健康的生态系统应该没有病痛反应，稳定且可持续发展，即生态系统随着时间的进程有活力并且能维持其组织及自主性，在外界胁迫下容易恢复^[1]。维持健康的生态系统作为可持续发展概念的一个重要目标，已成为生态学家的共识。目前，生态系统健康评价已广泛应用于河流、森林、城市等不同生态系统领域^[2-4]。

人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是保护或恢复海洋渔业生态环境^[5]。人工鱼礁投放到海域后，会通过一系列的理化过程影响海洋的生物和非生物环境^[6]。因此，为了掌握人工鱼礁对生态系统健康状况的影响，需要对其进行连续的监测，并将人工鱼礁对环境的影响进行客观、合理、科学的评价^[7]。

近年来，我国人工鱼礁建设项目日益增多，开展了人工鱼礁对生物及非生物环境的影响研究^[8]，但大多数研究仅是针对单个生物因子或非生物因子^[9-11]。陈应华、杨进分别对大亚湾大辣甲南人工鱼礁区和杨梅坑人工鱼礁区生态系统健康进行了评价^[12-13]，尹增强等评价了东海区保护型人工鱼礁生态效果^[14]，佟飞等对荣成俚岛人工鱼礁区生态系统健康进行了评价^[8]。本文以2012—2013年威海西港人工鱼礁区及附近海域4个季度的生态环境调查为基础，基于近3年礁区渔业资源调查数据及环境监测数据，利用层次分析法及综合指数法，建立了人工鱼礁区生态系统健康综合评价模型，并对该海域生态系统健康状况进行了评估，分析了人工鱼礁区生态系统健康水平的季节变化，以期对人工鱼礁的建设管理与规划优化提供相关资料。

1 材料与方法 1.1 调查时间及站位

威海西港人工鱼礁区位于威海市小石岛周边海域，鱼礁区面积120.299 hm²，共投放石料礁体27.2万空方、混凝土构件8万空方、船礁120艘。鱼礁区水深9~13 m，水温变化范围5.30~26.10 ℃，平均值16.91 ℃。由于缺乏投礁前的本底调查资料，因此设立对照区对比人工鱼礁的生态效果。依据文献[15]，实际海域由于鱼礁设置所产生的流场影响一般不超过鱼礁规模的50倍，选择对照区与鱼礁区的距离800 m以上。其次，对照区设置还遵循以下原则：(1)与鱼礁区的生态环境相似；(2)对照区没有受到人工鱼礁投放的影响；(3)选定的区域适合开展水质监测及资源调查工作^[16-17]。分别于2012年9月(秋季)和12月(冬季)、2013年4月(春季)和7月(夏季)，对该鱼礁区及邻近海域进行了海洋生态环境综合调查。在鱼礁区和对照区各设置3个站位，全部6个站位均监测海水水质及海洋生物项目，调查站位详见图 1和表 1。

1.2 调查样品分析方法

海洋环境因子调查项目包括:pH、溶解氧、COD、BOD₅、无机氮、硅酸盐和活性磷酸盐。样品的现场采集、保存、测定和分析等参照《海洋监测规范》(GB17378-2007)、《海洋调查规范》(GB12763-2007)、《海水水质标准》(GB3097-1997)和《渔业水质标准》 (GB11607-1989)进行。

浮游动物、浮游植物调查分别用浅水Ⅰ、Ⅲ型浮游生物网，自底(距底2 m)至表进行垂直拖网采样，样品经5%福尔马林海水溶液固定保存。

渔业资源调查采用地笼和三重刺网。三重刺网外网网目尺寸10 cm，缩结系数0.56，内网网目尺寸4.2 cm，缩结系数0.44，网具全长28 m，网高3 m。每个站位放置一张刺网，选择底层放置，网具在海域内迎流放置24 h。地笼规格：每节的长宽高分别为30、20和25 cm，24节为一串，每个站位设置5串，每次调查的放置时间均为24 h。

2 健康评价指标体系的建立及评价标准 2.1 健康评价指标体系

单纯的物理、化学或生物指标不足以对一个生态系统健康的状况给予全面、客观、准确的评估^[8]。根据国内外人工鱼礁生态系统健康评价指标体系的研究案例，结合增殖型人工鱼礁的特点，设定该人工鱼礁区健康评价指标体系分为生态群落指标系统、海洋环境指标系统和生态系统功能指标系统。其中，群落结构指标系统包括：浮游植物细胞密度(C1)、浮游植物生物多样性阈值(C2)、浮游动物生物量(C3)、浮游动物生物多样性阈值(C4)、地笼游泳生物CPUE(C5)、地笼游泳生物生物多样性阈值(C6)、刺网游泳生物CPUE(C7)、刺网游泳生物多样性阈值(C8)；海洋环境指标系统包括：活性硅酸盐(C9)、活性磷酸盐(C10)、无机氮(C11)、pH(C12)、BOD₅(C13)、COD(C14)、溶解氧(C15)；生态系统功能指标系统包括叶绿素a(C16)。

