2008—2017年夏季遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

吳金浩,李 強(qiáng),宋廣軍,張玉鳳,王召會(huì),宋 倫,王志松

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院,遼寧 大連 116023;2.遼寧省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,遼寧 大連 116023)

遼東灣位于渤海北部,地理環(huán)境條件特殊,其周邊有大遼河、雙臺(tái)子河、大凌河、小凌河等多條河流流入,是我國(guó)重要的漁業(yè)水域,春夏季是毛蝦(Aceteschinensis)與海蜇(Rhopilemaesculenta)的產(chǎn)卵、棲息場(chǎng)所,夏秋季是藍(lán)點(diǎn)馬鮫(Scomberomorusniphonius)和三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)等的育肥場(chǎng)所,冬季又是斑海豹(Phocalargha)的產(chǎn)仔棲息場(chǎng)所,其周邊灘涂貝類(lèi)資源豐富。近10 a來(lái)過(guò)度捕撈使得遼東灣漁業(yè)資源日漸衰退,另一方面,伴隨著遼東灣周邊海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的不斷推進(jìn),大量陸源污染物通過(guò)江河、排污口以及地表徑流等方式進(jìn)入遼東灣[1-2],對(duì)該海域漁業(yè)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展十分不利。

遼東灣北部生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)前制約漁業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一,充分認(rèn)識(shí)該海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況顯得尤為重要。根據(jù)2011—2017年遼寧省海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示,遼東灣近岸海域污染仍十分明顯,且污染區(qū)域主要分布在遼東灣北部河口區(qū)[3]。眾多學(xué)者也分別從重金屬、石油類(lèi)、富營(yíng)養(yǎng)化以及生物多樣性指數(shù)等不同方面對(duì)遼東灣開(kāi)展過(guò)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[4-7],但大多數(shù)停留在單一介質(zhì)的污染評(píng)價(jià)階段,從生物學(xué)角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)還沒(méi)有廣泛應(yīng)用[8],此外,利用生物的多樣性指數(shù)對(duì)海洋水質(zhì)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)有時(shí)也會(huì)存在一定差異,在實(shí)際評(píng)價(jià)中單從一種指標(biāo)或指數(shù)結(jié)果就輕易下定論往往導(dǎo)致不夠客觀(guān)、準(zhǔn)確。近年來(lái),世界各國(guó)越來(lái)越重視將物理、化學(xué)、生物各方面因子綜合起來(lái)評(píng)價(jià)海洋環(huán)境與生態(tài)狀況[9-12],由于缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)劃分,這些方法也存在一定局限性,到目前為止尚未形成一套全面、系統(tǒng)、定量的評(píng)價(jià)方法。利用水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)、沉積物化學(xué)指標(biāo)并結(jié)合幾種主要生物指標(biāo)對(duì)遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量開(kāi)展綜合評(píng)價(jià)的研究更鮮有報(bào)道。因此,筆者基于2008—2017年連續(xù)10 a夏季遼東灣北部漁業(yè)水域海水、沉積物以及生物的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立主成分分析評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重模型,對(duì)該海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),適時(shí)掌握生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化發(fā)展規(guī)律,以期為該海域漁業(yè)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展與污染防治提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 調(diào)查與分析

2008—2017年連續(xù)10 a在每年8月份對(duì)遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),共布設(shè)16個(gè)站位,覆蓋遼東灣北部大遼河口、雙臺(tái)子河口以及遼西錦州—葫蘆島等近岸海域,具體站位位置見(jiàn)圖1。

圖1 遼東灣北部監(jiān)測(cè)站位示意圖Fig.1 Bitmap of monitoring station in northern Liaodong Bay

