大連獐子島人工魚礁海域夏季水質變化與評價

劉永虎，程前，田濤，陳勇，尹增強，劉漢超，王月

（大連海洋大學遼寧省海洋牧場工程技術研究中心，遼寧大連116023）

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大連獐子島人工魚礁海域夏季水質變化與評價

劉永虎，程前，田濤，陳勇，尹增強，劉漢超，王月

（大連海洋大學遼寧省海洋牧場工程技術研究中心，遼寧大連116023）

摘要：為評價大連獐子島海域人工魚礁投放前后夏季水質的變化情況，根據(jù)2010—2014年該海域本底調查 （2010年夏季）及4次 （2011—2014年每年夏季）跟蹤調查數(shù)據(jù)，采用富營養(yǎng)化指數(shù) （E）、有機污染指數(shù) （A）和水質綜合評價方法等進行評價。結果表明：投礁后，無機氮 （DIN）和無機磷 （DIP）含量整體呈下降趨勢，其中DIN含量平均值由投礁前的 （0.602±0.020）mg/L降低至 （0.053±0.010）mg/L （2014年夏季），DIP含量平均值由投礁前的 （0.033±0.005）mg/L下降至 （0.016±0.004）mg/L（2014年夏季），氮的變化比磷的變化大；魚礁區(qū)的溶解氧 （DO）含量比較高，除2011年4號站位外，其他站位均大于6 mg/L；化學需氧量 （COD）在2011年大幅度提高，達到6～7 mg/L，其他年份均為3～4 mg/L；重金屬除Cu外，Pb、Cd含量整體呈下降趨勢，有機污染指數(shù)平均值整體呈下降趨勢，由投礁前的0.045± 0.004下降到-0.277±0.002（2014年夏季），水體質量由投礁前的較好轉為投礁后的良好水平；富營養(yǎng)化指數(shù)平均值整體呈下降趨勢，由投礁前的1.45±0.04降低至0.41±0.04（2014年夏季），水體的營養(yǎng)化水平由投礁前的富營養(yǎng)化轉化為投礁后的貧營養(yǎng)化水平；比較投礁后3個海島海水水質的變化情況，應用水質綜合評價方法，可知其綜合評價值依次為Ⅱ區(qū)域 （大耗島）＞Ⅰ區(qū)域 （褡褳島）＞Ⅲ （小耗島）。研究表明，獐子島人工魚礁建設海域夏季水質狀況在魚礁投放后得到明顯改善。

關鍵詞：人工魚礁；營養(yǎng)鹽；水質；獐子島

人工魚礁是用于改善海域生態(tài)環(huán)境、建設漁場和增養(yǎng)殖場的人工設施［1］，具有修復和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境、保護和增殖漁業(yè)資源的功能［2］。國內外學者對魚礁區(qū)的研究表明，魚礁區(qū)的水質環(huán)境與天然海區(qū)相比有明顯優(yōu)化［3-5］，魚礁在維護和改善漁場環(huán)境方面起到了積極作用［6］。目前，主要通過試驗和數(shù)值模擬方法［7-13］研究人工魚礁對流場等環(huán)境因子的影響，也有一些學者根據(jù)現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)分析人工魚礁對環(huán)境因子的影響。王偉定等［14］研究了浙江嵊泗資源養(yǎng)護型魚礁對水質環(huán)境的影響，張艷等［15］研究了山東萊州灣人工魚礁海水水質的變化特征，而有關大連獐子島人工魚礁海域水質變化特征的研究目前尚未見報道。

獐子島位于39°N、122°E，獐子島海域盛產刺參、鮑魚、扇貝等海珍品，是著名的 “獐子島海參”原產地。但是，近年來由于過度捕撈和生態(tài)環(huán)境變化等原因，該海域刺參等海珍品資源量驟減。為此，于2010年開始在獐子島近岸海域人工魚礁區(qū)陸續(xù)投放海珍品增殖礁，以改善其生態(tài)環(huán)境，營造適宜刺參、鮑魚、海膽等海珍品的生息場。作者于2010—2014年每年一次對人工魚礁投放海域的環(huán)境狀況進行了調查，根據(jù)調查數(shù)據(jù)對比投礁前后獐子島人工魚礁海域夏季水質環(huán)境的變化情況，探討了人工魚礁區(qū)的海洋環(huán)境改善效果，旨在為今后該海域人工魚礁建設效果評價提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1調查時間和站位

于2010—2014年夏季對大連獐子島海域進行了1次本底調查 （2010年夏季）和4次跟蹤調查（2011—2014年每年夏季），每次調查均對該海域進行水樣采集，并將所取水樣帶回實驗室進行分析測定，所有指標均進行3次平行測定。調查區(qū)域和站位設置如圖1所示。

