基于生境質(zhì)量和生態(tài)響應(yīng)的萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊建強(qiáng)，朱永貴，宋文鵬，張 娟，張龍軍，羅先香，*

(1.國家海洋局北海分局，青島 266033;2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266033;3.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國海洋大學(xué)，青島 266100)

萊州灣位于渤海南部，山東半島北部，為渤海最大的半封閉性海灣。灣內(nèi)水深較淺，是黃、渤海三大海洋生物的產(chǎn)卵場(chǎng)和索餌場(chǎng)之一，為我國重要的漁業(yè)資源利用和養(yǎng)護(hù)區(qū)，以梭子蟹生產(chǎn)和對(duì)蝦養(yǎng)殖極其著名，沿岸有黃河、小清河和濰河等10余條河流入海。自20世紀(jì)90年代以來，入海河流和沿岸養(yǎng)殖等帶來的陸源性污染已對(duì)萊州灣生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重負(fù)面影響，海水污染加重［1-2］，漁業(yè)資源和產(chǎn)卵場(chǎng)均遭到不同程度的破壞［3-5］。為了尋求海洋開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)和平衡，山東省明確提出了集約用海的海洋開發(fā)模式，到2020年，萊州灣將建成萊州海洋新能源產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)、濰坊濱海新城和東營濱海新城3個(gè)50 km2以上的大型集約用海區(qū)［6］。集約用海是科學(xué)開發(fā)和高效利用海洋資源的戰(zhàn)略舉措，但也不可避免會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成一定的負(fù)面效應(yīng)，為了降低和減少其不利影響，需要對(duì)集約用海區(qū)的海洋生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。本文應(yīng)用構(gòu)建的集約用海對(duì)海洋生態(tài)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法對(duì)萊州灣2004年至2012年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期為萊州灣沿海區(qū)域集約用海的規(guī)模確定和科學(xué)選址服務(wù)。

圖1 萊州灣采樣站位Fig．1 The location of sampling in Laizhou Bay

1 材料和方法

樣品、數(shù)據(jù)資料來自國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心及沿岸地市海洋監(jiān)測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，站位分布如圖1。依據(jù)歷史文獻(xiàn)中萊州灣污染物空間分布特點(diǎn)［7-10］及張雪［2］等對(duì)研究區(qū)的劃分，下面的討論分4個(gè)區(qū)域進(jìn)行(圖 1):區(qū)域 I(118°45'—119°20'，37°15'—37°50')主要為萊州灣西部黃河和小清河入海海域，區(qū)域Ⅱ(119°20'—119°40'，37°15'—37°50')為萊州灣中部海域，區(qū)域Ⅲ(119°40'—120'，37°15'—37°50')為萊州灣東部海域，區(qū)域Ⅳ(118°45'—120°，37°—37°15')為虞河、濰河等河流入海的萊州灣南岸海域［2］。

本文從海洋生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量和生態(tài)響應(yīng)兩個(gè)方面對(duì)萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)?！吧迟|(zhì)量”包括海洋生物棲息的水環(huán)境、沉積環(huán)境和典型物種的生物質(zhì)量3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)下又包括具體反映環(huán)境質(zhì)量的各種環(huán)境因子。本文水質(zhì)評(píng)價(jià)因子包括:pH、DO、COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和油類;沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)因子包括:有機(jī)碳、硫化物和重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg);生物質(zhì)量評(píng)價(jià)因子包括:重金屬(Cu、Pb、Zn 、Cd、Cr、As、Hg)和石油烴。水、沉積物和生物質(zhì)量分析樣品的采集、保存和分析均按中華人民共和國《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第3、4、5和6部分進(jìn)行［11］。生態(tài)響應(yīng)包括生物群落結(jié)構(gòu)特征、生態(tài)敏感區(qū)結(jié)構(gòu)和功能兩類二級(jí)指標(biāo)。其中，海洋生物群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)包括:浮游植物密度、浮游動(dòng)物密度和生物量、大型底棲生物密度和生物量、魚卵及仔魚種類和密度;生態(tài)敏感區(qū)結(jié)構(gòu)、功能指標(biāo)包括葉綠素a(初級(jí)生產(chǎn)力)和生態(tài)敏感性指數(shù)。海洋生物監(jiān)測(cè)樣品的采集、保存和分析均按中華人民共和國《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第7部分進(jìn)行［11］。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照海水水質(zhì)［12］、沉積物質(zhì)量［13］和海洋生物質(zhì)量［14］國家標(biāo)準(zhǔn)，生物群落結(jié)構(gòu)特征按照近岸海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)指南［15］中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。評(píng)價(jià)方法采用單因子污染指數(shù)Iij和綜合指數(shù)法。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況用生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)Ej表示，計(jì)算公式如下:

