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標(biāo)題：Offshore wind farms can enhance the structural composition and functional dynamics of coastal waters

第一作者：司立偉

通訊作者：吳忠鑫

Highlights

• 針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)及對(duì)照區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，建立了Ecopath模型。

• 模型包含27個(gè)功能組，涵蓋軟底質(zhì)與硬基質(zhì)（風(fēng)電樁單樁）群落。

• 海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)以底棲物種為主，食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)較對(duì)照區(qū)更為復(fù)雜。

• 海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)表現(xiàn)出更高的碎屑流傳輸效率、更成熟的生態(tài)系統(tǒng)特征及更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

摘要

海上風(fēng)電場(chǎng)正迅速成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，這一趨勢(shì)在中國(guó)海域尤為顯著。為評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)對(duì)海洋生態(tài)的影響，本研究基于2022年和2023年采集的生物與環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)及對(duì)照區(qū)Ecopath模型。本研究將功能組劃分為軟底質(zhì)群落與硬底質(zhì)群落（風(fēng)電樁表面附著生物）。結(jié)果顯示：與對(duì)照區(qū)相比，風(fēng)電樁表面附著生物顯著提升了海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)內(nèi)多數(shù)魚(yú)類(lèi)的生產(chǎn)力；該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)（尤其是大型無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)），食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，碎屑流占比更高。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)系統(tǒng)總通量中碎屑貢獻(xiàn)占比達(dá)52%，遠(yuǎn)高于對(duì)照區(qū)的38%，凸顯了其能量流動(dòng)向碎屑驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變的特征。此外，風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的總流通量、雜食性指數(shù)、連接指數(shù)、Finn's循環(huán)指數(shù)及聚合度均更高?？傮w而言，海上風(fēng)電場(chǎng)改變了營(yíng)養(yǎng)流與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了更復(fù)雜、成熟且穩(wěn)定的底棲主導(dǎo)型生態(tài)系統(tǒng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)能夠增強(qiáng)臨近海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能動(dòng)態(tài)。

研究背景

海上風(fēng)電正加速成為全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，截至2023年，全球裝機(jī)容量已達(dá)75.2 GW，其中中國(guó)貢獻(xiàn)超50%。隨著產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，其生態(tài)影響日益受到關(guān)注。海上風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生復(fù)雜的雙重效應(yīng)：施工期可能帶來(lái)?xiàng)⒌仄茐暮驮肼曃廴镜蓉?fù)面影響，而運(yùn)營(yíng)期其基礎(chǔ)設(shè)施則可能產(chǎn)生“人工魚(yú)礁效應(yīng)”，通過(guò)提供硬質(zhì)附著基底吸引并支撐新的生物群落，從而提升局部生物多樣性和生物量，甚至為魚(yú)類(lèi)提供庇護(hù)所。盡管生態(tài)系統(tǒng)建模已在海上風(fēng)電場(chǎng)生態(tài)效應(yīng)評(píng)估中得到應(yīng)用，大多數(shù)研究仍依賴(lài)于模擬情景，而非基于風(fēng)電場(chǎng)建成后采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，特別是忽略了與風(fēng)電樁相關(guān)的關(guān)鍵生態(tài)組分（如附著生物、礁棲魚(yú)類(lèi)）及其營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系。

本研究以中國(guó)黃海北部莊河海上風(fēng)電場(chǎng)為研究區(qū)域，基于風(fēng)電場(chǎng)區(qū)及鄰近對(duì)照區(qū)的生物與環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建兩個(gè) Ecopath 食物網(wǎng)模型。模型中的功能組按照棲息地類(lèi)型進(jìn)行明確劃分，系統(tǒng)涵蓋風(fēng)電樁形成的硬基質(zhì)群落及周邊軟底質(zhì)群落。在食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)整體框架下，對(duì)比分析兩生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)特征與結(jié)構(gòu)屬性，評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)近岸生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)。研究結(jié)果可為科學(xué)認(rèn)識(shí)海上風(fēng)電生態(tài)影響機(jī)制，并為未來(lái)海上風(fēng)電的可持續(xù)規(guī)劃、海洋空間管理及生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

