全 文 ：基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价方法
———以罗源湾为例*
陈克亮1**摇 时亚楼1,2 摇 林志兰1 摇 王金坑1 摇 欧阳玉蓉1 摇 蒋金龙1
( 1国家海洋局第三海洋研究所, 福建厦门 361005; 2污染控制与资源化研究国家重点实验室 /南京大学环境学院, 南京
210093)
摘摇 要摇 基于突变理论建立了“海水水质鄄沉积物鄄生物体冶三相一体、“富营养化鄄重金属鄄有机
污染冶3 种类型的近岸海域生态风险综合评价指标体系和递级突变模型,综合相关质量标准,
建立了近岸海域生态风险 4 级评判标准(无、低、中、高),采用 2007 和 2009 年监测数据对罗
源湾进行生态风险综合评价.结果表明: 2007—2009 年,罗源湾生态风险空间变化特征表现
为从湾顶到湾口呈降低趋势;2009 年罗源湾生态风险等级总体小于 2007 年;罗源湾关键生态
风险因素为富营养化.本文所建方法能够识别近岸海域生态风险的时空变化特征,能较好地
反映出关键风险因素,为近岸海域生态风险有效预测预警提供了基础方法.
关键词摇 突变理论摇 近岸海域摇 生态风险摇 罗源湾
文章编号摇 1001-9332(2012)01-0213-09摇 中图分类号摇 X826摇 文献标识码摇 A
An approach for integrated assessment of eco鄄risk in coastal waters based on catastrophe
theory: Taking Luoyuan Bay as a case. CHEN Ke鄄liang1, SHI Ya鄄lou1,2, LIN Zhi鄄lan1, WANG
Jin鄄keng1, OUYANG Yu鄄rong1, JIANG Jin鄄long1 ( 1Third Institute of Oceanography, State Oceanic
Administration, Xiamen 361005, Fujian, China; 2State Key Laboratory of Pollution Control and Re鄄
sources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2012,23(1): 213-221.
Abstract: Based on catastrophe theory, this paper established an index system and catastrophe pro鄄
gression model for the integrated assessment of eco鄄risk in coastal waters, including three risk types
of “eutrophication鄄heavy metal pollution鄄organic pollution冶 and three dimensions of “ water鄄sedi鄄
ment鄄organism冶. According to the related quality standards, a four鄄level evaluation standard of eco鄄
risk (zero, low, medium, and high) was proposed, and by using the monitoring data of 2007 and
2009, an integrated assessment of the eco鄄risk in Luoyuan Bay was conducted. In 2007-2009, the
spatial variation of the eco鄄risk in Luoyuan Bay had a downward trend from bayhead to baymouth,
and the risk level in 2009 was overall lower than that in 2007. The key factor of the eco鄄risk in the
Bay was eutrophication. The approach established in this paper could identify the spatiotemporal
variation characteristics of eco鄄risk in coastal waters, and better reflect the key eco鄄risk factor, pro鄄
viding a basic approach for effective forecasting and early warning of eco鄄risk in coastal waters.
Key words: catastrophe theory; coastal water; eco鄄risk; Luoyuan Bay.
*国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金项目(海三
科 2009027)、福建省自然科学基金项目(2011J05110)和国家海洋局
海洋公益性行业科研专项经费项目(200805065)资助.
**通讯作者. E鄄mail: kliangchen@ gmail. com
2011鄄06鄄28 收稿,2011鄄09鄄26 接受.
摇 摇 近岸海域因其高生产力与系统多样性,一直以
来都是海洋资源和人类聚居的焦点[1] . 人口的过分
密集、快速城市化、海洋资源的过度开发等使近岸海
域正在经受污水排放、地表径流、围垦、土地利用、渔
业以及大气沉降和气候变化等的影响[2-3],这些影
响已造成近岸海域环境恶化、湿地减少、生态系统退
化等.导致近岸海域生态系统退化的风险主要有富
营养化[4-6]、重金属污染[7]和有机污染[8]等.以往的
研究仅从单因素评价近岸海域生态风险,不能全面
反映近岸海域的生态风险状况. 而目前基于多因素
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 1 月摇 第 23 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2012,23(1): 213-221
指标体系的探讨还相对较少[9] .
常用的多因素指标体系的综合评价方法有层次
分析法、模糊评价法、熵权鄄模糊评价法等. 其中,层
次分析法定量评价不足;模糊评价法可实现定量评
价,但在指标赋权和评价标准确定时存在较大主观
性;熵权鄄模糊评价法是模糊评价法的改进,一定程
度上减少了人为赋权的主观性,但它和模糊评价法
都是基于系统状态现象的判定,不能反映出系统演
变过程中非连续、阶跃式的突变特性[10] . 近岸海域
生态系统动态复杂,生态风险因素的触发或量变积
累可能导致其发生质变甚至突变. 近年来发展起来
的突变理论特别适用于内部作用机理尚未确知的复
杂系统研究,其数学模型能够体现生态系统非连续、
阶跃式的数理特征,其衍生的突变综合评价法无需
对指标主观赋权,且计算简易准确[11] . 许多学者利
用该方法研究区域或城市等复杂系统的生态系统健
康[10,12]、生态安全[13]、用地生态适宜度[14]等. 突变
综合评价法广泛应用于水环境系统的研究,如洪水
引起的环境突变[15]、长江流域洪灾综合风险社会评
价[16]、地下水环境风险评价[11,17]、水体水华[18-19]、
蓝藻水华危险性分区[20]、水体富营养化评价[21]等,
但基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价目前
则鲜有报道.为此,本文应用突变理论建立近岸海域
生态风险综合评价指标体系、评价标准和递级突变
模型,对罗源湾生态风险状况和关键生态风险因素
进行分析,旨在为近岸海域生态系统管理提供科学
依据,以期促进沿海地区经济和环境持续健康发展.
