靖海湾松江鲈鱼种质资源保护区生态环境质量分析与评价*

滕 瑶 陈碧鹃 夏 斌,3① 曲克明 冯 娟崔正国 张旭志 丁东生

(1. 青岛大学环境科学与工程学院 青岛 266071；2. 农业部海洋渔业资源可持续发展重点实验室山东省渔业资源与生态环境重点实验室 中国水产科学研究院黄海水产研究所 青岛 266071；3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室 青岛 266071)

水产种质资源保护区是指为保护水产种质资源及其主要生存环境免受人为活动破坏，实现其可持续利用，从而依法在具有较高经济及遗传育种价值的保护对象的主要生长繁育区域(即产卵场、索饵场、越冬场以及洄游通道)内划出的予以定期保护、监测和管理的区域。近年来，由于受到近岸涉海工程建设、水体污染等影响，我国水产种质资源保护区的环境质量受到一定程度的损害，因此，在连续监测的基础上，对水产种质资源保护区进行生态环境质量分析与评价是实现其可持续发展的基础所在。目前，已经对靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区(夏斌等,2010; 崔毅等, 2013)、盘古河细鳞鱼江鳕水产种质资源保护区(战培荣等, 2010)、莱州湾单环刺螠近江牡蛎水产种质资源保护区(杨建强等, 2014)、海州湾大竹蛏资源保护区(夏斌等, 2014)及象山港蓝点马鲛水产种质资源保护区(黄秀清等, 2015)等进行了监测与评价。

2007年12月，农业部批准建立靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区，该保护区主要保护对象为松江鲈鱼及其产卵场、越冬场和索饵场。夏斌等(2010)研究表明，2008年6月靖海湾水产种质资源保护区表层海水达到富营养化水平，且有机污染严重，活性磷酸盐是主要污染物；崔毅等(2013)研究发现，2011年靖海湾水产种质资源保护区属于磷限制潜在性富营养水平，2012年属中度营养水平，2013年达到富营养化水平，且受到严重有机污染。徐林波等(2103)报道2011年10月靖海湾表层沉积物重金属的潜在生态危害较轻，属于较清洁水平。已往研究对环境质量的评价关注较多，而运用主成分分析法对靖海湾保护区主要污染因子进行分析评价的研究尚未见报道。本研究以靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区核心区为调查海域，根据2014～2016年夏季对调查海域表层海水中部分环境因子的连续监测数据，运用综合质量指数法对调查海域的生态环境质量状况进行综合分析与评价，并基于不同环境因子，运用潜在性富营养化评价法、有机污染指数法以及主成分分析法，针对水体营养状态、有机污染状况以及主要污染因子 3个方面对调查海域的海水水质状况进行分析评价，从而准确掌握调查海域的生态环境质量现状及其变化趋势，为保障调查海域环境保护与社会经济发展综合决策，实现其可持续发展提供科学依据。

1 采样与分析方法

1.1 研究区域

靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区位于山东省文登市，总面积为818.89 hm2。保护区内设置核心区域1个，面积为664.75 hm2，由10个拐点连线围成。设置青龙河和蔡官河口2个实验区，面积分别为59.14 hm2和95.00 hm2。该保护区的主要保护对象为松江鲈鱼及其产卵场、越冬场和索饵场，特别保护期为每年12月至翌年3月。

1.2 采样站位与时间

本研究调查海域位于山东省文登市靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区的核心区，共设9个调查站位(图1)，调查时间为2014年7月、2015年7月以及2016年7月。

1.3 测定参数与分析方法

检测所需水样采用 Niskin采水器进行采集，采样层次为表层。检测项目包括盐度、pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、活性磷酸盐(DIP)、溶解无机氮(DIN)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)。所需样品的采集、现场处理以及检测均按照《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)中所规定的方法进行：盐度及pH使用美国YSI556多参数分析仪进行测定；DO用碘量法测定；COD采用碱性高锰酸钾法测定；铵盐采用次溴酸盐氧化法进行测定；硝酸盐用锌–镉还原法测定；亚硝酸盐采用萘乙二胺分光光度法进行测定；磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法进行测定；Hg、As用原子荧光分光光度法测定；Cu、Pb、Zn及Cd用原子吸收分光光度法测定。

1.4 评价方法与标准

1.4.1 综合质量指数法 综合质量指数法是根据监测海域各环境因子污染指数，对该海域的综合污染指数进行计算，进而对其生态环境状况进行综合评价的方法(贾晓平等, 2003)，评价公式为：

式中，Q为综合污染指数，n为环境因子项数，Pi为环境因子污染指数，Ci为环境因子实际测量值，Cs为环境因子评价标准值。

由于海水中pH值的评价标准是一个范围值，所以其污染指数用公式计算：

式中，S(i,pH)为第i站的pH质量指数，pHi为第i站的pH实际测量值，pHsµ为pH评价标准上限，pHsd为pH评价标准下限，pHsm为评价标准的中位值。

本研究调查海域位于靖海湾保护区核心区域内，应采用一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)作为评价标准值，综合质量指数与环境分级的关系见表1。

