海岸带是指海岸线向陆海两侧扩展一定宽度的带状区域, 是海陆交界处相互作用变化比较活跃的地带, 包括陆域与近海海域, 其组成部分有河口三角洲、海岸平原、湿地、海滩与沙丘、红树林、珊瑚礁、泻湖及其他地理单元^[7]。作为陆地系统、海洋系统、大气系统相互作用的结合带, 海岸带与流域及外围海域通过物质流动和能量交换形成无法分割的空间联系, 不仅承接了近岸和近海的开发压力, 还接纳了入海河流携带的流域内污染排放和泥沙搬运, 具有自然、社会与经济多组分耦合的复杂性与开放性(图1), 因此, 海岸带生态风险评价不仅仅局限于海域/陆域空间, 还取决于海陆关系; 也不仅仅局限于自然资源和生态环境的本底条件, 还要考虑人类活动的影响, 因而海岸带生态风险评价既有区域生态风险评价的综合性, 也有其自然地理条件的特殊性。

图1

Fig.1

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	图1 陆域— 海岸带— 海洋生态系统相互耦合关系Fig.1 The interconnection relationship between land-coastal-marine ecosystems

目前, 海岸带生态风险评价尚没有统一的定义。作者基于前述研究对海岸带生态风险评价概念进行如下界定:在特定的海岸带边界范围内, 评价自然灾害、人类活动等风险源对海岸带生态系统及其组分、海岸带生态过程与格局、生态系统服务功能等产生不利变化的可能性。海岸带生态风险不仅与风险源发生强度和风险受体遭受的损失有关, 而且与风险受体所处海岸带环境的脆弱程度密切相关。风险源(Risk, R)、生境(Environment, E)、风险受体(Suffer, S)复合组成了海岸带生态风险的结构体系(structure, D_s)和功能体系(fundion, D_f), 任何要素的改变均会对海岸带生态风险产生重要影响。其中, 风险源的危险性(Hazard, RH)是前提, 生境的脆弱性(Vulnerability, EV)是基础, 风险受体的损失度(Loss, RL)是结果。海岸带生态风险的构成要素及各要素之间的作用关系如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 海岸带生态风险系统的结构体系及其相互作用关系(修改自参考文献[8])Fig.2 Structure system and interaction relationship of coastal ecological risk system(modified after reference[8])

(1) 风险源。风险源是指对生态环境产生不利影响的一种或多种化学的、物理的或生物的风险来源, 可以是人为活动产生的或来源于自然灾害产生的压力^[2]。海岸带生态风险来源主要包括自然灾害和人类活动。自然灾害风险源主要指海平面上升等气候变化和突发性的灾害事件, 包括风暴潮、海冰、地震海啸、海岸侵蚀、海咸水入侵、海平面上升等。人类活动主要指海岸带社会经济活动, 包括污染排放、城市化、海水养殖、海岸工程等。海洋灾害和人类活动作为海岸带系统的外部压力及主要驱动力, 二者相互关联、相互影响, 对海岸带系统风险的发展产生极为重要的影响。按照持续时间又可将风险源进一步划分为突发型和缓发型2种, 因形成过程不同, 不同类型的风险源在触发频率、主体与强度上都有显著差异(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 海岸带生态风险源类型与特点 Table 1 Type and characteristic of coastal ecological risk source 风险源类别 具体类型 特点 自然灾害 突发型 地震海啸、热带风暴(台风)、海冰、风暴海浪、海雾、风暴潮等 有偶然性、小概率和高强度的特点, 一般持续时间短, 突然直接, 危害较大, 易突变, 不易控制 缓发型 海平面上升、海岸侵蚀、海咸水入侵、赤潮绿潮等 初期作用不明显, 持续时间长、渐进间接, 具有累积效应, 灾害一旦形成, 很难在短期内恢复, 并且与人类活动联系紧密 人类活动 缓发型 污染排放、城市化、海水养殖、海岸工程建设等 突发型 溢油漏油、化学品泄漏、核辐射等 与突发型自然灾害相似, 不同的是危害作用范围小, 可通过相关技术和手段进行预防和控制

表1 海岸带生态风险源类型与特点 Table 1 Type and characteristic of coastal ecological risk source

(2) 生境。生境既是风险源孕育、发展、暴发的外界环境条件, 又是风险受体生存所依赖的内部环境, 是联系风险源与风险受体的桥梁。自然条件与生态环境特征不仅影响风险受体的行为、位置, 也影响到风险压力因子的时空分布规律^[9]。海岸带是世界上生产力较高和生物多样性较为丰富的生境类型之一, 在维护生物多样性、保护物种、促进景观结构自然演替等方面具有重要作用, 又因分布着滨海湿地、红树林、珊瑚礁、产卵场、育幼场、砂质岸线等众多敏感脆弱目标而极易受到外界活动的影响。

