鲅鱼圈海域鱼礁区投礁前的生态环境调查评估

张明燡，田涛，吴忠鑫，刘敏，杨军，高东奎

（大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁 大连 116023）

投放到海域中的人工鱼礁能够产生饵料效应、流场效应、庇护所效应、阴影效应和音响效应等，吸引生物聚集、栖息、繁衍，增加礁区周围海域的生物量，是修复和优化海域生态环境，建设海洋水生生物生息场的人工设施，是海洋牧场建设的基础生态工程。近年来，中国人工鱼礁建设正处于快速发展阶段，部分新材料、新结构、新功能鱼礁得到规模化应用。选址是人工鱼礁建设的关键，海洋水文特别是底质环境及生物环境直接影响鱼礁建设效果，因此在投礁前进行的生态环境调查及评估极为重要，直接关系到鱼礁建设的成败。

营口鲅鱼圈区位于渤海辽东湾东北岸，地理坐标在北纬40°15'～40°20'，东经122°8'～122°15'；属大陆性温带季风气候，年平均气温9.8℃，最高气温36.9℃，最低气温-31℃，年平均降水量近700 mm。2018 年6 月在鲅鱼圈海洋牧场人工鱼礁区海域投礁前开展了生态调查，分析评估了该海域的海洋资源环境条件等，旨在探讨该海域建设人工鱼礁的可行性，并为今后评价人工鱼礁的资源养护效果以及在区域内开展海洋牧场建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 调查海域状况概述

鲅鱼圈海域地处北温带，夏无酷暑，冬无严寒，多年平均气温10.7℃，降水量500～600 mm，海水盐度为30，水温变化受北方大陆性气候影响，2 月在0℃左右，8 月达21℃。截至2013 年，共有海岸线28.5 km，海域使用面积13 400 hm2。2008 年渔业总产值实现107 500 万元，水产品总量119 500 t，其中海洋捕捞产量38 000 t，海产养殖81 500 t。盛产鲅鱼、对虾、海蜇等海产品。

目前渤海整个海域生态环境质量尚好，绝大部分水域水质以二类和三类海水为主，生物种类丰富、生物量高，群落结构基本稳定，但在长期承受污染较大的河口近岸区，尤其是与城市毗邻的和排污河流入河口附近的海区环境污染严重，富营养化程度高，赤潮发生频繁，对海洋生物和生态系统的压力较大，出现某些低营养级生物群落组成趋向简化，耐污种生物增多，种类多样性指数降低，生物种群下降，部分重金属在生物体重的蓄积量较高，潜在危害人体健康。

调查海域以贝类产品及海珍品如赤贝Scapharca broughtonii、花蛤Ruditapes philippinarum、扇贝Chlamys（Azumapecten）Farreri、海 参Apostichopus japonicus 等的养殖为主，滤食性贝类像一只只有机颗粒“过滤器”，被过滤到的食粒一部分用于贝类的生长，一部分则主要以氨和磷酸盐的形式排泄到水中，更有相当一部分以生物沉积的形式累积在养殖区底部，导致滤食性贝类养殖系统的自身污染，而海洋牧场建设及人工鱼礁的投放可在不大幅影响环境的情况下，起到恢复资源、改善环境的良好效果。

拟建人工鱼礁海域调查范围为40°14'30.46"～40°17'05.43" N、122°01'24.92"～122°02'24.09" E 之间，面积为373 hm2。用GPSMAP 639SC 型全球卫星定位系统在拟投人工鱼礁海域布设10 个采样站位，在拟建礁区范围内设8 个采样点，拟建礁区外2个对照点（图1，表1）。

1.2 调查项目及方法

1.2.1 海洋水文环境

海洋水文环境调查内容包括水温、盐度、透明度等3 项指标。

1.2.2 海洋化学环境

海水化学环境监测内容包括溶解氧、pH、COD、亚硝酸盐、硝酸盐、氨氮、活性磷酸盐和重金属（铅、镉、铜、锌、砷、汞）等13 项指标。其中，水温、盐度、溶解氧、pH 指标用YSI5600 型多参数水质分析仪现场测定，其他水质指标由现场采集水样，低温保存带回实验室检测，由于海区水深不超过10 m，根据《海洋调查规范》统一取水面下1 m 处水。

