李志鵬,杜震洪,張 豐,*,曹敏杰,劉仁義

1 浙江大學(xué), 浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310028 2 浙江大學(xué), 地理信息科學(xué)研究所,杭州 310027

基于GIS的浙北近海海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

李志鵬1,2,杜震洪1,2,張 豐1,2,*,曹敏杰1,2,劉仁義1,2

1 浙江大學(xué), 浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310028 2 浙江大學(xué), 地理信息科學(xué)研究所,杭州 310027

在浙江省北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,科學(xué)高效利用海洋資源的同時,也不可避免的對浙北近海海域的生態(tài)系統(tǒng)造成一定的威脅。為了降低涉海工程對海洋生態(tài)環(huán)境可能造成的不利影響,通過分析浙江省北部海域高濁度、復(fù)雜水體等特點(diǎn),利用層次分析法從水環(huán)境、沉積環(huán)境和海洋生物多樣性構(gòu)建了浙北近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系,采用熵權(quán)法確定了相關(guān)因子的權(quán)重。在此基礎(chǔ)上,綜合GIS空間分析方法、數(shù)學(xué)模型,對2009年至2012年浙江省北部海域進(jìn)行了實(shí)證研究。結(jié)果表明：(1)浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)整體上處于不健康狀態(tài)。含量較高的無機(jī)氮和磷酸鹽及較低的海洋初級生產(chǎn)力是影響其環(huán)境質(zhì)量的主要因素。(2)浙北近海海域生態(tài)系統(tǒng)主要薄弱區(qū)域與人類活動格局基本一致,由此推斷,人類活動是影響浙北海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的主要因素?？傮w上,從2009至2012年浙北近海海域生態(tài)系統(tǒng)健康呈現(xiàn)逐年惡化的趨勢。

生態(tài)系統(tǒng)；GIS；空間插值；熱點(diǎn)分析

浙江省北部海域地處東海中部,位于長江口區(qū)域,海洋環(huán)境動力復(fù)雜。其陸域涵蓋寧波、舟山、紹興、杭州、嘉興等浙江經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū),是全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)。浙北海域航運(yùn)發(fā)達(dá),是我國最為繁忙的客運(yùn)及貨運(yùn)區(qū)域。另外,浙北地區(qū)還擁有很多影響較大的涉海工程,包括：秦山核電站、岙山島25萬t級油碼頭、100萬m3原油儲罐和20萬m3成品油的石油儲運(yùn)基地、舟山群島大橋、杭州灣跨海大橋等。這些造成了浙江省北部海域具有高濁度水體、復(fù)雜多變的環(huán)境、頻繁的人為活動等特點(diǎn)。在高效利用浙江省北部海洋資源的同時,也勢必會對該區(qū)域的海洋生態(tài)環(huán)境造成一定的風(fēng)險性破壞,為了降低和減少對海洋生態(tài)環(huán)境的不利影響,有必要針對浙北地區(qū)的海域特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價。

海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的研究是目前海洋生態(tài)與環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者在海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建、評價方法和實(shí)際應(yīng)用等方面取得了豐富的研究成果。在指標(biāo)體系構(gòu)建方面,周彬等構(gòu)建了一套舟山群島旅游生態(tài)健康評價指標(biāo)體系[1]；李純厚等提出了海灣生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)法[2]；羅先香等構(gòu)建了集約用海對海洋生態(tài)環(huán)境影響的評價指標(biāo)體系[3]；Williams等在空間尺度的基礎(chǔ)上構(gòu)建了Chesapeake 灣生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系[4]；Epstein P R建立了芬迪灣健康評價體系[5]。在評價方法方面,許雪青等利用可變模糊評價方法對渤海灣的海洋環(huán)境進(jìn)行綜合評價[6]。在實(shí)際應(yīng)用方面,吳鐘解等根據(jù)《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》對海南島東海岸海草床生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價[7]；楊建強(qiáng)等從生境質(zhì)量和生態(tài)響應(yīng)兩方面對萊州灣的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了評價[8]；Sherman K、Peter G、Eugeniusz A分別對緬因?yàn)场⒎业貫?、南波羅的海進(jìn)行了海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價[9-11]。隨著地理信息技術(shù)的成熟與發(fā)展,地理信息系統(tǒng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在生態(tài)系統(tǒng)健康評價中[12-15]。

