重點海域和排污口環(huán)境質量調查報告, 并結合山東省海洋與漁業(yè)信息宣傳中心數(shù)據(jù)庫部分資料作以補充。萊州灣西起東營黃河口, 東至龍口屺山母島高角, 位于渤海南部, 山東半島西北部, 既是渤海三大海灣之一, 也是山東半島的最大海灣, 其自然資源豐富, 是一個綜合性開發(fā)與利用的海灣。本文研究區(qū)域及空間單元點如圖2所示, 范圍為 118°57′—120°15′E, 37°9′—37°39′N 的海域空間, 空間單元點的劃分為該海域范圍內以 0.1°為間隔單位的經(jīng)度線和緯度線的交點, 以圖中57個單元點表示整個海灣。

1.3　識別人類活動

1.3.1指標體系人類在人海關系中扮演著雙重角色。一方面, 人類在開發(fā)和利用海洋資源的同時將生產(chǎn)和生活所產(chǎn)生的各種廢棄物排入海洋, 對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成負向影響; 另一方面, 人類不斷提高污染物處理技術, 加強海洋保護區(qū)建設, 給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來正向影響。本文針對研究海域特點和實際利用情況, 選取三種不同類型的 10種人類活動構建評價指標體系(表1), 力求全面概括各種涉海人類活動,同時針對每種人類活動則選取有代表性, 并且容易獲取的指標。

1.3.2作用強度人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的作用強度用 0—1的數(shù)表示, 其中數(shù)值 1表示作用最為強烈, 數(shù)值0則表示作用可忽略不計。各人類活動作用點的作用強度(F)根據(jù)其實際調查值的大小在標準范圍中的等級直接賦值確定, 其中各指標標準范圍的確定主要參考中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等(2014)發(fā)布的海洋工程環(huán)境影響評價技術導則中評價等級判據(jù)表, 以及針對國家海洋局頒布的海域使用論證等級判據(jù)方法的修改和完善探討(黃蔚霞等, 2011), 輔以國內外相關研究成果作適當補充和調整, 各種人類活動作用強度的判斷依據(jù)如表1所示。例如實際調查到某排污口的污水排放量大于等于 3×104m3/d, 根據(jù)表中對照關系, 其作用點的強度應賦值為1, 若其實際調查值在(1—3)×104m3/d之間, 則作用強度賦值為 0.75, 若其實際調查值小于 1×104m3/d, 則作用強度賦值為0.5, 其它作用點的強度賦值依此類推。

圖2　研究區(qū)域及其空間單元點示意圖Fig.2　Study areas and the spatial cell points

表1　人海關系空間量化模型評價指標體系、作用強度判據(jù)及權重值Tab.1　The indicator system, justification for the intensities and weight values of the SQRHM methodology

1.3.3影響距離距離作為衡量影響程度的重要因素之一, 在空間量化研究中不可或缺(Wuet al,2013)。與此同時, Parravicini等(2012)利用地理空間模型評價了 8種涉海人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的壓力狀況, 其研究結果表明, 每種人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響范圍都在50%左右。所以, 本文假定研究空間中任何一個作用點與其相距最遠單元點之間距離的一半為該作用點的最大影響距離(D)。

1.3.4指標權重各種人類活動指標權重(W)的確定采用定性與定量相結合的層次分析法(Herath, 2004;曹茂林, 2012), 指標間的兩兩比較咨詢專家意見, 并結合海岸帶綜合管理(ICZM)框架(Lau, 2005)確定。按表1指標順序構造n=10的判斷矩陣如下:

計算求得該判斷矩陣的最大特征根λmax=10.590,一致性指標 CI=(λmax?n)/(n?1)=0.066, 查表得平均一致性指標 RI=1.49, 由于判斷矩陣的一致性比例CR=CI/RI=0.044＜0.10, 所以構造的判斷矩陣通過一致性檢驗, 說明權重確定過程具有合理的邏輯性, 最終計算得到的權重值如表1所示。

1.4　評價計算方法

人海關系空間量化模型的最終目標是計算出空間中每個單元點受多種人類活動的綜合影響, 計算步驟及公式如下:

