大连獐子岛人工鱼礁海域夏季水质变化与评价

刘永虎，程前，田涛，陈勇，尹增强，刘汉超，王月

（大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁大连116023）



大连獐子岛人工鱼礁海域夏季水质变化与评价

刘永虎，程前，田涛，陈勇，尹增强，刘汉超，王月

（大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁大连116023）

摘要：为评价大连獐子岛海域人工鱼礁投放前后夏季水质的变化情况，根据2010—2014年该海域本底调查 （2010年夏季）及4次 （2011—2014年每年夏季）跟踪调查数据，采用富营养化指数 （E）、有机污染指数 （A）和水质综合评价方法等进行评价。结果表明：投礁后，无机氮 （DIN）和无机磷 （DIP）含量整体呈下降趋势，其中DIN含量平均值由投礁前的 （0.602±0.020）mg/L降低至 （0.053±0.010）mg/L （2014年夏季），DIP含量平均值由投礁前的 （0.033±0.005）mg/L下降至 （0.016±0.004）mg/L（2014年夏季），氮的变化比磷的变化大；鱼礁区的溶解氧 （DO）含量比较高，除2011年4号站位外，其他站位均大于6 mg/L；化学需氧量 （COD）在2011年大幅度提高，达到6～7 mg/L，其他年份均为3～4 mg/L；重金属除Cu外，Pb、Cd含量整体呈下降趋势，有机污染指数平均值整体呈下降趋势，由投礁前的0.045± 0.004下降到-0.277±0.002（2014年夏季），水体质量由投礁前的较好转为投礁后的良好水平；富营养化指数平均值整体呈下降趋势，由投礁前的1.45±0.04降低至0.41±0.04（2014年夏季），水体的营养化水平由投礁前的富营养化转化为投礁后的贫营养化水平；比较投礁后3个海岛海水水质的变化情况，应用水质综合评价方法，可知其综合评价值依次为Ⅱ区域 （大耗岛）＞Ⅰ区域 （褡裢岛）＞Ⅲ （小耗岛）。研究表明，獐子岛人工鱼礁建设海域夏季水质状况在鱼礁投放后得到明显改善。

关键词：人工鱼礁；营养盐；水质；獐子岛

人工鱼礁是用于改善海域生态环境、建设渔场和增养殖场的人工设施［1］，具有修复和优化生态环境、保护和增殖渔业资源的功能［2］。国内外学者对鱼礁区的研究表明，鱼礁区的水质环境与天然海区相比有明显优化［3-5］，鱼礁在维护和改善渔场环境方面起到了积极作用［6］。目前，主要通过试验和数值模拟方法［7-13］研究人工鱼礁对流场等环境因子的影响，也有一些学者根据现场调查数据分析人工鱼礁对环境因子的影响。王伟定等［14］研究了浙江嵊泗资源养护型鱼礁对水质环境的影响，张艳等［15］研究了山东莱州湾人工鱼礁海水水质的变化特征，而有关大连獐子岛人工鱼礁海域水质变化特征的研究目前尚未见报道。

獐子岛位于39°N、122°E，獐子岛海域盛产刺参、鲍鱼、扇贝等海珍品，是著名的 “獐子岛海参”原产地。但是，近年来由于过度捕捞和生态环境变化等原因，该海域刺参等海珍品资源量骤减。为此，于2010年开始在獐子岛近岸海域人工鱼礁区陆续投放海珍品增殖礁，以改善其生态环境，营造适宜刺参、鲍鱼、海胆等海珍品的生息场。作者于2010—2014年每年一次对人工鱼礁投放海域的环境状况进行了调查，根据调查数据对比投礁前后獐子岛人工鱼礁海域夏季水质环境的变化情况，探讨了人工鱼礁区的海洋环境改善效果，旨在为今后该海域人工鱼礁建设效果评价提供依据。

1　材料与方法

1.1调查时间和站位

于2010—2014年夏季对大连獐子岛海域进行了1次本底调查 （2010年夏季）和4次跟踪调查（2011—2014年每年夏季），每次调查均对该海域进行水样采集，并将所取水样带回实验室进行分析测定，所有指标均进行3次平行测定。调查区域和站位设置如图1所示。