水质样品的采集、保存与分析按《海洋监测规范》和《海洋调查规范》的有关规定进行。采用《海水水质标准》评价海域水质。

1.2.3 海洋沉积物环境

海洋沉积物监测内容包括石油类、有机碳、硫化物和重金属（铅、镉、铜、锌、砷、汞）等9 项指标的含量。

沉积物环境因子样品的采集、保存与分析同样按照《海洋监测规范》和《海洋调查规范》的有关规定进行。

1.3 评价方法

1.3.1 水质评价

（1）单项水质评价指数方法[1]

海水质量评价采用海水质量指数法，即应用如下公式进行单因子评价：Si=Ci/Cs，其中：Si为单项水质因子的标准指数，Ci为各评价因子的实测浓度值，Cs为各评价因子的评价标准值，本文中以海洋水质第一类标准最高值为参考值[2]，标准值参见《海洋调查规范》（GB/T12763.4-2007）。

（2）水质富营养化指数[3]

表2 水文环境调查内容及方法Tab.2 Contents and methods of hydrological environment survey

表3 海水有机污染分级评价标准Tab.3 Evaluation criteria for classification of organic pollution in seawater

其中：E 为富营养化指数，COD 为化学需氧量含量（mg/L），DIN 为无机氮含量（mg/L），DIP 为活性磷酸盐含量（mg/L）。

上式中，E 按照多年监测规律，本次判定结构修正为：如果E≥1，水体呈富营养化状态；0.5＜E＜1，水体呈中营养化状态；E≤0.5，水体呈贫营养化状态。

（3）有机污染评价指数[4]

其中：COD 为化学需氧量含量（mg/L）;DIN 为无机氮含量（mg/L）;DIP 为活性磷酸盐含量（mg/L）；DO为溶解氧含量（mg/L）。COD0、DIN0、DIP0、DO0分别为水体的上述各项指标的评价标准，其中：COD0=2.0 mg/L；DIN0＝0.20 mg/L；DIP0＝0.015 mg/L；DO0＝6.0 mg/L。有机污染指数评判分级依据如表3 所示。

1.3.2 沉积物评价

（1）沉积物单因子污染指数[1]

（2）潜在生态风险评价[5]

用潜在生态风险评价指数评价沉积物重金属的污染程度。

其中，RI 为潜在生态风险指数，是沉积物中多种重金属潜在生态危害的综合指数。为重金属i的潜在生态风险指数为重金属i 的毒性响应参数，主要反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度；为评价因子i 的实测浓度值；为评价因子i 的评价参考值，本文中采用I 类标准值[1]，重金属毒性响应参数见表4。

2 结果与分析

2.1 调查海域水质环境状况

表4 沉积物重金属污染程度与潜在生态危害指数的关系Tab.4 The relationship between the degree of heavy metal pollution in the sediment and the potential ecological hazard index

表5 调查海域水文测定结果Tab.5 The results of hydrological determination in the surveyed sea area

图2 调查海域水文情况Fig.2 The hydrological indices in the surveyed sea area

2.1.1 海水水文环境

由表5 及图2 可知，调查海域水深为6.7～8.7 m，盐度在35～38 之间，溶解氧4.5～7.2 mg/L，化学需氧量COD 在0.44～1.032 mg/L 之间，变化范围较大，无机氮含量在0.05664～0.11790 mg/L 之间，活性磷酸盐含量在0.049235～0.080182 mg/L 之间，硫化物含量在0.032451～0.038811 mg/L 之间，pH 变化较小，在6.66～7.09 之间。

图3 调查海域化学需氧量含量Fig.3 The levels of chemical oxygen demand（COD）in the surveyed sea area

