基于模糊綜合評價的桑溝灣增養殖區富營養化水平分析

劉纘延

(威海市海洋與漁業局 威海 264200)

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基于模糊綜合評價的桑溝灣增養殖區富營養化水平分析

劉纘延

(威海市海洋與漁業局 威海 264200)

文章簡要回顧海洋水體富營養化評價方法，探索建立海水養殖區富營養化水平模糊綜合評價模型，并就桑溝灣海水養殖區的化學需氧量、無機氮(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等指標進行了不同時段、不同時空的綜合評價，系統分析綜合評價結果的合理性，與其他富營養化評價方法進行了比較，得出用模糊綜合評價方法取得的結果更有利于指導海水養殖生產的結論。

模糊綜合評價；桑溝灣；富營養化

富營養化是指水體中限制性營養鹽的增加及其引起生態系統的相應變化[11]，水體富營養化是國際社會關注的焦點之一，目前國內外關于水體富營養化的評價尚無統一的標準，而單一的因子分析已不能滿足海水富營養化評價的需要。一些學者利用營養鹽、有機污染物等參數作為評價海域營養指標，提出了營養狀態指數法[1-2]，也有學者提出了富營養化指數法[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化評價方法，已有學者對珠江口、廈門灣、膠州灣、長江口等水域進行了富營養化水平的評價[4-7]。也有學者對淡水漁業水域的水質做了模糊綜合評價[8]，同時還對淡水養殖池塘進行了模糊綜合評價[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。自然環境條件良好，海底平坦，基礎生產力較高，水產資源豐富，近年來灘涂養殖和淺海養殖發展迅速，主要養殖品種是扇貝、牡蠣和海帶，現已經成為世界上規模最大的貝、藻綜合養殖海灣。隨著產業的快速發展，海水富營養化的問題也日漸突出，因此迫切需要對其富營養化水平進行定性評價，以了解其變化趨勢和存在的風險，而目前專門針對于海水增養殖區的綜合評價研究較少。本研究使用模糊綜合評價法，對桑溝灣海域進行富營養化評價，這對掌握桑溝灣海水富營養化水平及發展趨勢、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)對桑溝灣增養殖區進行了3次調查，共布設站位7個(圖1)。調查的指標包括化學需氧量、無機氮(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、運輸、保存與分析均按照海洋監測規范(GB17378-2007)執行。本研究所使用的模糊綜合評價模型中所依據的評價標準為海水水質標準(GB3097-1997)，選取的評價指標為化學需氧量、無機氮(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沒有公認的標準，因此根據歷年黃海北部海域葉綠素a調查數據的平均水平設定(表1)。

圖1 桑溝灣海域調查站位

指標I(貧營養)II(中營養)III(富營養)化學需氧量/(mg·L-1)234無機氮含量/(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：

由于溶解氧的標準與其他指標順序相反，故計算公式改為如下計算：

式中：f為隸屬函數；X為各因子的實測值；i為某評價因子；S為海水標準值；下標1、2、3為對應的海水標準級別。根據以上公式確定模糊矩陣R。

權重主要采用污染因子貢獻率權重，公式如下：

溶解氧的權重計算如下：

然后對Wi進行歸一化處理，得

根據以上計算結果組成模糊向量，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級海水標準值；n為進行評價的因子的個數。

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化等級。

2 結果與討論

2.1 各單項指標時空分布特征

2.1.1 化學需氧量

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

圖2 桑溝灣海水中化學需氧量的時空變化

2.1.2 pH值

桑溝灣增養殖區海水pH值變化見圖3。空間上，pH值呈現灣底高、灣口低的分布特點；時間上，大部分監測站位8月pH值高于5月和10月。總體來看，桑溝灣增養殖區海水pH值變化比較穩定，未出現大的波動。

圖3 桑溝灣海水pH的時空變化

2.1.3 溶解氧

桑溝灣增養殖區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 無機氮

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

圖5 桑溝灣海水中無機氮含量的時空變化

2.1.5 活性磷酸鹽

桑溝灣增養殖區海水中的活性磷酸鹽含量在時間上呈現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

桑溝灣增養殖區葉綠素a顯示出顯著的季節性變化(圖7)。其中，夏季桑溝灣增養殖區葉綠素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 海水富營養化評價

模糊綜合評價處理結果見表2。根據處理結果，桑溝灣增養殖區在春季和秋季的部分站位為Ⅲ級，而在夏季全部監測站位均為Ⅲ級，富營養化趨勢較為嚴重，富營養化風險高。

表2 模糊綜合評價結果

桑溝灣增養殖區在夏季全部為Ⅲ級，這主要是由于夏季較高的營養鹽和葉綠素a導致的。由于夏季桑溝灣浮游植物數量豐富，從而導致海水中葉綠素a含量升高，并遠遠超過其他海灣。究其原因，主要是由于桑溝灣增養殖區的養殖特點決定的，桑溝灣內主要養殖海帶、牡蠣和扇貝等生物，春季是海帶快速生長期，海帶的營養競爭和貝類的濾食可能是造成春季浮游植物數量較低的主要原因，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月海帶已經收獲完畢，海帶的收獲導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消耗，從而導致營養鹽含量處于高位水平，促進浮游植物的生長繁殖，導致葉綠素a含量急劇上升。這與劉慧等[10]對桑溝灣增養殖區浮游植物的研究結果相似。

2.3 與其他富營養化評價方法的比較

本研究另外選取了富營養化指數法進行海水富營養化水平的評價[3]，水質富營養等級劃分標準見表3。

計算公式為：

式中：CCOD為化學需氧量含量；CTN為無機氮含量；CPO4為活性磷酸鹽含量。

表3 水體富營養化評價等級劃分標準

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

表4 重點增養殖區水體富營養等級

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、夏季和秋季均出現了不同程度的富營養化現象；而用富營養化指數法來進行評價，則桑溝灣僅在春季和夏季的部分站位出現輕度富營養化。根據富營養化的定義，富營養化不僅應該包括營養鹽的增加，還應包括生態系統的變化[11]，桑溝灣增養殖區夏季浮游植物生長較快，葉綠素a顯著高于其他季節，富營養化指數公式中不含有生物相關指標，使用富營養化指數法進行富營養化評價，容易夸大營養鹽的作用，而忽視生物要素的作用，因此不適合對增養殖區這樣以生物為核心的海域進行評價。通過使用模糊綜合評價法，可以發現桑溝灣海域富營養化的變化趨勢是夏季富營養化風險高于春秋兩季。這對于合理的水產養殖模式的改進、防止出現赤潮等生物災害具有重要意義。

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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環境監測，電子信箱：whlzy0631@126.com

P7

A

1005-9857(2016)03-0043-05