海上風電場對近海生態系統結構和功能的影響評價

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標題：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

• 針對海上風電場區及對照區生態系統，建立了Ecopath模型。

• 模型包含27個功能組，涵蓋軟底質與硬基質（風電樁單樁）群落。

• 海上風電場區以底棲物種為主，食物網結構較對照區更為復雜。

• 海上風電場區表現出更高的碎屑流傳輸效率、更成熟的生態系統特征及更強的穩定性。

摘要

海上風電場正迅速成為能源轉型的關鍵基礎設施，這一趨勢在中國海域尤為顯著。為評估海上風電場建設對海洋生態的影響，本研究基于2022年和2023年采集的生物與環境調查數據，分別構建海上風電場區及對照區Ecopath模型。本研究將功能組劃分為軟底質群落與硬底質群落（風電樁表面附著生物）。結果顯示：與對照區相比，風電樁表面附著生物顯著提升了海上風電場區內多數魚類的生產力；該區域生態系統表現出更高的營養級（尤其是大型無脊椎動物和魚類），食物網結構更復雜，碎屑流占比更高。海上風電場區系統總通量中碎屑貢獻占比達52%，遠高于對照區的38%，凸顯了其能量流動向碎屑驅動轉變的特征。此外，風電場系統的總流通量、雜食性指數、連接指數、Finn's循環指數及聚合度均更高。總體而言，海上風電場改變了營養流與系統結構，構建了更復雜、成熟且穩定的底棲主導型生態系統。這些發現表明，海上風電場的建設能夠增強臨近海洋生態系統的結構組成與功能動態。

研究背景

海上風電正加速成為全球能源轉型的關鍵基礎設施，截至2023年，全球裝機容量已達75.2 GW，其中中國貢獻超50%。隨著產業的規模化發展，其生態影響日益受到關注。海上風電場在建設和運營過程中對海洋環境產生復雜的雙重效應：施工期可能帶來棲息地破壞和噪聲污染等負面影響，而運營期其基礎設施則可能產生“人工魚礁效應”，通過提供硬質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，甚至為魚類提供庇護所。盡管生態系統建模已在海上風電場生態效應評估中得到應用，大多數研究仍依賴于模擬情景，而非基于風電場建成后采集的實測數據，特別是忽略了與風電樁相關的關鍵生態組分（如附著生物、礁棲魚類）及其營養聯系。

本研究以中國黃海北部莊河海上風電場為研究區域，基于風電場區及鄰近對照區的生物與環境調查數據，分別構建兩個 Ecopath 食物網模型。模型中的功能組按照棲息地類型進行明確劃分，系統涵蓋風電樁形成的硬基質群落及周邊軟底質群落。在食物網結構與營養動力學整體框架下，對比分析兩生態系統的能量流動特征與結構屬性，評估海上風電場對近岸生態系統的生態效應。研究結果可為科學認識海上風電生態影響機制，并為未來海上風電的可持續規劃、海洋空間管理及生態保護提供科學依據。

研究方法

研究區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號風電場，占地面積約48 km2，平均水深約20 m，共布設60臺單樁式風機，單機容量為5 MW，總裝機容量達300 MW（圖1）。在風電場以東約6 km 處設置對照區（圖1）。風電場區同時包含軟底質生境及由風電單樁形成的硬基質結構，而對照區則以軟底質生境為主。

圖1 北黃海莊河海上風電場區與對照區

本研究采用 Ecopath with Ecosim（EwE）6.6.8 軟件中的 Ecopath 模塊，對莊河海上風電場區及對照區生態系統的結構組成與功能動態進行定量評估。模型所需的食物網功能組劃分，基于實地調查數據并結合已有文獻資料，依據生態功能和營養關系，將具有重要經濟和生態意義的物種進行分類。

在風電場區，Ecopath 模型共設置了26個功能組，而對照區則設置了19個功能組。風電場區功能組數量較多，主要源于風電單樁所引入的硬基質生境，這種生境促進了附著生物的定殖，形成了對照區所不具備的附著生物類群。附著生物類群在風電場生態系統中為其他物種提供了重要的食物來源和棲息空間，是風電場生態系統結構和功能差異的重要驅動因素。

為了更準確反映不同棲息地的群落結構，功能組首先按基質類型進行劃分，包括硬基質（如雙殼類、甲殼類和腹足類）和軟基質（如蟹類、其他甲殼類和腹足類）。其中，紫貽貝由于其顯著的生物量和生態作用，作為風電樁表面特有的附著生物，單獨設為一個功能組。此外，針對具有重要漁業和休閑捕撈價值的物種，本研究在兩區域分別設置了7個單種功能組，其中包括5種硬骨魚類：許氏平鮋、綠鰭馬面鲀、大瀧六線魚、藍點馬鮫和小黃魚，以及2種無脊椎動物：脈紅螺和日本蟳。其余物種則根據生活史特征、攝食策略和棲息生境等生態相似性進行整合，形成浮游動物食性魚類、食魚性魚類、其他底棲魚類和頭足類等功能組。模型功能組的劃分較全面地反映了風電場和對照區兩種生態系統的能量流動與營養動力學過程。

在本研究中，生態模型的生物量輸入數據主要來源于實地資源調查數據、文獻資料和經驗方程。風電場區的附著生物生物量通過潛水員使用0.25×0.25 m樣方框對樁基表面附著生物進行了現場采樣并進行生物量估算。魚類和大型無脊椎動物的生物量則通過底拖網調查估算。浮游樣品采用浮游生物網在底層 2 m 處至水面間的垂直拖取，進行浮游生物的生物量估算。魚類和其他功能組的生產/生物量比（P/B）和消費/生物量比（Q/B）則參考了文獻中數據。食物組成數據來自風電場和對照區的胃內容物分析以及相關文獻。

