基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价

杨建强，朱永贵，宋文鹏，张 娟，张龙军，罗先香，*

(1.国家海洋局北海分局，青岛 266033;2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，青岛 266033;3.海洋环境与生态教育部重点实验室，中国海洋大学，青岛 266100)

莱州湾位于渤海南部，山东半岛北部，为渤海最大的半封闭性海湾。湾内水深较浅，是黄、渤海三大海洋生物的产卵场和索饵场之一，为我国重要的渔业资源利用和养护区，以梭子蟹生产和对虾养殖极其著名，沿岸有黄河、小清河和潍河等10余条河流入海。自20世纪90年代以来，入海河流和沿岸养殖等带来的陆源性污染已对莱州湾生态环境造成严重负面影响，海水污染加重［1-2］，渔业资源和产卵场均遭到不同程度的破坏［3-5］。为了寻求海洋开发与生态保护的协调和平衡，山东省明确提出了集约用海的海洋开发模式，到2020年，莱州湾将建成莱州海洋新能源产业聚集区、潍坊滨海新城和东营滨海新城3个50 km2以上的大型集约用海区［6］。集约用海是科学开发和高效利用海洋资源的战略举措，但也不可避免会对海洋生态环境造成一定的负面效应，为了降低和减少其不利影响，需要对集约用海区的海洋生态环境状况进行科学评估。本文应用构建的集约用海对海洋生态影响评价指标体系和方法对莱州湾2004年至2012年的生态环境质量现状进行了评价，以期为莱州湾沿海区域集约用海的规模确定和科学选址服务。

图1 莱州湾采样站位Fig．1 The location of sampling in Laizhou Bay

1 材料和方法

样品、数据资料来自国家海洋局北海环境监测中心及沿岸地市海洋监测站的现场监测，站位分布如图1。依据历史文献中莱州湾污染物空间分布特点［7-10］及张雪［2］等对研究区的划分，下面的讨论分4个区域进行(图 1):区域 I(118°45'—119°20'，37°15'—37°50')主要为莱州湾西部黄河和小清河入海海域，区域Ⅱ(119°20'—119°40'，37°15'—37°50')为莱州湾中部海域，区域Ⅲ(119°40'—120'，37°15'—37°50')为莱州湾东部海域，区域Ⅳ(118°45'—120°，37°—37°15')为虞河、潍河等河流入海的莱州湾南岸海域［2］。

本文从海洋生态系统的生境质量和生态响应两个方面对莱州湾生态环境质量现状进行评价。“生境质量”包括海洋生物栖息的水环境、沉积环境和典型物种的生物质量3个二级指标，每个指标下又包括具体反映环境质量的各种环境因子。本文水质评价因子包括:pH、DO、COD、无机氮、磷酸盐和油类;沉积物质量评价因子包括:有机碳、硫化物和重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg);生物质量评价因子包括:重金属(Cu、Pb、Zn 、Cd、Cr、As、Hg)和石油烃。水、沉积物和生物质量分析样品的采集、保存和分析均按中华人民共和国《海洋监测规范》第3、4、5和6部分进行［11］。生态响应包括生物群落结构特征、生态敏感区结构和功能两类二级指标。其中，海洋生物群落结构指标包括:浮游植物密度、浮游动物密度和生物量、大型底栖生物密度和生物量、鱼卵及仔鱼种类和密度;生态敏感区结构、功能指标包括叶绿素a(初级生产力)和生态敏感性指数。海洋生物监测样品的采集、保存和分析均按中华人民共和国《海洋监测规范》第7部分进行［11］。

评价标准按照海水水质［12］、沉积物质量［13］和海洋生物质量［14］国家标准，生物群落结构特征按照近岸海洋生态健康评价指南［15］中相应的标准进行。评价方法采用单因子污染指数Iij和综合指数法。生态环境质量状况用生态环境综合指数Ej表示，计算公式如下:

