圍填海對芝罘灣生態(tài)環(huán)境的影響

王 璐， 夏 瑞， 陳 焰， 王 曉， 張 遠， 孫 偉， 曹圣潔， 馬淑芹*， 徐艷東

1.中國環(huán)境科學研究院， 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 2.北京師范大學， 北京 100875 3.山東省海洋資源與環(huán)境研究院， 山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室， 山東 煙臺 264006 4.中國海洋大學， 山東 青島 266100

近年來，隨著我國沿海區(qū)域經(jīng)濟和城市化進程的快速發(fā)展，土地資源和空間資源的短缺問題逐漸暴露，并愈加顯著. 圍填海開發(fā)活動己經(jīng)成為各國沿海地區(qū)拓展空間、緩解人地矛盾的一種重要方式[1]，加之越來越現(xiàn)代化的高科技設備和技術(shù)使得圍填海工程更加容易進行[2-3]，從而在歐洲和亞洲國家掀起了一股圍填海的熱潮[4]，中國[5-6]、荷蘭[7]、韓國[8-10]、日本[11]等國家已開展了多年大規(guī)模圍填海的活動. 這些圍填海活動給許多國家?guī)砹私?jīng)濟效益，但同時也對海洋環(huán)境造成了不可忽視的負面影響[12-14].

有關(guān)圍填海工程對近海海洋環(huán)境的負面影響已引起國內(nèi)外學者的關(guān)注[15]，如Oyedotun等[16-19]基于遙感技術(shù)對圍填海進行動態(tài)監(jiān)測，并通過數(shù)學模型、GIS遙感等研究方法討論了圍填海工程對海域表層水、沉積物、海洋生物的影響，結(jié)果表明圍填海破壞了生物棲息地，導致生物多樣性喪失，影響到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性. 林磊等[20-21]研究表明，圍填海會縮短海洋自然岸線的長度、減小海灣面積、減弱水交換能力，從而造成水環(huán)境質(zhì)量下降；YAN等[22]認為，圍填海施工過程對沉積物的擾動、圍填海所用填埋材料的使用均會導致海域水質(zhì)惡化，并估算了錦州灣海上機場建設過程中產(chǎn)生的懸浮物造成的海洋生態(tài)損失，結(jié)果表明施工不當可能會造成價值200萬美元的漁業(yè)損失，包括近3.91×108顆魚卵、1.52×108條幼魚和142 t游泳生物；Lee等[23]對圍填海造成的沉積物變化進行了研究，結(jié)果表明，韓國Donggum-do東部鹽土植物山茶的突然消失是由于圍填海工程減弱了潮流、增加了海域沉積速率并超過了發(fā)芽的臨界值，從而導致該物種的快速消亡；LI等[24-25]的研究也表明圍填海會造成沉積物中污染物含量增加；黃備等[26]通過研究海洋生態(tài)對圍填海工程的響應，發(fā)現(xiàn)圍填海工程的增加造成了海洋浮游生物的減少；Sato等[27]對1997年日本圍填海前后的生態(tài)環(huán)境進行了研究，發(fā)現(xiàn)圍填海工程隔絕了艾撒哈亞灣與外海的交換，海水鹽度下降導致本地11個海洋雙殼類物種的快速死亡和外來物種的入侵. 半封閉海灣由于水域相對狹窄、水動力交換條件較差等原因[28]，海洋環(huán)境變化受大規(guī)模圍填?；顒拥挠绊懜? 芝罘灣是山東半島北部的天然良港，其南側(cè)的煙臺港是我國北方的重要港口，1985年以來，海灣面積持續(xù)縮小[29]，如何保護和合理利用芝罘灣已成為煙臺市乃至膠東半島地區(qū)發(fā)展的重大問題.

