兴化湾大型底栖生物时空分布及环境质量评价

孙迎飞，朱勤东

[1.数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福建 福州 350002；2.福州大学数字中国研究院(福建)，福建 福州 350002]

近岸海域是海洋和陆地生态交汇区，生物数量种类丰富，生态环境多样，也是人类社会活动聚集地。随着人们对海洋资源开发和利用渐趋频繁，对海洋生态健康造成了巨大威胁，需要合理的生态质量评价方法为海洋生态监督、管理与规划提供理论依据。

底栖生物由于运动能力较弱、生存活动范围较小、能敏感地对环境状态进行响应，因此被生态学者用作为客观反映人为干扰造成的环境质量变化的指示生物[1]。欧盟颁布的“水框架指令”(WFD)要求各成员国的近岸海域生态环境质量评价必须建立在生物评价的基础上，而且必须包含底栖生物[2]。底栖生物指数在海洋环境监测中已被广泛应用，根据指数特征主要可分以下几类：1)基于生物数量特征的指数，包含Shannon-Weaver多样性指数H′、ABC曲线、MPI指数等；2)基于底栖生物生态学敏感度分类原理的指数，如海洋生物指数BI、AMBI指数(AZTI’s Marine Biotic Index)、Bentix指数[3]等；3)综合多种生物特征指标的指数，包括M-AMBI指数(Multivariate AMBI)、底栖生物完整性指数B-IBI[4]。

AMBI和M-AMBI指数法已被广泛应用于欧洲和美洲等海域评价底栖生态环境扰动情况[5-6]，国内学者也将其应用于厦门湾、长江口等近岸海域[7-9]。目前，对于兴化湾底栖生物评价的研究中[10-12]多从生物数量特征指数切入，关于其浅海底栖生物敏感度指数研究未有先例。另外，国内的生态敏感度指数应用研究多是对单时段站点数据的数值分析，对生态敏感度指数的时空分布特征研究较少。本文以兴化湾2016年潮下带大型底栖生物调查数据为基础，利用生物多样性指数H′、基于底栖生物生态学敏感度原理的AMBI指数和融合多指标的M-AMBI指数对兴化湾底栖生态进行评价，采用GIS方法对其实现空间可视化，分析兴化湾海域底栖环境质量状态的时空分布，将AMBI和M-AMBI与我国常用的H′指数比较，并结合数量特征和环境因子关联度等分析各评价指数应用在兴化湾的合理性与适用性，为兴化湾的生态监测与管理规划提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 调查海域和数据来源

兴化湾位于福建中部偏南的莆田东部，湾顶有木兰溪等河流注入，湾口朝向东南，出南日群岛经兴化水道和南日水道与台湾海峡相通。为便于区域研究，这里以石城岛和沙浦镇的虎头山连线为界，将兴化湾海域划分为西部的兴化内湾和东部的南日岛海域。目前兴化湾的开发利用主要分布在兴化内湾南岸的北高石城、西部的江口和江阴岛附近的工业港区，以及内湾北岸和南日岛附近海域的水产养殖区。

2016年春季(3月底)和秋季(10月底)，对兴化湾海域(包括南日岛海域)进行大型底栖生物调查，共获得了春季49个站点、秋季48个站点的数据，其中XH9站点只在春季有调查数据(如图1)。非生物调查数据包括同期春季的沉积物调查和春秋两次水质调查(其中水质调查以10 m为区间分层进行，不足10 m只调查表层，由于兴化湾内湾海域水深多为10 m以内，为取得较为全面的研究数据，本研究水质因子数值取各层调查均值)，以上数据来源于福建省水产研究所。

1.2 底栖生物指数计算

1.2.1 相对重要性指数(IRI)