式中，Ej为j站位的生态环境综合指数;HQIj为j站位生境质量评价指数;ERIj为j站位生态响应评价指数。

2 结果和讨论

2.1 莱州湾生境质量评价

莱州湾2004年至2012年水环境质量综合指数WQI和沉积物质量综合指数SQI变化趋势和特征如图2所示。

图2 2004—2012年莱州湾水质和沉积物质量综合指数变化特征(误差线表示综合指数的变化范围)Fig．2 The variation of water and sediment quality index of Laizhou Bay from 2004 to 2012(Error bars represent the range of variation of the composite index)

2004—2012年莱州湾海洋水环境综合指数WQI的平均值为1.05(0.37—4.57)，总体接近中度污染水平。区域Ⅰ的WQI平均值为1.29，明显大于其它3个区域，处于中度污染水平，其它3个区域处于轻度污染水平。由于近年来黄河和小清河径流携带入海的污染物增加［16］，导致区域Ⅰ的污染明显较重，在河口附近形成污染物高值区。通过分析水质综合指数的单因子贡献率显示，莱州湾海域2004年至2012年对水质影响最大的是无机氮和油类，其含量见图3。无机氮对水环境污染贡献率最大，达到45.2%，除了2006、2009和2010年8月外，其余年份无机氮含量均超过了海水水质四类标准，处于严重污染的状态;2004—2012年，总共有35%的站位油类污染物含量超过了海水水质一类标准，对水质综合指数的贡献率在个别年份达到了20%以上。

图3 2004—2012年莱州湾水质主要污染物含量变化(误差线表示污染物含量变化范围)Fig．3 The variation of major pollutants in water in Laizhou Bay，2004 to 2012(Error bars represent the range of pollutant content)

2004—2012年莱州湾4个区域的沉积物质量综合指数SQI平均值均小于0.75，处于清洁水平，沉积环境质量空间差异较小。2004—2012年沉积物中有机碳含量的平均值为0.31%，硫化物含量的平均值为34.46mg/kg，均低于海洋沉积物质量一类标准;沉积物重金属除了个别年份个别站位As和Cd含量超过海洋沉积物一类标准外，总体上重金属含量均低于海洋沉积物质量一类标准，如图4。莱州湾海域表层沉积物质量总体上良好，与一些学者的研究结果基本一致［17］。

图4 2004—2012年莱州湾沉积物中主要污染物含量变化(误差线表示污染物含量范围)Fig．4 The variation of major pollutants in sediment content in Laizhou Bay，2004 to 2012(Error bars represent the range of pollutant content)

莱州湾生物质量综合指数BQI平均值为2.45，变化范围为1.48—3.62，均远远超过了1.25的严重污染的等级(图5)，以2004—2008年各调查航次均采集到的四角蛤为例(图6)，重金属和石油烃含量均超过了海洋生物质量一类标准，生物质量评价结果与其他学者所得结果相同［18］。

莱州湾海域生境质量综合指数(HQI)如图7所示，研究区生境质量总体上处于轻度到中度污染水平。I区HQI平均值为47.22(43.75—56.25)，处于中度污染水平。黄河和小清河的入海口都位于这一区域，其年径流量占整个沿岸河流入海径流量的98%以上，是莱州湾最主要的污染源，且污染物在河口不易扩散形成污染高值区［2，16］。位于莱州湾中部、东部及南部的Ⅱ—Ⅳ区域，生境质量综合指数平均值分别为53.47(43.75—62.5)、56.25(50—62.5)和54.17(43.75—62.5)，均属于轻度污染水平。

图5 莱州湾生物质量综合指数BQI的变化特征(误差线表示量值范围)Fig．5 The variation of composite index(BQI)of Laizhou Bay(Error bars represent the range of BQI)

