由于填海造地、海洋资源的不合理开发利用、渔业养殖、污染物排放等人为活动的影响,近岸海域生态环境正遭受着日趋严峻的污染和损害,包括物理化学变化、生境衰退、生态多样性变化等[1].综合评价人为扰动下近岸海域的生态质量状况是国内外学者共同关注的问题.目前,国内仅有少量关于近岸海域生态质量状况综合评价的研究[2-4],大多海洋环境质量评价尚停留在单一介质的污染评价阶段[2],如单项水质评价法、综合评价指数法和富营养化水平评价法等[5-6],从生物学角度综合评价的概念还没有广泛应用[7].国外近岸海域的生态质量状况评价研究已从对污染物或物种的评价发展到从生物学角度进行评价,有代表性且应用广泛的近岸海域生态质量状况综合评价方法有欧盟的生态状况综合评价方法[8]和美国的沿岸海域状况综合评价方法[9].前者以生物学要素为主,以物理化学和水文形态学要素为辅,以未受扰动的水体状况参数值作为评价参考基准,以所有要素中的最低等级(one-outall-ou,tOOAO)作为综合评价等级原则对近岸海域生态质量状况进行评价,但该方法没有统一的评价标准,且OOAO原则的应用也受到了质疑[10];后者选取水质指数、滨海湿地损失、沉积物污染和底栖生物指数4类指标进行评价,按照评价海域的现状对这4类指标进行赋分(好为5,一般为3,差为1),这4类指标的平均值即为评价海域的总状况分值,并据此划分为相应等级,但该方法仅分为3个评价等级,且3个等级的划分标准还存在争议.由于历史监测资料的缺乏,以及与国外近岸海域的差异,国外的评价指标和方法并不完全适用于国内的情况,因此研究适合我国的生态质量状况综合评价方法十分必要.本文在参考国内外近岸海域生态质量状况综合评价方法的基础上,提出以生物学要素为主、物理化学要素为辅的指标体系,通过评价标准的优化和调整,对评价指标赋予权重,建立了近岸海域生态质量状况模糊综合评价方法,对方法进行了可靠性验证,并将该方法应用于厦门同安湾海域,以期为我国近岸海域生态质量状况综合评价以及生态综合管理决策提供科学依据.
1近岸海域生态质量状况模糊综合评价方法
1•1评价指标体系的建立
选择合适的指标在综合评价中有着举足轻重的作用,指标体系的建立应遵循科学性、层次性、可比性、可操作性等原则[2].本文中近岸海域生态质量状况综合评价指标体系中的生物指标(底栖生物、浮游植物和浮游动物)及水质、沉积物的基本理化状况指标(表1)用于综合评价;水质、沉积物中的营养盐、重金属和有机污染物等污染物因子用于评价结果的验证.对于污染物因子,不限于表1中列出的种类,可根据研究海域的主要污染物和特征污染物做出相应调整.本方法将评价指标分为非生物指标和生物指标(图1),从数量上,以生物指标为主.非生物指标主要是反映海域基本物理化学状况的指标.参考欧盟的生态质量状况综合评价方法[8]和美国的沿岸海域状况综合评价方法[9]中的评价指标,本文中的非生物指标选择水质透光度、化学需氧量(chemicaloxygendemand,COD)、溶解氧(dissolvedoxygen,DO)、沉积物中的硫化物和总有机碳(totalorganiccarbon,TOC).由于近岸海域系统的大部分变化都与盐度和温度的变化有关,这两者与人为活动对生态质量状况的影响没有直接关系[11],因此盐度和温度不作为评价指标.营养盐受人为扰动较大,可作为污染因子来分析.底栖生物通常是公认的能够反映海洋水生生态的指标[12],因此生物指标以底栖生物为主,结合浮游植物和浮游动物.底栖生物质量状况用个体丰度、物种丰度和香农多样性指数(H′)来表征,浮游植物和浮游动物用H′来表征.
