馬成龍，劉 敏，田 濤，單晨楓，吳忠鑫，楊 軍

(1 大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023;2 設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

近年來，中國加強(qiáng)海洋生態(tài)文明建設(shè)，加大現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)投入，近海漁業(yè)資源衰退現(xiàn)象得以遏制，海洋生態(tài)環(huán)境逐漸改善，海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展初見成效。實(shí)踐證明，海洋生物生存離不開良好的棲息環(huán)境，人工魚礁的投放可為海洋生物提供生長、棲息、索餌產(chǎn)卵及庇護(hù)的良好場所，棲息地的建設(shè)可使海洋生態(tài)環(huán)境逐漸形成良性循環(huán)，黃渤海區(qū)部分漁場和魚汛已有所恢復(fù)[1-3]。

選擇適宜的投礁區(qū)域是人工魚礁建設(shè)取得成效的關(guān)鍵，選址是否科學(xué)合理決定人工魚礁建設(shè)的成功與否[4]。目前國內(nèi)外已開展了較多人工魚礁建設(shè)研究，國外對(duì)于人工魚礁建設(shè)研究較早，Robert等[5]利用ArcGIS技術(shù)對(duì)英國馬里灣海域人工魚礁建設(shè)適宜性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過ArcGIS將各圖層疊加后獲得人工魚礁建設(shè)最適區(qū)域；美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)[6]在“國家人工魚礁規(guī)劃”中對(duì)影響人工魚礁布局的因素進(jìn)行了全面系統(tǒng)表述，總結(jié)了部分因素對(duì)人工魚礁布局存在一定影響。國內(nèi)近年對(duì)人工魚礁建設(shè)研究也取得了一定進(jìn)展，尹增強(qiáng)等[7]建立資源保護(hù)型魚礁的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用于魚礁選址適宜性分析；許強(qiáng)等[8]采用層次分析法對(duì)舟山市海洋牧場選址進(jìn)行評(píng)價(jià)。中國沿海各省市已陸續(xù)開展人工魚礁建設(shè)，區(qū)域評(píng)價(jià)研究較多，但對(duì)養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)綜合評(píng)價(jià)尚有不足，且理論研究較多，評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面，缺乏系統(tǒng)方法。

養(yǎng)殖海域是海水養(yǎng)殖業(yè)中重要的一部分，科學(xué)規(guī)劃合理布局養(yǎng)殖海域，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供持續(xù)、健康、有序發(fā)展保障[9]。大連市杏樹屯周邊155 km2養(yǎng)殖海域的海底坡度相對(duì)較陡，海水流速較大，海水中懸浮物較多，部分漁民對(duì)海域情況不甚了解，投礁后經(jīng)過一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)魚礁構(gòu)建后的資源養(yǎng)護(hù)效果較差，既造成漁民財(cái)產(chǎn)損失，又影響魚礁功能的發(fā)揮。因此，開展該海域人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評(píng)價(jià)迫在眉睫。

本研究從自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境兩方面考慮，選取水文、水質(zhì)、沉積物、海洋生態(tài)、地質(zhì)地貌和海洋功能區(qū)劃等20個(gè)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)該養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)進(jìn)行適宜性分析，以期為此海域后續(xù)進(jìn)行人工魚礁建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究以大連市杏樹屯周邊養(yǎng)殖海域?yàn)檠芯繀^(qū)域(圖1)，該海域面積約為155 km2，具有良好的海洋環(huán)境條件，漁業(yè)資源種類較為豐富。由于緊鄰杏樹漁港，受多年拖網(wǎng)作業(yè)和環(huán)境污染等因素影響，海底破壞較為嚴(yán)重，海洋生物不斷減少。除部分漁民在自有海域自發(fā)人工造礁外保護(hù)了漁業(yè)資源，其他區(qū)域生物資源衰退嚴(yán)重[10]。

圖1 研究區(qū)域

1.2 建設(shè)原則與評(píng)價(jià)因子選取

1.2.1 建設(shè)原則

人工魚礁建設(shè)受多種因素影響，本研究從自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境兩方面考慮。

從自然環(huán)境方面來看，人工魚礁建設(shè)受到海域的水深、流速、坡度、底質(zhì)類型和透明度等自然環(huán)境因素影響，在建設(shè)過程中，應(yīng)充分對(duì)海域自然環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)海域自然環(huán)境狀況進(jìn)行分析[11]。