前人對芝罘灣的研究側(cè)重于單次調(diào)查結(jié)果，且大多在20世紀90年代，如林榮根等[30-31]分別對20世紀90年代芝罘灣的底質(zhì)和底棲動物進行了監(jiān)測和分析，但鮮見長時期、大規(guī)模圍填海活動對海洋生態(tài)環(huán)境影響研究的相關(guān)報道. 鑒于此，該研究通過對1985年、1993年、2010年及2017年的實測數(shù)據(jù)進行處理與分析，研究1985—2017年大規(guī)模、長時間的圍填海工程對典型半封閉海灣芝罘灣的表層水、沉積物和海洋生物的空間分布及年際變化的影響，從而為合理開發(fā)利用海灣提供理論指導，弱化圍填海工程對海洋環(huán)境帶來的消極影響，使芝罘灣的經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護能夠協(xié)調(diào)發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

芝罘灣位于煙臺市正北，是一個“C”字形半封閉式海灣，面積約30.7 km2，口門北起芝罘島東南角，南至東炮臺山，地理坐標為37°32′48″N～37°32′07″N、121°25′24″E～121°25′47″E；北側(cè)為與陸地相連的芝罘島，東側(cè)有崆峒島等遮擋，灣口眾多島嶼組成自然擋風屏障，對偏北向的波浪具有極好的掩護作用，灣內(nèi)水域開闊、浪小流穩(wěn). 芝罘灣位于中緯度地區(qū)，四季分明，氣候宜人，年均氣溫12.5 ℃，年均降雨量737.9 mm，其水深小于20 m，由于水深較淺，水溫受季節(jié)的影響變化較為顯著.

1.2 采樣站位與監(jiān)測方法

該研究系統(tǒng)收集了1985年8月、1993年8月和2010年8月芝罘灣表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)，沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)和海洋生物中ρ(Chla)等數(shù)據(jù)；同時，通過野外采樣與室內(nèi)試驗測定2017年8月表層水、沉積物、海洋生物中各對應指標的實測數(shù)據(jù). 各調(diào)查項目均按照GB 17378—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》及GB 12763—2007《海洋調(diào)查規(guī)范》的條款進行采樣、檢測、分析. 表層水樣品于水面下0～0.5 m深處采集，沉積物樣品于4 ℃下冷藏，低溫避光保存運送至實驗室，48 h內(nèi)進行測定；浮游生物和底棲生物分別使用拖網(wǎng)法和采泥器采集，冷凍至-20～-10 ℃下保存帶回實驗室進行分類鑒定、計數(shù)和稱重.

通過ArcGIS 10.2軟件對芝罘灣遙感影像進行解譯，得到4個時期芝罘灣圍填海活動的變化情況. 其中，1985年8月海灣面積為32.2 km2，調(diào)查站位43個；1993年8月海灣面積為30.4 km2，調(diào)查站位18個；2010年8月海灣面積為26.4 km2，調(diào)查站位12個；2017年8月海灣面積為25.1 km2，調(diào)查站位12個. 1985—2017年累積圍填海面積達7.1 km2，占原海灣面積的22.05%，4個時期調(diào)查站位及填海區(qū)域如圖1所示.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

圖1 不同時期芝罘灣岸線及采樣站位分布Fig.1 Distribution of shoreline and sampling stations in Zhifu Bay in different periods

利用SPSS 22.0軟件，對表層水、沉積物數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One Way ANOVA)，對海洋生物數(shù)據(jù)進行t檢驗以分析數(shù)據(jù)的顯著性；利用克里金插值法(Kriging)對芝罘灣表層水、沉積物中污染物的空間分布情況進行分析，利用對比分析法對表層水、沉積物和海洋生物的各項監(jiān)測指標在不同時期的變化趨勢進行分析；采樣點分布圖及污染物空間分布圖于Surfer 11軟件中繪制，年際變化折線圖及柱狀圖采用Origin 9.1軟件繪制. 利用統(tǒng)計學方法分別對生物樣品的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)等進行計算并分析，計算公式：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：

(1)

均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))(J)：

J=H′Hmax

(2)

式中,H′為種類多樣性指數(shù)值,Hmax為log2S，表示多樣性指數(shù)的最大值.

豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))(d)：

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 芝罘灣表層水、沉積物的時空變化

由圖2可見，1985年、2010年和2017年芝罘灣海域表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)均呈自灣頂向灣口逐漸降低的趨勢. 1985年，除ρ(Pb)外，其他水質(zhì)指標的最高值均出現(xiàn)在灣頂南部，其他海域污染物濃度較低；2010年，岸線向海延伸，污染物濃度的高值區(qū)域也隨之向海擴散，主要出現(xiàn)在灣頂附近；2017年，隨著圍填?；顒拥倪M行，岸線更加向海延伸，污染物濃度的高值區(qū)面積隨之擴張. 這與渤海灣的研究結(jié)果[32]一致，即隨著岸線的變化，表層水中污染物的污染范圍有所擴大，污染物濃度高值區(qū)發(fā)生自灣內(nèi)向外擴展的趨勢.