图1　獐子岛人工鱼礁区调查区域图Fig.1 Surveyed stations in the artificial reef area in Zhangzi Island

1.2方法

1.2.1指标的测定

（1）海洋水环境。海洋水环境调查内容包括水温、盐度、透明度3项指标。根据 《海洋监测规范第 4部分：海水分析》 GB 17378.4—2007［16］，采用透明度盘法测量透明度；用6600型多功能水质分析仪测定水温和盐度数据。

（2）海水化学环境。海水化学环境调查内容包括化学需氧量 （COD）、总氮、总磷、亚硝酸盐、硝酸盐、氨氮、活性磷酸盐和海水重金属（铅、镉、铜）、溶解氧 （DO）、pH等指标，根据《海洋监测规范第4部分：海水分析》［16］，分别采用碱性高锰酸钾法、过硫酸钾氧化法、萘乙二胺分光光度法、锌-镉还原法、次溴酸盐氧化法、磷钼蓝分光光度法、原子吸收法测定得到各指标数据，其中溶解氧、pH数据通过6600型多功能水质分析仪测定。

1.2.2富营养化指数和有机污染指数评价 根据调查数据，分析营养盐 （无机氮 DIN、无机磷DIP）与水质 （DO、COD、重金属）的变化情况。通过富营养化指数和有机污染指数分别分析人工鱼礁海域富营养化水平和污染程度。

（1）根据水体富营养指数法对该海域水质进行评价［17］。富营养化指数 （E）计算公式为

其中：COD、DIN、DIP单位均为mg/L，根据表1确定鱼礁区海域海水的营养水平。

（2）采用有机污染指数法对该海域水质进行评价［17］。有机污染指数 （A）计算公式为

其中：下标为i的变量为实测值；下标为s的变量为Ⅰ类海水的水质标准。评价标准见表2。

表1　海水营养水平分级Tab.1 Trophical level classification of numerical E in sea water

表2　海水有机污染分级评价标准Tab.2 Evaluation criteria of organic pollution of sea water

1.2.3综合评价

（1）评价指标的选定与获取。根据 《近岸海域环境功能区划分技术规范》（HJ/T 82—2001）并结合实际情况，本研究中以獐子岛海洋牧场海域海水水质评价指标，作为指标评价内容，初步建立了人工鱼礁区水质评价体系。对于水质综合评价共设置9个评价指标，分别为COD、pH、DO、DIP、DIN、N∶P（原子比）和Cu、Pb、Cd。各指标数据均通过现场采样、实验室测定获取。

（2）评价指标标准的确定。定量指标评价值通过阈值抛物线型标准化处理方法，建立模糊隶属函数求得［3］，其中阈值的确定依据、定量指标评价标准的隶属函数及确定依据如表3所示。

（3）评价指标权重的确定。各项指标在评价海域生态状况的重要程度并不相同，因此，在采用多项指标评价海水水质效果时，各指标应当赋予不同的权重值。运用三标度层次分析法，即两元素相比，后者 （j）比前者 （i）重要，记为0；两者同样重要，记为1；前者（i）比后者（j）重要，记为2，确立评价指标权重值。在评价海域生态状况时，如果评价指标无监测数据，可按该评价标准下其他指标的权重比例把该指标权重分配给其他指标。

（4）综合评价。海域综合评价结果可根据下式进行计算：

其中wi、ei分别为指标i的权重和指标值。

1.3数据处理

利用SPSS 19.0软件对试验数据进行显著性分析。

2　结果与分析

将各评价指标的现场调查数据代入相应的模糊隶属函数，得到COD、pH、DO、DIP、DIN、N∶P（原子比）、Cu、Pb、Cd的权重值分别为0.076、0.021、0.031、0.187、0.114、0.301、0.090、0.090、0.090。

