孫迎飛，朱勤東

[1.數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350002；2.福州大學數字中國研究院(福建)，福建 福州 350002]

近岸海域是海洋和陸地生態(tài)交匯區(qū)，生物數量種類豐富，生態(tài)環(huán)境多樣，也是人類社會活動聚集地。隨著人們對海洋資源開發(fā)和利用漸趨頻繁，對海洋生態(tài)健康造成了巨大威脅，需要合理的生態(tài)質量評價方法為海洋生態(tài)監(jiān)督、管理與規(guī)劃提供理論依據。

底棲生物由于運動能力較弱、生存活動范圍較小、能敏感地對環(huán)境狀態(tài)進行響應，因此被生態(tài)學者用作為客觀反映人為干擾造成的環(huán)境質量變化的指示生物[1]。歐盟頒布的“水框架指令”(WFD)要求各成員國的近岸海域生態(tài)環(huán)境質量評價必須建立在生物評價的基礎上，而且必須包含底棲生物[2]。底棲生物指數在海洋環(huán)境監(jiān)測中已被廣泛應用，根據指數特征主要可分以下幾類：1)基于生物數量特征的指數，包含Shannon-Weaver多樣性指數H′、ABC曲線、MPI指數等；2)基于底棲生物生態(tài)學敏感度分類原理的指數，如海洋生物指數BI、AMBI指數(AZTI’s Marine Biotic Index)、Bentix指數[3]等；3)綜合多種生物特征指標的指數，包括M-AMBI指數(Multivariate AMBI)、底棲生物完整性指數B-IBI[4]。

AMBI和M-AMBI指數法已被廣泛應用于歐洲和美洲等海域評價底棲生態(tài)環(huán)境擾動情況[5-6]，國內學者也將其應用于廈門灣、長江口等近岸海域[7-9]。目前，對于興化灣底棲生物評價的研究中[10-12]多從生物數量特征指數切入，關于其淺海底棲生物敏感度指數研究未有先例。另外，國內的生態(tài)敏感度指數應用研究多是對單時段站點數據的數值分析，對生態(tài)敏感度指數的時空分布特征研究較少。本文以興化灣2016年潮下帶大型底棲生物調查數據為基礎，利用生物多樣性指數H′、基于底棲生物生態(tài)學敏感度原理的AMBI指數和融合多指標的M-AMBI指數對興化灣底棲生態(tài)進行評價，采用GIS方法對其實現空間可視化，分析興化灣海域底棲環(huán)境質量狀態(tài)的時空分布，將AMBI和M-AMBI與我國常用的H′指數比較，并結合數量特征和環(huán)境因子關聯(lián)度等分析各評價指數應用在興化灣的合理性與適用性，為興化灣的生態(tài)監(jiān)測與管理規(guī)劃提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 調查海域和數據來源

興化灣位于福建中部偏南的莆田東部，灣頂有木蘭溪等河流注入，灣口朝向東南，出南日群島經興化水道和南日水道與臺灣海峽相通。為便于區(qū)域研究，這里以石城島和沙浦鎮(zhèn)的虎頭山連線為界，將興化灣海域劃分為西部的興化內灣和東部的南日島海域。目前興化灣的開發(fā)利用主要分布在興化內灣南岸的北高石城、西部的江口和江陰島附近的工業(yè)港區(qū)，以及內灣北岸和南日島附近海域的水產養(yǎng)殖區(qū)。

2016年春季(3月底)和秋季(10月底)，對興化灣海域(包括南日島海域)進行大型底棲生物調查，共獲得了春季49個站點、秋季48個站點的數據，其中XH9站點只在春季有調查數據(如圖1)。非生物調查數據包括同期春季的沉積物調查和春秋兩次水質調查(其中水質調查以10 m為區(qū)間分層進行，不足10 m只調查表層，由于興化灣內灣海域水深多為10 m以內，為取得較為全面的研究數據，本研究水質因子數值取各層調查均值)，以上數據來源于福建省水產研究所。

1.2 底棲生物指數計算

1.2.1 相對重要性指數(IRI)

Fi為第i種生物在樣方中出現的頻率，ni、wi分別為第i種物種的個體數和生物量；N、W分別為物種的總個體數和總生物量。

1.2.2 Shannon-Weaver多樣性指數(H′)

pi為第i種的個體數量ni與樣品總數量N的比值，S為樣點總物種數。

1.2.3 底棲生物指數AMBI和M-AMBI

AMBI(AZTI’s Marine Biotic Index)指數方法由Borja等在生態(tài)模型BI的5個生態(tài)群落豐度比例(EG)基礎上提出的。該方法將底棲生物分為5個群組，生物根據環(huán)境敏感度由高到低對應聚集于無污染、輕微失衡、顯著失衡的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)[13]。