1•2评价标准
本文中的评价标准主要参考我国的相应标准,对于国内没有相应评价标准的指标参考欧盟水管理框架(EuropeanWaterFrameworkDirective,WFD)和美国沿岸水体的评价标准.生态质量状况划分为优、良、中、差、劣5个等级(表2),由于我国的海洋水质和沉积物标准分为4级,所以评价标准参考国内外的研究成果做了一定调整,并且使各等级之间尽量做到等间距,以减少不同等级之间间距不均所带来的隶属度误差.等级优代表生物学要素及一般物理化学要素未受到人类活动的明显扰动;等级良代表生态质量状况略差于优等,受到程度较小的污染和轻微的人为活动扰动;等级中代表污染较严重,人为活动扰动较大,生态质量状况处于向差过渡的状态;等级差代表生态系统失衡,污染严重,生态质量状况有继续恶化的可能;等级劣代表生态系统已完全失衡,污染十分严重[13].
1•3权重的确定和模糊关系矩阵的建立
通过Delphi法,由层次分析软件YAAHP0•5•2计算各指标的权重因子(表3).根据各指标的实测值和评价标准,建立模糊关系矩阵.对于值越大、生态质量状况越差的指标采用“降半梯形”分布函数计算,对于值越大、生态质量状况越好的指标采用“升半梯形”分布函数计算,函数公式见文献[14].11个评价指标中,生物要素的总权重占2/3,非生物要素的权重占1/3,这与WFD要求的以生物学要素为主的评价指标体系一致[11].底栖生物指标的权重之和为0•47,主要是因为底栖生物具有较小的流动性,生活史较短,能很快通过种群和群落反映环境的变化[2].国外关于底栖生物质量状况评价的指数主要有AZTI海洋生态指数(AZTImarinebioticindex,AMBI)[15]、多变量AZTI海洋生态指数(multi-variate-AMBI,M-AMBI)[16]、底栖质量指数(benthicqualityindex,BQI)[17]、Bentix指数(Bentixindex)[18]以及底栖多毛类端足类机会种指数(benthicoppor-tunisticpolychaetesamphipodsindex,BOPA)[19]等.DO作为水生生态系统的限制性因子,其权重仅次于底栖生物.透光度和TOC的权重相等,透光度代表光能到达水面以下的深度,决定了光合作用的大小以及水生生物的分布;TOC对污染物和营养元素在沉积物中的迁移、转化等地球化学行为起着至关重要的作用.浮游植物、浮游动物多样性以及叶绿素a的权重依次减小.浮游植物是海洋生态系统中最重要的初级生产者,其多样性与海洋生态系统的稳定性有着密切的关系,重要程度相对较高;浮游动物的权重小于底栖生物和浮游植物,主要是由于浮游动物不定栖于水生系统中,有移动性和一定的随机性;叶绿素a浓度表示水域初级生产者的现存量,间接反映了海区初级生产力的高低.硫化物含量的高低是衡量海洋底质环境优劣的一项重要指标,COD是水质氧化还原状况的指标,两者对生态系统的影响相对较小,因此权重较低.
#p#分页标题#e# 1•4模糊综合评价
采用模糊数学的方法[14],将指标的权重向量与模糊关系矩阵进行复合计算,得到生态质量状况在各等级的分布向量.根据最大模糊隶属度原则,确定生态质量状况综合评价等级.
1•5方法验证
方法验证包括两方面:1)不同生态质量状况等级能否反映人为扰动(排污口、人工养殖、围填海等)的差异.如果生态质量状况等级的空间分布与研究海域人为扰动的空间分布一致,表明本方法能够反映该海域主要的人为环境压力.能否反映人为环境压力是验证评价结果可靠性的主要依据[20];2)生态质量状况等级与主要污染物浓度(营养盐、重金属、有机物等)的相关性.当相关性大的污染因子与研究海域的主要污染因子一致,表明本方法建立的指标体系能够客观反映该海域的生态质量状况.
