多证据链框架量化离岸基础设施生态系统功能与连通性：钻井平台转人工鱼礁（rigs-to-reefs）视角

《Frontiers in Marine Science》：Multiple lines of evidence framework for quantifying ecosystem function and connectivity of offshore infrastructure: a rigs-to-reefs perspective

　　

退役海上油气基础设施（包括数千个即将结束运营寿命的平台导管架及相关结构）是一项重大的当代挑战。然而，相关决策仍受制于碎片化、高度异质且偶发性的监测，这些监测很少量化生态系统功能或连通性。关于完全移除与生境保留及人工鱼礁创建之间存在长期争论，主要原因是目前尚不清楚离岸基础设施是否以及在何种条件下会产生新的生物量，抑或仅仅是聚集现有生物体。这一不确定性限制了研究人员评估生境价值以及预判不同退役情景下生态与社会经济后果的能力。研究人员提出一个多证据链（Multiple Lines of Evidence，MLE）框架，用于量化与离岸基础设施（重点关注油气基础设施）相关的生态功能和连通性。研究人员借鉴不同研究领域的经验，提供了一个整合并运作一系列传统与新兴方法（包括视频、环境DNA、营养分析、运动追踪、化学与遗传标记以及生物物理建模）的框架。每种方法在不同时空尺度上提供互补性指标，从而实现对连通性、生产力和生态系统功能的机理性评估。通过将关键生态学问题（如生产、吸引、营养增强、源–汇动态）与恰当的方法和可量化指标明确关联，该框架为定量化、情境特定的决策提供了协调一致且透明的基础。该框架不仅高度适用于油气基础设施，也广泛适用于离岸基础设施及生境增强计划，可最大化生态功能、渔业生产力和生物多样性恢复。

论文解读：多证据链框架量化离岸油气基础设施生态功能与连通性及其退役决策应用

**一、研究背景与科学问题**

随着全球大量海上油气（Oil and Gas, O&G）平台导管架及相关结构陆续接近运营寿命终点，退役问题已成为当代海洋管理面临的重大挑战。退役决策长期处于两难境地：完全移除假设生态系统能够恢复至先前状态，但大规模移除带来的温室气体排放、纳税人的经济成本等影响常被忽视；而支持平台转人工鱼礁（rigs-to-reefs, R2R）的观点则认为，退役设施可为天然 reefs 稀少、破碎化或退化区域提供宝贵的硬质基质，从而支持局部生态系统并增强补充、连通性、生物多样性和生物量。然而，这些被感知的益处究竟反映了承载力和生产的真实增长，还是仅代表现有生物量的短期局部聚集（即“生产 vs 吸引”之争），一直缺乏定量证据。此外，现有监测手段碎片化、高度异质且多为偶发性，极少量化生态系统功能或连通性，制约了研究人员评估生境价值并预测不同退役情景生态与社会经济后果的能力。因此，亟需建立一套连贯、基于证据的方法框架，以支撑退役决策，判断移除或保留（转礁）何者能最大化长期生态效益。

**二、研究目标与框架构建**

针对上述问题，研究人员提出了一个多证据链（Multiple Lines of Evidence, MLE）框架，旨在量化与O&G基础设施相关的生态功能和连通性。该框架借鉴渔业科学、海洋公园规划、生态修复等多领域经验，整合传统与新兴方法，包括视频与立体视频评估、环境DNA（environmental DNA, eDNA）、营养分析（胃含物、稳定同位素、脂肪酸）、运动追踪（生物遥测与标记）、化学与遗传天然标记，以及生物物理建模。每种方法在不同时空尺度提供互补性指标，从而对连通性、生产力和生态功能形成机理性认知。框架将关键生态学问题（如生产 vs 吸引、营养增强、源–汇动态）与适当方法和可测指标明确关联，为量化、情境特定的退役决策提供协调透明的基础。该研究发表在《Frontiers in Marine Science》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员整合了以下主要方法体系：（1）视频与立体视频（含遥控潜水器（ROV）、自主水下航行器（AUV）、诱饵式遥控水下视频系统（BRUV））用于物种存在、丰度、体长、生物量和群落结构评估；（2）eDNA宏条形码技术用于物种多样性检测；（3）功能生态学与食物网分析方法，包括初级生产力测定、浮游动物采样、肠胃内容物分析、稳定同位素比值（δ¹³C、δ¹⁵N）和脂肪酸分析；（4）生物遥测、标记与追踪技术用于个体移动和栖息地利用研究；（5）化学天然标签（耳石元素化学、稳定同位素）用于重建生活史运动轨迹；（6）遗传标记（单核苷酸多态性SNPs、亲子鉴定和分配检验）用于基因流和种群结构评估；（7）生物物理模型（水动力模型耦合个体模型IBM）用于模拟幼虫扩散路径。各方法各具优势，可覆盖从个体到生态系统层面、从小时到数年、从米到数千公里的时空尺度。