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:無(wú)機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(PO43--P)、化學(xué)耗氧量(COD)、石油類(lèi)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)和砷(As)含量這10個(gè)海水指標(biāo),石油類(lèi)、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量這7個(gè)海洋沉積物指標(biāo)以及葉綠素a、浮游植物和浮游動(dòng)物這3個(gè)海洋生物指標(biāo)。采用有機(jī)玻璃采水器采集表層海水樣品,采用GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》中規(guī)定的方法檢測(cè)海水中各項(xiàng)指標(biāo),其中硝酸鹽(NO3--N)含量采用鋅-鎘還原法,亞硝酸鹽(NO2--N)含量采用萘乙二胺分光光度法,氨氮(NH4+-N)含量采用次溴酸鹽氧化法,活性磷酸鹽(PO43--P)含量采用磷鉬藍(lán)分光光度法檢測(cè),無(wú)機(jī)氮含量為NO3--N、NO2--N、NH4+-N含量之和。COD采用堿性高錳酸堿法,石油類(lèi)采用紫外可見(jiàn)分光光度法,重金屬Cu、Pb、Zn和Cd采用原子吸收法,重金屬Hg和As采用原子熒光法檢測(cè)。采集的樣品于保溫箱內(nèi)低溫保存,當(dāng)天采樣后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

海洋沉積物、生物取樣與水質(zhì)調(diào)查同步開(kāi)展,采用抓斗式采泥器采集表層0～5 cm的沉積物樣品,采用GB 17378.5—2007中規(guī)定的方法檢測(cè)沉積物各項(xiàng)指標(biāo),石油類(lèi)含量采用熒光分光光度法,重金屬Cu、Pb、Zn和Cd含量采用原子吸收法,重金屬Hg和As含量采用原子熒光法檢測(cè)。生物指標(biāo)調(diào)查方法依照GB 17378.6—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》,葉綠素a含量采用熒光分光光度法檢測(cè),浮游動(dòng)物和浮游植物分別使用淺水Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型浮游生物網(wǎng)自底至表垂直拖取,采集到的浮游生物樣品用w=5%甲醛固定保存。樣品處理后分別使用雙目立體解剖鏡和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行種類(lèi)鑒定和數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

1.2 綜合評(píng)價(jià)方法構(gòu)建

1.2.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇與質(zhì)量等級(jí)劃分

將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)分為2級(jí),一級(jí)指標(biāo)為海水水質(zhì)指標(biāo)、海洋沉積物指標(biāo)和生物指標(biāo);二級(jí)指標(biāo)是分別對(duì)以上3種一級(jí)指標(biāo)的細(xì)化,其中海水水質(zhì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為DIN、PO43--P、COD、石油類(lèi)、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量,海洋沉積物選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為石油類(lèi)、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量,數(shù)據(jù)選用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

Xi=Ci/Ci0。

(1)

式(1)中，Xi為某污染因子無(wú)量綱化的指標(biāo)值;Ci為某污染因子的實(shí)測(cè)值;Ci0為某污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值。水質(zhì)指標(biāo)采用海水水質(zhì)一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[13],沉積物指標(biāo)采用海洋沉積物一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

生物選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括葉綠素a、浮游植物和浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)。葉綠素a含量的高低可作為判別水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的指標(biāo)。一般認(rèn)為,ρ(葉綠素a)為1～10 μg·L-1可作為富營(yíng)養(yǎng)化的閾值[15],當(dāng)ρ(葉綠素a)>10 μg·L-1時(shí)海水呈富營(yíng)養(yǎng)化,4 μg·L-1<ρ(葉綠素a)≤10 μg·L-1時(shí)海水呈中營(yíng)養(yǎng)化,ρ(葉綠素a)≤4 μg·L-1時(shí)海水呈貧營(yíng)養(yǎng)化[16]。該研究將葉綠素a指數(shù)以1.0為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

浮游生物多樣性指數(shù)也常用來(lái)評(píng)價(jià)污染程度[17-18],香農(nóng)-威納指數(shù)(H′)計(jì)算公式為

(2)