1摇 近岸海域生态风险综合评价方法
1郾 1摇 理论基础———突变理论
突变理论(catastrophe theory) 是研究非连续变
化和突变(质变)现象的新兴数学学科[22] .该理论利
用动态系统的拓扑理论构造数学模型,描述、预测自
然现象与社会活动中事物连续性中断的质变过程,特
别适用于内部作用机理尚未确知的复杂系统的研究.
突变理论研究系统的势函数 v(x,u),通过状态
变量 x和控制变量 u来描述系统行为,其中,状态变
量 x表征系统的行为状态,控制变量 u 为影响行为
状态的诸因素.突变理论主要依据系统的势函数对
临界点进行分类,进而研究临界点附近的不连续特
征.势函数和所有临界点集合成一个平衡曲面. 令
v(x,u)的一阶和二阶导数为 0,可得到平衡曲面的
奇点集,再将平衡曲面的奇点集映射到控制空间,得
到状态变量在控制空间的轨迹(分叉集). 处于分叉
集中的控制变量值会使势函数发生突变,即从一种
质态跳跃到另一种质态. 由分叉集可得到反映状态
变量与各控制变量之间关系的分解形式的分歧方
程.通过分歧方程可导出归一公式,归一公式将系统
内部各控制变量的不同质态归化为可比较的同一种
质态,即用状态变量表示的质态.突变理论用于多因
素(指标)的系统评价和分类问题时,只需考虑状态
变量为一维而控制变量为多维的突变模型的势函数
(表 1) [13,21] .
摇 摇 运用归一公式可求出表征系统状态待征的系统
总突变隶属函数值,其是利用突变理论进行综合分
析评判的基本运算公式. 突变理论用于系统综合评
价时的主要步骤参见文献[11,13].
1郾 2摇 评价指标体系及突变模型的构建
本文将近岸海域的生态风险识别为富营养化、
重金属和有机污染 3 种类型,作为指标体系的准则
层.富营养化能够对近岸海域生态环境和人类生存
产生最直接、最显著的危害,而重金属和有机污染则
是通过生态富集和放大作用直接或间接作用于生物
体,因此将富营养化指标排在优先位置.
表 1摇 突变模型的势函数和归一公式
Table 1摇 Potential functions and normalized formulas for catastrophe models
突变模型
Catastrophe model
控制变量维数
Dimensions of
control variation
势函数
Potential function
归一公式
Normalization formula
折叠突变 Fold 1 v(x)= x3 +u1 x xu1 = u1
尖点突变 Cusp 2 v(x)= x4 +u1 x2 +u2 x xu1 = u1 , xu2 =
3 u2
燕尾突变 Swallowtail 3 v(x)= x5 +u1 x3 +u2 x2 +u3 x xu1 = u1 , xu2 =
3 u2 , xu3 =
4 u3
蝴蝶突变 Butterfly 4 v(x)= x6 +u1 x4 +u2 x3 +u3 x2 +u4 x xu1 = u1 , xu2 =
3 u2 , xu3 =
4 u3 , xu4 =
5 u4
印第安人茅舍突变
Indian cottage
5 v(x)= x7 +u1 x5 +u2 x4 +u3 x3 +u4 x2 +u5 x xu1 = u1 , xu2 =
3 u2 , xu3 =
4 u3 , xu4 =
5 u4 , xu5 =
6 u5
v(x)、x、u、xu 分别为势函数、状态变量、控制变量、归一化的控制变量 v( x), x, u and xu were potential function, state variation, control variation
and normalized control variation, respectively郾
412 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
摇 摇 富营养化参照美国的河口营养状况评价(As鄄
sessment of Estuarine Trophic Status, ASSETS ) 方
法[23],基于 PSR建立指标框架,并且结合中国的海
洋环境监测体系筛选出具体指标,参照文献[23 -
24]进行优先排序. 重金属和有机污染根据污染物
的迁移转化过程,从“海水鄄沉积物鄄生物体冶三相因
素分析,根据我国多年来海洋环境状况[25-26]和文献
[9]精选出具体指标,并从人类健康角度以及参照
文献[9]确定它们的排序.据此,本文构建了近岸海
域生态风险评价的指标体系以及逐级集成的突变模
型(图 1).
1郾 3摇 评价标准的确定
本文将近岸海域生态风险等级划分为无(玉)、
低(域)、中(芋)、高(郁)4 级.等级无表明人为扰动
无或轻微,生态系统保持其自然属性,结构稳定,生
态功能强,富营养化、重金属和有机污染生态风险等
级均为无;等级低表明生态系统存在较低的生态风
险,即生态系统保持其自然属性,结构合理、协调,恢
复力、生态功能较强,生态压力在生态系统的承载能
力范围内;等级中表明有一定的生态风险,即生态系
统基本维持其自然属性,结构、恢复力、生态功能一
般,人为扰动较大,生态压力超出生态系统的承载能
力,但只要人类活动压力解除或减弱,生态系统尚能
自我恢复;等级高表明有较高的生态风险,即生态系
统自然属性明显改变,生物多样性及生态系统结构
发生较大程度改变,其主要生态功能严重退化或丧
失,环境污染、人为破坏、资源的不合理利用等生态
压力超出生态系统的承载能力,即使人类活动压力
解除或减弱, 生态系统也难以在短期内恢复, 必须
要辅以外部能量进行减缓,富营养化、重金属和有机
污染生态风险等级均为高.
