桑沟湾养殖生态系统健康综合评价

2013-12-20傅明珠蒲新明王宗灵刘新杰

生态学报 2013年1期

傅明珠，蒲新明，* ，王宗灵，刘新杰

(1.国家海洋局第一海洋研究所，青岛 266061;2.海洋生态环境科学与工程国家海洋局重点实验室，青岛 266061;3.山东省荣成市海洋与渔业局，荣成 264300)

桑沟湾是以筏式贝藻大规模养殖为主要特征的典型海湾，养殖种类、方式与布局具有自身的特征，年产贝类(扇贝、牡蛎)、大型藻数万吨，是我国北方最具有代表性的重点养殖海区和海产品基地。在桑沟湾养殖业的发展过程中，养殖企业为追求高产量、高产出，在提高养殖密度的同时，亦大规模扩展养殖面积，海带养殖已扩展到湾外20 m水深海域。随着养殖规模的不断扩大，该海湾近来出现了海带在收获季节开始腐烂，栉孔扇贝养殖个体小型化、养殖周期延长、死亡率升高、产品质量下降等问题，严重影响了该湾海水养殖业的可持续发展［1］。

关于桑沟湾的生态环境问题已有较多研究，例如水体的营养状况［2-4］、浮游植物多样性的长期变化［5］、贝类养殖对水动力条件［6-7］和浮游与底栖环境的影响［8-9］等，然而将生态系统作为一个整体进行综合健康评价的研究还未见报道。为了量化桑沟湾养殖生态系统受损和退化的程度，本文应用《海水养殖生态系统健康综合评价:方法与模式》一文所建立的方法，对桑沟湾的环境压力、生物群落结构、生态系统功能等方面进行系统地定性与定量评价，以期真实、客观的反映该海湾养殖生态系统的现状及可能的变化趋势，并提出可持续发展管理的建议，为桑沟湾养殖生态系统退化机制与修复技术的研究提供科学依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 桑沟湾海水养殖概况

桑沟湾位于山东半岛东端，荣成市境内(122°24'—122°35'E，37°01'—37°09'N)，北、西、南三面为陆地环抱，湾口朝东面向黄海(图1)，为半封闭海湾。该湾南北口长约11.5 km，东西宽约7.5 km，湾内面积约133.33 km2，湾内平均水深7—8 m，最大水深15—17 m，呈自西向东递增的趋势。

桑沟湾养殖业十分发达，养殖面积几乎覆盖全湾，成为我国黄海沿岸的重要水产养殖水域。该湾的主要养殖类型由湾口向湾内依次为海带养殖区、贝藻混养区和贝类养殖区(图1)，传统的鱼类网箱养殖在湾西南角也有分布。桑沟湾养殖业始于20世纪60年代末，当时海带是唯一的养殖品种，70年代曾一度养殖贻贝，80年代随着扇贝人工育苗的成功，栉孔扇贝养殖得到迅速发展，90年代末期由于栉孔扇贝夏季大规模死亡，养殖者转养牡蛎，目前桑沟湾以牡蛎和海带养殖为主［1，10］(图2)，鱼类的网箱养殖规模近年也有所扩大。

1.2 数据来源

对桑沟湾健康现状的评价主要采用了2006—2007年度908专项的调查数据，桑沟湾养殖数据来自荣成市海洋与渔业局提供的内部资料。历史变化趋势的比较使用了国家海洋局第一海洋所的 1983—1984、1988—1989、1999—2000年的历史调查资料，其它过程参数以及908生态调查没有涉及的指标引用了文献中发表的数据，详见下文计算与评价过程。

1.3 评价方法与数据处理

对桑沟湾生态系统健康状况的评价，采用《海水养殖生态系统健康综合评价Ⅰ:方法与模式》一文中建立的指标框架和评分标准。对于评价过程中遇到的几种特殊情况按以下方式处理:

(1)若某项指标没有同期调查数据，则采用历史上该参数的多年平均值进行评价得分;(2)若某项指标没有历史调查数据，则将该指标的权重按比例分配至与其同层次的其他指标中;(3)对每个站的指标分别进行评价得分，然后将各站点的得分进行平均得到整个研究区域的评价得分;(4)若同一指标有多个参数，则取得分最低的参数作为该项的得分。

图1 桑沟湾2006—2007年生态调查站位及养殖布局示意图Fig.1 Diagram of aquaculture distribution and investigation stations in Sanggou Bay during 2006—2007

2 结果与讨论

2.1 压力分析

2.1.1 外源污染压力

桑沟湾入湾河流有桑干河、崖头河、沽河、小落河等，陆源物质来源较少。陆源物质主要随工业废水和生活污水排入海中。位于湾西北部的沽河口为城市污水和工业废水进入桑沟湾的入口(图1)，约占该海域等标污染负荷比的99.03%［11］。因此本文以沽河对桑沟湾的污染物输入为基础，计算该湾的外源污染压力。

根据海洋养殖生态系统评价方法，营养盐压力采用以下污染指数进行计算:

各参数的选择和计算方法如下:沽河平均径流量(6.47×107m3/a)引自张朝晖等［12］的实测数据，沽河DIN平均浓度(0.36 mol/m3)与PO4-P平均浓度(0.015 mol/m3)采用荣成市环保局提供的数据;沽河营养盐入海通量Fi用径流平均浓度与沽河平均径流量乘积得到;桑沟湾水体中营养盐浓度Ci采用2006—2007年908专项调查数据的年度平均值;桑沟湾水体体积Vi用海域面积(133.33 km2)与平均水深(8 m)的乘积得到，计算结果见表1。

表1 桑沟湾营养盐污染压力评价参数及结果Table 1 Parameters in the assessment of nutrient pressure

根据海水养殖生态系统外源污染压力评价得分标准，DIN的污染指数Pi在0.5—2之间，得分为4，PO4-P的污染指数Pi在2—5之间，得分为3，取最低评价得分3作为营养盐污染压力指数。评价结果表明桑沟湾营养盐污染压力较大。

由于没有查到桑沟湾重金属和石油烃陆源输入通量数据，本次评价将二者的权重分配至营养盐污染压力指标中，即营养盐污染压力指标权重变为14.5，因此本模块综合评价得分即为营养盐压力得分=3分。

2.1.2 养殖压力

本文以桑沟湾的主要养殖品种海带、扇贝、鲍鱼、牡蛎进行养殖压力评价。

(1)养殖密度/规模

根据荣成市海洋与渔业局提供的资料，桑沟湾1999—2009年主要养殖品种的养殖面积以及不同养殖品种的比例见图2。近十年来，海带始终是桑沟湾的主要养殖品种，养殖面积变化不大，扇贝的养殖面积出现下降趋势，而牡蛎养殖面积呈增加趋势。为了与环境质量模块各指标时间一致(908调查为2006—2007年)，本文采用2006年和2007年桑沟湾养殖面积的平均值进行养殖密度的评价。

对养殖密度/规模的评价采用养殖面积占海湾面积的比例进行计算，2006年和2007年桑沟湾平均养殖面积为155km2。需要注意的是，对于筏式养殖，1养殖亩实际占用水面面积并不等于1实测亩。在荣成，每666.7m25 道梗，筏间距为4—5 m，每养殖 666.7m2占水面实测2.5×666.7m2［13］。本文一律将养殖亩换算成实测面积61.78×2.5=155 km2，超过桑沟湾水域面积133.33 km2。这可能是由于桑沟湾的养殖海域已经扩展到湾外的原因，这从桑沟湾的卫星图片上也可以清晰的看出。

