海上风电场对近海生态系统结构和功能的影响评价|海上风电场|生物量|黄海汽车

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标题：Offshore wind farms can enhance the structural composition and functional dynamics of coastal waters

第一作者：司立伟

通讯作者：吴忠鑫

Highlights

针对海上风电场区及对照区生态系统，建立了Ecopath模型。
模型包含27个功能组，涵盖软底质与硬基质（风电桩单桩）群落。
海上风电场区以底栖物种为主，食物网结构较对照区更为复杂。
海上风电场区表现出更高的碎屑流传输效率、更成熟的生态系统特征及更强的稳定性。

摘要

海上风电场正迅速成为能源转型的关键基础设施，这一趋势在中国海域尤为显著。为评估海上风电场建设对海洋生态的影响，本研究基于2022年和2023年采集的生物与环境调查数据，分别构建海上风电场区及对照区Ecopath模型。本研究将功能组划分为软底质群落与硬底质群落（风电桩表面附着生物）。结果显示：与对照区相比，风电桩表面附着生物显著提升了海上风电场区内多数鱼类的生产力；该区域生态系统表现出更高的营养级（尤其是大型无脊椎动物和鱼类），食物网结构更复杂，碎屑流占比更高。海上风电场区系统总通量中碎屑贡献占比达52%，远高于对照区的38%，凸显了其能量流动向碎屑驱动转变的特征。此外，风电场系统的总流通量、杂食性指数、连接指数、Finn's循环指数及聚合度均更高。总体而言，海上风电场改变了营养流与系统结构，构建了更复杂、成熟且稳定的底栖主导型生态系统。这些发现表明，海上风电场的建设能够增强临近海洋生态系统的结构组成与功能动态。

研究背景

海上风电正加速成为全球能源转型的关键基础设施，截至2023年，全球装机容量已达75.2 GW，其中中国贡献超50%。随着产业的规模化发展，其生态影响日益受到关注。海上风电场在建设和运营过程中对海洋环境产生复杂的双重效应：施工期可能带来栖息地破坏和噪声污染等负面影响，而运营期其基础设施则可能产生“人工鱼礁效应”，通过提供硬质附着基底吸引并支撑新的生物群落，从而提升局部生物多样性和生物量，甚至为鱼类提供庇护所。尽管生态系统建模已在海上风电场生态效应评估中得到应用，大多数研究仍依赖于模拟情景，而非基于风电场建成后采集的实测数据，特别是忽略了与风电桩相关的关键生态组分（如附着生物、礁栖鱼类）及其营养联系。

本研究以中国黄海北部庄河海上风电场为研究区域，基于风电场区及邻近对照区的生物与环境调查数据，分别构建两个 Ecopath 食物网模型。模型中的功能组按照栖息地类型进行明确划分，系统涵盖风电桩形成的硬基质群落及周边软底质群落。在食物网结构与营养动力学整体框架下，对比分析两生态系统的能量流动特征与结构属性，评估海上风电场对近岸生态系统的生态效应。研究结果可为科学认识海上风电生态影响机制，并为未来海上风电的可持续规划、海洋空间管理及生态保护提供科学依据。

研究方法

研究区域位于辽宁省庄河市王家岛以东海域的中船重工庄河海上Ⅱ号风电场，占地面积约48 km²，平均水深约20 m，共布设60台单桩式风机，单机容量为5 MW，总装机容量达300 MW（图1）。在风电场以东约6 km 处设置对照区（图1）。风电场区同时包含软底质生境及由风电单桩形成的硬基质结构，而对照区则以软底质生境为主。

图1 北黄海庄河海上风电场区与对照区

本研究采用 Ecopath with Ecosim（EwE）6.6.8 软件中的 Ecopath 模块，对庄河海上风电场区及对照区生态系统的结构组成与功能动态进行定量评估。模型所需的食物网功能组划分，基于实地调查数据并结合已有文献资料，依据生态功能和营养关系，将具有重要经济和生态意义的物种进行分类。

在风电场区，Ecopath 模型共设置了26个功能组，而对照区则设置了19个功能组。风电场区功能组数量较多，主要源于风电单桩所引入的硬基质生境，这种生境促进了附着生物的定殖，形成了对照区所不具备的附着生物类群。附着生物类群在风电场生态系统中为其他物种提供了重要的食物来源和栖息空间，是风电场生态系统结构和功能差异的重要驱动因素。

为了更准确反映不同栖息地的群落结构，功能组首先按基质类型进行划分，包括硬基质（如双壳类、甲壳类和腹足类）和软基质（如蟹类、其他甲壳类和腹足类）。其中，紫贻贝由于其显著的生物量和生态作用，作为风电桩表面特有的附着生物，单独设为一个功能组。此外，针对具有重要渔业和休闲捕捞价值的物种，本研究在两区域分别设置了7个单种功能组，其中包括5种硬骨鱼类：许氏平鮋、绿鳍马面鲀、大泷六线鱼、蓝点马鲛和小黄鱼，以及2种无脊椎动物：脉红螺和日本蟳。其余物种则根据生活史特征、摄食策略和栖息生境等生态相似性进行整合，形成浮游动物食性鱼类、食鱼性鱼类、其他底栖鱼类和头足类等功能组。模型功能组的划分较全面地反映了风电场和对照区两种生态系统的能量流动与营养动力学过程。