M-AMBI(Multivariate AMBI)是Muxika等[14]利用因子分析等方法融合了AMBI、H′指數以及物種豐度計算出的多變量統(tǒng)計指數。M-AMBI指數的應用需要確定AMBI、H′和物種豐度的參考基準值，各因子參考基準值通常采用它們歷史監(jiān)測數據的最大值或最小值[8，15]。本文以福建海洋環(huán)境公報對興化灣的歷史評價為參照，認為研究海域已經受到了一定程度擾動，因此無擾動環(huán)境參照狀態(tài)的物種數和多樣性指數取其實際數據最大值的基礎上增加15%，AMBI取最小值；惡劣環(huán)境質量參照狀態(tài)AMBI取6.0，物種數和多樣性指數參照取0。

AMBI和M-AMBI指數可通過AZTI中心網站的AMBI 5.0軟件包計算，截至2019年5月，AZTI的生態(tài)等級列表中已收錄9 251種底棲生物。本文先將物種名錄經由WORMS進行物種名校驗，然后與AMBI生態(tài)分組目錄的物種進行對照修正異名同種物種、科學表達更替的物種、刪除底棲脊椎生物類群；最后利用生態(tài)分組列表進行物種的生態(tài)組別鑒定；仍未能進行生態(tài)分組的記為未定種(N.A.)。在某些情況下，可以根據本地的生物研究專家的指示來更改特定物種的EG分組[16]，根據林和山等在廈門五緣灣的底棲生物研究將目錄中未被分組的華麗角海蛹(Ophelinagrandis)歸為EG I組別[9]。

1.2.4 底棲生物指數評價標準

根據國內外海洋生態(tài)評價科學家的研究確定各指數的評價標準[3，17-18]，與歐洲水框架指令(WFD)中把底棲生物群落分類為5個生態(tài)質量級別對應，H′、AMBI和M-AMBI指數與環(huán)境質量之間建立的等級對應關系如表1。

表1 H′、AMBI和M-AMBI指數的評價分級標準

1.3 數據分析

數據預處理用Oracle和Excel完成，用SPSS的雙側顯著Pearson相關性分析研究各底棲生物指數與環(huán)境之間的關聯(lián)性?？臻g分布圖和等值線圖使用ArcMap 10.2和Suffer 13.0繪制，插值方法為克里格插值法。根據不同指標間通過指數的對應環(huán)境質量標準(表1)為參照進行時空分布差異性和變化程度的比較。適用性評價通過分析各底棲生物指數之間以及與環(huán)境因子之間的相關性程度進行，此外各指數的自身梯度性、在不同季節(jié)評價穩(wěn)定性也是重要的依據。

2 結果與討論

2.1 群落結構特征

2016年春秋兩季大型底棲生物調查數據共鑒定有161種，春季共有93種，其中主要有環(huán)節(jié)動物多毛類57種、軟體動物18種、節(jié)肢動物13種、其他生物5種；在秋季共有88種，其中按門類分有環(huán)節(jié)動物多毛類47種、節(jié)肢動物16種、軟體動物10種、其他生物15種。春秋物種類總數變化不大，但其中只有20種大型底棲生物在春秋兩季都出現過，物種類別季節(jié)更替指數為87.6%，物種類別季節(jié)性變更明顯。

用IRI指數分析灣區(qū)大型底棲生物優(yōu)勢種，列出IRI>100的物種如表2所示，春季優(yōu)勢種多為環(huán)節(jié)動物多毛類、節(jié)肢動物，物種表現為個體小、數量多，敏感種和機會物種混合。秋季優(yōu)勢種出現了棘皮動物，較春季個體重量增大數量減少，敏感種所占比例增加，特別是EG I類物種。

表2 大型底棲生物優(yōu)勢種的IRI指數

2.2 生物密度和生物量時空分布

春季平均生物密度為(183±80)ind/m2，高值區(qū)主要集中在南日島北部近岸海域，最大值在XH46站點為425 ind/m2。秋季平均生物密度為(58±45)ind/m2，高值區(qū)在南日島東部和興化內灣北側的海域，XH59站點為最高值180 ind/m2(如圖2)。春季平均生物量為(10.8±7.0)g/m2，最大值位于XH15站點，生物量為28.7 g/m2。秋季平均生物量(8.4±14.3)g/m2，生物量高值區(qū)主要在興化內灣西部、北部和南日島東部(圖3)。

