全 文 ：第 34卷 第 4期 生 态 科 学 34(4): 7175
2015 年 7 月 Ecological Science Jul. 2015
收稿日期: 2015-04-30; 修订日期: 2015-05-14
基金项目: 国家自然科学基金(31370476); 国家自然科学基金(31000240); 广东省海洋渔业科技与产业发展专项科技攻关与研发项目(A201401D03); 广
东省科技计划项目(2014A020217005); 广东省产学研项目(2012B091100341)
作者简介: 左娅(1986—), 女, 甘肃天水人, 硕士, 助理工程师, 从事海洋环境监测工作, yaojizuoya@163.com
*通信作者: 左娅, E-mail: yaojizuoya@163.com; 叶长鹏, E-mail: tcpyes@jnu.edu.cn
左娅, 陈向明, 康德礼, 等. 基于耗散结构理论的考洲洋生态修复研究[J]. 生态科学, 2015, 34(4): 7175.
ZUO Ya, CHEN Xiangming, KANG Deli, et al. Ecological restoration research on Kaozhou Bay based on Dissipative Structure
Theory[J]. Ecological Science, 2015, 34(4): 7175.
基于耗散结构理论的考洲洋生态修复研究
左娅 1,*, 陈向明 1, 康德礼 2, 叶长鹏 3*
1. 惠东县海洋与渔业局, 惠州 516300
2. 中山大学惠州研究院, 惠州 516081
3. 暨南大学, 广州 510632
【摘要】 考洲洋是一个半封闭性的海湾, 特殊的构造使其物质交换较少, 而近年来外源污染物的积聚, 使得环境问更
加堪忧。如何恢复考洲洋的生态环境, 使其成为服务于地方海洋经济可持续发展的平台, 是一个亟需解决的问题。文
中应用了物理学耗散结构理论, 对考洲洋生态系统做了整体的分析, 探究了影响该海湾生态环境的主要因素, 提出了
实现其生态修复的可操作模式。
关键词：考洲洋; 环境污染; 生态修复; 耗散结构理论
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.04.012 中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)04-071-05
Ecological restoration research on Kaozhou Bay based on Dissipative Struc-
ture Theory
ZUO Ya1,*, CHEN Xiangming1, KANG Deli2, YE Changpeng3
1. Administration of Ocean and Fisheries of Huidong, Huidong 516300, China
2. Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University, Huizhou 516081, China
3. Jinan University, Guangzhou 515063, China
Abstract: Kaozhou Bay is a semi-closed bay, and the water exchange is not enough due to its special shape; what’s more,
external accumulated pollutants make the environment worse. Therefore, the ecological environment recovery of Kaozhou Bay
is the urgent issue for local government. We need to make the bay to be a sustainable development platform for marine economy.
In this study, Dissipative Structure Theory was used to analyze Kaozhou Bay system. We proved into the main factors
influencing the environment and ecology, and then proposed operable methods for ecological restoration of Kaozhou Bay.
