基于模糊綜合評價的桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)富營養(yǎng)化水平分析

劉纘延

(威海市海洋與漁業(yè)局 威海 264200)

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基于模糊綜合評價的桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)富營養(yǎng)化水平分析

劉纘延

(威海市海洋與漁業(yè)局 威海 264200)

文章簡要回顧海洋水體富營養(yǎng)化評價方法，探索建立海水養(yǎng)殖區(qū)富營養(yǎng)化水平模糊綜合評價模型，并就桑溝灣海水養(yǎng)殖區(qū)的化學(xué)需氧量、無機(jī)氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮之和)、活性磷酸鹽、溶解氧、pH值、葉綠素a等指標(biāo)進(jìn)行了不同時段、不同時空的綜合評價，系統(tǒng)分析綜合評價結(jié)果的合理性，與其他富營養(yǎng)化評價方法進(jìn)行了比較，得出用模糊綜合評價方法取得的結(jié)果更有利于指導(dǎo)海水養(yǎng)殖生產(chǎn)的結(jié)論。

模糊綜合評價；桑溝灣；富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化是指水體中限制性營養(yǎng)鹽的增加及其引起生態(tài)系統(tǒng)的相應(yīng)變化[11]，水體富營養(yǎng)化是國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)之一，目前國內(nèi)外關(guān)于水體富營養(yǎng)化的評價尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而單一的因子分析已不能滿足海水富營養(yǎng)化評價的需要。一些學(xué)者利用營養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物等參數(shù)作為評價海域營養(yǎng)指標(biāo)，提出了營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[1-2]，也有學(xué)者提出了富營養(yǎng)化指數(shù)法[3]，但這些評價方法依然有一定的缺陷。

模糊綜合評價是目前較為客觀的富營養(yǎng)化評價方法，已有學(xué)者對珠江口、廈門灣、膠州灣、長江口等水域進(jìn)行了富營養(yǎng)化水平的評價[4-7]。也有學(xué)者對淡水漁業(yè)水域的水質(zhì)做了模糊綜合評價[8]，同時還對淡水養(yǎng)殖池塘進(jìn)行了模糊綜合評價[9]。

桑溝灣位于榮成市東部，面積約152.6 km2，岸線長度約90.40 km。平均水深7～8 m，最大水深18 m。自然環(huán)境條件良好，海底平坦，基礎(chǔ)生產(chǎn)力較高，水產(chǎn)資源豐富，近年來灘涂養(yǎng)殖和淺海養(yǎng)殖發(fā)展迅速，主要養(yǎng)殖品種是扇貝、牡蠣和海帶，現(xiàn)已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大的貝、藻綜合養(yǎng)殖海灣。隨著產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，海水富營養(yǎng)化的問題也日漸突出，因此迫切需要對其富營養(yǎng)化水平進(jìn)行定性評價，以了解其變化趨勢和存在的風(fēng)險，而目前專門針對于海水增養(yǎng)殖區(qū)的綜合評價研究較少。本研究使用模糊綜合評價法，對桑溝灣海域進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，這對掌握桑溝灣海水富營養(yǎng)化水平及發(fā)展趨勢、防治赤潮、綠潮等具有重要意義。

1 研究方法

2014年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)對桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行了3次調(diào)查，共布設(shè)站位7個(圖1)。調(diào)查的指標(biāo)包括化學(xué)需氧量、無機(jī)氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮之和)、活性磷酸鹽、溶解氧、pH值、葉綠素a。樣品的采集、運(yùn)輸、保存與分析均按照海洋監(jiān)測規(guī)范(GB17378-2007)執(zhí)行。本研究所使用的模糊綜合評價模型中所依據(jù)的評價標(biāo)準(zhǔn)為海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3097-1997)，選取的評價指標(biāo)為化學(xué)需氧量、無機(jī)氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮之和)、活性磷酸鹽、溶解氧和葉綠素a。由于葉綠素a沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，因此根據(jù)歷年黃海北部海域葉綠素a調(diào)查數(shù)據(jù)的平均水平設(shè)定(表1)。

圖1 桑溝灣海域調(diào)查站位

指標(biāo)I(貧營養(yǎng))II(中營養(yǎng))III(富營養(yǎng))化學(xué)需氧量/(mg·L-1)234無機(jī)氮含量/(mg·L-1)0.200.300.40活性磷酸鹽含量/(mg·L-1)0.0150.0300.045溶解氧含量/(mg·L-1)654葉綠素a含量/(μg·L-1)135

模糊綜合評價主要公式如下：

由于溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)與其他指標(biāo)順序相反，故計算公式改為如下計算：

式中：f為隸屬函數(shù)；X為各因子的實測值；i為某評價因子；S為海水標(biāo)準(zhǔn)值；下標(biāo)1、2、3為對應(yīng)的海水標(biāo)準(zhǔn)級別。根據(jù)以上公式確定模糊矩陣R。