主要結果

1.海上風電場區和對照區生態系統結構特征對比

1.1 食物網特征

海上風電場區各功能組的營養級范圍是1.00 ~ 4.09，對照區為1.00 ~ 3.95（圖2）。海上風電場區平均營養級（2.38）略低于對照區（2.44），群落結構更集中于低營養級。許氏平鲉在兩個區域均處于最高營養級（海上風電場區：4.09，對照區：3.95）。

圖2 北黃海莊河海上風電場區與對照區的生態過程模式圖（A）及Ecopath模型估算的能量流動示意圖（B）。B圖中的線條代表能量傳遞過程，顏色表示獵物對捕食者的貢獻比例，紅色比例較高。

在海上風電場區，風電樁表面附著生物生物量約占系統總生物量（不包括初級生產者和碎屑）的49%（37 t/km2）（圖3）。海上風電場區底層魚類的生物量也更為豐富（8.33 t/km2），是對照區（3.8 t/km2）的兩倍多，而兩個區域的軟底質生物的生物量均約為12 t/km2（圖3）。

圖3. 北黃海莊河海上風電場區與對照區各生物類群的生物量分布

1.2 混合營養效應和關鍵種分析

碎屑和浮游植物對大多數功能組產生了普遍的正向影響，強調了它們作為兩個生態系統基礎能量來源的作用。漁業活動對所有捕撈物種群體均產生了負面影響，其中風電場區以休閑漁業為主，而對照區則以商業拖網捕撈為主，這些捕撈壓力通過營養級聯效應降低了目標魚種的生物量，同時間接促進了浮游動物及其他無脊椎動物的生物量增長（圖4）。浮游動物對風電單樁上的附著生物產生不利影響，包括貽貝、其他雙殼類及其他附著生物。

圖4北黃海莊河海上風電場區（A）及對照區（B）的混合營養效應。圖中數字1-27對應表1所列的功能組；28=休閑漁業；29=拖網漁業。

海上風電場區許氏平鲉的關鍵種指數值最高（-0.04），相對總影響也最大（1.00）。在對照區，許氏平鲉同樣具有最高的關鍵種指數（-0.0828）和相對總影響指數（1.00）（圖5）。

圖5北黃海莊河海上風電場（A）及對照區（B）域各功能組的關鍵種與相對總影響指數。

2. 海上風電場區和對照區生態系統功能特征對比

2.1生態系統能量流動特征

在海上風電場區，碎屑貢獻了系統總能量通量的52%，而初級生產者為48%。相比之下，對照區中碎屑僅占總能量通量的38%，初級生產者則占62%（表1）。據估算，海上風電場區的初級生產總量為2709 t/km2，碎屑的總能量輸入為2466 t/km2（圖6）。在對照區，初級生產總量為2185.4 t/km2（比海上風電場區域低19.33%），碎屑總能量流入為1534 t/km2（比海上風電場區低37.8%）（圖6）。

表1 海上風電場區及對照區生態系統不同營養級之間的轉移效率

在海上風電場區與對照區，隨著營養級升高，各營養級間的能量傳遞通量均呈現逐漸下降的趨勢（圖6）。據估算，海上風電場區的初級生產總量為2709 t/km2，其中1170 t/km2的能量被分配至營養級II（圖6）。進入碎屑的總能量輸入為2466 t/km2，其中1539 t/km2來源于初級生產者。在對照區，初級生產總量為2185.4 t/km2（比海上風電場區域低19.33%），有1287 t/km2的能量傳遞至營養級II。流入碎屑的總能量為1534 t/km2（比海上風電場區低37.8%），其中898.4 t/km2源自初級生產者（圖6）。

圖6. 北黃海莊河海上風電場區（A）與對照區（B）各營養級的能量流動。

2.2 生態系統總體特征參數分析

莊河海上風電場區的生態系統規模（TST為8406.46 t/km2）較對照區（5883.14 t/km2）高出42%，TPP/TR（1.47）低于對照區（1.74），系統成熟度更高。海上風電場區漁獲物的平均營養級（3.52）高于對照區（3.18），反映了高營養級物種在海上風電場區漁獲中的重要性。海上風電場區CI、SOI、FCI、MPL等指標均高于對照區，食物網復雜性與營養循環水平較高。與其他海上風電場相比，其TST處于較高水平，但在TPP/TR、TPP/TB、TB/TST以及NPP等指標多處于中等范圍，表明其仍處于相對不成熟的階段。

結論

總體而言，海上風電場的建設對生態系統的結構和功能均產生了積極影響。風電樁的引入為附著生物提供了新的棲息地，導致群落組成向底棲生物主導的方向轉變。這種棲息地改造使得海上風電場區的底棲魚類生物量和生產力均高于對照區，證明了潛在的人工魚礁效應。與對照區相比，海上風電場生態系統的營養結構更為復雜，總能量傳遞效率更高，營養流從以初級生產者為主導轉向以碎屑驅動為主。盡管莊河海上風電場建設時間相對較短，但生態系統已呈現出向更高生態成熟度發展的趨勢。此外，風機周圍聚集了針對高營養級、戀礁性魚類的休閑垂釣者，提高了海上風電場漁獲物的平均營養級。綜上所述，這些發現為理解海上風電開發如何影響近海水域生態系統的能量動態和漁業資源奠定基礎。研究結果凸顯海上風電場在提升本地生物多樣性和生態功能方面的潛力，同時為海洋可再生能源的可持續管理策略提供科學依據。

• 信息來源:海洋牧場微信公眾號。

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