张继红［14］论文中指出，桑沟湾现在的养殖面积约占海域的70%，另外根据2008年和2009年山东省海洋环境质量公报［15-16］，桑沟湾养殖面积为1万hm2(约占海域的75%)，可以认为桑沟湾养殖面积占水域面积在70%—80%之间，根据评价标准，养殖密度/规模评价得分为2分。

图2 桑沟湾养殖面积(1999—2009)与产量(1980—2009)变化趋势Fig，2 Variations trend of aquaculture area(1999—2009)and yield(1980—2009)in Sanggou Bay

(2)养殖自身污染

桑沟湾的海带养殖和贝类养殖均属于自养生态系统，不需要投放饵料。贝类的生物沉积作用和养殖筏架对海流的阻碍作用，是形成养殖自身污染的两个重要因素。本文主要考虑养殖生物对海区所产生的营养盐负荷的污染(主要是影响较大的无机氮)，针对桑沟湾的养殖状况，主要包括以下3个过程:海带对氮的吸收，贝类对氮的排泄以及沉积物中氮的溶出量。

养殖自身污染压力也采用污染压力指数法进行评价，污染压力指数等于该污染物通过养殖生物的入海通量除以评价海区中该污染物总量。

式中，Qj为评价海区中j养殖生物每年的养殖产量，单位为kg;Eij为在一个养殖周期中j养殖生物向水体中输出的i污染物的量，单位为kg/kg。具体计算过程如下:

①海带吸收氮的量已有研究资料表明，海带的无机氮含量为1.2%［17］，桑沟湾2006年和2007年海带平均产量干重为94454 t［18］，则桑沟湾每年海带吸收N的量为1133 t;

②贝类对氮的排泄量周毅等［19］对几种双壳类对氮、磷的排泄速率进行了研究，结果表明栉孔扇贝和牡蛎对 NH4-N 的排泄速率差异不大，分别为 3.69 μmol h－1个体－1和 3.46 μmol h－1个体－1，本文取二者的平均值(3.58 μmol h－1个体－1)估算养殖贝类对NH4-N 的释放量。另外，根据Yuan等［20］提供的扇贝产量与扇贝个体数的换算(93 800 t=1.59×109个体)，桑沟湾2006年和2007年贝类的个体数约为9.0×108个体。

贝类释放 NH4-N 的量=9.0×108个体×3.58μmol h－1个体－1×24 h×365 d×14×10－12t=395t。

刘学海［7］在对桑沟湾养殖海域生态系统模型中，参考“海岸带复合系统中的生态海水养殖研究”项目的调查结果及有关文献［21-22］，对桑沟湾栉孔扇贝和牡蛎的养殖密度均采用59个体/m2。桑沟湾2006和2007年贝类平均养殖面积为15.55 km2，按照59个体/m2这样的养殖密度计算的话，桑沟湾贝类的个体数=15.55×106m2×59 个体/m2=9.2×108个体，与用 Yuan 等［20］换算公式结果一致。

③沉积物氮的溶出量:根据孙珊等［23］的估算研究，桑沟湾2006—2007年沉积物-水体界面NH4-N的交换通量为 0.78—4.13 mg m－2d－1。利用其平均值(2.78 mg m－2d－1)和桑沟湾的总面积计算，估算得到桑沟湾全年(365 d)由沉积物扩散进入上覆水的总无机氮的量约为135 t。

近20年来对桑沟湾沉积物营养盐溶出动力学的研究结果列于表2。尽管桑沟湾的贝类养殖已有30a的历史，但与其他浅海环境相比，自1999年至今沉积物-水界面的营养盐通量一直处于较低或中等水平，甚至表现出下降的趋势(表2)，当然这可能与测定方法和取样站点的不同有一定的关系。

