長島北四島海洋牧場海域環境適宜性分析

張朋朋,胡蕾，王小丹，唐榮慧，劉楠，吳治國，張一，雷雁翔*

(1.山東省物化探勘查院，山東省地質勘查工程技術研究中心，山東 濟南 250013；2.中國石油山東銷售分公司，山東 濟南 250014)

0 引言

海洋是21世紀人類資源獲取的重要戰略要地，但是過度捕撈、圍海造陸、垃圾排放等不良用海方式使得海洋環境不斷惡化、海洋生物資源的數量和質量顯著下降[1-2]。由于這些原因，于20世紀70—80年代提出“海洋牧場”這一概念，其定義為未來漁業的基本技術體系，是海洋生物資源可持續生產生物的系統[1,3]。加快海洋牧場建設是帶動相關產業發展，提高人們生活水平的主要途徑[4]。我國海洋牧場建設已初見成效，目前我國已經建立了86個國際級海洋牧場示范區，各類海洋牧場總數達到233個[1]。

長島所在區域代表我國最典型的溫帶海洋海島復合生態系統[5]。不僅是渤海咽喉、連接膠遼兩大半島的陸橋，更是維持渤海生態系統運轉的關鍵“泵站”和首都圈的海上生態安全屏障[5,6]。然而，海洋牧場建設初期處于自發狀態，海域確權存在散亂、無序的問題，缺少深入的研究與規劃；海洋牧場布局特色尚不明顯，牧場建設類型比較單一，趨同性較強，技術含量相對較低；海洋牧場建設涉及的多學科交叉、融合的研究機制尚未建立，研究團隊和研發平臺力量較弱，對海洋牧場系統性的研究較少[3,7-10]。為此，在長島北四島海洋牧場規劃區內布設101個表層沉積物取樣點位和102個海水樣取樣點位(圖1)，通過沉積環境分析和相關樣品測試，對表層沉積物粒徑結構，類型和表層樣、海水樣中重金屬、總氮、總磷等濃度變化情況進行分析，掌握長島海洋牧場示范區基本海洋環境地質情況，探討長島北四島海洋牧場規劃區建設的選址適宜性，提出海洋牧場示范區可持續發展建議，為長島北四島海洋牧場建設提供科學依據。

1—表層樣站點圖1 長島北四島海洋牧場海域表層沉積物樣和水樣取樣位置圖

1 地質背景

長島及北四島位于渤海海峽(圖1)，受到斷裂構造、潮流侵蝕及廟島群島切割，地形復雜[11-12]。長島縣諸島北鄰遼東隆起，南連膠東隆起，處于膠遼隆起的接合部位。其中，南部以廟島為中心，呈環狀分布，島間海域似內陸湖泊，月牙形開闊港灣發育。山脊分布大致與島之長軸方向一致，島端多有砂嘴或連島砂壩；北部呈串珠狀分布，似棧橋直伸海峽深處，“C”型海灣發育，凹入島陸，但山脊線大多與島之串連方向不一致，山丘呈肋骨狀、鋸齒狀[11-12]。

長島地層主體包含震旦系淺變質巖系、新近系火成巖和第四系松散沉積物層[13-15]，第四紀沉積物在島嶼上厚度分布隨地形變化，其中，中更新世發育黃土、礫石層和棕紅色古土壤[16-21]；晚更新世發育黃土和礫石層；全新世發育黑壚土、黃土和砂礫層以及海岸帶附近包含貝殼和海洋生物遺骸等現代堆積物。

長島位于中緯度季風區，多年平均氣溫約為11.9℃，月平均最高氣溫24.5℃，月平均最低氣溫-1.6℃；降水多集中在6—9月，年平均降水量557.8mm。9月至翌年3月多偏北風，4—8月多偏南風[5]。波浪以風浪為主，受季風影響，冬季盛行西北浪或北浪，夏季盛行東南浪，平均波高1.0～1.5m。潮流以半日潮為主，流徑基本保持常年不變，底層沿岸流與表層流向基本一致，流速較表層小，流徑也更貼近岸邊，潮流速度一般為0.4～1.5m/s2。

