大亚湾石化排污海域生态系统健康评价

徐姗楠，陈作志，林　琳，徐娇娇，李纯厚

中国水产科学研究院南海水产研究所，农业部南海渔业资源开发利用重点实验室，广东省渔业生态环境重点实验室，广州　510300

大亚湾石化排污海域生态系统健康评价

徐姗楠，陈作志，林琳，徐娇娇，李纯厚*

中国水产科学研究院南海水产研究所，农业部南海渔业资源开发利用重点实验室，广东省渔业生态环境重点实验室，广州510300

摘要:基于近海生态系统健康评价模型，以2011—2012年间海洋生态环境调查数据为基础，对大亚湾石化排污海域的生态系统健康状态进行了综合评价。结果表明：丰水期(2011年8月)，大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数为0.808，健康状态为“好”，空间分布为近岸海域健康状况好于远岸海域，其中底栖生物多样性综合指数是影响该海域生态系统健康的主要负面因子。枯水期(2012年1月)，石化排污海域生态系统健康综合指数为0.767，健康状态为“一般”，远岸海域健康状况好于近岸海域，浮游植物多样性综合指数和底栖生物多样性综合指数是影响该海域生态系统健康的主要负面因子。与2006—2007年相比，大亚湾石化排污海域生态系统的健康状况正向“一般”状态退化。

关键词：海湾生态系统；健康评价；指标体系；石化排污海域；大亚湾

海湾是陆、海相互作用以及人类干扰活动的强烈承受区域，是环境变化的敏感带和生态系统的脆弱带[1]。全球约41%的海域尤其是河口、海湾已经受到人类活动的严重干扰[2]。海湾生态环境的严重恶化目前已成为世界海岸带面临的重要灾害，对海岸地区的环境与生态亦带来严峻挑战。海湾生态系统健康评价与恢复正受到国内外的广泛关注，并成为海洋生态学及海洋管理研究的热点问题之一[3]。

大亚湾是受高强度人类活动影响的典型海湾，也是我国亚热带海洋生物种质资源库和华南沿海重要的渔业水域[4- 6]。20世纪80年代后期，大亚湾进入了经济发展的开发期，人类活动变得异常频繁，特别是90年代以来的核电工业建设以及近年来以中海壳牌石化项目为龙头的大亚湾石化工业区建设等。中海壳牌石油化工有限公司于2000年在广东省惠州市大亚湾经济技术开发区建设并运营其石化联合工厂，石化区污水实行管道深海排放，排污口距离惠东国家海龟自然保护区约6 km，排污管道在2006年中海壳牌投产前已建成，一直使用至今，排海石化污水的污染物主要有：COD、石油类、重金属、硫化物、氨氮等[7]。整个石化区废水实际排海量约为920×104m3/a。随着中海油二期等项目的建成投产，可以预见其巨大的排污量必将对区域生态系统造成巨大压力，严重影响生态系统服务功能。因此，对石化排污海域生态系统进行健康评价，具有十分重要的意义。以2011—2012年海洋生态调查数据为基础，构建了符合石化排污自身特征的指标体系，并利用生态系统健康模型对大亚湾石化排污海域进行初步定量评价，以期真实、客观的反映该海域生态系统的现状及变化趋势，从而为我国石化排污海域的科学管理提供理论依据。

图1　大亚湾石化排污区海域生态环境调查站位示意[8]　Fig.1　Ecological environment survey stations of the petrochemical sewage waters in Daya Bay[8]

1材料与方法

1.1站位与样品采集

2011年8月(丰水期)和2012年1月(枯水期)分别对大亚湾石化排污区海域进行了2个航次的生态调查，站位的布设见图1。调查海域布设12个站位，其中S9位于排污口中心区，S1—S4、S5—S8是以排污口为中心，分别以2000、1000 m为半径，与东南西北4个方位的交点，其中半径1000 m是根据排污点和非自然保护区的相关位置确定。两个航次调查均采集12个站位的表、底层水样、浮游植物和浮游动物样品，2011年8月采集S1、S3、S4、S8—S12站位海底表层沉积物样品、底栖生物和游泳生物样品，2012年1月采集S1—S4、S9—S12站位海底表层沉积物样品、底栖生物和游泳生物样品。其中，底栖生物生物量和多样性是由大型底栖生物构成。历史数据来源中国水产科学研究院南海水产研究所于2006年12月、2007年12月、2010年7月、2011年1月在大亚湾石化排污海域的调查监测数据[8]。样品的采集、运输、保存和分析均参照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)和《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)所规定的方法进行。

