大亞灣石化排污海域生態系統健康評價

徐姍楠，陳作志，林　琳，徐嬌嬌，李純厚

中國水產科學研究院南海水產研究所，農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室，廣東省漁業生態環境重點實驗室，廣州　510300

大亞灣石化排污海域生態系統健康評價

徐姍楠，陳作志，林琳，徐嬌嬌，李純厚*

中國水產科學研究院南海水產研究所，農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室，廣東省漁業生態環境重點實驗室，廣州510300

摘要:基于近海生態系統健康評價模型，以2011—2012年間海洋生態環境調查數據為基礎，對大亞灣石化排污海域的生態系統健康狀態進行了綜合評價。結果表明：豐水期(2011年8月)，大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數為0.808，健康狀態為“好”，空間分布為近岸海域健康狀況好于遠岸海域，其中底棲生物多樣性綜合指數是影響該海域生態系統健康的主要負面因子。枯水期(2012年1月)，石化排污海域生態系統健康綜合指數為0.767，健康狀態為“一般”，遠岸海域健康狀況好于近岸海域，浮游植物多樣性綜合指數和底棲生物多樣性綜合指數是影響該海域生態系統健康的主要負面因子。與2006—2007年相比，大亞灣石化排污海域生態系統的健康狀況正向“一般”狀態退化。

關鍵詞：海灣生態系統；健康評價；指標體系；石化排污海域；大亞灣

海灣是陸、海相互作用以及人類干擾活動的強烈承受區域，是環境變化的敏感帶和生態系統的脆弱帶[1]。全球約41%的海域尤其是河口、海灣已經受到人類活動的嚴重干擾[2]。海灣生態環境的嚴重惡化目前已成為世界海岸帶面臨的重要災害，對海岸地區的環境與生態亦帶來嚴峻挑戰。海灣生態系統健康評價與恢復正受到國內外的廣泛關注，并成為海洋生態學及海洋管理研究的熱點問題之一[3]。

大亞灣是受高強度人類活動影響的典型海灣，也是我國亞熱帶海洋生物種質資源庫和華南沿海重要的漁業水域[4- 6]。20世紀80年代后期，大亞灣進入了經濟發展的開發期，人類活動變得異常頻繁，特別是90年代以來的核電工業建設以及近年來以中海殼牌石化項目為龍頭的大亞灣石化工業區建設等。中海殼牌石油化工有限公司于2000年在廣東省惠州市大亞灣經濟技術開發區建設并運營其石化聯合工廠，石化區污水實行管道深海排放，排污口距離惠東國家海龜自然保護區約6 km，排污管道在2006年中海殼牌投產前已建成，一直使用至今，排海石化污水的污染物主要有：COD、石油類、重金屬、硫化物、氨氮等[7]。整個石化區廢水實際排海量約為920×104m3/a。隨著中海油二期等項目的建成投產，可以預見其巨大的排污量必將對區域生態系統造成巨大壓力，嚴重影響生態系統服務功能。因此，對石化排污海域生態系統進行健康評價，具有十分重要的意義。以2011—2012年海洋生態調查數據為基礎，構建了符合石化排污自身特征的指標體系，并利用生態系統健康模型對大亞灣石化排污海域進行初步定量評價，以期真實、客觀的反映該海域生態系統的現狀及變化趨勢，從而為我國石化排污海域的科學管理提供理論依據。

圖1　大亞灣石化排污區海域生態環境調查站位示意[8]　Fig.1　Ecological environment survey stations of the petrochemical sewage waters in Daya Bay[8]