圖1　獐子島人工魚礁區(qū)調查區(qū)域圖Fig.1 Surveyed stations in the artificial reef area in Zhangzi Island

1.2方法

1.2.1指標的測定

（1）海洋水環(huán)境。海洋水環(huán)境調查內容包括水溫、鹽度、透明度3項指標。根據(jù) 《海洋監(jiān)測規(guī)范第 4部分：海水分析》 GB 17378.4—2007［16］，采用透明度盤法測量透明度；用6600型多功能水質分析儀測定水溫和鹽度數(shù)據(jù)。

（2）海水化學環(huán)境。海水化學環(huán)境調查內容包括化學需氧量 （COD）、總氮、總磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、活性磷酸鹽和海水重金屬（鉛、鎘、銅）、溶解氧 （DO）、pH等指標，根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析》［16］，分別采用堿性高錳酸鉀法、過硫酸鉀氧化法、萘乙二胺分光光度法、鋅-鎘還原法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍分光光度法、原子吸收法測定得到各指標數(shù)據(jù)，其中溶解氧、pH數(shù)據(jù)通過6600型多功能水質分析儀測定。

1.2.2富營養(yǎng)化指數(shù)和有機污染指數(shù)評價 根據(jù)調查數(shù)據(jù)，分析營養(yǎng)鹽 （無機氮 DIN、無機磷DIP）與水質 （DO、COD、重金屬）的變化情況。通過富營養(yǎng)化指數(shù)和有機污染指數(shù)分別分析人工魚礁海域富營養(yǎng)化水平和污染程度。

（1）根據(jù)水體富營養(yǎng)指數(shù)法對該海域水質進行評價［17］。富營養(yǎng)化指數(shù) （E）計算公式為

其中：COD、DIN、DIP單位均為mg/L，根據(jù)表1確定魚礁區(qū)海域海水的營養(yǎng)水平。

（2）采用有機污染指數(shù)法對該海域水質進行評價［17］。有機污染指數(shù) （A）計算公式為

其中：下標為i的變量為實測值；下標為s的變量為Ⅰ類海水的水質標準。評價標準見表2。

表1　海水營養(yǎng)水平分級Tab.1 Trophical level classification of numerical E in sea water

表2　海水有機污染分級評價標準Tab.2 Evaluation criteria of organic pollution of sea water

1.2.3綜合評價

（1）評價指標的選定與獲取。根據(jù) 《近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃分技術規(guī)范》（HJ/T 82—2001）并結合實際情況，本研究中以獐子島海洋牧場海域海水水質評價指標，作為指標評價內容，初步建立了人工魚礁區(qū)水質評價體系。對于水質綜合評價共設置9個評價指標，分別為COD、pH、DO、DIP、DIN、N∶P（原子比）和Cu、Pb、Cd。各指標數(shù)據(jù)均通過現(xiàn)場采樣、實驗室測定獲取。

（2）評價指標標準的確定。定量指標評價值通過閾值拋物線型標準化處理方法，建立模糊隸屬函數(shù)求得［3］，其中閾值的確定依據(jù)、定量指標評價標準的隸屬函數(shù)及確定依據(jù)如表3所示。

（3）評價指標權重的確定。各項指標在評價海域生態(tài)狀況的重要程度并不相同，因此，在采用多項指標評價海水水質效果時，各指標應當賦予不同的權重值。運用三標度層次分析法，即兩元素相比，后者 （j）比前者 （i）重要，記為0；兩者同樣重要，記為1；前者（i）比后者（j）重要，記為2，確立評價指標權重值。在評價海域生態(tài)狀況時，如果評價指標無監(jiān)測數(shù)據(jù)，可按該評價標準下其他指標的權重比例把該指標權重分配給其他指標。

（4）綜合評價。海域綜合評價結果可根據(jù)下式進行計算：

其中wi、ei分別為指標i的權重和指標值。

1.3數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2　結果與分析

將各評價指標的現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)代入相應的模糊隸屬函數(shù)，得到COD、pH、DO、DIP、DIN、N∶P（原子比）、Cu、Pb、Cd的權重值分別為0.076、0.021、0.031、0.187、0.114、0.301、0.090、0.090、0.090。

通過權重值判定人工魚礁投放后Ⅰ （褡褳島）、Ⅱ （大耗島）、Ⅲ （小耗島）3個區(qū)域 （圖1）海水水質的總體評價值變化情況。

表3　定量指標評價標準的隸屬函數(shù)及其確定依據(jù)Tab.3 Evaluation standard of the quantitative indices