權(quán)重主要采用污染因子貢獻(xiàn)率權(quán)重，公式如下：

溶解氧的權(quán)重計算如下：

然后對Wi進(jìn)行歸一化處理，得

根據(jù)以上計算結(jié)果組成模糊向量，即

式中：i為各單項因子；Xi為i因子的實測值；Sij為i因子j級海水標(biāo)準(zhǔn)值；n為進(jìn)行評價的因子的個數(shù)。

使用綜合評價矩陣Y=A×R，Y這里為1×3矩陣，分別表示對I，II，III級的隸屬度，以隸屬度最大的等級為該處海水的富營養(yǎng)化等級。

2 結(jié)果與討論

2.1 各單項指標(biāo)時空分布特征

2.1.1 化學(xué)需氧量

桑溝灣海域海水中的化學(xué)需氧量時空變化見圖2，不同月份、不同站位的化學(xué)需氧量變化很大。時間分布上，化學(xué)需氧量的最低值出現(xiàn)在夏季，最高值出現(xiàn)在春季，且各監(jiān)測站位變化趨勢基本一致。從空間分布上看，桑溝灣化學(xué)需氧量總體呈現(xiàn)灣底高、灣口低的趨勢。

圖2 桑溝灣海水中化學(xué)需氧量的時空變化

2.1.2 pH值

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)海水pH值變化見圖3。空間上，pH值呈現(xiàn)灣底高、灣口低的分布特點(diǎn)；時間上，大部分監(jiān)測站位8月pH值高于5月和10月。總體來看，桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)海水pH值變化比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)大的波動。

圖3 桑溝灣海水pH的時空變化

2.1.3 溶解氧

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)海水中的溶解氧平均含量見圖4。其中5月海水中的溶解氧含量均高于8月和10月，不同站位間的溶解氧含量差別不大。

圖4 桑溝灣海水中溶解氧含量的時空變化

2.1.4 無機(jī)氮

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)海水的無機(jī)氮含量呈現(xiàn)明顯的時空分布特征，5月和10月桑溝灣無機(jī)氮含量未出現(xiàn)大的浮動，而8月無機(jī)氮含量顯著升高，并在站位1和站位7形成高值(圖5)。

圖5 桑溝灣海水中無機(jī)氮含量的時空變化

2.1.5 活性磷酸鹽

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)海水中的活性磷酸鹽含量在時間上呈現(xiàn)從春季到秋季逐漸降低的過程。海水中活性磷酸鹽含量空間變化不十分明顯，但夏季空間變化幅度高于春季和秋季(圖6)。

圖6 桑溝灣海水中活性磷酸鹽含量的時空變化

2.1.6 葉綠素a

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)葉綠素a顯示出顯著的季節(jié)性變化(圖7)。其中，夏季桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)葉綠素a含量顯著高于春季和秋季，春季桑溝灣中部海水葉綠素a低于灣底和灣口，但夏季和秋季，灣北部海域葉綠素a顯著高于灣南部海域。

圖7 桑溝灣海水中葉綠素a的時空變化

2.2 海水富營養(yǎng)化評價

模糊綜合評價處理結(jié)果見表2。根據(jù)處理結(jié)果，桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)在春季和秋季的部分站位為Ⅲ級，而在夏季全部監(jiān)測站位均為Ⅲ級，富營養(yǎng)化趨勢較為嚴(yán)重，富營養(yǎng)化風(fēng)險高。

表2 模糊綜合評價結(jié)果

桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)在夏季全部為Ⅲ級，這主要是由于夏季較高的營養(yǎng)鹽和葉綠素a導(dǎo)致的。由于夏季桑溝灣浮游植物數(shù)量豐富，從而導(dǎo)致海水中葉綠素a含量升高，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他海灣。究其原因，主要是由于桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖特點(diǎn)決定的，桑溝灣內(nèi)主要養(yǎng)殖海帶、牡蠣和扇貝等生物，春季是海帶快速生長期，海帶的營養(yǎng)競爭和貝類的濾食可能是造成春季浮游植物數(shù)量較低的主要原因，葉綠素a含量也處于低位水平，桑溝灣的海帶收獲一般從6月開始，8月海帶已經(jīng)收獲完畢，海帶的收獲導(dǎo)致浮游植物的競爭者大量消失，大大降低了桑溝灣海域的營養(yǎng)消耗，從而導(dǎo)致營養(yǎng)鹽含量處于高位水平，促進(jìn)浮游植物的生長繁殖，導(dǎo)致葉綠素a含量急劇上升。這與劉慧等[10]對桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)浮游植物的研究結(jié)果相似。

2.3 與其他富營養(yǎng)化評價方法的比較

本研究另外選取了富營養(yǎng)化指數(shù)法進(jìn)行海水富營養(yǎng)化水平的評價[3]，水質(zhì)富營養(yǎng)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