從社會(huì)環(huán)境方面來看，人工魚礁建設(shè)過程中，首先考慮選址海域是否與國家、省、市海洋功能區(qū)劃和海洋生態(tài)紅線相符合，避免人工魚礁建設(shè)與其他用海相沖突[12]。并且建設(shè)海域應(yīng)避開有海底纜線、海底管道和航道通過的區(qū)域[13]。

1.2.2 評(píng)價(jià)因子選取

通過查閱文獻(xiàn)和結(jié)合已有研究，基于自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境兩方面，根據(jù)2021年4月所獲海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，以及在參考賈后磊等[14]的人工魚礁選址合理性分析基礎(chǔ)上，綜合選出20個(gè)評(píng)價(jià)因子。其中自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子[15]分為水文水質(zhì)(a)、地形地貌(b)、海底底質(zhì)(c)和海洋生態(tài)(d)，社會(huì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子[11]分為海洋功能區(qū)劃(e)、海洋生態(tài)紅線(f)、海底纜線(g)和海底管道(h)；將水文水質(zhì)評(píng)價(jià)因子細(xì)分為水深、流速、透明度、pH、溶氧、化學(xué)需氧量、無機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類，地形地貌評(píng)價(jià)因子為坡度，海底底質(zhì)評(píng)價(jià)因子細(xì)分為沉積物粒徑、沉積物有機(jī)碳和沉積物硫化物，海洋生態(tài)評(píng)價(jià)因子細(xì)分為浮游植物生物量、浮游動(dòng)物生物量和底棲生物生物量。

1.3 單因子適宜性評(píng)價(jià)

1.3.1 單因子適宜性評(píng)價(jià)計(jì)算

自然環(huán)境方面評(píng)價(jià)因子的計(jì)算參考尹增強(qiáng)等[7]的構(gòu)建模糊隸屬函數(shù)法，通過建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，使各評(píng)價(jià)因子之間具有可比性和可加和性[16]；社會(huì)環(huán)境方面評(píng)價(jià)因子的計(jì)算采用賦值法[17]，按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)因子的適宜性進(jìn)行劃分賦值。

1.3.2 單因子適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本研究在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定中，優(yōu)先考慮國家標(biāo)準(zhǔn)，若評(píng)價(jià)因子缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，則需參考國內(nèi)外人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)相關(guān)研究。自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1，社會(huì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子的隸屬函數(shù)及其確定依據(jù)

(續(xù)表)

表2 社會(huì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 綜合適宜性評(píng)價(jià)

1.4.1 綜合適宜性評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)人工魚礁建設(shè)適宜性的重要程度是不一樣的，為判斷各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性，運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重。

該方法通過建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建判斷矩陣，將評(píng)價(jià)因子成對(duì)比較，計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性[22]。20個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重如圖2所示。

圖2 各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重

1.4.2 綜合適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算

將各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重與經(jīng)模糊隸屬函數(shù)計(jì)算得到的數(shù)值代入綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式中，得到該養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)適宜性分析結(jié)果。

綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：S為人工魚礁建設(shè)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，n為1～20，Pi為評(píng)價(jià)因子權(quán)重，Yi為評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)化值。

綜合評(píng)價(jià)指數(shù)取值范圍為0～1，其中0.8～1.0代表最適宜，0.6～0.8代表較適宜，0.4～0.6代表一般適宜，0.2～0.4代表不適宜，0.0～0.2代表完全不適宜。

2 結(jié)果

2.1 自然環(huán)境單因子適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)16個(gè)自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子進(jìn)行量化評(píng)分，評(píng)分范圍為0～1，評(píng)分越靠近1適宜性越高，評(píng)分越靠近0適宜性越低。將所獲海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)分別代入表1所列各式中，運(yùn)用ArcGIS對(duì)16個(gè)自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算[23]，首先對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行空間插值，使評(píng)價(jià)因子在研究區(qū)域內(nèi)呈連續(xù)分布狀態(tài)，其次利用條件函數(shù)及柵格計(jì)算器工具對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行計(jì)算，獲得自然環(huán)境因子單因子適宜性評(píng)價(jià)分布圖，如圖3所示。。

