鲅魚圈海域魚礁區投礁前的生態環境調查評估

張明燡，田濤，吳忠鑫，劉敏，楊軍，高東奎

（大連海洋大學遼寧省海洋牧場工程技術研究中心，遼寧 大連 116023）

投放到海域中的人工魚礁能夠產生餌料效應、流場效應、庇護所效應、陰影效應和音響效應等，吸引生物聚集、棲息、繁衍，增加礁區周圍海域的生物量，是修復和優化海域生態環境，建設海洋水生生物生息場的人工設施，是海洋牧場建設的基礎生態工程。近年來，中國人工魚礁建設正處于快速發展階段，部分新材料、新結構、新功能魚礁得到規模化應用。選址是人工魚礁建設的關鍵，海洋水文特別是底質環境及生物環境直接影響魚礁建設效果，因此在投礁前進行的生態環境調查及評估極為重要，直接關系到魚礁建設的成敗。

營口鲅魚圈區位于渤海遼東灣東北岸，地理坐標在北緯40°15'～40°20'，東經122°8'～122°15'；屬大陸性溫帶季風氣候，年平均氣溫9.8℃，最高氣溫36.9℃，最低氣溫-31℃，年平均降水量近700 mm。2018 年6 月在鲅魚圈海洋牧場人工魚礁區海域投礁前開展了生態調查，分析評估了該海域的海洋資源環境條件等，旨在探討該海域建設人工魚礁的可行性，并為今后評價人工魚礁的資源養護效果以及在區域內開展海洋牧場建設提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查海域狀況概述

鲅魚圈海域地處北溫帶，夏無酷暑，冬無嚴寒，多年平均氣溫10.7℃，降水量500～600 mm，海水鹽度為30，水溫變化受北方大陸性氣候影響，2 月在0℃左右，8 月達21℃。截至2013 年，共有海岸線28.5 km，海域使用面積13 400 hm2。2008 年漁業總產值實現107 500 萬元，水產品總量119 500 t，其中海洋捕撈產量38 000 t，海產養殖81 500 t。盛產鲅魚、對蝦、海蜇等海產品。

目前渤海整個海域生態環境質量尚好，絕大部分水域水質以二類和三類海水為主，生物種類豐富、生物量高，群落結構基本穩定，但在長期承受污染較大的河口近岸區，尤其是與城市毗鄰的和排污河流入河口附近的海區環境污染嚴重，富營養化程度高，赤潮發生頻繁，對海洋生物和生態系統的壓力較大，出現某些低營養級生物群落組成趨向簡化，耐污種生物增多，種類多樣性指數降低，生物種群下降，部分重金屬在生物體重的蓄積量較高，潛在危害人體健康。

調查海域以貝類產品及海珍品如赤貝Scapharca broughtonii、花蛤Ruditapes philippinarum、扇貝Chlamys（Azumapecten）Farreri、海 參Apostichopus japonicus 等的養殖為主，濾食性貝類像一只只有機顆粒“過濾器”，被過濾到的食粒一部分用于貝類的生長，一部分則主要以氨和磷酸鹽的形式排泄到水中，更有相當一部分以生物沉積的形式累積在養殖區底部，導致濾食性貝類養殖系統的自身污染，而海洋牧場建設及人工魚礁的投放可在不大幅影響環境的情況下，起到恢復資源、改善環境的良好效果。

擬建人工魚礁海域調查范圍為40°14'30.46"～40°17'05.43" N、122°01'24.92"～122°02'24.09" E 之間，面積為373 hm2。用GPSMAP 639SC 型全球衛星定位系統在擬投人工魚礁海域布設10 個采樣站位，在擬建礁區范圍內設8 個采樣點，擬建礁區外2個對照點（圖1，表1）。

1.2 調查項目及方法

1.2.1 海洋水文環境

海洋水文環境調查內容包括水溫、鹽度、透明度等3 項指標。

1.2.2 海洋化學環境

海水化學環境監測內容包括溶解氧、pH、COD、亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、活性磷酸鹽和重金屬（鉛、鎘、銅、鋅、砷、汞）等13 項指標。其中，水溫、鹽度、溶解氧、pH 指標用YSI5600 型多參數水質分析儀現場測定，其他水質指標由現場采集水樣，低溫保存帶回實驗室檢測，由于海區水深不超過10 m，根據《海洋調查規范》統一取水面下1 m 處水。

