2018, Vol. 42
文章信息
- 林婉妮, 王诺, 吴暖. 2018.
- LIN Wan-ni, WANG Nuo, WU Nuan. 2018.
- 基于沉积物污染风险与生态系统服务价值的环境管理优先级初步研究——以渤海为例
- Preliminary establishment of environmental management priorities based on sediment pollution risk and ecosystem service values: Bohai Sea
- 海洋科学, 42(3): 46-52
- Marina Sciences, 42(3): 46-52.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20170731001
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文章历史
- 收稿日期：2017-07-31
- 修回日期：2018-01-30
在环境保护资金有限的情况下, 如何才能取得保护海洋环境的最佳效果, 这是沿海国家在制定海洋发展规划与管理策略中经常遇到的难题[1-3]。由于不同海域所面对的污染风险以及本身生态系统服务的价值均不相同, 所以相应的管理策略也应随之变化, 认清这一点, 并寻求行之有效的科学管理方法, 对于更为有效地保护海洋环境, 具有重要意义。
目前, 根据污染风险评估结果来制定海洋管理策略已有一些研究成果, 如沉积物管理策略的制定、陆源污染物排放问题的处理对策、海洋污水排污口的管理策略等, 这些成果在一定程度上解决了海域环境污染问题, 为开展进一步的环境调查和管理措施提供了依据[4-7]。除污染风险外, 生态系统服务价值也是制定环境保护策略时需要考虑的因素。目前, 在海洋生态系统服务价值的研究方面, Costanza等[8]对生态系统服务进行了分类并对各项服务的价值进行了估算; Sarah等[19]以海洋生态系统服务价值为依据, 对美国俄勒冈州海岸规划进行了优化; Li等[10]提出将生态系统服务融入沿海战略的规划中, 并以我国胶州湾为例来阐述这种管理方式的优缺点; 刘旭等[11]总结了国内外生态系统服务价值在海洋综合管理方面的应用; 黄博强等[12]评估了1986—2010年漳州地区生态系统服务价值的时空变化过程; 叶翔等[13]研究了泉州湾沿岸人类活动对滨海湿地生态系统的影响并提出相应治理策略; 杨颖等[14]分析了近30年来长江口海域生态系统环境的变化趋势。由上述分析可以看到, 海洋污染风险以及生态系统服务价值等因素在制定海洋管理策略中都有所体现, 但同时将二者结合起来评价海洋环境, 并根据评价结果有针对性地制定海域环境管理策略还鲜有研究。
鉴于当前我国海洋污染状况严重, 以生态系统服务价值作为环保决策重要依据的理念还未全面建立, 相应的评价方法还不完善等问题, 本文尝试性地将污染风险和生态系统服务价值相结合以确定渤海内不同海湾管理的优先等级, 为有针对性地制定环保管理策略提供科学依据。
1 研究区域渤海是我国唯一的半封闭内海, 位于北纬37°0′~ 41°0′、东经116°35′~122°0′, 三面环陆, 东面以渤海海峡与黄海相连, 海峡口宽59海里, 水域面积75 618 km2, 由渤海湾、莱州湾和辽东湾等3个海湾组成。渤海湾位于渤海西部, 水域面积11 530 km2, 其沿岸湿地是我国水鸟的主要分布区之一; 莱州湾位于渤海南部, 水域面积11 040 km2, 是我国重要的渔业和海盐生产区; 辽东湾位于渤海北部, 水域面积25 070 km2, 是我国重要的渔业生产区, 同时也是我国二级保护动物斑海豹的重要栖息地。沿岸的大连市、盘锦市、秦皇岛市是我国著名的旅游和度假区。
在过去的几十年中, 渤海地区因其丰富的资源已成为我国经济活动与人类活动最为密集的地区之一。随着周边地区经济的高速发展, 大量的工业废水与城市污水被排入渤海。因渤海属于半封闭浅海, 水体与外界交换的能力很低, 污染物难以扩散, 导致水质状况不断恶化。