1.4.2 有机污染评价方法 有机污染指数(A)计算公式为(蒋国昌等, 1987)：

式中，A为有机污染指数，CODi、DINi、DIPi、DOi为上述各项环境因子实际测量值，CODs、DINs、DIPs、DOs为上述各项环境因子评价标准值，本研究采用的是海水一类水质标准(GB3097-1997)，其值分别为 2 mg/L、200 μg/L、15 μg/L、6 mg/L。有机污染指数与海水有机污染等级关系见表2。

1.4.3 潜在性富营养化评价方法 运用潜在性富营养化评价方法(郭卫东等, 1998)及其营养分级模式，参照《海水水质标准》(GB 3097-1997)及有关监测数据对调查海域水质进行评价(表3)。

1.4.4 主成分分析法 主成分分析法是在最大限度保留原始数据的基础上，采用降维技术对原始数据综合和简化后进行评价的一种分析方法。本研究运用SPSS 13.0软件对靖海湾保护区内相关环境因子进行主成分分析。主要分析步骤如下：

(1)将监测数据录入到SPSS 13.0数据录入区，并根据实际情况对每个数据进行定义；(2)利用命令Analyze→Data Reduction→Factor Analyze，对录入的数据进行主成分分析；(3)在Factor Analyze过程中，将定义后的数据输入到待分析变量框，并根据所需的输出结果点击 Descriptives、Extraction、Rotation、Scores和Options按钮设置相关系数；(4)点击Factor Analyze确认，输出结果，得出定量化描述并进行进一步分析。

图1 保护区调查站位Fig.1 Sampling sites in conservation area

表1 综合质量指数与环境分级关系Tab.1 The relationship between the comprehensive quality index and the environmental classification

表2 有机污染指数与海水有机污染等级关系Tab.2 The relationship between the organic pollution index and the organic pollution classification in seawater

2 结果与讨论

2.1 评价因子的含量水平

2014～2016年夏季靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区表层海水中相关环境因子含量见表4。

表3 潜在性富营养化评价Tab.3 The standard of potential eutrophication assessment

2014～2016 年盐度的变化范围为 23.67～32.19，平均值为29.27；pH变化范围为7.22～7.98，2014年和2015年均符合一、二类《海水水质标准》(GB 3097-1997)，2016年有4个站位pH值低于一、二类《海水水质标准》(GB 3097-1997)，所占比例为44.44%；DO变化范围为 5.60～6.95 mg/L，2014～2016年 9个站位均符合一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)；COD变化范围为1.17～2.29 mg/L，最低值出现在2015年，9个站位COD含量均符合一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)，2014年和2016年均有站位超出一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)，超标率分别为55.56%和11.11%；3年DIN含量变化范围为188.54～668.47 µg/L，每年均有站位DIN含量超出《海水水质标准》(GB 3097-1997)一类海水水质标准，平均超标率分别为100%、88.89%和77.78%；3年的DIP含量全部超出国家海水水质标准(GB3097-1997)一类海水水质标准，平均超标率均为100%。以上监测结果表明，2014～2016年靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区调查海域水质较差。靖海湾保护区近3年含量较多的重金属为 Pb、Hg、Cu和 Zn，其中，2014年超出一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)的重金属为Hg和Pb，超标率分别为100%和22.22%；2015年超标重金属为Hg、Cu、Pb和Zn，超标率分别为 55.56%、77.78%、100%和 22.22%；2016年超标重金属为Pb，超标率为22.22%。

图2 2014～2016年夏季靖海湾调查站位的综合质量指数Fig.2 The comprehensive quality index of each station in Jinghai Bay in summer of 2014～2016

2.2 海水综合质量评价

选择表4所列的12项环境因子构建评价指标体系，运用综合质量指数法对靖海湾保护区的生态环境质量进行综合评价，综合质量指数如图2所示。

综合分析2014～2016年9个调查站位综合质量指数得出，1、2、3、4和 9号调查站位综合质量指数较低，最低为4号站点，但相差较小；5、6、7和8号调查站位综合质量指数较高，最高为5号站点。这主要是由于5、6、7和8站位离湾口距离较远，自净能力差，且易受到沿岸居民生活、工业生产的影响，这与夏斌等(2010)、崔毅等(2013)的研究结果一致。从年际变化趋势分析，2014年调查海域海水综合质量指数范围为1.00～1.44，平均值为1.19；2015年海水综合质量指数范围为 1.25～1.57，平均值为 1.38；2016年海水综合质量指数范围为1.14～1.42，平均值为 1.27。靖海湾调查海域海水综合质量指数排序为2015年＞2016年＞2014年。根据综合质量指数与环境分级关系(表1)，2014～2016年靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区海水综合质量指数均处于1.04～1.69之间，这表明保护区水质等级为轻污染。这可能与陆源污染水体排放、大气沉降、海水养殖等多方面因素有关。