式中，Ej為j站位的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù);HQIj為j站位生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù);ERIj為j站位生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)指數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 萊州灣生境質(zhì)量評(píng)價(jià)

萊州灣2004年至2012年水環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)WQI和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)SQI變化趨勢(shì)和特征如圖2所示。

圖2 2004—2012年萊州灣水質(zhì)和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)變化特征(誤差線表示綜合指數(shù)的變化范圍)Fig．2 The variation of water and sediment quality index of Laizhou Bay from 2004 to 2012(Error bars represent the range of variation of the composite index)

2004—2012年萊州灣海洋水環(huán)境綜合指數(shù)WQI的平均值為1.05(0.37—4.57)，總體接近中度污染水平。區(qū)域Ⅰ的WQI平均值為1.29，明顯大于其它3個(gè)區(qū)域，處于中度污染水平，其它3個(gè)區(qū)域處于輕度污染水平。由于近年來黃河和小清河徑流攜帶入海的污染物增加［16］，導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ的污染明顯較重，在河口附近形成污染物高值區(qū)。通過分析水質(zhì)綜合指數(shù)的單因子貢獻(xiàn)率顯示，萊州灣海域2004年至2012年對(duì)水質(zhì)影響最大的是無機(jī)氮和油類，其含量見圖3。無機(jī)氮對(duì)水環(huán)境污染貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到45.2%，除了2006、2009和2010年8月外，其余年份無機(jī)氮含量均超過了海水水質(zhì)四類標(biāo)準(zhǔn)，處于嚴(yán)重污染的狀態(tài);2004—2012年，總共有35%的站位油類污染物含量超過了海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)率在個(gè)別年份達(dá)到了20%以上。

圖3 2004—2012年萊州灣水質(zhì)主要污染物含量變化(誤差線表示污染物含量變化范圍)Fig．3 The variation of major pollutants in water in Laizhou Bay，2004 to 2012(Error bars represent the range of pollutant content)

2004—2012年萊州灣4個(gè)區(qū)域的沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)SQI平均值均小于0.75，處于清潔水平，沉積環(huán)境質(zhì)量空間差異較小。2004—2012年沉積物中有機(jī)碳含量的平均值為0.31%，硫化物含量的平均值為34.46mg/kg，均低于海洋沉積物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn);沉積物重金屬除了個(gè)別年份個(gè)別站位As和Cd含量超過海洋沉積物一類標(biāo)準(zhǔn)外，總體上重金屬含量均低于海洋沉積物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn)，如圖4。萊州灣海域表層沉積物質(zhì)量總體上良好，與一些學(xué)者的研究結(jié)果基本一致［17］。

圖4 2004—2012年萊州灣沉積物中主要污染物含量變化(誤差線表示污染物含量范圍)Fig．4 The variation of major pollutants in sediment content in Laizhou Bay，2004 to 2012(Error bars represent the range of pollutant content)

萊州灣生物質(zhì)量綜合指數(shù)BQI平均值為2.45，變化范圍為1.48—3.62，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了1.25的嚴(yán)重污染的等級(jí)(圖5)，以2004—2008年各調(diào)查航次均采集到的四角蛤?yàn)槔?圖6)，重金屬和石油烴含量均超過了海洋生物質(zhì)量一類標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與其他學(xué)者所得結(jié)果相同［18］。

萊州灣海域生境質(zhì)量綜合指數(shù)(HQI)如圖7所示，研究區(qū)生境質(zhì)量總體上處于輕度到中度污染水平。I區(qū)HQI平均值為47.22(43.75—56.25)，處于中度污染水平。黃河和小清河的入?？诙嘉挥谶@一區(qū)域，其年徑流量占整個(gè)沿岸河流入海徑流量的98%以上，是萊州灣最主要的污染源，且污染物在河口不易擴(kuò)散形成污染高值區(qū)［2，16］。位于萊州灣中部、東部及南部的Ⅱ—Ⅳ區(qū)域，生境質(zhì)量綜合指數(shù)平均值分別為53.47(43.75—62.5)、56.25(50—62.5)和54.17(43.75—62.5)，均屬于輕度污染水平。

圖5 萊州灣生物質(zhì)量綜合指數(shù)BQI的變化特征(誤差線表示量值范圍)Fig．5 The variation of composite index(BQI)of Laizhou Bay(Error bars represent the range of BQI)