2 评价方法 2.1 污染风险评估已有研究表明, 沉积污染物对底栖生物的影响要大于海水污染物[15]。因此本文对污染风险的评估主要考虑的是含多种污染物的沉积物对生态环境的危害。根据渤海海域污染物的分布特征, 选取能在环境或动植物体内积蓄, 对人类产生长远不良影响的第一类污染物进行风险评估, 包括重金属汞(Hg)、铜(Cu)、镉(Cd)、锌(Zn)、铬(Cr)、铅(Pb)、砷(As)、镍(Ni)以及有机污染物多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和滴滴涕(DDTs)。本研究中, PAHs包括有16种有机化合物(萘(Nap)、苊(Acy)、苊烯(Ace)、芴(Fl)、菲(Phe)、蒽(Ant)、荧蒽(Flu)、芘(Pyr)、苯并蒽(BaA)、屈(Chr)、苯并荧蒽(BbF)、苯并荧蒽(BkF)、苯并芘(BaP)、茚并芘(InP)、二苯并蒽(DBA)和苯并苝(BP)); PCBs包括有37种有机化合物(PCB-17、18、28、31、33、44、49、52、70、74、82、87、95、99、101、105、110、118、128、132、138、149、151、153、156、158、169、170、171、177、180、183、187、191、194、195和205)。污染物浓度数据来自于沿岸省市的环境公报及已有的研究调查报告。沉积物质量基准采用目前国际通用的澳大利亚和新西兰环保委员会沉积物质量基准(ANZECC/ARMCANZ 2000)。该标准对于每一种污染物都有两组对应的基准值, 即浓度效用低值(ERL)和浓度效用中值(ERM)。当某种污染物浓度低于ERL时, 表示该污染物基本不会引起负面的生物效应; 当浓度介于ERL和ERM之间时, 表示该污染物会偶尔引起不利的生物效应; 当浓度高于ERM时, 表示该污染物会经常引起不利的生物效应[16]。因此, 当某一污染物浓度超过ERL时, 表明该海域需要做进一步的调查和加强管理。
污染物通常不会单独存在于生态系统, 而是通过吸附、沉降等过程存于沉积物中。因此, 本文采取平均效用中值系数(MERMQs)度量含多种污染物的沉积物对环境的综合作用, 其计算公式为:
| $ \mathit{MERMQs} = {{\left( {\sum\limits_i^n {E{C_i}/ER{M_i}} } \right)} / n} $ | (1) |
式中, ECi表示污染物浓度, ERMi表示污染物的ERM值, n表示污染物种类个数。
2.2 渤海生态系统服务价值评估 2.2.1 渤海生态系统服务分类参照联合国2000年提出的生态系统服务分类体系, 结合渤海海域的实际情况, 渤海供给服务包括食品生产和氧气生产服务; 调节服务包括气候调节和水质净化调节服务; 文化服务包括旅游娱乐和科研服务; 支持服务为物种多样性维持服务。
2.2.2 渤海生态系统服务价值计算本文以2014年作为评估基准年, 基于渤海周边沿岸各省市发布的经济及环境统计公报, 收集相关研究数据, 采用市场价格法、成本替代法和成果参照法, 对渤海各海湾生态系统的各项服务价值分别进行估算。
(1) 食品生产
渤海海洋生态系统的食品生产服务价值主要来自近海捕捞和养殖的海产品(包括鱼类、甲壳类、贝类、藻类及其他海产品)的市场交易价值。食品生产服务价值采用市场价格法进行评估。计算公式为:
| $ {V_{\rm{f}}} = \sum {({Q_{\rm{i}}}{P_{\rm{i}}})} $ | (2) |
式中, Vf为食品生产服务价值, 单位为万元; Qi为第i类养殖和捕捞水产品的产量, 单位为t/a, i=1, 2, 3, 4, 5分别代表鱼类、甲壳类、贝类、藻类和其他; Pi为第i类养殖和捕捞水产品的平均市场价格, 单位为元/kg; 养殖和捕捞水产品的平均市场价格采用当地海产品批发市场同类海产品价格计算。
(2) 氧气生产
渤海生态系统的氧气生产服务主要来自于藻类通过光合作用释放的氧气(O2), 其价值可基于海域初级生产力进行评估, 计算公式为:
| $ {V_{\rm{o}}} = A \cdot S \cdot {P_{\rm{c}}} \cdot {C_{\rm{o}}} $ | (3) |
式中, Vo为氧气生产服务价值, 单位万元; S为评估海域的面积, 单位m2; Pc为海域的初级生产力, 单位g/m2; Co为氧气制造成本, 单位元/t; A为氧气同化系数。文中, 渤海海域的平均初级生产力取90 g/m2(以固定碳的能力计算), 氧气同化系数取0.73;应用成本替代法, 取我国造林成本(352元/t)和工业制氧成本(420元/t)的平均值386元/t作为氧气制造成本。
(3) 气候调节
渤海生态系统的气候调节服务主要通过藻类对CO2进行固定, 计算公式为:
| $ {V_{\rm{c}}} = S \cdot {P_{\rm{c}}} \cdot {C_{\rm{c}}} $ | (4) |
式中, Vc为气候调节服务价值, 单位万元; S为评估海域的面积, 单位m2; Pc为海域的初级生产力, 单位g/m2; Cc为固定碳的成本, 单位元/t; 应用成本替代法, 取我国平均造林成本(260元/t)和碳税(1 122元/t)的平均值作为固定碳的成本。
(4) 水质净化调节
渤海海洋生态系统的水质净化调节服务主要表现为对进入海域的营养盐氮(N)和磷(P)的生物净化, 以及对COD和石油烃的清除过程。对近岸海域N和P的生物净化价值可基于海洋生物吸收的N和P数量, 采用成本替代法来计算; 对COD和石油烃的去除价值可基于一定海水水质标准下渤海各海湾COD和石油烃环境容量, 采用成本替代法来计算, 具体表达式为:
| $ {V_{\rm{p}}} = \sum {({X_{{\rm{jh}}}}{C_{{\rm{Nh}}}}) + \sum {({Y_{{\rm{jk}}}}{C_{{\rm{wk}}}})} } $ | (5) |
式中, Vp为水质净化调节服务价值, 单位为万元; Xjh为海域j中营养盐h的含量, 单位为t; CNh为处理营养盐h的人工成本, 单位为元/t; Yjk为海域j的污染物k的环境容量, 单位为t; Cwk为处理污染物k的人工成本, 单位为元/t。
海洋生物在进行光合作用的同时, 按照一定比例吸收碳、氮和磷, 该比例为Redfield比值。已知渤海海域的平均初级生产力为90 g/m2(以固定碳的能力计算), 结合各海湾面积, 根据Redfield比值即可计算出各海湾生态系统每年固定的氮和磷的量。参考我国污水处理条例, 氮和磷的人工处理成本分别为1500元/t和2500元/t。
根据官方发布的渤海环境保护总体规划(2008— 2020年), 渤海海域水质的管理目标为二类水质。在二类海水水质标准下, 可得到渤海各海湾COD与石油烃的环境容量。参考我国污水处理条例, 我国COD和石油类污染物的处理成本分别为4300元/t和7000元/t。
(5) 旅游娱乐
渤海各海湾的旅游娱乐服务价值可根据沿岸各滨海城市旅游及娱乐的人数及费用支出来计量, 经调查, 各沿海城市旅游产业总收入中有60%来自海岸带景区, 因此娱乐服务所产生的价值可按沿海城市旅游总收入的60%计算, 其计算公式为:
| $ {V_{\rm{t}}} = 0.6 \times \sum {({X_{\rm{g}}}{C_{\rm{g}}})} $ | (6) |
式中, Xg为城市g的旅游人数, 单位为人; Cg为城市g的旅游人均费用, 单位为万元/人。B为各海湾旅游服务价值占沿岸城市旅游总收入的比例。
(6) 科研服务
科研服务价值评估采用成果参照法。参考Chen等[17]对我国生态系统服务价值的估算, 单位面积生态系统的平均科研文化价值为3.5万元/km2。
(7) 维持生物多样性
海洋为生物种群提供重要的产卵场、越冬场和避难所等庇护场所。物种多样性维持的价值量可采用条件价值法进行评估, 其计算公式为:
| $ {V_{\rm{d}}} = \sum {({W_{\rm{u}}}{H_{\rm{u}}}\eta )} $ | (7) |