2.3 大型底棲生物生態(tài)分組

興化灣海域2016年春秋兩季共鑒定出161種大型底棲生物，可分組的有145種，其中32種通過歸屬原則和已有研究資料可以找到相應生態(tài)組別，16種未能確定生態(tài)組別。除了春季調查站點中的XH36、XH42和XH68站點未分組物種比例分別為27.3%、23.1%，22.2%，按照AMBI指數計算原則評價結果需要進行謹慎判斷外，其他站點均符合未分組物種比例在20%以下的要求，可以使用AMBI和M-AMBI指數進行分析。春季和秋季各站點H′、AMBI和M-AMBI指數值如表3所示。

表3 春季和秋季各站點H′、AMBI和M-AMBI指數值

續(xù)表3

2.4 H′、AMBI和M-AMBI指數時空分布

興化灣春季的生物多樣性指數H′在2.28～3.70之間，均值為(3.19±0.37)；秋季在0～3.88之間，均值為(2.03±1.04)。根據各底棲生物指數和環(huán)境狀態(tài)等級表1對指數H′的評價顯示，春季39個站點底棲生態(tài)環(huán)境質量處于輕度污染狀態(tài)，10個站點處于中度污染狀態(tài)。秋季9個站點為輕度污染，15個站點為中等污染，15個站點為重度污染，9個站點為嚴重污染，環(huán)境質量整體處于中度與重度污染狀態(tài)。由H′指數空間分布圖(圖4)可知，H′指數秋季較春季降低明顯，分布趨勢具有一致性，興化內灣中部和北部海域、南日島南部和興化水道附近始終是低值區(qū)；而在局部地區(qū)如興化內灣西部三江口和南日水道附近，出現了新的低值區(qū)。

春季的AMBI指數介于0.75～3.75之間，均值為(1.99±0.66)；秋季介于0.19～7.00之間，均值為(1.53±0.71)。春季AMBI指數底棲環(huán)境評價顯示，3個站點為無擾動狀態(tài)，42個站點為輕度擾動，4個站點為中度擾動，整體處于輕度擾動。秋季12個站點為無擾動狀態(tài)，30個站點為輕度擾動，2個站點為中度擾動，4個站點(未采集到物種)為極端擾動，秋季整體處于輕度擾動狀態(tài)。其評價低值區(qū)主要集中在興化內灣南部灣口、南日島南部和興化水道附近，除了少數因底質原因未采集到物種的站點外，AMBI環(huán)境評價秋季較春季有所提高。

春季的M-AMBI指數的范圍為0.45～0.88，均值為(0.69±0.09)；秋季介于0～0.82之間，均值為(0.49±0.20)。春季M-AMBI的底棲環(huán)境評價結果顯示，為高等的有9個站點，為優(yōu)良的有36個站點，為一般的有4個站點，整體環(huán)境為良好狀態(tài)。秋季評價結果顯示，高等的有2個站點，良好的有18個站點，一般的有20個站點，較差的有4個站點，惡劣的有4個站點，整體環(huán)境為一般狀態(tài)。

2.5 底棲生物指數與環(huán)境因子間關系

參照海洋沉積物質量標準(GB 18668—2002)，沉積物中重金屬、有機碳、石油類、硫化物都達到國家一類標準。參照海水水質標準(GB 3097—1997)，海水中的重金屬、溶解氧、化學需氧量、硫化物、石油類均達到國家一級標準。只有無機氮、活性磷酸鹽在大多數站點為超標狀態(tài)，其春季超過二類水質標準的站點比例分別為87%和67%，秋季分別為81%和79%，是興化海域水質污染的主要因素。

對春季3種底棲生物指數與環(huán)境沉積物、水質因子指數進行相關性分析，當研究全部49個站點時，只有H′指數與沉積物中的有機碳、鋅顯著正相關(P<0.05)；M-AMBI指數和沉積物中的鋅顯著正相關(P<0.05)；三種指數與海水中的石油類都有顯著相關性。當對春季富營養(yǎng)化較明顯的興化內灣的20個站點進行分析時，有顯著相關性的指標如表4所示。