2.2 健康评价方法及标准

本文采取综合指数法，在选取海域生态系统健康评价指标时，遵循主导因素、相对稳定性、差异性、可操作性等原则^[18]。评价标准的选择遵循以下原则：优先考虑国家标准；其次考虑行业标准或国内外相关研究。如果上述标准均没有，则以多年实际调查值的平均值为参考标准^[19-20]。按照以上原则，本文海水水质指标参考《海水水质标准》(GB3097-1997)，浮游植物、浮游动物、游泳动物采用贾晓平2003年提出的饵料生物水平分级标准^[21]和陈清潮1994年提出的生物多样性阈值分级标准^[22](见表 2~4)。

2.3 评价指标权重的确定与计算

本文对评价因子进行了权重分析，通过计算以及转化，使各因子之间具有可比性和可加性。参照尹增强2012年提出的计算方式，将鱼礁的生态效果划分为优、良、合格、较差、很差5种类型，分别赋值1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。各指标标准化(归一化)由构建的模糊隶属函数求得。其中，活性磷酸盐、无机氮、溶解氧、COD、BOD₅、pH值、浮游植物细胞密度、浮游动物生物量、物种多样性的评价指标的标准化(归一化)计算方法参考尹增强2012年建立的模糊隶属函数^[14]，叶绿素a、地笼游泳动物CPUE、刺网游泳动物CPUE和活性硅酸盐4个评价指标标准化方法分别参照各自的标准推导，具体函数如表 5所示。

权重采用层次分析法确定，具体工作通过Yaahp层次分析法软件进行，共分为3步：(1)构造层次结构模型；(2)对各子系统中的指标进行两两比较，确定其重要性并判断矩阵一致性；(3)计算权重。各指标权重如表 6所示。

根据上述各评价因子所确定的权值，利用综合指数法建立人工鱼礁生态健康评价模型。

$ H = \sum {({W_i}{H_i})} {\rm{。}} $

式中：H为生态系统健康综合指数；W_i为第i个因子相对于H的权重；H_i为对应第i个指标的标准化值。

按照以上方法计算得到的生态系统健康指数都位于[0, 1]区间内，指数越接近1，说明健康状况越接近于绝对健康水平；指数越接近0，则说明健康水平越差。根据生态系统健康指数的大小，将其划分为5个等级(见表 7)。

3 结果与分析

基于2012—2013年威海西港人工鱼礁区及对照区4个季度的调查数据，依据所构建生态系统健康评价模型，开展了相应的生态系统健康状况评价与分析，相关结果如表 8所示，所选的16个指标季度监测值与归一化值如表 9所示。

夏季鱼礁区与对照区的健康指数均最高，分别为0.780 8、0.748 5；其次为秋季，两者的健康指数分别为0.761 8、0.715 4；再次为春季，两者的健康指数为0.673 3、0.621 0；冬季两者健康指数均为全年最低，分别为0.559 4、0.535 3。鱼礁区与对照区生态系统在夏季、秋季、春季均处于较健康水平，而在冬季，两者都处于亚健康水平，同一季节鱼礁区与对照区相比，鱼礁区生态健康状况优于对照区。分析调查数据，对鱼礁区及对照区生态系统健康状况进行比较，两者生态系统健康评价指数差异性极显著(P=0.009＜0.01)。

由表 9得知，鱼礁区水质状况略好于对照区，除个别指标处于国家二类标准外，其余指标均达到国家一类标准，水质状况良好。

按照贾晓平等^[21]提出的水平分级标准进行鱼礁区饵料生物量等级划分，实验发现浮游植物在春秋季节属于高水平，夏季为中低水平，冬季浮游植物生物量最少，处于低水平。对照区浮游植物秋季属于中等水平，春季夏季为中低水平，冬季为低水平。鱼礁区及对照区4个季节浮游动物生物量均属于超高水平，仅在夏季，鱼礁区略低于对照区。

生物多样性方面，不同季节鱼礁区浮游植物多样性阈值范围为0.58~1.91，对照区为0.81~2.23，鱼礁区浮游动物多样性阈值范围0.02~1.5，对照区为0.076~1.55。鱼礁区游泳动物多样性范围0.85~2.71，对照区为0.84~1.74。按照生物多样性阈值评价标准评价，鱼礁区、对照区浮游植物、浮游动物与游泳动物生物多样性属于较好以下水平，仅夏季鱼礁区刺网捕获游泳生物处于丰富水平。

叶绿素a除冬季外呈现较高的水平，按照海域富营养化标准^[24]，在春季、夏季和秋季叶绿素a的浓度在正常范围之内，调查海域初级生产力处于正常水平。

4 讨论

本文建立的人工鱼礁区健康评价指标体系包括3个子系统、16个评价指标，与佟飞^[7]存在一定差异，增加了地笼和刺网的CPUE以及叶绿素a指标。地笼和刺网CPUE是评价人工鱼礁集鱼效果的重要参数，张虎^[25]对海州湾人工鱼礁养护效果研究中证明，人工鱼礁的投放对游泳动物的多样性及CPUE均产生积极影响，这与本实验的研究结果一致。叶绿素a是表征海洋系统功能的重要指标之一^[26]，国内已有很多学者通过叶绿素a的含量评估水域初级生产力^[27-29], 所以将叶绿素a加入评价指标体系具有一定的实际意义。应用地笼和刺网CPUE及叶绿素a的目的是使评价结果更具体、全面地体现人工鱼礁生态效果达到的水平。

