养殖容量的基础是水域承载力的计算，传统的养殖容量评估一般是基于营养盐的供应或初级生产力水平，来估算水域可以养殖的藻类或者贝类的生物量(方建光等, 1996)。但养殖容量并未考虑养殖生物的其他生理需求，例如光照、温度、盐度等，而这些条件对于养殖生物是否能够健康快速生长同样重要。养殖适宜性评价通过全面评估生物的环境适应性，来选择最适合养殖的水域，与养殖容量评估互为补充，可以更好地指导养殖规划。

未来水产养殖规划管理将基于生态学方法，平衡社会、经济、环境关系，尽可能缩小各因素间的不利影响(FAO, 2017)。Gentry等(2017)利用生理、异速生长和生长理论的创新方法，对全球海水养殖潜力进行了量化评估，结果显示，中国的养殖产量超过预计潜力，反映出中国已开发大面积的海域发展水产养殖，存在超容量养殖。超高密度的水产养殖会带来不利的环境影响，造成海域使用冲突，并产生高昂的社会经济损失(Ottinger et al, 2016)。因此，为充分利用水域空间和自然生产力，增加养殖产量和生产效率，管理部门和养殖企业都需要对养殖区开展适宜性评价，从而了解水域适合养殖的品种和养殖规模，以便进行合理的空间规划与布局。

水产养殖品种的存活和生长在很大程度上依靠水域自然环境，水文、气候、水化学要素以及初级生产力等自然环境因子是影响养殖品种生长的主要因素。因此，水产养殖适宜性评价以国家政策法规、海洋功能区划和水环境标准为依据，通过养殖生物的生理生态特性、生长所需的环境条件和养殖水域的环境要素进行分析比较，选择适合养殖生物生长的水域，为进行科学的养殖布局提供参考。由于养殖适宜性评价涉及的数据量大，故普遍采用地理信息系统(Geographical information systems, 简称GIS) (Foresman, 1998)的逻辑判断、评价分析和可视化展示功能，进行空间插值和专题图层叠加，对水产养殖区进行适宜性评价分析。在适宜性评价的基础上，通过进一步整合模型运算和环境参数，还可以对特定水域的水产养殖现状及发展前景做出科学合理的评价与预测(刘慧等, 2018)。

1 研究方法 1.1 研究区和数据来源 1.1.1 研究区概况

桑沟湾是位于山东半岛东端的半封闭海湾(37°01'~37°09'N，122°24'~122°35'E)，面积为133.3 km²，桑沟湾及周围爱莲湾和楮岛部分海域总面积约为448 km² (36°58'~37°12'N, 122°23'E~ 122°42') (图 1)。其地理环境优越，海底平坦，水质较好，湾内平均水深为7.5 m，有不规则半日潮(张朝晖等, 2007)。年平均温度为13℃，2月水温最低，月平均温度为1.8℃；8月水温最高，月平均温度为24℃。环境调查发现，桑沟湾内全年海水盐度范围为29~32，太阳辐射强度为75~313 w/m²，平均日照时长为12 h (史洁, 2009)，适宜发展水产养殖。海带(Saccharina japonica)作为当地主要养殖品种，年产量达10万t (干重)(蔡碧莹等, 2019)，且商品化程度高，因此选取海带作为适宜性评价对象。

1.1.2 数据来源

根据海带生长发育的生理需求，选取光照、温度、流速、无机氮、盐度、深度6个环境参数用于养殖适宜性评价。其中，桑沟湾及周围海域地理信息数据由遥感获取(Source: Copernicus Open Access Hub. https://scihub.copernicus.eu/)；流速和水温数据来源于FVCOM模型(Finite volume coastal ocean model)基于动力方程对桑沟湾模拟得到(Xuan et al, 2016)；光照采用养殖海区平均海表光照强度，通过晴雨天数以及每月日照时长计算获得，数据来源于2011年中国气象局荣成市天气预报；无机氮和盐度数据来源于对桑沟湾及周围海域2011年4个季度(4、8、10月、2012年1月)的大面调查。

