海上风电场可以改善沿海水域的结构组成和功能动态

《Global Ecology and Conservation》：Offshore wind farms can enhance the structural composition and functional dynamics of coastal waters

本研究通过Ecopath模型对比中国黄海地区近海风电场（OWF）与邻近控制区，发现OWF区域生物量显著增加（尤其底栖生物和鱼类），碎屑能量占比从38%升至52%，系统吞吐量（TST）提高42%，食物网复杂度（CI、SOI）及成熟度（FCI、FML）指标均优于控制区，表明人工硬结构通过“礁效应”促进生态系统向稳定、复杂且碎屑驱动的状态演变。

　　近年来，随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风电场（OWF）作为一种重要的绿色能源基础设施，正迅速成为沿海生态系统研究的焦点。中国作为全球海上风电开发的领先国家，自2019年起在辽宁庄河海域启动了首个大型海上风电项目，即庄河海上风电场。该项目的建设不仅体现了国家对清洁能源发展的重视，也引发了对海上风电场对周边海洋生态系统影响的广泛讨论。本文通过构建Ecopath模型，分析了庄河海上风电场及其附近对照区的生态系统结构与功能，旨在评估海上风电场对区域生态系统的潜在影响，并为未来海上风电场的可持续发展提供科学依据。

### 生态系统结构的改变

Ecopath模型是一种基于生态系统能量流动和物质循环的定量分析工具，能够有效揭示生态系统中各功能群之间的相互作用及其对整体系统的影响。研究发现，庄河海上风电场的生态系统表现出更高的生物生产力，这主要归因于涡轮基础结构为固着生物提供了新的栖息地。涡轮基础的粗糙表面促进了固着生物的附着和繁殖，使得这些生物在风电场区域的生物量显著增加。例如，蓝贻贝（*Mytilus edulis*）和其共生的其他双壳类生物占据了风电场区域生物量的约49%，这在对照区是不存在的。这种变化不仅增加了固着生物的种类和数量，还吸引了更多以这些生物为食的鱼类和无脊椎动物，从而提高了整个系统的生产力。

在生态系统的结构上，庄河海上风电场的生态网络呈现出更高的复杂性和成熟度。通过分析不同功能群的营养级和生态效率，研究发现风电场区域的营养级普遍高于对照区，尤其是在宏无脊椎动物和鱼类中表现尤为明显。此外，风电场区域的生态效率（EE）指标也显著高于对照区，表明系统内部的能量流动更为高效。这种变化可能与固着生物对生态系统的贡献有关，它们不仅增加了生物多样性，还促进了物质和能量的再循环，从而提高了生态系统的稳定性和复杂性。

### 生态系统功能的增强

从生态系统功能的角度来看，庄河海上风电场的生态系统表现出更强的物质循环能力和更高的能量传递效率。研究显示，风电场区域的总系统通量（TST）比对照区高出42%，这表明风电场对能量流动的促进作用显著。同时，风电场区域的总生产量（TPP）也比对照区高出30%，进一步支持了这一观点。此外，风电场区域的总生物量（TB）和总通量（TT）之间的比率（TB/TT）显示，风电场区域的生态系统处于更成熟的阶段，具有更高的组织性和控制力。

在能量传递效率方面，研究发现风电场区域的能量传递效率（TE）显著高于对照区。特别是从营养级II到III的能量传递效率，风电场区域达到了15.94%，而对照区仅为14.02%。这一差异表明，风电场区域的生态系统在能量流动和物质循环方面更为高效。此外，风电场区域的Finn循环指数（FCI）和Finn平均路径长度（FML）也显著高于对照区，说明系统内部的能量再利用和循环能力更强，这有助于提高生态系统的稳定性和恢复力。

### 人类活动与生态系统的相互作用

海上风电场的建设不仅改变了生态系统的结构和功能，还与周边的人类活动产生了复杂的相互作用。在庄河风电场区域，由于限制商业捕捞，休闲渔业成为主要的捕捞活动。这一变化对生态系统的影响显著，尤其是在高营养级鱼类的捕捞上，休闲渔业提供了更高的捕捞效率，促进了这些鱼类的种群增长。此外，风电场区域的生态效率和生物量增加，可能使得该区域在一定程度上具有类似海洋保护区（MPA）的功能，为商业捕捞目标物种提供庇护。