圖6 萊州灣四角蛤體內(nèi)污染物含量Fig．6 The levels of pollutants in Mactra Veneriformis

圖7 2004—2012年萊州灣不同區(qū)域海洋生境質(zhì)量綜合指數(shù)HQIFig．7 Composite index of the quality of marine habitats(HQI)in Laizhou Bay from 2004 to 2012 in different regions

2.2 萊州灣生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)

萊州灣海域浮游植物、浮游動(dòng)物和大型底棲生物密度和生物量如圖8所示。2004年至2012年監(jiān)測(cè)到的浮游植物物種數(shù)在28—95種之間，其中硅藻種類最多，占浮游植物種類組成的77%左右，浮游植物細(xì)胞數(shù)5月份的含量在0.037×105—300.8×105個(gè)/m3，平均含量為51.82×105個(gè)/m3;8月浮游植物細(xì)胞數(shù)含量在0.354×105—410.1×105個(gè)/m3，平均含量為124.48×105個(gè)/m3。春夏兩季大部分站位的值遠(yuǎn)高于“近岸海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)指南”中萊州灣推薦標(biāo)準(zhǔn)值，且不同站位間波動(dòng)范圍較大。

2004年至2012年監(jiān)測(cè)到浮游動(dòng)物物種數(shù)在18—40種之間，浮游動(dòng)物濕重生物量變化范圍在2.36—1759 mg/m3之間，平均為 386 mg/m3，春季的高值區(qū)位于萊州灣中部海域，夏季高值區(qū)多位于西部海域;浮游動(dòng)物密度變化范圍在0.076×103—10.29 ×103個(gè)/m3之間，平均為 4.09 ×102個(gè)/m3，其密度和生物量指標(biāo)均偏離“近岸海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)指南”中萊州灣推薦標(biāo)準(zhǔn)值較大。

萊州灣2004至2012年監(jiān)測(cè)到大型底棲生物物種數(shù)在102—132種之間，底棲動(dòng)物密度變化范圍為24—1752個(gè)/m2之間，平均為662個(gè)/m2，小清河口等近岸海域生物密度明顯高于遠(yuǎn)岸海域;底棲生物量變化范圍為0.008—68.35 g/m2，平均為24.30 g/m2，軟體動(dòng)物生物量占底棲生物總生物量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。大型底棲生物密度和生物量總體偏離“近岸海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)指南”中萊州灣推薦標(biāo)準(zhǔn)值不大，但底棲生物的物種組成已發(fā)生了變化，例如，在污染嚴(yán)重的小清河口底棲生物以多毛類占顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的污染特征［19］。

圖8 萊州灣生物群落變化趨勢(shì)及結(jié)構(gòu)特征(誤差線表示量值范圍)Fig．8 The trends and structural characteristics of biological community in Laizhou Bay(Error bars represent the value range)

2004年至2012年5月，在萊州灣海域僅個(gè)別站位采集到極少量魚卵和仔魚(圖9)，魚卵種類最多僅為16種，其密度遠(yuǎn)少于5個(gè)/m3，仔魚的種類和密度更低，且集中分布在萊州灣東南部海域，在河口附近的站位沒有出現(xiàn)魚卵仔魚。王愛勇等的研究也表明自1982年至2008年萊州灣的魚卵、仔魚種類大幅減少，個(gè)體資源數(shù)量也下降趨勢(shì)明顯［5］。因此，在魚卵仔魚指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)，指數(shù)值給予最低的賦值。

圖9 萊州灣魚卵仔魚的變化趨勢(shì)Fig．9 The trend of fish roe and larvae in Laizhou Bay

萊州灣葉綠素a含量分布特征如圖10所示，2004年至2012年葉綠素a濃度平均值的變化范圍為0.15—21.8μg/L，2004年8月和2007年8月個(gè)別站位葉綠素a濃度出現(xiàn)35 ug/L的高值;在空間上，小清河口附近海域葉綠素a含量普遍高于其他海域。研究區(qū)葉綠素a濃度總體平均水平與趙騫、費(fèi)尊樂等的研究結(jié)果相近［20-21］。萊州灣海域初級(jí)生產(chǎn)力平均為372 mgC m-2d-1，變化范圍為8—1587 mgC m-2d-1，不同站位間差異較大，沿岸海域相對(duì)較高，初級(jí)生產(chǎn)力總體水平與費(fèi)尊樂等研究結(jié)果接近［22］。萊州灣海域是多種魚蝦繁殖、產(chǎn)卵、索餌洄游的場(chǎng)所，是我國北方重要的海產(chǎn)品捕撈地，根據(jù)海洋功能區(qū)劃，屬于生態(tài)敏感區(qū)，因此，本文對(duì)萊州灣生態(tài)敏感指數(shù)的賦值為13。

