舟山钓梁围垦一期工程对附近海域生态系统影响研究

2013-08-14吴鹏倪勇强孙毛明毛珊珊张广之汝少国

海洋通报 2013年5期

吴鹏，倪勇强，孙毛明，毛珊珊，张广之，汝少国

（1.中国海洋大学海洋生命学院，山东青岛 266003；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

舟山是一个地少人多的海岛市，随着经济的快速发展，土地需求量剧增，围填海已成为解决土地资源不足的重要途径。钓梁围垦是目前舟山市面积最大的围填海工程，分三期建设。一期工程主要是围海工程，于2004年12月首先建设北II段促淤堤（乌龟山-牛头山）、北III段促淤堤（牛头山-梁横岛）（图1），于2008年12月施工建设北I段促淤堤（钓山-乌龟山），2009年6月促淤堤全部合拢，形成了面积为24 950.15亩的半封闭的海湾。围填海会破坏原有的自然生态系统，导致滩涂内底栖动物和潮间带生物种类、数量的减少及生物多样性的降低（马长安等，2012；黄少峰等2011；吕巍巍等，2012），但关于围填海对浮游生物影响的研究较少，且尚未见以实际围填海工程为例的多年度比较分析报道。因此，本文以钓梁围垦一期工程附近海域为研究对象，综合分析了海域海水水质和浮游植物、浮游动物、大型底栖动物、潮间带底栖动物群落结构的变化，为合理利用海洋滩涂资源和湿地生态修复提供基础数据，也为研究同类型的滩涂围海环境影响评价提供参考。

图1 监测站位分布

1 材料和方法

1.1 调查时间和站位设置

2006年11月、2007年8月和12月以及2011年8月对钓梁围垦一期工程（围海区）以及附近海域（122°11'25.57-122°19'16.14E，30°3'53.05-30°7'48.76N）（图1）进行了水质和生态调查。2006年11月的调查站位为L12和L14（围海区内）、L8和L9（围海区外）、D2和D3（潮间带生物）；2007年8月和12月的调查站位为L11和L13（围海区内）、L1-L7和L16-L18（围海区外）、D1和D4（潮间带生物）；2011年8月的调查站位为L10、L11、L13（围海区内）、L5、L6、L7、L15、L16、L18（围海区外）、D1、D4、D5、D6（潮间带生物）。同时收集国家海洋局第二研究所2003年1月围海工程实施之前的调查数据。

1.2 样品采集与处理

2006年和2007年的水质、生物样品采集及分析方法按《海洋调查规范》（GB12763-91）和《海洋监测规范》（GB17378-1998）进行，2011年按《海洋调查规范》（GB12763-2007）和《海洋监测规范》（GB17378-2007）进行。水质采样采表层（0.5 m）和底层水样，调查项目包括pH、盐度、悬浮物（SS）、溶解氧（DO）、化学需氧量（CODMn）、无机氮（包括NO3-N、NO2-N、NH3-N）、活性磷酸盐、石油类等；生态调查项目包括浮游植物（水样和浅水III型浮游生物网样）、浮游动物（采用浅水I型浮游生物网）、底泥中大型底栖动物及潮间带大型底栖动物（0.5 mm孔径套筛筛选）。

1.3 数据处理与统计分析

工程附近海域水质执行《海水水质标准》（GB3097-1997）第二类标准，采用单因子污染指数评价法对海域海水水质状况进行分析评价，采用富营养化水平评价法（邹景忠等，1983）对海域营养状况进行分析评价。分析Spearman秩相关系数（李巧香等，2010；鲁志文等，2006）评价水质变化趋势。

营养水平评价公式为：

EI=（COD × DIN × DIP×106）/4500

式中：EI为富营养化指数；COD为化学需氧量质量浓度（mg/L）；DIN为无机氮质量浓度（mg/L）；DIP为活性磷酸盐质量浓度（mg/L）。当EI值大于1时，表明水体呈富营养化，EI值越高，水体富营养化程度越严重。

定量描述群落特征的参数采用Shannon-Wiener多样性指数（H′）、Pielou均匀度指数（J）和Jaccard相似性指数（Js）：

式中：H′表示多样性指数，S为样品中总种数；Pi表示第i种的个体数与总个体数的比值；a为月份A的种数，b为月份B的种数，c为月份A和B的共有种数。

本文运用Microsoft Excel进行数据的初步处理和分析，采用SPSS 16.0软件进行多重比较分析评价群落结构参数的年际差异和季节差异，采用SPSS 16.0软件分析pearson相关系数评价群落指标与环境因子之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 海水水质变化

