海洋生态环境保护与修复

第1章 概论 1.1 引言 进入21世纪，人类面临着日益严峻的能源短缺、气候变化、粮食安全、生存空间不足等问题，这些问题的解决措施之一是对海洋的开发。随着海洋开发的呼声越来越高，原来以“渔盐之利，舟楫之便”为目标的海洋经济，已经拓展到千米水深的海底油气；原来以为不可能有生命的深海底下，居然滋养着地球上30%的生物量；自古以来被留给神话世界的深海远洋，近来变成了资源勘探的对象（国家自然科学基金委员会，2012）。然而，无序的过度开发会给海洋生态环境带来一系列破坏，这些破坏的完全修复需要数十年的时间，甚至有些破坏是不可逆的。图1.1为2010年墨西哥湾发生深海石油平台溢油后船只在清理海上原油的图片。研究表明，这次震惊世界的溢油事故对墨西哥湾生态环境造成的危害可能要持续数十年之久。 人类对陆地开发的过程中，对自然环境、生态系统的不了解和不重视，引发了诸如莱茵河污染事件等恶劣的生态灾难。为了避免走这条“先污染，后治理”的老路，中国将生态文明建设作为国策来推进，对海洋生态的保护与修复尤为重视。事实上，世界各国均制定了类似的国家战略，如遵循自然的建设（building with nature）、顺应自然的工法（working with natural process）等。2015年以后，中国发动了“蓝色海湾”整治行动、渤海综合治理攻坚战行动、海岸带生态保护和修复重大工程等国家层面的海洋生态环境保护与修复计划，以保证在对海洋资源的开发过程中做到保护性、可持续性的开发，并对已遭到破坏的海洋生态环境开展了全国范围的修复工作。 图1.1 墨西哥湾发生溢油后船只在清理海上的原油 目前，各国学者对于主要海洋生态灾害（如赤潮、溢油、生物入侵等）的发生和发展机制已经有了不同程度的认知，也提出了一些可行的处置对策；对于不同海岸类型的生态修复方法，在数十年的实践中探索前行，取得了丰硕的研究成果。 1.2 生态系统、生态环境、生态灾害和生态修复 生态，简单地说，就是指一切生物的生存状态，以及它们之间和它们与环境之间环环相扣的关系。地球上的森林、草原、沙漠、河流、湖泊、海洋等自然环境的外貌千差万别，生物组成也各不相同，但它们都是由生物与环境共同构成的一个相互作用的整体，将其称为生态系统（陈凤桂等，2015）。生态系统（ecosystem）是指在一定时间和空间范围内，生物（一个或多个生物群落）与非生物环境通过能量流动和物质循环所形成的一个相互联系、相互作用并具有自动调节机制的自然整体（沈国英等，2010）。生态系统是一个宽泛的概念，其范围根据研究目的和研究对象而定。一片草地、一个湖泊、一片湿地、一个河口三角洲都可以视为一个相对独立的生态系统。从大的范围来说，整个陆地或海洋也可视为两个巨大的生态系统。与陆地生态系统相比，海洋生态系统较复杂且不稳定。海洋生物的大小跨越8个数量级，整个食物链的基础是1～100μm大小的自养浮游生物，而次级生产力仍然是0.1～100mm的浮游动物。海洋锋面和跃层等中尺度海洋物理过程及与悬浮颗粒物和沉积物有关的生物地球化学循环，都会影响海洋生态系统。2005年，联合国发表的“千年生态系统评估报告”，将近海的资源与环境列为特别关注的生态系统，指出近海生态系统与人类的文明活动*为密切，但目前正以前所未有的速率在许多地区发生着不可逆转的变化（Millennium Ecosystem Assessment Board，2005）。 生态环境（ecological environment）则泛指生态系统及其所处的环境，是指生物群落及非生物自然因素组成的各种生态系统所构成的整体，并间接地、潜在地对人类的生活和生产活动产生深远的影响。生态环境有时与自然环境可以混用，但自然环境比生态环境的范围要更加宽泛，比如仅由非生物因素组成的整体，虽然可以称为自然环境，但并不能称为生态环境。