相比之下，对照区的生态系统受到商业捕捞活动的显著影响，导致目标鱼类的生物量和生产力下降。然而，对照区的生态系统在某些方面仍然表现出较高的成熟度，例如总初级生产力与总呼吸量的比率（TPP/TR）高于风电场区域。这可能与对照区的自然生态结构和较低的人类干扰有关。尽管如此，风电场区域的生态系统在某些关键指标上表现出更高的成熟度和稳定性，表明其在能量流动和物质循环方面具有更强的自我调节能力。

### 生态系统复杂性的提升

Ecopath模型的分析还揭示了海上风电场对生态系统复杂性的影响。研究发现，风电场区域的连接度（CI）和杂食性指数（SOI）均高于对照区，这表明风电场区域的生态系统具有更高的营养级互连性和复杂性。连接度是衡量生态系统复杂性的关键指标，较高的连接度意味着更多的生物间相互作用，从而增强了生态系统的稳定性和适应性。杂食性指数则反映了生态系统中杂食性物种的比例，较高的杂食性指数通常与更复杂的营养级结构相关。

此外，风电场区域的Finn循环指数（FCI）和Finn平均路径长度（FML）均显著高于对照区，这表明系统内部的能量再利用和循环能力更强。这些指标的变化可能与风电场区域的固着生物和其附着的鱼类种群的增加有关，这些生物不仅提高了系统的生物量，还促进了能量的再循环和物质的重新分配。这种能量和物质的再循环机制有助于提高生态系统的效率和稳定性，使其能够更好地应对环境变化和外部压力。

### 生态系统的稳定性与多样性

在生态系统稳定性方面，研究发现风电场区域的香农多样性指数（Shannon diversity index）显著高于对照区。这一结果表明，风电场区域的生态系统具有更高的生物多样性，且生物量在不同功能群之间更为均匀分布。高生物多样性通常与更高的生态系统稳定性相关，因为更多的物种可以提供更广泛的生态功能和更复杂的相互作用网络，从而增强系统的抗干扰能力。

此外，风电场区域的生态系统表现出更高的组织性和控制能力，这体现在其高Ascendency值上。Ascendency是衡量生态系统组织程度和控制能力的指标，较高的Ascendency值表明系统内部的能量流动更为有序，具有更强的自我调节能力。这种组织性可能与固着生物的增加和其对生态系统的贡献有关，它们不仅增加了生物量，还促进了能量的再循环和物质的重新分配。

### 未来研究方向与建议

尽管本研究提供了重要的科学证据，表明海上风电场对生态系统结构和功能的积极影响，但仍存在一些局限性。首先，本研究仅涵盖了风电场建设后的两年时间，而固着生物的群落演替通常需要超过6年才能达到稳定的顶极群落状态。因此，未来的长期监测和评估对于全面理解海上风电场对沿海生态系统的影响至关重要。

其次，海上风电场可能受到气候变化和周边水产养殖活动的累积影响。这些外部压力可能对生态系统的稳定性产生重要影响，因此，未来的生态研究应考虑这些因素，并通过更广泛的时空尺度进行模拟和评估。此外，虽然本研究关注了固着生物和其附着的鱼类种群，但对浮游生物和迁移性鱼类的影响仍需进一步研究。应用Ecospace模型等更先进的生态模拟工具，可以更好地预测这些迁移性生物在风电场区域的时空分布和生态功能。

### 结论

综上所述，庄河海上风电场的建设显著改变了区域生态系统的结构和功能。通过提供新的栖息地，风电场促进了固着生物的增加，从而提高了系统的生产力和复杂性。同时，风电场区域的生态系统表现出更高的成熟度和稳定性，这为未来的海上风电场建设提供了重要的生态学依据。尽管存在一些局限性，但本研究的结果表明，海上风电场在促进生物多样性、提高生态系统功能和增强系统稳定性方面具有积极意义。未来的研究应进一步探讨长期影响和累积效应，并结合更广泛的生态数据，以全面评估海上风电场对沿海生态系统的影响，从而支持可持续的海上风电发展。