雖然海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價已經(jīng)取得了大量的研究成果,但是到目前為止仍然沒有統(tǒng)一的評價模型,而針對特定研究區(qū)域的特色評價模型是非常必要的。本文借鑒國內(nèi)外研究成果,綜合指標(biāo)體系法,GIS空間分析方法、數(shù)學(xué)模型,以宏觀的尺度,針對浙北海域高濁度水體、復(fù)雜多變的環(huán)境、頻繁的人為活動等特點(diǎn)從水環(huán)境、沉積環(huán)境和海洋生物多樣性方面選取相關(guān)指標(biāo),構(gòu)建了浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系,對浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價,試圖分析其海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)水平,以期為治理和改善浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

圖1 浙江省北部近海海域監(jiān)測站位分布圖 Fig.1 Distribution of stations in coastal waters on the northern part of Zhejiang Province

本文所采用的數(shù)據(jù)為沿岸地市相關(guān)海洋監(jiān)測站2009—2012年,每年春季和夏季航次在浙北海域進(jìn)行的海上綜合調(diào)查數(shù)據(jù),調(diào)查項(xiàng)目包括水質(zhì)數(shù)據(jù)、沉積環(huán)境和生物數(shù)據(jù)等。樣品的采集和分析根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB12763)中規(guī)定的方法進(jìn)行。調(diào)查站位設(shè)置如圖1所示。

1.2 空間插值方法

在研究浙江省北部近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康過程中,只能根據(jù)監(jiān)測站位的調(diào)查數(shù)據(jù),要通過這些調(diào)查數(shù)據(jù)來評估這個區(qū)域的整體環(huán)境狀況,就要運(yùn)用空間插值的方法來對未監(jiān)測的研究區(qū)域的空間分布情況進(jìn)行估計(jì)。由于空間插值是整個生態(tài)系統(tǒng)評價中最為關(guān)鍵的步驟,因此必須選擇正確的插值方法和嚴(yán)格的空間插值優(yōu)化,才能保證評價結(jié)果的真實(shí)客觀。

由于各插值方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),因此必須結(jié)合實(shí)際,確定研究區(qū)最佳的空間插值方法。為了選取符合浙江省北部近岸海域的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和區(qū)域特性的空間插值方法,采用交叉驗(yàn)證的方法對不同的插值方法得到的效果進(jìn)行驗(yàn)證。本文分別使用反距離加權(quán)法(Inverse Distance Weighted， IDW)、克里格插值法(Ordinary Kriging， OK)、全局多項(xiàng)式(Global Polynomial Interpolation ，GPI)和徑向基函數(shù)(Radial Basis Function,RBF)在選取最優(yōu)參數(shù)條件下利用2012年的71個調(diào)查站位的磷酸鹽數(shù)據(jù)插值得到的擬合值與相應(yīng)10個驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測值進(jìn)行比較,并計(jì)算其平均誤差和誤差均方根。其結(jié)果如表1所示：

表1 不同插值方法的交叉驗(yàn)證結(jié)果比較

IDW：反距離加權(quán)法 Inverse Distance Weighted；OK：克里格插值法 Ordinary Kriging；GPI：全局多項(xiàng)式 Global Polynomial Interpolation；RBF：徑向基函數(shù) Radial Basis Function

從交叉驗(yàn)證的結(jié)果分析,克里格(OK)方法的結(jié)果優(yōu)于IDW、GPI和RBF,因此本文選取克里格(OK)插值方法作為本次評價中的主要方法。

1.3 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析通過對數(shù)據(jù)集中的每一個要素來計(jì)算高值或低值要素在空間上發(fā)生的聚類位置,能夠很直觀的了解何處發(fā)生了聚類及其聚集的密度程度,它采用英國數(shù)學(xué)家Getis和Ord提出的Getis-Ord Gi指數(shù)來分析[16]。