1.2评价指标体系的构建

根据石化排污海域生态系统的特点，参考Xu等[9- 10]建立的近海生态系统健康评价模型，构建石化排污海域生态系统健康评价指标体系。该体系主要从理化环境、生物群落结构、生态系统功能3大类26个指标构成，分为5个层次，其中A层为目标层，B层为准则层，C—E为指标层(表1)。

D2有机污染指数反映水体受有机污染物污染的程度[11- 12]:

表1　大亚湾石化排污海域生态系统健康评价指标体系及权重系数

E1—E7、E8—E14、E15—E21分别代表重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As

D3营养水平指数反映水体的营养水平[12]:

式中,E为营养水平指数；CCOD(mg/L)、CIN(μg/L)、CIP(μg/L)分别为化学耗氧量、溶解态无机氮、活性磷酸盐的实际测量值。

生物多样性综合指数Dv反映生态系统的复杂性和稳定性[13]:

Dv=H′×J

式中,H′为Shannon-Weaver多样性指数，J为均匀度，S为种类总数，Pi为第i种的个体数量(ni)与总个体数(N)的比值。对于底栖生物和游泳生物来说，因每个种的个体相差可能很大，故用生物量(W)来代替个体数[14]：

渔获物营养级TLC表征海洋食物网结构变化特征[15]:

式中，∑Ci=Ct，Ct为总渔获量，而Ci是i种类的渔获量，TLi为i种鱼类的营养级。

1.3管理目标的确定

通过管理目标，将海湾生态系统健康评价与生态系统管理的实际紧密结合起来，使健康评价的结果更贴近生态系统管理的实际需要[16]。根据整体性、科学性、简明性和可操作性原则，确定大亚湾石化排污海域生态系统健康评价指标体系中每一个单项指标因子的管理目标(表2)。管理目标的参照标准值用Sij来表示，即为第i个指标在j点位的参照标准。其中，有机污染指数和营养水平指数标准的确定参考贾晓平等[11- 12]的分级标准，水质指标标准的确定依据《海水水质标准》(GB 3097—1997)第一类标准，沉积物指标标准的确定依据《海洋沉积物质量》(GB 18668—2002)第一类标准，饵料生物和初级生产力指标标准的确定参考贾晓平等[12, 17]、陈清潮等[13]的分级标准。

1.4生态系统健康分指数计算

通过将生态调查数据与参比值(或背景值)相比较，健康评价指标体系的指标层(D层)中各单指标分值通过下述公式计算：

(1)正向指标，即指标的生态效应随着数值升高而升高，包括浮游植物多样性综合指数、浮游动物生物量及其多样性综合指数、底栖生物生物量及其多样性综合指数、初级生产力。

(2)逆向指标，即指标的生态效应随着数值的升高而降低，包括有机污染指数、营养水平指数、BOD5、硫化物、石油烃、水体重金属、沉积物有机碳、沉积物硫化物、沉积物石油烃、沉积物重金属。

(3)其他指标，即超过一定范围，指标的生态效应均降低，包括pH和浮游植物生物量。

式中，EHIij为第i个指标在j点位的生态系统健康分指数，Xij为第i个指标在j点位的实测值，Sij为第i个指标在j点位的参照标准。

1.5评价指标权重的确定

通过专家对选取的指标进行判断，明确各层评价因子的相对重要性及其标度，然后利用层次分析法构造两两比较矩阵，再通过Matlab7.0计算确定各个层次评价指标的权重值，并通过一致性检验(C.R.<0.1)。各因子相对于上层的权重如表1所示。将各指标因子相对于上一层的权重进行乘积计算即可得到各指标因子相对于A层的权重wi(表2)。

1.6生态系统健康评价综合指数的计算

式中，EHCI为大亚湾石化排污区海域生态系统健康综合指数；EHCIj为j点位的生态系统健康综合指数；EHIij为第i个指标在j点位的生态系统健康分指数；wi为第i个指标通过层次分析法获得的相对A层的权重。

表2　大亚湾石化排污海域生态系统健康评价管理目标及其权重

由于采样点水深较浅，表、底层海水指标的权重取相同值

计算得到的生态系统健康综合指数和分指数，都位于[0，1]区间内。指数值为1说明已达到或优于管理目标，越接近1，表示越接近管理目标，越接近0，表示距离管理目标越远。根据生态系统健康综合指数的数值大小，参考李纯厚等[3]构建的海湾生态系统健康水平分级评价标准，将石化排污海域生态系统的健康状态划分为6个等级(表3)。