1材料與方法

1.1站位與樣品采集

2011年8月(豐水期)和2012年1月(枯水期)分別對大亞灣石化排污區海域進行了2個航次的生態調查，站位的布設見圖1。調查海域布設12個站位，其中S9位于排污口中心區，S1—S4、S5—S8是以排污口為中心，分別以2000、1000 m為半徑，與東南西北4個方位的交點，其中半徑1000 m是根據排污點和非自然保護區的相關位置確定。兩個航次調查均采集12個站位的表、底層水樣、浮游植物和浮游動物樣品，2011年8月采集S1、S3、S4、S8—S12站位海底表層沉積物樣品、底棲生物和游泳生物樣品，2012年1月采集S1—S4、S9—S12站位海底表層沉積物樣品、底棲生物和游泳生物樣品。其中，底棲生物生物量和多樣性是由大型底棲生物構成。歷史數據來源中國水產科學研究院南海水產研究所于2006年12月、2007年12月、2010年7月、2011年1月在大亞灣石化排污海域的調查監測數據[8]。樣品的采集、運輸、保存和分析均參照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)和《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)所規定的方法進行。

1.2評價指標體系的構建

根據石化排污海域生態系統的特點，參考Xu等[9- 10]建立的近海生態系統健康評價模型，構建石化排污海域生態系統健康評價指標體系。該體系主要從理化環境、生物群落結構、生態系統功能3大類26個指標構成，分為5個層次，其中A層為目標層，B層為準則層，C—E為指標層(表1)。

D2有機污染指數反映水體受有機污染物污染的程度[11- 12]:

表1　大亞灣石化排污海域生態系統健康評價指標體系及權重系數

E1—E7、E8—E14、E15—E21分別代表重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Hg、As

D3營養水平指數反映水體的營養水平[12]:

式中,E為營養水平指數；CCOD(mg/L)、CIN(μg/L)、CIP(μg/L)分別為化學耗氧量、溶解態無機氮、活性磷酸鹽的實際測量值。

生物多樣性綜合指數Dv反映生態系統的復雜性和穩定性[13]:

Dv=H′×J

式中,H′為Shannon-Weaver多樣性指數，J為均勻度，S為種類總數，Pi為第i種的個體數量(ni)與總個體數(N)的比值。對于底棲生物和游泳生物來說，因每個種的個體相差可能很大，故用生物量(W)來代替個體數[14]：

漁獲物營養級TLC表征海洋食物網結構變化特征[15]:

式中，∑Ci=Ct，Ct為總漁獲量，而Ci是i種類的漁獲量，TLi為i種魚類的營養級。

1.3管理目標的確定

通過管理目標，將海灣生態系統健康評價與生態系統管理的實際緊密結合起來，使健康評價的結果更貼近生態系統管理的實際需要[16]。根據整體性、科學性、簡明性和可操作性原則，確定大亞灣石化排污海域生態系統健康評價指標體系中每一個單項指標因子的管理目標(表2)。管理目標的參照標準值用Sij來表示，即為第i個指標在j點位的參照標準。其中，有機污染指數和營養水平指數標準的確定參考賈曉平等[11- 12]的分級標準，水質指標標準的確定依據《海水水質標準》(GB 3097—1997)第一類標準，沉積物指標標準的確定依據《海洋沉積物質量》(GB 18668—2002)第一類標準，餌料生物和初級生產力指標標準的確定參考賈曉平等[12, 17]、陳清潮等[13]的分級標準。

1.4生態系統健康分指數計算

通過將生態調查數據與參比值(或背景值)相比較，健康評價指標體系的指標層(D層)中各單指標分值通過下述公式計算：

(1)正向指標，即指標的生態效應隨著數值升高而升高，包括浮游植物多樣性綜合指數、浮游動物生物量及其多樣性綜合指數、底棲生物生物量及其多樣性綜合指數、初級生產力。

(2)逆向指標，即指標的生態效應隨著數值的升高而降低，包括有機污染指數、營養水平指數、BOD5、硫化物、石油烴、水體重金屬、沉積物有機碳、沉積物硫化物、沉積物石油烴、沉積物重金屬。