圖3 自然環(huán)境因子單因子適宜性評(píng)價(jià)分布圖

根據(jù)單因子適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，海域東北部和東南部自然環(huán)境狀況較優(yōu)，表現(xiàn)出高適宜性。海域西北部自然環(huán)境狀況較差，化學(xué)需氧量、無機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類等評(píng)價(jià)因子適宜性較低，低適宜性區(qū)域主要集中在杏樹漁港附近，由于漁港區(qū)域活動(dòng)密集等原因，水體平衡遭到破壞，總體污染程度較高[24-25]，限制了人工魚礁的投放。海域近岸區(qū)域浮游生物含量較高，浮游生物是魚、貝類等生物的重要餌料來源[26]，通過投放人工魚礁，為海洋生物提供良好棲息場所，保證海洋漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展。

2.2 社會(huì)環(huán)境單因子適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)社會(huì)環(huán)境評(píng)價(jià)因子的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4個(gè)自然環(huán)境評(píng)價(jià)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得社會(huì)環(huán)境因子單因子適宜性評(píng)價(jià)分布圖，如圖4所示。

圖4 社會(huì)環(huán)境因子單因子適宜性評(píng)價(jià)分布圖

根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)人工魚礁建設(shè)的適宜性程度和限制性強(qiáng)度進(jìn)行級(jí)別劃分[27]，分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)4種級(jí)別，并分別賦值為1、0.6、0.2和0，賦值越高代表人工魚礁建設(shè)適宜性越高。根據(jù)單因子適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，海洋功能區(qū)劃適宜性指數(shù)為1的區(qū)域有2塊，所屬功能區(qū)劃分別為農(nóng)漁業(yè)區(qū)和旅游休閑娛樂區(qū)，適宜性指數(shù)為0.6的區(qū)域有1塊，所屬功能區(qū)劃為保留區(qū)，海域共有85%的區(qū)域符合海洋功能區(qū)劃要求，適宜進(jìn)行人工魚礁建設(shè)。海域內(nèi)不涉及圍填海、礦產(chǎn)資源開發(fā)及其他城市建設(shè)開發(fā)，整體符合海洋生態(tài)紅線管控措施。海域中部各有1條海底纜線和海底管道，海底纜線和海底管道2 km范圍內(nèi)不適宜進(jìn)行人工魚礁建設(shè)。

2.3 綜合適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

基于自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境20個(gè)評(píng)價(jià)因子的單因子適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子權(quán)重，利用ArcGIS加權(quán)計(jì)算和疊加分析[23]，對(duì)大連市杏樹屯養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)進(jìn)行綜合適宜性評(píng)價(jià)，獲得人工魚礁建設(shè)適宜性分布圖，如圖5所示。適宜性分布圖表明，最適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域有2塊，較適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域有1塊。人工魚礁建設(shè)最適宜區(qū)域主要位于該海域的東北部和東南部，海域面積約26.5 km2，符合海洋功能區(qū)劃與海洋生態(tài)紅線要求，不與海上其他海洋工程設(shè)施和其他行業(yè)用海相沖突。離岸距離約7.5 km，平均水深20 m，流速介于1.0～1.5 m/s，水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好，底質(zhì)為粉砂質(zhì)砂，浮游生物及底棲生物種類和數(shù)量較多，處于較高水平狀態(tài)。在此區(qū)域開展人工魚礁建設(shè)，可充分發(fā)揮人工魚礁的生態(tài)功能，有效改善水域生態(tài)環(huán)境，增加水域物種多樣性。