(3) 风险受体与生态终点。风险受体是指生态系统中可能受到来自风险源干扰的不利作用的组成部分^[1]。生态系统可以分为物种、种群、群落和生态系统等多级层次, 任一层级或个体的变化均可能导致生态系统整体功能的损伤, 因此, 在海岸带生态风险评价中应选取对风险因子作用较为敏感, 或在生态系统中具有重要作用和地位的关键物种、种群、群落或重要生态过程作为风险受体。生态终点是指在具有不确定性的风险源作用下, 风险受体可能受到的损害以及由此而发生的生态系统结构和功能的损伤^[1], 就海岸带而言, 生态终点包括水质恶化、物种灭绝、生态服务功能下降等。

3.1.1 海洋与海岸带自然灾害

独特的区位特征使得海岸带不仅受到气候变化的影响, 还受到海平面上升导致的海岸侵蚀、土地淹没和风暴潮加剧等威胁, 继而对海岸带地区的社会经济产生潜在风险^{[10, 11]}。针对海洋及海岸带自然灾害的风险评价早期主要围绕发生频率较高、对生态破坏较大的风暴潮、台风、暴雨洪涝等突发型灾害展开, 多从自然灾害强度和频率的预测预报、发生过程的数值模拟、典型重现期的估计等方面评价自然灾害的危险性, 并依据危害程度大小划分风险等级, 通常是对风险源发生概率及强度的估算^{[12, 13]}。另一方面是在对风险源危险性进行评价的基础上, 采用风险人口、可能经济损失来测算灾害所造成的海岸带损失情况^{[14, 15]}, 从危险性和易损性2个方面对海岸带风险进行评价。总体来看, 关于突发型灾害数值模拟与预测预报工作已日趋成熟, 但针对灾害与海岸带脆弱性和易损性之间的响应关系研究仍显薄弱, 多以灾害的危险性和经济损失多寡表征风险大小, 对生态系统结构和功能损伤关注不够。

与突发型灾害相比, 缓发型灾害初期作用不明显, 发生周期长, 易被忽视, 但其具有累积效应, 灾害一旦形成, 很难在短期内恢复, 并且与人类活动联系更为紧密。此类评价的关注点多集中在海平面上升和海洋地质灾害方面。海平面上升主要利用RS和GIS技术对海平面上升造成不利影响进行案例分析, 相关研究除关注海平面上升对沿岸土地的影响范围、直接灾害效应外, 还考虑海平面上升对海岸的侵蚀作用及潜在的脆弱性分区^[16]。针对海洋地质灾害的风险研究主要集中在海岸和近岸水域, 包括海岸侵蚀、海水入侵与倒灌等^{[17, 18]}。近年来, 随着赤潮灾害发生频率的上升, 学者们从成因机制、评估模型、预警方法等角度对赤潮灾害风险研究进行了诸多研究^{[19, 20]}。

3.1.2 人类— 社会— 经济活动

海岸带作为人类作用最为频繁的地区, 高强度的开发利用活动直接或间接地改变了海岸带原有的地表形态及自然的物理化学过程, 海岸带潜在生态风险逐年增加。

(1) 污染物排放

城市生活污水、工业污染物、农业化肥农药及海水养殖污水等, 通过水体等流动介质迁移或传递, 加剧了海岸带水体的富营养化。排入海中的有毒重金属和持久性有机污染物可长时间赋存于近海沉积体系中, 其潜在风险比常规污染物更为严重, 是最受关注的风险类型之一^[21]。该类研究主要依据污染物环境过程及毒性效应之间的研究结果, 从生态毒理角度, 针对水体、沉积物、湿地土壤等不同环境介质中的污染物质潜在生态风险进行评价^[22~24]。国内学者多采用Hakanson潜在生态风险指数法^[25]对重点海域有毒污染物水平及其对生物、生境的潜在风险影响进行分析和评价^[26~30]。因河口和海湾是陆源物质向海洋输运的主要通道, 具有复杂的地球化学过程和海洋动力学特征, 故成为海岸带水环境生态风险评价的热点区域, 如我国的长江口、黄河口和美国马塞诸塞州的Waquoit港湾、新贝德福德港、内瓦克湾河口等地^[31]。目前, 该类研究大多为针对海水污染现状的风险评价, 而深入挖掘污染物的产生、迁移、转化和富集过程, 揭示陆域污染物排放、海水养殖等人类活动与海岸带水体环境风险之间的关联机制, 则是未来迫切需要解决的问题。