水質樣品的采集、保存與分析按《海洋監測規范》和《海洋調查規范》的有關規定進行。采用《海水水質標準》評價海域水質。

1.2.3 海洋沉積物環境

海洋沉積物監測內容包括石油類、有機碳、硫化物和重金屬（鉛、鎘、銅、鋅、砷、汞）等9 項指標的含量。

沉積物環境因子樣品的采集、保存與分析同樣按照《海洋監測規范》和《海洋調查規范》的有關規定進行。

1.3 評價方法

1.3.1 水質評價

（1）單項水質評價指數方法[1]

海水質量評價采用海水質量指數法，即應用如下公式進行單因子評價：Si=Ci/Cs，其中：Si為單項水質因子的標準指數，Ci為各評價因子的實測濃度值，Cs為各評價因子的評價標準值，本文中以海洋水質第一類標準最高值為參考值[2]，標準值參見《海洋調查規范》（GB/T12763.4-2007）。

（2）水質富營養化指數[3]

表2 水文環境調查內容及方法Tab.2 Contents and methods of hydrological environment survey

表3 海水有機污染分級評價標準Tab.3 Evaluation criteria for classification of organic pollution in seawater

其中：E 為富營養化指數，COD 為化學需氧量含量（mg/L），DIN 為無機氮含量（mg/L），DIP 為活性磷酸鹽含量（mg/L）。

上式中，E 按照多年監測規律，本次判定結構修正為：如果E≥1，水體呈富營養化狀態；0.5＜E＜1，水體呈中營養化狀態；E≤0.5，水體呈貧營養化狀態。

（3）有機污染評價指數[4]

其中：COD 為化學需氧量含量（mg/L）;DIN 為無機氮含量（mg/L）;DIP 為活性磷酸鹽含量（mg/L）；DO為溶解氧含量（mg/L）。COD0、DIN0、DIP0、DO0分別為水體的上述各項指標的評價標準，其中：COD0=2.0 mg/L；DIN0＝0.20 mg/L；DIP0＝0.015 mg/L；DO0＝6.0 mg/L。有機污染指數評判分級依據如表3 所示。

1.3.2 沉積物評價

（1）沉積物單因子污染指數[1]

（2）潛在生態風險評價[5]

用潛在生態風險評價指數評價沉積物重金屬的污染程度。

其中，RI 為潛在生態風險指數，是沉積物中多種重金屬潛在生態危害的綜合指數。為重金屬i的潛在生態風險指數為重金屬i 的毒性響應參數，主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度；為評價因子i 的實測濃度值；為評價因子i 的評價參考值，本文中采用I 類標準值[1]，重金屬毒性響應參數見表4。

2 結果與分析

2.1 調查海域水質環境狀況

表4 沉積物重金屬污染程度與潛在生態危害指數的關系Tab.4 The relationship between the degree of heavy metal pollution in the sediment and the potential ecological hazard index

表5 調查海域水文測定結果Tab.5 The results of hydrological determination in the surveyed sea area

圖2 調查海域水文情況Fig.2 The hydrological indices in the surveyed sea area

2.1.1 海水水文環境

由表5 及圖2 可知，調查海域水深為6.7～8.7 m，鹽度在35～38 之間，溶解氧4.5～7.2 mg/L，化學需氧量COD 在0.44～1.032 mg/L 之間，變化范圍較大，無機氮含量在0.05664～0.11790 mg/L 之間，活性磷酸鹽含量在0.049235～0.080182 mg/L 之間，硫化物含量在0.032451～0.038811 mg/L 之間，pH 變化較小，在6.66～7.09 之間。

圖3 調查海域化學需氧量含量Fig.3 The levels of chemical oxygen demand（COD）in the surveyed sea area

