长岛北四岛海洋牧场海域环境适宜性分析

张朋朋,胡蕾，王小丹，唐荣慧，刘楠，吴治国，张一，雷雁翔*

(1.山东省物化探勘查院，山东省地质勘查工程技术研究中心，山东 济南 250013；2.中国石油山东销售分公司，山东 济南 250014)

0 引言

海洋是21世纪人类资源获取的重要战略要地，但是过度捕捞、围海造陆、垃圾排放等不良用海方式使得海洋环境不断恶化、海洋生物资源的数量和质量显著下降[1-2]。由于这些原因，于20世纪70—80年代提出“海洋牧场”这一概念，其定义为未来渔业的基本技术体系，是海洋生物资源可持续生产生物的系统[1,3]。加快海洋牧场建设是带动相关产业发展，提高人们生活水平的主要途径[4]。我国海洋牧场建设已初见成效，目前我国已经建立了86个国际级海洋牧场示范区，各类海洋牧场总数达到233个[1]。

长岛所在区域代表我国最典型的温带海洋海岛复合生态系统[5]。不仅是渤海咽喉、连接胶辽两大半岛的陆桥，更是维持渤海生态系统运转的关键“泵站”和首都圈的海上生态安全屏障[5,6]。然而，海洋牧场建设初期处于自发状态，海域确权存在散乱、无序的问题，缺少深入的研究与规划；海洋牧场布局特色尚不明显，牧场建设类型比较单一，趋同性较强，技术含量相对较低；海洋牧场建设涉及的多学科交叉、融合的研究机制尚未建立，研究团队和研发平台力量较弱，对海洋牧场系统性的研究较少[3,7-10]。为此，在长岛北四岛海洋牧场规划区内布设101个表层沉积物取样点位和102个海水样取样点位(图1)，通过沉积环境分析和相关样品测试，对表层沉积物粒径结构，类型和表层样、海水样中重金属、总氮、总磷等浓度变化情况进行分析，掌握长岛海洋牧场示范区基本海洋环境地质情况，探讨长岛北四岛海洋牧场规划区建设的选址适宜性，提出海洋牧场示范区可持续发展建议，为长岛北四岛海洋牧场建设提供科学依据。

1—表层样站点图1 长岛北四岛海洋牧场海域表层沉积物样和水样取样位置图

1 地质背景

长岛及北四岛位于渤海海峡(图1)，受到断裂构造、潮流侵蚀及庙岛群岛切割，地形复杂[11-12]。长岛县诸岛北邻辽东隆起，南连胶东隆起，处于胶辽隆起的接合部位。其中，南部以庙岛为中心，呈环状分布，岛间海域似内陆湖泊，月牙形开阔港湾发育。山脊分布大致与岛之长轴方向一致，岛端多有砂嘴或连岛砂坝；北部呈串珠状分布，似栈桥直伸海峡深处，“C”型海湾发育，凹入岛陆，但山脊线大多与岛之串连方向不一致，山丘呈肋骨状、锯齿状[11-12]。

长岛地层主体包含震旦系浅变质岩系、新近系火成岩和第四系松散沉积物层[13-15]，第四纪沉积物在岛屿上厚度分布随地形变化，其中，中更新世发育黄土、砾石层和棕红色古土壤[16-21]；晚更新世发育黄土和砾石层；全新世发育黑垆土、黄土和砂砾层以及海岸带附近包含贝壳和海洋生物遗骸等现代堆积物。

长岛位于中纬度季风区，多年平均气温约为11.9℃，月平均最高气温24.5℃，月平均最低气温-1.6℃；降水多集中在6—9月，年平均降水量557.8mm。9月至翌年3月多偏北风，4—8月多偏南风[5]。波浪以风浪为主，受季风影响，冬季盛行西北浪或北浪，夏季盛行东南浪，平均波高1.0～1.5m。潮流以半日潮为主，流径基本保持常年不变，底层沿岸流与表层流向基本一致，流速较表层小，流径也更贴近岸边，潮流速度一般为0.4～1.5m/s2。

