Ecological basis assessment of artificial reef site selection in Liuniu coastal waters of Zhelin Bay, Eastern Guangdong
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摘要:
采用层次分析法，构建了基于生态系统效应的资源保护型人工鱼礁建设选址评价方法，通过选择水文、水质、底质和浮游生物、鱼卵仔鱼、大型底栖动物、游泳动物、初级生产力、潮间带大型底栖动物等30个海洋环境与海洋生物因子，建立了人工鱼礁建设选址生态评估模型；以柘林湾溜牛人工鱼礁区选址区域为例，对所选因子进行了春、夏、秋、冬4个季度的跟踪监测，探讨了该海区进行人工鱼礁建设的适宜性，根据该模型计算得出各季度人工鱼礁建设选址生态基础评价指数分别为0.65、0.71、0.63、0.64，平均为0.66，计算结果表明，该区域建礁生态基础良好，适宜选址开展人工鱼礁建设，其中生态基础最优的季节为夏季。
Abstract:The AHP was employed to evaluate the stock protection artificial reef site selection based on ecosystem effect. We selected 30 marine environment and marine biological factors (hydrology, water quality, sediment, macrobenthos, swimming animals, primary productivity, intertidal macrobenthos, etc.) to establish an ecological evaluation model for artificial reef site selection. This paper tracked and monitored the selected factors at artificial reef site in the Liuniu coastal waters of Zhelin Bay in spring, summer, autumn and winter. The suitability of this area for building artificial reefs was discussed. According to the calculation results by this model, indices of ecological basis assessment for artificial reef site selection in each season were 0.65, 0.71, 0.63 and 0.64 with an average value of 0.66. The results show that there is a good ecological foundation for building artificial reef, and it is a suitable site to construct artificial reefs. The optimal ecological foundation is in summer.
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Keywords:
- artificial reef /
- site selection /
- ecological basis assessment /
- Zhelin Bay
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人工鱼礁是设置在海中为海洋生物的栖息、生长、繁育营造适宜环境的构造物，其通过提高海底空间异质性、改变海底流场等效应达到一定的集鱼聚鱼效果[1-2]。人工鱼礁在海洋生物资源与环境保护方面具有良好的效果[3]，但是要充分发挥其对资源的保护作用，须对建礁地址进行科学合理的选择，否则可能事倍功半[4]。针对人工鱼礁礁址的选择，国内外有关专家开展了许多探讨与研究。MOUSAVI等[5]利用层次分析法研究了基什岛人工鱼礁礁址选择的合理性；KRAMER等[6]通过研究美国西海岸海区的营养盐、温度与礁体流体力学特性评价了礁体选择的合理性；SU等[7]探讨了海底地形、流场等对人工鱼礁建设效果的影响；MOUSAVI等[8]结合多标准选择工具对波斯湾一处人工鱼礁进行选址评价。中国近年来针对人工鱼礁的选址进行了多次有益的探索，李梦杰[9]运用水动力学方法研究了组合式人工鱼礁的PIV二维流场效应与物理稳定性；林军等[10]对非结构网格海洋模型应用在洞头人工鱼礁区选址中开展了相关探索；许强和章守宇[11]基于层次分析法对舟山市海洋牧场选址进行评价。但是针对人工鱼礁建设选址的生态系统评价的相关研究还鲜见，该研究针对中国南方资源保护型人工鱼礁建设的实际生态需求，选择水文、水质、底质和浮游生物、鱼卵仔鱼、大型底栖动物、游泳动物、初级生产力、潮间带大型底栖动物等30个海洋环境与海洋生物因子，建立了人工鱼礁建设选址生态评估模型，并以柘林湾为例，探讨了该海区进行人工鱼礁建设的适宜性，以期为日后资源保护型人工鱼礁的选址提供科学数据。
1. 材料与方法
1.1 研究区域
以广东省东北部柘林湾作为研究区域，该海区位于116°57′E~117°06′E、23°32′N~23°37′N(图 1)，地处亚热带，曾是优质的渔场，也是海洋功能区划中重要的渔业区，但是由于近年环境污染和渔业资源过度开发，该海区渔业生态系统严重退化[12]，因此选择该海区作为人工鱼礁建设区域，以期修复受损的渔业生态资源。研究站位按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)进行设置。
1.2 研究方法
以2013年春、夏、秋、冬4个航次调查所获水文、水质、底质和浮游生物、鱼卵仔鱼、大型底栖动物、游泳动物、初级生产力、潮间带大型底栖动物等30个海洋环境与海洋生物因子作为评价因子；使用构建模糊隶属函数的方法对评价指标进行标准化计算，使各指标之间具有可比性与可加和性；选用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)确定各指标的权重。通过以上3个步骤构建人工鱼礁建设选址生态系统评价模型，对该海区礁址生态系统进行科学、合理的评价[13-15]。