通过权重值判定人工鱼礁投放后Ⅰ （褡裢岛）、Ⅱ （大耗岛）、Ⅲ （小耗岛）3个区域 （图1）海水水质的总体评价值变化情况。

表3　定量指标评价标准的隶属函数及其确定依据Tab.3 Evaluation standard of the quantitative indices

2.1水质指标分析

2.1.1营养盐 无机氮 （DIN）是浮游植物生长的必需元素之一，海水中无机氮主要以NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N的形式存在，浮游植物通过光合作用吸收无机氮转化为有机氮，浮游动物消耗有机氮，部分用于自身机体的生理需要，部分转化为废物排泄出体外，并且死亡后尸解也释放出无机氮。如图2所示，本底调查DIN的最高值为（0.659 3± 0.008 0）mg/L，已超出了 《海水水质标准》（GB 3097—1997）［18］中第Ⅳ类海水的无机氮含量 （0.5 mg/L），投礁前后 DIN的范围为（0.043 2± 0.000 3）～（0.659 3±0.008 0）mg/L。投礁后海域DIN含量下降趋势明显，远低于投礁前，除5号站位在2011年7月属第Ⅲ类海水水质外，其他站位均符合第Ⅰ、Ⅱ类海水水质标准。

图2　不同年份鱼礁区DIN含量变化情况Fig.2 Variations in DIN concentration in artificial reef area in different years

磷酸盐 （DIP）是海洋浮游生物繁殖生长必需营养要素之一，也是海洋生物产量的控制因素，它在生物代谢尤其是能量转换过程中起着非常重要的作用。海水中的磷酸盐主要来源于大陆径流及死亡的海洋生物体氧化分解再生的活性磷酸盐。磷酸盐又是水体富营养化的主要因素。獐子岛调查海域的活性磷酸盐是磷的主要存在形式，由图3可知，本底调查DIP的最高值为（0.045 8±0.000 7）mg/L，超出《海水水质标准》［18］中第Ⅳ类海水的DIP含量（0.045 mg/L），范围为（0.010 2±0.000 9）～（0.045 8±0.000 7）mg/L。投礁后DIP含量整体呈下降趋势，各站位均符合第Ⅱ、Ⅲ类海水水质标准。

图3　不同年份鱼礁区DIP含量变化情况Fig.3 Variations in DIP concentration in artificial reef area in different years

2.1.2DO和COD

DO含量多少及分布变化直接影响海域水环境的质量状况，可作为评价海域生态环境的一个重要指标［14］。在2010年的本底调查和此后的4次跟踪调查中，DO含量均较高且符合国家 《海水水质标准》［18］中第Ⅰ类海水水质标准 （图4）。对比投礁前后各站位的DO含量，变化趋势基本稳定。

图4　不同年份鱼礁区DO含量变化情况Fig.4 Variations in DO concentration in artificial reef area in different years

COD含量反映水体有机物污染程度［14］。本底调查中，2、4号站位COD含量均符合国家《海水水质标准》［18］第Ⅰ类海水水质标准，1、3、5号站位均符合第Ⅱ类海水水质标准；跟踪调查中，除4号站位在2011年7月超过第Ⅳ类海水水质标准外，其他站位均符合第Ⅱ、Ⅲ类海水水质标准（图5）。

图5　不同年份鱼礁区COD含量变化情况Fig.5 Variations in COD concentration in artificial reef area in different years

2.1.3重金属 重金属的化学形态决定着它们对生物地球化学循环过程、生物活性和环境的毒性效应。重金属通过对配位体的络合作用来减少或消除对水体生物的毒性。因此，测定水体的金属络合配位体浓度和稳定常数，可确定水体的重金属污染情况。在金属络合配位体浓度测定时，常用络合能力强的Cu，此外还有Pb、Cd等［19］。

（1）Cu。在本底调查中，Cu的含量范围为（0.003 6±0.000 1）～（0.006 2±0.000 4）mg/L，除3、4、5号站位外，1、2号站位均符合第Ⅰ类海水水质标准 （≤0.005 mg/L）；在跟踪调查中，Cu含量最高值出现在2012年6月的3号站位（0.006 6 mg/L），符合第Ⅱ类海水水质标准（图6）。

（2）Pb。在本底调查中，Pb的含量范围（0.004 0±0.000 2）～（0.007 0±0.000 2）mg/L，最高值为0.007 mg/L，除5号站位符合第Ⅱ类海水水质标准 （0.001≤Pb≤0.005）外，其他站位均符合第Ⅲ类水质标准 （0.005≤Pb≤0.010）；在跟踪调查中，Pb含量整体呈下降趋势，除2011年7月的1、2、3号站位符合第Ⅲ类海水水质标准外，其他站位均符合第Ⅱ类海水水质标准 （图7）。