截至2018年，長島累計確權海洋牧場84宗，總面積164km2，擁有國家級海洋牧場3處，省級以上海洋牧場6處(包括國家級海洋牧場3處)，省級休閑海釣場5處，市級休閑漁業基地11處及擬創建海洋牧場示范區10處。長島海洋牧場規劃的整個海域，由南向北，依次劃設6處海洋牧場核心建設區和5處海洋牧場拓展區，海洋牧場規劃海域按發展次序劃分為海洋牧場核心區和拓展區兩塊布局，總面積分別約為378.71km2、338.75km2。

2 材料和方法

調查區位于渤海海峽長島北四島海域，臨近北隍城島、南隍城島、大欽島和小欽島，表層樣和表層海水樣于2020年7月獲得(圖1)。另外，表層樣分別取樣用于粒度和重金屬元素等測試分析；海水樣分裝水樣，用于溶解氧、pH、重金屬和化學需氧量等測試分析。

2.1 表層樣粒度測試

粒度樣品共計101個樣品，樣品平均間距2～4km，由山東省物化探勘查院巖礦測試中心進行測試處理，前處理主要包括樣品經風干后，稱取一定質量樣品，經木錘、木棒等將樣品碾壓至顆粒原始狀態，過2mm尼龍篩后，稱其篩上物的重量即為顆粒粒徑大于2mm的樣品量，篩下樣品繼續使用BT-9300ST激光粒度分布儀進行分析，檢出限為0.1μm。沉積物的分類和定名采用Folk無礫和含礫沉積物分類法。

2.2 表層樣元素分析測試

表層沉積物中元素含量的測試在山東省物化探勘查院巖礦測試中心完成，分析儀器為荷蘭帕納克公司生產的X-射線熒光光譜儀，元素含量測定采用劉明和范德江[22]所采用的測試方法。沉積物樣品在60℃烘24h以上，以保證樣品烘干，然后將烘干的樣品研磨至200目以下以待分析，在上機測試前低溫(60℃)烘24h，以保證樣品的干燥，然后分析測試。分析測試時每11個樣品加入一個標樣。分析結果相對標準偏差均小于5%。

2.3 海水樣元素分析測試

本項目海水樣品102件，海水樣元素含量的測試在山東省物化探勘查院巖礦測試中心完成。分析方案具體如下：①電感耦合等離子體質譜法：Zn、Pb、Cu、Cd、Cr；②氫化物發生-原子熒光光譜法:As、Hg；③玻璃電極法：pH；④分光光度法：石油類；⑤容量法：化學需氧量、溶解氧。分析測試方法遵循《地質礦產實驗室質量管理規范》(DZ/T 0130-2006)[23]、《多目標區域地球化學調查規范(1∶250000)》(DZ/T 0258-2014)[24]、《海洋監測規范 第4部分：海水分析》(GB 17378.4-2007)[25]。

3 結果

3.1 表層沉積物粒度分布特征

根據Folk沉積物命名原則[26]，研究區的海底表層沉積物可以分為7類：msG--泥質砂質礫,gmS--礫質泥質砂,gM--礫質泥,(g)mS--含礫泥質砂,S--砂,zS--粉砂質砂,sZ--砂質粉砂(圖2，表1)，zS--粉砂質砂和sZ砂質粉砂是研究區分布最廣泛的兩種沉積物類型，占研究區海域面積的88%以上(圖3)。各沉積物類型特征描述如下：

msG--泥質砂質礫；gmS--礫質泥質砂；gM--礫質泥；(g)mS--含礫泥質砂；S--砂；zS--粉砂質砂；sZ--砂質粉砂圖2 Folk等(1970)沉積物三角形分類圖

表1 長島北四島海洋牧場海域表層沉積物樣品平均粒度參數表

研究區泥質砂質礫(msG)分布面積最小，主要位于小欽島北部海域，礫石平均含量32.97%，砂平均含量34.87%(表1)；礫質泥質砂(gmS)分布面積較小，主要位于小欽島北部和東部海域，礫石平均含量17.79%，砂平均含量54.65%(表1)；礫質泥(gM)分布面積最小，主要位于小欽島北部和大欽島東部海域，礫石平均含量7.75%(表1)；含礫泥質砂(gmS)分布面積較小，主要位于小欽島周邊、南隍城島和北隍城島北部海域，礫石平均含量4.16%，砂平均含量62.51%(表1)；粉砂質砂(zS)分布面積最廣，主要分布在北四島西部海域的中北部和北四島東部海域，粉砂質砂中砂平均含量為72.39%、粉砂平均含量為20.7%(表1)；砂質粉砂(sZ)分布面積較為集中，主要分布在北四島島嶼周邊和大欽島南部海域，砂質粉砂中粉砂平均含量為55.56%、砂平均含量為29.71%(表1)；砂分布較分散，僅有3站位，主要分布在研究區西北角和南隍城島東部海域，砂平均含量為91.86%。