2.1水質指標分析

2.1.1營養(yǎng)鹽 無機氮 （DIN）是浮游植物生長的必需元素之一，海水中無機氮主要以NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N的形式存在，浮游植物通過光合作用吸收無機氮轉化為有機氮，浮游動物消耗有機氮，部分用于自身機體的生理需要，部分轉化為廢物排泄出體外，并且死亡后尸解也釋放出無機氮。如圖2所示，本底調查DIN的最高值為（0.659 3± 0.008 0）mg/L，已超出了 《海水水質標準》（GB 3097—1997）［18］中第Ⅳ類海水的無機氮含量 （0.5 mg/L），投礁前后 DIN的范圍為（0.043 2± 0.000 3）～（0.659 3±0.008 0）mg/L。投礁后海域DIN含量下降趨勢明顯，遠低于投礁前，除5號站位在2011年7月屬第Ⅲ類海水水質外，其他站位均符合第Ⅰ、Ⅱ類海水水質標準。

圖2　不同年份魚礁區(qū)DIN含量變化情況Fig.2 Variations in DIN concentration in artificial reef area in different years

磷酸鹽 （DIP）是海洋浮游生物繁殖生長必需營養(yǎng)要素之一，也是海洋生物產量的控制因素，它在生物代謝尤其是能量轉換過程中起著非常重要的作用。海水中的磷酸鹽主要來源于大陸徑流及死亡的海洋生物體氧化分解再生的活性磷酸鹽。磷酸鹽又是水體富營養(yǎng)化的主要因素。獐子島調查海域的活性磷酸鹽是磷的主要存在形式，由圖3可知，本底調查DIP的最高值為（0.045 8±0.000 7）mg/L，超出《海水水質標準》［18］中第Ⅳ類海水的DIP含量（0.045 mg/L），范圍為（0.010 2±0.000 9）～（0.045 8±0.000 7）mg/L。投礁后DIP含量整體呈下降趨勢，各站位均符合第Ⅱ、Ⅲ類海水水質標準。

圖3　不同年份魚礁區(qū)DIP含量變化情況Fig.3 Variations in DIP concentration in artificial reef area in different years

2.1.2DO和COD

DO含量多少及分布變化直接影響海域水環(huán)境的質量狀況，可作為評價海域生態(tài)環(huán)境的一個重要指標［14］。在2010年的本底調查和此后的4次跟蹤調查中，DO含量均較高且符合國家 《海水水質標準》［18］中第Ⅰ類海水水質標準 （圖4）。對比投礁前后各站位的DO含量，變化趨勢基本穩(wěn)定。

圖4　不同年份魚礁區(qū)DO含量變化情況Fig.4 Variations in DO concentration in artificial reef area in different years

COD含量反映水體有機物污染程度［14］。本底調查中，2、4號站位COD含量均符合國家《海水水質標準》［18］第Ⅰ類海水水質標準，1、3、5號站位均符合第Ⅱ類海水水質標準；跟蹤調查中，除4號站位在2011年7月超過第Ⅳ類海水水質標準外，其他站位均符合第Ⅱ、Ⅲ類海水水質標準（圖5）。

圖5　不同年份魚礁區(qū)COD含量變化情況Fig.5 Variations in COD concentration in artificial reef area in different years

2.1.3重金屬 重金屬的化學形態(tài)決定著它們對生物地球化學循環(huán)過程、生物活性和環(huán)境的毒性效應。重金屬通過對配位體的絡合作用來減少或消除對水體生物的毒性。因此，測定水體的金屬絡合配位體濃度和穩(wěn)定常數(shù)，可確定水體的重金屬污染情況。在金屬絡合配位體濃度測定時，常用絡合能力強的Cu，此外還有Pb、Cd等［19］。

（1）Cu。在本底調查中，Cu的含量范圍為（0.003 6±0.000 1）～（0.006 2±0.000 4）mg/L，除3、4、5號站位外，1、2號站位均符合第Ⅰ類海水水質標準 （≤0.005 mg/L）；在跟蹤調查中，Cu含量最高值出現(xiàn)在2012年6月的3號站位（0.006 6 mg/L），符合第Ⅱ類海水水質標準（圖6）。

（2）Pb。在本底調查中，Pb的含量范圍（0.004 0±0.000 2）～（0.007 0±0.000 2）mg/L，最高值為0.007 mg/L，除5號站位符合第Ⅱ類海水水質標準 （0.001≤Pb≤0.005）外，其他站位均符合第Ⅲ類水質標準 （0.005≤Pb≤0.010）；在跟蹤調查中，Pb含量整體呈下降趨勢，除2011年7月的1、2、3號站位符合第Ⅲ類海水水質標準外，其他站位均符合第Ⅱ類海水水質標準 （圖7）。

