DUCKS | 日本放射核废水排放对地球（海洋）生态系统服务功能的影响评估 - 海洋生态系统服务评估

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二环鸭鸭DUCKS栏目成立于2023年9月28日，致力于为同学们提供一个科普环境知识、讨论热点问题、发起环境行动、分享学习体会的平台。DUCKS可拆分为Discuss, Unite, Collaborate, Knowlege, Science，体现了我们的主旨；亦可拆分为Dauntless, Useful, Creative, Knowledgeable, Serious，表现了我们的追求。

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日本放射废水排放对地球生态系统

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服务功能的影响与应对对策

张嘉睿

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一、放射废水排放事件始末

2011年3月11日，日本东北部太平洋海域发生9.0级大地震，地震发生时，福岛第一核电站按设计自动停堆，但46分钟后，地震次生海啸越过核电站防波堤，涌入电厂，核电站备用电源报废，冷却系统停止工作。之后，反应堆迅速升温，导致1~3号机组发生堆芯熔化。后几日，1、3、4号机组相继发生爆炸。

核反应堆堆芯融化后，为防止其进一步熔化，核电站引入海水对堆芯碎片进行冷却，这种冷却水流经反应堆内部，会携带反应堆内各种放射性元素；同时，除了为此目的泵入的水之外，地下水也从周围环境渗入该场址，雨水则落入受损反应堆和涡轮机厂房，当水接触到熔化燃料、燃料碎片和其他放射性物质时，就会被污染。尽管日本政府采取了许多措施防止地下水等受到放射性物质污染，如在地下制造冻土墙以及有关排水系统等，但直到今天废弃核电站还在持续产生核污染水。

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在核泄漏事故最初发生的一段时间，东京电力公司（以下简称“东电”）利用海水冷却熔化堆芯。2011年5月朝日新闻社发布的报道《东电陷入困境：如何处理巨量核废水？》显示，彼时东电需要处理近90000吨的放射性废水，并且这个数目会随着时间的推移不断增长。报道称工作人员发现在当年的4月2日大量的核废水通过储存池的一个裂缝涌入海洋；同时，4月4日至10日，为了给更多的核废水腾出空间，东电向海洋中排放了近10000吨低辐射等级的废水。2013年7月22日，东电向社会承认在一段时间内核污染水已经被排放入海，日本政府表示每天有近300吨的核废水在排放入海。同时，国际原子能机构的一份报告显示，在事故期间每天有近400吨的水流入受损反应堆的地下室，这些水很有可能进一步流入海洋，也是核污染的重要一部分。

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图 1核废水处理流程

之后，东京电力公司开始将受污染的水泵入储存单元，并用先进液体处理系统（ALPS）处理，以消除大部分放射性核素。ALPS系统可以有效降低核废水中除氚元素以外其他放射性物质的浓度，使其满足法定排放标准（除氚元素以外的其他放射性物质浓度总量不超过1）。处理后的水储存在核电站场址中，处理水包括除锶水（Sr removed water）和ALPS处理水等（ALPS treated water, etc.）两种，除锶水是指水中的Cs元素和Sr元素被除去，ALPS处理水是指去除了除氚之外的其他放射性核素的除锶水。目前东电采用1046个1000立方米容量的贮水池储存ALPS处理水，已有超过一万吨的“处理水”被储存。

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2021年，“东日本大震灾”10周年，日本政府提出核污水排海为“不能推迟”的课题，同年4月，日本内阁召开会议正式宣布把经稀释和过滤的核污水排放至海洋。日本政府表示，这些“处理水”即将耗尽存储空间，除了排海之外别无选择。2023年8月24日，排海计划正式启动，当地时间24日13时至25日0时，核污水排放量为183立方米，预计2023年内将排放3万立方米核污水，占总排放量的2%。

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图 2 日本排海计划设施及放射性监测点位

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（红色方框内）

根据日本东京电力公司公布的数据，处理水中氚元素的浓度为大约620000Bq/L（贝克勒尔每升），总氚含量约为780万亿贝克勒尔（对应纯氚水约为15g）。氚是一种半衰期为12.3年的氢放射性同位素，极难去除。氚释放低能量的β粒子，对健康会产生适度的风险。日本政府的计划是将处理水稀释至氚浓度达到日本饮用水允许的四十分之一，然后排海。