式(2)中,H′為多樣性指數(shù);Pi為第i種浮游生物的個(gè)體數(shù)與樣品中的總個(gè)數(shù)的比值;S為浮游生物的種類(lèi)數(shù)。當(dāng)H′<1 時(shí)表示水體為重污染;當(dāng)H′=1～2時(shí)表示水體為重中污染;H′=>2～3時(shí)表示水體為輕中污染;當(dāng)H′>3時(shí)表示水體為輕度污染至無(wú)污染[19-21]。

參照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)值、沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)值及文獻(xiàn)[19-21]中有關(guān)生物指標(biāo)污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合遼東灣北部歷史調(diào)查資料,將海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為清潔、輕污染、中污染和重污染4個(gè)級(jí)別(表1)。

表1 遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分Table 1 Classification of comprehensive assessment grades of eco-environment quality of fishery waters in northern Liaodong Bay

1.2.2基于主成分分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重模型

采用主成分分析法對(duì)一、二級(jí)各監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。為保證水質(zhì)指標(biāo)、沉積物指標(biāo)和生物指標(biāo)數(shù)據(jù)趨向與質(zhì)量等級(jí)的一致性,便于將生物指標(biāo)與水質(zhì)和沉積物質(zhì)量綜合指數(shù)耦合,在指標(biāo)權(quán)重模型建立和污染指數(shù)計(jì)算時(shí)將浮游動(dòng)物和浮游植物多樣性指標(biāo)均做取倒數(shù)處理。假設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為X1,X2,…,Xp,采用SPSS 16.0軟件對(duì)進(jìn)行過(guò)無(wú)量綱化處理的2008—2017年遼東灣的歷史樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,得到總方差解釋和因子荷載矩陣。根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率確定主成分F1,F2,…,Fm,各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率分別為υ1,υ2,…,υm,對(duì)應(yīng)的因子荷載系數(shù)矩陣為A=[aij]p×m,其中aij為指標(biāo)Xi在主成分Fj上的荷載系數(shù)。綜合考慮方差貢獻(xiàn)率和因子荷載系數(shù),將矩陣A與向量V=(υ1,υ2,…,υm)τ相乘得到向量E=(ε1,ε2,…,εp)τ,即

(3)

(4)

(5)

將各站位無(wú)量綱化的二級(jí)指標(biāo)值代入式(5),即可求得該站位一級(jí)指標(biāo)的污染指數(shù)值。對(duì)3類(lèi)指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析,分別求得污染指數(shù),再綜合進(jìn)行下一步的主成分分析,確定水質(zhì)、沉積物和生物一級(jí)指標(biāo)的權(quán)系數(shù),算出對(duì)應(yīng)站位的綜合污染指數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

按照1.2.2節(jié)中主成分分析步驟,依據(jù)式(3)～(5)分別計(jì)算2008—2017年度海水水質(zhì)、沉積物以及生物等二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)w,進(jìn)而得到各站位一級(jí)指標(biāo)的污染指數(shù),再對(duì)各站位一級(jí)指標(biāo)污染指數(shù)進(jìn)行主成分分析,得到一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)w和各監(jiān)測(cè)站位綜合污染指數(shù)。權(quán)重系數(shù)w計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Table 2 Weight coefficients of comprehensive assessment index for eco-environment quality of fishery waters in northern Liaodong Bay

基于該研究方法生物一級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)最高為0.419,其次沉積物為0.359,水質(zhì)的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)最低為0.222;水質(zhì)的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)表現(xiàn)為活性磷酸鹽>無(wú)機(jī)氮>銅>砷>化學(xué)需氧量>鉛>鎘>石油類(lèi)>汞>鋅,營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)明顯高于其他類(lèi)別;沉積物的二級(jí)指標(biāo)中油類(lèi)的權(quán)重系數(shù)(0.022)明顯小于其他重金屬類(lèi),而生物的二級(jí)指標(biāo)中葉綠素a和浮游植物的權(quán)重系數(shù)相差不大,但明顯小于浮游動(dòng)物的權(quán)重系數(shù)0.692。