由圖3可見，1985年、1993年、2010年和2017年芝罘灣海域內(nèi)沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)均呈自灣頂向灣口逐漸降低的趨勢. 隨著圍填?；顒拥倪M行，岸線向海延伸，污染范圍也隨之擴大. 從平面分布上來看，4個時期圍填海變化劇烈的區(qū)域內(nèi)w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)也較高. 林榮根等[30]研究表明，芝罘灣的Hg、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd等10項環(huán)境因子呈自灣周圍向灣中心擴散的趨勢. 秦延文等[33]在渤海灣的研究表明，圍填海工程會引起沉積物中重金屬含量在空間分布上呈自灣內(nèi)向灣外遞減的趨勢. 以上均與芝罘灣沉積物空間分布的研究結(jié)果一致. 這可能是由于圍填海工程主要在岸邊進行，施工過程中會產(chǎn)生污染物、造成水體污染，隨著污染物的遷移擴散過程，遠岸的污染物濃度會低于近岸. 同時，灣口處與外海的水交換過程更為強烈，從而降低了污染物濃度，而灣頂部污染物因與外海的水交換作用較弱，從而導致污染物稀釋過程遠不如遠岸區(qū).

2.2 芝罘灣水質(zhì)、沉積物、海洋生物的年際變化

采用單因素方差分析法，分析表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)等6項指標在不同年份的差異性，從表1可以看出，ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)均呈現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05). 沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)等4項指標的單因素方差分析結(jié)果見表2，可以看出，不同年份的w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)均呈現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05). 采用t檢驗分析2010年與2017年海洋生物數(shù)據(jù)的差異性，結(jié)果見表3，可見，不同年份樣本的均勻度指數(shù)未表現(xiàn)出顯著性(P>0.05),表現(xiàn)出一致性；而ρ(Chla)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)呈現(xiàn)出顯著差異性(P<0.05)，意味著可以進行統(tǒng)計學分析.

由于人為活動的影響，芝罘灣近岸出現(xiàn)表層水、沉積物等污染因子的高值區(qū)，為了能較好地反映灣內(nèi)整體的情況，選取灣內(nèi)中間區(qū)域作為各監(jiān)測指標的研究區(qū)域(見圖4中矩形框所示區(qū)域)，其中，水質(zhì)指標分析采用該區(qū)域內(nèi)1985年、2010年和2017年ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)這6項的平均值，沉積物指標分析采用該區(qū)域內(nèi)1985年、1993年、2010年和2017年w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)這4項的平均值. 由于海洋生物監(jiān)測站點(見圖1)較少，因此取全部監(jiān)測值的平均值.

碾壓式瀝青混凝土心墻布置于壩體內(nèi)部，受光照、氣溫等外界因素影響較小，防滲心墻布設結(jié)構(gòu)縫、整體施工，具有防滲性能好、抗沖蝕能力強、不存在水力劈裂破壞問題、與壩基混凝土基座容易連接等優(yōu)點。目前已在防滲土料匱乏地區(qū)和寒冷、嚴寒采用土料施工困難地區(qū)得到較為廣泛應用。

2.2.1表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的年際變化

由圖5可見，1985年、2010年和2017年芝罘灣表層水中ρ(TN)分別為28.80、318.25、361.97 μgL，從年際變化上來看，灣內(nèi)ρ(TN)的平均值呈上升趨勢，2010年和2017年均處于較高水平，相比于1985年分別增加了約10、12倍. 1985年、2010年和2017年ρ(TP)分別為2.80、22.75、2.38 μgL，從年際變化上來看，1985—2010年，灣內(nèi)ρ(TP)平均值上升了約7倍，2010—2017年大幅下降，恢復到1985年的水平. 1985—1993年，ρ(TN)和ρ(TP)均呈上升趨勢，但2010年以后，ρ(TN)仍呈上升趨勢，ρ(TP)則大幅下降，這可能是由于原農(nóng)業(yè)部于2011年頒布的《農(nóng)業(yè)部第1586號公告》，對農(nóng)藥生產(chǎn)、經(jīng)營及農(nóng)藥使用方法做出了明確規(guī)定，自2013年10月31日起全面停止10種含磷農(nóng)藥的銷售和使用，導致磷排放量減少，形成灣內(nèi)ρ(TP)下降的現(xiàn)象[34].