1.2.1 评价层次与评价因子
按照评价的目标将人工鱼礁选址生态评估模型分为海洋环境因子和环境生物因子；海洋环境因子分为水文、水质和底质因子，海洋生物因子分为浮游生物、鱼卵仔鱼、大型底栖动物、游泳动物、初级生产力、潮间带生物因子；将水文因子细化为水深(D1)、海流因子(D2)，水质指标细化为透明度(D3)、pH(D4)、溶解氧(D5)、活性磷酸盐(D6)、总无机氮(D7)、化学需氧量(D8)、悬浮物(D9)、石油类(D10)、硅酸盐因子(D11)，底质指标细分为沉积物有机碳(D12)、沉积物硫化物(D13)和沉积物粒径(D14)，初级生产力指标细分为叶绿素a(D15)、初级生产力因子(D16)，浮游植物指标细化为浮游植物生物量(D17)与浮游植物多样性因子(D18)，浮游动物指标细化为浮游动物生物量(D19)与浮游动物多样性因子(D20)，鱼卵指标细化为鱼卵生物量(D21)与鱼卵多样性因子(D22)，仔鱼指标细化为仔鱼生物量(D23)与仔鱼多样性因子(D24)，大型底栖动物指标细化为大型底栖动物生物量(D25)与大型底栖动物多样性因子(D26)，游泳动物指标细化为游泳动物生物量(D27)与游泳动物多样性因子(D28)，潮间带大型底栖动物指标细化为潮间带大型底栖动物生物量(D29)与潮间带大型底栖动物多样性因子(D30)。
该研究各调查项目的采样、分析方法和技术要求按《海洋监测规范》(GB 17378—2007)和《海洋调查规范》(GB 12763—2007)的规定进行，规范上没有涉及的监测方法，按各行业标准进行。
1.2.2 评价标准与评价因子计算
评价标准主要遵循3个原则：1)若相关指标有国家标准，则优先考虑国家标准；2)若相关指标缺乏国家标准，则参考国内外相关科学研究成果；3)如果前两者都欠缺，则选用常年监测的平均值作为相应标准[15]。评价因子的计算参考尹增强和章守宇[16]构建模糊隶属函数的方法对评价指标进行标准化计算，使各指标之间具有可比性与可加和性(表 1)。
表 1 相应指标隶属函数及其确定依据Table 1. Evaluating standard for quantitative index指标
index隶属函数
fuzzy membership function确定依据
basis of evaluating standard水深/h
depth$\begin{cases}0 & x<10, x>60 \\ \left(\frac{x-10}{25-10}\right)^{0.53} & 10 \leqslant x \leqslant 25 \\ \left(\frac{60-x}{60-25}\right)^{1.37} & 25 \leqslant x \leqslant 60\end{cases}$ 《人工鱼礁建设技术规范》(SCT 9416—2014)，20~30 m水深为投礁合适水深[17] 海流/m·s-1
current$\left\{\begin{array}{lr} 0 & >2 \\ 1 & 0.5 \leqslant x \leqslant 2 \\ \frac{x}{0.5} & 0<x<0.5 \end{array}\right.$ 稳定安全流速为0.5~2 m·s-1[18] 透明度/m
transparency$\left\{\begin{array}{rr} \frac{x}{4} & 0<x \leqslant 4 \\ 1 & x>4 \end{array}\right.$ 透明度基准值设定为4 m[15] 酸碱度
pH$\begin{cases}0 & x<7.0, x>8.5 \\ 1 & 7.0 \leqslant x \leqslant 8.5\end{cases}$ 《海水水质标准》 ρ(溶解氧)/mg·L-1
DO$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<5 \\ \left(\frac{x-5}{6-5}\right)^{0.011} & 5 \leqslant x \leqslant 6 \\ 1 & x>6 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(活性磷酸盐)/mg·L-1
IP$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.03 \\ \left(\frac{0.045-x}{0.045-0.03}\right) & 0.03 \leqslant x \leqslant 0.045 \\ 0 & x>0.45 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(总无机氮)/mg·L-1
IN$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.2 \\ \left(\frac{0.3-x}{0.3-0.2}\right) & 0.2 \leqslant x \leqslant 0.3 \\ 0 & x>0.3 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(化学需氧量)/mg·L-1
COD$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<2 \\ \left(\frac{3-x}{3-2}\right)^{0.011} & 2 \leqslant x \leqslant 3 \\ 0 & x>3 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(悬浮物)/mg·L-1
SS$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x=0 \\ \left(\frac{10-x}{10-0}\right)^{0.073} & 0 \leqslant x \leqslant 10 \\ 0 & x>10 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(石油类)/mg·L-1
petroleum$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.05 \\ \left(\frac{0.5-x}{0.5-0.05}\right)^{0.57} & 0.5 \leqslant x \leqslant 0.05 \\ 0 & x>0.5 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 c(硅酸盐)/μmol·L-1