截至2018年，长岛累计确权海洋牧场84宗，总面积164km2，拥有国家级海洋牧场3处，省级以上海洋牧场6处(包括国家级海洋牧场3处)，省级休闲海钓场5处，市级休闲渔业基地11处及拟创建海洋牧场示范区10处。长岛海洋牧场规划的整个海域，由南向北，依次划设6处海洋牧场核心建设区和5处海洋牧场拓展区，海洋牧场规划海域按发展次序划分为海洋牧场核心区和拓展区两块布局，总面积分别约为378.71km2、338.75km2。

2 材料和方法

调查区位于渤海海峡长岛北四岛海域，临近北隍城岛、南隍城岛、大钦岛和小钦岛，表层样和表层海水样于2020年7月获得(图1)。另外，表层样分别取样用于粒度和重金属元素等测试分析；海水样分装水样，用于溶解氧、pH、重金属和化学需氧量等测试分析。

2.1 表层样粒度测试

粒度样品共计101个样品，样品平均间距2～4km，由山东省物化探勘查院岩矿测试中心进行测试处理，前处理主要包括样品经风干后，称取一定质量样品，经木锤、木棒等将样品碾压至颗粒原始状态，过2mm尼龙筛后，称其筛上物的重量即为颗粒粒径大于2mm的样品量，筛下样品继续使用BT-9300ST激光粒度分布仪进行分析，检出限为0.1μm。沉积物的分类和定名采用Folk无砾和含砾沉积物分类法。

2.2 表层样元素分析测试

表层沉积物中元素含量的测试在山东省物化探勘查院岩矿测试中心完成，分析仪器为荷兰帕纳克公司生产的X-射线荧光光谱仪，元素含量测定采用刘明和范德江[22]所采用的测试方法。沉积物样品在60℃烘24h以上，以保证样品烘干，然后将烘干的样品研磨至200目以下以待分析，在上机测试前低温(60℃)烘24h，以保证样品的干燥，然后分析测试。分析测试时每11个样品加入一个标样。分析结果相对标准偏差均小于5%。

2.3 海水样元素分析测试

本项目海水样品102件，海水样元素含量的测试在山东省物化探勘查院岩矿测试中心完成。分析方案具体如下：①电感耦合等离子体质谱法：Zn、Pb、Cu、Cd、Cr；②氢化物发生-原子荧光光谱法:As、Hg；③玻璃电极法：pH；④分光光度法：石油类；⑤容量法：化学需氧量、溶解氧。分析测试方法遵循《地质矿产实验室质量管理规范》(DZ/T 0130-2006)[23]、《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T 0258-2014)[24]、《海洋监测规范 第4部分：海水分析》(GB 17378.4-2007)[25]。

3 结果

3.1 表层沉积物粒度分布特征

根据Folk沉积物命名原则[26]，研究区的海底表层沉积物可以分为7类：msG--泥质砂质砾,gmS--砾质泥质砂,gM--砾质泥,(g)mS--含砾泥质砂,S--砂,zS--粉砂质砂,sZ--砂质粉砂(图2，表1)，zS--粉砂质砂和sZ砂质粉砂是研究区分布最广泛的两种沉积物类型，占研究区海域面积的88%以上(图3)。各沉积物类型特征描述如下：

msG--泥质砂质砾；gmS--砾质泥质砂；gM--砾质泥；(g)mS--含砾泥质砂；S--砂；zS--粉砂质砂；sZ--砂质粉砂图2 Folk等(1970)沉积物三角形分类图

表1 长岛北四岛海洋牧场海域表层沉积物样品平均粒度参数表

研究区泥质砂质砾(msG)分布面积最小，主要位于小钦岛北部海域，砾石平均含量32.97%，砂平均含量34.87%(表1)；砾质泥质砂(gmS)分布面积较小，主要位于小钦岛北部和东部海域，砾石平均含量17.79%，砂平均含量54.65%(表1)；砾质泥(gM)分布面积最小，主要位于小钦岛北部和大钦岛东部海域，砾石平均含量7.75%(表1)；含砾泥质砂(gmS)分布面积较小，主要位于小钦岛周边、南隍城岛和北隍城岛北部海域，砾石平均含量4.16%，砂平均含量62.51%(表1)；粉砂质砂(zS)分布面积最广，主要分布在北四岛西部海域的中北部和北四岛东部海域，粉砂质砂中砂平均含量为72.39%、粉砂平均含量为20.7%(表1)；砂质粉砂(sZ)分布面积较为集中，主要分布在北四岛岛屿周边和大钦岛南部海域，砂质粉砂中粉砂平均含量为55.56%、砂平均含量为29.71%(表1)；砂分布较分散，仅有3站位，主要分布在研究区西北角和南隍城岛东部海域，砂平均含量为91.86%。