熱點(diǎn)分析反映了空間數(shù)據(jù)在某一范圍內(nèi)的高值和低值的集聚效應(yīng),能夠比較正確的揭示空間數(shù)據(jù)的獨(dú)立性[17]。本文利用熱點(diǎn)分析來研究浙江省北部近海海域內(nèi)相關(guān)因子的高值與低值是否出現(xiàn)集聚效應(yīng)。利用熱點(diǎn)分析能夠很直觀的表現(xiàn)出相關(guān)影響因子的冷點(diǎn)與熱點(diǎn),從而分析影響浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)的主要影響因子。

1.4 浙江省北部近海海域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系構(gòu)建

1.4.1 評價指標(biāo)體系

海洋生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)是用來描述生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的參數(shù),是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵。因此,所選取的指標(biāo)應(yīng)該綜合考慮整體性原則、可操作性原則和層次原則。

結(jié)合浙江北部近海海域歷史污染情況分析,以浙北海域2009年到2012年8個航次數(shù)據(jù)為依據(jù),從海洋水環(huán)境、沉積環(huán)境和海洋生物多樣性3個方面進(jìn)行評價指標(biāo)的篩選。

(1)水環(huán)境 包括有機(jī)污染指數(shù)、富營養(yǎng)化水平及赤潮3個方面。有機(jī)污染能夠反應(yīng)水體有機(jī)污染物的程度[18]。有機(jī)污染指數(shù)由化學(xué)需氧量、氨氮、溶解氧3個指標(biāo)構(gòu)成。受長江等陸源營養(yǎng)物質(zhì),及臺灣暖流等影響,浙江省近岸海域形成了特有的富營養(yǎng)環(huán)境。自20世紀(jì)80年代以來浙江省近岸海域赤潮災(zāi)害頻發(fā),已成為全國赤潮發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一[19]。

(2)沉積環(huán)境 要包括有機(jī)碳、硫化物及潛在生態(tài)危害指數(shù)3個指標(biāo)。有機(jī)碳是海洋生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動的重要內(nèi)容[20]。潛在生態(tài)危害指數(shù)是對各種污染水平進(jìn)行綜合分析,它是瑞典學(xué)者Hakanson提出的[21],它綜合考慮了重金屬的毒性、區(qū)域敏感性及背景值是一種有效的評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法。

(3)海洋生物多樣性 包括浮游植物密度、浮游動物生物量、底棲動物生物量、潮間帶生物多樣性指數(shù)及海洋初級生產(chǎn)力五方面。浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)者,在海洋生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的作用。浮游動物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)力,其數(shù)量直接或間接的影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)。舟山漁場作為我國的四大漁場之一,浮游動物的生物量和分布情況對浙江省漁業(yè)資源有著重要的影響,進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)。底棲生物是海洋食物鏈的重要環(huán)節(jié)之一,它們對海洋底棲生物系統(tǒng)的能力流動和物質(zhì)循環(huán)起著重要的作用。海洋初級生產(chǎn)力水平會限制生態(tài)系統(tǒng)中的次級生產(chǎn)力和漁業(yè)資源的補(bǔ)充和維系。因?yàn)槿~綠素a的含量和初級生產(chǎn)力的高低有著直接的關(guān)系[22],因此在本研究中用葉綠素的平均值作為海洋初級生產(chǎn)力。

綜合上述分析,針對浙江省北部近海海域具有高濁度、復(fù)雜水體的特點(diǎn),利用層次分析法原理,構(gòu)建了浙江省北部近岸海域生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系(表2)。

表2 浙江省北部海域生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系

有機(jī)污染指數(shù)(C1) 能夠反應(yīng)水體有機(jī)污染物的程度：

(1)

式中,Y表示有機(jī)污染指數(shù),CODi、NH3i、DOi分別為化學(xué)需氧量、氨氮、溶解氧的實(shí)際測量值。CODb、NH3b、DOb分別為水體上述各項(xiàng)指標(biāo)的一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

富營養(yǎng)化水平(C2) 富營養(yǎng)化狀態(tài)依據(jù)富營養(yǎng)化指數(shù)(E)計(jì)算結(jié)果確定。該指數(shù)計(jì)算公式為[10]：

(2)