各评价指标的生态风险等级(表 2)主要依据
《海水水质标准》 (GB 3097—1997) [27]、《海洋沉积
物质量》 (GB 18668—2002) [28]、《海洋生物质量》
( GB 18421—2001 ) [29]、 《渔业水质标准 》 ( GB
11607—89) [30]、《农产品安全质量:无公害水产品安
全要求》(GB 18406郾 4—2001) [31]和行业标准[32-34]、
国外相关标准[35]以及文献[36 -38];其中,浮游植
物数量、浮游动物密度、大型底栖动物密度等生物参
数依据《近岸海洋生态健康评价指南》(HY / T 087—
2005) [34]进行调整以确定生态风险等级(表 3);海
湾赤潮发生状况参照文献[24]确定生态风险等级
并赋值(表 4).
将各评价指标的标准临界值(无、低、中 3 级)
与研究数据一起递级突变,得到近岸海域生态风险
等级的标准区间.
2摇 研究地区与数据处理
2郾 1摇 研究区概况
罗源湾位于福建省东北部沿海 ( 26毅 17忆—
26毅36忆 N,119毅21忆—119毅50忆 E),四周围绕着低山丘
陵,仅东北角有一个窄口(可门口)与东海相通,是
图 1摇 近岸海域生态风险综合评价指标体系和递级突变模型
Fig. 1摇 Index system and catastrophe progression model for eco鄄risk assessment in coastal waters.
5121 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈克亮等: 基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价方法———以罗源湾为例摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 近岸海域生态风险评价指标的评价标准
Table 2摇 Classification scheme of indexes for eco鄄risk assessment in coastal waters
因素层
Factor layer
指标层
Index layer
生态风险等级 Eco鄄risk level
I (无 Zero ) 域 (低 Low) 芋(中 Medium ) 郁 (高 High)
C1 D1(mg·L-1) 臆0郾 2 臆0郾 3 臆0郾 4 >0郾 4
D2(mg·L-1) 臆0郾 02 臆0郾 03 臆0郾 05 >0郾 05
D3(mg·L-1) 臆2 臆3 臆4 >4
C2 D4(滋g·L-1) [36-37] 臆2 臆10 臆15 >15
D5 逸3 逸2 逸1 <1
D6 [ 32,38 ] 逸3 逸2 逸1 <1
C3 D7 逸3 逸2 逸1 <1
D8 逸3 逸2 逸1 <1
D9(m) [24,37] 逸2 逸1 逸0郾 5 <0郾 5
D10(mg·L-1) 逸6 逸5 逸4 <4
D11 (% ) 臆2 臆3 臆4 >4
C4 D12 逸3 逸2 逸1 <1
C5 D13(伊10-6) 臆0郾 05 臆0郾 1 臆0郾 3 >0郾 3
D14(伊10-6) 臆1 臆5 臆8 >8
D15(伊10-6) 臆0郾 2 臆2 臆5 >5
D16(伊10-6) 臆0郾 1 臆2 臆6 >6
C6 D17(伊10-6) 臆0郾 2 臆0郾 5 臆1 >1
D18(伊10-6) 臆20 臆65 臆93 >93
D19(伊10-6) 臆0郾 5 臆1郾 5 臆5 >5
D20(伊10-6) 臆60 臆130 臆250 >250
D21(伊10-6) 臆35 臆100 臆200 >200
C7 D22(伊10-3 mg·L-1) 臆0郾 05 臆0郾 2 臆0郾 5 >0郾 5
D23(伊10-3 mg·L-1) 臆20 臆30 臆50 >50
D24(伊10-3 mg·L-1) 臆1 臆5 臆10 >10
D25(伊10-3 mg·L-1) 臆1 臆5 臆10 >10
C8 D26(伊10-6) 臆15 臆50 臆80 >80
D27(伊10-9) [31,33,35] 臆0郾 06 臆100 臆200 >200
D28(伊10-9) 臆10 臆100 臆500 >500
D29(伊10-9) 臆20 臆150 臆500 >500
C9 D30(伊10-6) 臆500 臆1000 臆1500 >1500
D31(伊10-9) 臆20 臆200 臆600 >600
D32(伊10-9) 臆20 臆50 臆100 >100
C10 D33(mg·L-1) 臆0郾 05 臆0郾 3 臆0郾 5 >0郾 5
D34(滋g·L-1) [35] 臆0郾 000064 臆0郾 014 臆0郾 03 >0郾 03
C1 ~ C10分别代表营养物质压力、富营养化初级症状、富营养化次级症状、富营养化其他症状、生物体中重金属污染物、沉积物中重金属污染物、
水体中重金属污染物、生物体中有机污染物、沉积物中有机污染物、水体中有机污染物 C1 -C10presented pressure of nutrients, primary symptoms of
eutrophication, secondary symptoms of eutrophication, other symptoms of eutrophication, heavy metal pollutant in organisms, heavy metal pollutant in sur鄄
face sediment, heavy metal pollutant in water bodies, organic pollutant in organisms, organic pollutant in surface sediment, organic pollutant in water
bodies, respectively郾 D1 ~ D34分别代表无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、叶绿素、浮游植物密度、浮游植物多样性指数、浮游动物密度、大型底
栖动物密度、透明度、溶解氧、沉积物总有机碳、赤潮发生情况、生物体中汞、砷、镉、铅,沉积物中汞、砷、镉、铅,水体中汞、砷、镉、铅,生物体中石
油类、总多氯联苯、总滴滴涕、总六六六,沉积物中石油类、总多氯联苯、总滴滴涕、水体中石油类、总多氯联苯 D1 -D34 presented inorganic nitro鄄
gen, reactive phosphate, COD, chlorophyll a, density of phytoplankton, H忆 of phytoplankton, density of zooplankter, density of benthos, SD, DO, TOC,
occurrence of red tides, Hg, As, Cd, Pb in organisms, Hg, As, Cd, Pb in surface sediment, Hg, As, Cd, Pb in water bodies, oil pollutants, PCBs,
DDT, 666 in organisms, oil pollutants, PCBs, DDT in surface sediment, oil pollutants, PCBs in water bodies, respectively. 下同 The same below.