圖6　不同年份魚礁區(qū)Cu含量變化情況Fig.6 Variations in Cu concentration in artificial reef area in different years

圖7　不同年份魚礁區(qū)Pb含量變化情況Fig.7 Variations in Pb concentration in artificial reef area in different years

（3）Cd。在本底調查中，Cd含量范圍為（0.006 0±0.000 2）～（0.009 0±0.000 5）mg/L，均符合第Ⅲ類海水水質標準（0.005≤Cd≤0.010）；在跟蹤調查中，Cd含量整體呈下降趨勢，除2012 年6月的1、2、5號站位符合第Ⅲ類海水水質標準外，其他站位均符合第Ⅱ類海水水質標準（圖8）。

圖8　不同年份魚礁區(qū)Cd含量變化情況Fig.8 Variations in Cd concentration in artificial reef area in different years

2.2水質評價

2.2.1富營養(yǎng)狀況評價 根據(jù)富營養(yǎng)化指數(shù)的營養(yǎng)水平分級標準 （表2），調查海域在本底調查中為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，4次跟蹤調查結果表明，獐子島海域屬于輕度富營養(yǎng)或貧營養(yǎng)水體，除2013年8月外，其他航次調查的富營養(yǎng)化指數(shù)總體呈下降趨勢 （圖9）。說明人工魚礁投放后對局部海域水體富營養(yǎng)化程度具有改善作用。

圖9　調查期間魚礁區(qū)海水營養(yǎng)指數(shù) （E）評價結果Fig.9 The results of trophic index（E）in sea water in artificial reef area during the period of investigation

2.2.2有機污染指數(shù)評價 根據(jù)有機物污染指數(shù)判別標準 （表4），本底調查時，只有4號站位的A值 （-0.159）小于0，水質良好，其余站位A值均小于1，水質較好；跟蹤調查時發(fā)現(xiàn)，魚礁區(qū)整體有機物污染指數(shù)呈下降趨勢。

表4　調查期間魚礁區(qū)海水有機污染指數(shù) （A）評價結果Tab.4 The organic pollution index（A）in artificial reef area during the period of investigation

2.2.3水質綜合評價 根據(jù)2010年6月—2014 年6月5次調查的3個海島水質評價平均值計算結果，將依據(jù)站位所在位置分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ （褡褳島、大耗島、小耗島）3個區(qū)域，得到3個區(qū)域的總體評價值分別為0.849、0.853、0.666。3個海島區(qū)域的總體評價值依次為Ⅱ區(qū)域＞Ⅰ區(qū)域＞Ⅲ區(qū)域 （圖10）。利用SPSS 19.0軟件對3個區(qū)域各水質指標的差異進行顯著性分析，結果表明，在顯著性水平α=0.05條件下，3個區(qū)域海水各指標均無顯著的區(qū)域性差異 （P＞0.05）（表5）。說明3個海島區(qū)域總體水質狀況雖存在差異但并不顯著。

3　討論

3.1水體中各要素的變化

獐子島人工魚礁投放海域DIN和DIP營養(yǎng)鹽，分別由投礁前的（0.659 3±0.008 0）、（0.045 8± 0.000 7）mg/L變化為投礁后的（0.043 2± 0.000 3）、（0.010 0±0.000 8）mg/L，由N/P結果可知，所有站位的N/P值均小于16（表6），依據(jù)N/P＜16時氮相對缺乏、N/P＞16時磷相對缺乏的標準［14］，可知調查水域中氮含量相對不足。說明人工魚礁流場對磷的富集作用大于氮，這可能與人工魚礁海域的沉積物所含成分有關［20］。在投礁一年后的2011年7月COD由投礁前的1～2 mg/L提高到6～7 mg/L，以后均保持在3～4 mg/L，其原因可能是魚礁投放初期產生的上升流作用，水體交換能力提高，水體耗氧量迅速增加，短時間內局部生境發(fā)生變化，從而導致COD含量急劇上升。但投礁兩年后，由于海水自身調節(jié)和交換作用，COD含量趨于穩(wěn)定，且高于投礁前。魚礁區(qū)DO含量較高，DO并非魚礁區(qū)浮游動植物生長的限制因子，說明該海域比較適合投建人工魚礁。

圖10　不同年份3個區(qū)域的總體評價值變化情況Fig.10 Overall changes in the values in three regions in different years