图6 莱州湾四角蛤体内污染物含量Fig．6 The levels of pollutants in Mactra Veneriformis

图7 2004—2012年莱州湾不同区域海洋生境质量综合指数HQIFig．7 Composite index of the quality of marine habitats(HQI)in Laizhou Bay from 2004 to 2012 in different regions

2.2 莱州湾生态响应评价

莱州湾海域浮游植物、浮游动物和大型底栖生物密度和生物量如图8所示。2004年至2012年监测到的浮游植物物种数在28—95种之间，其中硅藻种类最多，占浮游植物种类组成的77%左右，浮游植物细胞数5月份的含量在0.037×105—300.8×105个/m3，平均含量为51.82×105个/m3;8月浮游植物细胞数含量在0.354×105—410.1×105个/m3，平均含量为124.48×105个/m3。春夏两季大部分站位的值远高于“近岸海洋生态健康评价指南”中莱州湾推荐标准值，且不同站位间波动范围较大。

2004年至2012年监测到浮游动物物种数在18—40种之间，浮游动物湿重生物量变化范围在2.36—1759 mg/m3之间，平均为 386 mg/m3，春季的高值区位于莱州湾中部海域，夏季高值区多位于西部海域;浮游动物密度变化范围在0.076×103—10.29 ×103个/m3之间，平均为 4.09 ×102个/m3，其密度和生物量指标均偏离“近岸海洋生态健康评价指南”中莱州湾推荐标准值较大。

莱州湾2004至2012年监测到大型底栖生物物种数在102—132种之间，底栖动物密度变化范围为24—1752个/m2之间，平均为662个/m2，小清河口等近岸海域生物密度明显高于远岸海域;底栖生物量变化范围为0.008—68.35 g/m2，平均为24.30 g/m2，软体动物生物量占底栖生物总生物量的绝对优势。大型底栖生物密度和生物量总体偏离“近岸海洋生态健康评价指南”中莱州湾推荐标准值不大，但底栖生物的物种组成已发生了变化，例如，在污染严重的小清河口底栖生物以多毛类占显著优势，已经表现出明显的污染特征［19］。

图8 莱州湾生物群落变化趋势及结构特征(误差线表示量值范围)Fig．8 The trends and structural characteristics of biological community in Laizhou Bay(Error bars represent the value range)

2004年至2012年5月，在莱州湾海域仅个别站位采集到极少量鱼卵和仔鱼(图9)，鱼卵种类最多仅为16种，其密度远少于5个/m3，仔鱼的种类和密度更低，且集中分布在莱州湾东南部海域，在河口附近的站位没有出现鱼卵仔鱼。王爱勇等的研究也表明自1982年至2008年莱州湾的鱼卵、仔鱼种类大幅减少，个体资源数量也下降趋势明显［5］。因此，在鱼卵仔鱼指标评价时，指数值给予最低的赋值。

图9 莱州湾鱼卵仔鱼的变化趋势Fig．9 The trend of fish roe and larvae in Laizhou Bay

莱州湾叶绿素a含量分布特征如图10所示，2004年至2012年叶绿素a浓度平均值的变化范围为0.15—21.8μg/L，2004年8月和2007年8月个别站位叶绿素a浓度出现35 ug/L的高值;在空间上，小清河口附近海域叶绿素a含量普遍高于其他海域。研究区叶绿素a浓度总体平均水平与赵骞、费尊乐等的研究结果相近［20-21］。莱州湾海域初级生产力平均为372 mgC m-2d-1，变化范围为8—1587 mgC m-2d-1，不同站位间差异较大，沿岸海域相对较高，初级生产力总体水平与费尊乐等研究结果接近［22］。莱州湾海域是多种鱼虾繁殖、产卵、索饵洄游的场所，是我国北方重要的海产品捕捞地，根据海洋功能区划，属于生态敏感区，因此，本文对莱州湾生态敏感指数的赋值为13。

图10 莱州湾叶绿素a变化特征(误差线表示量值范围围)Fig．10 The variation of chlorophyll a in Laizhou Bay(Error bars represent the range of content)