表 3摇 近岸海域生物参数生态风险等级及赋值
Table 3摇 Classification scheme of biological parameter for eco鄄risk assessment in coastal waters
指 标
Index
生态风险等级 Eco鄄risk level
玉(无 Zero) 域(低 Low) 芋(中 Medium) 郁(高 High)
D5(105 ind·m-3) (50%A,150%A] (30% A,50% A] or (150%
A,175%A]
(10% A,30% A] or (175%
A,200%A]
<10%A or >200%A
D7(103 ind·m-3) (80% B,120% B] (65% B,80% B] or(120%
B,135% B]
(50% B,65% B] or (135%
B,150% B]
<50% B or >150% B
D8(ind·m-2) (80%D,120%D] (65% D,80% D] or(120%
D,135%D]
(50% D,65% D] or(135%
D,150%D]
<50%D or >150%D
赋值 Value 3 2 1 0
A、B、D分别为海湾 D5、D7、D8的背景值(见文献[34]的附录 A)A, B and D were the background of D5, D7 and D8 in Bay, respectively (see as ap鄄
pendix A of the reference [34])郾
612 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 4摇 近岸海域赤潮发生情况生态风险等级及赋值
Table 4摇 Classification scheme of red tides occurrence for
eco鄄risk assessment in coastal waters
发生次数
Numbers of
occurrence
发生面积
Areas of
occurrence
生态风险等级
Eco鄄risk level
赋值
Value
无 Zero 无 Zero 玉(无 Zero) 3
仅一次 Only one 臆100 km2 域(低 Low) 2
仅一次 Only one >100 km2 芋(中 Medium) 1
一次以上
More than one
臆100 km2
一次以上
More than one
>100 km2 郁(高 High) 0
一个典型的口小腹大半封闭型海湾,海域总面积
179郾 56 km2,其中滩涂面积 104郾 71 km2 .罗源湾湾口
宽仅 950 m,湾内风浪小,海面平稳.湾口可门水道、
岗屿水道、岗屿鄄门边一线以东及湾北侧航道水深大
多>10 m,最大水深达 70 m 以上. 研究区海岸线曲
折,周围基本无大河流注入,西北部有一条小溪
流———起步溪注入,年总径流量仅 3郾 18伊108 m3,径
流对湾内水环境影响较小,罗源湾内的水体交换主
要靠潮汐来完成.罗源湾汇水区域面积达 538 km2,
涉及罗源县和连江县两个行政区域(图 2).
2郾 2摇 数据监测、分析与处理
采用福建省海洋环境与渔业资源监测中心
2007 和 2009 年对罗源湾的常规监测数据进行评
价.各类要素不同指标的采样站位和监测频次见表
5,采样、分析等方法严格执行《海洋监测规范》 (GB
17378郾 1 ~ 7—2007) [39] . 2007、2009 年分别布设 9 和
17 个站位,两年重合的站位有 4 个(图 2),考虑可
比性,对空间差异性评价采用 4 个相同站位的监测
数据,对时间差异性评价采用全湾该年所有站位
位监测数据的平均值.罗源湾生态风险指标的监测
图 2摇 罗源湾地理位置及采样站位
Fig. 2摇 Location and sampling stations of Luoyuan Bay.
Z1 ~ Z4为 2007 和 2009 年共有站位的序号 Z1 -Z4 were the number of
stations of 2007 and 2009 respectively. 下同 The same below.
表 5摇 罗源湾数据监测概况
Table 5摇 Overview of monitoring data in Luoyuan Bay
要素
Element
指标
Index
年份
Year
站位数
Number of
stations
监测次数
Monitoring
times
监测月份
Monitoring
month
海水水质 D4 2007 6 3 3、5、8
Sea water quality 2009 9 4 3、5、8、11
D1 ~ D3、D9、 2007 8 5 3—7
D10、D33 2007 9 7 8、9、10—12
2009 17 4 3、5、8、11
D22 ~ D25 2007 8 5 3—7
2007 9 1 8
2009 17 1 8
D34 2007 6 1 5
2009 17 1 8
生物体质量 D13 ~ D16、 2007 1 1 9
Organism quality D26 ~ D29 2007 1 1 9
2007 1 1 9
2009 1 1 9
沉积物质量 D11、D17 ~ 2007 6 1 8
Sediment quality D21、D30 ~ D32 2009 8 1 8
浮游植物 D5、D6 2007 5 1 8
Phytoplankton 2009 9 4 3、5、8、11
浮游动物 D7 2007 6 2 3、8
Zooplankter 2009 9 4 3、5、8、11
底栖生物 D8 2007 5 1 8
Benthos 2009 9 2 5、11
值见表 6.为统一模型参数的量纲问题,采用相对隶
属度的概念,用极差法[13]对原始监测数据进行标准
化,使其消除量纲后的取值区间在 0 ~ 1.
3摇 结果与分析
3郾 1摇 罗源湾生态风险空间变化
将罗源湾生态风险各评价指标的标准临界值与
4 个站位的监测数据一起递级突变得到生态风险等
级的标准区间为:玉级逸0郾 99,0郾 97臆域级<0郾 99,
0郾 54臆芋级<0郾 97,郁级<0郾 54.
罗源湾生态风险空间变化特征呈现出生态风险
程度从湾顶到湾口逐渐降低的态势,表现在站位生
态风险等级( level, L)均值差异上:LZ1 LZ3 .