日本东电公司在官网上公布了每天的放射性监测报告，包括大气、海水、处理水样品、排海管道中的水样、地下水样品等。我们主要关注处理水样品，也即在稀释和排放前的，经过ALPS系统处理后的核污染水中放射性核素等物质的浓度。根据目前官网上的最新数据，检测结果被分为四类：29种测量、评估对象核素，氚，39种经确认没有显著存在的核素和一般水质分析。29种测量、评估对象核素的告示浓度比总和为0.25，其中14C核素的检测值为12~13Bq/L，129I的浓度为1.8Bq/L；氚的放射性浓度为Bq/L。根据10月3日在放水竖井（上游水箱）中采集样品的检测结果，稀释后水中的氚元素浓度为63~87Bq/L，低于1500Bq/L。

同时，国际原子能机构在排海计划进行的过程中一直提供着处理水排放的实时数据，包括水的流速和放射性监测等。官网上显示，IAEA实时监测了处理水运输过程中的放射性、运输流量、稀释后的放射性、放水竖井内水的放射性以及排海口附近海水的放射性。根据今年10月5日凌晨的数据，排海口附近海水的放射性为7.3CPS（Couts per second，一种监测固定源放射性强度的综合检测手段）。

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二、生态系统服务功能影响分析

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生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成的及所维持的人类赖以生存的自然环境与效用。根据千年生态系统评估（简称MA）工作，生态系统的服务功能被分为了四个方面：产品提供功能，调节功能，文化功能和支持功能。产品提供功能是指生态系统生产或提供的产品；调节功能是指调节人类生态环境的生态服务功能；文化功能是人们通过精神感受、知识获取等从生态系统中获得的非物质利益；支持功能则是保证其他所有生态系统服务功能提供所必需的基础功能。

日本核废水排海事件中，海洋生态系统首当其冲，因此本文主要对海洋生态系统的服务功能受到的影响进行分析，并根据一定的生态系统服务功能价值评价方法计算核废水排海对日本周边乃至全球的海洋生态系统造成的具体损失。

海洋生态系统具有许多不同于其他生态系统的特点：海洋生态系统是地球上最大的水生生态系统，覆盖了地球表面70%以上。海洋生态系统可以根据水深和海岸线特征分为许多区域，如海洋区、底栖区、潮间带等。海洋生态系统覆盖面积大，结构复杂，流动性强，对其他生态系统影响较大。海洋生态系统的这些特点也使得对其的服务功能评估造成了一些困难，如空间明确信息的缺失、动态环境评估的困难等。

根据千年生态系统评估报告，海洋生态系统可以再分为两种：大洋生态系统（Marine）和海岸带生态系统（Coastal）。大洋系统主要受渔业的影响，具体定义是海水深度高于50米的海洋；海岸带生态系统是海洋与陆地的交界位置，主要是沿海内陆、大陆架等受海洋影响的陆地，包括珊瑚礁、潮间带、临海水产养殖等。

首先我们来定性分析日本核废水排海对海洋生态系统服务功能的影响。海洋生态系统的服务功能评估从远近维度分可以按照海岸带、近海和远洋生态系统进行分类研究。

（一）海岸带生态系统

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海岸带生态系统的服务功能研究集中在海滨生态系统、滨海湿地生态系统和红树林生态系统。根据研究，这些生态系统的服务功能包括文化服务（娱乐旅游、文化艺术、科研等）、供给服务（渔业和原材料等）、调节服务（气候调节、固碳、废物处理等）。

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那么日本放射废水排海可能对海岸带生态系统的服务功能造成哪些影响呢？首先，公众出于对放射性核素的恐惧心理，前往海滨旅行娱乐的意愿可能会显著减少；海洋生物受到核素放射性的影响，数量可能会减少，这也会影响人们到海滨游玩的意愿；某些科学研究也有可能受到放射性元素的影响。这使得生态系统的文化服务功能受到损失。至于渔业生产，也会因为核废水的排放而受到极大的影响。而在海岸带生态系统的调节服务和支持服务中发挥重要作用的植物和微生物，其生存也有可能受到放射性元素的影响，进而导致生态系统的调节功能和支持功能受到影响。

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（二）近海生态系统

近海生态系统服务价值的研究主要关注非冷水珊瑚礁生态系统。珊瑚礁生态系统能够为人类提供丰富的产品和服务，包括渔业生产的供给服务、旅游观光的文化服务和海岸带保护的调节服务。例如，2022年有研究估算了印度尼西亚巴厘岛西布莱伦自然保护区内珊瑚礁生态系统服务功能的总经济价值。珊瑚礁能保护陆地地区免受沿海磨损或风暴潮的影响，如果没有珊瑚礁，则需要建造屏障结构来保护海滨，就会增加成本；珊瑚礁有效的增加了海洋生态系统的生物多样性……根据多种价值评估，最终得出WBCZ（West Buleleng Conservation Zone）珊瑚礁生态系统的经济价值约为12114408美元/年。