(1) 單元點受某種人類活動影響的計算

公式(1)中,I表示某種人類活動對單元點的影響, 該種人類活動存在m個作用點, 用i表示第i個作用點,Fi為該種人類活動第i個作用點的強度,Di為該種人類活動第i個作用點的最大影響距離,di為單元點與該種人類活動第i個作用點的距離。

人類活動的作用點強度F可查表1確定, 單元點與作用點之間的空間距離可由其地理坐標求得, 如果計算中(D–d)＜0, 則說明單元點與作用點之間距離大于該作用點的最大影響距離, 此時該單元點受該作用點的影響可忽略不計, 取I=0為計算結果; 如果計算得出I＞1, 則說明某種人類活動的多個作用點對該單元點的影響累加后超出取值范圍, 此時該單元點受該種人類活動的影響最為強烈, 取I=1為計算結果; 對于海洋保護區(qū)這類正向影響的人類活動, 由于其不能像污水處理達標率那樣直接逆向研究, 所以利用數(shù)值1減去其計算結果來表示最終結果, 以達到指標間表達意義的一致。

(2) 單元點受多種人類活動綜合影響的計算

公式(2)中,I綜合表示多種人類活動對單元點的綜合影響, 存在n種人類活動, 用j表示第j種人類活動,Ij為第j種人類活動對單元點的影響,Wj為第j種人類活動在綜合評價中所占的權重。

各單元點受某種人類活動的影響由公式(1)計算得到, 各種人類活動的權重如表1所示, 其綜合計算結果為 0—1的數(shù)值, 用以表示人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響程度, 等級由弱到強依次為: 0—0.25表示微弱影響, 0.25—0.5表示中等影響, 0.5—0.75表示強烈影響, 0.75—1表示極強影響。

2　結果與討論

2.1　各種人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響程度比較

利用人海關系空間量化模型評估各種人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響, 結合公式(1)分別計算 10種涉海人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響值, 并統(tǒng)計研究海域空間中57個單元點所受影響等級狀況(圖3)。根據(jù)影響均值的大小, 各種人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)影響程度由大到小依次為: 污水排放、圍填海工程、港口航運、油氣開發(fā)、污水處理技術落后、海水養(yǎng)殖、鹽業(yè)生產(chǎn)、海洋保護區(qū)缺失、濱海旅游和海洋傾廢?？傮w來說, 沒有任何一種人類活動給萊州灣生態(tài)系統(tǒng)帶來極強影響, 其中污水排放對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響均值為0.72, 是所有人類活動中的最大值, 處于強烈影響程度, 但該種人類活動已使得萊州灣一半海域(51%)受到極強影響, 應給予高度重視。此外, 圍填海工程和港口航運對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響均值分別為0.52和0.50, 影響程度也均為強烈,受到極強影響的區(qū)域均接近四分之一(23%和22%)。油氣開發(fā)、污水處理技術落后、海水養(yǎng)殖和鹽業(yè)生產(chǎn)對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響程度為中等, 影響均值分別為0.41、0.38、0.36與0.36, 其中油氣開發(fā)已給約三分之一(33%)的萊州灣海域造成極強影響, 同樣應給予重視。海洋保護區(qū)缺失、濱海旅游和海洋傾廢對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響程度均為微弱, 其影響均值都不大, 分別為 0.20、0.18與 0.04。萊州灣整體狀況的研究結果亦體現(xiàn)出其自凈納污、優(yōu)良海港、重要的漁業(yè)和海鹽生產(chǎn)區(qū)、以及石油和天然氣蘊藏豐富等海灣功能, 側面說明本研究構建模型和方法的準確性。

圖3　人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)影響程度Fig.3　The impact of human activities on ecological systems of Laizhou Bay

2.2　人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的綜合作用

利用公式(2)疊加各種人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的影響, 進行綜合評價。就萊州灣整體而言, 并未出現(xiàn)極強影響區(qū)域, 強烈影響區(qū)域占40%, 中等影響區(qū)域占44%, 另有16%的區(qū)域表現(xiàn)為微弱影響, 其整體受人類活動綜合影響均值為 0.425(0.086—0.695), 處于中等影響程度。采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.3對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響進行空間數(shù)據(jù)分析并利用普通克里金插值法(kriging)對人類活動的影響值進行處理?？臻g量化結果如圖4所示, 為人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響, 從圖中可以看出,影響程度的分布呈現(xiàn)出一定規(guī)律: 主要表現(xiàn)為萊州灣近岸區(qū)域比鄰近的外海區(qū)域受人類活動影響強烈;另外, 萊州灣西南區(qū)域受人類活動影響最為強烈, 而北部外海區(qū)域只受到人類活動的微弱影響, 呈現(xiàn)由西南向北部逐漸減小的趨勢。