研究方法

研究區(qū)域位于遼寧省莊河市王家島以東海域的中船重工莊河海上Ⅱ號(hào)風(fēng)電場(chǎng)，占地面積約48 km2，平均水深約20 m，共布設(shè)60臺(tái)單樁式風(fēng)機(jī)，單機(jī)容量為5 MW，總裝機(jī)容量達(dá)300 MW（圖1）。在風(fēng)電場(chǎng)以東約6 km 處設(shè)置對(duì)照區(qū)（圖1）。風(fēng)電場(chǎng)區(qū)同時(shí)包含軟底質(zhì)生境及由風(fēng)電單樁形成的硬基質(zhì)結(jié)構(gòu)，而對(duì)照區(qū)則以軟底質(zhì)生境為主。

圖1 北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)與對(duì)照區(qū)

本研究采用 Ecopath with Ecosim（EwE）6.6.8 軟件中的 Ecopath 模塊，對(duì)莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)及對(duì)照區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能動(dòng)態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。模型所需的食物網(wǎng)功能組劃分，基于實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)并結(jié)合已有文獻(xiàn)資料，依據(jù)生態(tài)功能和營(yíng)養(yǎng)關(guān)系，將具有重要經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義的物種進(jìn)行分類(lèi)。

在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)，Ecopath 模型共設(shè)置了26個(gè)功能組，而對(duì)照區(qū)則設(shè)置了19個(gè)功能組。風(fēng)電場(chǎng)區(qū)功能組數(shù)量較多，主要源于風(fēng)電單樁所引入的硬基質(zhì)生境，這種生境促進(jìn)了附著生物的定殖，形成了對(duì)照區(qū)所不具備的附著生物類(lèi)群。附著生物類(lèi)群在風(fēng)電場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)中為其他物種提供了重要的食物來(lái)源和棲息空間，是風(fēng)電場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能差異的重要驅(qū)動(dòng)因素。

為了更準(zhǔn)確反映不同棲息地的群落結(jié)構(gòu)，功能組首先按基質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行劃分，包括硬基質(zhì)（如雙殼類(lèi)、甲殼類(lèi)和腹足類(lèi)）和軟基質(zhì)（如蟹類(lèi)、其他甲殼類(lèi)和腹足類(lèi)）。其中，紫貽貝由于其顯著的生物量和生態(tài)作用，作為風(fēng)電樁表面特有的附著生物，單獨(dú)設(shè)為一個(gè)功能組。此外，針對(duì)具有重要漁業(yè)和休閑捕撈價(jià)值的物種，本研究在兩區(qū)域分別設(shè)置了7個(gè)單種功能組，其中包括5種硬骨魚(yú)類(lèi)：許氏平鮋、綠鰭?cǎi)R面鲀、大瀧六線魚(yú)、藍(lán)點(diǎn)馬鮫和小黃魚(yú)，以及2種無(wú)脊椎動(dòng)物：脈紅螺和日本蟳。其余物種則根據(jù)生活史特征、攝食策略和棲息生境等生態(tài)相似性進(jìn)行整合，形成浮游動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)、食魚(yú)性魚(yú)類(lèi)、其他底棲魚(yú)類(lèi)和頭足類(lèi)等功能組。模型功能組的劃分較全面地反映了風(fēng)電場(chǎng)和對(duì)照區(qū)兩種生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)與營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