2.1.2 海水化学环境

2.1.2.1 化学需氧量

在10 个调查站位中，6#站位的化学需氧量最高，达1.032 mg/L，对照2#站位最低，仅0.44 mg/L（图3）。

2.1.2.2 无机氮

在10 个调查站位中，4#站位无机氮含量最高点站，达0.1179 mg/L，对照1#站位最低，仅0.05664 mg/L（图4）。

图4 调查海域无机氮含量Fig.4 The inorganic nitrogen contents in the surveyed sea area

图5 调查海域活性磷酸盐含量Fig.5 The available phosphate contents in the surveyed sea area

2.1.2.3 活性磷酸盐

在10 个调查站位中，3#站位活性磷酸盐的含量最高，达0.080182 mg/L，对照2#站位最低，仅0.049235 mg/L（图5）。

2.1.2.4 硫化物

图6 调查海域硫化物含量Fig.6 The sulfide contents in the surveyed sea area

在10 个调查站位中，3#站位活性磷酸盐含量最高，达0.080182 mg/L，对照2#站位最低，仅0.049235 mg/L（图6）。

2.1.2.5 海水环境评价结果

将表6 中的各理化指标与建设海洋牧场所要求的最低限度二类水质进行比较（表7），用单因子指数分析表明：调查海域中化学需氧量、无机氮及硫化物浓度均符合国家二类海水水质标准，但活性磷酸盐浓度超过国家二类海水水质标准所要求的浓度。调查海域海水中重金属含量中，铜、铅、锌、汞、砷、镉的含量均低于国家二类海水水质标准含量（表8、表9）。

表6 调查海域海水化学指标Tab.6 Chemical indicators of seawater in the surveyed sea area/mg·L-1

表7 调查海域水质评价指数（二类海水标准）Tab.7 Water quality evaluation indices in the surveyed sea area（Class II seawater standard）

调查结果显示：调查海域的海水pH 变化很小，溶氧变化范围较大，溶解氧污染指数除6#站位其余均＜1；水质富营养化指数3.34～11.74，为富营养化状态；水体有机污染指数变化范围0.74～1.92，水域介于良好与开始受到污染之间（表10）。

2.2 调查海域沉积物环境

调查了沉积物中铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）和硫化物（S）含量，用单因子污染指数评价法、以一类沉积物质量标准进行了评价。其中，1#站位未采集到底泥样品，故1#站位没有相关数据。

表8 调查海域水质重金属含量Tab.8 The content of heavy metals in waters of the surveyed area/μg·L-1

表9 调查海域水质重金属评价指数（二类海水标准）Tab.9 Evaluation indices of heavy metals in the water quality of the surveyed sea area（Class II Seawater Standard）

表10 各站位海水调查要素指数（二类标准计算）Tab.10 Indices of seawater survey elements at each station（calculated as the class II standard）

表11 调查海区沉积物分析结果Tab.11 Analysis results of sediments in the surveyed sea area

调查结果显示，海域沉积物中各重金属含量均低于国家一类标准含量（表11），单因子评价指数中，除硫化物和总有机碳的含量超标，其余指数均小于1，显示海区沉积物环境中部分元素受到污染（表12）。

各站位单一重金属生态危害指数均小于40，处于低潜在生态风险状态；总生态危害指数均小于150，处于低潜在生态风险状态（表13）。

表12 调查海区沉积物样品污染指数Tab.12 Pollution index of sediment samples in the surveyed sea area

表13 调查海域沉积物环境潜在生态评价Tab.13 Potential ecological assessment of sediment environment in the surveyed sea area

3 讨论

3.1 水质环境

在2018 年6 月的调查中，所调查海域的活性磷酸盐含量超过二类水质的标准，富营养化指数均大于1，属于富营养化状态；有机污染指数在0～2 之间，处于刚开始污染的状态。2010 年6 月田涛[6]等的调查显示，獐子岛海域的水质富营养化指数范围在0.087～0.521，平均值为0.297。温泽民[2]在2013年5 月、8 月及11 月对长海县大长山岛拟建海洋牧场海域的调查中，活性磷酸盐平均含量低于鲅鱼圈海域活性磷酸盐平均含量近10 倍，水质富营养化平均指数低于鲅鱼圈海域近40 倍，但两海域有机污染指数相差不大。而任浩杰[7]2014 年及2015 年两次在大长山人工鱼礁区的调查中，有机污染指数分别为2.93 及1.97，均大于本次在鲅鱼圈海域的1.23。综上所述，鲅鱼圈拟建海域水质环境中最大的问题是活性磷酸盐含量过高，预示拟建海域出现赤潮情况的风险较大，根据现有海水水质状况，近期内调查海区适合建设养护型海洋牧场。