1—砂质粉砂；2—粉砂质砂；3—砂；4—含砾泥质砂；5—砾质泥；6—砾质泥质砂；7—泥质砂质砾图3 研究区海底表层样沉积物类型分布图

3.2 表层沉积物各指标含量及空间分布特征

研究区表层重金属沉积物中各指标的含量见表2。表层沉积物各指标含量平均值从大到小的顺序排列为Cr>Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg。总体来说，除硫化物和Pb外，其余元素变异系数均小于0.6，表明其含量空间波动较小，离散程度较低。

表2 长岛北四岛海洋牧场海域表层沉积物各化学指标含量

沉积物各指标含量分布图(图4)可以看出，沉积物中Cu、Pb、Zn、Hg、Cd、Cr和硫化物这七种元素的分布特征基本相似，高值区与低值区也大致吻合，总体特征是，研究区西北部和东部海域含量最低，大钦岛、小钦岛、南隍城岛、北隍城岛和研究区南部海域含量较高，总体上呈现从岛屿和南部海域向两侧减少的趋势；

As的分布特征为在小钦岛西北部含量高，低值出现在小钦岛东南部海域(图4)。总体上呈现以四个岛屿的分布线为中心，东侧含量较低，而西侧含量较高。

3.3 海水各指标含量及空间分布特征

研究区海水中各指标含量见表3。海水中重金属元素平均值从大到小的顺序排列为Cr>Pb>Cd>Zn>Cu>Hg>As。总体来说，所有指标变异系数均小于0.6，表明其含量空间波动较小，离散程度较低。

图4 长岛北四岛海洋牧场海域沉积物各化学指标含量分布图

表3 长岛北四岛海洋牧场海域海水样各指标含量表 单位：mg/L，除pH外

如图5所示，海水中Cd、Cr、Cu和Hg元素这四种元素分布特征基本类似，高值区与低值区也基本类似，高值区集中在研究区西北部和中西部，低值区集中在北四岛岛屿走向线附近，整体呈现由岛屿走向线向两侧逐渐增加的趋势。

图5 长岛北四岛海洋牧场海域海水各化学指标含量分布图

Pb元素高值区位于研究区西北部，低值区覆盖整个研究区的中部和南部，整体呈现出研究区中部向北部逐渐增加的趋势。

COD和DO分布特征较类似，低值区集中在大钦岛西部和西南部海域、北隍城岛周边海域；而高值区出现位置有所不同，COD高值区出现在研究区中南部海域，DO高值区出现在研究区中北部和东北部海域。

Zn元素高值区集中在大钦岛南部和东部海域，低值区出现在研究区西北部、东部和东北部海域，整体呈现出含量分布不均匀，高值区和低值区较分散。

4 讨论

4.1 表层沉积物质量评价

4.1.1 单因子污染指数法评价

海底沉积物环境质量评价的基础是底质沉积物，本次评价主要依据沉积物评价指标，选择沉积物重金属含量分布为主参数评价生态危害，以沉积物粒度参数为辅助指标。为了有效地突出各污染指标的特点，全面、客观、真实地反映特定区域内各因子的变化情况，我们选用单因子污染指数法进行底质环境质量评价。

采用《海洋沉积物质量标准》(GB18668—2002)[27]规定的各类沉积物质量标准对长岛北四岛海域表层沉积物进行评价。单因子评价指标包括Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As、Cr、硫化物和石油类。

单因子评价结果表明，表层沉积物中Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、硫化物和石油类都符合《海洋沉积物质量标准》(GB18668—2002)[27]规定的第一类标准，属于清洁沉积物。

4.1.2 富集系数法评价

在发展过程中，公司也在不断壮大。但是服务行业基本上都是人工操作环节，只要涉及人工操作，就没有完全挑不出问题的服务。家道家政同样陷入了这个怪圈，凡是技术好、态度好的金牌员工，客户满意度高，但也是公司最难留住的人，客户会想方设法诱惑员工签私单，从而造成人员流失；而满意度不高的客户，工资水平低，且派工成单率低，更易造成脱岗期间的企业补贴，一度红红火火每年数百万产值的“盖面菜”业务，结果实际测算利润几乎为零。这是一个行业的困局。

