围填海对芝罘湾生态环境的影响

王 璐， 夏 瑞， 陈 焰， 王 晓， 张 远， 孙 伟， 曹圣洁， 马淑芹*， 徐艳东

1.中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012 2.北京师范大学， 北京 100875 3.山东省海洋资源与环境研究院， 山东省海洋生态修复重点实验室， 山东 烟台 264006 4.中国海洋大学， 山东 青岛 266100

近年来，随着我国沿海区域经济和城市化进程的快速发展，土地资源和空间资源的短缺问题逐渐暴露，并愈加显著. 围填海开发活动己经成为各国沿海地区拓展空间、缓解人地矛盾的一种重要方式[1]，加之越来越现代化的高科技设备和技术使得围填海工程更加容易进行[2-3]，从而在欧洲和亚洲国家掀起了一股围填海的热潮[4]，中国[5-6]、荷兰[7]、韩国[8-10]、日本[11]等国家已开展了多年大规模围填海的活动. 这些围填海活动给许多国家带来了经济效益，但同时也对海洋环境造成了不可忽视的负面影响[12-14].

有关围填海工程对近海海洋环境的负面影响已引起国内外学者的关注[15]，如Oyedotun等[16-19]基于遥感技术对围填海进行动态监测，并通过数学模型、GIS遥感等研究方法讨论了围填海工程对海域表层水、沉积物、海洋生物的影响，结果表明围填海破坏了生物栖息地，导致生物多样性丧失，影响到生态系统结构与功能的稳定性. 林磊等[20-21]研究表明，围填海会缩短海洋自然岸线的长度、减小海湾面积、减弱水交换能力，从而造成水环境质量下降；YAN等[22]认为，围填海施工过程对沉积物的扰动、围填海所用填埋材料的使用均会导致海域水质恶化，并估算了锦州湾海上机场建设过程中产生的悬浮物造成的海洋生态损失，结果表明施工不当可能会造成价值200万美元的渔业损失，包括近3.91×108颗鱼卵、1.52×108条幼鱼和142 t游泳生物；Lee等[23]对围填海造成的沉积物变化进行了研究，结果表明，韩国Donggum-do东部盐土植物山茶的突然消失是由于围填海工程减弱了潮流、增加了海域沉积速率并超过了发芽的临界值，从而导致该物种的快速消亡；LI等[24-25]的研究也表明围填海会造成沉积物中污染物含量增加；黄备等[26]通过研究海洋生态对围填海工程的响应，发现围填海工程的增加造成了海洋浮游生物的减少；Sato等[27]对1997年日本围填海前后的生态环境进行了研究，发现围填海工程隔绝了艾撒哈亚湾与外海的交换，海水盐度下降导致本地11个海洋双壳类物种的快速死亡和外来物种的入侵. 半封闭海湾由于水域相对狭窄、水动力交换条件较差等原因[28]，海洋环境变化受大规模围填海活动的影响更大. 芝罘湾是山东半岛北部的天然良港，其南侧的烟台港是我国北方的重要港口，1985年以来，海湾面积持续缩小[29]，如何保护和合理利用芝罘湾已成为烟台市乃至胶东半岛地区发展的重大问题.

前人对芝罘湾的研究侧重于单次调查结果，且大多在20世纪90年代，如林荣根等[30-31]分别对20世纪90年代芝罘湾的底质和底栖动物进行了监测和分析，但鲜见长时期、大规模围填海活动对海洋生态环境影响研究的相关报道. 鉴于此，该研究通过对1985年、1993年、2010年及2017年的实测数据进行处理与分析，研究1985—2017年大规模、长时间的围填海工程对典型半封闭海湾芝罘湾的表层水、沉积物和海洋生物的空间分布及年际变化的影响，从而为合理开发利用海湾提供理论指导，弱化围填海工程对海洋环境带来的消极影响，使芝罘湾的经济发展与环境保护能够协调发展.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

芝罘湾位于烟台市正北，是一个“C”字形半封闭式海湾，面积约30.7 km2，口门北起芝罘岛东南角，南至东炮台山，地理坐标为37°32′48″N～37°32′07″N、121°25′24″E～121°25′47″E；北侧为与陆地相连的芝罘岛，东侧有崆峒岛等遮挡，湾口众多岛屿组成自然挡风屏障，对偏北向的波浪具有极好的掩护作用，湾内水域开阔、浪小流稳. 芝罘湾位于中纬度地区，四季分明，气候宜人，年均气温12.5 ℃，年均降雨量737.9 mm，其水深小于20 m，由于水深较浅，水温受季节的影响变化较为显著.