图11 是莱州湾海洋生态响应综合指数ERI，2004年至2012年研究区ERI值在5.89—60.74之间波动，平均值为36.27，ERI值大多在50以下，海洋生态受到了中度到严重扰动。不同海域ERI值差异很大，受黄河和小清河影响较大的Ⅰ区，其ERI值为23.22(4.89—41)，生态受到严重扰动，南部近岸的Ⅳ区ERI值为25.86(6.14—41.2)，生态受到中度至严重扰动，这两个区域浮游植物和浮游动物偏离标准值较大，底栖生物物种数和生物量总体偏离标准值不大，但底栖生物的物种组成已发生了明显变化。位于莱州湾中部和东部的Ⅱ区和Ⅲ区的ERI值分别为49.50(29.44—60.74)和46.52(31.22—57.15)，生态受到轻度至中度扰动。4个区域生态响应评价结果与生境质量评价结果是一致的，生境质量较差的I区，其生态受到的扰动最严重。

图11 莱州湾海洋生态响应综合指数ERIFig．11 Composite index of the quality of ecological response(ERI)in Laizhou Bay

2.3 莱州湾生态环境质量综合评价

根据莱州湾海洋生境质量状况和生态响应评价结果得到了2004年至2012年研究区生态环境质量综合指数 E，其变化特征如图 12所示，E值在15.36—61.18之间波动，平均值为39.26，显示莱州湾生态环境质量总体上处于“差”的水平，但2011年和2012年研究区E值明显高于其他年份，生态环境有明显好转趋势。Ⅰ—Ⅳ区域生态环境综合指数E值分别为28.08、48.96、48.38 和32.30，均处于“差”的水平，区域Ⅱ和区域Ⅲ的生态环境综合指数明显高于Ⅰ区和Ⅳ区的，前两个区域接近“一般”水平，后两个接近“很差”水平，这表明莱州湾西南海域受河口和近岸的影响严重。黄河和小清河的入海口位于Ⅰ区域，较多的淡水输入导致径流携带的各种污染物在莱州湾西部海域沉降并滞留，Ⅳ区域位于莱州湾南部，不仅有弥河、虞河、潍河等多条河流入海，而且在沿岸流的作用下也会受到西南部小清河口的影响，这两个区域也会受到沿岸农业非点源和水产养殖污染物排放的影响，导致这两个区域生态环境质量较差。因此，在该区域要控制集约用海工程规模，严格控制新的污染排放，密切关注其对海洋生态的影响。

图12 莱州湾生态环境质量综合指数变化特征Fig．12 The variation of eco-environmental quality index(E)in Laizhou Bay

3 结论

(1)莱州湾生境质量评价结果表明，2004年至2012年研究区生境质量总体处于轻度到中度污染水平，位于黄河和小清河入海口的Ⅰ区域生境质量达到中度污染水平，其它3个区域生境质量为轻度污染水平。水质和生物质量污染较严重，沉积环境质量较好。

(2)莱州湾生态响应评价结果表明，受黄河和小清河影响较大的Ⅰ区域，生态受到严重扰动，莱州湾南部近岸的Ⅳ区生态受到中度至严重扰动，其中浮游植物和浮游动物偏离标准值较大，底栖生物物种数和生物量总体偏离标准值不大，但底栖生物的物种组成已发生了明显变化，鱼卵和仔鱼种类、数量极低;莱州湾中部和东部的Ⅱ区和Ⅲ区的生态处于中度扰动状况。(3)莱州湾生态环境质量综合评价结果表明，位于莱州湾西部I区和南部近岸的IV区生态环境质量达到“差”的水平，莱州湾中部和东部的Ⅱ区和Ⅲ区生态环境质量接近“一般”水平。2011年和2012年莱州湾海域生态环境质量状况出现好转趋势。

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