silicate$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<2 \\ \left(\frac{x-2}{4.7-2}\right)^{0.63} & 2 \leqslant x \leqslant 4.7 \\ 1 & x>4.7 \end{array}\right.$ 临界浓度为2 μmol·L-1，南海北部的活性硅酸盐年平均值为3.2 μmol·L-1[19] 沉积物有机碳
sedimentary organic carbon$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<2 \\ \left(\frac{4-x}{4-2}\right)^{0.74} & 2 \leqslant x \leqslant 4 \\ 0 & x>4 \end{array}\right.$ 《中华人民共和国海洋沉积物质量》(GB 18668—2002) 沉积物硫化物
sediment sulfide$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<300 \\ \left(\frac{600-x}{600-300}\right)^{0.46} & 600 \leqslant x \leqslant 300 \\ 0 & x>600 \end{array}\right.$ 《中华人民共和国海洋沉积物质量》(GB 18668—2002) 沉积物粒径/mm
sediment grain size$\begin{cases}1 & x>0.5 \\ \frac{x}{0.5} & x \leqslant 0.5\end{cases}$ 《粒度划分标准》 ρ(叶绿素a)/mg·m-3
Chl-a$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{7.33-0}\right)^{0.61} & 0 \leqslant x<7.33 \\ 1 & x \geqslant 7.33 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查叶绿素a平均浓度3.17 mg·m-3作为评价值0.6 初级生产力/mg·(m2·d)-1
primary productivity$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<200 \\ \left(\frac{x-200}{600-200}\right)^{0.43} & 200 \leqslant x \leqslant 600 \\ 1 & x>600 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 浮游植物生物量/104个·m-3
plant plankton biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<20 \\ \left(\frac{x-20}{200-20}\right)^{0.28} & 20 \leqslant x \leqslant 200 \\ 1 & x>200 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 浮游动物生物量/mg·m-3
zooplankton biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<10 \\ \left(\frac{x-10}{100-20}\right)^{0.34} & 10 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 鱼卵生物量/10-3个·m-3
fish eggs biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{2\;600-0}\right)^{0.46} & 0 \leqslant x \leqslant 2\;600 \\ 1 & x>2\;600 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查鱼卵平均生物量855×10-3枚·m-3作为评价值0.6 仔鱼生物量/10-3个·m-3
larva fish biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{53-0}\right)^{1.38} & 0 \leqslant x \leqslant 53 \\ 1 & x>53 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查仔鱼平均生物量36.5×10-3尾·m-3作为评价值0.6 大型底栖动物生物量/g·m-3
macrobenthos biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<5 \\ \left(\frac{x-5}{100-5}\right)^{0.175} & 5 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 游泳动物生物量/kg·h-1
swimming animals biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{100-0}\right)^{2.29} & 0 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 选择南海北部大陆架区年平均渔获量82 kg·h-1作为评价值0.6[20] 潮间带大型底栖动物生物量/g·m-3
intertidal macrobenthos biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<0 \\ \left(\frac{x-0}{400-0}\right)^{4.3} & 0 \leqslant x \leqslant 400 \\ 1 & x>400 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查潮间带大型底栖动物生物量355 g·m-2作为评价值0.6 生物多样性阈值