综合上述①—③的计算结果，桑沟湾每年氮净释放量=395+135－1133＜0。因此，自身污染压力指数Pi＜0，桑沟湾自身污染压力指标得分为5分。

从养殖规模与品种比例长期变化趋势看(图2)，由于海带一直是桑沟湾的主要养殖品种，对营养盐吸收量较大，因此尽管贝类对氮的排泄量和沉积物中氮的溶出量是外源污染压力的两倍，桑沟湾养殖自身污染压力仍然较小。

表2 桑沟湾沉积物-海水界面NH4-N扩散通量时间变化Table 2 Diffusion fluxes of NH4-N between sediment and seawater in Sanggou Bay

(3)养殖品种多样性/互补性

采用专家评判法，得分为4.25分。

综上所述，桑沟湾养殖压力模块的得分为3.0(具体见表3)，总的压力相对较高。其中养殖自身污染压力得分最高(5分)，养殖品种多样性得分也较高(4.25分)，养殖品种较多，不同养殖品种之间在空间和季节上的搭配比较合理;养殖密度/规模的得分为2分，说明桑沟湾养殖密度/规模压力较大，扩展空间有限。总的来说，桑沟湾养殖业自身污染程度不大，养殖品种搭配也比较合理，但较大的养殖规模还是给生态系统造成了较高压力。

表3 桑沟湾生态系统压力指标评价结果Table 3 Assessment results of ecosystem pressure in Sanggou Bay

2.2 生态环境现状与变化趋势

本文从水文环境、水体环境、底质环境以及生物群落质量4个方面，对桑沟湾的生态环境现状及可能的变化趋势进行评价，评价结果总结于表4。

2.2.1 水文环境现状

刘学海［7］通过海上观测和数值模拟研究了桑沟湾水动力学特征。观测表明养殖活动明显降低了所在水层的流速。模型结果显示，不考虑养殖影响该湾的半交换周期为7 d，仅考虑贝类养殖为12 d，同时考虑贝类和海带养殖半交换周期达16 d。湾内西北、西南部水交换能力最差。

综合考虑桑沟湾水交换状况的得分为4分。

2.2.2 水体环境现状与变化趋势

桑沟湾2006—2007年水体环境指标的评价结果显示(表4)，海湾水体处于程度较轻的富营养化状态，这主要是由较高的DIN浓度所致，底层水体溶解氧含量较高，重金属和石油烃污染不严重，水体悬浮物评价得分最低，浓度处于中等水平。

将各评价指标与自1983年以来可得的历史数据进行了比较:桑沟湾底层水体溶解氧含量一直较高(＞5 mg/L)，在2000年之后表现出一定程度的升高;水体营养盐含量和结构变化较明显(图3)，DIN浓度在过去的20a表现出明显的上升趋势，PO4-P浓度一直维持在较低水平，N/P比值显著上升，自2003年以来N/P比值已远高于Redfield比值，富营养化指数也表现出逐渐上升的趋势，虽然目前仍处于较轻富营养化水平，但随着DIN浓度的进一步升高，水体可能会出现富营养化程度加重的风险。

图3 桑沟湾水体营养盐浓度与结构及富营养化指数的长期变化趋势Fig.3 Long-term variations of nutrient concentrations and ratios and EI index in seawater of Sanggou Bay

3.2.3 底质环境现状

由于桑沟湾沉积物历史调查数据较少，本文仅对底质环境的现状进行了评价。桑沟湾沉积物质量总体状况良好(表4):重金属生态风险污染指数很低;氧化还原电位值较高，与底层水体的溶解氧含量的情况是一致的;有机碳平均含量中等为1.10%［26］，处于养殖海域的正常水平，表明桑沟湾底质没有受到贝类养殖生物沉积作用的明显影响。

3.2.4 生物群落质量状况

多样性是生物群落的重要特征，是评价生态系统功能与稳定性的重要指标。本文采用Shannon多样性指数对桑沟湾浮游植物、浮游动物和底栖生物群落进行了评价。结果表明，2006—2007年桑沟湾浮游植物(0.36—3.58)与浮游动物(0.82—2.26)多样性指数变化范围较大，平均得分分别为3.1和2.7分，大型底栖生物多样性水平相对较高(1.5—3.73)，平均得分为4.2分。另外，根据专家对桑沟湾重要生境的评判结果，由于桑沟湾的养殖占有了原海湾部分重要生境，大叶藻的分布区显著缩小，对原有生境造成中等程度干扰。