式中, Vd为物种多样性维持的价值量, 单位为万元/年; Wu为评估海域的第u沿岸城市以家庭为单位的物种多样性保护支付意愿的平均值, 单位为元/户年; Hu为评估海域的第u沿岸城市的家庭户数, 单位为户; η为支付率。
3 结果与讨论 3.1 污染风险评估各主要污染物浓度的统计值及对应的ERL和ERM值见表 1。需要说明的是, 近年来由石油烃、阻燃剂引起的渤海海洋污染问题也较为突出[18-20], 但因获取数据需要时间, 因此本文仅以表 1中的污染物进行评估分析。由表 1可知, 在渤海湾近岸表层沉积物中, 重金属As和Ni的平均浓度在ERL与ERM值之间, 其余污染物的平均浓度均低于ERL值, 但渤海湾北部海域的Zn、与西部海域的Ni的浓度均超过对应的ERM值, 因此判断渤海湾沉积物中As会偶尔引起不利的生物效应, Ni和Zn在渤海湾西部和北部海域经常引起不利的生物效应。在莱州湾近岸表层污染物中, 重金属As和Ni平均浓度在ERL和ERM值之间, 其余均低于ERL, 因此判断莱州湾的沉积物中As和Ni会偶尔引起不利的生物效应。在辽东湾近岸表层污染物中, 重金属As、Ni和Hg的平均浓度介于ERL和ERM值之间, 其余均低于ERL, 但北部海域的Hg的浓度已超过ERM值, 说明辽东湾的沉积物中As和Ni会偶尔引起不利的生物效应, 辽东湾北部海域会经常由Hg引起不利的生物效应。目前, 许多研究已报道了由有毒重金属与有机物引起的不利生物效应, 如重金属As、Cd、Pb和Ni会干扰海洋生物正常的新陈代谢, 使其内分泌发生紊乱[21-23]; Hg会损害海洋生物的DNA, 并产生氧化损伤[24-26], 不仅如此, Hg还会由生物累积过程通过食物链对人类神经系统造成伤害, 如1956年发生在日本的水俣病就是由于人们食用了汞含量过高的鱼类后, 在体内积累, 逐渐引起的神经性疾病[27]; 有机污染物PCBs会对海洋生物的免疫系统造成损伤[28]。根据以上分析可知, 渤海各海湾的部分海域会由沉积物引起不利的生物效应, 因而需要对各湾做进一步的环境监测与治理。
| 污染物类型 | 渤海湾 | 莱州湾 | 辽东湾 | ERL | ERM | |||||||||||
| 样本数量 | 平均值 | 最大 | 最小 | 样本数量 | 平均值 | 最大 | 最小 | 样本数量 | 平均值 | 最大 | 最小 | |||||
| 重金属/(μ/g) | ||||||||||||||||
| Cd | 117 | 0.172 | 0.98 | 0 | 146 | 0.17 | 0.47 | 0 | 298 | 0.23 | 0.64 | 0 | 1.2 | 10 | ||
| Cr | 102 | 53.63 | 224.5 | 10.2 | 116 | 45.91 | 91.1 | 27.66 | 186 | 48.9 | 103 | 8 | 81 | 370 | ||
| Cu | 117 | 26.17 | 63 | 7.2 | 146 | 13.92 | 47.24 | 0.11 | 426 | 22.21 | 35.96 | 8 | 34 | 270 | ||
| Ni | 78 | 32.72 | 52.7 | 14.1 | 85 | 20.95 | 47.1 | 7.6 | 186 | 22.22 | 50.3 | 7 | 20.9 | 52 | ||
| Pb | 117 | 26.89 | 66.4 | 8.7 | 146 | 18.23 | 62.6 | 3.18 | 426 | 27.82 | 56.9 | 4.3 | 46.7 | 218 | ||
| Hg | 39 | 0.065 | 0.68 | 0.03 | 92 | 0.071 | 0.38 | 0 | 376 | 4.44 | 53.7 | 0 | 0.15 | 0.71 | ||
| Zn | 117 | 88.61 | 457.3 | 34 | 146 | 52.4 | 107 | 12.8 | 426 | 73.83 | 145 | 14.5 | 150 | 410 | ||
| As | 24 | 16.15 | — | — | 85 | 10.41 | 22.51 | 3.24 | 376 | 10.08 | 56 | 3.1 | 8.2 | 70 | ||