biodiversity$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<0.6 \\ \left(\frac{x-0.6}{3.5-0.6}\right)^{0.7} & 0.6 \leqslant x \leqslant 3.5 \\ 1 & x>3.5 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 1.2.3 评价因子权重的确定
为了区分各评价指标相对重要性的差异，选用层次分析法确定该评价模型中各项因子的权重。该方法通过构建分析模型，生成判断矩阵，将所构建矩阵中各指标进行两两比较，确定其相对重要性。所确定30个评价指标权重见图 2。
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图 2 各项评价因子权重D1. 水深；D2. 海流；D3. 透明度；D4. pH；D5. 溶解氧；D6. 活性磷酸盐；D7. 总无机氮；D8. 化学需氧量；D9. 悬浮物；D10. 石油类；D11. 硅酸盐；D12. 沉积物有机碳；D13. 沉积物硫化物；D14. 沉积物粒径；D15. 叶绿素a；D16. 初级生产力；D17. 浮游植物生物量；D18. 浮游植物多样性；D19. 浮游动物生物量；D20. 浮游动物多样性；D21. 鱼卵生物量；D22. 鱼卵多样性；D23. 仔鱼生物量；D24. 仔鱼多样性；D25. 大型底栖动物生物量；D26. 大型底栖动物多样性；D27. 游泳动物生物量；D28. 游泳动物多样性；D29. 潮间带大型底栖动物生物量；D30. 潮间带大型底栖动物多样性Figure 2. Weight of each indicatorD1. depth; D2. current; D3. transparency; D4. pH; D5. DO; D6. IP; D7. IN; D8. COD; D9. SS; D10. Petroleum; D11. silicate; D12. sedimentary organic carbon; D13. sediment sulfide; D14. sediment grain size; D15. Chl-a; D16. primary productivity; D17. plant plankton biomass; D18. plant plankton biomass biodiversity; D19. zooplankton biomass; D20. zooplankton biomass biodiversity; D21. fish eggs biomass; D22. fish eggs biomass biodiversity; D23. larva fish biomass; D24. larva fish biomass biodiversity; D25. Macrobenthos biomass; D26. Macrobenthos biomass biodiversity; D27. swimming animals biomass; D28. swimming animals biomass biodiversity; D29. intertidal macrobenthos biomass; D30. intertidal macrobenthos biomass biodiversity1.2.4 人工鱼礁建设选址生态基础评价指数计算
将所获柘林湾春、夏、秋、冬四季各因子的监测数据归一化结果与所计算各因子权重分别代入下式：
$$ I=\sum W_i \cdot H_i $$ (1) 式中I为人工鱼礁建设选址生态基础评价指数，W为评价因子权重，H为评价因子监测数据的归一化值，i为1…30。
2. 结果与分析
2.1 监测数据归一化计算结果
将所获柘林湾人工鱼礁区春、夏、秋、冬4个季节监测数据分别代入表 1所列各式中，进行归一化计算，所得各归一化值见表 2。归一化结果表明，该区域pH(D4)、溶解氧(D5)、活性磷酸盐(D6)、化学需氧量(D8)、石油类(D10)、沉积物有机碳(D12)、沉积物硫化物(D13)和沉积物粒径(D14)8个环境因子4个季节归一化结果都为1，能较好满足人工鱼礁建设相关需求，对该模型评价结果有正向影响，反之归一化值为0的因子表明该因子可能不利于该区域人工鱼礁的建设。
表 2 4个季节监测数据的归一化值Table 2. Normalization value of monitoring value at four seasons评价因子
evaluation factor归一化值normalization value 春
spring夏
summer秋
autumn冬
winter平均
mean水深depth 0.295 0.285 0.379 0.262 0.305 海流current 0.580 0.580 0.580 0.580 0.580 透明度transparency 0.225 1.000 0.350 0.375 0.488 酸碱度pH 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 溶解氧DO 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 活性磷酸盐IP 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 总无机氮IN 0 0.354 0 0 0.089 化学需氧量COD 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 悬浮物SS 0 0 0.894 0 0.223 石油类petroleum 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 硅酸盐silicate 0.476 0.515 0.445 0.471 0.476 沉积物有机碳sedimentary organic carbon 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 沉积物硫化物sediment sulfide 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 沉积物粒径sediment grain size 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 叶绿素a Chl-a 