(3)其他指標，即超過一定范圍，指標的生態效應均降低，包括pH和浮游植物生物量。

式中，EHIij為第i個指標在j點位的生態系統健康分指數，Xij為第i個指標在j點位的實測值，Sij為第i個指標在j點位的參照標準。

1.5評價指標權重的確定

通過專家對選取的指標進行判斷，明確各層評價因子的相對重要性及其標度，然后利用層次分析法構造兩兩比較矩陣，再通過Matlab7.0計算確定各個層次評價指標的權重值，并通過一致性檢驗(C.R.<0.1)。各因子相對于上層的權重如表1所示。將各指標因子相對于上一層的權重進行乘積計算即可得到各指標因子相對于A層的權重wi(表2)。

1.6生態系統健康評價綜合指數的計算

式中，EHCI為大亞灣石化排污區海域生態系統健康綜合指數；EHCIj為j點位的生態系統健康綜合指數；EHIij為第i個指標在j點位的生態系統健康分指數；wi為第i個指標通過層次分析法獲得的相對A層的權重。

表2　大亞灣石化排污海域生態系統健康評價管理目標及其權重

由于采樣點水深較淺，表、底層海水指標的權重取相同值

計算得到的生態系統健康綜合指數和分指數，都位于[0，1]區間內。指數值為1說明已達到或優于管理目標，越接近1，表示越接近管理目標，越接近0，表示距離管理目標越遠。根據生態系統健康綜合指數的數值大小，參考李純厚等[3]構建的海灣生態系統健康水平分級評價標準，將石化排污海域生態系統的健康狀態劃分為6個等級(表3)。

表3　大亞灣石化排污海域生態系統健康水平分級評價標準

2結果與討論

2.1大亞灣石化排污海域生態系統健康狀況

根據2011年8月(豐水期)和2012年1月(枯水期)在大亞灣石化排污海域進行生態調查數據(表4)，應用上述方法計算生態系統健康分指數和生態系統健康綜合指數。

表4　2011—2012年大亞灣石化排污海域生態環境狀況

表中序號1—13為表層海水指標，14—26為底層海水指標

豐水期，大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數為0.808，健康狀態為“好”。調查的12個站位中，有5個站位的生態系統健康狀況為“一般”，其他7個站位的生態系統健康狀況為“好”。根據該海域生態系統健康狀況的空間分布(圖2)可知，近岸海域健康狀況要好于遠岸海域。若健康分指數平均值低于0.4，則它對應的健康等級將低于“臨界”水平，會對生態系統的健康造成直接的負面影響，因此將健康分指數平均值低于0.4的指標，確定為影響生態系統健康的主要負面因子。因此，豐水期，影響大亞灣石化排污海域生態系統健康的主要負面因子是底棲生物多樣性綜合指數(D24)，其生態系統健康分指數為0.313。此外，底層海水重金屬Zn(E10)、浮游動物生物量D21和表層海水重金屬Zn(E3)也對該海域生態系統健康存在負面影響，其對應的生態系統健康分指數分別為0.447、0.517和0.558，健康狀態處于“臨界狀態”。

表5　大亞灣石化排污海域生態系統各指標的健康分指數

表中序號1—13為表層海水指標，14—26為底層海水指標

枯水期，大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數為0.767，健康狀態為“一般”。12個調查站位中有8個測站的生態系統健康狀態為“一般”，其他4個站的生態系統健康狀態為“好”。該海域生態系統健康狀況的空間分布如圖3所示，遠岸海域生態系統的健康狀況優于近岸海域，其中西部和西北部海域健康狀況較好，東南部海域健康狀況較差。枯水期，影響大亞灣石化排污海域生態系統健康的主要負面因子是浮游植物多樣性綜合指數(D20)與和底棲生物多樣性綜合指數(D24)，其生態系統健康分指數分別為0.356和0.392，均屬“較差”等級。而浮游動物多樣性綜合指數(D22)、表層海水pH(D1)及初級生產力(C4)屬于“臨界”狀態，對應的生態系統健康分指數分別為0.467、0.505和0.598。