| 有机物/(ng/g) | ||||||||||||||||
| PAHs | 7 | 28 | 34.6 | 24.7 | 6 | 55 | 139.2 | 24.7 | 26 | 231.34 | 2079.4 | 28.4 | 4022 | 44792 | ||
| DDTs | 16 | 0.88 | 4.6 | 0.35 | 10 | 0.47 | 1.13 | 0.35 | 30 | 1.372 | 12.14 | 0.35 | 1.58 | 46.1 | ||
| PCBs | 16 | 1 | 5.1 | 0.2 | 10 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 30 | 1.05 | 7.7 | 0.2 | 22.7 | 180 | ||
| MERMQs | 0.14 | 0.09 | 0.68 | — | — | |||||||||||
| 风险等级(MERMQs范围) | 2(0.1~0.5) | 1(＜0.1) | 3(＞0.5) | — | — | |||||||||||
| 注:表中污染物浓度以干质量计; ERL和ERM数据来源于澳大利亚和新西兰环保委员会沉积物质量基准 | ||||||||||||||||
由公式(1), 经计算可得各海湾平均效用中值系数(MERMQs), 渤海湾为0.14, 莱州湾为0.09, 辽东湾为0.68。根据Long等[14]的研究, MERMQs越大, 则毒性事件的发生率越高。结合渤海实际情况, 本文根据MERMQs将污染风险划分为3个等级, 其中3级为最高污染风险等级, MERMQs＞0.5; 1级为最低污染风险等级, MERMQs＜0.1。根据风险等级的划分范围, 渤海湾污染风险等级为2级、莱州湾1级, 辽东湾3级(表 1)。
3.2 生态系统服务价值评估渤海湾、莱州湾和辽东湾3个海湾生态系统服务总价值的计算结果见表 2。由表 2可知, 3个海湾生态系统服务价值总量为1251亿元, 其中, 渤海湾为191.85亿元, 占渤海服务价值总量的14.7%;莱州湾为318亿元, 占价值总量的26%;辽东湾为742亿元, 占价值总量的59%。
| 服务功能 | 渤海湾 | 莱州湾 | 辽东湾 |
| 食品生产 | 135.462 | 259.32 | 612.18 |
| 氧气生产 | 10.68 | 14.71 | 37.84 |
| 气候调节 | 7.19 | 9.89 | 25.44 |
| 水质净化调节 | 6.54 | 3.4326 | 10.38 |
| 旅游娱乐 | 27.81 | 27.0294 | 46.76 |
| 科研服务 | 4.15 | 3.921 | 8.90 |
| 维持生物多样性 | 0.02 | 0.03 | 0.11 |
| 合计 | 191.85 | 318.33 | 741.61 |
| 占总价值比重/% | 15 | 26 | 59 |
| 等级(比重范围) | 1(1%~25%) | 2(25%~50%) | 3(50%~100%) |
| 注:表中数字单位为亿元 | |||
计算结果表明, 辽东湾海域生态系统服务价值总量大于渤海湾和莱州湾2个海域服务价值之和, 这是由于辽东湾具有丰富的饵料生物和较好的生境, 因此能支持更多数量的鱼类以及其他经济生物的养殖和捕捞生产。而且, 辽东湾沿岸分布有大连、盘锦和秦皇岛等重要旅游城市, 每年的旅游人数远超其他海湾的沿岸城市, 因此辽东湾的旅游服务价值远高于渤海湾与莱州湾。
为区分各海湾生态系统服务价值的相对大小, 按3个海湾生态系统服务价值占总价值的比重划分等级, 其中, 3级为最高等级, 表示生态系统服务价值等级最高; 1级表示生态系统服务价值等级最低。由此, 可得到渤海湾生态系统服务价值等级为1级, 莱州湾为2级, 辽东湾3级(表 2)。