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)的確定

確定綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值對(duì)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)至關(guān)重要。按照表1中有關(guān)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分要求,將水質(zhì)、沉積物1、2、3類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)臨界值進(jìn)行無(wú)量綱化處理,浮游生物多樣性指數(shù)取對(duì)應(yīng)分級(jí)臨界值倒數(shù),再結(jié)合1.2.2節(jié)所述的權(quán)重模型和2.1節(jié)計(jì)算得到的水質(zhì)、沉積物和生物一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)w,即可求得每個(gè)質(zhì)量等級(jí)的綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)計(jì)算分別確定清潔、輕污染、中污染和重污染4個(gè)級(jí)別綜合污染指數(shù)F的區(qū)間范圍:當(dāng)F≤0.772時(shí),為清潔;當(dāng)1.875≥F>0.772時(shí),為輕污染;當(dāng)4.050≥F>1.875時(shí),為中污染;當(dāng)F>4.050時(shí),為重污染。可見(jiàn),綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值是動(dòng)態(tài)變化的,其與研究區(qū)域監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量以及污染等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)均有關(guān)系,因此,采用相同的研究方法進(jìn)行分級(jí)確定臨界值可能會(huì)得到不同的結(jié)果[22]。

2.3 遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)

分別計(jì)算遼東灣2008—2017年各站位生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)值并進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)判定(表3)。結(jié)果表明:生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)F的變化范圍為0.508～3.114,F最小值出現(xiàn)在2009年的錦州近岸海域11號(hào)站位,F最大值出現(xiàn)在2011年大遼河口的2號(hào)站位,F平均值為1.035,所有站位15.6%的F值表現(xiàn)為清潔等級(jí),80.6%的F值表現(xiàn)為輕污染等級(jí),3.8%的F值表現(xiàn)為中污染等級(jí),未出現(xiàn)重污染等級(jí)。由此可見(jiàn),10 a內(nèi)遼東灣絕大部分站位生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表現(xiàn)為輕污染。

3 討論

3.1 基于主成分分析法的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)與其他評(píng)價(jià)方法的比較

主成分分析方法是多元統(tǒng)計(jì)分析的重要手段,在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中已被廣泛應(yīng)用[23-25],其基本思想是利用降維的思路,把多個(gè)反映研究對(duì)象各方面信息、具有相關(guān)性的指標(biāo)利用數(shù)學(xué)正交變換的方法轉(zhuǎn)變成幾個(gè)不相關(guān)的新變量,且新的指標(biāo)體系僅用較少的新變量即可反映原指標(biāo)的大部分信息。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于近岸海域生態(tài)質(zhì)量狀況綜合評(píng)價(jià)的研究主要包括內(nèi)梅羅指數(shù)法、加和平均計(jì)算法、有機(jī)污染法、富營(yíng)養(yǎng)化水平評(píng)價(jià)法以及重金屬污染評(píng)價(jià)法等[26-27],這些方法均是基于不同的介質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),單獨(dú)側(cè)重海水或海洋沉積物,且均未考慮浮游生物多樣性、葉綠素a等生物指標(biāo)的影響;內(nèi)梅羅指數(shù)法過(guò)分強(qiáng)調(diào)極值的作用,加和平均計(jì)算法容易掩蓋個(gè)別超標(biāo)因子的影響,而有機(jī)污染法、富營(yíng)養(yǎng)化水平評(píng)價(jià)法以及重金屬污染評(píng)價(jià)法僅是某些污染要素的綜合體現(xiàn);主成分分析法的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)是基于全部監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析而得到的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系,比較客觀(guān),能夠有效消除不相關(guān)指標(biāo)的影響,從而有針對(duì)性地定量評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)水質(zhì)、沉積物和生物一、二級(jí)指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析,避免了因二級(jí)指標(biāo)數(shù)量不等造成水質(zhì)指標(biāo)實(shí)際權(quán)數(shù)過(guò)大的問(wèn)題,能夠較客觀(guān)、真實(shí)地反映研究海域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與采用上述其他方法的評(píng)價(jià)結(jié)果比較見(jiàn)表4。