1.2 采样站位与监测方法

该研究系统收集了1985年8月、1993年8月和2010年8月芝罘湾表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)，沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)和海洋生物中ρ(Chla)等数据；同时，通过野外采样与室内试验测定2017年8月表层水、沉积物、海洋生物中各对应指标的实测数据. 各调查项目均按照GB 17378—2007《海洋监测规范》及GB 12763—2007《海洋调查规范》的条款进行采样、检测、分析. 表层水样品于水面下0～0.5 m深处采集，沉积物样品于4 ℃下冷藏，低温避光保存运送至实验室，48 h内进行测定；浮游生物和底栖生物分别使用拖网法和采泥器采集，冷冻至-20～-10 ℃下保存带回实验室进行分类鉴定、计数和称重.

通过ArcGIS 10.2软件对芝罘湾遥感影像进行解译，得到4个时期芝罘湾围填海活动的变化情况. 其中，1985年8月海湾面积为32.2 km2，调查站位43个；1993年8月海湾面积为30.4 km2，调查站位18个；2010年8月海湾面积为26.4 km2，调查站位12个；2017年8月海湾面积为25.1 km2，调查站位12个. 1985—2017年累积围填海面积达7.1 km2，占原海湾面积的22.05%，4个时期调查站位及填海区域如图1所示.

1.3 数据处理与分析方法

图1 不同时期芝罘湾岸线及采样站位分布Fig.1 Distribution of shoreline and sampling stations in Zhifu Bay in different periods

利用SPSS 22.0软件，对表层水、沉积物数据进行单因素方差分析(One Way ANOVA)，对海洋生物数据进行t检验以分析数据的显著性；利用克里金插值法(Kriging)对芝罘湾表层水、沉积物中污染物的空间分布情况进行分析，利用对比分析法对表层水、沉积物和海洋生物的各项监测指标在不同时期的变化趋势进行分析；采样点分布图及污染物空间分布图于Surfer 11软件中绘制，年际变化折线图及柱状图采用Origin 9.1软件绘制. 利用统计学方法分别对生物样品的Shannon-Wiener多样性指数、均匀度指数、丰富度指数等进行计算并分析，计算公式：

Shannon-Wiener多样性指数(H′)：

(1)

均匀度指数(Pielou指数)(J)：

J=H′Hmax

(2)

式中,H′为种类多样性指数值,Hmax为log2S，表示多样性指数的最大值.

丰富度指数(Margalef指数)(d)：

(3)

2 结果与讨论

2.1 芝罘湾表层水、沉积物的时空变化

由图2可见，1985年、2010年和2017年芝罘湾海域表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)均呈自湾顶向湾口逐渐降低的趋势. 1985年，除ρ(Pb)外，其他水质指标的最高值均出现在湾顶南部，其他海域污染物浓度较低；2010年，岸线向海延伸，污染物浓度的高值区域也随之向海扩散，主要出现在湾顶附近；2017年，随着围填海活动的进行，岸线更加向海延伸，污染物浓度的高值区面积随之扩张. 这与渤海湾的研究结果[32]一致，即随着岸线的变化，表层水中污染物的污染范围有所扩大，污染物浓度高值区发生自湾内向外扩展的趋势.

由图3可见，1985年、1993年、2010年和2017年芝罘湾海域内沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)均呈自湾顶向湾口逐渐降低的趋势. 随着围填海活动的进行，岸线向海延伸，污染范围也随之扩大. 从平面分布上来看，4个时期围填海变化剧烈的区域内w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)也较高. 林荣根等[30]研究表明，芝罘湾的Hg、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd等10项环境因子呈自湾周围向湾中心扩散的趋势. 秦延文等[33]在渤海湾的研究表明，围填海工程会引起沉积物中重金属含量在空间分布上呈自湾内向湾外递减的趋势. 以上均与芝罘湾沉积物空间分布的研究结果一致. 这可能是由于围填海工程主要在岸边进行，施工过程中会产生污染物、造成水体污染，随着污染物的迁移扩散过程，远岸的污染物浓度会低于近岸. 同时，湾口处与外海的水交换过程更为强烈，从而降低了污染物浓度，而湾顶部污染物因与外海的水交换作用较弱，从而导致污染物稀释过程远不如远岸区.

2.2 芝罘湾水质、沉积物、海洋生物的年际变化

采用单因素方差分析法，分析表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)等6项指标在不同年份的差异性，从表1可以看出，ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)均呈现出显著差异性(P<0.05). 沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)等4项指标的单因素方差分析结果见表2，可以看出，不同年份的w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)均呈现出显著差异性(P<0.05). 采用t检验分析2010年与2017年海洋生物数据的差异性，结果见表3，可见，不同年份样本的均匀度指数未表现出显著性(P>0.05),表现出一致性；而ρ(Chla)、Shannon-Wiener多样性指数、丰富度指数呈现出显著差异性(P<0.05)，意味着可以进行统计学分析.