式中,E表示富營養(yǎng)化水平,COD表示化學(xué)需氧量,IN為無機(jī)氮,IP表示活性磷酸鹽。

潛在生態(tài)危害指數(shù)(C6) 其計(jì)算公式如下[21]：

(3)

表3 重金屬的背景參照值和毒性系數(shù)

潮間帶生物多樣性指數(shù)：它反映了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及復(fù)雜性,本文采用Shannon-Weaver多樣性指數(shù)[23]：

(4)

式中,Ni為群落中第i種個體的比例,S為物種種類數(shù)。

1.4.2 權(quán)重確定

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)評價過程中,首先要對各評價因子進(jìn)行評分,構(gòu)成浙江省北部近岸海域生態(tài)系統(tǒng)評價的基本指標(biāo)都具有自己的量綱和數(shù)量級。且各指標(biāo)彼此量綱不同,因此無法直接進(jìn)行比較和計(jì)算。為了保證能得到正確的分析結(jié)果,在利用指標(biāo)體系進(jìn)行定量計(jì)算之前,首先應(yīng)該對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理[24]。

(1)正向因子量化

(5)

(2)負(fù)向因子量化

(6)

式中,yi為i種因子的量化指數(shù)；Yi為i因子的量測值;Ymin為i因子要求的下限;Ymax為i因子要求的上限。

根據(jù)上述量化方法對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理,得到量化指標(biāo)系數(shù),量化指標(biāo)系數(shù)再乘以100 為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,研究因子級別分值按100 分制標(biāo)準(zhǔn)賦分,最高級別分值為100 分,其余各級別則按其實(shí)際指標(biāo)值對浙江省北部近岸海域生態(tài)環(huán)境影響的衰減程度賦予不同的分值。為了保證評價的正確性,本文對評價標(biāo)準(zhǔn)的確定采取以下兩個原則：(1)有國家、行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)的,從生態(tài)健康的角度選擇最高標(biāo)準(zhǔn)。(2)沒有國家、行業(yè)或地方標(biāo)準(zhǔn)的,則查閱相關(guān)文獻(xiàn)或者相關(guān)歷史數(shù)據(jù)中選擇最優(yōu)值為評價標(biāo)準(zhǔn)?；谏鲜鲈瓌t和量化的方式確定了各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)和分值(表4)。

表 4 浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價因子標(biāo)準(zhǔn)

(2)確定權(quán)重

當(dāng)前,權(quán)重確立的方法有很多,考慮浙江省高濁度、復(fù)雜水體及人為活動頻繁的特點(diǎn),本文擬采用客觀賦權(quán)法—熵值法。其基本步驟參考文獻(xiàn)[32]。

根據(jù)熵值法,利用MATLAB計(jì)算得到各因子的權(quán)重,結(jié)果如表5所示。

表5 浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價因子權(quán)重

1.4.3 評價模型

根據(jù)上述確定的評價指標(biāo)體系結(jié)合各因子的標(biāo)準(zhǔn)化評分結(jié)果及對應(yīng)的權(quán)重值,本文擬采用綜合指數(shù)加權(quán)法計(jì)算海洋生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù),構(gòu)建浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價模型：

(7)

式中,S為浙江省北部海域生態(tài)系統(tǒng)總得分,即為綜合質(zhì)量指數(shù)；Wi為各因子的權(quán)重系數(shù)；Si表示各因子的標(biāo)準(zhǔn)化評分；n為因子個數(shù)。

利用等計(jì)算聚類模型對綜合質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行聚類分析,結(jié)合《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》(HY/T087—2005)并根據(jù)實(shí)際情況確定浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn),依次為“健康區(qū)”(>75)、“亞健康區(qū)”(>60—≤75)和“不健康區(qū)”(≤60)3個級別。

3 結(jié)果分析

2.1 空間插值結(jié)果與分析

本文使用克里格插值方法,對浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價的各項(xiàng)因子進(jìn)行插值參數(shù)優(yōu)化后,結(jié)果如圖2所示。

(1)有機(jī)污染指數(shù) 總體上來說,浙北近海海域有機(jī)污染指數(shù)偏高,高值主要出現(xiàn)在寧波與舟山近海海域及三門灣、象山港等區(qū)域。