2研究区概况和数据处理
同安湾位于厦门岛东北部,为口小腹大的半封闭海湾.同安湾污水来源主要为城镇生活废水和工业废水,其主要入海排污口分布如图2所示.根据《厦门市环境功能区划》[21],同安湾海域主导功能为港口航运、滨海旅游、海水养殖,为三类海域功能区.本文采用2006年5月对同安湾内各监测点(图2)水质、沉积物、海洋生物的调查和监测资料进行分析.水样采集和分析按《海洋监测规范》[22]进行,在5月6日大潮期(10:30—16:30)和小潮期(16:30—22:30)的高、低平潮各一个航次(共4个Fig.2DistributionofthesamplingstationsandprimaryoutfallsincoastalwatersofTong’anBay.T:同安湾内部的站位ThestationsattheinnerpartofTong’anBay;D:东坑湾内的站位ThestationsinDongkengBay;XM:靠近厦门岛的站位ThestationsclosetoXiamenIsland.航次),分表层(水面以下0•1~1•0m)和底层(水深10~25m处,距海底2m)采集水样,每个站位每层每次采1个水样,测定各层的水温、pH、盐度、DO、COD、无机磷(dissolvedinorganicphosphorus,DIP)和无机氮(dissolvedinorganicnitrogen,DIN),仅分析表层样品的重金属和油类含量.用抓斗式采泥器采集沉积物样品,取表层10cm样,样品分析参见《海洋监测规范》[22].海洋生物样品的采集和分析以及数据处理均严格按《海洋调查规范》(GB12763•3—1991)[23]的有关规定进行.将生态质量状况等级相同的站位归为一组(共5组),分别计算各组所有站位水质、沉积物中各污染物的平均浓度.生态质量状况等级的优、良、中、差、劣分别赋值为5、4、3、2、1.运用SPSS16•0软件对生态质量状况等级与污染物(DIP、DIN、重金属和油类)浓度进行相关分析.相关性分析采用Pearson相关系数,双尾检验,差异显著性水平设为α=0•05.
3结果与分析
3•1同安湾近岸海域生态质量现状
3•1•1水质和沉积物中物理化学要素的分布特征由表4可以看出,同安湾近岸海域水质中DO、pH以及沉积物中硫化物和TOC状况较好,除个别站点外,基本都符合海洋水质、沉积物一类标准.部分站点COD、DIP和DIN含量的超标现象较严重,尤其是DIP和DIN,几乎全部超出海水水质四类标准,富营养化较严重,是同安湾近岸海域的主要污染因子.水质中的Cr浓度介于《海水水质标准》[24]的二类与三类之间,除T14站位的Cd和油类外,其他水质指标都符合《海水水质标准》一类标准.沉积物指标中,除T15站位的Cu浓度超一类标准外,其他都符合《海洋沉积物质量》[25]一类标准.
3•1•2叶绿素a浓度的分布特征调查海域表层水体的叶绿素a平均含量为4•9mg•m-3,底层平均5•22mg•m-3,湾口(XM017)叶绿素a含量明显高于湾内(图3),可能是由于湾口较高的透明度所致.
3•1•3浮游植物和浮游动物的分布特征由于本次调查时间为春季,故浮游植物种类繁多、丰度较高,湾口的XM017和XM018站位处于内外海水交汇区,浮游植物的种类和数量最多,尤其是XM017站点,浮游植物细胞密度达到23627×104ind•m-3,已接近或达到赤潮的数量级.D4和D5站点位于水产养殖区,浮游植物种类少,污染较严重,尤其是D5站点(图4),其多样性指数值已处在富营养化的水平范围内(<1•0).本次调查中浮游动物共26种,优势种为太平洋纺锤水蚤(Acartiapacifica),各站位浮游动物香农多样性指数的差异较大,变化范围在0•69~2•77,最高值出现在湾口的XM017站点.
3•1•4大型底栖生物的分布特征本次调查的大型底栖生物以多毛类最多,占总数的47•9%,其次为甲壳动物、软体动物和棘皮动物等.研究区底栖生物物种较丰富,位于湾口的XM017站点的种类数最多,达46种,位于湾顶且临近排污口的T15站点最少,只有4种(表5).
3•2同安湾近岸海域生态质量状况综合评价结果
由表6可以看出,同安湾12个监测点中,生态质量状况等级为优的有4个,分别为XM017、XM018、T6和D3站点;等级为良的有3个站点,分别为T7、T10和D1;等级为中的站点有3个,分别为T9、D4和D5;等级为差的站点包括T14和T15站点;没有等级为劣的站点;整个调查海域平均生态质量状况等级为中级.