0.502 1.000 0.523 0.177 0.551 初级生产力primary productivity 0 0.697 0 0 0.174 浮游植物生物量plant plankton biomass 0 1.000 0 0.220 0.305 浮游植物多样性plant plankton biomass biodiversity 0.764 0.498 0.805 0.464 0.633 浮游动物生物量zooplankton biomass 1.000 1.000 1.000 0.726 0.932 浮游动物多样性zooplankton biomass biodiversity 0.816 0.798 0.677 0.705 0.749 鱼卵生物量fish eggs biomass 0.403 1.000 0.268 0.358 0.507 鱼卵多样性fish eggs biomass biodiversity 0.766 0.752 0.776 0.713 0.752 仔鱼生物量larva fish biomass 1.000 1.000 0.335 0.192 0.632 仔鱼多样性larva fish biomass biodiversity 0.716 0.677 0.332 0.494 0.555 大型底栖动物生物量macrobenthos biomass 1.000 1.000 0.969 0.945 0.978 大型底栖动物多样性macrobenthos biomass biodiversity 0.488 0.481 0.427 0.536 0.483 游泳动物生物量swimming animals biomass 0.004 0.005 0.007 0 0.004 游泳动物多样性swimming animals biomass biodiversity 0.589 0.639 0.627 0.819 0.669 潮间带大型底栖动物生物量intertidal macrobenthos biomass 0.511 0.318 0.695 1.000 0.631 潮间带大型底栖动物多样性intertidal macrobenthos biomass biodiversity 0.406 0.454 0.507 0.507 0.469 2.2 人工鱼礁建设生态基础选址评价指数计算结果
计算得人工鱼礁建设生态基础选址评价指数分别为0.65、0.71、0.63和0.64，平均为0.66。此评价指数计算结果表明，柘林湾人工鱼礁建设区域生态基础最优的季节为夏季，其他3个季节差异较小，其中秋季的人工鱼礁建设生态基础较差。
3. 讨论
3.1 人工鱼礁建设选址单因子生态基础评价
人工鱼礁的选址是对人工鱼礁建设区域进行选择、论证和决策的综合评价过程[21]，其涉及海洋地质、气象、生物、社会学等多个学科[4, 22]，已有学者通过海域功能、海洋水文、海洋环境与生物等方面进行了有益尝试，对于人工鱼礁的选址有一定的指导意义。
归一化值计算结果表明，溶解氧、沉积物有机碳等8个因子监测结果反映该区域建礁适宜性较高，而水深、游泳动物等因子反映该区域建礁适宜性较低；其中，监测海区平均水深较浅为11.63 m，不适宜投放大型人工鱼礁，否则会影响船舶通行[17]；由于海湾大规模的网箱养殖等原因导致总无机氮含量较高[23]，可投放人工藻礁，通过附着藻类吸收多余的营养盐；海区悬浮物含量较高，透明度较差，导致光线衰减程度高，光照不能到达较深海底，限制了投礁区域。浮游动植物是礁栖动物的主要营养来源[24]，该研究调查4个季节平均浮游植物多样性阈值2.14、浮游动物多样性阈值2.52，较朱小山和杨炼锋[25]2000年柘林湾海区浮游植物多样性阈值2.01、浮游动物多样性阈值1.80分别有所提高，朱小山和杨炼锋[25]认为浮游动植物多样性和均匀度指数与对赤潮抵抗能力有一定相关性，该研究结果表明该海区对大规模赤潮和病害的抵抗能力有所增强。年均潮间带大型底栖动物多样性阈值为1.58，其中夏季为1.54，低于同期广东闸坡(1.74)[26]；潮间带大型底栖动物多样性阈值春季为1.40，秋季为1.7，分别高于同期海南岛西段均值0.46和0.70[27]。潮间带大型底栖动物多样性状况是表征环境质量优劣的重要指标，其随生态环境的变化而变化，当处于适合生物生长繁殖的环境中时，才会表现出较高的生物多样性，调查结果反映研究区域潮间带环境状况优于海南岛西海岸而劣于闸坡。建礁海域大型底栖动物生物量较高，为海区鱼类等提供了充足的天然饵料资源[28]。该研究用平均渔获质量来反映海区游泳动物的生物量状况，调查结果表明，调查海区年平均渔获质量为8.04 kg · h-1，远低于近年南海北部大陆架区渔业资源量(82 kg · h-1)[20]，游泳动物位于海区生态系统中营养级的最高点[29]，其生物量与多样性直接反映了海区生态系统健康状况，也是人工鱼礁建设的研究重点。柘林湾海区曾经是良好的渔场，但是由于过度捕捞等原因，导致近年来渔业资源量锐减，因此，伏季休渔期制度与开展人工鱼礁建设对恢复当地渔业资源状况非常重要。
3.2 基于生态系统效应的资源保护型人工鱼礁建设选址评价方法
王飞等[30]基于AHP的权重因子评价了舟山海域人工鱼礁选址，探讨了6个影响人工鱼礁选址的因子。权重计算结果中底质类型因子的权重最高，而在评价体系中计算结果为游泳动物的权重值最高。导致两者区别的主要原因是所选因子不同，评价角度有所差异，主要基于人工鱼礁生态系统角度开展相关评价。许强和章守宇[11]基于层次分析法评价了舟山海洋牧场的选址，计算结果筛选出了4个海洋牧场的优劣，与构建模型方法基本一致。但是评价因子仅有9个，而该研究所选评价因子有30个，针对柘林湾礁区选址的评价结果更加全面。周艳波等[12]通过广东省柘林湾海域拟建溜牛人工鱼礁区海域和对比区海域本底调查所获资料，从水文、水质、底质、生物环境等方面分析了在拟建礁区建礁的优越性，从各单项因子方面讨论了建礁的合理性与可行性，但未对选址合理性进行系统综合评价。
上述研究结果表明，单一监测因子对于人工鱼礁建设选址评价效果较差，不能系统地决策所选礁区的优劣，而评价因子越详尽，则越能全面揭示礁区建设适宜性，因此需要建立涉及多学科的综合评价体系以评价建设人工鱼礁的适宜性。目前，空气质量指数(air quality index，AQI)已经受到较高关注并能科学地反映空气质量状况[31]。该研究尝试综合考虑海域功能、海洋水文、海洋环境等多学科参数，建立人工鱼礁建设选址的生态系统评价模型，可比较不同区域人工鱼礁建设选址的适宜性，也可反映同一海域人工鱼礁投放季节的差异。
3.3 人工鱼礁投放时间适宜性评价