表5　各水質指標的區(qū)域性差異Tab.5 Differences in water quality among the three areas

表6　N/P的變化Tab.6 Variation in N/P value

3.2人工魚礁區(qū)水質綜合評價

對大連獐子島人工魚礁區(qū)海水總體評價值為0.627～0.992，最小值出現(xiàn)在2010年6月Ⅱ區(qū)域（大耗島），最大值出現(xiàn)在2012年6月Ⅱ區(qū)域 （圖10）?？傮w看，Ⅱ區(qū)域附近海水水質受投礁影響較大，由圖10可知：Ⅱ區(qū)域除2012年6月外，總體評價值呈上升趨勢，這可能是2012年6月水體溫度低，浮游植物生長速度緩慢，水中溶解氧升高，導致海水中營養(yǎng)鹽密度升高，此后的跟蹤調查中整體評價值總體呈明顯的上升趨勢，說明投礁后整體海水水質得到改善，且2014年6月的調查中Ⅱ區(qū)域總體評價值明顯高于Ⅰ、Ⅲ兩個區(qū)域；Ⅰ區(qū)域總體評價值呈先減后增趨勢，投礁一年后趨于穩(wěn)定，2011年7月投礁初期呈現(xiàn)下降趨勢，可能是投礁初期打破了該局部海區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境，經過一定時間的緩沖，進行了自我調節(jié)［14］，Ⅰ區(qū)域的總體評價值得到恢復；Ⅲ區(qū)域 （小耗島）總體評價值相對較低且變化不明顯。綜上所述，獐子島人工魚礁海域投礁效果若只從海水水質方面看，Ⅱ區(qū)域（大耗島）＞Ⅰ區(qū)域（褡褳島）＞Ⅲ區(qū)域（小耗島）。

本研究中，對本底調查和跟蹤調查的各指標差異進行顯著性分析 （表7），發(fā)現(xiàn)除COD和Pb兩個指標有顯著性差異之外，其他各指標均無顯著性差異 （P＞0.05）。因此，從整體來看，雖然投礁后水質得到了改善，但人工魚礁對水質的調控和改善作用需要更長時間才能凸顯出來［21］。

表7　本底調查和跟蹤調查各指標差異的顯著性分析Tab.7 　Significant difference in each index during the background survey and tracking survey

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中圖分類號：S953.1

文獻標志碼：A

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.03.018

文章編號：2095-1388（2016）03-0331-07

收稿日期：2015-09-18

基金項目：國家科技支撐計劃項目 （2013BAD23B02，2012BAD18B03）

作者簡介：劉永虎 （1984—），男，實驗師。E-mail：tiger@dlou.edu.cn

通信作者：田濤 （1979—），男，博士，副教授。E-mail：tian2007@dlou.edu.cn

Evaluation and changes in water quality at artificial reef area in Zhangzi Island in Dalian in summer

LIU Yong-hu，CHENG Qian，TIAN Tao，CHEN Yong，YIN Zeng-qiang，LIU Han-chao，WANG Yue
（Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

Abstract：The assessment of water quality was carried out before and after establishment of artificial reef area of Zhangzi Island based on the water environmental data from background survey in summer of 2010 and four surveys from summer of 2011 to summer of 2014 by eutrophication index（E），organic pollution index（A）and water quality comprehensive evaluation method.The results showed that the content of inorganic nitrogen（DIN）was reduced from（0.602±0.020）mg/L before construction of the artificial reef to（0.053±0.010）mg/L in summer of 2014 after construction of the artificial reef and that the content of inorganic phosphorus（DIP）was decreased from （0.033±0.005）mg/L before construction of the artificial reef to（0.016±0.004）mg/L in summer of 2014 after construction of the artificial reef，greater fluctuation in nitrogen level than in phosphorus level.The content of dissolved oxygen（DO）was higher than 6 mg/L in the artificial reef area except for the No.4 station in 2011，and chemical oxygen demand（COD）was increased up to 6-7 mg/L in 2011，compared with the 3-4 mg/L in other years.The contents of Pb and Cd were significantly reduced，and the average water A was decreased from 0.045± 0.004 before construction of the artificial reef to-0.277±0.002 after construction of the artificial reef in 2014，water quality level from good to excellent.The average eutrophication was decreased from 1.45±0.04 before construction of the artificial reef to 0.41±0.04 after construction of the artificial reef，water quality level from eutrophication to poor eutrophication.The comprehensive evaluation value revealed that the descending order of the water quality in the artificial reef was ranged as areaⅡ（Dahao Island）＞Ⅰ（Dalian Island）island area＞Ⅲ（Xiaohao Island），indicating that water quality was improved after construction of the artificial reef.

Key words：artificial reef；nutrient；water quality；Zhangzi Island