调查区域2006年11月水温18.5℃～19.2℃；2007年 8月水温 26.0℃～28.2℃，盐度 29.6～34.9，12月水温15.2℃～15.8℃，盐度25.1～29.0；2011年8月水温26.5℃～27.9℃，盐度25.5～25.8。由表1和表2可见，无机氮和活性磷酸盐严重超过GB3097-1997第二类标准，围海区内外海水均呈现高度富营养化。且2011年8月围海区外SS的监测值明显大于围海区内，围海区内CODMn、DIP超标率大于围海区外。由各监测指标秩相关系数评价结果（表3）可知，围海区外氮磷比显著增加，围海区内氮磷比和富营养化水平指数均增加不显著；SS、pH、CODMn、DIN、石油类、DIP均无显著变化。以围海区内邻近站点L13、L14为例，围海过程中SS较高（2006年11月、2007年8月和12月分别为526 mg/L、700 mg/L和714 mg/L），围海工程结束后SS仅为200 mg/L；围海区外选择邻近促淤堤的L5-L9站位分析，SS呈现波动上升趋势（2006年11月为442 mg/L，2007年8月降为241mg/L，但2007年12月和2011年8月为600 mg/L左右）。其余各水质监测指标在L13、L14站位和L5-L9站位的年际变化规律分别与围海区内所有站点、围海区外所有站点平均值的变化趋势一致。

表1 海水水质监测评价结果

表2 工程区域及附近海域富营养化水平

表3 主要指标秩相关系数评价结果

2.2 生物群落结构变化

2.2.1 浮游植物群落结构变化

2006年11月-2011年8月工程附近海域共采集到浮游植物132种，其中硅藻门105种，甲藻门22种，蓝藻门2种，金藻门、绿藻门、褐藻门各1种（图2-A）。由表4浮游植物的群落Jaccard相似性指数可知，2007年冬夏两季浮游植物相似性指数为64.6%，群落组成成分中等相似；2006年与2007年冬季相似度指数为28.6%，群落组成成分中等不相似；2007年与2011年夏季相似性系数为24.0%，群落组成成分极不相似，年际浮游植物群落更替明显。

以同季节浮游植物的监测数据进行分析，细胞丰度在围海区内，2007年12月显著低于2006年11月（P<0.05），2011年8月较2007年8月显著增加（P<0.05），在围海区外，2007年12月显著低于2006年11月（P<0.05），2011年8月较2007年8月无显著变化；多样性指数在围海区内无显著差异，而在围海区外2007年12月极显著低于2006年11月（P<0.01）；均匀度指数在围海区内，2011年8月显著低于2007年8月（P<0.05），在围海区外极显著低于2007年8月（P<0.01）（图3）。浮游植物的细胞丰度、多样性指数在围海区内L13、L14站位和围海区外L5-L9站位变化规律一致，2007年较2006年减少，2011年较2007年增加，而均匀度指数先增加后减少，呈现相反的变化规律。

图2 浮游植物 (A)、浮游动物 (B)、底栖动物 (C)、潮间带动物 (D)种类数变化

图3 浮游植物细胞丰度（A）、多样性指数（B）和均匀度指数（C）变化

表4 群落相似性系数变化（Js，%）

2.2.2 浮游动物群落结构变化

2003年1月，工程附近海域共有100余种浮游动物（桡足类、水母类、毛颚类、端足类占主要部分），本次调查的浮游动物总种数有所减少（图2-B），浮游幼体在全部种类中所占比例由2006年的9%上升为2011年的21%。2006年与2007年冬季、2007年与2011年夏季浮游动物相似性系数分别为23.2%、36.2%（表4），群落组成成分极不相似或中等不相似，年际浮游动物群落更替明显。浮游动物丰度、生物量季节变化趋势明显，夏季的浮游动物丰度、生物量、多样性指数均显著高于冬季（图4，P<0.05）。以年际间同季节比较分析得知，围海区内外2011年8月的浮游动物生物量比2007年8月显著降低（P＜0.05），而丰度、多样性指数、均匀度指数没有显著变化。围海区内L13、L14站位浮游动物的生物量在2007年12月比2006年11月增加，但2011年8月与2007年8月相比有所减少，多样性指数逐年增加。围海区外L5～L9站位浮游动物的生物量和丰度逐年减少，多样性指数逐年增加。