1.2 评价指标的选择

适宜性评价指标根据海带生理生态学特点，并结合桑沟湾养殖区地理和水环境特点进行筛选。影响海带生长的主要因素有光照、温度、流速、无机氮、盐度、深度。光照对海带生长有重要的影响，光照强弱影响海带光合作用，且光能够刺激大型海藻对营养盐的吸收(Lobban et al, 1994)。深度通过影响海带接受光照，进而影响海带生长，过浅的水深，会限制海带长度的生长。海带生长受温度影响明显，温度超过17.5℃时，海带叶片末梢枯烂率超过其生长率，当温度降低时，长海带(Laminaria longicruris)对NO₃^-的吸收速率降低(Suzuki et al, 2008; Harlin, 1978)；水动力是大型藻类生产的一个关键因素，在其他环境因素不受限时，若大型藻类生长的主流速度持续低于饱和水平，其生产率降低，且较弱的水动力影响营养盐的补充(Leigh et al, 1987; Wheeler, 1980)。无机氮是海带生长所需的主要营养盐，藻类利用氮元素合成自身生长的蛋白质(Lobban et al, 1996)。盐度变化影响海水藻类光合作用同化速率(王宪等, 1991)。这些环境因子的变化对海带生长产生重要的影响，因此，将其作为环境因素的评价指标，并汇总各评价指标对于海带生长的参数范围(表 1)。

1.3 权重计算

不同的环境因子对海带生长的影响程度不同，需要根据各评价指标的重要程度赋予相应的权重。深度作为限制因素，不赋予权重；光照、温度、流速、无机氮、盐度的重要性等级排序参考海带生长动态能量学(Dynamic energy budget, DEB)模型——STELLA模型敏感性分析结果(表 2) (蔡碧莹等, 2019)。DEB模型可描述海带生长与环境参数的关系，模拟结果与实测值拟合度高，可较好地反演海带真实的生长过程(蔡碧莹等, 2019)。通过敏感性分析得出各环境因素对海带生长的影响程度排序，结合层次分析法(AHP) (Saaty, 1977)构造对比矩阵，计算各环境因子的权重(表 4)。

1.4 评分 1.4.1 单因子评分

影响海带生长的环境因子评分采用8分制，1~8分表示环境条件对海带养殖适宜程度由低到高。采用海带生长相关环境参数的强制函数来拟合评分曲线。强制函数表示不同环境因子对海带生长速率的影响，每个环境参数的强制函数均来自下列经验公式：

温度评分曲线采用经验公式温度方程(EPA, 1985)：

$ f\left(T \right) = {\rm{exp}}\left[ { - 2.3{{\left({\frac{{T - {T_{{\rm{opt}}}}}}{{{T_{\rm{x}}} - {T_{{\rm{opt}}}}}}} \right)}^2}} \right] $

(1)

式中，T_x为温度生态幅，T_opt为最适宜温度，当T < T_opt时，T_x=T_min(温度生态幅下限)，当T > T_opt时，T_x=T_max(温度生态幅上限)。

盐度评分曲线采用盐度限制函数(Martins et al, 2002)：

$ f\left(S \right) = {\left({\frac{{S - {S_{{\rm{opt}}}}}}{{{S_{\rm{x}}} - {S_{{\rm{opt}}}}}}} \right)^{\rm{m}}} $

(2)

式中，S_opt为最适盐度，当S < S_opt时，S_x=S_min，m=2.5；当S≥S_opt时，S_x=S_max，m=2。

流速评分方程采用藻类生长模型和水动力模型相耦合的流速曲线(Barr et al, 2008)

$ f\left(v \right) = 20.55 + 7.33{\rm{ln}}v $

(3)

式中，v为流速。

海带对氮的吸收特征符合饱和吸收动力学，因此，无机氮方程采用模拟Monod或Michaelis-Menten动力学方程(Kitadai et al, 2003)：

$ f\left({{C_{\rm{N}}}} \right) = \frac{{{C_{\rm{N}}}}}{{{k_{\rm{c}}} + {C_{\rm{N}}}}} $

(4)

式中，C_N为总氮浓度，k_c为N的半饱和同化系数。

光照评分采用光照限制函数(Steele, 1962)：

$ f\left(I \right) = \frac{I}{{{I_{{\rm{opt}}}}}}{\rm{*}}{{\rm{e}}^{\left({1 - \frac{I}{{{I_{{\rm{opt}}}}}}} \right)}} $

(5)

式中，I为海带表面光强，I_opt为海带光合作用最适光强。

将表 1中的参数值代入到对应的经验公式中得到单因子评分曲线(图 2)，根据曲线得到1~8分中每个分数段对应的参数范围，以此作为海带养殖适宜性评分的依据。深度作为限制因素，深度 < 5 m，分值设置为0；深度 > 5 m，分值设置为1。