Fi为第i种生物在样方中出现的频率，ni、wi分别为第i种物种的个体数和生物量；N、W分别为物种的总个体数和总生物量。

1.2.2 Shannon-Weaver多样性指数(H′)

pi为第i种的个体数量ni与样品总数量N的比值，S为样点总物种数。

1.2.3 底栖生物指数AMBI和M-AMBI

AMBI(AZTI’s Marine Biotic Index)指数方法由Borja等在生态模型BI的5个生态群落丰度比例(EG)基础上提出的。该方法将底栖生物分为5个群组，生物根据环境敏感度由高到低对应聚集于无污染、轻微失衡、显著失衡的生态环境状态[13]。

M-AMBI(Multivariate AMBI)是Muxika等[14]利用因子分析等方法融合了AMBI、H′指数以及物种丰度计算出的多变量统计指数。M-AMBI指数的应用需要确定AMBI、H′和物种丰度的参考基准值，各因子参考基准值通常采用它们历史监测数据的最大值或最小值[8，15]。本文以福建海洋环境公报对兴化湾的历史评价为参照，认为研究海域已经受到了一定程度扰动，因此无扰动环境参照状态的物种数和多样性指数取其实际数据最大值的基础上增加15%，AMBI取最小值；恶劣环境质量参照状态AMBI取6.0，物种数和多样性指数参照取0。

AMBI和M-AMBI指数可通过AZTI中心网站的AMBI 5.0软件包计算，截至2019年5月，AZTI的生态等级列表中已收录9 251种底栖生物。本文先将物种名录经由WORMS进行物种名校验，然后与AMBI生态分组目录的物种进行对照修正异名同种物种、科学表达更替的物种、删除底栖脊椎生物类群；最后利用生态分组列表进行物种的生态组别鉴定；仍未能进行生态分组的记为未定种(N.A.)。在某些情况下，可以根据本地的生物研究专家的指示来更改特定物种的EG分组[16]，根据林和山等在厦门五缘湾的底栖生物研究将目录中未被分组的华丽角海蛹(Ophelinagrandis)归为EG I组别[9]。

1.2.4 底栖生物指数评价标准

根据国内外海洋生态评价科学家的研究确定各指数的评价标准[3，17-18]，与欧洲水框架指令(WFD)中把底栖生物群落分类为5个生态质量级别对应，H′、AMBI和M-AMBI指数与环境质量之间建立的等级对应关系如表1。

表1 H′、AMBI和M-AMBI指数的评价分级标准

1.3 数据分析

数据预处理用Oracle和Excel完成，用SPSS的双侧显著Pearson相关性分析研究各底栖生物指数与环境之间的关联性。空间分布图和等值线图使用ArcMap 10.2和Suffer 13.0绘制，插值方法为克里格插值法。根据不同指标间通过指数的对应环境质量标准(表1)为参照进行时空分布差异性和变化程度的比较。适用性评价通过分析各底栖生物指数之间以及与环境因子之间的相关性程度进行，此外各指数的自身梯度性、在不同季节评价稳定性也是重要的依据。

2 结果与讨论

2.1 群落结构特征

2016年春秋两季大型底栖生物调查数据共鉴定有161种，春季共有93种，其中主要有环节动物多毛类57种、软体动物18种、节肢动物13种、其他生物5种；在秋季共有88种，其中按门类分有环节动物多毛类47种、节肢动物16种、软体动物10种、其他生物15种。春秋物种类总数变化不大，但其中只有20种大型底栖生物在春秋两季都出现过，物种类别季节更替指数为87.6%，物种类别季节性变更明显。

用IRI指数分析湾区大型底栖生物优势种，列出IRI>100的物种如表2所示，春季优势种多为环节动物多毛类、节肢动物，物种表现为个体小、数量多，敏感种和机会物种混合。秋季优势种出现了棘皮动物，较春季个体重量增大数量减少，敏感种所占比例增加，特别是EG I类物种。

表2 大型底栖生物优势种的IRI指数

2.2 生物密度和生物量时空分布

春季平均生物密度为(183±80)ind/m2，高值区主要集中在南日岛北部近岸海域，最大值在XH46站点为425 ind/m2。秋季平均生物密度为(58±45)ind/m2，高值区在南日岛东部和兴化内湾北侧的海域，XH59站点为最高值180 ind/m2(如图2)。春季平均生物量为(10.8±7.0)g/m2，最大值位于XH15站点，生物量为28.7 g/m2。秋季平均生物量(8.4±14.3)g/m2，生物量高值区主要在兴化内湾西部、北部和南日岛东部(图3)。

