鲅魚圈海域魚礁區(qū)投礁前的生態(tài)環(huán)境調(diào)查評估

張明燡，田濤，吳忠鑫，劉敏，楊軍，高東奎

（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）

投放到海域中的人工魚礁能夠產(chǎn)生餌料效應(yīng)、流場效應(yīng)、庇護(hù)所效應(yīng)、陰影效應(yīng)和音響效應(yīng)等，吸引生物聚集、棲息、繁衍，增加礁區(qū)周圍海域的生物量，是修復(fù)和優(yōu)化海域生態(tài)環(huán)境，建設(shè)海洋水生生物生息場的人工設(shè)施，是海洋牧場建設(shè)的基礎(chǔ)生態(tài)工程。近年來，中國人工魚礁建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，部分新材料、新結(jié)構(gòu)、新功能魚礁得到規(guī)模化應(yīng)用。選址是人工魚礁建設(shè)的關(guān)鍵，海洋水文特別是底質(zhì)環(huán)境及生物環(huán)境直接影響魚礁建設(shè)效果，因此在投礁前進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境調(diào)查及評估極為重要，直接關(guān)系到魚礁建設(shè)的成敗。

營口鲅魚圈區(qū)位于渤海遼東灣東北岸，地理坐標(biāo)在北緯40°15'～40°20'，東經(jīng)122°8'～122°15'；屬大陸性溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.8℃，最高氣溫36.9℃，最低氣溫-31℃，年平均降水量近700 mm。2018 年6 月在鲅魚圈海洋牧場人工魚礁區(qū)海域投礁前開展了生態(tài)調(diào)查，分析評估了該海域的海洋資源環(huán)境條件等，旨在探討該海域建設(shè)人工魚礁的可行性，并為今后評價人工魚礁的資源養(yǎng)護(hù)效果以及在區(qū)域內(nèi)開展海洋牧場建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查海域狀況概述

鲅魚圈海域地處北溫帶，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，多年平均氣溫10.7℃，降水量500～600 mm，海水鹽度為30，水溫變化受北方大陸性氣候影響，2 月在0℃左右，8 月達(dá)21℃。截至2013 年，共有海岸線28.5 km，海域使用面積13 400 hm2。2008 年漁業(yè)總產(chǎn)值實現(xiàn)107 500 萬元，水產(chǎn)品總量119 500 t，其中海洋捕撈產(chǎn)量38 000 t，海產(chǎn)養(yǎng)殖81 500 t。盛產(chǎn)鲅魚、對蝦、海蜇等海產(chǎn)品。

目前渤海整個海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量尚好，絕大部分水域水質(zhì)以二類和三類海水為主，生物種類豐富、生物量高，群落結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，但在長期承受污染較大的河口近岸區(qū)，尤其是與城市毗鄰的和排污河流入河口附近的海區(qū)環(huán)境污染嚴(yán)重，富營養(yǎng)化程度高，赤潮發(fā)生頻繁，對海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的壓力較大，出現(xiàn)某些低營養(yǎng)級生物群落組成趨向簡化，耐污種生物增多，種類多樣性指數(shù)降低，生物種群下降，部分重金屬在生物體重的蓄積量較高，潛在危害人體健康。

調(diào)查海域以貝類產(chǎn)品及海珍品如赤貝Scapharca broughtonii、花蛤Ruditapes philippinarum、扇貝Chlamys（Azumapecten）Farreri、海 參Apostichopus japonicus 等的養(yǎng)殖為主，濾食性貝類像一只只有機(jī)顆粒“過濾器”，被過濾到的食粒一部分用于貝類的生長，一部分則主要以氨和磷酸鹽的形式排泄到水中，更有相當(dāng)一部分以生物沉積的形式累積在養(yǎng)殖區(qū)底部，導(dǎo)致濾食性貝類養(yǎng)殖系統(tǒng)的自身污染，而海洋牧場建設(shè)及人工魚礁的投放可在不大幅影響環(huán)境的情況下，起到恢復(fù)資源、改善環(huán)境的良好效果。

擬建人工魚礁海域調(diào)查范圍為40°14'30.46"～40°17'05.43" N、122°01'24.92"～122°02'24.09" E 之間，面積為373 hm2。用GPSMAP 639SC 型全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在擬投人工魚礁海域布設(shè)10 個采樣站位，在擬建礁區(qū)范圍內(nèi)設(shè)8 個采樣點，擬建礁區(qū)外2個對照點（圖1，表1）。