图4 浮游动物生物量（A）、丰度（B）、多样性指数（C）、均匀度数（D）变化

表5 底栖动物生物量、栖息密度和多样性指数变化

2.2.3 底栖动物群落结构变化

2003年调查数据表明工程区域及附近海域拥有大型底栖动物26种，2006年11月和2011年8月种类数分别为9种和13种（图2-C）。2003年甲壳类在总种类数占据绝对优势，而2006年之后多毛类种数逐渐增加，到2011年已经达到总种类数的85%。2006年与2007年冬季、2007年与2011年夏季底栖动物群落相似性系数分别为21.7%，16.0%（表4），群落组成成分极不相似，年际底栖动物群落更替明显。由表5可知，围海区内2011年8月的大型底栖动物栖息密度、生物量、多样性指数较2006年和2007年显著降低（P＜0.05），均匀度无显著差异，围海区外栖息密度、生物量、多样性指数、均匀度指数均无显著变化。围海区内L13站位底栖动物的栖息密度仅为10个/m2，生物量为0.1 g/m2，相较于2007年8月和12月的监测值（栖息密度分别为100个/m2、500个/m2，生物量分别为0.58 g/m2、3.22 g/m2）显著减少，围海区外的L5-L7站位生物量和栖息密度也呈现减少趋势，但不如L13站位变化剧烈。

2.2.4 潮间带生物群落结构变化

2003年监测到项目海域有12种潮间带动物，2006-2011年调查结果显示软体动物、甲壳类物种数以及总种类数均有所增加（图2-D），年际潮间带生物群落更替明显（表4）。2011年潮间带动物栖息密度、生物量与2003年相比减少，但与2006年、2007年的调查数据无显著差异。围海过程中（2006年11月-2007年12月）多样性指数出现短暂的升高（P＜0.05），围海工程结束后2011年8月降低。2011年均匀度指数比2006年、2007年显著降低（P＜0.05）。

表6 潮间带生物生物量、栖息密度和多样性指数变化

3 讨论

围填海是许多国家和地区解决土地资源缺乏的重要途径，但同时也带来了沿海滩涂环境污染、生物栖息地破碎化等生态问题。林明珠和谢世友指出晋江沿海围填海可造成有害藻类大量繁殖，水质变坏，危害潮滩动物（林明珠等，2008）。福建江阴过桥山围海区海水富营养化程度较高（张丽，2009），江苏省条子泥围海养殖区水质净化等生态服务价值有较大损失（王静等，2012）。本次调查发现钓梁围垦一期工程海域水体无机氮和活性磷酸超标严重，随着促淤堤的建设，导致围填海区的水动力发生改变，港湾内纳潮量减少（陈道信等，2009），水流交换速度减慢，污染物短时间内不能得到充分稀释扩散，CODMn和DIP超标站位增加。

水体环境的变化状况与浮游植物、浮游动物、底栖动物群落结构参数改变密切相关。将围海区内外所有站位的群落指标和环境因子之间进行相关性分析，2006年11月浮游植物的H′、2011年浮游植物细胞丰度与SS呈显著负相关，与DO呈显著正相关（表7）。2007年8月浮游动物生物量、丰度与水温呈现极显著正相关关系。围海过程中浮游动物受悬浮物影响较大，2006年11月-2007年8月的丰度、生物量等指标与SS呈现显著或极显著负相关关系。在围海工程结束后，底栖动物栖息密度、H′与水温、溶解氧呈极显著负相关，与DIN、DIP呈显著负相关，与盐度、SS呈显著正相关；生物量、H′与石油类呈现显著正相关；而在围海过程中这些群落指标与水质的相关关系并不显著。

表7 群落指标与环境因子之间的关系（双尾检验）

浮游植物是水域的初级生产者，在海洋生态系统物质循环和能量转化中具有重要意义，浮游植物群落结构的变化，是反映海洋环境状况的重要指标（Suikkanen et al，2007）。调查期间，海水水质氮磷比显著增加，除2006年11月围海区外海域的氮磷比小于15∶1，围海区内及围海区外的其他年份氮磷比值均大于15∶1，水体中有一部分氮相对过剩，即为磷限制富营养化（胡明辉等，1989）。氮磷比值严重偏离浮游植物的生长需求比例（Redfield et al，1963），对浮游植物影响较大。水体富营养化程度的增加也会导致浮游动物、底栖动物物种数的降低和耐污性物种丰度的增加（吴利等，2011；Dussart et al，1984）。

