综述：将生态系统技术整合到沿海和海洋基础设施中：生物多样性评估及用于比较分析的方法

《Frontiers in Climate》：Integrating ecosystem technology into coastal and marine infrastructure: biodiversity assessments and methodologies for comparative analyses

海洋灰色基础设施绿化（GTG）生态效益评估方法研究。针对GTG生态效益评估方法不统一及知识空白问题，本研究提出基于控制站点选择、整合计数与覆盖数据的占用率方法，结合覆盖度稀释法标准化采样努力，并以西班牙Vigo港案例验证其有效性，为可持续海洋基建提供可扩展的方法论支持。

　　在当前全球环境变化和城市化加速的背景下，将“绿化灰色”（Greening the Gray, GTG）技术融入海洋基础设施，已成为推动生态可持续发展的重要策略。GTG技术的核心理念是通过在人工建造的环境中引入自然元素，增强生物多样性并提升生态系统服务功能。然而，尽管这一理念具有前瞻性，其在实际应用中的生态效益评估仍面临诸多挑战。这些问题不仅影响了技术推广的效率，也限制了生态科学在海洋基础设施领域的深入发展。本文旨在探讨如何通过科学的方法论构建统一的生物多样性评估框架，从而为GTG技术的应用提供可靠的依据，并推动国际间的合作与政策制定。

### 1. GTG技术的生态意义与挑战

GTG技术的应用，尤其是针对海洋基础设施的改进，代表了一种兼顾工程功能与生态效益的综合解决方案。随着沿海城市化进程的加快，许多自然海岸线被人工结构取代，如防波堤、海堤和人工岛等。这些结构虽然在防洪、交通和资源开发方面具有重要价值，但往往对海洋生态系统的完整性造成破坏。因此，如何在这些基础设施中融入自然元素，使其成为生态友好的“绿色基础设施”，成为生态学与工程学交叉研究的热点。

生物多样性是评估生态系统健康和功能的重要指标。然而，在评估GTG技术的生态效益时，存在方法不统一、数据难以对比等问题。例如，不同研究可能采用不同的采样方法、样本数量和分析工具，导致结果缺乏可比性。此外，由于海洋基础设施的多样性和复杂性，单一的评估指标可能无法全面反映生态系统的动态变化。因此，建立一套标准化、可操作的生物多样性评估方法，成为推动GTG技术科学应用的关键。

### 2. 方法论的构建：控制组选择与数据整合

在生态评估中，控制组的选择至关重要。控制组作为基准，用于衡量GTG技术的实际效果。然而，许多研究在选择控制组时缺乏系统性，导致比较结果失真。例如，如果控制组与实验组在地理位置、环境条件或人类活动影响方面存在显著差异，那么评估结果可能无法准确反映GTG技术的影响。

为了克服这一问题，本文提出了一种基于“随机对照-干预”（Randomized Control-Impact, R-CI）方法的控制组选择策略。该方法通过随机分配实验组和对照组，确保两者在环境条件和人类活动压力方面具有相似性，从而减少干扰因素。这种策略不仅提高了评估的科学性，还为政策制定者提供了清晰的决策依据。

此外，本文强调了整合不同数据类型的重要性。传统的生物多样性评估方法通常将数据分为“计数数据”和“覆盖数据”，分别用于记录单个生物体的数量和群体的覆盖范围。然而，这种分类方式可能导致数据的片面性，难以全面反映生态系统的复杂性。因此，建议采用“占用率”（occupancy）方法，将两种数据类型整合到同一框架下。占用率方法通过将采样单元（如样方）划分为更小的网格，并记录每个网格内物种的出现或缺失情况，从而提供更全面的生态信息。

### 3. 标准化采样努力：覆盖率稀释法的应用

生物多样性评估不仅受到采样方法的影响，还与采样努力密切相关。采样努力不足可能导致低估物种多样性，而过度采样则可能引入冗余信息，增加分析成本。因此，如何在不同采样努力下获得一致的评估结果，成为方法论构建的核心问题。

本文提出采用基于覆盖率的稀释法（coverage-based rarefaction）来解决这一问题。该方法通过计算样本覆盖率（即样本中已记录物种占总物种的比例）来调整采样努力的影响，从而确保不同样本之间的可比性。覆盖率稀释法的优势在于，它能够提供标准化的多样性估计，使得即使在不同采样规模下，也能准确比较GTG结构与对照结构的生态效益。

在实际应用中，覆盖率稀释法可以通过软件工具（如R语言中的iNEXT.4steps包）进行高效分析。该工具不仅能够估算物种多样性，还能绘制覆盖率曲线，帮助研究者直观地理解采样深度与多样性之间的关系。通过这种方式，研究者可以在不同覆盖率水平下评估GTG技术的效果，避免因采样规模差异导致的误解。