表3 2008—2017年遼東灣北部漁業(yè)水域各站位生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)Table 3 Comprehensive pollution index of eco-environmental quality of monitoring stations in northern Liaodong Bay from 2008 to 2017

表4 該研究與其他綜合評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果比較[4，26]Table 4 Comparison of evaluation results between this study and other comprehensive evaluation methods

采用不同評(píng)價(jià)方法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果不同,加和平均計(jì)算法與內(nèi)梅羅法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示遼東灣北部海域污染較為嚴(yán)重,有機(jī)污染法和富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)法顯示該海域受氮、磷污染較為嚴(yán)重,且這幾種方法各年度污染指數(shù)或判定等級(jí)波動(dòng)較大。該研究的評(píng)價(jià)綜合了海水水質(zhì)、海洋沉積物與生物指標(biāo),評(píng)價(jià)更全面,且各年度污染指數(shù)變化具有連續(xù)性,更能夠真實(shí)、客觀(guān)地反映研究海域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

3.2 遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)分布特征

基于主成分分析法,2008—2017年遼東灣北部各調(diào)查站位生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)年平均值散點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。1～16號(hào)站位綜合污染指數(shù)年平均值范圍為0.900～1.277,平均值為1.035。整體來(lái)看,遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為輕污染,其中綜合污染指數(shù)較高的區(qū)域主要集中在大遼河口4號(hào)站位、遼東灣東北部營(yíng)口近岸2號(hào)站位、錦州灣灣口12號(hào)站位以及錦州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)近岸11號(hào)站位;而雙臺(tái)子河口兩側(cè)近岸各站位綜合污染指數(shù)較低,研究區(qū)域整體呈現(xiàn)東西兩側(cè)污染高,中部低,南部外海略高,北部河口略低的特點(diǎn)。當(dāng)前,遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況與萊州灣、珠江口等區(qū)域類(lèi)似,明顯好于長(zhǎng)江口等污染較重的區(qū)域[22,28]。

圖中數(shù)據(jù)為各站點(diǎn)綜合污染指數(shù)年平均值。

3.3 遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)年度變化

基于主成分分析法,遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)年度變化見(jiàn)圖3,其變化范圍為0.755～1.585,平均值為1.035。2011年該區(qū)域綜合污染指數(shù)最高,質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為輕污染；2016年最低,質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為清潔。2008年遼東灣1、6、7號(hào)站位的綜合污染指數(shù)小于0.772,質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為清潔,其余站位均為輕污染;2009年質(zhì)量等級(jí)為清潔的站位擴(kuò)大到4個(gè),分別為1、8、11和12號(hào),但綜合污染指數(shù)較2008年略有增加,并且出現(xiàn)1個(gè)中污染的站位(5號(hào));2010年各站位綜合污染指數(shù)又進(jìn)一步增大,全部站位均表現(xiàn)為輕污染,而2011年研究區(qū)域綜合污染指數(shù)達(dá)到最高,其中有4個(gè)站位質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為中污染,其余站位也均表現(xiàn)為輕污染。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,該年度遼東灣海水中活性磷酸鹽、重金屬Pb、沉積物中Cu、Zn、Cd以及葉綠素a等指標(biāo)含量明顯高于其他年份;自2012年起該區(qū)域綜合污染指數(shù)開(kāi)始大幅下降,2013年與2012年相差不大,均表現(xiàn)為輕污染。

圖3 遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)年度變化曲線(xiàn)Fig.3 Annual change of integrated pollution index of fishery waters in northern Liaodong Bay

