邵 帥,張愛軍,張晶晶,胡亞斌,王以斌*,臧家業(yè)

(1.連云港市環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控中心,江蘇 連云港222000;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;3.魯東大學 濱海生態(tài)高等研究院,山東 煙臺264025)

近年來,伴隨著海洋經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國海洋開發(fā)力度不斷增強,圍填?；顒宇l繁。比如江蘇省連云港市在1985—2016年圍填海累計近830 k m2,約占其陸域面積的10.9%,如此大規(guī)模的圍填海,導致沿海的岸線形態(tài)和近岸潮流場已明顯發(fā)生改變[1],濱海濕地和海洋資源退化嚴重[2]。伴隨著沿岸河流和陸源排污入海的化學需氧量(che mical oxygen de mand,COD)、氨氮、總磷等污染物不斷增多,連云港海洋環(huán)境污染日趨嚴重,近海富營養(yǎng)化程度較高[3-4],亦導致赤潮、滸苔“綠潮”等生態(tài)災害頻發(fā)[5-6],海洋綜合承載類型已為“超載”類型,達到“重警”預警等級[7]。因此,對該海域海洋環(huán)境的保護、治理與修復已刻不容緩。

徐圩新區(qū)位于連云港東南部沿海,是新興的石化產(chǎn)業(yè)基地。為推動徐圩新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)園產(chǎn)品的輸出,2010年底開工建設徐圩港區(qū),將其作為連云港“一體三翼”港口建設的重要組成,2016年底建設完成防波堤等主體工程,形成現(xiàn)狀岸線,后期堆場及碼頭等工程將在防波堤形成的港池內(nèi)繼續(xù)建設。徐圩港區(qū)堆場、泊位及其防波堤、航道等建設周期長,圍填海面積大(約49.5 k m2),已屬于“特大型”海洋工程范疇,對區(qū)域的海洋生態(tài)環(huán)境和海洋資源而言,港區(qū)圍填海占用濱海濕地、破壞生物棲息地、改變區(qū)域潮流及水動力環(huán)境[8],其對生態(tài)環(huán)境的破壞性和持續(xù)影響持久且深遠。

為明確該工程對海洋生態(tài)環(huán)境的影響和長期累積效應,將研究2009—2016年間徐圩港區(qū)周邊海域的海洋調(diào)查數(shù)據(jù),分析該海域在徐圩港區(qū)建設前后的海洋環(huán)境變化,探討海洋工程建設對海洋環(huán)境的影響,進而闡明海域環(huán)境變化的控制因素和影響要素,以期為該海域海洋資源與生態(tài)環(huán)境管理、海洋開發(fā)利用決策和海洋生態(tài)修復策略制定提供重要的科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 研究海域范圍

連云港徐圩港區(qū)2010年底開工建設,至2016年底完成防波堤建設,形成現(xiàn)狀岸線和港池。研究海域在2009—2017年的岸線變化及主要海洋工程概況如圖1所示,可知2016年底港區(qū)現(xiàn)狀形成后沒有繼續(xù)大規(guī)模填海。2009—2016年間在研究海域進行了24個季節(jié)航次的海洋環(huán)境調(diào)查,其中2009年5月至2010年1月調(diào)查了連續(xù)4個季節(jié),2011年2月至2012年11月調(diào)查了連續(xù)8個季節(jié),2013年8月至2016年5月調(diào)查了連續(xù)12個季節(jié)。

圖1 研究海域2009—2017年海岸線變遷及海洋開發(fā)活動示意圖Fig.1 A sketch map of the coastline changes and marine exploitation activities in the study area fro m 2009 to 2017

1.2 研究要素與分析方法

調(diào)查要素包括水溫()、鹽度()和溶解氧( , )、化學需氧量(mand,COD)、無機氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)、活性磷酸鹽(dissolved inorganic phosphorus,DIP)、懸浮物(suspended solids,SS)、葉綠素a(chl or ophyll a,Chl-a)、石油類(Oil)的質(zhì)量濃度等。利用Origin 17.0軟件繪制各水環(huán)境要素年變化圖,利用SPSS 18.0軟件分析要素之間的相關性。

采用富營養(yǎng)化指數(shù)法[9]評估海域的富營養(yǎng)化程度,富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)(E)的計算方法[9]為

式中:ρCOD、ρDIN和ρDIP為海水中COD、DIN和DIP的質(zhì)量濃度實測值,單位為mg/L。當E≥1時,水體為富營養(yǎng)化,其中,當1≤E≤3時,水體為輕度富營養(yǎng)化,當3＜E≤9時,水體為中度富營養(yǎng)化,當E＞9時,水體為重度富營養(yǎng)化。

采用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法[10]評估海域的富營養(yǎng)化程度和營養(yǎng)狀態(tài)水平,營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(nutrient quality index,NQI)計算式[10]為