图6　不同年份鱼礁区Cu含量变化情况Fig.6 Variations in Cu concentration in artificial reef area in different years

图7　不同年份鱼礁区Pb含量变化情况Fig.7 Variations in Pb concentration in artificial reef area in different years

（3）Cd。在本底调查中，Cd含量范围为（0.006 0±0.000 2）～（0.009 0±0.000 5）mg/L，均符合第Ⅲ类海水水质标准（0.005≤Cd≤0.010）；在跟踪调查中，Cd含量整体呈下降趋势，除2012 年6月的1、2、5号站位符合第Ⅲ类海水水质标准外，其他站位均符合第Ⅱ类海水水质标准（图8）。

图8　不同年份鱼礁区Cd含量变化情况Fig.8 Variations in Cd concentration in artificial reef area in different years

2.2水质评价

2.2.1富营养状况评价 根据富营养化指数的营养水平分级标准 （表2），调查海域在本底调查中为轻度富营养状态，4次跟踪调查结果表明，獐子岛海域属于轻度富营养或贫营养水体，除2013年8月外，其他航次调查的富营养化指数总体呈下降趋势 （图9）。说明人工鱼礁投放后对局部海域水体富营养化程度具有改善作用。

图9　调查期间鱼礁区海水营养指数 （E）评价结果Fig.9 The results of trophic index（E）in sea water in artificial reef area during the period of investigation

2.2.2有机污染指数评价 根据有机物污染指数判别标准 （表4），本底调查时，只有4号站位的A值 （-0.159）小于0，水质良好，其余站位A值均小于1，水质较好；跟踪调查时发现，鱼礁区整体有机物污染指数呈下降趋势。

表4　调查期间鱼礁区海水有机污染指数 （A）评价结果Tab.4 The organic pollution index（A）in artificial reef area during the period of investigation

2.2.3水质综合评价 根据2010年6月—2014 年6月5次调查的3个海岛水质评价平均值计算结果，将依据站位所在位置分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ （褡裢岛、大耗岛、小耗岛）3个区域，得到3个区域的总体评价值分别为0.849、0.853、0.666。3个海岛区域的总体评价值依次为Ⅱ区域＞Ⅰ区域＞Ⅲ区域 （图10）。利用SPSS 19.0软件对3个区域各水质指标的差异进行显著性分析，结果表明，在显著性水平α=0.05条件下，3个区域海水各指标均无显著的区域性差异 （P＞0.05）（表5）。说明3个海岛区域总体水质状况虽存在差异但并不显著。

3　讨论

3.1水体中各要素的变化

獐子岛人工鱼礁投放海域DIN和DIP营养盐，分别由投礁前的（0.659 3±0.008 0）、（0.045 8± 0.000 7）mg/L变化为投礁后的（0.043 2± 0.000 3）、（0.010 0±0.000 8）mg/L，由N/P结果可知，所有站位的N/P值均小于16（表6），依据N/P＜16时氮相对缺乏、N/P＞16时磷相对缺乏的标准［14］，可知调查水域中氮含量相对不足。说明人工鱼礁流场对磷的富集作用大于氮，这可能与人工鱼礁海域的沉积物所含成分有关［20］。在投礁一年后的2011年7月COD由投礁前的1～2 mg/L提高到6～7 mg/L，以后均保持在3～4 mg/L，其原因可能是鱼礁投放初期产生的上升流作用，水体交换能力提高，水体耗氧量迅速增加，短时间内局部生境发生变化，从而导致COD含量急剧上升。但投礁两年后，由于海水自身调节和交换作用，COD含量趋于稳定，且高于投礁前。鱼礁区DO含量较高，DO并非鱼礁区浮游动植物生长的限制因子，说明该海域比较适合投建人工鱼礁。

图10　不同年份3个区域的总体评价值变化情况Fig.10 Overall changes in the values in three regions in different years