在本研究中，生態(tài)模型的生物量輸入數(shù)據(jù)主要來(lái)源于實(shí)地資源調(diào)查數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料和經(jīng)驗(yàn)方程。風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的附著生物生物量通過(guò)潛水員使用0.25×0.25 m樣方框?qū)痘砻娓街镞M(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采樣并進(jìn)行生物量估算。魚(yú)類(lèi)和大型無(wú)脊椎動(dòng)物的生物量則通過(guò)底拖網(wǎng)調(diào)查估算。浮游樣品采用浮游生物網(wǎng)在底層 2 m 處至水面間的垂直拖取，進(jìn)行浮游生物的生物量估算。魚(yú)類(lèi)和其他功能組的生產(chǎn)/生物量比（P/B）和消費(fèi)/生物量比（Q/B）則參考了文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)。食物組成數(shù)據(jù)來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)和對(duì)照區(qū)的胃內(nèi)容物分析以及相關(guān)文獻(xiàn)。

主要結(jié)果

1.海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)和對(duì)照區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征對(duì)比

1.1 食物網(wǎng)特征

海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)各功能組的營(yíng)養(yǎng)級(jí)范圍是1.00 ~ 4.09，對(duì)照區(qū)為1.00 ~ 3.95（圖2）。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)（2.38）略低于對(duì)照區(qū)（2.44），群落結(jié)構(gòu)更集中于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)。許氏平鲉在兩個(gè)區(qū)域均處于最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)（海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)：4.09，對(duì)照區(qū)：3.95）。

圖2 北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)與對(duì)照區(qū)的生態(tài)過(guò)程模式圖（A）及Ecopath模型估算的能量流動(dòng)示意圖（B）。B圖中的線條代表能量傳遞過(guò)程，顏色表示獵物對(duì)捕食者的貢獻(xiàn)比例，紅色比例較高。

在海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)，風(fēng)電樁表面附著生物生物量約占系統(tǒng)總生物量（不包括初級(jí)生產(chǎn)者和碎屑）的49%（37 t/km2）（圖3）。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)底層魚(yú)類(lèi)的生物量也更為豐富（8.33 t/km2），是對(duì)照區(qū)（3.8 t/km2）的兩倍多，而兩個(gè)區(qū)域的軟底質(zhì)生物的生物量均約為12 t/km2（圖3）。

圖3. 北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)與對(duì)照區(qū)各生物類(lèi)群的生物量分布

1.2 混合營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)和關(guān)鍵種分析

碎屑和浮游植物對(duì)大多數(shù)功能組產(chǎn)生了普遍的正向影響，強(qiáng)調(diào)了它們作為兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)能量來(lái)源的作用。漁業(yè)活動(dòng)對(duì)所有捕撈物種群體均產(chǎn)生了負(fù)面影響，其中風(fēng)電場(chǎng)區(qū)以休閑漁業(yè)為主，而對(duì)照區(qū)則以商業(yè)拖網(wǎng)捕撈為主，這些捕撈壓力通過(guò)營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)降低了目標(biāo)魚(yú)種的生物量，同時(shí)間接促進(jìn)了浮游動(dòng)物及其他無(wú)脊椎動(dòng)物的生物量增長(zhǎng)（圖4）。浮游動(dòng)物對(duì)風(fēng)電單樁上的附著生物產(chǎn)生不利影響，包括貽貝、其他雙殼類(lèi)及其他附著生物。

圖4北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)（A）及對(duì)照區(qū)（B）的混合營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)。圖中數(shù)字1-27對(duì)應(yīng)表1所列的功能組；28=休閑漁業(yè)；29=拖網(wǎng)漁業(yè)。

海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)許氏平鲉的關(guān)鍵種指數(shù)值最高（-0.04），相對(duì)總影響也最大（1.00）。在對(duì)照區(qū)，許氏平鲉同樣具有最高的關(guān)鍵種指數(shù)（-0.0828）和相對(duì)總影響指數(shù)（1.00）（圖5）。

圖5北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)（A）及對(duì)照區(qū)（B）域各功能組的關(guān)鍵種與相對(duì)總影響指數(shù)。

2. 海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)和對(duì)照區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能特征對(duì)比