(2) 城市化

随着沿海城市向海空间的不断扩张, 围填海、工程建设、城市用地扩展、农业垦殖等开发活动挤占了大量生态用地, 海岸带水文条件发生显著改变, 海岸及近海海域生态系统的结构和功能受到严重损害。由此针对城市化与海岸带生态风险关联性研究的案例也逐渐增多, 河口三角洲因地处海岸带前缘, 受人类活动影响较大, 成为研究的典型区域。该类研究目前主要通过规划预案和实测分析定量研究人口增长、城镇扩展和土地利用规划等导致的海岸带资源损失及潜在的生态风险, 如Anikie等^[32]从人类活动和自然因素对空气质量的影响方面评价了里海北部海岸带的人口生态风险水平。马金卫等^[33]评估了3种管理预案条件下城镇扩展导致的海岸带资源损失和区域生态风险的空间差异性。田素娟等^[34]通过分析未来15年土地利用规划对湿地变化的影响, 明确建设用地扩张对黄河口湿地丧失的潜在风险。相对而言, 围填海、海岸工程建设等相关案例研究较少, 多侧重于用海项目的海洋环境影响、灾害地质风险研究^{[35, 36]}。

(3) 环境事故

由人为导致的环境事故, 包括溢油漏油、化学品泄漏、核辐射等, 虽然发生机率很小, 但是危害巨大。通过对突发事故发生概率的预测、迁移轨迹的模拟及生态损失估算等, 确定海域突发事故的生态风险大小及高风险区分布, 可为应急响应提供管理依据。目前, 国内外针对海域溢油漏油和化学品泄漏的研究案例较多, 如Duarte等^[37]定量评价了油船运输中对巴西东北部沿岸地区的潜在风险大小。沈盎绿等^[38]采用常见的4种原油和4种燃料油模拟海上溢油事故, 开展对贝类的毒害效应以及生态风险评价。杨红等^[39]以急性中毒水平研究了海洋船舶突发性溢油对渔业资源的影响并模拟了油团的迁移轨迹, 对长江口海域进行风险等级划分。此类研究风险受体选取多集中在生物个体或单一种群, 针对海岸带生态环境及人体健康的潜在风险影响则较少涉及。

综上所述, 针对人类活动驱动下对海岸带生态系统产生的负面效应的风险评价, 早期研究主要为个体和种群水平的生态毒理学研究, 随后研究内容逐渐丰富。但由于海岸带环境因素及风险源与受体作用过程的复杂性和监测数据的不足, 大多数评价只局限在定性和粗略分析上, 缺乏对风险产生的过程— 机制— 原因的深入探讨与研究。

3.2.1 生物个体、种群、群落水平

任何不同生命组建层次的风险受体都存在终点选择问题。由于海岸带复合生态区的区域性特征, 其生态系统中可能受到压力或危害影响的受体种类很多, 涉及各个组成部分, 小至个体、种群, 大到群落、生态系统层面, 因此, 与其对应的海岸带生态风险评价终点也不止一个。生物个体、种群、群落水平上的评价终点主要体现在海岸带自然生态系统中风险受体对环境胁迫的响应, 包括珍稀物种的灭绝、物种体内污染物含量变化、浮游动植物和底栖动物数量的变化、人类健康受到威胁等。Myers等^[40]通过对污染物和生物体的实验室研究, 建立鱼类肝脏的受损情况与不同污染物浓度的关系。Neff等^[41]根据贻贝污染物含量变化, 建立模型来预测北海油井污水排放的潜在生态风险。何秀婷等^[42]评估了食用海水养殖鱼类摄入磺胺类抗生素对人体的健康风险。

3.2.2 生态系统水平

海岸带在生态系统水平上的评价终点则更多地体现了社会、经济、环境等综合要素, 除了要考虑关键性的生态系统要素外, 更多地选择具有重要生态学及经济、社会意义的海岸带生态系统组成与结构、关键生态过程、生态系统服务功能、景观空间格局等作为评价终点。具体表现为:①海岸带土壤、植被、水体等关键要素的剧烈变化, 如土壤盐渍化的加重、芦苇碱蓬湿地植被的消亡、水质恶化等^[43]。②调节气候、净化污染物、调节水文、固碳、文化服务等海岸带生态系统功能的损伤或丧失, 包括重要生境萎缩或消失、生物多样性丧失、湿地退化速率加快、自然岸线人工化、红树林被破坏等。Nicholls等^[44]和Shi等^[45]通过计算海岸侵蚀与风暴潮淹没引起的湿地面积损失, 反映了海平面上升对滨海湿地生态系统的风险。③景观格局改变, 如景观组成类型、格局的改变等。因在高质量卫星和航拍影像以及地理信息数据的支持下较容易定量化, 且通过破碎度、分离度、优势度等指标能够较好地反映人类对海岸带环境的物理性干扰, 因此, 在生态系统水平下的海岸带景观生态风险评价中应用较多^[46]。