圖5 人工魚礁建設(shè)適宜性分布圖

3 討論

3.1 人工魚礁建設(shè)綜合適宜性評(píng)價(jià)體系

人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)涉及多種學(xué)科多種要素[28]，國內(nèi)外已有學(xué)者通過選取海洋物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境和海洋生物資源環(huán)境等因子對(duì)人工魚礁建設(shè)適宜性進(jìn)行分析，或者對(duì)人工魚礁建設(shè)適宜性給出了一些建設(shè)性意見，對(duì)人工魚礁建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。佟飛等[15]基于生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)構(gòu)建了資源保護(hù)型人工魚礁建設(shè)選址評(píng)價(jià)方法，探討了柘林灣溜牛人工魚礁建設(shè)適宜性，建立了人工魚礁建設(shè)選址生態(tài)評(píng)估模型，綜合評(píng)價(jià)了30個(gè)海洋環(huán)境與海洋生物因子，但未對(duì)社會(huì)環(huán)境因子進(jìn)行考慮，而本研究綜合考慮自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境兩方面，針對(duì)人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)更為全面。Erftemijer等[29]基于ArcGIS技術(shù)和水動(dòng)力模型對(duì)巴林人工魚礁區(qū)域進(jìn)行適宜性分析，選出913 km2最適建礁區(qū)域，該研究評(píng)價(jià)過程是非等級(jí)的，不賦予任何評(píng)價(jià)因子權(quán)重，因其缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)或決策者偏好，無法確定每個(gè)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性，本研究通過使用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)因子賦予權(quán)重，可以確定每個(gè)評(píng)價(jià)因子的相對(duì)重要性。許妍等[27]采用賦值法對(duì)天津市近海海域人工魚礁投放的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，篩選出了3塊適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域，與本研究評(píng)價(jià)體系基本一致。但該研究對(duì)所選因子均進(jìn)行等級(jí)劃分，并賦予相應(yīng)的數(shù)值，而本研究針對(duì)自然環(huán)境因子采用構(gòu)建模糊隸屬函數(shù)法，社會(huì)環(huán)境方面因子計(jì)算采用賦值法，兩種計(jì)算方法相結(jié)合，人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)更有針對(duì)性。

上述研究結(jié)果表明，人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)科學(xué)合理開展，所選評(píng)價(jià)因子越全面，人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)越準(zhǔn)確，針對(duì)不同類型評(píng)價(jià)因子應(yīng)建立不同評(píng)價(jià)層次。人工魚礁建設(shè)綜合適宜性評(píng)價(jià)體系可以根據(jù)海域自然環(huán)境質(zhì)量和社會(huì)環(huán)境狀況，快速取得海域的最適建礁區(qū)域，為人工魚礁建設(shè)提供合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，極大提高了評(píng)價(jià)效率。

3.2 人工魚礁建設(shè)適宜性分析的科學(xué)合理性

科學(xué)合理地對(duì)人工魚礁建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃，以發(fā)揮人工魚礁的最佳效應(yīng)，達(dá)到修復(fù)海洋生態(tài)、改善生物棲息環(huán)境的目的[30]。評(píng)價(jià)結(jié)果中最適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域內(nèi)，目前已成功開展人工魚礁建設(shè)，并獲批國家級(jí)海洋牧場示范區(qū)。通過對(duì)已建礁區(qū)進(jìn)行長期、連續(xù)、全面的監(jiān)測，已建礁區(qū)礁體上已附著大量藻類和大型底棲生物，游泳生物的資源密度較投礁前明顯升高，海域海洋生物資源豐度顯著高于其他海域，魚礁在海底狀態(tài)穩(wěn)定良好，未出現(xiàn)下陷和傾覆等現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究的綜合適宜性評(píng)價(jià)體系具有一定的科學(xué)性和合理性。此外，影響人工魚礁建設(shè)效果的因素眾多，人工魚礁建設(shè)適宜性分析還應(yīng)結(jié)合海洋地質(zhì)調(diào)查等物理方法[31-32]，包括通過對(duì)海底地形地貌和海底淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測，人工魚礁建設(shè)適宜性應(yīng)繼續(xù)細(xì)分探索，有關(guān)評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系仍有待今后進(jìn)一步實(shí)踐和完善。

4 結(jié)論

人工魚礁建設(shè)可促進(jìn)海洋生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源恢復(fù)，合理的人工魚礁建設(shè)不僅需要對(duì)人工魚礁建設(shè)有著深刻的了解，還需要對(duì)海域的生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行充分調(diào)查。選取20個(gè)評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)大連市杏樹屯周邊養(yǎng)殖海域進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，選出最適宜投礁區(qū)域，構(gòu)建了適用于大面積養(yǎng)殖海域范圍內(nèi)人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評(píng)價(jià)體系，可為大連市杏樹屯養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)，同時(shí)也可為中國人工魚礁建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)提供借鑒。

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