由于人为活动的影响，芝罘湾近岸出现表层水、沉积物等污染因子的高值区，为了能较好地反映湾内整体的情况，选取湾内中间区域作为各监测指标的研究区域(见图4中矩形框所示区域)，其中，水质指标分析采用该区域内1985年、2010年和2017年ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)这6项的平均值，沉积物指标分析采用该区域内1985年、1993年、2010年和2017年w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)这4项的平均值. 由于海洋生物监测站点(见图1)较少，因此取全部监测值的平均值.

碾压式沥青混凝土心墙布置于坝体内部，受光照、气温等外界因素影响较小，防渗心墙布设结构缝、整体施工，具有防渗性能好、抗冲蚀能力强、不存在水力劈裂破坏问题、与坝基混凝土基座容易连接等优点。目前已在防渗土料匮乏地区和寒冷、严寒采用土料施工困难地区得到较为广泛应用。

2.2.1表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的年际变化

由图5可见，1985年、2010年和2017年芝罘湾表层水中ρ(TN)分别为28.80、318.25、361.97 μgL，从年际变化上来看，湾内ρ(TN)的平均值呈上升趋势，2010年和2017年均处于较高水平，相比于1985年分别增加了约10、12倍. 1985年、2010年和2017年ρ(TP)分别为2.80、22.75、2.38 μgL，从年际变化上来看，1985—2010年，湾内ρ(TP)平均值上升了约7倍，2010—2017年大幅下降，恢复到1985年的水平. 1985—1993年，ρ(TN)和ρ(TP)均呈上升趋势，但2010年以后，ρ(TN)仍呈上升趋势，ρ(TP)则大幅下降，这可能是由于原农业部于2011年颁布的《农业部第1586号公告》，对农药生产、经营及农药使用方法做出了明确规定，自2013年10月31日起全面停止10种含磷农药的销售和使用，导致磷排放量减少，形成湾内ρ(TP)下降的现象[34].

图2 1985年、2010年、2017年芝罘湾表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的空间分布Fig.2 Spatial distribution of ρ(TN), ρ(TP), ρ(Cu), ρ(Pb), ρ(Zn), ρ(Cr) in the water of Zhifu Bay in 1985, 2010, 2017

图3 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘湾沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的空间分布Fig.3 Spatial distribution of w(Cu), w(Pb), w(Zn), w(Cr) in the sediment of Zhifu Bay in 1985, 1993, 2010 and 2017

表1 不同年份表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的单因素方差分析结果

表2 不同年份沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的单因素方差分析结果

芝罘湾表层水中ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)的年际变化趋势一致(见图6)，1985—2017年均呈现大幅上升趋势，相比于1985年，2017年ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)分别上升了约8、7、2、14倍. 究其原因：①由于芝罘湾以物流业为主要功能，排污口、排污量无明显增加，但围填海工程使岸线向海淤进，导致湾内面积减小. 在排放量不变的情况下，湾内面积越小、污染物浓度越高. ②围填海造成湾内水动力的减弱影响了其自净能力，流速和纳潮量减小，弱化了污染物的迁移扩散，对其与外海的交换产生了不利影响，从而造成海域营养盐和重金属浓度升高. 这与娄迪[37]利用MIKE模拟辽东湾水环境的研究结果一致，岸线变化会引起近岸海域的水动力发生改变，这可能会引起辽东湾内水体污染程度加剧. 水环境的变化原因复杂，外源输入是一个重要因素，疏浚工程也会导致湾内生态环境发生变化，而围填海会引起的岸线变化、污染物浓度增加、水动力减弱等因素也是造成湾内水质变差的重要原因.

表3 不同年份海洋生物中ρ(Chla)、Shannon-Wiener多样性指数、均匀度、丰富度指数的t检验分析结果

图4 芝罘湾表层水年际变化研究区域及站点位置Fig.4 Interannual change research area and site location

图5 芝罘湾表层水中ρ(TN)、ρ(TP)的年际变化Fig.5 Inter-annual change of ρ(TN), ρ(TP) in water quality of Zhifu Bay

图6 芝罘湾表层水中ρ(Cu)、 ρ(Pb)、ρ(Zn)、 ρ(Cr)的年际变化Fig.6 Interannual variation of ρ(Cu), ρ(Pb), ρ(Zn), ρ(Cr) in surface water of Zhifu Bay