Key words: Kaozhou Bay; environment pollution; ecological restoration; dissipative structure theory
1 前言
考洲洋位于广东省惠东县境内, 地处稔平半
岛 , 是红海湾向内陆延伸的一个溺谷湾 , 海岸线
长 65.3 km, 口窄内宽, 最窄处 253 m, 海域范围内
有盐洲、龙船洲、老鼠洲、罂瑶公洲 4 个岛, 水域
面积 29.7 km2, 其中滩涂面积约 13.73 km2, 滩涂
以泥质为主。考洲洋的海底较平坦, 中部水域水深
3—6 m, 其余大部分水域的水深在 0.3—1.0 m。海
水的 pH值一年之内变化较大, 2月海水平均 pH可达
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8.32, 而 8 月平均 pH 仅为 7.63。考洲洋的简明示意
地图参见图 1。考洲洋水域资源条件较为优越, 自然
环境独特, 是粤东沿海重要水产增养殖水域之一。动
物资源丰富, 鸟类约有 38 种, 候鸟有白鹭(Egretta
garzetta)苍鹭 (Ardea cinerea)黑脸琵鹭 (Platalea
mino)黄嘴白鹭 (Egretta eulophotes)白额雁 (Anser
albifrons)金斑行鸟(Pluvialis fulva)等约有几万只。鱼
类主要有平鲷(Rhabdosargus sarba)、真鲷(Pagrosomus
major)、黑鲷(Sparus macrocephlus)、黄鳍鲷(Sparus latus)、
鲈鱼(Lateolabraxjaponicus)、蓝子鱼(Siganus oramin)、
金鲳鱼(Trachinotus ovatus)、石斑鱼(Epinephelussp)
等种类。贝类主要有近江牡蛎(Ostrea rivularis Gould) 、
纹斑棱蛤(Trapezium liratum)、凸壳肌蛤(Musculus
senhousia) 、文蛤(Meretrix meretrix L)、翡翠贻贝
(Perna viridis(Linnaeus))、华贵栉孔扇贝(Chlamys nobilis)、
青蛤 (Cyclina sinensis) 、菲律宾蛤仔 (Ruditapes
philippinarum)、马氏珠母贝(Pearl oysters)、栉江珧
(Comb Pen Shell)、西施舌(Mactra antiquata)等种类。甲
壳类有墨吉对虾(Banana prawn)、新对虾(Metapenaeus)、
长毛对虾(Penaeus penicillatus)、斑节对虾(Penaeus
monodon)、锯缘青蟹(Scylla serrata)、远海梭子蟹(Portunus
pelagicus)、红星梭子蟹(Portunus sanguinolentus)等
种类。
然而由于缺乏统筹规划和科学管理, 近年来湾
内水产增养殖业和水域利用出现了无序开发和过度
利用现象, 例如采用海域围网、网虾、拦网、迷魂
阵网、地笼网等非法水产养殖, 不仅仅对区域内的
生态系统造成了影响, 亦在一定程度上阻碍了考洲
洋水产增养殖业的持续发展[1–5]。除此之外由于近邻
大亚湾石化园区以及还尚未开发的惠州油田, 考洲
洋水域已经受到一定程度的有机物污染, 随着大亚
湾石化园区的扩建、惠州油田的开采以及环大亚湾
新区的建设, 将对考洲洋水域产生深远影响[4, 6, 7]。
海洋生态修复是指利用大自然的自我修复能力,
辅以适当的人工措施, 使受损的生态系统恢复到原
来的状态或与原来相近的结构和功能状态, 使生态
系统的结构、功能不断恢复。海洋生态修复按照修复
措施中人工的导向程度以及修复的程度可以分为自
然生态修复、人工促进生态修复以及生态重建。当前
学术界海洋生态修复主要研究方向是植物修复、动物
修复以及微生物修复[8–11]。考周洋水域的环境以及生
态问题都可以通过生态修复的手段来解决。