2.1.2 海水化學環境

2.1.2.1 化學需氧量

在10 個調查站位中，6#站位的化學需氧量最高，達1.032 mg/L，對照2#站位最低，僅0.44 mg/L（圖3）。

2.1.2.2 無機氮

在10 個調查站位中，4#站位無機氮含量最高點站，達0.1179 mg/L，對照1#站位最低，僅0.05664 mg/L（圖4）。

圖4 調查海域無機氮含量Fig.4 The inorganic nitrogen contents in the surveyed sea area

圖5 調查海域活性磷酸鹽含量Fig.5 The available phosphate contents in the surveyed sea area

2.1.2.3 活性磷酸鹽

在10 個調查站位中，3#站位活性磷酸鹽的含量最高，達0.080182 mg/L，對照2#站位最低，僅0.049235 mg/L（圖5）。

2.1.2.4 硫化物

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

在10 個調查站位中，3#站位活性磷酸鹽含量最高，達0.080182 mg/L，對照2#站位最低，僅0.049235 mg/L（圖6）。

2.1.2.5 海水環境評價結果

將表6 中的各理化指標與建設海洋牧場所要求的最低限度二類水質進行比較（表7），用單因子指數分析表明：調查海域中化學需氧量、無機氮及硫化物濃度均符合國家二類海水水質標準，但活性磷酸鹽濃度超過國家二類海水水質標準所要求的濃度。調查海域海水中重金屬含量中，銅、鉛、鋅、汞、砷、鎘的含量均低于國家二類海水水質標準含量（表8、表9）。

表6 調查海域海水化學指標Tab.6 Chemical indicators of seawater in the surveyed sea area/mg·L-1

表7 調查海域水質評價指數（二類海水標準）Tab.7 Water quality evaluation indices in the surveyed sea area（Class II seawater standard）

調查結果顯示：調查海域的海水pH 變化很小，溶氧變化范圍較大，溶解氧污染指數除6#站位其余均＜1；水質富營養化指數3.34～11.74，為富營養化狀態；水體有機污染指數變化范圍0.74～1.92，水域介于良好與開始受到污染之間（表10）。

2.2 調查海域沉積物環境

調查了沉積物中銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）、砷（As）和硫化物（S）含量，用單因子污染指數評價法、以一類沉積物質量標準進行了評價。其中，1#站位未采集到底泥樣品，故1#站位沒有相關數據。

表8 調查海域水質重金屬含量Tab.8 The content of heavy metals in waters of the surveyed area/μg·L-1

表9 調查海域水質重金屬評價指數（二類海水標準）Tab.9 Evaluation indices of heavy metals in the water quality of the surveyed sea area（Class II Seawater Standard）

表10 各站位海水調查要素指數（二類標準計算）Tab.10 Indices of seawater survey elements at each station（calculated as the class II standard）

表11 調查海區沉積物分析結果Tab.11 Analysis results of sediments in the surveyed sea area

調查結果顯示，海域沉積物中各重金屬含量均低于國家一類標準含量（表11），單因子評價指數中，除硫化物和總有機碳的含量超標，其余指數均小于1，顯示海區沉積物環境中部分元素受到污染（表12）。

各站位單一重金屬生態危害指數均小于40，處于低潛在生態風險狀態；總生態危害指數均小于150，處于低潛在生態風險狀態（表13）。

表12 調查海區沉積物樣品污染指數Tab.12 Pollution index of sediment samples in the surveyed sea area

表13 調查海域沉積物環境潛在生態評價Tab.13 Potential ecological assessment of sediment environment in the surveyed sea area

3 討論

3.1 水質環境

在2018 年6 月的調查中，所調查海域的活性磷酸鹽含量超過二類水質的標準，富營養化指數均大于1，屬于富營養化狀態；有機污染指數在0～2 之間，處于剛開始污染的狀態。2010 年6 月田濤[6]等的調查顯示，獐子島海域的水質富營養化指數范圍在0.087～0.521，平均值為0.297。溫澤民[2]在2013年5 月、8 月及11 月對長海縣大長山島擬建海洋牧場海域的調查中，活性磷酸鹽平均含量低于鲅魚圈海域活性磷酸鹽平均含量近10 倍，水質富營養化平均指數低于鲅魚圈海域近40 倍，但兩海域有機污染指數相差不大。而任浩杰[7]2014 年及2015 年兩次在大長山人工魚礁區的調查中，有機污染指數分別為2.93 及1.97，均大于本次在鲅魚圈海域的1.23。綜上所述，鲅魚圈擬建海域水質環境中最大的問題是活性磷酸鹽含量過高，預示擬建海域出現赤潮情況的風險較大，根據現有海水水質狀況，近期內調查海區適合建設養護型海洋牧場。