以柘林湾为例建立了人工鱼礁建设选址的生态系统评价模型，计算结果表明，夏季为柘林湾人工鱼礁建设区域生态基础最优的季节。因此，基于人工鱼礁生态系统角度，可选择在夏季投放人工鱼礁。表 2所列评价因子归一化值表明，该区域夏季营养盐含量丰富，初级生产力与大型底栖动物生物量高，有利于礁体表面附着生物着生[32]，可较快形成稳定的底栖生物群落，且夏季游泳生物生物量高，附着生物丰富的人工鱼礁可为游泳生物提供良好的庇护与索饵场。
该研究中柘林湾溜牛人工鱼礁区选址区域的海流和沉积物硫化物2个指标仅在春季进行了监测，对评价结果的准确性有所影响。由于有些评价因子目前国内外缺乏相应的评价标准，所选监测因子有待完善，且人工鱼礁群落结构是一个随时空变化而改变的动态系统[33-34]，因此，在日后礁区选址过程中需要进一步调整与完善，对拟建礁区进行长期、连续、全面的监测。
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图 2 各项评价因子权重
D1. 水深；D2. 海流；D3. 透明度；D4. pH；D5. 溶解氧；D6. 活性磷酸盐；D7. 总无机氮；D8. 化学需氧量；D9. 悬浮物；D10. 石油类；D11. 硅酸盐；D12. 沉积物有机碳；D13. 沉积物硫化物；D14. 沉积物粒径；D15. 叶绿素a；D16. 初级生产力；D17. 浮游植物生物量；D18. 浮游植物多样性；D19. 浮游动物生物量；D20. 浮游动物多样性；D21. 鱼卵生物量；D22. 鱼卵多样性；D23. 仔鱼生物量；D24. 仔鱼多样性；D25. 大型底栖动物生物量；D26. 大型底栖动物多样性；D27. 游泳动物生物量；D28. 游泳动物多样性；D29. 潮间带大型底栖动物生物量；D30. 潮间带大型底栖动物多样性
Figure 2. Weight of each indicator
D1. depth; D2. current; D3. transparency; D4. pH; D5. DO; D6. IP; D7. IN; D8. COD; D9. SS; D10. Petroleum; D11. silicate; D12. sedimentary organic carbon; D13. sediment sulfide; D14. sediment grain size; D15. Chl-a; D16. primary productivity; D17. plant plankton biomass; D18. plant plankton biomass biodiversity; D19. zooplankton biomass; D20. zooplankton biomass biodiversity; D21. fish eggs biomass; D22. fish eggs biomass biodiversity; D23. larva fish biomass; D24. larva fish biomass biodiversity; D25. Macrobenthos biomass; D26. Macrobenthos biomass biodiversity; D27. swimming animals biomass; D28. swimming animals biomass biodiversity; D29. intertidal macrobenthos biomass; D30. intertidal macrobenthos biomass biodiversity
表 1 相应指标隶属函数及其确定依据
Table 1 Evaluating standard for quantitative index
指标
index隶属函数
fuzzy membership function确定依据
basis of evaluating standard水深/h
depth$\begin{cases}0 & x<10, x>60 \\ \left(\frac{x-10}{25-10}\right)^{0.53} & 10 \leqslant x \leqslant 25 \\ \left(\frac{60-x}{60-25}\right)^{1.37} & 25 \leqslant x \leqslant 60\end{cases}$ 《人工鱼礁建设技术规范》(SCT 9416—2014)，20~30 m水深为投礁合适水深[17] 海流/m·s-1
current$\left\{\begin{array}{lr} 0 & >2 \\ 1 & 0.5 \leqslant x \leqslant 2 \\ \frac{x}{0.5} & 0<x<0.5 \end{array}\right.$ 稳定安全流速为0.5~2 m·s-1[18] 透明度/m
transparency$\left\{\begin{array}{rr} \frac{x}{4} & 0<x \leqslant 4 \\ 1 & x>4 \end{array}\right.$ 透明度基准值设定为4 m[15] 酸碱度
pH$\begin{cases}0 & x<7.0, x>8.5 \\ 1 & 7.0 \leqslant x \leqslant 8.5\end{cases}$ 《海水水质标准》 ρ(溶解氧)/mg·L-1
DO$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<5 \\ \left(\frac{x-5}{6-5}\right)^{0.011} & 5 \leqslant x \leqslant 6 \\ 1 & x>6 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(活性磷酸盐)/mg·L-1
IP$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.03 \\ \left(\frac{0.045-x}{0.045-0.03}\right) & 0.03 \leqslant x \leqslant 0.045 \\ 0 & x>0.45 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(总无机氮)/mg·L-1
IN$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.2 \\ \left(\frac{0.3-x}{0.3-0.2}\right) & 0.2 \leqslant x \leqslant 0.3 \\ 0 & x>0.3 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(化学需氧量)/mg·L-1