但2023年有关研究利用欧盟ERICA模型开展有关放射性核素对近海珊瑚的辐射剂量评估，定量揭示了珊瑚岛礁系统中人工放射性核素的富集特征，说明人工放射性核素不会对珊瑚虫种群产生显著的电离辐射危害，因此近海生态系统的服务功能受到日本放射性核废水的影响较小。

（三）远洋生态系统

远洋生态系统服务价值主要在冷水珊瑚礁生态系统和远洋渔业资源，远洋生态系统除了提供渔业捕捞资源、营养物质循环等，并没有展现出其他显著影响人类福利的联系。Galparsoro等使用生态模型对欧洲北大西洋62个远洋生态系统样本海域的服务价值进行了评估，发现远洋生态系统主要提供了食品供给和基于生境提供的生物多样性维持服务。

福岛核废水处理后的水中存在较高浓度的14C，其生物富集因子高达，可以进一步被生物富集吸收进入细胞中，并对海洋生物造成辐射损伤。同时，放射性核废水中除了14C、氚等元素，还有106Ru, 60Co, 90Sr等更危险的同位素，这些核素在大洋中的迁移等行为与氚等核素不同，也更容易进入海洋生物圈和沉积层，这些核素对海洋生态系统的影响都是潜在且并未经过成熟的研究的，贸然排海非常容易对海洋生态系统造成不可预料的风险。

三、生态系统受损服务功能计算

生态系统服务价值评估方法可以分为市场价值法、替代市场价值法和假想市场价值法三类。

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市场价值法用来评估人类具有可获得性和支付意愿的生态系统服务的价值，是对具有市场价值的生态系统服务通过市场价格进行价值评估。这种评估结果客观且争议较少，但缺点是适用范围较小。市场价值法包括费用支出法、生产成本法和生境等价法等。替代市场价值法是通过替代品的真实市场价值或能量属性，考察关联人的市场真实行为间接推断其对生态属性的异质性偏好，进而估计生态服务的经济价值，主要有影子价格法、机会成本法、防护费用法等。假想市场价值法是对没有市场交易和实际市场价格的生态系统产品和服务，只有人为地构造假想市场来衡量生态系统服务和环境资源的价值，主要有条件价值法、选择实验法等方法。

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表格 1 评估方法优缺点

不同的估算方法有不同的适用范围及其优劣，下表1中列出了一些主要计算方法的具体情况，在计算时，我们往往使用多种评估方法计算同一生态系统的服务功能价值，根据海洋生态系统各个服务功能的特点，我们在表2中列出了将要计算的各项服务及我们所选择的对应评估方法。其中生态系统的具体服务参照了Costanza等人（1997）关于全球生态系统服务与自然资本价值估算的研究工作。

表格 2 海洋生态系统服务功能损失类别

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及相应评估方法

（一）食品生产价值损失

食品生产服务主要是指人们利用海洋进行海水养殖的价值以及海水自身生物量价值。

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（1）放射性废水排海导致人工养殖价值损失

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根据世界粮农组织的数据，2020年全球海洋水产养殖产量为33.1百万吨，放射性废水排海可能导致人工海水养殖规模缩小，渔民转向淡水养殖，但由于这种情况存在滞后性与不可测性，目前并未有准确的数据显示这种损失规模的大小，因此不可测。

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（2）海水自身生物量价值损失

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2020年全球海洋捕捞渔业产量达78.8百万吨，海洋捕捞渔业产量在总捕捞产量占比近90%，同时，在渔业和水产养殖合计产量中占比近半。放射性核废水即使经过ALPS系统处理，其中仍然含有氚等放射性核素，直接排海很有可能导致这些核素通过食物链传导和累积放大效应，对海洋生物造成放射性危害，进而影响海洋生态系统的生物多样性和海洋生物的健康。

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该项损失的计算需要我们得知日本放射性废水排海对于海洋生物的生存有什么具体的影响，这种影响会对生物种群数量造成多大比例的损害，从而计算出其最终的经济损失。但根据目前研究较少，并没有对放射性核素对海洋生物的影响的量化数据，因此也不可算。