式中:ρCOD、ρDIN,ρDIP和ρChl-a為海水中COD、DIN、DIP和Chl-a的質(zhì)量濃度實測值;ρ′COD、ρ′DIN、ρ′DIP和ρ′Chl-a均為一類海水標準值,分別為3.0 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L和5μg/L。當NQI≤2時,水體營養(yǎng)等級為Ⅰ級,為貧營養(yǎng)化狀態(tài);當2＜NQI≤3時,水體營養(yǎng)等級為Ⅱ級,為中等營養(yǎng)化狀態(tài);當NQI＞3時,水體營養(yǎng)等級為Ⅲ級,為富營養(yǎng)化狀態(tài)。

采用有機污染綜合指數(shù)法[11]評價海域的有機污染狀況,有機污染指數(shù)(A)的計算公式[11]為

式中:ρCOD、ρN、ρP和ρDO分別為海水COD,DIN,DIP和DO的質(zhì)量濃度實測值;ρ′COD、ρ′N、ρ′P和ρ′DO均為一類海水標準值,分別為2.0 mg/L、0.2 mg/L、0.015 mg/L和6.0 mg/L。當A≤0時,水質(zhì)良好;當0＜A≤1時,水質(zhì)較好;當1＜A≤2時,水體開始受到有機污染;當2＜A≤3時,水體輕度有機污染;當3＜A≤4時,水體中度有機污染;當4＜A≤5時,水體重度有機污染。

2 結果與分析

2.1 海洋水環(huán)境狀況及年際變化

以年度為單位(每一年度時間段內(nèi)均含有完整的4個季節(jié),年均值為4個季節(jié)調(diào)查結果的均值)對2009—2016年連云港徐圩海域主要水環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)計,結果見表1,主要水環(huán)境要素的年變化見圖2。

表1 2009—2016年連云港徐圩海域主要水環(huán)境要素調(diào)查結果Table 1 The main water environ mental ele ments investigated in the Xu wei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

由表1和圖2可知,連云港徐圩海域2009—2016年主要水環(huán)境要素在年際間均存在明顯變化。DO、Chl-a和Oil的質(zhì)量濃度(圖2c、圖2i、圖2h)和鹽度(圖2b)年均值呈現(xiàn)下降趨勢,水溫(圖2a)和DIN(圖2e)的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,而COD(圖2d)和DIP(圖2f)質(zhì)量濃度的年際變化雖呈現(xiàn)波動性,但沒有明顯的趨勢性。2009—2016年研究海域內(nèi)水溫的年均值已升高了約2℃。2015—2016年度的DIN質(zhì)量濃度年均值已達2009—2010年度的2倍,且自2013年開始DIN質(zhì)量濃度年均值已超過二類海水水質(zhì)標準值(0.3 mg/L)。DIP質(zhì)量濃度年均值在2009—2010年升高后基本維持穩(wěn)定;COD的質(zhì)量濃度年均值在2013年之前有明顯增加趨勢,其后大幅降低后趨于穩(wěn)定。DO質(zhì)量濃度年均值呈現(xiàn)波動性下降,趨勢明顯;鹽度年均值經(jīng)歷2009—2011年的升高后呈現(xiàn)大幅下降,且下降趨勢明顯;Chl-a質(zhì)量濃度年均值在2009—2010年較高,但2011年呈斷崖式下降,下降了約80%,其后緩慢回升趨于穩(wěn)定但質(zhì)量濃度較低;油類質(zhì)量濃度年均值在2009—2010年較高,其他5個年度的年均值均較低;SS質(zhì)量濃度在2009—2010年和2013—2014年年均值較高,其他年份較低。

圖2 連云港徐圩海域2009—2016年各水質(zhì)要素的年變化Fig.2 The annual variations of water quality ele ments in the Xuwei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

綜合分析表明,從2009—2010年度到2011—2012年度各要素均有明顯的轉(zhuǎn)折點。本文將根據(jù)海域內(nèi)主要海洋工程的施工及運行情況分析其與海洋環(huán)境變化的關系。

2.2 水環(huán)境的營養(yǎng)狀態(tài)評估

富營養(yǎng)化指數(shù)(E)和營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)反映了海域內(nèi)COD、DIN、DIP質(zhì)量濃度和Chl-a質(zhì)量濃度之間的關系,與有機污染指數(shù)(A)結合分析可綜合反映水體的營養(yǎng)狀態(tài)。3種指數(shù)對營養(yǎng)狀態(tài)評估結果的年變化見圖3。

由圖3可知,自2009—2011年,研究海域的海水營養(yǎng)狀態(tài)呈急劇富營養(yǎng)化,E和A均有明顯增幅。E從2009年的1.3急劇增加至2011年的3.8,達中度富營養(yǎng)化狀態(tài);A從1.3增至2.6,達到輕度有機污染狀態(tài);NQI增幅不明顯,從2.3增至2.5,這表明海域為中等營養(yǎng)化狀態(tài)。2011—2016年,E在2011年達到高值(E=3.8)后呈下降趨勢,于2013年和2015年分別降至1.7和1.9,說明水體為輕度富營養(yǎng)化狀態(tài);但在2015—2016年E又急劇上升至4.3,水體又變?yōu)橹卸雀粻I養(yǎng)化狀態(tài)。NQI的結果表明2009—2016年間該海域均為中等營養(yǎng)化狀態(tài)(2＜NQI≤3);A指數(shù)略有波動,但一直是A＞2,表明該海域在此時間段內(nèi)均為輕度有機污染狀態(tài)。這3個指數(shù)的年際變化說明研究海域水體已呈現(xiàn)中度富營養(yǎng)化和輕度污染狀態(tài)。此外,該海域E和A的轉(zhuǎn)折點與水環(huán)境參數(shù)的年際變化區(qū)間與趨勢一致,亦說明了圍填海等海洋開發(fā)利用活動對海洋生態(tài)環(huán)境的巨大影響。