在本研究中，生态模型的生物量输入数据主要来源于实地资源调查数据、文献资料和经验方程。风电场区的附着生物生物量通过潜水员使用0.25×0.25 m样方框对桩基表面附着生物进行了现场采样并进行生物量估算。鱼类和大型无脊椎动物的生物量则通过底拖网调查估算。浮游样品采用浮游生物网在底层 2 m 处至水面间的垂直拖取，进行浮游生物的生物量估算。鱼类和其他功能组的生产/生物量比（P/B）和消费/生物量比（Q/B）则参考了文献中数据。食物组成数据来自风电场和对照区的胃内容物分析以及相关文献。

主要结果

1.海上风电场区和对照区生态系统结构特征对比

1.1 食物网特征

海上风电场区各功能组的营养级范围是1.00 ~ 4.09，对照区为1.00 ~ 3.95（图2）。海上风电场区平均营养级（2.38）略低于对照区（2.44），群落结构更集中于低营养级。许氏平鲉在两个区域均处于最高营养级（海上风电场区：4.09，对照区：3.95）。

图2 北黄海庄河海上风电场区与对照区的生态过程模式图（A）及Ecopath模型估算的能量流动示意图（B）。B图中的线条代表能量传递过程，颜色表示猎物对捕食者的贡献比例，红色比例较高。

在海上风电场区，风电桩表面附着生物生物量约占系统总生物量（不包括初级生产者和碎屑）的49%（37 t/km²）（图3）。海上风电场区底层鱼类的生物量也更为丰富（8.33 t/km²），是对照区（3.8 t/km²）的两倍多，而两个区域的软底质生物的生物量均约为12 t/km²（图3）。

图3. 北黄海庄河海上风电场区与对照区各生物类群的生物量分布

1.2 混合营养效应和关键种分析

碎屑和浮游植物对大多数功能组产生了普遍的正向影响，强调了它们作为两个生态系统基础能量来源的作用。渔业活动对所有捕捞物种群体均产生了负面影响，其中风电场区以休闲渔业为主，而对照区则以商业拖网捕捞为主，这些捕捞压力通过营养级联效应降低了目标鱼种的生物量，同时间接促进了浮游动物及其他无脊椎动物的生物量增长（图4）。浮游动物对风电单桩上的附着生物产生不利影响，包括贻贝、其他双壳类及其他附着生物。

图4北黄海庄河海上风电场区（A）及对照区（B）的混合营养效应。图中数字1-27对应表1所列的功能组；28=休闲渔业；29=拖网渔业。

海上风电场区许氏平鲉的关键种指数值最高（-0.04），相对总影响也最大（1.00）。在对照区，许氏平鲉同样具有最高的关键种指数（-0.0828）和相对总影响指数（1.00）（图5）。

图5北黄海庄河海上风电场（A）及对照区（B）域各功能组的关键种与相对总影响指数。

2. 海上风电场区和对照区生态系统功能特征对比

2.1生态系统能量流动特征

在海上风电场区，碎屑贡献了系统总能量通量的52%，而初级生产者为48%。相比之下，对照区中碎屑仅占总能量通量的38%，初级生产者则占62%（表1）。据估算，海上风电场区的初级生产总量为2709 t/km²，碎屑的总能量输入为2466 t/km²（图6）。在对照区，初级生产总量为2185.4 t/km²（比海上风电场区域低19.33%），碎屑总能量流入为1534 t/km²（比海上风电场区低37.8%）（图6）。

表1 海上风电场区及对照区生态系统不同营养级之间的转移效率

在海上风电场区与对照区，随着营养级升高，各营养级间的能量传递通量均呈现逐渐下降的趋势（图6）。据估算，海上风电场区的初级生产总量为2709 t/km²，其中1170 t/km²的能量被分配至营养级II（图6）。进入碎屑的总能量输入为2466 t/km²，其中1539 t/km²来源于初级生产者。在对照区，初级生产总量为2185.4 t/km²（比海上风电场区域低19.33%），有1287 t/km²的能量传递至营养级II。流入碎屑的总能量为1534 t/km²（比海上风电场区低37.8%），其中898.4 t/km²源自初级生产者（图6）。

图6. 北黄海庄河海上风电场区（A）与对照区（B）各营养级的能量流动。

2.2 生态系统总体特征参数分析

庄河海上风电场区的生态系统规模（TST为8406.46 t/km²）较对照区（5883.14 t/km²）高出42%，TPP/TR（1.47）低于对照区（1.74），系统成熟度更高。海上风电场区渔获物的平均营养级（3.52）高于对照区（3.18），反映了高营养级物种在海上风电场区渔获中的重要性。海上风电场区CI、SOI、FCI、MPL等指标均高于对照区，食物网复杂性与营养循环水平较高。与其他海上风电场相比，其TST处于较高水平，但在TPP/TR、TPP/TB、TB/TST以及NPP等指标多处于中等范围，表明其仍处于相对不成熟的阶段。

结论

总体而言，海上风电场的建设对生态系统的结构和功能均产生了积极影响。风电桩的引入为附着生物提供了新的栖息地，导致群落组成向底栖生物主导的方向转变。这种栖息地改造使得海上风电场区的底栖鱼类生物量和生产力均高于对照区，证明了潜在的人工鱼礁效应。与对照区相比，海上风电场生态系统的营养结构更为复杂，总能量传递效率更高，营养流从以初级生产者为主导转向以碎屑驱动为主。尽管庄河海上风电场建设时间相对较短，但生态系统已呈现出向更高生态成熟度发展的趋势。此外，风机周围聚集了针对高营养级、恋礁性鱼类的休闲垂钓者，提高了海上风电场渔获物的平均营养级。综上所述，这些发现为理解海上风电开发如何影响近海水域生态系统的能量动态和渔业资源奠定基础。研究结果凸显海上风电场在提升本地生物多样性和生态功能方面的潜力，同时为海洋可再生能源的可持续管理策略提供科学依据。