1.2 調(diào)查項目及方法

1.2.1 海洋水文環(huán)境

海洋水文環(huán)境調(diào)查內(nèi)容包括水溫、鹽度、透明度等3 項指標(biāo)。

1.2.2 海洋化學(xué)環(huán)境

海水化學(xué)環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括溶解氧、pH、COD、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、活性磷酸鹽和重金屬（鉛、鎘、銅、鋅、砷、汞）等13 項指標(biāo)。其中，水溫、鹽度、溶解氧、pH 指標(biāo)用YSI5600 型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定，其他水質(zhì)指標(biāo)由現(xiàn)場采集水樣，低溫保存帶回實驗室檢測，由于海區(qū)水深不超過10 m，根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》統(tǒng)一取水面下1 m 處水。

水質(zhì)樣品的采集、保存與分析按《海洋監(jiān)測規(guī)范》和《海洋調(diào)查規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》評價海域水質(zhì)。

1.2.3 海洋沉積物環(huán)境

海洋沉積物監(jiān)測內(nèi)容包括石油類、有機(jī)碳、硫化物和重金屬（鉛、鎘、銅、鋅、砷、汞）等9 項指標(biāo)的含量。

沉積物環(huán)境因子樣品的采集、保存與分析同樣按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》和《海洋調(diào)查規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.3 評價方法

1.3.1 水質(zhì)評價

（1）單項水質(zhì)評價指數(shù)方法[1]

海水質(zhì)量評價采用海水質(zhì)量指數(shù)法，即應(yīng)用如下公式進(jìn)行單因子評價：Si=Ci/Cs，其中：Si為單項水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Ci為各評價因子的實測濃度值，Cs為各評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)值，本文中以海洋水質(zhì)第一類標(biāo)準(zhǔn)最高值為參考值[2]，標(biāo)準(zhǔn)值參見《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T12763.4-2007）。

（2）水質(zhì)富營養(yǎng)化指數(shù)[3]

表2 水文環(huán)境調(diào)查內(nèi)容及方法Tab.2 Contents and methods of hydrological environment survey

表3 海水有機(jī)污染分級評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation criteria for classification of organic pollution in seawater

其中：E 為富營養(yǎng)化指數(shù)，COD 為化學(xué)需氧量含量（mg/L），DIN 為無機(jī)氮含量（mg/L），DIP 為活性磷酸鹽含量（mg/L）。

上式中，E 按照多年監(jiān)測規(guī)律，本次判定結(jié)構(gòu)修正為：如果E≥1，水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)；0.5＜E＜1，水體呈中營養(yǎng)化狀態(tài)；E≤0.5，水體呈貧營養(yǎng)化狀態(tài)。

（3）有機(jī)污染評價指數(shù)[4]

其中：COD 為化學(xué)需氧量含量（mg/L）;DIN 為無機(jī)氮含量（mg/L）;DIP 為活性磷酸鹽含量（mg/L）；DO為溶解氧含量（mg/L）。COD0、DIN0、DIP0、DO0分別為水體的上述各項指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)，其中：COD0=2.0 mg/L；DIN0＝0.20 mg/L；DIP0＝0.015 mg/L；DO0＝6.0 mg/L。有機(jī)污染指數(shù)評判分級依據(jù)如表3 所示。

1.3.2 沉積物評價

（1）沉積物單因子污染指數(shù)[1]

（2）潛在生態(tài)風(fēng)險評價[5]

用潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)評價沉積物重金屬的污染程度。

其中，RI 為潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，是沉積物中多種重金屬潛在生態(tài)危害的綜合指數(shù)。為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為重金屬i 的毒性響應(yīng)參數(shù)，主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度；為評價因子i 的實測濃度值；為評價因子i 的評價參考值，本文中采用I 類標(biāo)準(zhǔn)值[1]，重金屬毒性響應(yīng)參數(shù)見表4。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查海域水質(zhì)環(huán)境狀況

表4 沉積物重金屬污染程度與潛在生態(tài)危害指數(shù)的關(guān)系Tab.4 The relationship between the degree of heavy metal pollution in the sediment and the potential ecological hazard index

表5 調(diào)查海域水文測定結(jié)果Tab.5 The results of hydrological determination in the surveyed sea area