2.1生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)特征

在海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)，碎屑貢獻(xiàn)了系統(tǒng)總能量通量的52%，而初級(jí)生產(chǎn)者為48%。相比之下，對(duì)照區(qū)中碎屑僅占總能量通量的38%，初級(jí)生產(chǎn)者則占62%（表1）。據(jù)估算，海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)總量為2709 t/km2，碎屑的總能量輸入為2466 t/km2（圖6）。在對(duì)照區(qū)，初級(jí)生產(chǎn)總量為2185.4 t/km2（比海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域低19.33%），碎屑總能量流入為1534 t/km2（比海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)低37.8%）（圖6）。

表1 海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)及對(duì)照區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的轉(zhuǎn)移效率

在海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)與對(duì)照區(qū)，隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)升高，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的能量傳遞通量均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)（圖6）。據(jù)估算，海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)總量為2709 t/km2，其中1170 t/km2的能量被分配至營(yíng)養(yǎng)級(jí)II（圖6）。進(jìn)入碎屑的總能量輸入為2466 t/km2，其中1539 t/km2來(lái)源于初級(jí)生產(chǎn)者。在對(duì)照區(qū)，初級(jí)生產(chǎn)總量為2185.4 t/km2（比海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域低19.33%），有1287 t/km2的能量傳遞至營(yíng)養(yǎng)級(jí)II。流入碎屑的總能量為1534 t/km2（比海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)低37.8%），其中898.4 t/km2源自初級(jí)生產(chǎn)者（圖6）。

圖6. 北黃海莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)（A）與對(duì)照區(qū)（B）各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量流動(dòng)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)總體特征參數(shù)分析

莊河海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模（TST為8406.46 t/km2）較對(duì)照區(qū)（5883.14 t/km2）高出42%，TPP/TR（1.47）低于對(duì)照區(qū)（1.74），系統(tǒng)成熟度更高。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)漁獲物的平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)（3.52）高于對(duì)照區(qū)（3.18），反映了高營(yíng)養(yǎng)級(jí)物種在海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)漁獲中的重要性。海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)CI、SOI、FCI、MPL等指標(biāo)均高于對(duì)照區(qū)，食物網(wǎng)復(fù)雜性與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)水平較高。與其他海上風(fēng)電場(chǎng)相比，其TST處于較高水平，但在TPP/TR、TPP/TB、TB/TST以及NPP等指標(biāo)多處于中等范圍，表明其仍處于相對(duì)不成熟的階段。

結(jié)論

總體而言，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均產(chǎn)生了積極影響。風(fēng)電樁的引入為附著生物提供了新的棲息地，導(dǎo)致群落組成向底棲生物主導(dǎo)的方向轉(zhuǎn)變。這種棲息地改造使得海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的底棲魚(yú)類(lèi)生物量和生產(chǎn)力均高于對(duì)照區(qū)，證明了潛在的人工魚(yú)礁效應(yīng)。與對(duì)照區(qū)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，總能量傳遞效率更高，營(yíng)養(yǎng)流從以初級(jí)生產(chǎn)者為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以碎屑驅(qū)動(dòng)為主。盡管莊河海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)間相對(duì)較短，但生態(tài)系統(tǒng)已呈現(xiàn)出向更高生態(tài)成熟度發(fā)展的趨勢(shì)。此外，風(fēng)機(jī)周?chē)奂酸槍?duì)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)、戀礁性魚(yú)類(lèi)的休閑垂釣者，提高了海上風(fēng)電場(chǎng)漁獲物的平均營(yíng)養(yǎng)級(jí)。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)為理解海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)如何影響近海水域生態(tài)系統(tǒng)的能量動(dòng)態(tài)和漁業(yè)資源奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果凸顯海上風(fēng)電場(chǎng)在提升本地生物多樣性和生態(tài)功能方面的潛力，同時(shí)為海洋可再生能源的可持續(xù)管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

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