1—砂質粉砂；2—粉砂質砂；3—砂；4—含礫泥質砂；5—礫質泥；6—礫質泥質砂；7—泥質砂質礫圖3 研究區海底表層樣沉積物類型分布圖

3.2 表層沉積物各指標含量及空間分布特征

研究區表層重金屬沉積物中各指標的含量見表2。表層沉積物各指標含量平均值從大到小的順序排列為Cr>Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg?？傮w來說，除硫化物和Pb外，其余元素變異系數均小于0.6，表明其含量空間波動較小，離散程度較低。

表2 長島北四島海洋牧場海域表層沉積物各化學指標含量

沉積物各指標含量分布圖(圖4)可以看出，沉積物中Cu、Pb、Zn、Hg、Cd、Cr和硫化物這七種元素的分布特征基本相似，高值區與低值區也大致吻合，總體特征是，研究區西北部和東部海域含量最低，大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島和研究區南部海域含量較高，總體上呈現從島嶼和南部海域向兩側減少的趨勢；

As的分布特征為在小欽島西北部含量高，低值出現在小欽島東南部海域(圖4)?？傮w上呈現以四個島嶼的分布線為中心，東側含量較低，而西側含量較高。

3.3 海水各指標含量及空間分布特征

研究區海水中各指標含量見表3。海水中重金屬元素平均值從大到小的順序排列為Cr>Pb>Cd>Zn>Cu>Hg>As。總體來說，所有指標變異系數均小于0.6，表明其含量空間波動較小，離散程度較低。

圖4 長島北四島海洋牧場海域沉積物各化學指標含量分布圖

表3 長島北四島海洋牧場海域海水樣各指標含量表 單位：mg/L，除pH外

如圖5所示，海水中Cd、Cr、Cu和Hg元素這四種元素分布特征基本類似，高值區與低值區也基本類似，高值區集中在研究區西北部和中西部，低值區集中在北四島島嶼走向線附近，整體呈現由島嶼走向線向兩側逐漸增加的趨勢。

圖5 長島北四島海洋牧場海域海水各化學指標含量分布圖

Pb元素高值區位于研究區西北部，低值區覆蓋整個研究區的中部和南部，整體呈現出研究區中部向北部逐漸增加的趨勢。

COD和DO分布特征較類似，低值區集中在大欽島西部和西南部海域、北隍城島周邊海域；而高值區出現位置有所不同，COD高值區出現在研究區中南部海域，DO高值區出現在研究區中北部和東北部海域。

Zn元素高值區集中在大欽島南部和東部海域，低值區出現在研究區西北部、東部和東北部海域，整體呈現出含量分布不均勻，高值區和低值區較分散。

4 討論

4.1 表層沉積物質量評價

4.1.1 單因子污染指數法評價

海底沉積物環境質量評價的基礎是底質沉積物，本次評價主要依據沉積物評價指標，選擇沉積物重金屬含量分布為主參數評價生態危害，以沉積物粒度參數為輔助指標。為了有效地突出各污染指標的特點，全面、客觀、真實地反映特定區域內各因子的變化情況，我們選用單因子污染指數法進行底質環境質量評價。

采用《海洋沉積物質量標準》(GB18668—2002)[27]規定的各類沉積物質量標準對長島北四島海域表層沉積物進行評價。單因子評價指標包括Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As、Cr、硫化物和石油類。

單因子評價結果表明，表層沉積物中Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、硫化物和石油類都符合《海洋沉積物質量標準》(GB18668—2002)[27]規定的第一類標準，屬于清潔沉積物。