石化排污管道的排污是影響調查海域海水水質的主要污染源[8]。污水由擴散器噴出后，由湍流和剪流引起的被動擴散和海流輸移是形成污染物時空分布的決定因素，而與初始排放條件無關[18]。豐水期降雨量大，有利于污染物的輸移與擴散，因此，近岸海域健康狀況好于遠岸海域(圖2)。水環境的變化必然會導致生物群落的變化，豐水期強烈的降雨對底棲動物的群落多樣性影響較大。小鱗簾蛤(Veremolpamicra)和粗帝汶蛤(Timocleascabra)是評價海域的優勢種，豐水期間水溫的升高促進了這兩個物種的生長，使其數量大幅上升，優勢地位迅速提升，從而導致評價海域的多樣性水平大大降低[19- 20]。枯水期降雨量少，加上大亞灣是半封閉的海灣，海水交換能力差，不利于污染物的輸移與擴散，阻斷了枯水期的上下水層的交換運輸通道，使得萎軟幾內亞藻(Guinardiaflaccida)和柔弱擬菱形藻(Pseudo-nitzschiadelicatissma)等優勢度進一步增加，降低了浮游植物的生物多樣性，從而影響了生態系統的健康[21- 22]。同時，在冬季順時針歐拉余流的作用下[18]，排污口污水向東南輸移，故東南部海域健康狀況較差，而西部海域生態系統健康狀況較好(圖3)。

圖2　豐水期大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數空間分布Fig.2　The spatial distribution for ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay in flood season

圖3　枯水期大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數空間分布Fig.3　The spatial distribution for ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay in dry season

2.2大亞灣石化排污海域生態系統健康狀況的變化趨勢

圖4　大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數變化趨勢　Fig.4　Status of ecosystem health of the petrochemical sewage waters in Daya Bay

根據評價結果(圖4)，大亞灣石化排污管道運營初期(2006年12月)，該海域生態系統健康綜合指數(EHCI)為0.948，健康狀態為“好”，至2012年1月健康狀態為“一般”，大亞灣石化排污海域的生態系統綜合健康指數總體上為遞降趨勢，表明其生態系統健康狀況整體呈下降趨勢，影響其生態系統健康的主要負面因子是底棲生物多樣性綜合指數和浮游植物多樣性綜合指數。

生物多樣性特征對于維持生態系統健康至關重要，它是生態系統抗干擾能力、恢復能力及適應環境變化能力的物質基礎[23- 24]。由于大亞灣是一個半封閉的大型海灣，與外海的水交換較弱，石化排放的污染物更容易對生態系統造成了強烈的沖擊。從石化排放的主要特征污染物來看，石油類、硫化物等均可通過影響光合作用效率、參與DMS的產生和循環的過程等對浮游植物生長、分布和群落結構產生直接效應[25]，尤其是在石化排污集中區域會出現浮游植物多樣性降低，群落趨向小型化[26]。此外，COD，石油類、重金屬、硫化物等污染物對底棲動物的生物多樣性也有明顯的影響[27- 29]。Schlacher等[30]研究表明，原油泄漏對澳大利亞昆士蘭東南部海域底棲動物群落結構產生了嚴重的負面影響。申寶忠等[31]發現黃河三角洲地區的CODCr、NH3-N、石油類和揮發酚等污染物造成底棲動物多樣性降低和個體密度減少。從大亞灣石化污水輸入大亞灣黃毛山—三角洲海域的年通量變化來看，2007年廢水排放量為583.6萬t/a，2011年輸入調查海域的廢水量已達1007.4萬t/a，占大亞灣區廢水總量的58.44%，而石化廢水中含有大量的油類、COD、氨氮、重金屬鹽類，還有一些石化工業產生大量含酸廢水，加上全球酸化的影響，導致2011—2012年的監測結果，與2006—2007年排污管道運營初期相比，海水pH呈現明顯降低趨勢，DIN、Cd以及水體和沉積物中石油烴含量均呈升高趨勢[7]，因而對浮游植物和底棲生物多樣性的脅迫也逐年增加，從而影響了該區域生態系統的健康狀態。本文健康評價也證實了與2006—2007年相比，大亞灣石化排污海域生態系統的健康狀況正向“一般”狀態退化。