秋季未采集到生物的4個站點底質呈現為粗砂和巖石與整個研究區(qū)泥沙底質不同，可以認為底質是其采集不到生物的主要因素，對其余44個站點的底棲生物指數與水質環(huán)境因子進行相關性分析，有顯著相關性的因子如表5所示。

表4 春季興化灣各底棲生物指數和環(huán)境因子相關性分析

表5 秋季興化灣各底棲生物指數和環(huán)境因子相關性分析

相關性分析顯示，AMBI和各環(huán)境因子在兩個季節(jié)均無顯著相關性，而H′和M-AMBI則在春季的興化內灣和秋季的整個興化灣海域與水質的主要超標因子無機氮和活性磷酸鹽有明顯相關關系，值得注意的是氮、富營養(yǎng)化指數在春季和各生物因子為正相關關系，而秋季為負相關，這可能因為春季是亞熱帶海域生物快速繁殖增長期，此外氮、磷元素極大地促進浮游植物的生長，為生態(tài)系統(tǒng)輸入更多能量，使大型底棲生物獲得充足的食物，間接地促進了其生長繁殖，具體規(guī)律需要更多數據進行探討。此外，各底棲生物指數只與水質沉積物中的少部分重金屬有顯著相關性，其原因可能是它們含量都較低，對大型底棲生物影響程度較小，或整體分布沒有明顯差異[3]。

3 討論

3.1 大型底棲生物數量特征的時空變化

興化灣大型底棲生物密度和生物量具有明顯的季節(jié)性變化，春季和秋季生物密度與生物量的空間分布具有相對一致性。在部分地區(qū)出現差異性季節(jié)變化，如興化內灣的西部河口區(qū)域由高值區(qū)變?yōu)榈椭祬^(qū)、興化灣北部漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)海域成為新的高值區(qū)，這可能是受到水產養(yǎng)殖活動和陸源入灣河流季節(jié)變化的影響。已有研究證明海岸工程、污染物排放、人工養(yǎng)殖區(qū)等人為干擾因素對生物密度和生物量的空間分布不均勻性有一定影響[19-20]。

本次調查興化灣大型底棲動物物種數161種，平均生物量9.61 g/m2，平均密度121 ind/m2，年均個體重量0.08 g，多毛類占比55.6%。在興化灣已有研究中，1984—1985年調查鑒定物種數314種，平均密度 162 ind/m2，平均生物量36.60 g/m2，年均個體重量0.23 g，多毛類占比34.7%[10]；2005—2006年鑒定物種數197 種；2013—2014年調查鑒定種數132種，平均密度312 ind/m2，平均生物量39.42 g/m2，年均個體重量0.13 g，多毛類占比43.9%[12]；從各個時期調查結果可以看出，大型底棲生物種類數、生物量有整體降低趨勢，生物個體趨于小型化，多毛類占比不斷增高，可能是因為興化灣多年來進行的圍填海開發(fā)、海洋養(yǎng)殖等活動對研究海域底棲生態(tài)環(huán)境的擾動加劇，程建新等對興化灣的研究也表明其生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力有增加趨勢[21]。與同年寧德海域[22]、羅源灣[23]底棲生物研究相比，平均生物量舟山近岸海域(3.92 g/m2)<興化灣(9.61 g/m2)<羅源灣(23.8 g/m2)<寧德東部海域(51.84g/m2)；平均生物密度寧德東部(83 ind/m2)<興化灣(121 ind/m2)<羅源灣(224 ind/m2)。

3.2 不同生物指數比較分析

從各底棲生物指數的時空分布圖來看，不同的生態(tài)環(huán)境質量評價梯度界限與自興化灣西部經過壁頭角南側向東南灣口的潮流涌道、出灣水道和河口區(qū)等地理界限吻合度較高。在大型底棲生物敏感種比例較高，生物種類豐度和生物密度季節(jié)性變化明顯的興化灣海域，各指數在生物密度和種類數較多的春季評價結果較一致，M-AMBI和H′有34/49的點結果一致，AMBI和H′有39/49的點結果一致；在密度和種類數較低的秋季各指數間出現明顯差異，但M-AMBI和H′的整體梯度較為一致，其規(guī)律和底棲生物各指數之間的相關性分析(表6)結果契合。評價結果整體均值春季M-AMBI>AMBI>H′，秋季AMBI> M-AMBI>H′，整體狀態(tài)春季高于秋季。