2014—2016年研究區(qū)域綜合污染指數(shù)逐年下降,質(zhì)量等級(jí)為清潔的站位逐年增加,2016年56.3%的站位質(zhì)量等級(jí)為清潔,2017年遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量又有所變差,僅3個(gè)站位表現(xiàn)為清潔,整個(gè)區(qū)域表現(xiàn)為輕污染。連續(xù)10 a遼東灣160個(gè)站次的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,15.0%的站次表現(xiàn)為清潔,81.2%的站次表現(xiàn)為輕污染,3.8%的站次表現(xiàn)為中污染,遼東灣漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況仍然不容樂(lè)觀(guān)。近10 a來(lái),遼東灣北部?jī)H2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為清潔,絕大多數(shù)年份表現(xiàn)為輕度污染。整體來(lái)看,遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)總體保持穩(wěn)定,但呈現(xiàn)略有好轉(zhuǎn)、逐年改善的趨勢(shì),這與2011—2017年遼寧省海洋環(huán)境狀況公報(bào)的結(jié)論基本一致[3],同時(shí)也彰顯了2012年以來(lái)遼寧省政府加大對(duì)遼東灣北部大遼河流域污染治理投入的重要成果[29]。

3.4 遼東灣北部漁業(yè)水域不同區(qū)域污染差異及主要污染因子貢獻(xiàn)

由圖2可知,遼東灣北部不同區(qū)域綜合污染指數(shù)存在明顯差異,分別將各站位連續(xù)10 a的水質(zhì)、沉積物、生物等一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)取平均值,采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果表明遼東灣北部16個(gè)站位可分為第4類(lèi),1和4號(hào)站位可歸為第1類(lèi),5～10號(hào)站位可歸為第2類(lèi),11和12號(hào)站位可歸為第3類(lèi),其余站位可歸為第4類(lèi)(圖4)。

圖4 遼東灣站位聚類(lèi)樹(shù)形圖Fig.4 Cluster tree diagram of stations in Liaodong Bay

不同聚類(lèi)區(qū)域綜合污染指數(shù)各不相同,其污染也具有各自特點(diǎn)。水質(zhì)、沉積物以及生物指標(biāo)對(duì)綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表5。第1類(lèi)區(qū)域1和4號(hào)站位位于大遼河口附近,而大遼河是遼東灣污染物主要輸入河流,其廢水廢物的攜帶量也位居全省河流之首,主要污染物包括COD、無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷等[30],富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重,赤潮發(fā)生幾率較高[31]。10 a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,該區(qū)域ρ(葉綠素a)平均值為8.15 μg·L-1,在4個(gè)區(qū)域中最大,浮游生物多樣性指數(shù)也較高。生物指標(biāo)對(duì)于綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)率在4類(lèi)區(qū)域中最大,為66.9%;沉積物的貢獻(xiàn)率最小,為15.8%。第2類(lèi)區(qū)域的站位主要位于雙臺(tái)子河口至錦州方向,綜合污染指數(shù)偏低,但該區(qū)域受河流輸入影響,海水中無(wú)機(jī)氮含量偏高,水質(zhì)指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)率為25.9%,明顯高于其他3類(lèi)區(qū)域,但河口區(qū)海淡水混合作用較強(qiáng),泥沙懸浮物含量較高,不太適宜葉綠素a、浮游生物生長(zhǎng),因此其生物指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)率在4類(lèi)區(qū)域中最小。第3類(lèi)區(qū)域的2個(gè)站位位于遼西葫蘆島、錦州近岸區(qū)域,緊鄰錦州灣,該區(qū)域受葫蘆島鋅廠(chǎng)排污以及五里河沿岸匯集數(shù)家工廠(chǎng)排污影響,其環(huán)境特征為沉積物中重金屬污染嚴(yán)重[32-34],調(diào)查數(shù)據(jù)也表明沉積物中重金屬Zn、Cd、Hg等含量普遍偏高,導(dǎo)致沉積物指標(biāo)對(duì)綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)率為24.3%,明顯高于其他3類(lèi)區(qū)域。第4類(lèi)區(qū)域分布范圍更廣,水質(zhì)、沉積物、生物指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率介于其他3類(lèi)之間,1、13、14、15和16號(hào)站位遠(yuǎn)離河口和近岸,水質(zhì)、沉積物污染較輕,但營(yíng)養(yǎng)鹽較為豐富,葉綠素a、浮游植物、浮游動(dòng)物等適宜繁殖生長(zhǎng),因此,生物指標(biāo)對(duì)綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)較高。

