大長山人工生境開發(fā)示范區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

張露，田濤，馬智，劉永虎，楊軍，劉漢超

(1.大連海洋大學(xué) 遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023；2. 大連金普新區(qū)漁港監(jiān)督，遼寧 大連 116600)

人工魚礁是海洋牧場建設(shè)中的基礎(chǔ)生態(tài)工程，是修復(fù)與優(yōu)化近岸海域生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù)手段之一，也是水生生物人工生境開發(fā)的主要建設(shè)內(nèi)容之一。通常使用廢舊船只、不規(guī)則混凝土構(gòu)件、石塊等材料制作礁體，投放在水深、底質(zhì)、潮流等環(huán)境適宜的海域[1]，通過改變魚礁周圍海域的流、光、音、味、底質(zhì)等非生物環(huán)境因子，引起生物環(huán)境的變化[2]，使大量生物聚集在魚礁周圍，達(dá)到改善海域生態(tài)環(huán)境，聚集、養(yǎng)護(hù)和增殖漁業(yè)資源的目的[3-4]。

大長山島鎮(zhèn)位于大連市長?？h，其海洋生物資源豐富，盛產(chǎn)海膽、櫛孔扇貝、海參等名貴的海珍品[5]。近年來，由于無序的開發(fā)利用，海洋生態(tài)環(huán)境遭到一定破壞，部分近岸海域呈現(xiàn)海底荒漠化，野生資源已近枯竭。隨著海洋牧場建設(shè)的興起，海水增養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。通過投放人工魚礁營造海底生境，結(jié)合底播刺參生態(tài)苗種，于2013年11月建設(shè)了大長山人工生境開發(fā)示范區(qū)，自建成以來未進(jìn)行漁業(yè)、水質(zhì)建設(shè)效果對(duì)比評(píng)價(jià)。為此，本研究中根據(jù)2013—2014年示范區(qū)水質(zhì)環(huán)境的調(diào)查結(jié)果，分析了該示范區(qū)水質(zhì)環(huán)境的變動(dòng)情況及優(yōu)化效果，以期為綜合評(píng)價(jià)人工生境示范區(qū)建設(shè)效果提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查時(shí)間及站位設(shè)置

調(diào)查海域?yàn)榇箝L山人工生境開發(fā)示范區(qū)，范圍為(39°16.274′～39°18.059′N，122°36.938′～122°40.505′E)。調(diào)查期間，采用GPSMAP 60CSx 型全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在投放人工魚礁的海域設(shè)置5個(gè)采樣站位，并在附近海域選擇2個(gè)采樣點(diǎn)作為對(duì)照點(diǎn)，站位分布見圖1。

自2013年5月開始至2015年3月結(jié)束，分別在2013、2014年的5月、8月、11月及次年3月進(jìn)行出海調(diào)查，共進(jìn)行7個(gè)航次的調(diào)查。

1.2 方法

對(duì)大長山人工生境示范區(qū)的水文環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，測定項(xiàng)目包含水溫、鹽度、pH等20個(gè)水化學(xué)指標(biāo)。取樣分析方法參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 173784-2007)[6]。

1.2.1 主成分分析評(píng)價(jià)法 主成分分析法(PCA)也稱主變量分析法，是將數(shù)據(jù)降維研究或特征提取的研究方法，其主要操作原理是將一組相關(guān)變量線性變換為另一組不相關(guān)的變量，從而使研究更加簡便[7]。優(yōu)勢在于可從多個(gè)變量中篩選出最具影響的綜合因子，最大限度地保留原有信息并客觀地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，可避免主觀的隨意性[8]?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，主成分分析法已被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)分析、水體富營養(yǎng)化及重金屬污染分析等方面[8-14]。

圖1 調(diào)查站位分布圖Fig.1 Sampling sites during the survey

本研究中，分析指標(biāo)為水溫(X1)、鹽度(X2)、pH(X3)、化學(xué)需氧量(COD)(X4)、溶解氧(DO)(X5)、總氮(TN)(X6)、總磷(TP)(X7)、無機(jī)氮(DIN)(X8)、銨鹽(X9)、硝酸鹽(X10)、亞硝酸鹽(X11)、葉綠素(X12)、活性磷酸鹽(X13)、銅(Cu)(X14)、鎘(Cd)(X15)、鉛(Pd)(X16)、砷(As)(X17)、鋅(Zn)(X18)、汞(Hg)(X19)、石油類(X20)。

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可以排除數(shù)量級(jí)及量綱不同對(duì)結(jié)果帶來的影響[7]，其計(jì)算公式為

(1)

(2)建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣。使用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣，其計(jì)算公式為

X=(Xij)n×p。

(2)

其中：n為樣本數(shù)；p為每個(gè)樣本的指標(biāo)數(shù)。

(3)建立相關(guān)系數(shù)矩陣。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣R，同時(shí)計(jì)算R的特征值和特征向量[9]，其計(jì)算公式為

(3)

R=(rij)p×p。

(4)

(4)轉(zhuǎn)化主成分。根據(jù)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量lg1，lg2，…，lgp，將標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為主成分[15]，主成分(Fg)計(jì)算公式為