COD$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<2 \\ \left(\frac{3-x}{3-2}\right)^{0.011} & 2 \leqslant x \leqslant 3 \\ 0 & x>3 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(悬浮物)/mg·L-1
SS$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x=0 \\ \left(\frac{10-x}{10-0}\right)^{0.073} & 0 \leqslant x \leqslant 10 \\ 0 & x>10 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 ρ(石油类)/mg·L-1
petroleum$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<0.05 \\ \left(\frac{0.5-x}{0.5-0.05}\right)^{0.57} & 0.5 \leqslant x \leqslant 0.05 \\ 0 & x>0.5 \end{array}\right.$ 《海水水质标准》 c(硅酸盐)/μmol·L-1
silicate$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<2 \\ \left(\frac{x-2}{4.7-2}\right)^{0.63} & 2 \leqslant x \leqslant 4.7 \\ 1 & x>4.7 \end{array}\right.$ 临界浓度为2 μmol·L-1，南海北部的活性硅酸盐年平均值为3.2 μmol·L-1[19] 沉积物有机碳
sedimentary organic carbon$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<2 \\ \left(\frac{4-x}{4-2}\right)^{0.74} & 2 \leqslant x \leqslant 4 \\ 0 & x>4 \end{array}\right.$ 《中华人民共和国海洋沉积物质量》(GB 18668—2002) 沉积物硫化物
sediment sulfide$\left\{\begin{array}{lr} 1 & x<300 \\ \left(\frac{600-x}{600-300}\right)^{0.46} & 600 \leqslant x \leqslant 300 \\ 0 & x>600 \end{array}\right.$ 《中华人民共和国海洋沉积物质量》(GB 18668—2002) 沉积物粒径/mm
sediment grain size$\begin{cases}1 & x>0.5 \\ \frac{x}{0.5} & x \leqslant 0.5\end{cases}$ 《粒度划分标准》 ρ(叶绿素a)/mg·m-3
Chl-a$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{7.33-0}\right)^{0.61} & 0 \leqslant x<7.33 \\ 1 & x \geqslant 7.33 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查叶绿素a平均浓度3.17 mg·m-3作为评价值0.6 初级生产力/mg·(m2·d)-1
primary productivity$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<200 \\ \left(\frac{x-200}{600-200}\right)^{0.43} & 200 \leqslant x \leqslant 600 \\ 1 & x>600 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 浮游植物生物量/104个·m-3
plant plankton biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<20 \\ \left(\frac{x-20}{200-20}\right)^{0.28} & 20 \leqslant x \leqslant 200 \\ 1 & x>200 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 浮游动物生物量/mg·m-3
zooplankton biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<10 \\ \left(\frac{x-10}{100-20}\right)^{0.34} & 10 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 鱼卵生物量/10-3个·m-3
fish eggs biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{2\;600-0}\right)^{0.46} & 0 \leqslant x \leqslant 2\;600 \\ 1 & x>2\;600 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查鱼卵平均生物量855×10-3枚·m-3作为评价值0.6 仔鱼生物量/10-3个·m-3
larva fish biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{53-0}\right)^{1.38} & 0 \leqslant x \leqslant 53 \\ 1 & x>53 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查仔鱼平均生物量36.5×10-3尾·m-3作为评价值0.6 大型底栖动物生物量/g·m-3
