付 萍,何健龍,趙玉庭,劉新杰,何金霞,劉麗娟,程 玲,馬元慶,宋秀凱,劉愛英*
(1.山東省海洋資源與環(huán)境研究院,山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺(tái) 264006;2.榮成市海洋與漁業(yè)監(jiān)測(cè)減災(zāi)中心,山東 榮成 264300)
受全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響,水生生物棲息地受到不同程度的破壞,水生生物資源衰退嚴(yán)重[1],制約了我國(guó)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展與國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的步伐。建立水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)是水產(chǎn)種質(zhì)資源就地保護(hù)的有效措施之一。2007—2018年,農(nóng)業(yè)部先后在全國(guó)批準(zhǔn)建立了11批共計(jì)535處國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保區(qū),總保護(hù)面積達(dá)1 560.79萬hm2。
隨著保護(hù)區(qū)數(shù)量和面積的迅速增加,針對(duì)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)越來越受到重視。2018年山東省海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)指出,部分保護(hù)區(qū)保護(hù)對(duì)象出現(xiàn)衰退現(xiàn)象,個(gè)別保護(hù)區(qū)水質(zhì)狀況下降[2];海洋天然重要漁業(yè)水域主要受到無機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類污染,黃渤海部分漁業(yè)水域?yàn)闊o機(jī)氮污染相對(duì)較重區(qū)域之一[3]。為全面掌握榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,通過連續(xù)4 a海水環(huán)境因子調(diào)查監(jiān)測(cè),運(yùn)用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、有機(jī)污染及富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法,從不同方面分析了該保護(hù)區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢(shì),并對(duì)其質(zhì)量狀況進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),旨在為該保護(hù)區(qū)的有效管理和保護(hù)提供科學(xué)支撐。
榮成灣國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)建于2011年,位于榮成俚島東部海域,總面積2 134 hm2,其中核心區(qū)面積為974 hm2,實(shí)驗(yàn)區(qū)面積為1 160 hm2,保護(hù)對(duì)象主要是櫛孔扇貝及紫海膽,特別保護(hù)期為每年的6月中旬至10月上旬。
于實(shí)驗(yàn)區(qū)、核心區(qū)分別布設(shè)4個(gè)、3個(gè)站位(圖1)。調(diào)查時(shí)間為2015—2018年每年的8月。
圖1 保護(hù)區(qū)調(diào)查站位Fig.1 Sampling stations in reserve
每個(gè)站位取表層水樣,樣品采集、處理及分析方法均按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.4—2007)進(jìn)行。調(diào)查項(xiàng)目包括鹽度(salinity,S)、pH、溶解氧(dissolved oxygen,DO)、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)、硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、氨氮(NH4-N)、活性磷酸鹽(reactive phosphate,DIP)、石油類、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)和砷(As)。
1.4.1 單因子指數(shù)法
單因子指數(shù)(Pi)計(jì)算公式[4]為:
(1)
式中,Pi為某項(xiàng)參數(shù)的單因子指數(shù);Ci為參數(shù)實(shí)測(cè)含量;Cs為參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。按照榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)環(huán)境保護(hù)要求,采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997)一類標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。