（二）气体调节

海洋生态系统具有庞大的气体调节系统，例如，海洋是一个巨大的“碳汇”，其固碳功能具有很大的价值。海洋中碳贮存量约为大气的50倍，从前千年以上的时间尺度考虑可以从大气中吸收大量人为排放的CO2。一方面，海洋可以通过吸收大气中的二氧化碳（也即无机碳）实现碳汇，另一方面，生物过程和化学过程也在海洋碳汇中发挥了重要作用。海洋生态动力学是目前重要的海洋碳汇过程，最典型的代表是浮游植物-浮游动物-营养盐（PZN）体系，绿色浮游植物（P）利用太阳能进行光合作用，浮游动物（Z）摄食浮游植物，浮游植物的初级生产作用捕捉大气中的二氧化碳，同时，浮游动物捕食和浮游植物聚集引起的颗粒态有机碳和溶解有机碳离开真光层的作用同植物初级生产作用一样重要。

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放射性废水的排放可能会影响海洋中浮游植物与浮游动物的生存，破坏海洋生态的碳循环过程，导致气体调节服务的损失。这项损失的计算也需要具体的研究得到放射性核素对海洋生态动力学体系功能的量化影响。

（三）废弃物处理

海洋生态系统的废弃物处理功能主要体现在海域水环境容量。水环境容量是水体的自然属性之一，可表述为“一定的水环境单元，在一定时间内，满足一定的环境目标的前提下，水体所能承受外加的某种污染物的负荷量”。海洋对污染物具有自然缓冲和同化、净化能力，可用来消纳（同化、存储、输移）排入水体的污染物，在一定程度上能满足人类既发展经济又不造成污染的需要。海洋的水环境容量受到很多自然因素的影响，例如水体的形状、大小、水文参数和水动力条件、海洋物理、物化、化学自净能力和生物降解作用等。

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海洋的废弃物处理功能价值评估可以使用“替代成本法”，通过计算如果没有海洋的自净能力，人类需要花费多少经济成本处理产生的过剩的污染物和废弃物。日本核废水排海，其中的放射性物质可能会影响海洋生态系统的物理化学自净能力和生物降解作用，从而使生态系统的废弃物处理功能受到影响。

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（四）营养物质循环与物种多样性维持

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海洋生态系统是生物圈重要的一部分，在生物圈的物质循环和能量传递中发挥着极其重要的作用。海洋生态系统的营养物质循环主要包括两方面：首先是N、P等营养物质在海洋生物、水体、沉积物内部及相互之间的循环，支撑生态系统的正常运转，另一方面是作为地表径流N、P等营养盐的汇的价值。如果不存在海洋生态系统，人们需要花费额外的成本去除N、P等营养盐。同时，海洋生态系统中有着各种各样的子系统，这些子系统形态各异、性质不同，为各种生物的生存提供了空间，极大的拓宽了地球生物多样性的边界。

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对营养物质循环功能的价值评估使用替代成本法，对生物多样性价值的评估使用条件价值法。

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（五）科研文化与休闲娱乐

日本核废水排海对海洋生态系统这两方面造成的损失主要是人们对核污染的恐惧心理造成的。近期国内某高校研究模拟了氚扩散的过程，结果是日本核废水排海后，240天到达中国沿海，1200天后覆盖北太平洋。

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图 3 宏观模型（左）与微观模型（右）模拟出的核废水中氚扩散过程

四、覆水难收——减少损失的政策和建议

1、积极国际合作

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日本政府应积极参与国际合作，与周边国家和国际组织共同商定核废水排放的标准和方法，尊重其他国家对于海洋生态系统的使用权。

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2、科学研究监测

日本政府与国际组织应注重排放废水中放射性物质的研究与持续监测，研究放射性核素在海洋生态系统中的行为和在海洋生物体内的行为，具体量化放射性核素对生物体的影响，从而及时调整排放政策。

3、提高公众参与

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政府应鼓励公众参与政策决策过程，并确保政策制定与执行的透明度，向公众提供有关废水排放的信息和决策的解释。

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4、食品安全监管

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各国政府应强化对海产品的食品安全监管，确保进入消费者餐桌上的海产品内放射性不超过安全标准，最大程度消除消费者心中对海洋水产品的疑虑。

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五、参考文献

[1] "TEPCO drowning in dealing with tons of radioactive water". The Asahi Shimbun. 16 May 2011. 