3.2 沉積物環境

對調查海域沉積物數據分析發現，總有機碳和部分站位的硫化物超過一類沉積物環境的要求，單一重金屬生態危害指數均小于40，處于低潛在生態風險狀態；總生態危害指數均小于150，處于低潛在生態風險狀態。2013 年溫澤民[2]對大長山島海域底質環境的三次調查中，總有機碳含量最大不超過0.80%，而鲅魚圈調查海域總有機碳的平均值則為3.96%，高出大長山海域近乎五倍。硫化物含量則是大長山海域的二倍，考慮到大長山島海域的優良海況，其各項條件皆符合一類國家標準，而鲅魚圈調查海域部分指標則與二類標準相差無幾。

3.3 調查海域建設海洋牧場的可行性

根據上述評價指標，調查海域的水質環境中，磷酸鹽含量超過國家二類海水水質標準，沉積物環境和環境因子均滿足國家一類標準，因此在短期恢復及調控后，可以針對調查海域的環境進行資源養護建設環境改善型人工魚礁。調查海域的水質環境中主要問題有：磷酸鹽含量超過二類水質標準，水體富營養化以及處于有機污染的初始階段，而沉積物環境中的總有機碳含量超標也間接反應了水質環境中的有機污染。

富營養化是指在一定的水體范圍內，水體隨著營養物質的增加而導致營養狀況發生變化的過程[8]。而富營養化程度是赤潮發生的物質基礎和必要條件[9]。造成調查海域富營養化的原因很多，首先可能與當時牧場內大量投放餌料有關，也可能與入海河流帶來的大量污染物有關[10]。大量投食后，牧場內遺留大量的殘餌和排泄物，致使有機物沉積。而沉積的有機物大量分解生成的物質融入海水，將會造成二次的有機污染進一步污染海洋[11]。陳應華[12]在經過調查后發現，在海域內投入人工魚礁后，投礁區海水中的化學需氧量、無機氮濃度均比之前要高，這說明投放人工魚礁起到了改善海水水質的作用。

有研究表明，牡蠣殼粉碎成毫米級微粒后，可吸附去除磷、氨氮和BOD5；與廢玻璃粉混合使用，還可以進一步提高脫磷效率。它對重金屬的吸附能力略低于活性炭，但高于沸石，經各種改性處理后，可進一步提高吸附水中污染物（包括磷、重金屬等）的去除效率[13]。本著生態友好型的理念，在海域中投放生態型牡蠣礁，并輔以適當的苗種投放，使得牡蠣作為海中的“清道夫”，這樣既起到了人工魚礁的作用，也可大幅改善海域水質，可謂一舉兩得。

擬建的海洋牧場魚礁區針對底棲及巖礁性魚類海珍品養護與增殖，底棲附著生物可利用礁體較大的附著面積進行附著生長，同時利用內部較大的空間，進行產卵和逃避敵害等行為；海珍品可利用魚礁之間的縫隙棲息及躲避敵害，這樣更有利于礁區資源的養護增殖。

針對調查海域內的有機污染，要加強周邊的管理，建立有效的預警機制，監測海水的各項理化性質，對變化幅度大的監測內容進行預警和防治，避免進一步加重污染。

3.4 結論

擬建區域位于近岸淺海海域，靠近港口，其營養鹽含量受到陸源影響較大，人為活動的不確定性可能會導致海區營養鹽的不穩定變化，給調查結果帶來了一定的偶然性[14-17]。

渤海為中國的內海，三面環陸，在遼寧、河北、山東、天津三省一市之間，由北部遼東灣、西部渤海灣、南部萊州灣、中央淺海盆地和渤海海峽五部分組成。曾經是我國的“鹽倉”、“魚倉”，給沿岸的人民帶來了巨大的財富。然而，隨著海洋資源的開發利用活動，渤海的資源和生態環境受到較大的破壞，環境質量嚴重惡化，海岸帶污染明顯，污染范圍擴大，生態系統弱化，生態環境退化，赤潮，富營養化等。大量氮、磷物質入海，使海水呈現較強的富營養化狀態，致使赤潮頻頻發生。2007 來渤海發生的赤潮每年不下10 多次，1989 年8—10 月，河北唐山市唐海縣發生大面積赤潮，并影響到遼寧，山東，天津，面積達1300 km2，損失3 億多元。1990 年老鐵山水道發生了面積達1000 km2的赤潮，也造成巨大經濟損失。渤海環境污染的加劇，已導致海區服務功能急劇衰退，渤海的可持續開發利用能力正在喪失，造成了嚴重的經濟損失，成為環渤海地區經濟的可持續發展的瓶頸。快速有效治理渤海污染仍是目前急需解決的問題[18-21]。