由于海水pH的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為一個(gè)范圍,其單因子指數(shù)計(jì)算公式[4]為:
(2)
(3)
(4)
式中,Pi,pH為pH的單因子指數(shù);pHi為第i站pH實(shí)測(cè)值;pHsu為pH評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上限;pHsd為pH評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下限。
根據(jù)溶解氧的特點(diǎn),采用萘墨羅(NEMEROW N L)的指數(shù)公式計(jì)算溶解氧污染指數(shù):
(5)
式中,Pi,DO為溶解氧的污染指數(shù);DOim為本次調(diào)查中溶解氧的最大值;DOi為溶解氧的實(shí)測(cè)值;DOS為溶解氧的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。
1.4.2 綜合質(zhì)量指數(shù)法
綜合質(zhì)量指數(shù)(Q)評(píng)價(jià)公式[5]為:
(6)
式中,Q為綜合質(zhì)量指數(shù);n為環(huán)境因子項(xiàng)數(shù);Pi為第i項(xiàng)環(huán)境因子的單因子指數(shù)。
1.4.3 有機(jī)污染指數(shù)法
有機(jī)污染指數(shù)(A)計(jì)算公式[6]為:
(7)
式中,A為有機(jī)污染指數(shù);CODi、DINi、DIPi、DOi為實(shí)測(cè)值;CODs、DINs、DIPs、DOs為評(píng)價(jià)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097-1997),其值分別為2 mg/L、200 μg/L、15 μg/L、6 mg/L。
1.4.4 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法
海水營(yíng)養(yǎng)水平采用富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)(E)評(píng)價(jià),其計(jì)算公式[7]為:
(8)
式中,E為富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù);CODi為第i站化學(xué)需氧量的實(shí)測(cè)值(mg/L);DINi和DIPi分別為第i站DIN和DIP的實(shí)測(cè)值(μg/L);E值越高,海水富營(yíng)養(yǎng)化程度越高。
1.4.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法
部分調(diào)查項(xiàng)目未檢出,未檢出者取檢出限的1/2量參加統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。DIN為NO3-N、NO2-N、NH4-N三者之和。評(píng)價(jià)結(jié)果使用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用SPSS軟件的單因素方差,分析環(huán)境因子的年際差異,P<0.05表示差異顯著。
站次達(dá)標(biāo)率=(達(dá)標(biāo)站次數(shù)量/監(jiān)測(cè)站次)×100%
(9)
站次超標(biāo)率=(超標(biāo)站次數(shù)量/監(jiān)測(cè)站次)×100%
(10)
2015—2018年8月,保護(hù)區(qū)鹽度變化范圍為32.243~33.405,均值為32.832,所有調(diào)查站位pH、DO、COD、DIP、Cu、Zn、Cr、As的Pi均小于等于1(圖2),符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);DIN、石油類、Hg、Cd、Pb在部分站位超一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其站次達(dá)標(biāo)率分別為82%、96%、96%、61%、75%。2015年,超標(biāo)物質(zhì)為DIN、Hg、Cd、Pb,其站位超標(biāo)率分別為43%、14%、43%、29%,其中,DIN高值出現(xiàn)于保護(hù)區(qū)北部的S1、S4、S5站位,Hg高值出現(xiàn)在保護(hù)區(qū)東部的S2站位,Cd高值出現(xiàn)于S1、S4、S7站位,Pb高值出現(xiàn)于保護(hù)區(qū)北部的S5、S6站位。2016年,超標(biāo)物質(zhì)為DIN、Cd,其站位超標(biāo)率分別為29%、43%,其中,DIN高值出現(xiàn)在S1、S3站位,Cd高值出現(xiàn)在S2、S4、S5站位。2017年,超標(biāo)物質(zhì)為石油類、Cd、Pb,其站位超標(biāo)率分別為14%、29%、14%,其中,石油類符合三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),高值出現(xiàn)在S4站位;Cd符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),高值出現(xiàn)在S2、S3站位;Pb符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),高值出現(xiàn)在S6站位。