(2)富營養(yǎng)化水平 海水中的無機(jī)氮和活性磷酸鹽的嚴(yán)重超標(biāo)導(dǎo)致了浙江省北部海域呈富營養(yǎng)化狀態(tài)的面積占總面積的90%以上。重度富營養(yǎng)化海域主要集中在杭州灣、象山港和三門灣。

(3)有機(jī)碳 浙北海域有機(jī)碳的含量介于0.28%—0.65%之間,全部符合第一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其分布趨勢為以舟山島、象山港和三門灣為高值中心向周邊海域遞減。

(4)硫化物 浙北海域硫化物全部符合第一類海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),高值主要分布在海域東部和南部區(qū)域。

(5)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù) 大部分海域中重金屬的含量是符合2類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的,總體上來說浙北海域潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較低,指數(shù)最高的主要集中在舟山及寧波海域附近。

(6)浮游植物密度 低值出現(xiàn)在杭州灣附近海域,高值集中在寧波南部海域,總體上呈現(xiàn)由北向南,從西向東遞增的趨勢。

(7)浮游動物生物量 浮游動物生物量的分布總體上與浮游植物密度的情況一致。

(8)底棲動物生物量 底棲動物分布呈現(xiàn)由杭州灣向外海域及向南海域遞增的趨勢。

(9)潮間帶生物多樣性指數(shù) 生物多樣性低值集中在杭州灣及寧波南部外海海域,高值集中在舟山及三門灣海域,總體趨勢為與舟山漁場為中心向周邊遞減。

(10)海洋初級生產(chǎn)力 本文以葉綠素代表海洋初級生產(chǎn)力,其分布呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢。高值出現(xiàn)在寧波南部海區(qū),低值出現(xiàn)在杭州灣和舟山島附近。

圖2 各指標(biāo)空間插值結(jié)果Fig.2 Interpolation result of eco-environmental quality assessment indicators

2.2 熱點(diǎn)分析

(1)化學(xué)需氧量 其高值點(diǎn)(熱點(diǎn)區(qū)域)主要分布在杭州灣、和三門灣遠(yuǎn)海海域,低值點(diǎn)(冷點(diǎn)區(qū)域)集中分布于三門灣內(nèi)及象山港海域。

(2)活性磷酸鹽 高值點(diǎn)分布于杭州灣、象山港及寧波附近海域,低值點(diǎn)聚集區(qū)分布在寧波南部海區(qū)及舟山群島西部區(qū)域。

(3)溶解氧 其高值點(diǎn)主要分布于杭州灣、三門灣附近海域,低值點(diǎn)聚集區(qū)在寧波中部、舟山西部及象山港區(qū)域。

(4)酸堿度 其高值分布類似于溶解氧分布。

(5)無機(jī)氮 其高值點(diǎn)主要分布于杭州灣、舟山群島,低值點(diǎn)聚集區(qū)于寧波外部海域。

(6)葉綠素 高值點(diǎn)聚集區(qū)于寧波南部海域,低值點(diǎn)分布于舟山群島海域。

(7)有機(jī)碳 高值點(diǎn)分布于杭州灣、三門灣海域,低值點(diǎn)分布較廣集中在寧波中東部、舟山群島海域。

(8)重金屬 高值點(diǎn)分布于舟山、杭州灣海域,低值點(diǎn)分布在寧波東南部海域。

圖3 主要監(jiān)測要素?zé)狳c(diǎn)分析結(jié)果Fig.3 Hotspot analysis result of main eco-environmental quality assessment indicators

圖4 浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價結(jié)果空間分布圖Fig.4 Distribution results of eco-environmental quality assessment in coastal waters on the northern part of Zhejiang province

2.4 浙江省北部近海生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

基于上述評價方法,得到了浙江省北部近海海域2009年至2012生態(tài)系統(tǒng)評價結(jié)果如圖4所示。根據(jù)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合得分,結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況,將浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)分為3個等級,各等級統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

(1)健康區(qū)