除 Z1站位 2007 年生态风险等级为中外,其余
站位风险等级均为低. 从生态风险因素来看,除 Z2
站位 2007 年富营养化风险等级为低外,其余各站点
均为中;各站位重金属污染均处于无风险状态;除
Z1站位 2007 年有机污染风险等级为中外,其余各站
位有机污染均处于无风险状态. Z1站位水体中 PCBs
浓度在两年各站位中均最高(图 3),因而其有机污
染风险最大.该方法能较好地反映出单一指标极值
7121 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈克亮等: 基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价方法———以罗源湾为例摇 摇 摇 摇 摇
表 6摇 罗源湾 2007 和 2009 年生态风险评价指标监测值
Table 6摇 Value of indicators for eco鄄risk assessment of Luoyuan Bay in 2007 and 2009
B C D 2007
Z1 Z2 Z3 Z4 全湾
Luoyuan Bay
2009
Z1 Z2 Z3 Z4 全湾
Luoyuan Bay
B1 C1 D1 0郾 68 0郾 56 0郾 61 0郾 54 0郾 59 0郾 50 0郾 80 0郾 36 0郾 41 0郾 49
D2 0郾 06 0郾 05 0郾 05 0郾 05 0郾 05 0郾 05 0郾 04 0郾 04 0郾 04 0郾 04
D3 1郾 07 0郾 89 0郾 99 0郾 74 0郾 93 0郾 92 0郾 84 0郾 97 0郾 65 0郾 79
C2 D4 0郾 02 0郾 02 0郾 00 0郾 01 0郾 01 1郾 59 2郾 20 2郾 91 1郾 35 1郾 53
D5 0郾 21 0郾 21 0郾 07 0郾 02 0郾 12 0郾 20 0郾 16 0郾 16 0郾 20 0郾 35
D6 3郾 09 3郾 72 3郾 42 2郾 14 3郾 07 3郾 46 3郾 74 3郾 17 3郾 44 3郾 28
C3 D7 0郾 15 0郾 85 0郾 33 6郾 52 1郾 62 2郾 77 5郾 59 13郾 20 2郾 47 4郾 78
D8 94郾 00 106郾 00 182郾 00 216郾 00 181郾 20 578郾 00 552郾 00 225郾 00 339郾 00 635郾 67
D9 1郾 25 1郾 12 0郾 92 1郾 10 1郾 04 1郾 29 1郾 13 0郾 58 1郾 10 1郾 03
D10 6郾 76 7郾 44 7郾 78 7郾 58 7郾 34 7郾 28 7郾 74 7郾 45 7郾 51 7郾 42
D11 0郾 81 0郾 78 0郾 76 0郾 96 0郾 79 0郾 84 0郾 72 0郾 85 0郾 85 0郾 91
C4 D12 - - - - 2郾 00 - - - - 3郾 00
B2 C5 D13 - - - - 0郾 04 - - - - 0郾 01
D14 - - - - 5郾 03 - - - - 0郾 00
D15 - - - - 1郾 07 - - - - 0郾 30
D16 - - - - 1郾 25 - - - - 0郾 26
C6 D17 0郾 02 0郾 02 0郾 04 0郾 03 0郾 03 0郾 05 0郾 04 0郾 07 0郾 03 0郾 04
D18 7郾 62 7郾 28 7郾 28 7郾 20 7郾 41 7郾 23 6郾 93 12郾 50 10郾 90 9郾 29
D19 0郾 09 0郾 09 0郾 09 0郾 09 0郾 09 0郾 08 0郾 07 0郾 08 0郾 08 0郾 08
D20 40郾 80 32郾 30 37郾 90 38郾 10 38郾 53 32郾 70 29郾 10 33郾 60 29郾 80 29郾 53
D21 28郾 70 21郾 20 25郾 10 28郾 60 26郾 57 22郾 20 21郾 10 24郾 00 24郾 10 21郾 15
C7 D22 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 10 0郾 04 0郾 04 0郾 05 0郾 07
D23 1郾 22 0郾 69 0郾 76 0郾 75 0郾 78 0郾 72 0郾 51 1郾 02 0郾 56 0郾 65
D24 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 02 0郾 01 0郾 02 0郾 01 0郾 01
D25 0郾 42 0郾 39 0郾 46 0郾 24 0郾 33 0郾 54 0郾 61 0郾 84 2郾 74 1郾 02
B3 C8 D26 - - - - 12郾 25 - - - - 17郾 70
D27 - - - - 12郾 20 - - - - 1郾 48
D28 - - - - 6郾 33 - - - - 153郾 35
D29 - - - - 4郾 12 - - - - 0郾 19
C9 D30 156郾 00 88郾 20 42郾 90 77郾 50 81郾 43 17郾 90 35郾 20 299郾 00 21郾 50 92郾 95
D31 17郾 40 16郾 80 15郾 60 16郾 50 17郾 15 0郾 85 1郾 10 0郾 62 0郾 80 0郾 78
D32 4郾 80 3郾 65 2郾 93 4郾 52 3郾 61 17郾 12 16郾 59 8郾 96 11郾 46 14郾 49
C10 D33 0郾 04 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 03 0郾 02 0郾 03 0郾 01 0郾 01 0郾 01
D34 0郾 16 0郾 07 0郾 09 0郾 06 0郾 09 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00 0郾 00
Z1 ~ Z4为 2007 和 2009 年共有站位的序号 Z1 -Z4 were the number of stations of 2007 and 2009 respectively.
对生态系统突变的影响程度[13] .