圖2 調(diào)查海域水文情況Fig.2 The hydrological indices in the surveyed sea area

2.1.1 海水水文環(huán)境

由表5 及圖2 可知，調(diào)查海域水深為6.7～8.7 m，鹽度在35～38 之間，溶解氧4.5～7.2 mg/L，化學(xué)需氧量COD 在0.44～1.032 mg/L 之間，變化范圍較大，無機(jī)氮含量在0.05664～0.11790 mg/L 之間，活性磷酸鹽含量在0.049235～0.080182 mg/L 之間，硫化物含量在0.032451～0.038811 mg/L 之間，pH 變化較小，在6.66～7.09 之間。

圖3 調(diào)查海域化學(xué)需氧量含量Fig.3 The levels of chemical oxygen demand（COD）in the surveyed sea area

2.1.2 海水化學(xué)環(huán)境

2.1.2.1 化學(xué)需氧量

在10 個調(diào)查站位中，6#站位的化學(xué)需氧量最高，達(dá)1.032 mg/L，對照2#站位最低，僅0.44 mg/L（圖3）。

2.1.2.2 無機(jī)氮

在10 個調(diào)查站位中，4#站位無機(jī)氮含量最高點站，達(dá)0.1179 mg/L，對照1#站位最低，僅0.05664 mg/L（圖4）。

圖4 調(diào)查海域無機(jī)氮含量Fig.4 The inorganic nitrogen contents in the surveyed sea area

圖5 調(diào)查海域活性磷酸鹽含量Fig.5 The available phosphate contents in the surveyed sea area

2.1.2.3 活性磷酸鹽

在10 個調(diào)查站位中，3#站位活性磷酸鹽的含量最高，達(dá)0.080182 mg/L，對照2#站位最低，僅0.049235 mg/L（圖5）。

2.1.2.4 硫化物

圖6 調(diào)查海域硫化物含量Fig.6 The sulfide contents in the surveyed sea area

在10 個調(diào)查站位中，3#站位活性磷酸鹽含量最高，達(dá)0.080182 mg/L，對照2#站位最低，僅0.049235 mg/L（圖6）。

2.1.2.5 海水環(huán)境評價結(jié)果

將表6 中的各理化指標(biāo)與建設(shè)海洋牧場所要求的最低限度二類水質(zhì)進(jìn)行比較（表7），用單因子指數(shù)分析表明：調(diào)查海域中化學(xué)需氧量、無機(jī)氮及硫化物濃度均符合國家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但活性磷酸鹽濃度超過國家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所要求的濃度。調(diào)查海域海水中重金屬含量中，銅、鉛、鋅、汞、砷、鎘的含量均低于國家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)含量（表8、表9）。

表6 調(diào)查海域海水化學(xué)指標(biāo)Tab.6 Chemical indicators of seawater in the surveyed sea area/mg·L-1

表7 調(diào)查海域水質(zhì)評價指數(shù)（二類海水標(biāo)準(zhǔn)）Tab.7 Water quality evaluation indices in the surveyed sea area（Class II seawater standard）

調(diào)查結(jié)果顯示：調(diào)查海域的海水pH 變化很小，溶氧變化范圍較大，溶解氧污染指數(shù)除6#站位其余均＜1；水質(zhì)富營養(yǎng)化指數(shù)3.34～11.74，為富營養(yǎng)化狀態(tài)；水體有機(jī)污染指數(shù)變化范圍0.74～1.92，水域介于良好與開始受到污染之間（表10）。

2.2 調(diào)查海域沉積物環(huán)境

調(diào)查了沉積物中銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）、砷（As）和硫化物（S）含量，用單因子污染指數(shù)評價法、以一類沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評價。其中，1#站位未采集到底泥樣品，故1#站位沒有相關(guān)數(shù)據(jù)。

表8 調(diào)查海域水質(zhì)重金屬含量Tab.8 The content of heavy metals in waters of the surveyed area/μg·L-1

表9 調(diào)查海域水質(zhì)重金屬評價指數(shù)（二類海水標(biāo)準(zhǔn)）Tab.9 Evaluation indices of heavy metals in the water quality of the surveyed sea area（Class II Seawater Standard）

表10 各站位海水調(diào)查要素指數(shù)（二類標(biāo)準(zhǔn)計算）Tab.10 Indices of seawater survey elements at each station（calculated as the class II standard）

表11 調(diào)查海區(qū)沉積物分析結(jié)果Tab.11 Analysis results of sediments in the surveyed sea area