表6 各底棲生物指數的相關性分析

從3個指數的季節(jié)變化特征來看，H′指數的季節(jié)變化最大，從春季的整體輕微污染狀態(tài)變?yōu)榍锛镜慕?0%的中度污染。M-AMBI指數評價有一定幅度的降低，AMBI指數評價季節(jié)變化不明顯，整體表現出的環(huán)境質量狀態(tài)反而有所提高。M-AMBI和H′指數在不同季節(jié)的分布梯度性具有較高的一致性，相關系數分別為0.90和0.82，季節(jié)變化規(guī)律也較為相似，如在興化內灣西部三江口附近和南日水道附近，春季評價狀態(tài)為良好，秋季表現為明顯的低值區(qū)。對AMBI和H′指數評價差別較大的興化內灣西部三江口海域、江陰島東部海域和南日水道海域的生物群落特征進行分析，發(fā)現秋季隨著生物密度的大幅下降，H′指數由3.19下降為2.03，而AMBI指數因為群落結構改變后敏感種所占比例升高，由1.99變?yōu)?.53，其評價反而有所提高，這主要是因為AMBI主要依據群落分類的比例來計算，與群落數量結構關系較小。而且值得注意的是秋季有12個站點的生物種類數為1～3種，這可能會導致AMBI指數的敏感程度降低[16]。

3.3 各底棲生物指數在興化灣環(huán)境評價的適用性

由于底棲生物指數的原理和側重點不同，研究區(qū)的生境特點有所差異，利用不同評價指數對區(qū)域生境質量進行評價時，產生評價結果不盡相同，需要根據底棲生物指數之間的相關性和底棲生物指數與環(huán)境因子的聯(lián)系強弱來確定各個指數的適用性。生物多樣性指數是我國目前應用較為廣泛、計算簡單快捷的一種底棲生物指數，但對于自然變化和人為擾動區(qū)分能力差，在受亞熱帶季風氣候影響、生物種類和數量變化明顯的興化灣，其在秋季的評價結果明顯偏低。AMBI已經被應用于不同國家的多個海域，取得了一定的成果，對于有機物富集較為敏感，但也暴露了其一些局限性：1)當生物物種和數量較少時，很小的生物差別就可能造成其群落組成比例的較大差異[3，16]；2)生物分組目錄的可信度，同一底棲生物在不同地區(qū)表現出的環(huán)境響應可能會有差別[9]，但在美國、新西蘭等地已經有學者結合本地專家研究，對分組目錄進行了重新分級，提高了其評價精度和地區(qū)適用度。AMBI有其獨特的性質，但仍需通過大量的底棲生物研究去完善，目前較適合作為復合評價指數的子項因子。從各個指數相關性來看，M-AMBI、H′指數、底棲生物群落數量特征相互聯(lián)系較為密切(表5)。M-AMBI、H′指數能夠較好地反映海洋環(huán)境中氮、磷等富營養(yǎng)化因子的影響，這與蔡文倩等[8]在長江口的研究相似，在長江口的相關環(huán)境因子梯度性更明顯，與底棲生物指數的相關性更好?？臻g分布上來看能夠體現出臨岸工業(yè)港區(qū)、人類養(yǎng)殖活動、陸源排放和水文地形的影響，多因素作用錯綜復雜，具體影響差異有待進一步研究。從不同季節(jié)穩(wěn)定性來看，復合評價M-AMBI相較于H′在不同季節(jié)對底棲環(huán)境質量的評價更為穩(wěn)定、全面，評價結果梯度性更好，是興化灣底棲環(huán)境質量評價的優(yōu)選指數。

4 結論

1)興化灣春秋兩季共鑒定出161種大型底棲生物，敏感種所占比例較高，物種類別春秋更替明顯。相較興化灣歷史調查研究，生物種類數和生物量明顯降低，群落中小個體多毛類比例不斷增加，底棲環(huán)境擾動增大。

2)3種底棲生物指數在興化灣整體評價結果顯示，春季M-AMBI>AMBI>H′，秋季AMBI> M-AMBI>H′。大型底棲生物數量和生物指數的時空分布，受到灣區(qū)地貌、養(yǎng)殖活動和陸源徑流輸入的影響。

3)綜合來看，M-AMBI是評價梯度性、不同季節(jié)穩(wěn)定性等興化灣底棲環(huán)境質量評價的優(yōu)選指數。利用M-AMBI對2016年興化灣底棲環(huán)境評價顯示春季為良好狀態(tài)，秋季為一般狀態(tài)。