圖10 萊州灣葉綠素a變化特征(誤差線表示量值范圍圍)Fig．10 The variation of chlorophyll a in Laizhou Bay(Error bars represent the range of content)

圖11 是萊州灣海洋生態(tài)響應(yīng)綜合指數(shù)ERI，2004年至2012年研究區(qū)ERI值在5.89—60.74之間波動(dòng)，平均值為36.27，ERI值大多在50以下，海洋生態(tài)受到了中度到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)。不同海域ERI值差異很大，受黃河和小清河影響較大的Ⅰ區(qū)，其ERI值為23.22(4.89—41)，生態(tài)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，南部近岸的Ⅳ區(qū)ERI值為25.86(6.14—41.2)，生態(tài)受到中度至嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，這兩個(gè)區(qū)域浮游植物和浮游動(dòng)物偏離標(biāo)準(zhǔn)值較大，底棲生物物種數(shù)和生物量總體偏離標(biāo)準(zhǔn)值不大，但底棲生物的物種組成已發(fā)生了明顯變化。位于萊州灣中部和東部的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的ERI值分別為49.50(29.44—60.74)和46.52(31.22—57.15)，生態(tài)受到輕度至中度擾動(dòng)。4個(gè)區(qū)域生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果與生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，生境質(zhì)量較差的I區(qū)，其生態(tài)受到的擾動(dòng)最嚴(yán)重。

圖11 萊州灣海洋生態(tài)響應(yīng)綜合指數(shù)ERIFig．11 Composite index of the quality of ecological response(ERI)in Laizhou Bay

2.3 萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)萊州灣海洋生境質(zhì)量狀況和生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果得到了2004年至2012年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù) E，其變化特征如圖 12所示，E值在15.36—61.18之間波動(dòng)，平均值為39.26，顯示萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上處于“差”的水平，但2011年和2012年研究區(qū)E值明顯高于其他年份，生態(tài)環(huán)境有明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。Ⅰ—Ⅳ區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)E值分別為28.08、48.96、48.38 和32.30，均處于“差”的水平，區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)明顯高于Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)的，前兩個(gè)區(qū)域接近“一般”水平，后兩個(gè)接近“很差”水平，這表明萊州灣西南海域受河口和近岸的影響嚴(yán)重。黃河和小清河的入?？谖挥冖駞^(qū)域，較多的淡水輸入導(dǎo)致徑流攜帶的各種污染物在萊州灣西部海域沉降并滯留，Ⅳ區(qū)域位于萊州灣南部，不僅有彌河、虞河、濰河等多條河流入海，而且在沿岸流的作用下也會(huì)受到西南部小清河口的影響，這兩個(gè)區(qū)域也會(huì)受到沿岸農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放的影響，導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。因此，在該區(qū)域要控制集約用海工程規(guī)模，嚴(yán)格控制新的污染排放，密切關(guān)注其對(duì)海洋生態(tài)的影響。

圖12 萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)變化特征Fig．12 The variation of eco-environmental quality index(E)in Laizhou Bay

3 結(jié)論

(1)萊州灣生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2004年至2012年研究區(qū)生境質(zhì)量總體處于輕度到中度污染水平，位于黃河和小清河入海口的Ⅰ區(qū)域生境質(zhì)量達(dá)到中度污染水平，其它3個(gè)區(qū)域生境質(zhì)量為輕度污染水平。水質(zhì)和生物質(zhì)量污染較嚴(yán)重，沉積環(huán)境質(zhì)量較好。

(2)萊州灣生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，受黃河和小清河影響較大的Ⅰ區(qū)域，生態(tài)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，萊州灣南部近岸的Ⅳ區(qū)生態(tài)受到中度至嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，其中浮游植物和浮游動(dòng)物偏離標(biāo)準(zhǔn)值較大，底棲生物物種數(shù)和生物量總體偏離標(biāo)準(zhǔn)值不大，但底棲生物的物種組成已發(fā)生了明顯變化，魚卵和仔魚種類、數(shù)量極低;萊州灣中部和東部的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的生態(tài)處于中度擾動(dòng)狀況。(3)萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，位于萊州灣西部I區(qū)和南部近岸的IV區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量達(dá)到“差”的水平，萊州灣中部和東部的Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量接近“一般”水平。2011年和2012年萊州灣海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

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