圖2 1985年、2010年、2017年芝罘灣表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ρ(TN), ρ(TP), ρ(Cu), ρ(Pb), ρ(Zn), ρ(Cr) in the water of Zhifu Bay in 1985, 2010, 2017

圖3 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘灣沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of w(Cu), w(Pb), w(Zn), w(Cr) in the sediment of Zhifu Bay in 1985, 1993, 2010 and 2017

表1 不同年份表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的單因素方差分析結(jié)果

表2 不同年份沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的單因素方差分析結(jié)果

芝罘灣表層水中ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的年際變化趨勢一致(見圖6)，1985—2017年均呈現(xiàn)大幅上升趨勢，相比于1985年，2017年ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)分別上升了約8、7、2、14倍. 究其原因：①由于芝罘灣以物流業(yè)為主要功能，排污口、排污量無明顯增加，但圍填海工程使岸線向海淤進，導致灣內(nèi)面積減小. 在排放量不變的情況下，灣內(nèi)面積越小、污染物濃度越高. ②圍填海造成灣內(nèi)水動力的減弱影響了其自凈能力，流速和納潮量減小，弱化了污染物的遷移擴散，對其與外海的交換產(chǎn)生了不利影響，從而造成海域營養(yǎng)鹽和重金屬濃度升高. 這與婁迪[37]利用MIKE模擬遼東灣水環(huán)境的研究結(jié)果一致，岸線變化會引起近岸海域的水動力發(fā)生改變，這可能會引起遼東灣內(nèi)水體污染程度加劇. 水環(huán)境的變化原因復雜，外源輸入是一個重要因素，疏浚工程也會導致灣內(nèi)生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，而圍填海會引起的岸線變化、污染物濃度增加、水動力減弱等因素也是造成灣內(nèi)水質(zhì)變差的重要原因.

表3 不同年份海洋生物中ρ(Chla)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、均勻度、豐富度指數(shù)的t檢驗分析結(jié)果

圖4 芝罘灣表層水年際變化研究區(qū)域及站點位置Fig.4 Interannual change research area and site location

圖5 芝罘灣表層水中ρ(TN)、ρ(TP)的年際變化Fig.5 Inter-annual change of ρ(TN), ρ(TP) in water quality of Zhifu Bay

圖6 芝罘灣表層水中ρ(Cu)、 ρ(Pb)、ρ(Zn)、 ρ(Cr)的年際變化Fig.6 Interannual variation of ρ(Cu), ρ(Pb), ρ(Zn), ρ(Cr) in surface water of Zhifu Bay

2.2.2沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的年際變化

Chapman[38]研究表明，岸邊污染物、港口航運是造成近岸環(huán)境污染的原因，工業(yè)廢水和生活污水的排放是沉積物中重金屬因積累而升高的原因；LI等[24]通過對沉積物中重金屬含量進行分析得到了圍填海對沉積物的影響，通過各種途徑輸送入海的重金屬包括自然來源和人類活動來源，能夠快速地從水體轉(zhuǎn)移到沉積物中. 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘灣內(nèi)w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的變化情況如圖7所示，結(jié)果顯示，四者均在1993年出現(xiàn)最高值，相比于1985年上升顯著. 這是由于1985—1993年大規(guī)模長時間的圍填海活動使岸線向海淤進，從而使沉積物中重金屬得到了累積，其含量顯著上升. 1993—2010年w(Cu)、w(Pb)基本沒有發(fā)生變化，w(Zn)、w(Cr)分別下降了44.32%、32.15%，這是由于在20世紀末期污水處理廠的建立和對排污河水的截流措施，以及芝罘灣直排污水口的削減，極大地減少了灣內(nèi)外源污染物的輸入，從而使沉積物中污染物含量持平或減小. 2010—2017年，w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)分別下降了60.13%、77.25%、39.17%、25.32%，降幅明顯，根據(jù)調(diào)研得知，這是由于2016年12月芝罘灣港區(qū)北航道改建工程疏浚底泥總方量為452.72×104m3，從而使沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)下降. 疏浚過程會改變沉積物的粒徑，而沉積物粒徑會影響到其對重金屬的吸附作用，同時疏浚過程會使沉積物中的重金屬得以釋放，從而使水體中重金屬含量上升. 總體來看，圍填海會對芝罘灣沉積物產(chǎn)生影響，使其重金屬含量增加.