将桑沟湾及周围海域光照、温度、流速、无机氮、盐度、深度的实测和模拟数据导入ArcGIS，采用空间插值方法生成各环境参数对应的专题图层。按照评分依据，对各个环境参数的专题图层进行重分类处理，每幅专题图层中，按照评分标准赋予各参数范围对应的分值，生成光照、温度、流速、无机氮、盐度、深度6幅单因子评分图层。

1.4.2 多指标综合评分

水产养殖适宜性评价涉及到多种因素，由于这些因素的重要程度不同，因而不能将指标图层简单地进行叠加。采用线性加权叠加分析(Malczewski, 2000)计算综合适宜性评分，计算公式如下：

$ {A_i} = \sum\limits_j {{w_j}{x_{ij}}} $

式中，A_i为评价对象像元的适宜性分数，w_j为指标的权重，x_ij为像元指标j的分数。

将光照、温度、流速、无机氮、盐度、深度单因子评分图层进行重采样，根据叠加分析，利用ArcGIS栅格计算功能将各单因子评分图层进行叠加，输出4个季度的适宜性评分图层，图层显示，综合各因素后每个季度的适宜性评分(1~8)。将每个季度的适宜性评分重新分类，划分为最适宜、中等适宜、一般适宜和不适宜4个等级(表 3)，不同的适宜性等级表示海带养殖不同的适宜程度。最后，综合4个季度的适宜性评分，进行栅格图层叠加，生成最终适宜性评分图层和适宜性等级图层。

2 结果

海带养殖适宜性评价结果显示，桑沟湾及其周围海域适宜性分数分布在0~6.7范围内，由桑沟湾近岸到离岸较远海域，适宜性分值逐渐增大后减小，评分较高的区域主要分布在北部爱莲湾和楮岛东部海域，适宜性评分较低的区域主要位于近岸海域。适宜性分值主要集中在4~6分，属于中等适宜(298.9 km²)，占研究区总面积的67%，最适宜(103.7 km²)和不适宜(45.4 km²)分别占研究区总面积的23%和10%，没有分值分布在一般适宜(图 3和图 5)。

2011年4个季度适宜性评价结果显示，春季适宜性分值较高的区域呈块状分布，夏季适宜性评分呈阶梯状，评分分值由桑沟湾湾内向湾外方向递增，且分值差距最大，秋季适宜性高分区主要分布在爱莲湾和楮岛东部海域附近，冬季较春、夏、秋季，高分值区向桑沟湾湾内迁移(图 4a)。春、秋和冬季中等适宜海区面积占比重最大，分别占研究区总面积的56%、86%和78%，夏季最适宜海区面积最大，约占研究区总面积的65%，海带养殖期间，4个季节不适宜养殖区面积均为45.4 km²，占研究区总面积的10% (图 4b和图 5)。

适宜性评价结果与现有养殖布局对比显示，养殖区分布密集，养殖筏架主要分布在中等适宜区域，约6 km²的筏架处于不适宜区，19.8 km²的筏架处于最适区。从遥感影像显示，约62.7 km²的最适宜区域并未安置养殖筏架(图 6)。实际养殖中，楮岛东部海域最适宜区域海带长度约为4 m，而楮岛近岸不适宜养殖区的海带长度最多长到3 m。

3 讨论

现有养殖布局(图 6)显示，桑沟湾及其周围海域的养殖已经达到一定的规模，生产面临挑战。通过对海带适宜性评价，确定海带最适宜的养殖区域，以期获得最佳的养殖结果，同时，可缓解现有的养殖压力。适宜性评价关键在于环境因素评分的设定，已有的评分方法多采用经验打分和等间距打分(Radiarta et al, 2008)，使得评分结果主观性较大。Gentry等(2017)利用生理、异速生长和生长理论的方法，以多物种GPI值(Growth performance index)作为一个养殖生长适宜性的评价标准，GPI值由von Bertalanffy生长方程(Froehlich et al, 2016)和具体养殖品种参数求得，高的GPI值视为有更好的生长条件，对水产养殖潜力进行了宏观评估。本研究针对桑沟湾及周围海域具体的养殖品种进行适宜性评价，采用影响海带生长的经验公式作为评分曲线，能较好地反映出海带生长对各环境因素的需求范围，且通过评分曲线，各环境因素实测值都有与之对应的评分，评分结果较为科学。