多数情况下，二者所表达的含义是一致的，如当我们提到自然环境遭到破坏时，其含义等同于生态环境遭到破坏。 生态灾害是指由于生态系统平衡改变给生态系统本身及人类经济社会带来的各种不良后果。海洋生态灾害是生态灾害的一种，是由自然和人为因素所引起的、损害近海生态环境和海岸生态系统的灾害，多数由陆源污染入海后引发的一系列海洋生态问题造成，比较典型的海洋生态灾害有赤潮、绿潮、灾害水母、生物入侵和溢油次生灾害等（宋伦和毕相东，2015）。例如，2010年7月，大连新港附近中石油输油管道起火爆炸，导致1500t原油进入海洋，约430km2海域受到污染，重度污染海域12km2，对周边海域的海洋生态、渔业和养殖业造成了严重影响。溢油发生后2周，在周边海滩观测到渗入地表以下的油污如图1.2（a）所示，这些油污需要采用人工配合生物、化学的方法予以清理。中国山东、江苏沿海的浒苔暴发（也称绿潮灾害）也是一个典型的海洋生态灾害案例。山东海岸线分布着众多的优质旅游海滩，自2005年以来，基本上每年夏季都会出现不同程度的浒苔暴发现象，挤占其他海洋生物的生存空间，且严重影响海滩的旅游功能。如图1.2（b）所示，严重暴发时，浒苔占据整个近岸水体。对于浒苔的暴发，目前多数海滩仍然采用较为直接的人工清理方法，但清理效率较低，多数情况下跟不上浒苔的暴发速度。 受生态灾害、水体污染、人类工程等的影响，海岸生态环境易受破坏，会发生生态系统的退化。各种海岸类型的生态环境退化特征不一，多数以植被的退化、生物量的减少、原本生态平衡被打破和原本海岸功能的丧失为标志。而针对各种类型的海岸退化，世界各国的工程师采用了各种方法试图对退化的生态环境和海岸环境进行修复，从上百年的工程实践中形成了不同的理论体系并针对新浮现的问题不断进行完善。图1.3给出了一个经典的沙质海岸修复案例，在中国北戴河海滩，采用人工吹填和机械整平的方式，正对遭受严重侵蚀的海滩进行宽度拓展。沙质海岸的修复历史悠久，实施起来相对较为简单，通常以恢复海滩宽度和投放生态鱼礁等为主要措施。对于其他类型的生物海岸，修复过程则更为复杂和困难，其措施包括寻找和降低导致其生态环境退化的环境胁迫、寻找和筛选合适的先锋物种等。 1.3 教学内容和目标 本书的教学内容主要分为生态灾害和生态修复两大部分。 **部分讲海洋生态灾害，讲述了各种海洋生态灾害及应对措施，包括赤潮、绿潮、海上溢油、水母灾害、海洋生物入侵等生态灾害的概念、暴发机制、特征、对生态环境的危害及防治对策，介绍了微塑料等新污染物的概念、特征及危害，并简述了海洋生态损害评估理论及方法。 图1.2 海洋生态灾害案例 图1.3 中国北戴河海滩修复实例 第二部分讲海岸生态修复，涉及的海岸类型包括沙质海岸、盐沼海岸、红树林海岸和海岛海岸，讲述了各种海岸类型的侵蚀退化机制、破坏现状和分布特点、动力学和生态学原理、模拟预测方法，以及不同生态修复方式的特点和适用范围；并结合典型工程案例，深入浅出地讲述了海洋生态环境保护与修复的方法和理论。 思考题 1．回忆生活中接触到的各类新闻，你能想到哪些典型的海洋生态灾害？ 2．为什么近海和海岸生态系统需要特别关注？ 参考文献 第2章 赤潮灾害及防治对策 当温度、营养盐等条件合适时，某些藻类大量生长，引起海水呈现红色，引发赤潮（red tide），闻名世界的红海或因此而得名。然而事实上，赤潮带来的并不只是红色的海水而已，也会给当地生态环境带来一系列不利影响。本章从赤潮的危害、成因、发生发展过程、预报技术和应对策略的角度，对赤潮现象进行全面的介绍。 2.1 赤潮现象及其危害 2.1.1 赤潮简介 赤潮是指在一定的环境条件下，海洋中的浮游微藻、原生动物或细菌等在短时间内突发性链式增殖和聚集的海洋生态异常现象。从字面意思来看，多数人会认为赤潮发生时会使海水呈现红色，其实这是不正确的。