4.1.2 富集系數法評價

在發展過程中，公司也在不斷壯大。但是服務行業基本上都是人工操作環節，只要涉及人工操作，就沒有完全挑不出問題的服務。家道家政同樣陷入了這個怪圈，凡是技術好、態度好的金牌員工，客戶滿意度高，但也是公司最難留住的人，客戶會想方設法誘惑員工簽私單，從而造成人員流失；而滿意度不高的客戶，工資水平低，且派工成單率低，更易造成脫崗期間的企業補貼，一度紅紅火火每年數百萬產值的“蓋面菜”業務，結果實際測算利潤幾乎為零。這是一個行業的困局。

富集系數是評價通過人類活動對沉積物中重金屬富集程度變化的重要參數[28]。

富集系數的含義是將沉積物中重金屬元素含量與地質環境背景中重金屬元素含量進行對比，從而判斷表層沉積物的污染情況[29],Sutherland[30]提出用富集系數來劃分重金屬對土壤介質的污染程度，整體上把重金屬富集劃分為6個等級：

從長島北四島海域表層重金屬的污染指數來看(表4)，Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的污染指數均值較低，重金屬污染指數由高到低依次為Cd、Pb、As、Cr、Zn、Cu和Hg。研究區各重金屬富集系數均<1，處于低度污染水平。

表4 研究區沉積物富集指數

4.1.3 潛在生態危害指數法評價

瑞典科學家Hakanson[31]提出的潛在生態危害指數法進行重金屬生態危害評價，該方法利用沉積物中重金屬相對于工業化以前沉積物的最高濃度背景值的污染程度及相應重金屬的生態毒性系數進行加權求和，得到生態危害指數，特點在于從重金屬的生物毒性角度出發，不僅反映了某一特定環境中的每種污染物的影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響，并且用定量的方法劃分出潛在生態危害的程度[32-34]。

表5 研究區沉積物潛在生態危害系數

4.2 表層海水質量評價

4.2.1 水質分類評價

對長島北四島海域海水中Hg、As、Cu、Zn、COD、DO、pH、Pb、Cr、Cd和石油類進行評價，單因子評價結果表明，海水中As、Cu、Zn、COD、DO、pH、Pb、Cr、Cd和石油類都符合《海水水質標準》(GB3097—1997)[35]規定的第一類標準，屬于適用于水產養殖區、海上自然保護區和珍惜瀕危海洋生物保護區。然而，21個站位(HB001、HB004、HB009、HB012、HB025、HB026、HB031、HB033、HB040、HB042-HB044、HB046、HB053-HB056、HB058、HB061、HB071、HB076)的Hg受到污染，略高于第一類標準，滿足第二類標準，主要位于研究區西北部、西中部和東北部海域，適用于水產養殖區、海水浴場、人體直接接觸海水的海上運動或娛樂區，以及與人類食用直接有關的工業用水區。

4.2.2 單因子污染指數法評價

采用單因子污染指數法(Pi)評價長島北四島海域表層海水中重金屬的污染狀況，參考賈曉平[36]的海水污染狀況等級劃分，并以《海水水質標準》的一類海水水質標準作為評價標準。

從表層海水各元素單因子污染指數來看(表6)，Hg、Cu和Zn處于較清潔范圍，As、COD、石油類、Pb、Cr和Cd處于自然本底范圍。Pi值由高至低依次為Hg、Zn、Cu、Pb、Cd、Cr。

表6 各元素單因子污染指數

研究區海水水質僅Hg元素略高于國家一類標準，其余指標均符合國家一類水質標準，水質清潔，海水透明度好，營養鹽含量豐富，適應各類海洋生物生長，具備建設海洋牧場的水質環境。

5 結論與建議

(1)長島北四島海域沉積物由泥質砂質礫、礫質泥質砂、礫質泥、含礫泥質砂、砂、粉砂質砂、砂質粉砂組成，平均粒徑介于2.44～5.44Ф。

(2)海底沉積物含量平均值順序為Cr>硫化物>Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，重金屬含量均符合國家一類標準，處于低度污染水平和低度生態危害分級，具備建設海洋牧場的底質環境。

(3)海水各指標含量平均值順序為Cr>Pb>Cd>磷酸鹽>Zn>Cu>Hg>As，僅個別位于島嶼附近站位的Hg元素略高于第一類標準，其余指標均符合國家一類標準，處于較清潔和自然本底的環境中，具備建設海洋牧場的水質環境。

(4)長島北四島島嶼周邊海底沉積物和海水各指標相對于周邊較高，需時刻關注人類排污對海底沉積物和海水的影響。