海带养殖对季节依赖性较强，4个季节适宜性有较大的差异。春季高分区呈块状分布可能由于春季海带生长较快，海区无机氮浓度处于一年当中最低值，因此，高分值区分散在无机氮较为充足的区域。夏季最适宜面积大于春季、秋季和冬季，可能由于夏季降水多，陆源输送使得海区无机氮得到补充，且此时部分海带已收割，海带自身的阻流作用减弱，水交换较好，处于比较适宜的环境状态。秋季适宜性评分较高的区域主要分布在桑沟湾湾外、爱莲湾和楮岛东部海域附近，此时，海表面光强比较平均，相对于湾内，湾外水交换较快，无机氮可得到及时补充，且水温比较适宜，所以更适宜海带生长。冬季适宜性评分较高的区域逐渐向近岸处迁移，数据模拟显示(Xuan et al, 2016)，由于冬季水温较低，靠近湾内水温相对较高，适宜海带生长，且冬季湾外风浪大，风浪搅动水底泥沙，实测数据显示，冬季水体透明度降低，影响海带受光，不适宜海带生长(平仲良, 1993)。

适宜性评价中，采用海带生长DEB模型——STELLA模型进行敏感性分析，结果显示，盐度的敏感度大于温度和无机氮(蔡碧莹等, 2019)。虽然，在养殖环境中，水体盐度发生改变会对海带生长产生较大的影响，但桑沟湾没有大型河流汇入，多年平均降雨量处于中等水平，盐度的年变化较小，基本处于适宜海带生长的盐度范围，且桑沟湾及周围海域盐度强制函数f(S)=0.91~0.96 (蔡碧莹等, 2019)，相较温度和无机氮，盐度对海带生长限制较小。敏感性分析虽未涉及流速参数，但由于水动力影响湾内外水交换和无机氮的输送，水交换带动营养盐补充(史洁等, 2010)，所以，流速较无机氮对海带生长影响更大，此外，温度影响海水流动(冯士筰等, 1999)，因而影响海带生长的环境因子重要性依次为光照 > 温度 > 流速 > 无机氮 > 盐度。

根据实际生产结果，海带养殖适宜性评价结果得到了验证，证明该评价结果较为科学。在北部爱莲湾海域，浅水区水温较高，水温升高导致海带腐烂，海带长度最多长到3 m；位于最适宜海区海带长度可达4 m左右。楮岛近岸海域周围(水深 < 5 m的红色区域)，由于受到水深限制，海带长度 < 3m，达不到一般正常尺寸(4 m)，不适宜安排海带养殖。对于湾外水深超过30 m的区域，虽然，从适宜性评价结果上属于最适宜或中等适宜，但实际海带养殖方面，由于风浪较大，养殖设施损失较大，从经济利益角度考虑并不适宜安排海带养殖。楮岛东部海域附近有大面积的海域属于最适宜养殖，但该区域养殖筏架主要集中在近岸，离岸较近海域养殖易受沿岸人类活动影响，因此，可适当将海带养殖筏架后移。

4 结论

本研究通过适宜性评价对桑沟湾及周围海域海带养殖的适宜性进行了评分，划分出不同的适宜性等级。结果表明，适宜性评分较高的区域位于爱莲湾及楮岛东部海域周围，评分较低的区域分布在近岸水深较浅的区域(水深 < 5 m)。评价结果显示了桑沟湾及周围海域海带养殖区适宜性分布，可根据适宜性评价结果调整现有的养殖布局，将海带养殖区优先安排在海带生长最适宜区或适宜性评分较高的海区。

GIS作为有效的适宜性评价工具，可将海域时间和空间上非连续的环境参数，可视化的反映其空间分布特征，并简化数据计算和多图层叠加过程，增加了评价结果的精确性和科学性。对于一片养殖水域进行适宜性评价，需要综合考虑养殖过程涉及到的各个方面，例如养殖品种的生长状况、养殖活动对生态环境的影响、养殖产量及利润的评估，养殖风险的预测分析等。这些模型的结合使水产养殖适宜性综合评价更为全面，所呈现出的评价结果更科学合理，可对养殖场选址提出建议，为决策者和利益相关者提供参考，有助于我国开展基于生态系统的水产养殖空间规划以及可持续的水产养殖管理工作。