关于海水养殖对生态环境的影响已有较多研究报道，但对于养殖对生物群落多样性的研究则较少。少量的研究表明海水养殖会对生物多样性产生一定的负面影响，例如贝类养殖会通过对浮游植物的选择性摄食而影响浮游植物的数量丰度和群落结构［8，14，27-28］。从桑沟湾网采浮游植物多样性指数的长期变化看(图4)，2000年之后出现下降趋势。

图4 桑沟湾浮游植物物种多样性长期变化Fig.4 Long-term variation of phytoplankton biodiversity(H')in Sanggou Bay

2.3 生态系统响应

生态系统对外源压力和环境变化的响应是目前生态系统健康评价中较少涉及的问题，本文采用专家评判法，对海水养殖生态系统中常见的生态异常问题进行了半定量评价(表5)。桑沟湾的有害赤潮和外来生物入侵问题不严重，但是由于随着养殖规模的不断扩大，该湾近来出现了海带在收获季节开始腐烂，栉孔扇贝养殖个体小型化、养殖周期延长、死亡率升高、产品质量下降等问题，养殖病害和产品质量下降是桑沟湾海水养殖生态系统的主要威胁之一。

表5 桑沟湾生态系统生态响应评价结果Table 5 Assessment result of the ecosystem response in Sanggou Bay

2.4 综合评价结果

综合3.1—3.3中对桑沟湾海水养殖生态系统的压力、状态和响应的评价，得到桑沟湾海水养殖生态系统健康综合评价结果(表6)。桑沟湾生态系统压力等级为中等，系统状态等级为较好，系统响应等级为中等;总的生态系统健康指数为3.4，为较好健康水平。同时给出了有关管理建议，见表6。为了方便识别，采用不同的颜色对得分等级进行了标识。

3 结论

本文利用《海水养殖系统健康综合评价:方法与模式》一文中建立的方法，对我国北方重要养殖型海湾桑沟湾的生态系统健康状况进行了综合评价，并结合可得的历史数据对其时间变化趋势进行了探讨，主要结论如下:

(1)沽河输入的营养盐负荷和过高的养殖规模/密度是影响桑沟湾生态系统健康的主要压力因素，尽管贝类排泄的无机氮与河流输入量相当，但由于大规模海带养殖对营养盐的吸收，桑沟湾的养殖自身污染程度并不高;

(2)由于桑沟湾较好的水交换能力，以及贝藻混养的多元养殖模式，水体富营养化程度较轻，底层水体溶氧含量较高，大规模养殖活动对沉积物和底栖生物未造成明显影响，但由于桑沟湾的养殖占有了原海湾部分重要生境，大叶藻的分布区显著缩小，对原有生境造成中等程度干扰;

(3)养殖病害问题和养殖产品质量下降，是桑沟湾生态系统对外源压力和环境变化的主要响应方式，对生态系统健康具有中等程度威胁;

表6 桑沟湾海水养殖生态系统健康综合评价表Table 6 Integrated assessment of Sanggou Bay marine aquaculture ecosystem health

(4)从评价指标的历史变化趋势看，桑沟湾的养殖规模在1990年后有大幅增加，近10a来养殖品种和规模变化不大，海带养殖始终占有很大比例，能够有效减轻贝类养殖的自身污染，水体无机氮浓度和氮磷比值显著增加，具有潜在富营养化风险。

(5)桑沟湾生态系统压力等级为中等，系统状态等级为较好，系统响应等级为中等;总的生态系统健康指数为3.4，为较好健康水平。

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