图 1 考洲洋简图
Fig. 1 Simplified map of Kaozhou Bay
4 期 左娅, 等. 基于耗散结构理论的考洲洋生态修复研究 73
图 2 生态修复种类
Fig. 2 Types of ecological restoration
2 耗散结构理论
耗散结构理论是上世纪 60 年代末, 比利时物理
学家、化学科学家, 诺贝尔奖获得者普利高津提出
的, 用来解释非平衡状态有序结构。耗散结构的定
义为: 一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是
物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统), 通
过不断地与外界交换物质和能量, 在系统内部某个
参量的变化达到一定的阈值时, 通过涨落, 系统可能
发生突变即非平衡相变, 由原来的混沌无序状态转
变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
耗散结构是一种自然现象, 广泛存在于自然界
和人类社会中, 我们看得到的有化学中的自催化反
应以及人体、生物、城市、社会等。最简单、最直
观的例子就是我们人体, 人体系统就是一个是有序
结构, 人体的发育、生长和代谢都是依靠无数的生
物化学反应的高度有序和协同实现的, 没有这种有
序性, 生命就无法维持, 这种有序性一旦被扰动人
体就会生病, 就会不舒服, 如果这种有序性不能恢
复就会导致永久性的损伤。
一个系统要自发组织形成耗散结构, 必须满足
至少四个条件: 即系统为开放系统, 与外界有物质、
能量等的交流; 系统远离平衡态; 子系统间具有非
线性作用; 系统中存在涨落现象。接下来对考洲洋
地区海域是否满足耗散结构做一阐述。
1) 开放系统
从图 1 我们就可以看出, 考洲洋在南侧与南海
相连, 在北侧与麒麟河相通。将考洲洋看成是一个
系统, 考洲洋水域生态系统与南海和东江水系有物
质和能量的交换, 另外与大气系统、水系统都有着
物质和能量的交换。因此考洲洋系统是一个开放的
系统, 具备耗散结构构成的条件。
2) 系统远离平衡态
考洲洋水域生态系统是远离系统的热力学平衡
态的。对于生态系统来说, 只有系统中所有的物种
的生命活动终止, 生态系统完全崩溃的情况下才会
出现热力学平衡的状态, 很显然当前的考洲洋水域
生态系统是远离热力学平衡状态的。
3) 非线性相互作用
在考洲洋水域生态系统中不乏非线性动力学
过程 , 例如子系统中的种群控制机制 , 以及物种
与环境之间的正、负反馈机制都是非常复杂的非
线性作用。
4) 存在涨落现象
考洲洋水域生态系统的影响因素比较多, 存在
着大量的涨落现象, 有系统内部的, 也有系统外部
的。外部的涨落因素有养殖业市场环境的变化、环
保新规的出台、有新物种引入等等; 内部因素有海
洋中生物物种群落的数量变化以及食物链的改变。
3 考洲洋地区分析
考洲洋地区海域具备耗散结构所需的条件, 可
以将其作为一个耗散结构来对待, 其部分海域也可
以看成是耗散结构。
考洲洋渔业养殖中有严重过度利用的现象, 例
如采用海域围网、网虾、拦网、迷魂阵网、地笼网
等进行水产养殖。海域围网养殖在破坏了自然界中
的水质交换机制, 如果将被网所围成的海域看成是
一个系统的话, 这个系统是一个开放系统, 但是这
个系统与外界的物质和能量的交换比较少。
对于一个开放的系统, 该系统熵的增量由两部分
组成: 一部分是系统内不可逆的熵产生 diS; 另一部
分是系统与外界交换产生的熵值 deS。这样系统总的
熵增加量可以表述为 i edS d S d S 。根据热力学第
二定律, 系统内的熵增永远是正的, 即 diS 总是大于
零的。系统与外界交换产生的熵值 deS 则根据系统与
外界作用关系的不同可以是为正、为负或者为零。
一块海域被网围起来之后, 由于在涨潮时会打
开网口, 将海水中的鱼虾等放入网中, 在网中的鱼
虾的密度要高于未被围起来的海域, 被围起来的海