[2] Kiger, Patrick J. (2013-08-09). "Fukushimas Radioactive Water Leak: What You Should Know". National Geographic News.

[3] 东京电力公司处理水门户网站. ALPS Treated Water, etc. Conditions | Tokyo Electric Power Company Holdings, Incorporated (tepco.co.jp)

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[4] New Definition of ALPS Treated Water and the Amount of Tritium in Water being stored in Tanks. TEPC. 2021.4.27. 20210427.pdf (tepco.co.jp)

[5] Vicinity Analysis Results: Analysis Results -- Decommissioning Project｜Data｜Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc. (tepco.co.jp)

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[6] Windayati, R., Mutaqin, B.W., Marfai, M.A. et al. Assessment of coral-reef ecosystem services in West Buleleng Conservation Zone, Bali, Indonesia. J Coast Conserv 26, 43 (2022). https://doi.org/10.1007/s11852-022-00890-3

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[7] 林武辉,张帆,余克服等.人工放射性核素在珊瑚岛礁系统中的富集与评估[J].地球科学进展,2023,38(03):286-295.

[8] Galparsoro I, Borja A, Uyurra M C. Mapping ecosystem services provided by benthic habitats in the European North Atlantic Ocean, Frontiers in Marine Science, 2014, 1:23.

[9] 林武辉,余克服,杜金秋等.日本福岛核废水排海情景下海洋生态环境影响与应对[J].科学通报,2021,66(35):4500-4509.

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[10] Ken O. Buesseler ,Opening the floodgates at Fukushima.Science369,621-622(2020).DOI:10.1126/science.abc1507

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[11] 沈满洪,毛狄.海洋生态系统服务价值评估研究综述[J].生态学报,2019,39(06):2255-2265.  

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[12] FAO. 2022. The State of World Fisheries and Aquaculture 2022. Towards Blue Transformation. Rome, FAO.

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[13] 徐永福,赵亮,李阳春.海洋碳循环与海洋生态系统动力学[J].海洋环境科学,2007(05):495-500.

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[14] 陈伟琪,张珞平,洪华生等.近岸海域环境容量的价值及其价值量评估初探[J].厦门大学学报(自然科学版),1999(06):896-901.

[15] Yi Liu, Xue-Qing Guo, Sun-Wei Li, Jian-Min Zhang, Zhen-Zhong Hu, Discharge of treated Fukushima nuclear accident contaminated water: macroscopic and microscopic simulations, National Science Review, Volume 9, Issue 1, January 2022, nwab209, https://doi.org/10.1093/nsr/nwab209

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学长点评

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张梓睿：总体内容完善丰富，主要是定性分析了生态系统各部分服务功能所受的影响，可针对应对对策的阐述进行补充。

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老师点评

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黄艺老师：报告阐述了日本放射废水排放事件的背景，并使用实际数据陈述了改事件对海水的影响。在陈述生态系统服务功能和海洋生态系统概念的基础上，分别阐述了海洋生态系统各子系统的生态服务功能与日本放射废水排放事件环境影响的关联，并采用环境经济学的方法，对受影响的服务功能价值进行了简单评估。最后给出了对于该事件影响的环境对策。报告内容覆盖了发现问题-分析生态环境影响-评估影响-形成对策的完整逻辑链，且具有坚实的科学数据基础，是一篇非常优秀的综述报告。

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建议：增加摘要和关键词。还可以挖掘一些对我国可能产生影响的科学数据和远景预测。以及我国对该事件的对策。

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编者按

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同学们针对日本放射废水排放对地球(海洋)生态系统服务功能的影响进行评估讨论，内容包括放射废水排放背景(事件/水质特征-数据)、受影响的生态系统服务功能分析、受损生态系统服务功能计算、减少损失的政策和行动建议等。在此选录部分作业，与大家交流分享。需要说明的是，作业的选择，除了写作方面的考量，也兼顾了公众号的特点，不完全代表作业的评判，作业的发布经作者授权，未经授权，不得转载。作业的观点仅代表个人观点，与公众号及班级无关。此次分享旨在促进同学们的学术交流，提高同学们的写作能力，提升同学们对专业知识的理解，增强同学们的学科认同感与环境事件参与感。同时我们此次也非常荣幸地邀请到黄艺老师和张梓睿学长作为此次的点评嘉宾。

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如有投稿，欢迎联系二环鸭鸭编辑部。

作者 | 张嘉睿

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点评嘉宾 | 黄艺 张梓睿

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审核 | 王浩 吕丽 王昱博 林奕妃