3.2 沉积物环境

对调查海域沉积物数据分析发现，总有机碳和部分站位的硫化物超过一类沉积物环境的要求，单一重金属生态危害指数均小于40，处于低潜在生态风险状态；总生态危害指数均小于150，处于低潜在生态风险状态。2013 年温泽民[2]对大长山岛海域底质环境的三次调查中，总有机碳含量最大不超过0.80%，而鲅鱼圈调查海域总有机碳的平均值则为3.96%，高出大长山海域近乎五倍。硫化物含量则是大长山海域的二倍，考虑到大长山岛海域的优良海况，其各项条件皆符合一类国家标准，而鲅鱼圈调查海域部分指标则与二类标准相差无几。

3.3 调查海域建设海洋牧场的可行性

根据上述评价指标，调查海域的水质环境中，磷酸盐含量超过国家二类海水水质标准，沉积物环境和环境因子均满足国家一类标准，因此在短期恢复及调控后，可以针对调查海域的环境进行资源养护建设环境改善型人工鱼礁。调查海域的水质环境中主要问题有：磷酸盐含量超过二类水质标准，水体富营养化以及处于有机污染的初始阶段，而沉积物环境中的总有机碳含量超标也间接反应了水质环境中的有机污染。

富营养化是指在一定的水体范围内，水体随着营养物质的增加而导致营养状况发生变化的过程[8]。而富营养化程度是赤潮发生的物质基础和必要条件[9]。造成调查海域富营养化的原因很多，首先可能与当时牧场内大量投放饵料有关，也可能与入海河流带来的大量污染物有关[10]。大量投食后，牧场内遗留大量的残饵和排泄物，致使有机物沉积。而沉积的有机物大量分解生成的物质融入海水，将会造成二次的有机污染进一步污染海洋[11]。陈应华[12]在经过调查后发现，在海域内投入人工鱼礁后，投礁区海水中的化学需氧量、无机氮浓度均比之前要高，这说明投放人工鱼礁起到了改善海水水质的作用。

有研究表明，牡蛎壳粉碎成毫米级微粒后，可吸附去除磷、氨氮和BOD5；与废玻璃粉混合使用，还可以进一步提高脱磷效率。它对重金属的吸附能力略低于活性炭，但高于沸石，经各种改性处理后，可进一步提高吸附水中污染物（包括磷、重金属等）的去除效率[13]。本着生态友好型的理念，在海域中投放生态型牡蛎礁，并辅以适当的苗种投放，使得牡蛎作为海中的“清道夫”，这样既起到了人工鱼礁的作用，也可大幅改善海域水质，可谓一举两得。

拟建的海洋牧场鱼礁区针对底栖及岩礁性鱼类海珍品养护与增殖，底栖附着生物可利用礁体较大的附着面积进行附着生长，同时利用内部较大的空间，进行产卵和逃避敌害等行为；海珍品可利用鱼礁之间的缝隙栖息及躲避敌害，这样更有利于礁区资源的养护增殖。

针对调查海域内的有机污染，要加强周边的管理，建立有效的预警机制，监测海水的各项理化性质，对变化幅度大的监测内容进行预警和防治，避免进一步加重污染。

3.4 结论

拟建区域位于近岸浅海海域，靠近港口，其营养盐含量受到陆源影响较大，人为活动的不确定性可能会导致海区营养盐的不稳定变化，给调查结果带来了一定的偶然性[14-17]。

渤海为中国的内海，三面环陆，在辽宁、河北、山东、天津三省一市之间，由北部辽东湾、西部渤海湾、南部莱州湾、中央浅海盆地和渤海海峡五部分组成。曾经是我国的“盐仓”、“鱼仓”，给沿岸的人民带来了巨大的财富。然而，随着海洋资源的开发利用活动，渤海的资源和生态环境受到较大的破坏，环境质量严重恶化，海岸带污染明显，污染范围扩大，生态系统弱化，生态环境退化，赤潮，富营养化等。大量氮、磷物质入海，使海水呈现较强的富营养化状态，致使赤潮频频发生。2007 来渤海发生的赤潮每年不下10 多次，1989 年8—10 月，河北唐山市唐海县发生大面积赤潮，并影响到辽宁，山东，天津，面积达1300 km2，损失3 亿多元。1990 年老铁山水道发生了面积达1000 km2的赤潮，也造成巨大经济损失。渤海环境污染的加剧，已导致海区服务功能急剧衰退，渤海的可持续开发利用能力正在丧失，造成了严重的经济损失，成为环渤海地区经济的可持续发展的瓶颈。快速有效治理渤海污染仍是目前急需解决的问题[18-21]。