### 4. 案例研究：西班牙Vigo港的GTG基础设施评估

为了验证所提出的方法论，本文选取了西班牙Vigo港的GTG基础设施项目作为案例研究。该项目采用了两种不同的自然融合型海堤结构：一种是“红树林”型海堤（面积210平方米），另一种是“Azuri”型海堤（面积120平方米），并分别设定了对照组。研究团队在海堤建设前进行了基线调查，以评估原有生境中的固着生物群落。随后，在海堤建成后，每隔3个月对实验组和对照组进行一次监测，持续一年。

在数据采集过程中，研究团队使用了数字化摄影样方技术，将每个样方划分为5厘米×5厘米的小单元，并记录每个单元内物种的出现情况。这种方法不仅提高了数据的准确性，还确保了不同样方之间的可比性。通过整合计数数据和覆盖数据，研究团队能够更全面地评估GTG海堤的生态效益。

研究结果表明，采用基于覆盖率的稀释法可以有效减少因采样努力不同而导致的偏差。例如，在覆盖率较低的情况下，实验组与对照组的物种丰富度差异可能被夸大，而在覆盖率较高时，差异则趋于稳定。这种标准化的评估方法使得研究者能够在不同时间点和不同地点对GTG技术的效果进行横向和纵向比较，从而为技术优化和政策制定提供科学依据。

### 5. 方法论的意义与应用前景

本文提出的方法论不仅适用于GTG技术的评估，还具有广泛的适用性。通过合理选择控制组、整合计数和覆盖数据、以及采用基于覆盖率的稀释法，研究者可以在不同类型的海洋基础设施（如防波堤、人工岛、码头桩柱等）中建立统一的评估框架。这种框架有助于政策制定者制定更加科学的监管标准，确保GTG技术的应用符合生态可持续发展的要求。

此外，本文的方法论也为国际间的合作提供了基础。随着全球对海洋生态保护的重视，不同国家和地区在GTG技术的应用上可能存在差异。通过建立统一的评估标准，可以促进各国在生态监测、数据共享和政策协调方面的合作，推动全球范围内的生态友好型基础设施建设。

### 6. 方法论的局限性与未来方向

尽管本文提出的方法论在理论上具有优势，但在实际应用中仍需考虑一些局限性。首先，不同地区的生态环境可能存在显著差异，这可能影响方法的普适性。例如，热带和温带地区的物种组成和生态功能可能有所不同，因此需要在不同地区进行本地化调整。其次，GTG技术的应用可能受到经济成本和工程可行性的影响，如何在保证生态效益的同时降低实施成本，是未来需要解决的问题。

未来的研究可以进一步探索如何在不同生态系统中优化控制组选择策略，以及如何提高基于覆盖率的稀释法在实际监测中的应用效率。此外，随着人工智能技术的发展，自动化物种识别和计数工具的应用将有助于提高数据采集的准确性和效率，从而为生态评估提供更强大的技术支持。

### 7. 政策与实践的结合

在政策层面，建立统一的GTG技术评估标准对于推动可持续发展至关重要。例如，欧盟的《海洋战略框架指令》（Marine Strategy Framework Directive, MSFD）和联合国的《可持续发展目标14》（SDG14）都强调了海洋生态系统的保护与恢复。通过将本文提出的方法论纳入这些政策框架，可以确保GTG技术的应用符合国际标准，并为政策制定者提供科学依据。

在实践层面，研究者和工程师需要密切合作，确保评估方法的科学性和可操作性。例如，在设计GTG基础设施时，应充分考虑生态功能的实现，而不仅仅是工程需求。此外，公众参与也是推动GTG技术应用的重要因素。通过提高公众对生态友好型基础设施的认识，可以增强社会对GTG技术的支持，从而促进其在更广泛范围内的应用。

### 8. 结语

综上所述，GTG技术在海洋基础设施中的应用具有重要的生态意义，但其评估方法仍需进一步优化。通过合理选择控制组、整合计数和覆盖数据、以及采用基于覆盖率的稀释法，可以建立更加科学和统一的评估框架，为GTG技术的推广和政策制定提供可靠依据。这一方法论不仅有助于提高生态评估的准确性，还能够促进国际间的合作，推动全球范围内的可持续发展。未来的研究和实践应继续探索如何在不同生态系统中优化评估方法，并结合人工智能等先进技术，提高评估的效率和精度。通过这些努力，GTG技术有望成为海洋基础设施可持续发展的重要工具，为全球生态环境的改善贡献力量。