域系统内产生的不可逆的熵 diS 是一个正值并且相
比于未被围起来的系统是要更大的。由于有网的阻
隔, 系统与外界的交流受到一定的限制, 系统与外
界交换产生的熵值 deS 的值与未被围起来的海域相
比应该是更大的(海域系统的 deS 在正常情况下为负
74 生 态 科 学 34 卷
值, 这样才能抵抗系统产生的正熵)。就未被围起来
的考洲洋海域来看, 环境和水产生态情况也是不容
乐观, 其系统的熵增 dS 也是一个正值。因此被围
起来的海域系统的熵增 dS 是更大的。因为系统的
熵增 diS 大于未被围起来的海域系统, 与外界交换
的熵增 deS 也是大于未被围起来的海域系统, 从式
i edS d S d S 可以看出被网围起来的海域系统熵
增 dS 更大, 海域被网围起来之后海域的生态条件更
加堪忧, 更加趋向于热力学稳定状态, 对于相对有
序的生态系统是具有危害作用。使用迷魂阵网、地
笼网或是所使用的网眼越密, 与环境的物质、能量
等的交流就越少, 系统的熵增 dS 就越大, 对生态系
统的危害作用就越强。
考洲洋海域中部分海域被网围起来之后, 整个
考洲洋海域系统可以分为围网海域系统和未围网海
域系统这两个子系统。考洲洋海域系统的熵增
dS dS dS 围网 未围网考洲洋 , 因为 dS dS围网 未围网 , 所
以考洲洋系统在有围网养殖的熵增要大于没有围网
养殖。围网养殖引起的熵增都是比较大的, 对整个
系统的影响是不可忽略的。为使整个考洲洋海域的
生态系统保持在一个有序、健康的发展就应该使系
统的熵增 dS考洲洋 是较小的, 拆除围网即 dS围网项不
存在, 原先围网的海域系统转化为未围网的海域系
统 , 就系统熵值来说 dS围网 转变为 dS未围网 , 由于
dS dS围网 未围网 , 因此拆除围网能大幅的降低考洲
洋海域系统的熵增 dS考洲洋 , 利于考洲洋海域生态系
统的有序、稳定、健康发展。
4 海域水质问题
中科院南海水产研究所曾在 1999 年与 2013 年
两次做过考洲洋生态环境的调查。结果显示经过 15
年的变迁, 考洲洋海域的 NO2–-N、NO3–-N、NH4+-N、
PO4–-P 含量均比 1999 年的高, 有些区位甚至高出数
十倍, 叶绿素 a 的含量与 1999 年接近, 底栖生物的
生物量大为减少, 潮间带生物量下降幅度达十倍以
图 3 开放系统与环境的熵交流
Fig. 3 Entropy exchange between open system and surrounding
图 4 考洲洋潮间带生物量变动情况
Fig. 4 The number of intertidal benthos between 1999 and 2013
图 5 考洲洋底栖生物种类变动情况
Fig. 5 Benthic species variation in Kaozhou Bay between
1999 and 2013
上, 潮间带生物栖息密度迅速减小至 1999 年的 1/10。
底栖生物种类亦大幅减少, 尤其是多毛类和软体动
物 , 1999 年出现的黑龙江河蓝蛤 (Potamocorbula
amurensis)、大竹蛏(Solen grandis)在 2013 年的调查中
均未出现, 平均底栖生物量为 1.62 gm–2, 与 1999 年
的 468.53 gm–2相比, 相差上百倍。图 4 对比了 1999
年和 2013 年之间考洲洋在四个观察点的潮间带生物
量的变动情况, 显示生物数量大幅下降。图 5 对比了
考洲洋底栖生物种类的变动情况, 显示底栖生物种
类大大减少, 尤其是多毛类和软体动物。与邻近海域
大亚湾、深圳湾、大鹏湾、红海湾等相比, COD、PO4-P、
DO、DIN 等指标浓度范围与邻近海域相当, 叶绿素 a
浓度普遍低于其他海域。
考洲洋海域的水质问题以及水质恶化引起的生
物量的减少, 除了与考洲洋是一个口窄内宽的海湾
这一自然条件有关, 另外还与考洲洋与黄埠、吉隆
这两个制鞋大镇相接有关, 很多制鞋污水以及生活
污水排入考洲洋, 导致考洲洋水质的恶化。