調(diào)查結(jié)果顯示，海域沉積物中各重金屬含量均低于國家一類標(biāo)準(zhǔn)含量（表11），單因子評價指數(shù)中，除硫化物和總有機(jī)碳的含量超標(biāo)，其余指數(shù)均小于1，顯示海區(qū)沉積物環(huán)境中部分元素受到污染（表12）。

各站位單一重金屬生態(tài)危害指數(shù)均小于40，處于低潛在生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)；總生態(tài)危害指數(shù)均小于150，處于低潛在生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)（表13）。

表12 調(diào)查海區(qū)沉積物樣品污染指數(shù)Tab.12 Pollution index of sediment samples in the surveyed sea area

表13 調(diào)查海域沉積物環(huán)境潛在生態(tài)評價Tab.13 Potential ecological assessment of sediment environment in the surveyed sea area

3 討論

3.1 水質(zhì)環(huán)境

在2018 年6 月的調(diào)查中，所調(diào)查海域的活性磷酸鹽含量超過二類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，富營養(yǎng)化指數(shù)均大于1，屬于富營養(yǎng)化狀態(tài)；有機(jī)污染指數(shù)在0～2 之間，處于剛開始污染的狀態(tài)。2010 年6 月田濤[6]等的調(diào)查顯示，獐子島海域的水質(zhì)富營養(yǎng)化指數(shù)范圍在0.087～0.521，平均值為0.297。溫澤民[2]在2013年5 月、8 月及11 月對長?？h大長山島擬建海洋牧場海域的調(diào)查中，活性磷酸鹽平均含量低于鲅魚圈海域活性磷酸鹽平均含量近10 倍，水質(zhì)富營養(yǎng)化平均指數(shù)低于鲅魚圈海域近40 倍，但兩海域有機(jī)污染指數(shù)相差不大。而任浩杰[7]2014 年及2015 年兩次在大長山人工魚礁區(qū)的調(diào)查中，有機(jī)污染指數(shù)分別為2.93 及1.97，均大于本次在鲅魚圈海域的1.23。綜上所述，鲅魚圈擬建海域水質(zhì)環(huán)境中最大的問題是活性磷酸鹽含量過高，預(yù)示擬建海域出現(xiàn)赤潮情況的風(fēng)險較大，根據(jù)現(xiàn)有海水水質(zhì)狀況，近期內(nèi)調(diào)查海區(qū)適合建設(shè)養(yǎng)護(hù)型海洋牧場。

3.2 沉積物環(huán)境

對調(diào)查海域沉積物數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，總有機(jī)碳和部分站位的硫化物超過一類沉積物環(huán)境的要求，單一重金屬生態(tài)危害指數(shù)均小于40，處于低潛在生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)；總生態(tài)危害指數(shù)均小于150，處于低潛在生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)。2013 年溫澤民[2]對大長山島海域底質(zhì)環(huán)境的三次調(diào)查中，總有機(jī)碳含量最大不超過0.80%，而鲅魚圈調(diào)查海域總有機(jī)碳的平均值則為3.96%，高出大長山海域近乎五倍。硫化物含量則是大長山海域的二倍，考慮到大長山島海域的優(yōu)良海況，其各項條件皆符合一類國家標(biāo)準(zhǔn)，而鲅魚圈調(diào)查海域部分指標(biāo)則與二類標(biāo)準(zhǔn)相差無幾。

3.3 調(diào)查海域建設(shè)海洋牧場的可行性

根據(jù)上述評價指標(biāo)，調(diào)查海域的水質(zhì)環(huán)境中，磷酸鹽含量超過國家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，沉積物環(huán)境和環(huán)境因子均滿足國家一類標(biāo)準(zhǔn)，因此在短期恢復(fù)及調(diào)控后，可以針對調(diào)查海域的環(huán)境進(jìn)行資源養(yǎng)護(hù)建設(shè)環(huán)境改善型人工魚礁。調(diào)查海域的水質(zhì)環(huán)境中主要問題有：磷酸鹽含量超過二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體富營養(yǎng)化以及處于有機(jī)污染的初始階段，而沉積物環(huán)境中的總有機(jī)碳含量超標(biāo)也間接反應(yīng)了水質(zhì)環(huán)境中的有機(jī)污染。