**四、研究结果**

**4.1 生境的生态功能（Ecological function of habitat）**

**4.1.1 物理存在、群落结构与生物多样性**

视频与立体视频评估方法可有效记录O&G基础设施相关的物种存在、丰度、体长、生物量和群落组成，其中立体相机可精确测量体型从而估算生产力。eDNA宏条形码则可检测包括微生物、小型底栖动物和隐蔽种在内的广泛物种，弥补视频方法对隐蔽种和稀有种的低估问题。研究人员指出，联合运用这两种互补方法可显著提升物种检测的全面性，并建议采用标准化操作规程和数据共享平台（如GlobalArchive、GBIF、MINKA）以确保跨研究可比性和长期数据可获取性。

**4.1.2 功能生态学与食物网结构**

该部分评估了初级生产、浮游动物、无脊椎动物和鱼类以及海洋哺乳动物四个层面。人工鱼礁可通过扰动水动力将富含营养的水体从无光层抬升至透光层，从而增强初级生产力，浮游植物和浮游动物浓度可分别提高50倍和2倍以上。浮游动物作为能量从初级生产者向更高营养级传递的关键环节，其在人工鱼礁周边的聚集支撑了浮游动物食性鱼类的丰度。大型O&G导管架具有较高的垂直起伏度，为多种鱼类提供产卵和庇护生境，可促进局部生物量和次级生产。海洋哺乳动物（如港海豹、灰海豹、鲸鲨）被追踪发现利用海底管道、平台等结构作为觅食地和迁徙踏脚石。但研究人员同时强调，长期监测数据（超过5年）的缺乏限制了对食物网稳定化和生态演替过程的深入理解。

**4.2 连通性（Connectivity）**

连通性被定义为基因、生物量、营养物、资源或颗粒的流动。研究人员围绕四大互补的证据流展开评述：

**4.2.1 生物遥测、追踪与标记**

声学遥测、卫星标签和档案标签可提供个体水平移动数据，揭示栖息地利用、位点保真度、觅食路径及迁徙廊道与O&G结构的交互方式。例如，红鲷鱼（*Lutjanus campechanus*）的位点保真度研究为确定O&G结构移除的最佳时机提供了依据；鲸鲨对两个O&G结构的差异化利用则揭示了不同水平的海上保护区连通性。

**4.2.2 化学天然标记**

耳石元素化学、稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）和脂肪酸等化学标记可重建个体完整生活史的运动和资源利用。耳石化学分析已成功区分不同O&G结构和人工鱼礁的鱼类来源（如墨西哥湾研究成功率85%），并可量化出生地与成体种群之间的贡献关系。稳定同位素分析能区分生物体依赖局部O&G食物网（生产）还是主要在别处觅食（吸引），直接服务于“生产 vs 吸引”假说的检验。

**4.2.3 遗传天然标记**

高通量测序和单核苷酸多态性（SNPs）标记可评估O&G结构是否与邻近生境相连通、是否充当中转踏脚石或对跨代补充有贡献。亲子鉴定和分配检验可追溯个体的出生地来源和迁移。已有研究发现，北海贻贝种群中O&G平台充当踏脚石但缺乏遗传结构分化，而墨西哥湾珊瑚则表现出随距天然礁距离增加而增强的遗传分化。研究人员指出现有研究尚未运用现代SNP方法，有必要重新审视这些问题。

**4.2.4 生物物理模型估算**

生物物理模型耦合水动力模型和物种特异性生活史参数（如产卵时间、浮力、浮游幼体持续时间和垂直行为），可模拟和量化幼虫扩散路径、源–汇动态和踏脚石连通性。已有模型研究表明，北海约60%的结构通过幼虫扩散相互连接，而单一世代濒危珊瑚幼虫从O&G结构释放可增强海洋保护区等天然栖息地之间的连通性。模型还揭示了非本地苔藓虫在离岸设施和邻近礁区之间扩散的入侵风险。

**五、多证据链框架的整合与讨论**

MLE框架的核心优势在于通过系统性评估过程综合多条独立证据线的支撑强度，弥补单一方法的固有局限，减少偏差并提高结论可靠性。研究团队强调：各证据类型应在研究开始前即明确定义，预设支持和反对结论的判定标准；证据可依据重要性加权；监测设计应围绕管理问题和生态终点展开，涵盖部署前或退役前基线、邻近参考生境、重复采样和多年尺度跟踪；标准化方法和数据共享（遵循FAIR数据原则）是跨区域比较和一般性规律提炼的前提。该框架将研究重点（如生产 vs 吸引、连通性、生态系统功能与复杂性、环境状况和风险评估）与合适证据类型和量化指标明确对应，支持定量、情境特定的决策。

**六、结论**

海洋空间规划中公认的难题是确保其涵盖连通性、生态功能及其相互作用——对O&G及其他海上基础设施而言尤为如此。这些过程很少能由单一证据类型完全解析，而需整合空间格局、生物群落、功能角色和物理过程。本文综合的方法体系在不同时空尺度提供互补性指标，常将移动数据与物种相互作用和内部状态测量联系起来。通过整合这些方法，MLE框架将能够评估离岸基础设施如何在更广阔海景中充当生态节点——而非孤立的工业设施。理解结构改变功能生态学和连通性的指导原则与机制，不仅可为离岸基础设施的布设和退役决策提供指引，也可支撑人工鱼礁建设、生态工程和生态修复实践。随着退役时间表日益紧迫，本框架为将连通性和生态系统功能指标转化为决策相关信息提供了可操作路径。