2.2.2沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的年际变化

Chapman[38]研究表明，岸边污染物、港口航运是造成近岸环境污染的原因，工业废水和生活污水的排放是沉积物中重金属因积累而升高的原因；LI等[24]通过对沉积物中重金属含量进行分析得到了围填海对沉积物的影响，通过各种途径输送入海的重金属包括自然来源和人类活动来源，能够快速地从水体转移到沉积物中. 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘湾内w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的变化情况如图7所示，结果显示，四者均在1993年出现最高值，相比于1985年上升显著. 这是由于1985—1993年大规模长时间的围填海活动使岸线向海淤进，从而使沉积物中重金属得到了累积，其含量显著上升. 1993—2010年w(Cu)、w(Pb)基本没有发生变化，w(Zn)、w(Cr)分别下降了44.32%、32.15%，这是由于在20世纪末期污水处理厂的建立和对排污河水的截流措施，以及芝罘湾直排污水口的削减，极大地减少了湾内外源污染物的输入，从而使沉积物中污染物含量持平或减小. 2010—2017年，w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)分别下降了60.13%、77.25%、39.17%、25.32%，降幅明显，根据调研得知，这是由于2016年12月芝罘湾港区北航道改建工程疏浚底泥总方量为452.72×104m3，从而使沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)下降. 疏浚过程会改变沉积物的粒径，而沉积物粒径会影响到其对重金属的吸附作用，同时疏浚过程会使沉积物中的重金属得以释放，从而使水体中重金属含量上升. 总体来看，围填海会对芝罘湾沉积物产生影响，使其重金属含量增加.

图7 芝罘湾沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)的年际变化Fig.7 Interannual variation of w(Cu), w(Pb), w(Zn), w(Cr) in the sediments of Zhifu Bay

2.2.3海洋生物年际变化

2010年和2017年芝罘湾海域表层水中ρ(Chla)的最大值分别为4.44和1.70 μgL，最小值分别为1.74和0.85 μgL，平均值分别为3.11和1.31 μgL，3个统计指标均呈现下降趋势，这可能是由于湾内表层水和沉积物的污染加重，从而湾内浮游生物减少，致使ρ(Chla)下降了约58.00%. 这与娄迪[37]利用MIKE模拟辽东湾的水环境的结果一致，岸线变化会引起近岸海域的ρ(Chla)显著下降.

2010年和2017年芝罘湾分别检测出海域浮游植物61种和32种，减少了47.50%；Shannon-Wiener多样性指数从2.88降至2.29，下降了20.49%；丰富度指数从3.75降至1.15，下降了69.33%. 2010年和2017年分别鉴定出浮游动物30种和17种，减少了43.30%；Shannon-Wiener多样性指数平均值从2.66降至2.25，下降了15.41%；丰富度指数从4.26降至0.53，下降了87.56%. 2010年和2017年分别鉴定出底栖生物38种和28种，底栖生物的种类数量下降了26.30%；Shannon-Wiener多样性指数平均值从2.21降至1.98，下降了10.41%；丰富度指数从1.47降至0.56，下降了61.90%. 这可能是因为围填海活动使岸线向海淤进，填埋了部分浮游生物原本的栖息地，迫使近岸海洋生物迁移，对海洋生物的多样性、数量及生态结构造成影响，致使海洋生物死亡，近海渔业资源锐减；同时，填料会污染近海生物的生存环境，对生物健康造成危害. Naser[39]研究表明，围填海导致底质环境遭到破坏，大部分底栖生物被掩埋，其生存率均降低50.00%以上，且临近围填海工程附近海域底栖动物的科数目和丰度都显著降低. PENG等[40-41]对厦门湾的研究结果也与此一致，围填海造成生态价值的损失，表明围填海对生物多样性产生一定负面影响，会带来更大的环境成本.

3 结论

a) 1985年、1993年、2010年和2017年芝罘湾表层水中和沉积物中污染物分布状况一致，表层水中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)和沉积物中w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)在平面分布上均呈自湾顶向湾口逐渐降低的趋势；随着围填海的进行，湾内污染物含量的高值区面积增大，且位置随岸线向海扩张.

b) 围填海会引起岸线变化、污染物含量增加、水动力减弱，导致湾内水体和沉积物环境变差、海洋生物减少. 相比于1985年，2017年表层水中ρ(TN)、TNTP、ρ(Cu)、ρ(Pb)、ρ(Zn)、ρ(Cr)分别上升了约12、14、8、7、2、14倍，由于国家对含磷农药的限制，导致ρ(TP)呈下降趋势. 围填海会使沉积物中重金属含量增加，但由于2016年底的疏浚工程，2010—2017年沉积物中的w(Cu)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)分别降低了约60.13%、77.25%、39.17%、25.32%. 2010—2017年ρ(Chla)减少了约58.00%；浮游植物、浮游动物、底栖生物的物种数量分别下降了近47.50%、43.30%、26.30%，Shannon-Wiener多样性指数分别减小了20.49%、15.41%、10.41%，丰富度指数分别减小了69.33%、87.56%、61.90%.

c) 围填海使芝罘湾的面积减小、水动力变弱、自净能力变差，围填海活动对芝罘湾水动力环境和海洋生态环境的影响不断增加，应合理规划芝罘湾，减少围填海工程，保持其生态平衡.