Fg=X×lgi。

(5)

(5)確定主成分個(gè)數(shù)。特征值表示了主成分對(duì)指標(biāo)變量影響的力度大小，若特征值小于1.0，說明主成分對(duì)結(jié)果的解釋力度不夠[16]。根據(jù)主成分特征值大于1.0的原則確定主成分個(gè)數(shù)[17]。

(6)主成分綜合得分。計(jì)算主成分的值及各主成分的方差貢獻(xiàn)率，然后計(jì)算主成分的綜合得分[18]，其計(jì)算公式為

Fig=Xi1lg1+Xi2lg2+…+Xiplgp，

(6)

(7)

其中，λg為特征值。本研究中規(guī)定，主成分得分F≤1為Ⅰ類水質(zhì)，13為Ⅲ類水質(zhì)。

1.2.2 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法 用單因子指數(shù)法，將評(píng)價(jià)因子與《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)進(jìn)行比較，以確定各個(gè)評(píng)價(jià)因子代表的水質(zhì)類別，在所有評(píng)價(jià)因子的水質(zhì)類別中，選取最差的水質(zhì)類別作為整個(gè)水體的水質(zhì)類別，并確定水體中最為主要的污染因子。除溶解氧指數(shù)與pH指數(shù)計(jì)算方法不同外，其余因子指數(shù)的計(jì)算方法如下：

Ii=Ci/Si。

(7)

其中：Ii為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測濃度；Si為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

溶解氧指數(shù)(Pi)計(jì)算方法為

Pi=(Cimax-Ci)/(Cimax-CiO)。

(8)

其中：Cimax為本次調(diào)查中溶解氧含量的最大值(mg/L)；CiO為溶解氧的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)。

pH指數(shù)(SpH)計(jì)算方法為

SpH=|pH-pHsm|/Ds，

(9)

pHsm=(pHsu+pHsd)/2，

(10)

Ds=(pHsu-pHsd)/2。

(11)

其中：pHsm為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH上下限的平均值；Ds為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH上下限差值的一半；pHsu為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH的上限值；pHsd為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH的下限值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主成分分析使用SPSS軟件進(jìn)行[19]。主成分得分和原始變量的相關(guān)系數(shù)分析使用斯皮爾曼檢驗(yàn)分析[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

本研究中，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.625，Bartlett的球形檢驗(yàn)值小于0.001，說明本次收集數(shù)據(jù)對(duì)主成分分析法的適用性較好，變量間存在相互關(guān)系，適用于主成分分析法。采取特征值大于1.0的原則確定選擇前6種主成分，這6種主成分解釋了79.165%的結(jié)果，初始主成分及選擇的主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率如表1所示。主成分分析中的因子荷載值如表2所示。

表1矩陣的特征根、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

Tab.1 Eigenvalues, variance contribution and accumulative contribution rates in principal components%

表2 主成分分析中的因子荷載值Tab.2 Various factors loadings in principal components

荷載值代表了各個(gè)指標(biāo)與主成分間的相關(guān)性關(guān)系，指標(biāo)與某個(gè)成分的荷載絕對(duì)值越大，就說明指標(biāo)與該成分的相關(guān)性越強(qiáng)[20-21]。主成分1對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為25.640%，其中銨鹽、無機(jī)氮、溶解氧等占有較高權(quán)重，無機(jī)氮營養(yǎng)鹽等會(huì)為水域的浮游植物提供營養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)[22]，故主成分1被命名為初級(jí)生產(chǎn)力指標(biāo)。主成分2對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為19.822%，其中鹽度、水溫占有較高權(quán)重，鹽度是重要的物理因子，對(duì)藻類生長及水體富營養(yǎng)化有重要影響[23]，主成分2屬于物理環(huán)境因子。主成分3對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為13.735%，占有較高權(quán)重的為鋅、鉛。主成分4對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為9.095%，占有較高權(quán)重的為砷、銅，主成分3和主成分4同屬于重金屬指標(biāo)。主成分5對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為5.605%，占有較高權(quán)重的為活性磷酸鹽、汞。主成分6對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為5.268%，占有較高權(quán)重的為硝酸鹽。

2.2 主要水質(zhì)狀況的時(shí)空分布特征

根據(jù)主成分得分計(jì)算公式，分別計(jì)算出大長山海域投放人工魚礁前后示范區(qū)及對(duì)照區(qū)的主成分得分，變化趨勢見圖2。通過計(jì)算得出，大長山海域2013年11月前示范區(qū)主成分得分平均值為-0.123，變化范圍為-0.972～0.582，對(duì)照區(qū)主成分得分平均值為-0.144，變化范圍為-0.638～0.105；2013年11月后示范區(qū)主成分得分平均值為0.040，變化范圍為-1.535～3.646，對(duì)照區(qū)主成分得分平均值為0.104，變化范圍為-1.322～3.706。除2014年8月航次示范區(qū)得分為3.646、對(duì)照區(qū)得分為3.706外，其余航次得分均不超過0.6，結(jié)果表明，大長山海域總體水質(zhì)情況良好。