富集系数是评价通过人类活动对沉积物中重金属富集程度变化的重要参数[28]。

富集系数的含义是将沉积物中重金属元素含量与地质环境背景中重金属元素含量进行对比，从而判断表层沉积物的污染情况[29],Sutherland[30]提出用富集系数来划分重金属对土壤介质的污染程度，整体上把重金属富集划分为6个等级：

从长岛北四岛海域表层重金属的污染指数来看(表4)，Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的污染指数均值较低，重金属污染指数由高到低依次为Cd、Pb、As、Cr、Zn、Cu和Hg。研究区各重金属富集系数均<1，处于低度污染水平。

表4 研究区沉积物富集指数

4.1.3 潜在生态危害指数法评价

瑞典科学家Hakanson[31]提出的潜在生态危害指数法进行重金属生态危害评价，该方法利用沉积物中重金属相对于工业化以前沉积物的最高浓度背景值的污染程度及相应重金属的生态毒性系数进行加权求和，得到生态危害指数，特点在于从重金属的生物毒性角度出发，不仅反映了某一特定环境中的每种污染物的影响，而且也反映了多种污染物的综合影响，并且用定量的方法划分出潜在生态危害的程度[32-34]。

表5 研究区沉积物潜在生态危害系数

4.2 表层海水质量评价

4.2.1 水质分类评价

对长岛北四岛海域海水中Hg、As、Cu、Zn、COD、DO、pH、Pb、Cr、Cd和石油类进行评价，单因子评价结果表明，海水中As、Cu、Zn、COD、DO、pH、Pb、Cr、Cd和石油类都符合《海水水质标准》(GB3097—1997)[35]规定的第一类标准，属于适用于水产养殖区、海上自然保护区和珍惜濒危海洋生物保护区。然而，21个站位(HB001、HB004、HB009、HB012、HB025、HB026、HB031、HB033、HB040、HB042-HB044、HB046、HB053-HB056、HB058、HB061、HB071、HB076)的Hg受到污染，略高于第一类标准，满足第二类标准，主要位于研究区西北部、西中部和东北部海域，适用于水产养殖区、海水浴场、人体直接接触海水的海上运动或娱乐区，以及与人类食用直接有关的工业用水区。

4.2.2 单因子污染指数法评价

采用单因子污染指数法(Pi)评价长岛北四岛海域表层海水中重金属的污染状况，参考贾晓平[36]的海水污染状况等级划分，并以《海水水质标准》的一类海水水质标准作为评价标准。

从表层海水各元素单因子污染指数来看(表6)，Hg、Cu和Zn处于较清洁范围，As、COD、石油类、Pb、Cr和Cd处于自然本底范围。Pi值由高至低依次为Hg、Zn、Cu、Pb、Cd、Cr。

表6 各元素单因子污染指数

研究区海水水质仅Hg元素略高于国家一类标准，其余指标均符合国家一类水质标准，水质清洁，海水透明度好，营养盐含量丰富，适应各类海洋生物生长，具备建设海洋牧场的水质环境。

5 结论与建议

(1)长岛北四岛海域沉积物由泥质砂质砾、砾质泥质砂、砾质泥、含砾泥质砂、砂、粉砂质砂、砂质粉砂组成，平均粒径介于2.44～5.44Ф。

(2)海底沉积物含量平均值顺序为Cr>硫化物>Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，重金属含量均符合国家一类标准，处于低度污染水平和低度生态危害分级，具备建设海洋牧场的底质环境。

(3)海水各指标含量平均值顺序为Cr>Pb>Cd>磷酸盐>Zn>Cu>Hg>As，仅个别位于岛屿附近站位的Hg元素略高于第一类标准，其余指标均符合国家一类标准，处于较清洁和自然本底的环境中，具备建设海洋牧场的水质环境。

(4)长岛北四岛岛屿周边海底沉积物和海水各指标相对于周边较高，需时刻关注人类排污对海底沉积物和海水的影响。