富營養(yǎng)化是指在一定的水體范圍內(nèi)，水體隨著營養(yǎng)物質(zhì)的增加而導(dǎo)致營養(yǎng)狀況發(fā)生變化的過程[8]。而富營養(yǎng)化程度是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和必要條件[9]。造成調(diào)查海域富營養(yǎng)化的原因很多，首先可能與當(dāng)時牧場內(nèi)大量投放餌料有關(guān)，也可能與入海河流帶來的大量污染物有關(guān)[10]。大量投食后，牧場內(nèi)遺留大量的殘餌和排泄物，致使有機(jī)物沉積。而沉積的有機(jī)物大量分解生成的物質(zhì)融入海水，將會造成二次的有機(jī)污染進(jìn)一步污染海洋[11]。陳應(yīng)華[12]在經(jīng)過調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在海域內(nèi)投入人工魚礁后，投礁區(qū)海水中的化學(xué)需氧量、無機(jī)氮濃度均比之前要高，這說明投放人工魚礁起到了改善海水水質(zhì)的作用。

有研究表明，牡蠣殼粉碎成毫米級微粒后，可吸附去除磷、氨氮和BOD5；與廢玻璃粉混合使用，還可以進(jìn)一步提高脫磷效率。它對重金屬的吸附能力略低于活性炭，但高于沸石，經(jīng)各種改性處理后，可進(jìn)一步提高吸附水中污染物（包括磷、重金屬等）的去除效率[13]。本著生態(tài)友好型的理念，在海域中投放生態(tài)型牡蠣礁，并輔以適當(dāng)?shù)拿绶N投放，使得牡蠣作為海中的“清道夫”，這樣既起到了人工魚礁的作用，也可大幅改善海域水質(zhì)，可謂一舉兩得。

擬建的海洋牧場魚礁區(qū)針對底棲及巖礁性魚類海珍品養(yǎng)護(hù)與增殖，底棲附著生物可利用礁體較大的附著面積進(jìn)行附著生長，同時利用內(nèi)部較大的空間，進(jìn)行產(chǎn)卵和逃避敵害等行為；海珍品可利用魚礁之間的縫隙棲息及躲避敵害，這樣更有利于礁區(qū)資源的養(yǎng)護(hù)增殖。

針對調(diào)查海域內(nèi)的有機(jī)污染，要加強(qiáng)周邊的管理，建立有效的預(yù)警機(jī)制，監(jiān)測海水的各項理化性質(zhì)，對變化幅度大的監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行預(yù)警和防治，避免進(jìn)一步加重污染。

3.4 結(jié)論

擬建區(qū)域位于近岸淺海海域，靠近港口，其營養(yǎng)鹽含量受到陸源影響較大，人為活動的不確定性可能會導(dǎo)致海區(qū)營養(yǎng)鹽的不穩(wěn)定變化，給調(diào)查結(jié)果帶來了一定的偶然性[14-17]。

渤海為中國的內(nèi)海，三面環(huán)陸，在遼寧、河北、山東、天津三省一市之間，由北部遼東灣、西部渤海灣、南部萊州灣、中央淺海盆地和渤海海峽五部分組成。曾經(jīng)是我國的“鹽倉”、“魚倉”，給沿岸的人民帶來了巨大的財富。然而，隨著海洋資源的開發(fā)利用活動，渤海的資源和生態(tài)環(huán)境受到較大的破壞，環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重惡化，海岸帶污染明顯，污染范圍擴(kuò)大，生態(tài)系統(tǒng)弱化，生態(tài)環(huán)境退化，赤潮，富營養(yǎng)化等。大量氮、磷物質(zhì)入海，使海水呈現(xiàn)較強(qiáng)的富營養(yǎng)化狀態(tài)，致使赤潮頻頻發(fā)生。2007 來渤海發(fā)生的赤潮每年不下10 多次，1989 年8—10 月，河北唐山市唐海縣發(fā)生大面積赤潮，并影響到遼寧，山東，天津，面積達(dá)1300 km2，損失3 億多元。1990 年老鐵山水道發(fā)生了面積達(dá)1000 km2的赤潮，也造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。渤海環(huán)境污染的加劇，已導(dǎo)致海區(qū)服務(wù)功能急劇衰退，渤海的可持續(xù)開發(fā)利用能力正在喪失，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，成為環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的瓶頸?？焖儆行е卫聿澈Ｎ廴救允悄壳凹毙杞鉀Q的問題[18-21]。