圖7 芝罘灣沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的年際變化Fig.7 Interannual variation of w(Cu), w(Pb), w(Zn), w(Cr) in the sediments of Zhifu Bay

2.2.3海洋生物年際變化

2010年和2017年芝罘灣海域表層水中ρ(Chla)的最大值分別為4.44和1.70 μgL，最小值分別為1.74和0.85 μgL，平均值分別為3.11和1.31 μgL，3個統(tǒng)計指標均呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是由于灣內(nèi)表層水和沉積物的污染加重，從而灣內(nèi)浮游生物減少，致使ρ(Chla)下降了約58.00%. 這與婁迪[37]利用MIKE模擬遼東灣的水環(huán)境的結(jié)果一致，岸線變化會引起近岸海域的ρ(Chla)顯著下降.

2010年和2017年芝罘灣分別檢測出海域浮游植物61種和32種，減少了47.50%；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)從2.88降至2.29，下降了20.49%；豐富度指數(shù)從3.75降至1.15，下降了69.33%. 2010年和2017年分別鑒定出浮游動物30種和17種，減少了43.30%；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值從2.66降至2.25，下降了15.41%；豐富度指數(shù)從4.26降至0.53，下降了87.56%. 2010年和2017年分別鑒定出底棲生物38種和28種，底棲生物的種類數(shù)量下降了26.30%；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值從2.21降至1.98，下降了10.41%；豐富度指數(shù)從1.47降至0.56，下降了61.90%. 這可能是因為圍填?；顒邮拱毒€向海淤進，填埋了部分浮游生物原本的棲息地，迫使近岸海洋生物遷移，對海洋生物的多樣性、數(shù)量及生態(tài)結(jié)構(gòu)造成影響，致使海洋生物死亡，近海漁業(yè)資源銳減；同時，填料會污染近海生物的生存環(huán)境，對生物健康造成危害. Naser[39]研究表明，圍填海導致底質(zhì)環(huán)境遭到破壞，大部分底棲生物被掩埋，其生存率均降低50.00%以上，且臨近圍填海工程附近海域底棲動物的科數(shù)目和豐度都顯著降低. PENG等[40-41]對廈門灣的研究結(jié)果也與此一致，圍填海造成生態(tài)價值的損失，表明圍填海對生物多樣性產(chǎn)生一定負面影響，會帶來更大的環(huán)境成本.

3 結(jié)論

a) 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘灣表層水中和沉積物中污染物分布狀況一致，表層水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)和沉積物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)在平面分布上均呈自灣頂向灣口逐漸降低的趨勢；隨著圍填海的進行，灣內(nèi)污染物含量的高值區(qū)面積增大，且位置隨岸線向海擴張.

b) 圍填海會引起岸線變化、污染物含量增加、水動力減弱，導致灣內(nèi)水體和沉積物環(huán)境變差、海洋生物減少. 相比于1985年，2017年表層水中ρ(TN)、TNTP、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)分別上升了約12、14、8、7、2、14倍，由于國家對含磷農(nóng)藥的限制，導致ρ(TP)呈下降趨勢. 圍填海會使沉積物中重金屬含量增加，但由于2016年底的疏浚工程，2010—2017年沉積物中的w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)分別降低了約60.13%、77.25%、39.17%、25.32%. 2010—2017年ρ(Chla)減少了約58.00%；浮游植物、浮游動物、底棲生物的物種數(shù)量分別下降了近47.50%、43.30%、26.30%，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別減小了20.49%、15.41%、10.41%，豐富度指數(shù)分別減小了69.33%、87.56%、61.90%.

c) 圍填海使芝罘灣的面積減小、水動力變?nèi)?、自凈能力變差，圍填海活動對芝罘灣水動力環(huán)境和海洋生態(tài)環(huán)境的影響不斷增加，應合理規(guī)劃芝罘灣，減少圍填海工程，保持其生態(tài)平衡.