計算公式為：

式中：CCOD為化學(xué)需氧量含量；CTN為無機(jī)氮含量；CPO4為活性磷酸鹽含量。

表3 水體富營養(yǎng)化評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)水體富營養(yǎng)化評價公式計算營養(yǎng)指數(shù)E(表4)。從表4中可以看出，桑溝灣海域春季5個站位的富營養(yǎng)化指數(shù)大于1，處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)；而夏季有一個站位為輕度富營養(yǎng)化水質(zhì)，一個站位為中度富營養(yǎng)化水質(zhì)。

表4 重點(diǎn)增養(yǎng)殖區(qū)水體富營養(yǎng)等級

通過兩種方法的比較可以看出，使用模糊綜合評價法評價桑溝灣海域，在春季、夏季和秋季均出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象；而用富營養(yǎng)化指數(shù)法來進(jìn)行評價，則桑溝灣僅在春季和夏季的部分站位出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化。根據(jù)富營養(yǎng)化的定義，富營養(yǎng)化不僅應(yīng)該包括營養(yǎng)鹽的增加，還應(yīng)包括生態(tài)系統(tǒng)的變化[11]，桑溝灣增養(yǎng)殖區(qū)夏季浮游植物生長較快，葉綠素a顯著高于其他季節(jié)，富營養(yǎng)化指數(shù)公式中不含有生物相關(guān)指標(biāo)，使用富營養(yǎng)化指數(shù)法進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，容易夸大營養(yǎng)鹽的作用，而忽視生物要素的作用，因此不適合對增養(yǎng)殖區(qū)這樣以生物為核心的海域進(jìn)行評價。通過使用模糊綜合評價法，可以發(fā)現(xiàn)桑溝灣海域富營養(yǎng)化的變化趨勢是夏季富營養(yǎng)化風(fēng)險高于春秋兩季。這對于合理的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的改進(jìn)、防止出現(xiàn)赤潮等生物災(zāi)害具有重要意義。

[1] 李錦蓉，呂頌輝，梁松.大鵬灣、大亞灣營養(yǎng)鹽含量與赤潮生物關(guān)系的初探[J].海洋通報，1993，12(2)：18-24.

[2] 彭昆侖，賈后磊.湛江港外海水富營養(yǎng)化水平與浮游植物多樣性[J].海洋通報，2007，26(2)：113-116.

[3] 鄒景忠，董麗萍，秦保平.渤海灣富營養(yǎng)化和赤初步探討[J]. 海洋環(huán)境科學(xué)，1983，12(2)：41-55.

[4] 姚云，沈志良.膠州灣海水營養(yǎng)化水平評價[J]. 海洋科學(xué)，2004，28(6)：14-17.

[5] 林輝，張元標(biāo)，陳金民.廈門海域水體富營養(yǎng)程度評價[J]. 臺灣海峽，2002，21(2)：154-161.

[6] 熊德琪，陳守煜.海水富營養(yǎng)化模糊評價模式[J]. 海洋環(huán)境科學(xué)，1993，22(3-4)：104-110.

[7] 陳鳴淵，俞志明，宋秀賢，等.利用模糊綜合方法評價長江口海水富營養(yǎng)化水平[J]. 海洋科學(xué)，2007，31(11)：47-54.

[8] 王瑞梅，傅澤田，何有緣，等.漁業(yè)水域水質(zhì)模糊綜合評價模型研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005(6)：51-55.

[9] 王瑞梅，傅澤田，何有緣.池塘淡水養(yǎng)殖水質(zhì)模糊綜合評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)，2010(7)：171-175.

[10] 劉慧，方建光，董雙林，等.萊州灣和桑溝灣養(yǎng)殖海區(qū)浮游植物的研究II[J].海洋水產(chǎn)研究，2003，24(3)：20-28.

[11] SMETACEK V. Coastal eutrophication: causes and consequences. Mantoured M. Ocean Marine Processed in Global Change[M]. New York: John Wiley & Sons， 1999：251-279.

On the Eutrophication Level of Mariculture Zone in Sanggou Bay Based on Fuzzy Synthesis Evaluation

LIU Zanyan

(Marine and Fishery Bureau of Weihai,weihai 264200，China)

Fuzzy synthesis was used for the evaluation of eutrophication in mariculture zone ofSanggou Bay.The COD, DIN, DIP, dissolved oxygen, pH and chlorophyl-a were assessed by different periods and spaces in Sanggou Bay.The rationality of evaluation results was analyzed. Compared with other evaluation methods, fuzzy synthesis was considered to be the best method to assess the eutrophication level of mariculture zone.

Fuzzy synthesis, Sanggou Bay, Eutrophication

劉纘延，工程師，研究方向為海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測，電子信箱：whlzy0631@126.com

P7

A

1005-9857(2016)03-0043-05