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，研究团队基于2022年和2023年采集的生物与环境调查数据，分别构建了海上风电场区及邻近对照区的Ecopath模型。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。混合营养效应分析表明，海上风电场建设后系统从以中上层生态系统为主导转向以底栖生态系统为主导。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。

2 评价方法

2.1 研究区域

研究区域位于庄河海上风电场Ⅱ号海域，占地面积约48 km²，水深在18至25 m之间（平均水深约20 m），共安装60台单桩式风机，每台容量5 MW，总装机容量300 MW（图1）。为评估海上风电场建设的生态效应，在海上风电场以东约6 km处选定一对照区（图1）。海上风电场区同时包含软质底质和硬基质结构（风电桩单桩），而对照区则以软底质为特征。

图1 北黄海庄河海上风电场区与对照区。

2.2 模型构建

2.2.1 模型原理

本研究采用Ecopath模型定量评估海上风电场生态系统的结构与功能变化。该模型假设一个功能组生产或消耗的总量等于该功能组通过捕捞死亡率、捕食、迁徙和生物量积累的总量，用公式表示如下：

其中B_i为功能组i的生物量，P_i为功能组i的生产量，（P/B）_i为功能组i的生产量与生物量比值，（Q/B）_j为功能组j的消耗量与生物量比值，EE_i为功能组i的生态营养转换效率，DC_ij表示饵料i占捕食者j的总捕食物的比例，Y_i是功能组i的总捕捞量，E_i代表净迁徙率（迁出-迁入），BA_i是功能组i的生物量积累量。

BA_i和E_i均被假设为稳定状态（BA_i=0，E_i=0）。一般情况下，可将每一功能组的B_i、Y_i、DC_ij、P/B、Q/B作为模型的输入，而将EE作为模型的输出。所有数据标准化为1年，生物量、生产量和其他能量流动以湿重（t/km²）形式表示。

2.2.2 定义功能组

在海上风电场区模型中，根据风电桩表面调查出现的附着生物划分为风电桩表面紫贻贝、双壳类、甲壳类、多毛类、棘皮类与其他底栖动物。在两区域模型中，根据物种生态和经济的重要性，将许氏平鲉、大泷六线鱼、日本蟳、脉红螺等具有重要经济价值和生态功能的物种划分为单独功能组，其余物种按照生活史特征、食性以及栖息地特征等将其划分为聚合功能组，最终将庄河海上风电场区生态系统定义为26个功能组、对照区定义为19个功能组，基本覆盖了两区域生态系统能量流动的全过程（表1）。

2.2.3 模型参数化

本研究分别在2022年夏季和冬季以及2023年春季和秋季进行调查，海上风电场区与对照区内鱼类和大型无脊椎动物生物量采用采用底拖网在各站位进行拖网作业，利用扫海面积法进行生物量估算。附着生物生物量采用潜水样方法进行估算。浮游动物与浮游植物分别使用浅水II型、III型浮游生物网，自海底至海水表面作垂直拖拽获取样品。浮游植物生物量采用荧光计测定叶绿素a，生物量由叶绿素a浓度（mg/m³）转换获得。碎屑生物量参照线性模型计算。

模型中鱼类的P/B值等于瞬时总死亡率值Z，即捕捞死亡率与自然死亡率之和，Q/B值根据尾鳍外形比的多元回归模型计算，其他功能组P/B、Q/B值参考当地及邻近生态特征相似海域文献获得。功能组鱼类的食物组成数据主要来自胃含物分析，渔获量数据主要来自2023年中国渔业统计年鉴、2023年大连年鉴、2023年庄河年鉴。

2.3 生态系统结构与功能分析

基于生态网络分析指标探讨海上风电场对近海生态系统结构和功能的影响。生态系统结构特征指标包括：营养级（TL）、混合营养效应（Mixed Trophic Impact, MTI）及关键种。MTI用来评价功能组间生物量轻微的增加对另一个群体的生物量的相对直接和间接影响。关键种主要运用Libralato等提出判定理论，将关键类群归因于既具有高整体效果又具有低生物量比例的功能组。

生态系统功能特征指标包括：系统总流量（total system throughput，TST）是用以衡量系统总体规模以及成熟度等系统特征的指标。净系统生产量（net system production，NSP）是总初级生产力与总呼吸量的差值。连接指数（connectance index，CI）和系统杂食指数（system omnivory index，SOI）均是反映系统内部联系复杂程度的指标。Finn’s循环指数（Finn’s cycling index，FCI）指系统中重新进入再循环的营养流总量与系统总流量之比；Finn’s平均路径长度（Finn’s mean path length，FML）指每个循环流经食物链的平均长度。聚合度（A）可反映生态系统的发展状况与成熟度。转移效率（TE）是每个离散营养级进入下一个营养级的总流量的分数。总初级生产量/总呼吸（TPP/TR）描述了系统的成熟度。

3 结果

3.1 海上风电场区和对照区生态系统结构特征对比

3.2.1 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（表1）。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）。蓝点马鲛在海上风电场区的营养级为3.87，对照区为3.80；日本蟳则分别为3.21和3.04，这些物种在海上风电场区的营养级略高于对照区。

在两区域中，超过80%的总生物量集中在营养级低于2.5的生物类群中（包括初级生产者、滤食性生物和植食性动物）。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2），凸显了这些中低营养级类群的生态重要性。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。相比之下，两个区域的软底质生物的生物量均约为12 t/km²（图2）。海上风电场区浮游植物（25.43 t/km²）和碎屑（86 t/km²）的生物量均高于对照区（浮游植物=20.52 t/km²，碎屑=42 t/km²）。