现有研究多选取湿地生态系统、水生态系统作为风险受体, 以湿地生态面积丧失、水质污染作为评价终点, 较为单一。实际上要全面反映海岸带生态风险状况, 应针对海岸带特点选取多个风险受体和评价终点进行综合评价。

目前, 海岸带生态风险评价的研究与应用更为广泛, 其涉及内容已逐步由单一风险源、单一风险受体发展到多种风险源和多重受体的综合生态风险评价模式, 评价范围也由化学污染、生态事件发展到对人类活动影响的综合度量^{[47, 48]}。综合评价往往更加关注对多重潜在风险的分析, 强调空间异质性, 尤其是空间邻接关系对风险的影响, 可综合评价风险源、生境受体和评价终点之间的整体效应。Preston等^[49]选用海底生物多样性、水质和有毒物浓度的空间分布数据作为评价指标, 通过多变量间的回归来量化生态风险。许学工等^[50]选取主要风险源发生概率进行分级评价, 并提出度量风险源、生态损失与生态风险的指标和模型, 完成黄河、辽河三角洲湿地的综合生态风险评价。Angelides等^[51]运用模糊概率模型对海陆岸三大子系统内与风险相关的人类与自然过程进行调查与评估。此外, 海岸带生态风险的研究也越来越侧重于多学科的综合, 重点逐渐转向海岸带生态系统及其以上水平, 力求以宏观生态学理论为指导, 将单个地点或较小区域内的生态风险问题联系起来, 除了强调风险发生的内在机理、风险评估模型外, 越来越关注从社会经济和人文行为等角度对海岸带面临多种风险的影响进行综合评估^{[52, 53]}。

通过对相关研究主题的梳理与分析可见, 由于海岸带地域范围狭窄, 资源数量和环境容量相对有限, 其生态系统在地— 气— 海耦合力的作用下, 具有对环境变化反应敏感和对灾害抵御脆弱的特点。因此, 海岸带生态风险既有一般区域生态风险的共性, 也具有由其自身特点决定的特殊性。主要表现在:①多源性:海岸带是受人海双重作用的区域, 既承受来自陆域人类社会活动的影响, 又面临海洋自然灾害的作用, 要素组成以及要素之间的关联较为复杂, 其风险要素多表现为“ 多对一” 、“ 多对多” 的关系。“ 多源— 多(暴露)路径— 多受体— 多终点” 成为海岸带生态系统水平上风险问题最为显著的特征^[54]。②多维度:海岸带生态系统是海洋— 陆地生态系统在3个维度上(纵向、横向、垂直)相互作用的产物且包含多个子系统, 在进行风险评价时, 既要从整体角度综合考虑海岸带生态系统, 又需将河口、滩涂湿地等子系统间的风险传导机制与关联特征纳入其中, 充分考虑区域分异规律及与相邻海域系统和陆域系统的联系。③动态性:陆地与海洋环境中各种因素的不断变化和相互作用, 海水的频繁作用以及陆域水利工程的建设、污水的排放等人为干扰使得海岸带地区地形、地貌和水文特征经常发生复杂变化, 影响海岸系统的演替与发展。因此, 在进行海岸带生态风险评价时, 必须适应其动态发展特点, 通过生态学研究和系统监测, 不断深化对海岸带生态系统的认识, 并据此及时调整, 进行适应性分析。