從結(jié)果分析來看,浙北近海海域健康區(qū)的比重較低且基本上呈現(xiàn)逐年降低的趨勢,從2009年占全部海域的16.6%到2012年則僅占1.93%,且主要分布在較為遠(yuǎn)處的海域。這些區(qū)域人為活動較少,基本無污染,且從熱點(diǎn)分析的結(jié)果來看該區(qū)域葉綠素含量較高因而海洋初級生產(chǎn)力較高,且該區(qū)域化學(xué)需氧量、無機(jī)氮和溶解氧的含量較低,處于冷點(diǎn)區(qū)域。

表6 浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)亞健康區(qū)

從4a的結(jié)果來看,亞健康區(qū)的海域占總面積的30%以上,主要集中在寧波南部海域及杭州灣外部海域,該區(qū)域自然條件優(yōu)于杭州灣區(qū)域,人為活動的影響也較少,且熱點(diǎn)分析的結(jié)果來看,化學(xué)需氧量、磷酸鹽、無機(jī)氮及重金屬的空間聚集不顯著。

(3)不健康區(qū)

從2009年至2012年,不健康區(qū)的面積均占總海區(qū)的50%以上,主要分布在杭州灣、象山港、三門灣及寧波—舟山附近海域。從熱點(diǎn)分析的結(jié)果來看主要是因?yàn)檫@些地方化學(xué)需氧量、磷酸鹽、無機(jī)氮的含量較高,而葉綠素的含量較低。此外這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),涉海工程較多,且處于舟山漁場附近,過度的捕撈以及海水污染較為嚴(yán)重導(dǎo)致海洋初級生產(chǎn)力較為低下、生物生存環(huán)境較為惡劣,生物多樣性較低,進(jìn)而影響了該區(qū)域整個生態(tài)系統(tǒng)的健康情況。

5 結(jié)論

本文針對浙江省近海海域高濁度、復(fù)雜水體、人為活動頻繁等特點(diǎn),利用層次分析法從水環(huán)境、沉積環(huán)境和海洋生物多樣性3個方面共11項(xiàng)指標(biāo)出發(fā)構(gòu)建了浙江省北部近海海域生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系,并利用GIS的方法對其進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)評價。結(jié)果表明所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系及所利用的方法,可以很好的反映該特定生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài),及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部之間聯(lián)系。同時本文的研究結(jié)果也能夠?yàn)楦纳普憬”辈拷：Ｓ蛏鷳B(tài)環(huán)境提供科學(xué)的依據(jù)。

實(shí)證研究表明：(1)浙江省北部海域生態(tài)系統(tǒng)整體上處于不健康狀態(tài),尤其是杭州灣、象山港、三門灣及寧波—舟山海域。主要的問題是海水中無機(jī)氮和磷酸鹽的含量嚴(yán)重超標(biāo)且污染物呈現(xiàn)出高集聚狀態(tài),這些因素導(dǎo)致了浙江省北部近海海域海水有機(jī)污染指數(shù)較高、呈現(xiàn)高度富營養(yǎng)化狀態(tài)及嚴(yán)重的海水污染。(2)從熱點(diǎn)分析的結(jié)果來看,污染物主要集中在杭州灣、三門灣等河口地區(qū)及寧波—舟山近海海域,這些區(qū)域由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),大型涉海工程的建設(shè)、過度的捕撈以及海水污染較為嚴(yán)重導(dǎo)致生物生存環(huán)境較為惡劣,生物多樣性較低,加上浙江北部近海海域高濁度、復(fù)雜水體的環(huán)境造成了海洋初級生產(chǎn)力較為低下,進(jìn)而影響了整個生態(tài)系統(tǒng)的健康情況。(3)從分析的結(jié)果來看不健康區(qū)域主要分布在沿海、河口及港灣附近,這與人類活動頻繁的區(qū)域分布較為一致,由此可推斷,人類活動是影響浙北海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的主要因素。