赤潮发生时，海水的颜色取决于此时占优势的赤潮生物的种类，因此有时造成的海水颜色不一定是红色。例如，大部分中缢虫赤潮为砖红色，夜光藻赤潮为粉色，硅藻赤潮为黄褐色，定鞭藻类赤潮为褐色，赤潮异弯藻赤潮为酱油色，而膝沟藻或裸甲藻赤潮达到一定数量时，有时不会使海水呈现任何颜色。图2.1给出了中国暴发的几场典型的赤潮灾害图片。 大多数赤潮是无害的，但是可以产生毒性或者严重破坏海洋生态系统的赤潮称为有害藻华（harmful algal blooms），其是严重威胁、危害海洋生态环境和人类健康的一种海洋灾害。“赤潮”和“有害藻华”是不同的概念，“有害藻华”倾向于藻华的危害性，而“赤潮”则侧重指赤潮生物的快速增殖与聚集的现象。例如，有些赤潮生物在低密度下仍然产生危害，但是有一些赤潮生物在海水中大规模增殖仍然没有害处。 2.1.2 赤潮的危害 赤潮的危害主要表现在以下4个方面。 1．对近海景观的影响 多数赤潮暴发时一个明显的特点是引起水体变色，或呈血色，或混沌污浊，破坏了正常海水的蔚蓝、清澈，严重者有碍观瞻。特别是在赤潮发生的后期，即消亡阶段，由于大量赤潮生物死亡分解，以及因赤潮而死亡的其他生物的腐烂，整个水体发臭、发腥，表层浮有大量的泡沫，海洋景观遭到严重破坏。如果发生因有毒赤潮而人员受害的情况，更会严重影响该区的旅游业、商业交流，造成难以估算的经济损失。例如，据统计美国佛罗里达州只1973～1974年的赤潮造成旅游业的损失就达1.5亿美元。 2．对水产养殖业的影响 水产养殖业每年由赤潮导致的损失都非常惊人，赤潮发生时，主要通过以下几种方式危害水生生物：①赤潮生物在生活过程中分泌黏液，黏附于鱼类等海洋动物的鳃上，妨碍其呼吸，导致其窒息死亡；②有些赤潮生物能分泌出有害物质（如氨、硫化氢等），危害水体生态环境并使其他生物中毒；③有些赤潮生物能产生毒素，直接毒死养殖生物或者随食物链转移，甚至引起人体中毒死亡；④赤潮暴发时，导致水体缺氧或造成水体有大量硫化氢和甲烷等，使养殖生物缺氧或中毒致死；⑤在水的表层，大量密集的赤潮生物吸收阳光，遮蔽海面，使其他海洋生物因得不到充足的阳光而死亡。经过统计发现，赤潮发生的后期对水产养殖业带来的危害*大，这是由于在赤潮的消亡阶段，赤潮生物死亡分解导致水体中溶氧匮乏、有机物和细菌的增加促进了各种病菌的大量滋生繁殖，加上各种养殖鱼类、虾类经过赤潮后身体虚弱，抵抗能力差。 3．对人类健康的影响 当赤潮暴发时，若赤潮生物是有毒种时，某些种排放出的有毒化合物可能会随风传播，影响人的皮肤、呼吸道健康；更为普遍的是有毒赤潮生物的毒素可能随着食物链传入人体，直接危害人的健康。例如，多边膝沟藻（Gonyaulax polyedra）在其自身代谢过程中能产生一种麻痹性贝毒，这些贝毒能通过食物链转移到贝类的体内并形成累积，人们不慎食用这些毒贝就会中毒。 4．对海洋生态平衡的破坏 海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存、相互制约的复杂生态系统，在正常情况下，系统中的物质循环、能量流动都处于相对稳定的动态平衡中。当赤潮发生时，恶性增殖的赤潮生物破坏了这种平衡。例如，在浮游藻引发的赤潮初期，由于藻类的光合作用，水体会出现高叶绿素a含量、溶解氧、化学耗氧量，这种环境因素致使一些海洋生物不能正常生长、发育、繁殖，导致一些生物逃避甚至死亡，破坏了原有的生态平衡。 2.1.3 近岸海域典型赤潮藻种 目前发现的赤潮生物有330多种（图2.2），其分布极为广泛，几乎遍及世界各个海域。藻类植物甲藻门有60多种能引起赤潮，其中夜光藻（Noctiluca scintillans）、短裸甲藻（Gymnodinium breve）及多边膝沟藻（Gonyaulax polyedra）等*为常见。夜光藻是热带和亚热带海区发生赤