摇 摇 产生上述结果的主要原因有:1)水动力条件差
异.根据文献[40],Z1站位的水动力条件最差,Z2较
差,Z3、Z4较好,从空间变化上,风险高低程度与水动
力条件优劣一致. 2)陆源污染差异. Z1站位所在区域
位于罗源湾顶,受人类活动影响较大,其附近汇集多
处陆源排口,承纳着来自工业、城镇生活及上游起步
溪流域等的陆源污染,陆源污染排放量约占全湾陆
源的 50% ;Z3、Z4站位承纳来自附近(官坂、坑园)城
镇生活及其上游的陆源污染,占全湾陆源污染量的
15% ;Z2站位附近陆源污染物排放较少[40] . 3)海水
养殖污染差异.根据 2009 年调研资源显示[41],Z1站
位西侧为松山围垦池塘养殖区,面积 14郾 13 km2,其
养殖污染量约占整个海湾养殖污染的 30% ;Z3、Z4
站位 附 近 有 大 官 坂 垦 池 塘 养 殖 区, 面 积 约
23郾 84 km2,其养殖污染量约占整个海湾养殖污染的
52% ;Z2站位附近海水养殖污染较小. 综上,Z1站位
的海水养殖污染和陆源污染负荷较大,且水动力条
件较差,严重制约其环境自净能力,导致其生态风险
较大,急需加强湾顶陆源污染的削减力度,并逐步减
少或退出海水养殖.
3郾 2摇 罗源湾生态风险年际差异
递级突变得到的罗源湾生态风险等级标准区间
为:玉级逸0郾 99,0郾 97臆域级<0郾 99,0郾 43臆芋级<
0郾 97,郁级<0郾 43. 2007 年,罗源湾生态风险综合评
价等级为中级,2009 年为低级,呈递减趋势;2009 年
812 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 罗源湾生态风险空间变化特征
Fig. 3摇 Spatial difference of eco鄄risk in Luoyuan Bay.
玉 ~芋:生态风险等级 Eco鄄risk level. 下同 The same below.
的富营养化、重金属和有机污染各单因素风险等级
均低于 2007 年;2007 和 2009 年研究区富营养化风
险程度均处于中级,但从具体计算结果来看,2007
年富营养化风险程度比 2009 年严重,主要表现在氮
磷浓度过高,已呈现浮游植物的初级富营养化症状,
并且引发了较大规模的赤潮 (2007 年 8 月 23—
27 日,面积约 50 km2 ) [42],2009 年则没有赤潮发
生[43];2007 年重金属和有机污染风险均处于低级,
而 2009 年均无风险(图 4).
3郾 3摇 关键生态风险因素分析
富营养化是罗源湾关键生态风险因素,其在
2007和 2009年的风险程度均为中级,其余因素为低
级或无风险.富营养化的压力和次级症状指标风险都
较大,其中,压力指标的氮、磷浓度较高,其浓度范围
分别为 0郾 36 ~0郾 80 mg·L-1、0郾 04 ~0郾 06 mg·L-1,基
本处于《海水水质标准》 [27]的四类或劣四类;次级症
状表现为浮游动物密度很低.
Z1站位所在区域的关键生态风险因素为富营养
化风险和有机污染风险,其他站位所在区域的关键
生态风险因素均为富营养化. 2007 年,研究区主要
富营养化风险指标是氮磷浓度、浮游植物数量、浮游
动物密度和大型底栖动物密度;2009 年为氮磷浓
度、浮游动物密度和大型底栖动物密度.
4摇 讨摇 摇 论
本文在已有研究的单因素(富营养化、重金属
污染、有机污染等)评价基础上,建立了适合我国海
洋环境监测体系的生态风险综合评价指标体系、递
级突变模型和评判标准,并应用于罗源湾,揭示了罗
源湾生态风险空间变化特征(生态风险程度从湾顶
到湾口逐渐降低的态势),反映出罗源湾生态风险
年际差异(2009 年生态风险程度整体上低于 2007
年 1 个级别,各单个风险因素的风险程度均低于
2007 年),识别出了罗源湾关键生态风险因素和具
体风险指标.罗源湾生态风险状态的主要原因可能
在于罗源湾近年来海水养殖规模基数大,加上陆源
污染和水动力条件因素,造成营养物质压力过大,氮
图 4摇 罗源湾生态风险年际差异
Fig. 4摇 Annul difference of eco鄄risk in Luoyuan Bay.
9121 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈克亮等: 基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价方法———以罗源湾为例摇 摇 摇 摇 摇
磷污染严重.同时,评价结果也说明,罗源湾发生生
态灾害的风险依然存在,为今后采取生态风险防范
有效措施提供了预测预警的方法基础.
近岸海域生态系统动态复杂,生态风险不能完
全确知,应用突变理论能够描述其连续性中断的质
变、突变过程,该方法能够较好地识别时空突变点的
关键风险因素和风险指标,为近岸海域生态风险的
诊断提供了一种新的研究方法. 该方法是基于状态
评价和变化趋势分析的动态评价方法,对多指标的
系统进行评价时无需对指标赋权重值,只需按照指
标内在逻辑关系对其重要程度进行排序,减少了人
为主观因素.制定出适合突变理论的等级标准,是目
前研究的难点[10] .本文确定了指标层各指标不同生
态风险等级的阈值,将其与监测值一起进行突变计
算,建立了近岸海域生态风险不同等级的评判标准,
具有实用价值,能够较准确地表征生态风险的状态.
由于目前国内外尚无权威的近岸海域生态风险
评价指标体系,本文在相关研究成果基础上结合我
国海洋环境监测体系,整合集成了该指标体系,在我
国具有一定的适用性,但仍需进一步的提炼和筛选,
使其具有普适性并能准确响应近岸海域的生态风
险.近岸海域生态系统动态复杂,而目前对其生态风
险的机理研究还不多,因此在综合评价指标选取上
还应加强机理认识,指标等级阈值的确定也需进一
步研究.突变具有时间尺度效应,选取突变效应越为
明显的时间尺度,其适用性越显著.
参考文献
[1]摇 Lotze HK, Lenihan HS, Bourque BJ, et al. Depletion,
degradation, and recovery potential of estuaries and
coastal Seas. Science, 2006, 312: 1806-1809
[2]摇 Burn DH, Yulianti JS. Waste load allocation using ge鄄
netic algorithms. Journal of Water Resources Planning
and Management, 2001, 127: 121-129
[3]摇 Kuppusamy MR, Giridhar VV. Factor analysis of water
quality characteristics including trace metal speciation in
the coastal environmental system of Chennai Ennore.