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2.3 有机污染评价

根据有机污染指数(A)计算公式，得出2014年调查海域有机污染指数的变化范围为 4.69～9.23，平均值为 7.21；2015年调查海域有机污染指数的变化范围为5.62～8.04，平均值为6.75；2016年调查海域有机污染指数的变化范围为4.66～6.18，平均值为5.38。这表明 2014～2016年靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区有机污染状况处于严重污染状态。崔毅等(2013)研究表明，2011～2013年靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区有机污染指数平均值分别为8.83、3.49和5.64。夏斌等(2010)研究发现，2008年夏季靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区有机污染指数平均值为 5.30。通过对比发现，2014～2016年靖海湾保护区有机污染状况未见明显好转。赵玉庭等(2016)分析得出，莱州湾单环刺螠近江牡蛎国家级水产种质资源保护区有机污染指数平均为1.61，总体上处于开始受到污染状况。孙伟等(2016)通过调查得出，双岛湾海水有机污染指数变化区间为–0.62～1.00。近年来，靖海湾保护区有机污染指数平均值均大于莱州湾及双岛湾，应进一步加强对该区域有机污染物排放的规划与管理。

2.4 潜在性富营养化评价

根据郭卫东等(1998)提出的潜在性富营养化评价法，以氮、磷营养盐的含量作为评价参数对靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区的营养化水平进行评价，得出2014～2016年靖海湾保护区营养等级(表5)。2014年靖海湾保护区处于富营养状态，2015、2016年靖海湾保护区均处于氮限制潜在性富营养状态。崔毅等(2013)研究表明，靖海湾保护区2011～2013年分别处于磷限制潜在性富营养、中度营养及富营养化状态。夏斌等(2010)研究发现，2008年夏季靖海湾保护区海水营养水平基本属于富营养化。以上结果表明，近两年来，靖海湾保护区富营养化情况有所改善，但富营养化仍然是靖海湾保护区近年来一直存在的生态环境问题。

2.5 主成分分析

通过对靖海湾保护区调查海域表层海水盐度、pH、DO、COD、DIN、DIP、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As进行主成分分析，得出前 2个主成分的特征值为12，累计贡献率为100%，故用主成分F1、F2这2个变量来代替原始变量(盐度、pH、DO、COD、DIN、DIP、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和 As)，反映原始数据的绝大部分信息(表6)。

表5 靖海湾营养级评价Tab.5 The trophic level of Jinghai Bay

表6 主成分分析主要计算结果Tab.6 The results of the principal component analysis

第一主成分的方差贡献率为68.306%，其中，DIN和As为影响调查海域水质的主要环境因子，其特点是因子变量在DIN和As的浓度上有较高的正载荷，分别为 0.998和 0.985。第二主成分的方差贡献率为31.694%，Zn为影响调查区域水质的主要环境因子，其特点是因子变量在Zn的浓度上有较高的正载荷，为 0.998(图3)。

在这2个主成分中，DIN、As和Zn具有较高的正载荷，说明影响靖海湾保护区调查海域水质的主要污染物为DIN、As和Zn。2008～2013年DIN一直都是影响该海域水质的主要污染物(夏斌等, 2010; 崔毅等, 2013)，近两年来，富营养化现象一直没有得到有效改善，该区域的 DIN含量较高主要是由于近岸工农业污水排放和陆源径流输入。2014～2016年，靖海湾保护区主要的重金属污染物为 As和 Zn。2008和2011年靖海湾保护区内主要重金属含量均符合一类《海水水质标准》(GB 3097-1997)；2012年保护区Pb含量超过一类海水水质标准(GB 3097-1997)，平均含量为1.10 μg/L；2013年保护区内Cu、Pb和Hg平均含量分别为 5.19、2.79和 0.07 μg/L，均超出一类海水水质标准(GB 3097-1997) (夏斌等, 2010; 崔毅等,2013)。通过对比分析得出，该海域重金属污染不断加重且污染物种类不断增多，这可能是由于入海河流中重金属含量不断增加和工业污水排放引起。综上所述，DIN、As和Zn可以代表2014～2016年靖海湾松江鲈鱼国家级水产种质资源保护区海水的污染状况，因此，在以后的环境监测和规划过程中应加强对以上环境因子的关注。

图3 不同评价因子的二维因子载荷Fig.3 Loading plots of the evaluation factors in the space defined by two components

3 结论

2014～2016年靖海湾保护区4号站位综合质量指数最低，5号站位综合质量指数最高；从年际变化趋势分析，综合质量指数排序为 2015年＞2016年＞2014年，综合质量指数均处于1.00～1.57之间，海水质量等级为轻污染。

2014～2016年靖海湾保护区调查海域有机污染指数范围为 4.66～9.23，处于严重污染状态。2014年靖海湾保护区调查海域处于富营养状态，2015和2016年均处于氮限制潜在性富营养状态。运用主成分分析法分析得出，靖海湾保护区调查海域主要污染物为DIN、As和 Zn。以后应加强对靖海湾保护区有机污染、富营养化和重金属(As和Zn)的监测和管理。

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