macrobenthos biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<5 \\ \left(\frac{x-5}{100-5}\right)^{0.175} & 5 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 游泳动物生物量/kg·h-1
swimming animals biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x=0 \\ \left(\frac{x-0}{100-0}\right)^{2.29} & 0 \leqslant x \leqslant 100 \\ 1 & x>100 \end{array}\right.$ 选择南海北部大陆架区年平均渔获量82 kg·h-1作为评价值0.6[20] 潮间带大型底栖动物生物量/g·m-3
intertidal macrobenthos biomass$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<0 \\ \left(\frac{x-0}{400-0}\right)^{4.3} & 0 \leqslant x \leqslant 400 \\ 1 & x>400 \end{array}\right.$ 该研究所获年度调查潮间带大型底栖动物生物量355 g·m-2作为评价值0.6 生物多样性阈值
biodiversity$\left\{\begin{array}{lr} 0 & x<0.6 \\ \left(\frac{x-0.6}{3.5-0.6}\right)^{0.7} & 0.6 \leqslant x \leqslant 3.5 \\ 1 & x>3.5 \end{array}\right.$ 《饵料分级标准》 
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表 2 4个季节监测数据的归一化值
Table 2 Normalization value of monitoring value at four seasons
评价因子
evaluation factor归一化值normalization value 春
spring夏
summer秋
autumn冬
winter平均
mean水深depth 0.295 0.285 0.379 0.262 0.305 海流current 0.580 0.580 0.580 0.580 0.580 透明度transparency 0.225 1.000 0.350 0.375 0.488 酸碱度pH 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 溶解氧DO 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 活性磷酸盐IP 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 总无机氮IN 0 0.354 0 0 0.089 化学需氧量COD 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 悬浮物SS 0 0 0.894 0 0.223 石油类petroleum 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 硅酸盐silicate 0.476 0.515 0.445 0.471 0.476 沉积物有机碳sedimentary organic carbon 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 沉积物硫化物sediment sulfide 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 沉积物粒径sediment grain size 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 叶绿素a Chl-a 0.502 1.000 0.523 0.177 0.551 初级生产力primary productivity 0 0.697 0 0 0.174 浮游植物生物量plant plankton biomass 0 1.000 0 0.220 0.305 浮游植物多样性plant plankton biomass biodiversity 0.764 0.498 0.805 0.464 0.633 浮游动物生物量zooplankton biomass 1.000 1.000 1.000 0.726 0.932 浮游动物多样性zooplankton biomass biodiversity 0.816 0.798 0.677 0.705 0.749 鱼卵生物量fish eggs biomass 0.403 1.000 0.268 0.358 0.507 鱼卵多样性fish eggs biomass biodiversity 0.766 0.752 0.776 0.713 0.752 仔鱼生物量larva fish biomass 1.000 1.000 0.335 0.192 0.632 仔鱼多样性larva fish biomass biodiversity 0.716 0.677 0.332 0.494 0.555 大型底栖动物生物量macrobenthos biomass 1.000 1.000 0.969 0.945 0.978 大型底栖动物多样性macrobenthos biomass biodiversity 0.488 0.481 0.427 0.536 0.483 游泳动物生物量swimming animals biomass 0.004 0.005 0.007 0 0.004 游泳动物多样性swimming animals biomass biodiversity 0.589 0.639 0.627 0.819 0.669 潮间带大型底栖动物生物量intertidal macrobenthos biomass 0.511 0.318 0.695 1.000 0.631 潮间带大型底栖动物多样性intertidal macrobenthos biomass biodiversity 0.406 0.454 0.507 0.507 0.469
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