2018年超標(biāo)物質(zhì)為Cd、Pb,其站位超標(biāo)率分別為43%、57%,其中,Cd高值出現(xiàn)在S2、S5、S6站位,Pb高值出現(xiàn)在S3、S5、S6、S7站位。不同年份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方差分析顯示,DIN、石油類、Zn、Cr、Cd無顯著差異(P>0.05),年際變化不大,其余指標(biāo)具顯著差異(P<0.05);pH 2017和2018年明顯低于前兩年;DO在2016—2018年年際變化不大,2015年明顯較高,這可能與2015年調(diào)查期間水溫偏低,海水DO飽和度較高有關(guān);2015—2018年,DIP濃度不穩(wěn)定,呈現(xiàn)高、低、高、低的跳躍式變化趨勢(shì);2015—2017年P(guān)b濃度無明顯差異,2018年明顯高于前三年;Cu、Hg、As波動(dòng)較大,具顯著年際變化。
圖2 2015—2018年保護(hù)區(qū)單因子指數(shù)(Pi≤1,不存在污染;Pi>1,存在污染;字母不同表示差異性顯著(P<0.05),下同)Fig.2 Single factor index of the reserve in 2015 to 2018(Pi≤1,Pollution available;Pi>1,Pollution unavailable;the different letters mean significant difference(P<0.05),the same below)
2015—2018年,保護(hù)區(qū)一類、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站次達(dá)標(biāo)率分別為25%、96%??傮w來看,榮成灣保護(hù)區(qū)主要污染物質(zhì)為重金屬Cd、Pb,個(gè)別站位存在DIN、Hg、石油類超標(biāo)情況,水質(zhì)總體符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
2015—2018年,保護(hù)區(qū)調(diào)查站位綜合質(zhì)量指數(shù)變化范圍為0.202~0.615,平均為0.359,保護(hù)區(qū)總體處于尚清潔狀態(tài),其中,處于清潔與尚清潔狀態(tài)的站次占比分別為32%、68%。2015年保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)平均為0.440,屬于尚清潔,其中S3站位處于清潔、其余站位均處于尚清潔狀態(tài),占比分別為14%、86%;2016、2017年保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)分別為0.309、0.287,分別有3站位處于清潔狀態(tài),主要位于保護(hù)區(qū)北部及南部,其中2016年為S1、S3、S7站,2017年為S1、S5、S7站位,占比均為43%,其余站位為尚清潔狀態(tài);2018年保護(hù)區(qū)綜合污染指數(shù)為0.394,屬于尚清潔,其中S1、S4站位處于清潔,主要位于保護(hù)區(qū)北部,其余站位處于尚清潔,占比分別為29%、71%。年際變化分析顯示,2017年保護(hù)區(qū)水質(zhì)綜合質(zhì)量最好,其次是2016年,2015綜合質(zhì)量指數(shù)最高,2015年與2016年、2017年相比,質(zhì)量指數(shù)存在顯著性差異(P<0.05),2018年較前三年相比差異不顯著(P>0.05)(圖3(a))。2015—2018年保護(hù)區(qū)北部S1、S4站位綜合質(zhì)量指數(shù)顯著降低,環(huán)境狀況向好;東部S2站位環(huán)境狀況較為穩(wěn)定,基本處于尚清潔狀態(tài);南部S3站位綜合質(zhì)量指數(shù)有增加的趨勢(shì);其他站位環(huán)境狀況處在清潔與尚清潔狀態(tài)之間震蕩(圖3(b))??傊?,榮成灣保護(hù)區(qū)水質(zhì)綜合質(zhì)量較好,尚未受到污染。
圖3 2015—2018年保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)(Q<0.3,清潔;0.3≤Q<0.7,尚清潔;0.7≤Q<1.0,允許;1.0≤Q<2.0,輕污染;2.0≤Q<3.0,污染;3.0≤Q<5.0,重污染;Q≥5.0,惡性污染)Fig.3 Comprehensive quality index of the reserve in 2015 to 2018(Q<0.3,Clean;0.3≤Q<0.7,Slight clean;0.7≤Q<1.0,Permit;1.0≤Q<2.0,Light pollution;2.0≤Q<3.0,Pollution;3.0≤Q<5.0,Serious pollution;Q≥5.0,More serious pollution)