4.2.1 现有模型与方法

海岸带生态风险评价方法主要集中在微观生态毒理分析和宏观生态功能分析2个方面。微观生态毒理分析主要包括潜在生态风险指数法和暴露— 反应法, 侧重于环境污染物及其转化物的毒性及对健康的潜在危害评定。宏观生态功能分析主要方法有相对风险评价模型、景观分析法、数学概率模型等, 主要针对生态系统水平, 对风险产生的概率、强度及时空特征进行系统全面的估计和预测(表2)。除此之外, 遥感和地理信息系统等新技术和新方法已越来越广泛地运用到海岸带生态风险评价中, 利用GIS的空间关联和分析技术, 并与生态模型、改进算法相结合, 将为海岸带生态风险的定量化评价和相关模型的建立提供快速、准确和经济可行的技术方法。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 海岸带生态风险评价模型与方法 Table 2 The model and method of coastal ecological risk assessment 模型与方法 方法描述 优点与缺点分析 潜在生态风险指数法 划分沉积物污染程度及其水域潜在生态风险的一种方法[25], 考虑了沉积物中重金属的毒性、迁移转化规律及评价区域对重金属污染的敏感性, 且通过实测数据与其工业化前自然背景值比较, 测定沉积物污染程度, 并结合污染物的毒性响应参数计算得到潜在生态风险指数 无法反映污染物的浓度与被污染受体效应之间的关系, 不能计算生态环境受到污染或损伤的范围 暴露— 反应法 依据受体在不同剂量化学污染物的暴露条件下产生的反应, 建立暴露— 反应曲线或模型, 再根据暴露— 反应曲线, 估计受体处于某种暴露浓度下产生的效应, 可能是物种的死亡率、产量的变化、再生潜力变化等的一种或数种[55] 现实环境中很难获得足够量的与实际情况更为接近的慢性毒理数据 相对风险评价模型 着重将多重风险源、多重压力、多种生境和综合生态影响联系起来, 通过分析风险源、生境与评价终点之间的相互关系引入风险源与生境、生境与评价终点之间的暴露“ 系数” 、效应“ 系数” , 设置等级标准对风险源、生境、评价终点的相对风险值得分进行计算, 量化风险源与生态终点之间的效应关系[56] 该模型是一种相对的评价方法, 评价标准难确定, 验证需要大量数据 景观分析法 从景观格局— 功能— 过程出发, 以景观类型作为评价受体, 综合多重生态风险源, 从景观干扰度指数和景观脆弱度指数方面构建景观生态风险模型, 对生态风险分布和演化过程进行定量分析和评估, 着重分析人为干扰活动对生态系统造成的潜在风险或已经造成的风险结果 未考虑化学污染物造成的风险; 遥感图像空间分辨率对计算结果产生一定影响 数学概率模型 运用函数关系式将风险的发生概率及其生态系统潜在风险损失度的风险复合表征模型具体化, 根据研究需要不同, 采用加权叠加、主成分分析等方法, 针对相应的自然生态、灾害和社会经济数据, 建立指标体系, 对不同类型和等级的生态风险做出评价[57], 能够较好地反映危害事件和生态终点的相互关联 模型参数的确定具有主观性, 缺乏对不确定性的有效检验手段

表2 海岸带生态风险评价模型与方法 Table 2 The model and method of coastal ecological risk assessment

4.2.2 评价思路与框架

在USEPA(United States Environmental Protection Agency)生态风险概念模型的基础上, 充分考虑海岸带生态风险评价特征, 从生态风险的结构体系出发, 构建海岸带综合生态风险评价的理论框架(图3), 主要分为4个模块:①风险源的危害识别及描述。从陆域、海域2个方面分析风险源的产生地点、压力作用、强度及潜在影响。由于海岸带自然特征与社会经济发展水平的区域差异, 导致风险源也存在显著差异, 即不同类型的风险源对同一评价区域的作用强度不尽相同, 即使是同种风险源, 作用对象和区域不同, 其威胁程度亦不相同。因此, 需利用相关模型与方法对海岸带风险源强度的空间差异性进行测度。②生境脆弱性评价。因海岸带包含湿地、洪泛平原、河口、海滩、风积沙丘、堰洲岛、珊瑚礁、野生动植物及其生境等众多地理单元, 不同生境类型的水动力条件不同, 物质基础也差异很大, 在维护生物多样性、保护物种、促进景观结构自然演替等方面的作用是有差别的, 因此, 可从自身结构脆弱程度和人工干预措施等方面来表征受体环境的脆弱性, 以此来反映相同外界干扰下, 海岸带生态系统产生生态失衡与生态环境问题的可能性。③风险受体及其生态终点分析。分析风险源— 生境、生境— 受体之间通过何种压力作用改变生态终点。对这些不利生态影响的量化可从海岸带生态服务功能角度, 通过测量各种生态功能流(物质、能量)的输入和输出量值及其时空变化, 对其各项功能和环境效益进行价值化或生态资产化, 计算生态资产的耗损。④综合上述分析与计算, 将作用于风险受体的多个风险进行累计, 最终得出海岸带综合生态风险。

图3

Fig.3

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	图3 海岸带生态风险研究框架Fig.3 The research framework of coastal ecological risk assessment