威海西港人工鱼礁区与对照区冬季健康状况均为亚健康，与其它三季差异明显，其原因主要为：(1)叶绿素a浓度可表征浮游植物现存生物量，是描述水体营养状态的重要参数^[30-31], 叶绿素a含量变化密切受到浮游植物生物量的影响，而影响浮游植物丰度和分布的主要环境因子为海水表面温度^[32]，威海西港海域冬季水温较低，浮游植物生物量处于全年最低水平，进而导致叶绿素a含量较低，与张磊^[6]及杨进^[20]对的研究结果相一致。(2)Sanders等^[33]对人工鱼礁区研究发现，水温是影响鱼类种群结构的最主要环境因子，张虎等^[25]认为冬季人工鱼礁区与对照区渔业资源量均为全年最小。本研究中，冬季鱼礁区与对照区地笼与刺网CPUE均处在全年最低水平，地笼与刺网渔获物多样性阈值也较低，导致两者归一化值低，其原因是威海西港海域并非鱼类越冬场所，入冬后，随着近岸海域水温下降，鱼类向外海洄游越冬，加之冬季该海域饵料生物量减少，鱼类的种类密度降低。

威海西港人工鱼礁区与大亚湾杨梅坑人工鱼礁区相比^[13]，西港人工鱼礁区4个季节的评价得分均小于杨梅坑人工鱼礁区，但得分变化趋势较为一致，均为春季、夏季、秋季大于冬季。大亚湾杨梅坑人工鱼礁区位于广东省，四季海水水温较威海西港人工鱼礁区高，其饵料生物量处于较高的水平，浮游植物与浮游动物较丰富，使得其健康评价得分较高。加之，本文评价活性硅酸盐指标采用的标准是基于浮游植物生长的活性硅酸盐临界浓度，威海西港人工鱼礁区整体硅酸盐浓度较低，使归一化值较低，也导致其综合评价得分较低。此外，游泳动物评价标准采用类比分析方法并参考威海西港人工鱼礁区近年来游泳动物生物量资料，也造成了最终评价得分的差异。

人工鱼礁的投放使海底地貌发生变化，导致鱼礁区海水流速和流向也发生了变化，形成了各种复杂的物理、化学环境，进而引起生物环境的变化^[9]。调查发现，威海西港人工鱼礁区健康状况显著好于对照区，主要是由于鱼礁区基础饵料水平和空间异质性提高^[15]。首先是人工鱼礁形成的上升流将底层的沉积物和营养盐带到上层水域，水中磷酸盐、硅酸盐含量增加，进而浮游生物生物量增大，提高了海域基础饵料水平；其次是人工鱼礁的投放增加了区域的空间复杂性，为鱼类提供了索饵、避敌、繁殖与栖息的场所；再者是鱼礁区西、南侧临近陆地，东侧临近小石岛，流速较对照区为缓、水体滞留时间长。水流流速与浮游生物生物量呈现负相关^[34], 因此水流因素也可能是造成鱼礁区浮游生物生物量及叶绿素a浓度高于对照区的原因之一。因此，通过人工鱼礁建设，可以增加礁区海域生物量，使礁区生态系统稳定性增加，促进礁区生态系统更加健康。

人工鱼礁区生态系统是一个动态系统，其健康状况随环境条件和生物群落结构的变化而发生变化，具有明显的时间效应^[13]，而且生态系统内部存在水平和垂直方向上的空间差异性，导致其健康状况还有尺度效应^[12]。人工鱼礁对海洋环境的影响是一个长期的过程，其中有很多影响机理还不得而知，因此，需要对人工鱼礁投放区进行长期连续的调查与监测，本文仅仅以威海西港人工鱼礁区及对照区的连续4个季度的调查资料为基础，开展了礁区生态系统健康的初步评价，还需要在今后进行更多的研究与完善。

5 结论

本文综合考虑威海西港人工鱼礁区的自然生态状况，从海水水质、群落结构及生态系统功能三方面构建了人工鱼礁生态系统健康评价模型。利用模糊隶属函数和层次分析法，进行各指标标准化(归一化)，并确定相应的权重。基于对威海西港人工鱼礁区及对照区4个季度(2012年9月—2013年7月)海洋生态环境和渔业资源的综合调查，对人工鱼礁区生态系统进行了健康评价。结果表明：

(1) 人工鱼礁区及对照区生态系统健康状况受季节影响显著，生态系统健康综合指数为夏季>秋季>春季>冬季；

(2) 人工鱼礁能够提高礁区的饵料水平及空间异质性，生态综合评价结果优于对照区；

(3) 增加地笼CPUE、刺网CPUE及叶绿素a作为评价指标，可以更全面地反应人工鱼礁生态健康水平。本研究结果对于人工鱼礁区的管理、保护和规划具有参考意义。