3•3同安湾近岸海域生态质量状况综合评价结果验证
3•3•1与人为扰动的空间分布一致性分析同安湾近岸海域生态质量状况等级的空间分布呈现出从湾口到湾内逐渐下降的规律.位于湾顶且临近排污口的T14和T15站点的生态质量状况最差,主要是由于2个上游入海河流排污口(东溪和西溪)排入的大量工农业、生活废水所致,这2条河流是同安湾废水排放量最大的排污口,废水排放量占所有排污口排放量的50%以上,并且富营养化严重.T9、D4、D5站点的生态质量状况等级为中,其中T9站点受到的主要人为扰动是与T9站点较近的位于丙洲岛的排污口,同时与丙洲岛近年来大规模的围填海工程有关;D4、D5站点生态质量状况较差的原因在于东坑湾密集的人工养殖.D1和D3站点同样位于人工养殖区,但其生态质量状况比相邻的D4、D5站点好,除了相对较好的水动力交换条件外,主要是由于砂质底质,通常砂质不容易富集污染物,其底栖环境好于淤泥质和泥砂混合质[26].其他站点的生态质量状况相对较好,主要是由于距离排污口较远和较好的水动力交换条件.由于近岸海域生态质量状况受到自然因素和人为因素的双重影响,WFD要求基于生态要素的评价方法应该反映人为环境压力而不是自然变化[27].因此是否能够反映人为环境压力是评价该方法合理性的依据之一.本研究中同安湾近岸海域生态质量状况的综合评价结果能够反映较大的人为扰动,包括排污口、人工养殖以及围填海工程对海洋生态环境的压力.#p#分页标题#e#
3•3•2与污染因子的相关性分析由表7可以看出,同安湾近岸海域生态质量状况等级与水体中Cu浓度呈显著相关(P<0•05),水体中的Cu可能来源于周边工业废水的排放,但其检测浓度符合水质一类标准,由此可见,未超标的指标也可能对生态质量存在潜在影响;生态质量状况等级与DIN、DIP呈负相关关系,DIN、DIP主要来源于排入同安湾的生活污水和农业污染,是同安湾水质的主要超标因子,说明该评价结果能够反映影响研究海域的主要污染因子;其他的重金属、油类指标与同安湾近岸海域生物质量状况的相关性不显著,主要原因可能是由于没有明显的人为环境压力[26],也可能是本次调查样本量较小所致.
4讨论
本文建立的近岸海域生态质量状况综合评价指标体系包括水质、沉积物的物理化学要素和生物学要素,在数量和权重上都以生物学要素为主,与传统的从污染物角度进行综合评价的方法相比,该指标体系符合国际上对近岸海域生态质量状况评价指标的选择要求[11],并且指标数量较少,且均为我国典型的常规监测指标,易于运用.该评价方法采用模糊数学的方法,用隶属度函数描述各指标评价等级的分级界限,弥补了仅用一个确定性的标准值进行归一化评价的不足,使评价结果更客观.目前国内的相关研究[2-4]忽略了对方法评价结果的验证,无法考量评价结果的客观性和可靠性.本文采用国外相关研究中常用的方法[12,26],通过生态质量状况等级与人为扰动(排污口、人工养殖、围填海等)的空间分布特征分析以及生态质量状况等级与主要污染物浓度(DIP、DIN、重金属、有机物等)的相关性分析,对所选指标体系的合理性和评价方法的可靠性进行了验证,增强了方法的可信度.该方法对同安湾近岸海域的评价结果比较客观,基本反映了研究海域主要的污染风险因子以及人为扰动,对未超标的污染物因子也提供了一定的预警作用.但由于数据资料的限制,本文提出的近岸海域生态质量状况综合评价法没有得到该海域多年历史数据或其他海域的验证,其适用性还需要进一步检验.
近岸海域生态质量状况综合评价方法的研究正在不断发展,目前还没有统一的标准和方法.虽然国外的相关研究起步较早,研究相对充分,但真正意义上的综合评价几乎没有[7],存在的问题主要包括:1)评价指标主要关注结构指标,而没有关注生态系统水平上的功能指标;2)方法过于复杂,没有广泛的适用性;3)方法应用中存在较大的不确定性问题;4)没有体现新的环境压力(如气候变化、淤积、外来物种等)对生态质量状况的影响[10,28].这将是今后相关研究应该注意的问题.国内对近岸海域的系统监测较少,同一区域的监测点、监测项目没有连续性,且侧重于污染物的监测,生态监测数据不多,因此,调整现有的海洋环境监测体系和方法,建立相应的海洋生态环境综合监测和管理体系也是迫切需要.