圖2 示范區(qū)與對(duì)照區(qū)主成分得分隨時(shí)間變化Fig.2 Changes in score of main components in the demonstration area and control area with experimental dates

2.3 單因子指數(shù)分析

示范區(qū)和對(duì)照區(qū)單因子指數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。按照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—1997)，將調(diào)查結(jié)果與Ⅰ類海水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，示范區(qū)所有調(diào)查項(xiàng)目均符合Ⅰ類海水標(biāo)準(zhǔn)(圖3)，對(duì)照區(qū)除2014年8月航次汞金屬指標(biāo)得分為1.05外，所有調(diào)查項(xiàng)目均符合Ⅰ類海水標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。將對(duì)照區(qū)每個(gè)航次汞離子的調(diào)查結(jié)果與Ⅱ類海水標(biāo)準(zhǔn)比較，結(jié)果表明全部符合Ⅱ類海水標(biāo)準(zhǔn)。本研究表明，示范區(qū)水質(zhì)良好，屬Ⅰ類海水，對(duì)照區(qū)2014年8月航次調(diào)查水域?qū)佗蝾惡Ｋ溆嗪酱握{(diào)查水域均屬Ⅰ類海水。單因子指數(shù)分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果基本一致。

圖3 示范區(qū)單因子指數(shù)分析圖Fig.3 Graph of single factor index in the demonstration area

圖4 對(duì)照區(qū)單因子指數(shù)分析圖Fig.4 Graph of single factor index in the control area

3 討論

3.1 水環(huán)境因子的時(shí)間分布

運(yùn)用主成分分析法將20個(gè)水質(zhì)指標(biāo)綜合為6個(gè)主成分，解釋了79.165%的結(jié)果，基本能夠反映原指標(biāo)信息。結(jié)果表明，大長山海域整體水質(zhì)情況良好。

2014年5月水質(zhì)污染較輕，這可能是因?yàn)?月光照條件好，水體中的浮游植物及礁體上附著的藻類增多，對(duì)水體中營養(yǎng)鹽等利用率增高，從而改善了水質(zhì)[24]。這與唐偉堯[25]的研究結(jié)果春季是藻類群落豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)最高的季節(jié)相符。2014年8月水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，可能是因?yàn)?、8月份為雨季，大量的降雨使得陸地上淡水中的營養(yǎng)鹽、重金屬等物質(zhì)向海洋中轉(zhuǎn)移，過強(qiáng)的光照、過高的溫度等自然條件限制了浮游植物的活性，降低了營養(yǎng)鹽的利用率，大量的營養(yǎng)鹽無法被利用，海水中營養(yǎng)鹽濃度增加，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢。此外，7、8月份為漁業(yè)主要作業(yè)月份，大量漁船從碼頭出發(fā)從事捕撈活動(dòng)，沿岸的重金屬、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)被帶入海洋中，同時(shí)船舶在作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的石油類污染物，也是海水污染的一個(gè)重要因素。

3.2 水環(huán)境因子的空間分布

現(xiàn)有關(guān)于人工魚礁投放效果的研究表明，人工魚礁的環(huán)境功能包括許多方面，例如，長期投放人工魚礁后會(huì)使海水特質(zhì)發(fā)生變化，減緩富營養(yǎng)化的發(fā)展進(jìn)程，可以改善海洋漁場和增養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，提高海域生物多樣性，使得海域中生物結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定等[26-33]。

鑒于大長山人工生境示范區(qū)水域目前并無其他可參考的水質(zhì)數(shù)據(jù)，因此，本研究只對(duì)此次調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比示范區(qū)與對(duì)照區(qū)的水質(zhì)參數(shù)。本研究中，大長山海洋牧場示范區(qū)及對(duì)照區(qū)水質(zhì)對(duì)比結(jié)果表明，包括溫度、鹽度、透明度在內(nèi)的海洋水文環(huán)境因子無明顯差異，其原因可能是因?yàn)橥斗湃斯~礁時(shí)間較短且示范區(qū)與對(duì)照區(qū)距離較近，從而使水文變化呈現(xiàn)相同趨勢。而營養(yǎng)鹽及重金屬調(diào)查結(jié)果表明，示范區(qū)與對(duì)照區(qū)有輕微差異但不顯著，其主要原因可能是投放人工魚礁后示范區(qū)的水質(zhì)得到了改善，但由于示范區(qū)與對(duì)照區(qū)地理距離相距較近，海水在洋流的作用下不斷交換，導(dǎo)致示范區(qū)和對(duì)照區(qū)環(huán)境條件趨于相近。這與秦伯強(qiáng)等[34]提出水體中營養(yǎng)鹽的分布與存在形式會(huì)受到水動(dòng)力條件的影響，以及陳偉民等[35]提出水動(dòng)力條件會(huì)改變水體中理化環(huán)境因子及懸浮物、透明度、pH和營養(yǎng)鹽的濃度的觀點(diǎn)相符。建議未來在對(duì)大長山人工生境示范區(qū)建設(shè)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)在較遠(yuǎn)地點(diǎn)設(shè)置對(duì)照點(diǎn)，以期達(dá)到更好的對(duì)比效果。