圖4　萊州灣人海關系空間量化結果Fig.4　The quantification result of the SQRHM methodology in Laizhou Bay

近岸海域是人類活動密集的區(qū)域, 其生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的綜合影響程度理應比外海區(qū)域要大。萊州灣西南近岸海域由于排污口多、排污量大, 且多數(shù)排污口污水處理達標率不高, 加之周邊油氣開發(fā)頻繁, 海水養(yǎng)殖區(qū)規(guī)模較大, 導致該區(qū)域受人類活動綜合影響較大, 影響程度達到強烈等級, 其生態(tài)系統(tǒng)將面臨巨大壓力, 生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀, 應加強該區(qū)域的有關監(jiān)督監(jiān)管工作。

2.3　SQRHM模型適用性討論

在海域管理中, 模型與方法需要根據(jù)海域特點和沿岸人類活動狀況, 考慮其適用性問題, 無論是以海洋生態(tài)系統(tǒng)還是以人類活動為研究視角, 其根本目的都是通過合理控制人類活動, 達到人類社會經(jīng)濟與海洋生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。本研究提出的SQRHM模型以人類活動為研究視角, 適合于萊州灣這種受外海影響相對較小, 水交換能力相對較弱, 且海底地形相對平緩的海灣。此外, 該模型力求全面考慮人類涉?；顒? 綜合評價海洋生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響, 適合于萊州灣這樣綜合性開發(fā)與利用程度較高, 且生態(tài)系統(tǒng)較為復雜的海灣, 而對于生態(tài)系統(tǒng)功能明確的海灣, 可能從海洋生態(tài)系統(tǒng)視角研究更能揭示本質問題。近岸海域是人類與海洋相互作用的頻繁地帶, 海洋生態(tài)系統(tǒng)所表現(xiàn)出的問題往往是由多種人類活動共同影響而產(chǎn)生的, 因此, 人海關系空間量化模型具有更為廣闊的應用前景。

同時, 該模型不僅可以將影響結果量化到 0—1的數(shù)值, 用以表示影響程度, 還能夠在海域空間上展示影響結果的分布狀況, 既可統(tǒng)籌整個研究區(qū)域進行管理, 也可根據(jù)不同區(qū)域受影響程度的差異分區(qū)進行管理。

然而, 由于人類活動與海洋生態(tài)系統(tǒng)之間作用關系的復雜性, 影響強度按照與作用點之間距離的增加呈線性遞減的規(guī)律是一個偏向于概率論的原理,將復雜問題簡單化處理的思想, 難以解釋一些復雜的人海作用關系。除此之外, 影響范圍也與海域水動力條件, 地形地貌特征等海洋自然狀況有關, 這些都有待今后更進一步的深入研究。

3　結論

(1) 人海關系空間量化模型利用人類活動的作用強度, 以及空間位置關系將多種人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響進行量化評價, 并呈現(xiàn)空間的定量描述, 能夠在一定程度上合理的反映海洋生態(tài)系統(tǒng)受到人類活動的影響狀況。

(2) 綜合評價萊州灣海域, 并未受到人類活動的極強影響, 但有 40%的區(qū)域受到人類活動的強烈影響, 44%受中等影響, 16%受微弱影響, 人類活動對其生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響值為0.425, 處于中等影響程度。其中, 污水排放是影響最為強烈的人類活動, 其次為圍填海工程和港口航運, 達到中等影響程度的人類活動有油氣開發(fā)、污水處理技術落后、海水養(yǎng)殖和鹽業(yè)生產(chǎn)。

(3) 人類活動對萊州灣生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響存在空間分布特征, 表現(xiàn)為近岸海域受影響程度比鄰近外海區(qū)域更加強烈, 西南近岸海域受影響程度最大, 而北部外海受影響程度最小, 綜合影響程度整體呈現(xiàn)出由西南近海向北部外海逐漸減小的趨勢。

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