2015—2018年,保護(hù)區(qū)調(diào)查站位有機(jī)污染指數(shù)范圍為-0.853~1.133,均值為0.0673,處于較好、良好、開始受到污染的站次占比分別為46%、43%、11%。2015年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)均值為0.496,其中,保護(hù)區(qū)北部的S1、S4、S5站位開始受到污染,占比為43%;S2、S3站位處于良好,S6、S7站位較好;占比均為29%;2016年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)均值為0.001 14,其中,S2、S3、S4、S7站位處于良好,S1、S5、S6站位處于較好,占比分別為57%、43%;2017年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)均值為0.166,其中,僅S1站位處于良好,其余站位處于較好,占比分別為14%、86%;2018年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)均值為-0.393,僅有S7站位處于較好,其余站位均處于良好,占比分別為14%、86%。年際變化分析顯示,保護(hù)區(qū)有機(jī)污染呈波動(dòng)式降低趨勢(shì),2018年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)最低,其次是2016年,2015指數(shù)最高,且2018年與2015年相比,有機(jī)污染指數(shù)存在顯著性差異(P<0.05)(圖4(a)),表明保護(hù)區(qū)有機(jī)污染狀況向好。其中S1、S5站位有機(jī)污染狀況明顯好轉(zhuǎn);S2、S3、S6、S7一直保持較好,S4站位波動(dòng)較大,這可能與距離近岸遠(yuǎn)近有關(guān)(圖4(b))??傊?015—2018年該保護(hù)區(qū)有機(jī)污染程度較輕,水質(zhì)較好。
圖4 2015—2018年保護(hù)區(qū)有機(jī)污染指數(shù)(A<0,良好;04,重度污染)Fig.4 Organic pollution index of the reserve in 2015 to 2018(A<0,Good;04,Serious pollution)
2015—2018年,保護(hù)區(qū)站位富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)變化范圍為0.002 28~0.376,均值為0.094 1,所有調(diào)查站位均處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。年際變化分析顯示,保護(hù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)呈波動(dòng)是降低趨勢(shì),2018年保護(hù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)最低,其次是2016年,2017指數(shù)相對(duì)最高,但距離富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)0.5貧營(yíng)養(yǎng)線仍有較大差距;2016、2018年與2015、2017年相比,有機(jī)污染指數(shù)存在顯著性差異(P<0.05)(圖5(a)),表明保護(hù)區(qū)貧營(yíng)養(yǎng)狀況加重。2015—2018年,S1站位富營(yíng)養(yǎng)化水平呈降低趨勢(shì);S4、S5站位變化幅度較大;其余站位富營(yíng)養(yǎng)化水平波動(dòng)不大(圖5(b))。
圖5 2015—2018年保護(hù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)(0
單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示,榮成灣保護(hù)區(qū)主要污染物質(zhì)為Cd、Pb,其一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)站次超標(biāo)率分別為39%、25%;全部調(diào)查項(xiàng)目統(tǒng)計(jì),保護(hù)區(qū)一類、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的站次超標(biāo)率分別為75%、4%。榮成灣總體符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),這與王國(guó)鋼研究成果一致[8];保護(hù)區(qū)質(zhì)量指數(shù)變化范圍為0.202~0.615,平均為0.359,屬于尚清潔海域;有機(jī)污染指數(shù)變化范圍為-0.853~1.133,均值為0.0673,水質(zhì)尚未受到污染。三種評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,均顯示榮成灣保護(hù)區(qū)海水環(huán)境質(zhì)量較好。單因子指數(shù)可以明確顯示污染物質(zhì)種類及其污染程度,有機(jī)污染指數(shù)可以較好地反映出DO、DIN、DIP和COD的污染情況。尚聰聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)海州灣大竹蟶國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)處于0.31~0.39之間,平均值為0.35[9];滕瑤等研究表明靖海灣松江鱸魚種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)處于1.04~1.69之間,海域處于輕污染[10];趙玉庭等運(yùn)用有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)得出,位于萊州灣的單環(huán)刺螠近江牡蠣國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)處于開始受到污染狀態(tài)[11];2015—2018年,榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量指數(shù)平均為0.359,屬于尚清潔海域;有機(jī)污染指數(shù)變化范圍為-0.853~1.133,均值為0.067 3,水質(zhì)尚未受到污染。相比靖海灣,萊州灣屬于半封閉海灣,榮成灣、海州灣較為開闊,海水交換能力和自凈能力較強(qiáng),水質(zhì)較好。