3結論

(1)構建了大亞灣石化排污海域生態系統健康評價模型。該模型由理化環境、生物群落結構、生態系統功能等3大類26個指標構成，并首次將游泳生物指標包括在內，完全涵蓋了該區域生態系統的功能組份，其評價結果較以往評價更加全面與準確。

(2)通過綜合健康指數法評估并客觀反映了大亞灣石化排污海域生態系統健康狀況及變化趨勢。結果表明，2011—2012年，大亞灣石化排污海域生態系統健康綜合指數，整體表現為豐水期(0.808)高于枯水期(0.767)，底棲生物和浮游植物多樣性綜合指數是影響該海域生態系統健康的主要負面因子。

(3)通過對比發現，從2006年石化排污管道運營至今，大亞灣石化排污海域的生態系統綜合健康指數總體上為遞降趨勢，表明其生態系統健康狀況整體呈下降趨勢。

(4)海洋生態系統健康是一個理論性與實踐性相結合的復雜概念，目前國內外關于石化排污海域生態系統健康評價的研究尚不多見。因此，在今后的健康評價研究中，應該進一步完善生態系統健康評價指標體系，確保指標體系的全面性和評價標準的客觀性，并開展長期定位監測。

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Ecosystem health assessment of the petrochemical sewage waters in Daya Bay

XU Shannan,CHEN Zuozhi, LIN Lin, XU Jiaojiao, LI Chunhou*

KeyLaboratoryofSouthChinaSeaFisheryResourcesExploitation&Utilization,MinistryofAgriculture,KeyLaboratoryofFisheryEcologyandEnvironment,GuangdongProvince,SouthChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Guangzhou510300,China

Abstract：Using the model of health assessment of a marine coastal ecosystem, we assessed the petrochemical sewage waters in Daya Bay using the ecological survey data of 2011 and 2012. The results showed that the ecosystem health comprehensive index (EHCI) of the petrochemical sewage waters of Daya Bay during the flood season (August 2011) was 0.808, suggesting that the ecosystem health was at a “good” level. Spatial distribution of EHCIs of inshore waters was higher than that of offshore waters, and the comprehensive biodiversity index of benthos was found to be the primary factor that negatively affected ecosystem health. The EHCI of the petrochemical sewage waters in the dry season (January 2012) was 0.767, suggesting that ecosystem health was at a “moderate” level. Spatial distribution of EHCIs of offshore waters was higher than that of inshore waters, and the comprehensive biodiversity indices of phytoplankton and benthos were found to be the primary factors that negatively affected ecosystem health. Compared to 2006 and 2007, health status of the petrochemical sewage waters in Daya Bay was deteriorating and changed from “good” to “moderate”.

Key Words:bay ecosystem; health assessment; indicator system; petrochemical sewage waters; Daya Bay

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(2015CB452904); 公益性行業(農業)科研專項(201403008); 國家自然科學基金項目(31100362); 廣州市科技計劃項目(2014J2200020)

收稿日期:2014- 07- 04;

修訂日期:2015- 03- 18

DOI:10.5846/stxb201407041379

*通訊作者Corresponding author.E-mail: scslch@vip.163.com

徐姍楠，陳作志，林琳，徐嬌嬌，李純厚.大亞灣石化排污海域生態系統健康評價.生態學報,2016,36(5):1421- 1430.

Xu S N,Chen Z Z, Lin L, Xu J J, Li C H.Ecosystem health assessment of the petrochemical sewage waters in Daya Bay.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1421- 1430.