表5　各水质指标的区域性差异Tab.5 Differences in water quality among the three areas

表6　N/P的变化Tab.6 Variation in N/P value

3.2人工鱼礁区水质综合评价

对大连獐子岛人工鱼礁区海水总体评价值为0.627～0.992，最小值出现在2010年6月Ⅱ区域（大耗岛），最大值出现在2012年6月Ⅱ区域 （图10）。总体看，Ⅱ区域附近海水水质受投礁影响较大，由图10可知：Ⅱ区域除2012年6月外，总体评价值呈上升趋势，这可能是2012年6月水体温度低，浮游植物生长速度缓慢，水中溶解氧升高，导致海水中营养盐密度升高，此后的跟踪调查中整体评价值总体呈明显的上升趋势，说明投礁后整体海水水质得到改善，且2014年6月的调查中Ⅱ区域总体评价值明显高于Ⅰ、Ⅲ两个区域；Ⅰ区域总体评价值呈先减后增趋势，投礁一年后趋于稳定，2011年7月投礁初期呈现下降趋势，可能是投礁初期打破了该局部海区原有的生态环境，经过一定时间的缓冲，进行了自我调节［14］，Ⅰ区域的总体评价值得到恢复；Ⅲ区域 （小耗岛）总体评价值相对较低且变化不明显。综上所述，獐子岛人工鱼礁海域投礁效果若只从海水水质方面看，Ⅱ区域（大耗岛）＞Ⅰ区域（褡裢岛）＞Ⅲ区域（小耗岛）。

本研究中，对本底调查和跟踪调查的各指标差异进行显著性分析 （表7），发现除COD和Pb两个指标有显著性差异之外，其他各指标均无显著性差异 （P＞0.05）。因此，从整体来看，虽然投礁后水质得到了改善，但人工鱼礁对水质的调控和改善作用需要更长时间才能凸显出来［21］。

表7　本底调查和跟踪调查各指标差异的显著性分析Tab.7 　Significant difference in each index during the background survey and tracking survey

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中图分类号：S953.1

文献标志码：A

DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.03.018

文章编号：2095-1388（2016）03-0331-07

收稿日期：2015-09-18

基金项目：国家科技支撑计划项目 （2013BAD23B02，2012BAD18B03）

作者简介：刘永虎 （1984—），男，实验师。E-mail：tiger@dlou.edu.cn

通信作者：田涛 （1979—），男，博士，副教授。E-mail：tian2007@dlou.edu.cn

Evaluation and changes in water quality at artificial reef area in Zhangzi Island in Dalian in summer

LIU Yong-hu，CHENG Qian，TIAN Tao，CHEN Yong，YIN Zeng-qiang，LIU Han-chao，WANG Yue
（Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

Abstract：The assessment of water quality was carried out before and after establishment of artificial reef area of Zhangzi Island based on the water environmental data from background survey in summer of 2010 and four surveys from summer of 2011 to summer of 2014 by eutrophication index（E），organic pollution index（A）and water quality comprehensive evaluation method.The results showed that the content of inorganic nitrogen（DIN）was reduced from（0.602±0.020）mg/L before construction of the artificial reef to（0.053±0.010）mg/L in summer of 2014 after construction of the artificial reef and that the content of inorganic phosphorus（DIP）was decreased from （0.033±0.005）mg/L before construction of the artificial reef to（0.016±0.004）mg/L in summer of 2014 after construction of the artificial reef，greater fluctuation in nitrogen level than in phosphorus level.The content of dissolved oxygen（DO）was higher than 6 mg/L in the artificial reef area except for the No.4 station in 2011，and chemical oxygen demand（COD）was increased up to 6-7 mg/L in 2011，compared with the 3-4 mg/L in other years.The contents of Pb and Cd were significantly reduced，and the average water A was decreased from 0.045± 0.004 before construction of the artificial reef to-0.277±0.002 after construction of the artificial reef in 2014，water quality level from good to excellent.The average eutrophication was decreased from 1.45±0.04 before construction of the artificial reef to 0.41±0.04 after construction of the artificial reef，water quality level from eutrophication to poor eutrophication.The comprehensive evaluation value revealed that the descending order of the water quality in the artificial reef was ranged as areaⅡ（Dahao Island）＞Ⅰ（Dalian Island）island area＞Ⅲ（Xiaohao Island），indicating that water quality was improved after construction of the artificial reef.

Key words：artificial reef；nutrient；water quality；Zhangzi Island