Environment International, 2006, 32: 174-179
[4]摇 Balmford A, Bennun L, Brink BT, et al. The conven鄄
tion on biological diversity爷s 2010 target. Science,
2005, 307: 212-213
[5]摇 Pikitch EK, Santora C, Babcock EA, et al. Ecosystem鄄
based fishery management. Science, 2004, 305: 346 -
347
[6]摇 Xu N (徐摇 宁), Duan S鄄S (段舜山) , Li A鄄F (李爱
芬), et al. The relationships between the occurrences of
red tides (HABs) and eutrophication in coastal waters.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2005, 25 (7):
1782-1787 (in Chinese)
[7]摇 An L鄄H (安立会), Zheng B鄄H (郑丙辉), Zhang L
(张摇 雷), et al. Occurrence of heavy metals in surface
sediments from estuaries in Bohai bay and their ecologi鄄
cal risk assessment. China Environmental Science (中国
环境科学), 2010, 30(5): 666-670 (in Chinese)
[8]摇 Zhang Y鄄Y (张映映), Feng L (冯 摇 流), Liu Z鄄T
(刘征涛). Health risk assessment on semivolatile or鄄
ganic compounds in water of Yangtze Estuary area. Re鄄
search of Environmental Sciences (环境科学研究),
2007, 20(1): 18-23 (in Chinese)
[9]摇 Wang WJ, Liu SL, Zhang SS, et al. Assessment of a
model of pollution disaster in near鄄shore coastal waters
based on catastrophe theory. Ecological Modelling,
2011, 222: 307-312
[10]摇 Wei T (魏摇 婷), Zhu X鄄D (朱晓东), Li Y鄄F (李杨
帆). Ecosystem health assessment of Xiamen City: The
catastrophe progression method. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2008, 28 (12): 6312 - 6320 ( in Chi鄄
nese)
[11]摇 Li S鄄F (李绍飞), Sun S鄄H (孙书洪), Wang X鄄Y (王
向余). Application of catastrophe theory to risk assess鄄
ment of groundwater environment for river basin. Journal
of Hydraulic Engineering (水利学报), 2007, 38(11):
1312-1317 (in Chinese)
[12]摇 Li Y (李摇 艳), Chen X鄄H (陈晓宏), Zhang P鄄F (张
鹏飞). Application of catastrophe progression method to
evaluation of regional ecosystem health. China Popula鄄
tion, Resources and Environment (中国人口·资源与
环境), 2007, 17(3): 50-54 (in Chinese)
[13]摇 Wei T (魏摇 婷), Zhu X鄄D (朱晓东), Li Y鄄F (李杨
帆), et al. Application of catastrophe progression meth鄄
od in assessing urban ecological security of Xiamen City,
China. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态
学报), 2008, 19(7): 1522-1528 (in Chinese)
[14]摇 Chen Y鄄F (陈云峰), Sun D鄄Y (孙殿义), Lu G鄄F
(陆根法). Application of catastrophe progression meth鄄
od in ecological suitability assessment: A case study on
Zhenjiang new area. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2006, 26(8): 2588-2593 (in Chinese)
[15]摇 Tang J (汤 摇 洁), Lin N鄄F (林年丰), Huang Y鄄L
(黄奕龙). The application of needle mutation model to
the study of environmental mutation for flood. Acta Sci鄄
entiae Circumstantiae (环境科学学报), 2002, 22(4):
443-447 (in Chinese)
[16]摇 Li J鄄Q (李继清), Zhang Y鄄S (张玉山), Ji C鄄M (纪
昌明), et al. Application of catastrophe theory to social
assessment of integrated flood disaster risks in Yangtze
River. Engineering Journal of Wuhan University (武汉
大学学报·工学版), 2007, 40(4): 26-30 ( in Chi鄄
nese)
[17]摇 Feng P (冯 摇 平), Li S鄄F (李绍飞), Li J鄄Z (李建
柱). Catastrophe theory based risk evaluation of ground鄄
water environment. Journal of Natural Disasters (自然
灾害学报), 2008, 17(2): 13-18 (in Chinese)
[18]摇 Chen Y鄄F (陈云峰), Yin F鄄C (殷福才), Lu G鄄F (陆
根法). The catastrophic model of water bloom breaking
out of eutrophication waters. China Environmental Sci鄄
ence (中国环境科学), 2006, 26(1): 125 -128 ( in
022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
Chinese)
[19]摇 Chen Y鄄F (陈云峰), Yin F鄄C (殷福才), Lu G鄄F (陆
根法). The catastrophic model of water bloom: A case
study on Lake Chaohu. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2006, 26(3): 878-883 (in Chinese)
[20]摇 Liu J鄄T (刘聚涛), Gao J鄄F (高俊峰), Jiang J鄄H (姜
加虎), et al. Catastrophe theory based risk evaluation
of blue green algae bloom of different regions in Lake
Taihu. Journal of Lake Sciences (湖泊科学), 2010, 22
(4): 488-494 (in Chinese)
[21]摇 Li Z鄄Y (李祚泳), Guo C (郭摇 淳), Wang J鄄Y (汪嘉
杨), et al. Generalized expression of potential function
in catastrophe model and its application in eutrophication
evaluation. Advances in Water Science(水科学进展),
2010, 21(1): 101-106 (in Chinese)
[22]摇 Saunders PT. Trans. Ling F鄄H (凌复华). An Intro鄄
duction to Catastrophe Theory. Shanghai: Shanghai Sci鄄
ence and Technology Literature Press, 1983 ( in Chi鄄
nese)
[23]摇 Bricker SB, Ferreira JG, Simas T. An integrated meth鄄
odology for assessment of estuarine trophic status. Eco鄄
logical Modelling, 2003, 169: 39-60
[24]摇 Wu D (吴摇 迪), Wang J鄄Y (王菊英), Ma D鄄Y (马
德毅), et al. Comprehensive eutrophication assessment
for representative bays based on the PSR framework in
China. Transactions of Oceanology and Limnology (海
洋湖沼通报), 2011(1): 131-136 (in Chinese)
[25]摇 State Oceanic Administration (国家海洋局). Annual
Report of Marine Environment Quality in China (2000-
2009) [ EB / OL ]. ( 2010鄄01鄄01 ) [ 2011鄄05鄄14 ].