浮游植物的变化还受到海水中悬浮物含量的影响，2006年11月浮游植物的多样性指数、2011年浮游植物细胞丰度与SS呈显著负相关。促淤堤修建过程中，对滩涂底质的扰动较大，有较大量的泥沙流失进入海域和滩涂，使海水中局部悬浮物浓度过高（2007年8月监测站位最大值为2 410.0 mg/L，2007年12月最大值为1 960.4 mg/L）。海水透明度下降，不利于浮游植物的光合作用，进而影响浮游植物的细胞分裂和生长，使单位水体内浮游植物的数量降低（陈金平，2006）。因此，悬浮物的增加是导致施工过程中浮游植物丰度和多样性指数下降的重要原因。2009年促淤堤合拢，之后不再施工建设，监测结果表明围海区内浮游植物的细胞丰度有了一定的恢复，但围海区外因为悬浮物浓度过高（围海区内SS为287.4 mg/L，围海区外为692.8 mg/L），恢复并不明显。浮游植物是浮游动物的饵料来源，浮游植物的变化通过食物链传递影响浮游动物的种群动态（韩希福等，2001），悬浮颗粒也会黏附在浮游动物体表面，干扰其正常的生理功能。

水温是影响浮游动物生长发育群落组成和数量变化等极为重要的环境因子，通过浮游动物群落参数与水质理化参数的相关分析结果表明，水温与夏季浮游动物生物量和丰度呈现显著正相关。相较于冬季的低温环境，夏季更适宜浮游动物的生存和生长，所以夏季浮游动物的生物量和丰度均显著高于冬季，与陈小庆等对舟山渔场及其附近海域的海洋生态系统调查结果相一致（陈小庆等，2010）。在不同的研究中对浮游植物和浮游动物影响的环境因子并不一致，但一般认为浮游植物、浮游动物的群落特征受光照、温度、盐度、营养盐等环境因子的影响（杜虹等，2011；庄军莲等，2011；杜萍等，2011）。本次调查中，浮游植物、浮游动物的生物量和丰度的变化一致，主要与海水中悬浮物的浓度、溶解氧等物理因素有关，而受pH、盐度、COD、营养盐（氮、磷）等因素的影响较小。围海带来的人为干扰有可能改变了浮游植物、浮游动物的群落结构与环境之间的相关关系。

2003年大型底栖动物有26种，至2011年仅有13种，围海区内底栖动物的栖息密度、生物量和多样性指数均显著下降，而围海区外变化并不显著。围海区内潮间带底栖动物的栖息密度和均匀度也呈现下降趋势。潮汐带来丰富的营养物质和食物，使底栖动物、潮间带动物生物多样性保持在一定高度，围海后滩涂高程改变，潮汐的动力作用减弱，使底栖动物种类数改变、潮间带生物的生物量和栖息密度下降（马长安等，2012；黄少峰等，2011）；促淤使滩涂底质也发生了巨大改变，沉积物粒度、有机质含量均是影响底栖动物种类组成、群落结构和分布的主要因素（王家栋等，2009；付姗姗等，2012），且底栖动物相对于浮游生物活动性差，不适应围海区内的底质环境的破坏和堤外淤积环境的迅速改变，所以围海对于底栖动物的不利影响更大。潮间带动物物种数在2011年达到40种，分析原因为逐渐淤积的过程中，潮间带区域扩大，为潮间带生物提供了更广阔的生存环境，故总种数会有所增加。2006年监测站位较少可能是导致浮游动物、底栖动物的种类数在2006年均达到最低值的原因，年际间监测站位的不同也可能会造成统计分析的偏差。

综上所述，导致动物群落结构及多样性的改变的重要原因是围海造成潮滩高程、水动力、底质、悬浮物等多种环境因子的改变。生境的改变使水域内生物种类减少，生态系统结构单一，极易受到外界环境因素的影响，再加上养殖污染等，进一步加剧了湿地动物种类和数量的减少。因此必须科学制定围填海方式，采用“生态围海”，采取适当措施保护滩涂上的原有生物群落并对围海区进行生态恢复。

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