许氏平鲉、大泷六线鱼和蓝点马鲛在海上风电场区的EE值分别为0.18、0.28和0.25，而对照区则为0.13、0.26和0.23。紫贻贝以及风电桩表面附着生物的EE值均超过0.9，反映了它们在营养能量传递中的重要作用。海上风电场区的总平均EE值（0.65）和生物量（7.23 t/km²）比对照区（0.51，5.02 t/km²）高出20%以上（见表1，图2）。

图2. 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（A）中上层鱼类与底层鱼类；（B）软底质与硬底质生物；（C）浮游生物与碎屑。注：对照区未发现硬底质物种。

表6. 北黄海庄河海上风电场区（OWF）与对照区（Control）Ecopath模型输入数据及输出参数汇总表。注：部分功能组仅存在于海上风电场区。

在对生物群落组成、渔业活动、底质类型、利用模式及能量流动态进行全面分析的基础上构建海上风电场区与对照区的生态系统模式图（图3A）。海上风电场区与对照区的食物网结构、捕食者-猎物关系及能量流动情况如图3B所示，在两个区域中，初级生产者和碎屑构成了生态系统的基础能量来源，是系统生产力的主要驱动者。

图3 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。

3.2.2 混合营养效应和关键种分析

混合营养影响（MTI）分析显示，渔业对所有被捕捞功能组均具有消极影响，其中休闲渔业在海上风电场区占主导，而对照区以拖网渔业为主，由于营养级联效应，使渔业对浮游生物及其他无脊椎动物有一定的积极影响（图4）。在海上风电场区，大泷六线鱼受到许氏平鲉的负面影响，浮游动物对风电桩表面附着生物（包括紫贻贝、其他双壳类）产生不利影响。对照区中，许氏平鲉、大泷六线鱼对日本蟳等具有明显的消极影响（图4B），这主要是由于物种群间生态位相近，具有相似的食性，存在饵料竞争关系。。

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），其次是“其他软底质甲壳类”功能组（关键种指数=-0.115，相对总影响=0.872）（图5A）。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），其次是其他底层鱼类（-0.109和0.956）（图5B）。许氏平鲉和大多数高营养级底层鱼类的相对总影响与关键种指数在海上风电场区均高于对照区（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。圆圈大小表示各功能组的相对生物量百分比。

3.3 海上风电场区和对照区生态系统功能特征对比

3.3.1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%。海上风电场区最主要的能量传递效率出现在营养级II和III之间（15.94%），该区域系统的整体能量传递效率为12.62%，其中初级生产者与碎屑的传递效率分别为11.07%、13.54%（表2）。对照区碎屑的最高能量传递效率同样出现在营养级II和III之间（14.02%）。该系统的总能量传递效率为9.72%，其中初级生产者与碎屑贡献的效率分别为9.77%、.62%（表2）。

表2 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。箭头右侧数值（t/km²）反映被下一营养级消耗的能量流，左侧数值为二者之间的传递效率（TE，%）。

3.3.2 生态系统总体特征参数分析

海上风电场区的TST为8406.46 t/km²，比对照区（5883.14 t/km²）高出42%，海上风电场区系统规模更大。海上风电场区的TPP/TR（1.47）低于对照区（1.74）；海上风电场区TPP/TB（40.95）约为对照区（20.56）的两倍，而TB/TST（0.012）在两地相近（表3）。这些结果表明，海上风电场区的生物量虽较低，但系统成熟度处于更高级阶段。海上风电场区渔获物的平均营养级（3.52）高于对照区（3.18）。该指数与渔业总效率值反映了高营养级物种在海上风电场区渔获中的重要性。食物网复杂性在海上风电场区更高，其系统CI（0.282）与SOI（0.231）均高于对照区（分别为0.279和0.215）。海上风电场区的FCI（10.44）与MPL（3.103）也高于对照区（FCI=8.40，MPL=2.692），营养循环水平更高。海上风电场区A（8401 t/km²）高于对照区（5486 t/km²），海上风电场区系统成熟度更高。

与其他海上风电场生态系统相比，庄河海上风电场的TST更高，但低于江苏如东海上风电场（9232 t/km²）（表3）。在TPP/TR、TPP/TB、TB/TST以及NPP等指标上，庄河海上风电场的值处于其他海上风电场系统的中等水平（表3），表明其仍处于相对不成熟的阶段。庄河海上风电场生态系统渔获物的平均营养级（3.52）仅次于加那利群岛的兰萨罗特海上风电场（3.57）。庄河海上风电场的CI（0.282）和SOI（0.231）与塞纳湾海上风电场（CI=0.199）量级相似，但远低于江苏如东海上风电场（CI=0.518），庄河海上风电场各功能组营养相互作用更为复杂。庄河海上风电场的FCI（10.44）在所有海上风电场生态系统中排名第五，营养循环水平相对较低（表3）。

表8 庄河海上风电场及其对照区的生态系统属性基于Ecopath模型的估算结果汇总，并与近海生态系统及其他海上风电场生态系统进行比较。每行最大值以粗体显示。

4 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组件均产生了积极影响。风电桩的引入为固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。

来源：辽宁省海洋牧场工程技术研究中心

大连海洋大学海洋牧场产业研究院 

撰稿人：司立伟

责任编辑：吴忠鑫

审核发布：田涛