3.3 管理优先级管理优先级是海洋管理决策中的重要环节, 因为优先级可以使有限的环保资源得到充分有效利用, 使亟需保护的海域得到足够的重视。生态系统为海洋珍稀生物与各种植物提供了庇护所, 并为人类的生活与旅游休闲活动提供了场所, 因此生态系统服务价值对于海洋管理决策十分重要。基于上述分析, 优先管理区域应是生态系统服务价值较高的区域。
图 1为根据各区域不同生态系统服务价值与污染风险等级划分的3个优先管理等级, 其中颜色的深浅代表优先级的大小, 最深的颜色代表优先级最高, 即Ⅲ级, 最浅的颜色代表优先级最低, 即Ⅰ级。根据图 1, 结合渤海湾、莱州湾和辽东湾的污染风险等级与生态系统服务价值等级, 确定出辽东湾属于管理级别最高的Ⅲ级, 莱州湾属于Ⅱ级, 渤海湾属于Ⅰ级。根据渤海环境保护总体规划(2008—2020年)》, 各级政府对渤海各海湾环境治理的投资额度统计表明, 对辽东湾、莱州湾和渤海湾的环保投资额分别为47、37和32亿元, 治理力度的排序与本文得出的管理级别排序一致, 从而验证了本文方法的合理性。
 |
| 图 1 海域管理优先级划分 Fig. 1 Priority Management Matrix |
根据各海湾的管理优先级, 便可制定相应的管理策略。海洋管理策略通常分为预防性和补救性两类。所谓预防性管理策略, 是指以防范方式控制污染物入海; 而补救性管理策略是指在控制污染的同时, 逐步清除已存在于水环境中的污染物。对于优先管理等级最高的区域, 其生态系统服务价值较高, 因此应采取补救性和预防性相结合的管理策略:当污染风险较高时, 应以补救性策略迅速减少沉积物对生态系统的风险; 污染风险较低, 则以预防性策略为主保护该地区的生态系统。对于优先管理等级较低的区域, 由于其生态系统服务价值较低, 则应根据其污染风险的大小采取补救性或预防性管理方式。
根据渤海各海湾的优先管理等级可得到有针对性的管理策略: ①对于渤海湾, 尽管污染风险较高, 但生态系统功能价值相对较低, 属于Ⅰ级管理区域, 因此, 可采取定期监测的办法, 在环保资金允许的情况下, 适当采取补救性管理策略; ②对于莱州湾, 虽然污染风险相对略低, 但具有中等程度的生态系统服务价值, 属于Ⅱ级管理区域, 因此可采用预防性策略来防止环境恶化, 如对沉积物风险等级进行调查、控制污染物排放量等; ③对于辽东湾, 其污染风险与生态系统服务价值均最高, 属于Ⅲ级管理区域, 因此应采取预防性和补救性相结合的管理策略, 以补救性措施快速降低沉积物对生态的威胁, 同时控制污染物入海防止环境继续恶化, 如采用生物方法治理沉积物, 控制污染物入海量, 限制该海区的使用并加强公众环保意识等。管理优先级和相应的管理策略不是一成不变的, 应根据污染风险等级和生态系统服务价值的变化随时进行调整。基于以上策略, 管理部门应阶段性地对海洋环境污染和生态系统服务价值进行评估, 根据评估结果, 确定各海域的优先管理等级, 从而制定下一阶段的海洋环境管理策略。
4 结论由于人类对海洋的开发程度及各海域生态系统服务价值存在较大差异, 所以相应的管理策略也应有所不同。应结合污染风险和海洋生态系统服务价值确定相应的优先级, 以便有针对性地管理海洋环境, 提高环保资金的使用效率。对于我国渤海, 对污染风险较高和生态系统服务价值较高的辽东湾(Ⅲ级管理区), 应采取预防性与补救性管理策略相结合的办法, 重点应放在补救性管理策略, 以迅速减少该海域的污染风险。同时从控制该海区污染物的进入; 对污染物风险较高, 但生态系统服务价值较低的莱州湾(Ⅱ级管理区), 应采取预防型管理策略; 对生态系统服务价值较低的渤海湾(Ⅰ级管理区), 应采取定期监测的办法, 在环保资金允许的情况下, 适当采取补救性管理策略。
在本文研究中, 对渤海海洋环境保护的管理策略的建议只是初级的, 在管理政策最终确定前, 须由包括海洋管理者、科学工作者以及利益相关单位进行讨论优化。总之, 将污染风险和海洋生态系统服务价值相结合来制定海洋管理策略的方法, 其核心在于识别管理优先区域, 这一方法在环保资金有限、海洋污染较为严重的情况下, 对于制定更为有效的环境保护策略具有重要的应用价值和借鉴意义。
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