表5 遼東灣北部漁業(yè)水域不同區(qū)域一級(jí)指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率Table 5 Pollution contribution rate of the first level indicators in different regions of northern Liaodong Bay

從年度變化上看,2008—2017年水質(zhì)指標(biāo)年污染貢獻(xiàn)率在9.8%～32.7%之間,沉積物指標(biāo)年污染貢獻(xiàn)率在13.6%～22.4%之間,生物指標(biāo)年污染貢獻(xiàn)率在48.3%～70.2%之間,沉積物指標(biāo)年污染貢獻(xiàn)率比較穩(wěn)定,波動(dòng)較小,而水質(zhì)、生物指標(biāo)更容易受到陸源污染輸入等影響,年污染貢獻(xiàn)率波動(dòng)幅度更大。

整體來(lái)看,遼東灣北部漁業(yè)水域主要受生物指標(biāo)影響,其污染貢獻(xiàn)率平均為60.9%,水質(zhì)和沉積物指標(biāo)貢獻(xiàn)率相差不大,分別為19.5%和19.7%;進(jìn)一步分析得出,二級(jí)指標(biāo)中污染貢獻(xiàn)率高于3%的指標(biāo)為葉綠素a(42.1%)、浮游動(dòng)物(13.4%)、海水無(wú)機(jī)氮(13.3%)、沉積物Cd(5.6%)、沉積物Cu(5.0%)、沉積物Zn(3.4%)、海水活性磷酸鹽(3.4%)。盡管近幾年遼寧省政府不斷加大遼河治理與環(huán)境保護(hù)的力度,遼東灣北部污染得到了較大幅度的改善,但水質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽、沉積物重金屬Cd、Cu、Zn、葉綠素a以及浮游動(dòng)物含量等指標(biāo)仍為遼東灣北部漁業(yè)水域主要污染指標(biāo),還需進(jìn)一步重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)2008—2017年遼東灣北部漁業(yè)水域水質(zhì)、沉積物以及生物等監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析,采用主成分分析法對(duì)各監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),綜合評(píng)價(jià)該漁業(yè)水域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。該研究方法相對(duì)于其他方法評(píng)價(jià)更全面,各年度污染指數(shù)變化具有連續(xù)性,能夠真實(shí)、客觀(guān)地反映遼東灣北部的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。研究結(jié)果表明,遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)處于輕污染,并呈現(xiàn)東西兩側(cè)污染高,中部低,南部外海略高,北部河口略低的特點(diǎn)。

(2)近10 a來(lái),研究區(qū)域僅2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)處于清潔,其他年份表現(xiàn)為輕污染,2011年的綜合污染指數(shù)最高,遼東灣北部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)總體保持穩(wěn)定,并呈現(xiàn)略有好轉(zhuǎn)、逐年改善的趨勢(shì)。

(3)遼東灣北部漁業(yè)水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合污染指數(shù)存在區(qū)域差異,聚類(lèi)分析表明,研究區(qū)域可分為4類(lèi)并呈現(xiàn)各自不同特點(diǎn):第1類(lèi)區(qū)域生物指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率相對(duì)最高,第2類(lèi)區(qū)域集中在雙臺(tái)子河口,水質(zhì)污染明顯,第3類(lèi)區(qū)域沉積物重金屬污染特征顯著,第4類(lèi)區(qū)域分布范圍更廣,污染程度介于其他3類(lèi)之間。遼東灣北部主要受生物指標(biāo)影響,其污染貢獻(xiàn)率為60.9%,水質(zhì)和沉積物指標(biāo)貢獻(xiàn)率相差不大;水質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽、沉積物重金屬Cd、Cu、Zn、葉綠素a以及浮游動(dòng)物含量等指標(biāo)為遼東灣的主要污染指標(biāo),污染貢獻(xiàn)率較大,需重點(diǎn)關(guān)注。