http: / / www. soa. gov. cn / soa / hygb / hjgb / A010901index
_1. htm (in Chinese)
[26] 摇 State Oceanic Administration (国家海洋局). Annual
Report of Marine Environment Status in China (2010)
[ EB / OL ]. ( 2011鄄05鄄16 ) [ 2011鄄05鄄17 ]. http: / /
www. soa. gov. cn / soa / hygb / hjgb / A010901index_1. htm
(in Chinese)
[27]摇 State Bureau of Environmental Protection (国家环境保
护局). Sea Water Quality Standard. Beijing: China
Standards Press, 1997 (in Chinese)
[28]摇 General Administration of Quality Supervision, Inspec鄄
tion and Quarantine (国家质量监督检验检疫总局).
Marine Sediment Quality. Beijing: China Standards
Press, 2002 (in Chinese)
[29]摇 General Administration of Quality Supervision, Inspec鄄
tion and Quarantine (国家质量监督检验检疫总局).
Marine Biological Quality. Beijing: China Standards
Press, 2002 (in Chinese)
[30]摇 State Bureau of Environmental Protection (国家环境保
护局). Water Quality Standard for Fisheries. Beijing:
China Standards Press, 1990 (in Chinese)
[31] 摇 General Administration of Quality Supervision, Inspec鄄
tion and Quarantine (国家质量监督检验检疫总局).
Safety Qualification for Agricultural Product鄄Safety Re鄄
quirements for Non鄄environmental Pollution Aquatic
Products. Beijing: China Standard Press, 2001 (in Chi鄄
nese)
[32] 摇 Ministry of Environmental Protection (环境保护部).
Specification for Offshore Environmental Monitoring.
Beijing: China Environmental Science Press, 2009 ( in
Chinese)
[33]摇 State Oceanic Administration (国家海洋局). Technical
Specification of Marine Biological Quality Monitoring.
Beijing: China Standards Press, 2005 (in Chinese)
[34]摇 State Oceanic Administration (国家海洋局 ). The
Guideline for the Assessment of Coastal Marine Ecosys鄄
tem Health. Beijing: China Standards Press, 2005 ( in
Chinese)
[35] 摇 USEPA. National Recommended Water Quality Criteria
[ EB / OL ]. ( 2011鄄05鄄13 ) [ 2011鄄05鄄17 ]. http: / /
water. epa. gov / scitech / swguidance / standards / current /
index. cfm#priority
[36]摇 Li Q鄄X (李清雪), Tao J鄄H (陶建华). Application of
phytoplankton community indexes in coastal eutrophica鄄
tion assessment. China Environmental Science (中国环
境科学), 1999, 19(6): 548-551 (in Chinese)
[37]摇 Borja A, Franco J, Valencia V, et al. Implementation
of European Water Framework Directive from the Basque
country (northern Spain): A methodological approach.
Marine Pollution Bulletin, 2004, 48: 209-218
[38]摇 Wang B鄄D (王保栋), Han B (韩 摇 彬). Method for
integrated assessment of near鄄shore ecological environ鄄
ment quality and its application to Jiaozhou Bay. Ad鄄
vances in Marine Science (海洋科学进展), 2009, 27
(3): 400-404 (in Chinese)
[39] 摇 General Administration of Quality Supervision, Inspec鄄
tion and Quarantine (国家质量监督检验检疫总局).
Specification for Marine Monitoring. Beijing: China
Standards Press, 2008 (in Chinese)
[40]摇 Yu X鄄G (余兴光), Chen B (陈摇 彬), Wang J鄄K (王
金坑), et al. Study on the Environmental Capacity and
Ecological Protection for Bays: A case of Luoyuan Bay.
Beijing: Ocean Press, 2010 (in Chinese)
[41]摇 Lin Z鄄L (林志兰), Wang J鄄K (王金坑), Jiang S (姜
尚), et al. Technical Report for Total amount Planning
of Pollutant into the Sea in Luoyuan Bay. Xiamen: Third
Institute of Oceanography, State Oceanic Administra鄄
tion, 2011 (in Chinese)
[42]摇 Fujian Provincial Department of Ocean and Fisheries
(福建省海洋与渔业厅). Annual Report of Marine En鄄
vironment Status in Fujian (2007) [EB / OL]. (2009鄄
09鄄09) [ 2011鄄06鄄26 ]. http: / / www. fjof. gov. cn / _
xxgk / sjgg / index. htm1? id=1006 (in Chinese)
[43]摇 Fujian Provincial Department of Ocean and Fisheries
(福建省海洋与渔业厅). Annual Report of Marine En鄄
vironment Status in Fujian (2009) [EB / OL]. (2010鄄
11鄄10) [ 2011鄄06鄄26 ]. http: / / www. fjof. gov. cn / _
xxgk / sjgg / index. htm1? id=1006 (in Chinese)
作者简介 摇 陈克亮,男,1978 年生,博士,助理研究员. 主要
从事海洋环境污染控制与管理研究,发表论文 30 余篇.
E鄄mail: kliangchen@ gmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
1221 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈克亮等: 基于突变理论的近岸海域生态风险综合评价方法———以罗源湾为例摇 摇 摇 摇 摇