2.3 大型底栖生物生态分组

兴化湾海域2016年春秋两季共鉴定出161种大型底栖生物，可分组的有145种，其中32种通过归属原则和已有研究资料可以找到相应生态组别，16种未能确定生态组别。除了春季调查站点中的XH36、XH42和XH68站点未分组物种比例分别为27.3%、23.1%，22.2%，按照AMBI指数计算原则评价结果需要进行谨慎判断外，其他站点均符合未分组物种比例在20%以下的要求，可以使用AMBI和M-AMBI指数进行分析。春季和秋季各站点H′、AMBI和M-AMBI指数值如表3所示。

表3 春季和秋季各站点H′、AMBI和M-AMBI指数值

续表3

2.4 H′、AMBI和M-AMBI指数时空分布

兴化湾春季的生物多样性指数H′在2.28～3.70之间，均值为(3.19±0.37)；秋季在0～3.88之间，均值为(2.03±1.04)。根据各底栖生物指数和环境状态等级表1对指数H′的评价显示，春季39个站点底栖生态环境质量处于轻度污染状态，10个站点处于中度污染状态。秋季9个站点为轻度污染，15个站点为中等污染，15个站点为重度污染，9个站点为严重污染，环境质量整体处于中度与重度污染状态。由H′指数空间分布图(图4)可知，H′指数秋季较春季降低明显，分布趋势具有一致性，兴化内湾中部和北部海域、南日岛南部和兴化水道附近始终是低值区；而在局部地区如兴化内湾西部三江口和南日水道附近，出现了新的低值区。

春季的AMBI指数介于0.75～3.75之间，均值为(1.99±0.66)；秋季介于0.19～7.00之间，均值为(1.53±0.71)。春季AMBI指数底栖环境评价显示，3个站点为无扰动状态，42个站点为轻度扰动，4个站点为中度扰动，整体处于轻度扰动。秋季12个站点为无扰动状态，30个站点为轻度扰动，2个站点为中度扰动，4个站点(未采集到物种)为极端扰动，秋季整体处于轻度扰动状态。其评价低值区主要集中在兴化内湾南部湾口、南日岛南部和兴化水道附近，除了少数因底质原因未采集到物种的站点外，AMBI环境评价秋季较春季有所提高。

春季的M-AMBI指数的范围为0.45～0.88，均值为(0.69±0.09)；秋季介于0～0.82之间，均值为(0.49±0.20)。春季M-AMBI的底栖环境评价结果显示，为高等的有9个站点，为优良的有36个站点，为一般的有4个站点，整体环境为良好状态。秋季评价结果显示，高等的有2个站点，良好的有18个站点，一般的有20个站点，较差的有4个站点，恶劣的有4个站点，整体环境为一般状态。

2.5 底栖生物指数与环境因子间关系

参照海洋沉积物质量标准(GB 18668—2002)，沉积物中重金属、有机碳、石油类、硫化物都达到国家一类标准。参照海水水质标准(GB 3097—1997)，海水中的重金属、溶解氧、化学需氧量、硫化物、石油类均达到国家一级标准。只有无机氮、活性磷酸盐在大多数站点为超标状态，其春季超过二类水质标准的站点比例分别为87%和67%，秋季分别为81%和79%，是兴化海域水质污染的主要因素。

对春季3种底栖生物指数与环境沉积物、水质因子指数进行相关性分析，当研究全部49个站点时，只有H′指数与沉积物中的有机碳、锌显著正相关(P<0.05)；M-AMBI指数和沉积物中的锌显著正相关(P<0.05)；三种指数与海水中的石油类都有显著相关性。当对春季富营养化较明显的兴化内湾的20个站点进行分析时，有显著相关性的指标如表4所示。