考洲洋海域生态系统作为一个耗散结构, 想要系统
保持有序、健康的发展就只能通过与环境进行物质、
4 期 左娅, 等. 基于耗散结构理论的考洲洋生态修复研究 75
能量和信息的交换从而引入足够多的负熵流来抵消
系统内部的正熵增。而对于考洲洋海域系统来说,
超过海域系统自净能力的污水排入带来的是正熵流,
对于系统的熵增是不利的。考洲洋的口小内大的结
构导致与南边海域的交换不是很充分, 进而使得系
统从南边海域交换获得的负熵流并不是很多, 需要
从其他渠道获得更多的负熵流来维持海域系统的有
序、平稳运行。可以通过引入一些可以富集有机物
质以及氮磷盐等物质的海藻, 利用海藻机体的富集
作用将污染物质富集起来, 再定期的打捞收集海
藻。这样就可以通过人为干扰的方式将系统中的正
熵带出系统。因此, 可以考虑在考洲洋海域种植石
莼( Ulva)、囊链藻科(Cystoseriaceae)、海带(Laminaria
japonica)、龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)、江篱
(Gracilaria)、石花菜(Agar)马尾藻(Scagassum)等海
藻来富集污染物质, 同时这些收获的海藻也能带来
一定的经济效益。考洲洋海域周边多年前是有成片的
红树林, 红树林具有较强的自净能力和一定的富集
能力, 能够降低海域中的污染浓度, 给海域系统带来
负熵流, 鉴于此, 也应该在考洲洋周边红树适宜的区
域种植红树林, 为考洲洋海域系统带来负熵流。
5 结论
综合上文对考洲洋环境的分析, 总结影响考周
洋海域环境的因素如下:
1) 制鞋污染物从外源输入, 使有机污染物进入
考洲洋, 影响浮游生物数量的变化, 有些浮游植物、
浮游动物可能直接死亡, 造成鱼类、贝类饵料减少,
致使整个考洲洋的水产资源受损。有些浮游生物则
具有较强的耐性, 可以利用这些有机污染物, 继而
生长、增殖, 并被上一级的小鱼类摄入, 小型鱼类再
被大型鱼类摄食, 有些捕食鱼类的鸟类也收到牵
连。诸如此类, 通过食物链传递, 对各种海洋生物、
甚至人类造成危害。
2) 近几年考洲洋水域密密麻麻的围网、拦网、
迷魂阵网等违规设置, 致使考洲洋海域海水交换缓
慢, 外界新鲜海水注入减少。大量的鱼药、饵料残
留物不能随着水流进入外海, 无法快速稀释、降解,
则会导致污染物的累积。
3) 原来已有的红树林被大面积毁坏, 使部分鱼类、
鸟类的栖息场所遭到破坏, 进一步使生物资源减少。
4) 考洲洋海域的物种调查数据显示, 2013 年的底
栖物种相比于 1999 年少了 13 种。这说明海域中的物种
数目减少, 相应的较高级动物的食物来源减少, 导致食
物链稳定性降低, 并且使得海域内物质循环能力降低。
当地政府在 2014 年已经对海面违规养殖设施
进行清拆处理。围网、拦网等全部清除。水体交换
良好, 水质状况也得到改善。在 2013—2014 年间种
植红树林 3000 亩。针对影响考洲洋生态环境的因素,
我们建议的生态修复模式如下:
1) 健全红树林生态系统
鉴于考洲洋周边历史上有过红树林, 因此首先
需要种植红树林, 确保已种植红树林的成活率, 逐
年增加种植面积。一方面红树林可以将海水中的部
分污染物富集, 另一方面为鱼类、鸟类等提供栖息
地。其次在红树林区域引入红树林动物, 健全红树
林生态系统, 使其更好的发挥修复功能。
2) 开展大型海藻养殖
引进紫菜、海带、石莼、龙须菜等海藻的养殖,
一方面可以创造经济效益, 另一方面可以降低海水
的富营养化风险、富集污染物等。
3) 丰富海洋物种
在论证保证外来物种不会造成物种侵略的前提
下, 引进其他物种, 保证区域物种的多样性。
4) 减少养殖密度, 合理混养
充分考虑海洋的承载能力, 不能单一的为了经
济效益而忽略环境成本。降低养殖密度至海洋承载
量的阈值以下, 采用立体混养的方式, 保证海洋资
源的合理和可持续利用。
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