表3　大亚湾石化排污海域生态系统健康水平分级评价标准

2结果与讨论

2.1大亚湾石化排污海域生态系统健康状况

根据2011年8月(丰水期)和2012年1月(枯水期)在大亚湾石化排污海域进行生态调查数据(表4)，应用上述方法计算生态系统健康分指数和生态系统健康综合指数。

表4　2011—2012年大亚湾石化排污海域生态环境状况

表中序号1—13为表层海水指标，14—26为底层海水指标

丰水期，大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数为0.808，健康状态为“好”。调查的12个站位中，有5个站位的生态系统健康状况为“一般”，其他7个站位的生态系统健康状况为“好”。根据该海域生态系统健康状况的空间分布(图2)可知，近岸海域健康状况要好于远岸海域。若健康分指数平均值低于0.4，则它对应的健康等级将低于“临界”水平，会对生态系统的健康造成直接的负面影响，因此将健康分指数平均值低于0.4的指标，确定为影响生态系统健康的主要负面因子。因此，丰水期，影响大亚湾石化排污海域生态系统健康的主要负面因子是底栖生物多样性综合指数(D24)，其生态系统健康分指数为0.313。此外，底层海水重金属Zn(E10)、浮游动物生物量D21和表层海水重金属Zn(E3)也对该海域生态系统健康存在负面影响，其对应的生态系统健康分指数分别为0.447、0.517和0.558，健康状态处于“临界状态”。

表5　大亚湾石化排污海域生态系统各指标的健康分指数

表中序号1—13为表层海水指标，14—26为底层海水指标

枯水期，大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数为0.767，健康状态为“一般”。12个调查站位中有8个测站的生态系统健康状态为“一般”，其他4个站的生态系统健康状态为“好”。该海域生态系统健康状况的空间分布如图3所示，远岸海域生态系统的健康状况优于近岸海域，其中西部和西北部海域健康状况较好，东南部海域健康状况较差。枯水期，影响大亚湾石化排污海域生态系统健康的主要负面因子是浮游植物多样性综合指数(D20)与和底栖生物多样性综合指数(D24)，其生态系统健康分指数分别为0.356和0.392，均属“较差”等级。而浮游动物多样性综合指数(D22)、表层海水pH(D1)及初级生产力(C4)属于“临界”状态，对应的生态系统健康分指数分别为0.467、0.505和0.598。

石化排污管道的排污是影响调查海域海水水质的主要污染源[8]。污水由扩散器喷出后，由湍流和剪流引起的被动扩散和海流输移是形成污染物时空分布的决定因素，而与初始排放条件无关[18]。丰水期降雨量大，有利于污染物的输移与扩散，因此，近岸海域健康状况好于远岸海域(图2)。水环境的变化必然会导致生物群落的变化，丰水期强烈的降雨对底栖动物的群落多样性影响较大。小鳞帘蛤(Veremolpamicra)和粗帝汶蛤(Timocleascabra)是评价海域的优势种，丰水期间水温的升高促进了这两个物种的生长，使其数量大幅上升，优势地位迅速提升，从而导致评价海域的多样性水平大大降低[19- 20]。枯水期降雨量少，加上大亚湾是半封闭的海湾，海水交换能力差，不利于污染物的输移与扩散，阻断了枯水期的上下水层的交换运输通道，使得萎软几内亚藻(Guinardiaflaccida)和柔弱拟菱形藻(Pseudo-nitzschiadelicatissma)等优势度进一步增加，降低了浮游植物的生物多样性，从而影响了生态系统的健康[21- 22]。同时，在冬季顺时针欧拉余流的作用下[18]，排污口污水向东南输移，故东南部海域健康状况较差，而西部海域生态系统健康状况较好(图3)。

图2　丰水期大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数空间分布Fig.2　The spatial distribution for ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay in flood season

图3　枯水期大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数空间分布Fig.3　The spatial distribution for ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay in dry season

2.2大亚湾石化排污海域生态系统健康状况的变化趋势

图4　大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数变化趋势　Fig.4　Status of ecosystem health of the petrochemical sewage waters in Daya Bay

根据评价结果(图4)，大亚湾石化排污管道运营初期(2006年12月)，该海域生态系统健康综合指数(EHCI)为0.948，健康状态为“好”，至2012年1月健康状态为“一般”，大亚湾石化排污海域的生态系统综合健康指数总体上为递降趋势，表明其生态系统健康状况整体呈下降趋势，影响其生态系统健康的主要负面因子是底栖生物多样性综合指数和浮游植物多样性综合指数。