秋季未采集到生物的4个站点底质呈现为粗砂和岩石与整个研究区泥沙底质不同，可以认为底质是其采集不到生物的主要因素，对其余44个站点的底栖生物指数与水质环境因子进行相关性分析，有显著相关性的因子如表5所示。

表4 春季兴化湾各底栖生物指数和环境因子相关性分析

表5 秋季兴化湾各底栖生物指数和环境因子相关性分析

相关性分析显示，AMBI和各环境因子在两个季节均无显著相关性，而H′和M-AMBI则在春季的兴化内湾和秋季的整个兴化湾海域与水质的主要超标因子无机氮和活性磷酸盐有明显相关关系，值得注意的是氮、富营养化指数在春季和各生物因子为正相关关系，而秋季为负相关，这可能因为春季是亚热带海域生物快速繁殖增长期，此外氮、磷元素极大地促进浮游植物的生长，为生态系统输入更多能量，使大型底栖生物获得充足的食物，间接地促进了其生长繁殖，具体规律需要更多数据进行探讨。此外，各底栖生物指数只与水质沉积物中的少部分重金属有显著相关性，其原因可能是它们含量都较低，对大型底栖生物影响程度较小，或整体分布没有明显差异[3]。

3 讨论

3.1 大型底栖生物数量特征的时空变化

兴化湾大型底栖生物密度和生物量具有明显的季节性变化，春季和秋季生物密度与生物量的空间分布具有相对一致性。在部分地区出现差异性季节变化，如兴化内湾的西部河口区域由高值区变为低值区、兴化湾北部渔业养殖区海域成为新的高值区，这可能是受到水产养殖活动和陆源入湾河流季节变化的影响。已有研究证明海岸工程、污染物排放、人工养殖区等人为干扰因素对生物密度和生物量的空间分布不均匀性有一定影响[19-20]。

本次调查兴化湾大型底栖动物物种数161种，平均生物量9.61 g/m2，平均密度121 ind/m2，年均个体重量0.08 g，多毛类占比55.6%。在兴化湾已有研究中，1984—1985年调查鉴定物种数314种，平均密度 162 ind/m2，平均生物量36.60 g/m2，年均个体重量0.23 g，多毛类占比34.7%[10]；2005—2006年鉴定物种数197 种；2013—2014年调查鉴定种数132种，平均密度312 ind/m2，平均生物量39.42 g/m2，年均个体重量0.13 g，多毛类占比43.9%[12]；从各个时期调查结果可以看出，大型底栖生物种类数、生物量有整体降低趋势，生物个体趋于小型化，多毛类占比不断增高，可能是因为兴化湾多年来进行的围填海开发、海洋养殖等活动对研究海域底栖生态环境的扰动加剧，程建新等对兴化湾的研究也表明其生态系统承受的压力有增加趋势[21]。与同年宁德海域[22]、罗源湾[23]底栖生物研究相比，平均生物量舟山近岸海域(3.92 g/m2)<兴化湾(9.61 g/m2)<罗源湾(23.8 g/m2)<宁德东部海域(51.84g/m2)；平均生物密度宁德东部(83 ind/m2)<兴化湾(121 ind/m2)<罗源湾(224 ind/m2)。

3.2 不同生物指数比较分析

从各底栖生物指数的时空分布图来看，不同的生态环境质量评价梯度界限与自兴化湾西部经过壁头角南侧向东南湾口的潮流涌道、出湾水道和河口区等地理界限吻合度较高。在大型底栖生物敏感种比例较高，生物种类丰度和生物密度季节性变化明显的兴化湾海域，各指数在生物密度和种类数较多的春季评价结果较一致，M-AMBI和H′有34/49的点结果一致，AMBI和H′有39/49的点结果一致；在密度和种类数较低的秋季各指数间出现明显差异，但M-AMBI和H′的整体梯度较为一致，其规律和底栖生物各指数之间的相关性分析(表6)结果契合。评价结果整体均值春季M-AMBI>AMBI>H′，秋季AMBI> M-AMBI>H′，整体状态春季高于秋季。