營(yíng)養(yǎng)鹽作為海洋重要的營(yíng)養(yǎng)元素,其含量的高低可直接或者間接的影響海洋生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化。營(yíng)養(yǎng)鹽過剩可導(dǎo)致海洋富營(yíng)養(yǎng)化,易引發(fā)赤潮等海洋生態(tài)災(zāi)害;營(yíng)養(yǎng)鹽不足,則會(huì)限制浮游植物生長(zhǎng),影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力[12]。2015—2018年榮成灣保護(hù)區(qū)呈貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。根據(jù)營(yíng)養(yǎng)鹽絕對(duì)限制法則[13],即DIN=1 μmol/L,DIP=0.1 μmol/L,為浮游植物生長(zhǎng)的閾值。房燕等研究發(fā)現(xiàn),榮成灣春、夏、秋三個(gè)季節(jié)均存在浮游植物生長(zhǎng)DIP限制的潛在可能性[14],謝琳萍等研究表明,榮成灣夏季超過90%的調(diào)查站位DIP含量低于浮游植物生長(zhǎng)閾值[15],本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),調(diào)查站位中DIP限制的站位占比為57%,與上述研究結(jié)果較為一致,說明榮成灣存在一定的DIP限制。進(jìn)一步將榮成灣保護(hù)區(qū)與山東省重要海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽比較發(fā)現(xiàn):榮成灣保護(hù)區(qū)DIN含量最低且低于山東省增養(yǎng)殖區(qū)以及近岸海域平均值,DIP含量匱乏較重(表1)。不同于膠州灣、黃河口等海域,榮成灣入海河流較少,因而陸源營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充也較少[17-18],作為典型的貝藻混養(yǎng)養(yǎng)殖區(qū),其營(yíng)養(yǎng)鹽主要受養(yǎng)殖活動(dòng)影響較大。大型海藻養(yǎng)殖可吸收利用貝類等養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的大量營(yíng)養(yǎng)鹽,具有凈化海區(qū)水質(zhì)作用,但同時(shí)也增加了海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏、氮磷比失衡的風(fēng)險(xiǎn)。夏季榮成灣水溫較高,海帶生長(zhǎng)加快,水體中DIN、DIP被大量消耗,盡管貝類等養(yǎng)殖生物投餌量加大,代謝增多,也不能彌補(bǔ)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗[14],這可能是造成榮成灣夏季營(yíng)養(yǎng)鹽較低的重要原因。為有效維持海區(qū)生態(tài)平衡,需科學(xué)預(yù)判海區(qū)養(yǎng)殖容量,合理確定養(yǎng)殖面積和密度以及優(yōu)化養(yǎng)殖品種搭配。
表1 榮成灣保護(hù)區(qū)及其他海域營(yíng)養(yǎng)鹽情況Table 1 Nutrients concentrations in Rongcheng Bay reserve and other seawaters
榮成灣水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)總體符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別站位存在DIN、Hg、石油類超標(biāo)情況,保護(hù)區(qū)水質(zhì)環(huán)境較好,未受到有機(jī)污染,但營(yíng)養(yǎng)鹽含量匱乏,需防范營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);建議加強(qiáng)保護(hù)區(qū)養(yǎng)殖容量預(yù)判,合理確定養(yǎng)殖面積和密度以及優(yōu)化養(yǎng)殖品種搭配,促進(jìn)資源保護(hù)與利用的協(xié)調(diào)發(fā)展;加強(qiáng)保護(hù)區(qū)管理,加大經(jīng)費(fèi)投入力度,及時(shí)掌握保護(hù)區(qū)環(huán)境、資源現(xiàn)狀,充分發(fā)揮保護(hù)區(qū)天然種質(zhì)資源庫的作用,協(xié)調(diào)保護(hù)與利用的關(guān)系,將保護(hù)區(qū)做優(yōu)做強(qiáng),為我國(guó)海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)的水產(chǎn)種質(zhì)資源。