生物多样性特征对于维持生态系统健康至关重要，它是生态系统抗干扰能力、恢复能力及适应环境变化能力的物质基础[23- 24]。由于大亚湾是一个半封闭的大型海湾，与外海的水交换较弱，石化排放的污染物更容易对生态系统造成了强烈的冲击。从石化排放的主要特征污染物来看，石油类、硫化物等均可通过影响光合作用效率、参与DMS的产生和循环的过程等对浮游植物生长、分布和群落结构产生直接效应[25]，尤其是在石化排污集中区域会出现浮游植物多样性降低，群落趋向小型化[26]。此外，COD，石油类、重金属、硫化物等污染物对底栖动物的生物多样性也有明显的影响[27- 29]。Schlacher等[30]研究表明，原油泄漏对澳大利亚昆士兰东南部海域底栖动物群落结构产生了严重的负面影响。申宝忠等[31]发现黄河三角洲地区的CODCr、NH3-N、石油类和挥发酚等污染物造成底栖动物多样性降低和个体密度减少。从大亚湾石化污水输入大亚湾黄毛山—三角洲海域的年通量变化来看，2007年废水排放量为583.6万t/a，2011年输入调查海域的废水量已达1007.4万t/a，占大亚湾区废水总量的58.44%，而石化废水中含有大量的油类、COD、氨氮、重金属盐类，还有一些石化工业产生大量含酸废水，加上全球酸化的影响，导致2011—2012年的监测结果，与2006—2007年排污管道运营初期相比，海水pH呈现明显降低趋势，DIN、Cd以及水体和沉积物中石油烃含量均呈升高趋势[7]，因而对浮游植物和底栖生物多样性的胁迫也逐年增加，从而影响了该区域生态系统的健康状态。本文健康评价也证实了与2006—2007年相比，大亚湾石化排污海域生态系统的健康状况正向“一般”状态退化。

3结论

(1)构建了大亚湾石化排污海域生态系统健康评价模型。该模型由理化环境、生物群落结构、生态系统功能等3大类26个指标构成，并首次将游泳生物指标包括在内，完全涵盖了该区域生态系统的功能组份，其评价结果较以往评价更加全面与准确。

(2)通过综合健康指数法评估并客观反映了大亚湾石化排污海域生态系统健康状况及变化趋势。结果表明，2011—2012年，大亚湾石化排污海域生态系统健康综合指数，整体表现为丰水期(0.808)高于枯水期(0.767)，底栖生物和浮游植物多样性综合指数是影响该海域生态系统健康的主要负面因子。

(3)通过对比发现，从2006年石化排污管道运营至今，大亚湾石化排污海域的生态系统综合健康指数总体上为递降趋势，表明其生态系统健康状况整体呈下降趋势。

(4)海洋生态系统健康是一个理论性与实践性相结合的复杂概念，目前国内外关于石化排污海域生态系统健康评价的研究尚不多见。因此，在今后的健康评价研究中，应该进一步完善生态系统健康评价指标体系，确保指标体系的全面性和评价标准的客观性，并开展长期定位监测。

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Ecosystem health assessment of the petrochemical sewage waters in Daya Bay

XU Shannan,CHEN Zuozhi, LIN Lin, XU Jiaojiao, LI Chunhou*

KeyLaboratoryofSouthChinaSeaFisheryResourcesExploitation&Utilization,MinistryofAgriculture,KeyLaboratoryofFisheryEcologyandEnvironment,GuangdongProvince,SouthChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Guangzhou510300,China

Abstract：Using the model of health assessment of a marine coastal ecosystem, we assessed the petrochemical sewage waters in Daya Bay using the ecological survey data of 2011 and 2012. The results showed that the ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay during the flood season (August 2011) was 0.808, suggesting that the ecosystem health was at a “good” level. Spatial distribution of EHCIs of inshore waters was higher than that of offshore waters, and the comprehensive biodiversity index of benthos was found to be the primary factor that negatively affected ecosystem health. The EHCI of the petrochemical sewage waters in the dry season (January 2012) was 0.767, suggesting that ecosystem health was at a “moderate” level. Spatial distribution of EHCIs of offshore waters was higher than that of inshore waters, and the comprehensive biodiversity indices of phytoplankton and benthos were found to be the primary factors that negatively affected ecosystem health. Compared to 2006 and 2007, health status of the petrochemical sewage waters in Daya Bay was deteriorating and changed from “good” to “moderate”.

Key Words:bay ecosystem; health assessment; indicator system; petrochemical sewage waters; Daya Bay

基金项目:国家重点基础研究发展计划(2015CB452904); 公益性行业(农业)科研专项(201403008); 国家自然科学基金项目(31100362); 广州市科技计划项目(2014J2200020)

收稿日期:2014- 07- 04;

修订日期:2015- 03- 18

DOI:10.5846/stxb201407041379

*通讯作者Corresponding author.E-mail: scslch@vip.163.com

徐姗楠，陈作志，林琳，徐娇娇，李纯厚.大亚湾石化排污海域生态系统健康评价.生态学报,2016,36(5):1421- 1430.

Xu S N,Chen Z Z, Lin L, Xu J J, Li C H.Ecosystem health assessment of the petrochemical sewage waters in Daya Bay.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1421- 1430.