表6 各底栖生物指数的相关性分析

从3个指数的季节变化特征来看，H′指数的季节变化最大，从春季的整体轻微污染状态变为秋季的近80%的中度污染。M-AMBI指数评价有一定幅度的降低，AMBI指数评价季节变化不明显，整体表现出的环境质量状态反而有所提高。M-AMBI和H′指数在不同季节的分布梯度性具有较高的一致性，相关系数分别为0.90和0.82，季节变化规律也较为相似，如在兴化内湾西部三江口附近和南日水道附近，春季评价状态为良好，秋季表现为明显的低值区。对AMBI和H′指数评价差别较大的兴化内湾西部三江口海域、江阴岛东部海域和南日水道海域的生物群落特征进行分析，发现秋季随着生物密度的大幅下降，H′指数由3.19下降为2.03，而AMBI指数因为群落结构改变后敏感种所占比例升高，由1.99变为1.53，其评价反而有所提高，这主要是因为AMBI主要依据群落分类的比例来计算，与群落数量结构关系较小。而且值得注意的是秋季有12个站点的生物种类数为1～3种，这可能会导致AMBI指数的敏感程度降低[16]。

3.3 各底栖生物指数在兴化湾环境评价的适用性

由于底栖生物指数的原理和侧重点不同，研究区的生境特点有所差异，利用不同评价指数对区域生境质量进行评价时，产生评价结果不尽相同，需要根据底栖生物指数之间的相关性和底栖生物指数与环境因子的联系强弱来确定各个指数的适用性。生物多样性指数是我国目前应用较为广泛、计算简单快捷的一种底栖生物指数，但对于自然变化和人为扰动区分能力差，在受亚热带季风气候影响、生物种类和数量变化明显的兴化湾，其在秋季的评价结果明显偏低。AMBI已经被应用于不同国家的多个海域，取得了一定的成果，对于有机物富集较为敏感，但也暴露了其一些局限性：1)当生物物种和数量较少时，很小的生物差别就可能造成其群落组成比例的较大差异[3，16]；2)生物分组目录的可信度，同一底栖生物在不同地区表现出的环境响应可能会有差别[9]，但在美国、新西兰等地已经有学者结合本地专家研究，对分组目录进行了重新分级，提高了其评价精度和地区适用度。AMBI有其独特的性质，但仍需通过大量的底栖生物研究去完善，目前较适合作为复合评价指数的子项因子。从各个指数相关性来看，M-AMBI、H′指数、底栖生物群落数量特征相互联系较为密切(表5)。M-AMBI、H′指数能够较好地反映海洋环境中氮、磷等富营养化因子的影响，这与蔡文倩等[8]在长江口的研究相似，在长江口的相关环境因子梯度性更明显，与底栖生物指数的相关性更好。空间分布上来看能够体现出临岸工业港区、人类养殖活动、陆源排放和水文地形的影响，多因素作用错综复杂，具体影响差异有待进一步研究。从不同季节稳定性来看，复合评价M-AMBI相较于H′在不同季节对底栖环境质量的评价更为稳定、全面，评价结果梯度性更好，是兴化湾底栖环境质量评价的优选指数。

4 结论

1)兴化湾春秋两季共鉴定出161种大型底栖生物，敏感种所占比例较高，物种类别春秋更替明显。相较兴化湾历史调查研究，生物种类数和生物量明显降低，群落中小个体多毛类比例不断增加，底栖环境扰动增大。

2)3种底栖生物指数在兴化湾整体评价结果显示，春季M-AMBI>AMBI>H′，秋季AMBI> M-AMBI>H′。大型底栖生物数量和生物指数的时空分布，受到湾区地貌、养殖活动和陆源径流输入的影响。

3)综合来看，M-AMBI是评价梯度性、不同季节稳定性等兴化湾底栖环境质量评价的优选指数。利用M-AMBI对2016年兴化湾底栖环境评价显示春季为良好状态，秋季为一般状态。