在浙北近海海域的生態(tài)系統(tǒng)健康評價中本研究設(shè)計(jì)的適合于GIS的指標(biāo)體系,覆蓋較為全面,可以較好的反映該特定生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài),及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部之間聯(lián)系。GIS手段體現(xiàn)了眾多的優(yōu)勢,同時也暴露出了存在的不足。由于本文主要探討的是浙江省北部近海海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價,以GIS為手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,因而選取的指標(biāo)受到一些限制,主要以自然環(huán)境指標(biāo)為主,但是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素眾多,在今后的研究中還需要從不同時期的人類空間活動強(qiáng)度,指標(biāo)年際變化等多方面進(jìn)行研究和探討以期獲得更好的結(jié)果,同時利用GIS作為技術(shù)手段對海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評價是未來的發(fā)展趨勢之一,因此在未來的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注如何設(shè)計(jì)合理、全面的適用于GIS的評價指標(biāo)體系。

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A GIS-based health assessment of the offshore marine ecosystem in north Zhejiang Province

LI Zhipeng1,2, DU Zhenhong1,2, ZHANG Feng1,2,*, CAO Minjie1,2, LIU Renyi1,2

1ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofGIS,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China2DepartmentofGeographicInformationScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China

The coastal waters around the northern part of Zhejiang Province are confronted by serious environmental threats caused by the rapid development of the economy and highly efficient use of marine resources. In order to reduce and mitigate the possible negative effects of larger sea-related projects on the marine ecological environment, we built an evaluation index system to assess the offshore ecological environmental quality by analyzing the complexity and high turbidity of the water around the northern part of Zhejiang Province, as well as implementing an AHP (Analytic Hierarchy Process)-method based on three aspects: water environment, depositional environment, and marine biodiversity. We used the entropy weight method to determine the weight of the relevant factors, and used the comprehensive index weighting method to calculate the marine ecological environment comprehensive index (S). When S ≥ 75, it implies that marine ecosystem is healthy; when 60 ≤ S < 75, it suggests that marine ecosystem is sub-healthy; And when S < 60, it indicates that the marine ecosystem is unhealthy. On the basis of this, we integrated GIS spatial analysis methods with a mathematical model to practically study, on a macro scale, the coastal water around the northern shores of Zhejiang Province from 2009 to 2012. The results were as follows: (1) the ecological environmental quality of the coastal water around the northern shores of Zhejiang Province are in an unhealthy state, especially in Hangzhou Bay, Xiangshan Harbor, Sanmen Bay, and Ningbo-Zhou Shan sea area. The high inorganic nitrogen and phosphate contents and weak ocean primary productivity are the main factors affecting the quality of this environment. These factors cause high organic pollutant index values, high levels of eutrophication, and serious marine pollution in this area. (2) The hotspot analysis results showed that the pollutants are mainly concentrated in the Ningbo-Zhou Shan coastal waters, Hangzhou Bay, Sanmen Bay, and some other river estuaries. These regions have poor biological survival and low biodiversity due to economic development, construction of large sea-related projects, overfishing, and serious water pollution. In addition, the complexity and high turbidity of the water around the northern shores of Zhejiang Province cause weak ocean primary productivity, which affects the health of the entire ecosystem. (3) The analysis indicated that the unhealthy areas are mainly distributed in the vicinities of the coast, estuaries, and harbors, and the distribution of these areas with low ecological environment quality is similar to the human activities pattern, which suggests that human activities are the main factors affecting the health status of this marine ecosystem. In general, ecological environment quality in the coastal waters around northern Zhejiang Province progressively worsened between 2009 and 2012. This empirical study shows that the index system constructed for eco-environmental quality assessment and the method adopted reflects the actual state of a particular ecosystem and the internal relationships of the ecological system. Furthermore, our study results can provide a scientific basis for improving ecological environmental quality in the northern coastal waters of Zhejiang Province.

eco-environmental quality; GIS; spatial interpolation; hotspot analysis

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471313, 41101356, 41101371, 41171321)；國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012FY112300)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2015418003, 201305012)；浙江省攻關(guān)資助項(xiàng)目(2014C33G20, 2013C33051)

2015- 05- 24;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505241040

*通訊作者Corresponding author.E-mail:zhangfeng.zju@gmail.com

李志鵬,杜震洪,張豐,曹敏杰,劉仁義.基于GIS的浙北近海海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(24):8183- 8193.

Li Z P, Du Z H, Zhang F, Cao M J, Liu R Y.A GIS-based health assessment of the offshore marine ecosystem in north Zhejiang Province.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8183- 8193.