圖3 連云港徐圩附近海域2009—2016年海水營養(yǎng)狀態(tài)的年變化Fig.3 The annual variations of the water nutritional status in the waters near the Xuwei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2016

綜合3種指數(shù)的評價結果,自2011年以來,研究海域處于輕度到中度富營養(yǎng)化、中等營養(yǎng)化和輕度有機污染的狀態(tài),并且2009年度至2011年度增幅顯著。李亞麗等[4]研究顯示連云港海域2012—2013年處于富營養(yǎng)化狀態(tài),且程度較嚴重;楊華等[12]研究表明徐圩海域2012—2013年處于富營養(yǎng)狀態(tài),氮磷比失衡,營養(yǎng)狀態(tài)為磷限制型;張曉昱等[13]研究顯示海州灣紫菜增養(yǎng)殖區(qū)2012年富營養(yǎng)化程度最高,此后有所緩解。這些結論均與本研究結果一致,表明該海域內(nèi)的外源干擾因素對于海洋水體的富營養(yǎng)化具有明顯的影響。

2.3 水環(huán)境要素的相關性

鑒于徐圩港區(qū)自2010年后開始圍填海施工,因此本文將數(shù)據(jù)分為環(huán)境本底期數(shù)據(jù)(2009—2010年)和建設期數(shù)據(jù)(2011—2016年),分別對其進行相關性分析,結果如所示。

由表2可知:水溫(θ)與COD、DIN、DIP和Chl-a的質(zhì)量濃度呈顯著正相關關系(P＜0.01),而水溫與鹽度(S)和DO、SS、Oil的質(zhì)量濃度呈顯著負相關(P＜0.01),表明水溫在控制海水各要素的變化中具有重要的作用。溫鹽的顯著負相關關系表明低溫季節(jié)鹽度高,高溫季節(jié)鹽度低,說明了夏季較多的降雨和陸源淡水輸入對海域鹽度的影響。水溫與DO質(zhì)量濃度的顯著負相關關系亦說明季節(jié)變化引起水溫變化與DO質(zhì)量濃度變化之間的關系,其變化規(guī)律符合北溫帶夏季水溫高、DO質(zhì)量濃度低,冬季水溫低、DO質(zhì)量濃度高的特點[4]。鹽度與DO、SS、Oil的質(zhì)量濃度呈顯著正相關,與DIN、DIP、Chl-a的質(zhì)量濃度呈顯著負相關,同樣說明當夏季隨著降雨帶來的大量淡水輸入后降低了海水鹽度,以及淡水輸入攜帶氮磷營養(yǎng)鹽對海水營養(yǎng)鹽的影響以及對浮游植物生長的貢獻;同時,水溫與COD、DIN、DIP的質(zhì)量濃度的顯著正相關性說明陸源COD和氮磷的輸入量在夏季是最多的。水溫與Oil質(zhì)量濃度的顯著負相關、鹽度與Oil質(zhì)量濃度的正相關以及水溫與鹽度之間的關系,表明冬季海域內(nèi)Oil的質(zhì)量濃度較高,說明低溫季節(jié)(秋冬季)作為紫菜養(yǎng)殖生產(chǎn)季節(jié),養(yǎng)殖業(yè)船舶高密度作業(yè)以及頻繁發(fā)生的油污泄漏對海洋環(huán)境的影響[4]。DIN與DIP的質(zhì)量濃度呈顯著正相關,同時二者與鹽度呈顯著負相關,表明二者分布和來源具有一致性,即主要隨陸域淡水輸入進入海洋。DO質(zhì)量濃度與COD、DIN、DIP、Chl-a的質(zhì)量濃度呈顯著負相關,表明DO與富營養(yǎng)化的指標之間存在顯著負相關關系,說明近海水體的富營養(yǎng)化促進了海域的低氧現(xiàn)象的產(chǎn)生[14]。Chl-a質(zhì)量濃度與水溫和COD、DIN、DIP的質(zhì)量濃度呈顯著正相關關系,Chl-a質(zhì)量濃度與鹽度和DO、SS、Oil的質(zhì)量濃度呈顯著負相關,表明了水溫和營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的正向促進作用以及懸浮物、Oil等對其生長的抑制。SS與Oil的質(zhì)量濃度的顯著正相關也表明養(yǎng)殖活動和海洋工程施工船舶作業(yè)造成的擾動對海水SS質(zhì)量濃度的影響以及因船舶含有污水排放及燃油泄漏導致的油污染[4]。

表2 連云港徐圩海域2009—2010年海洋水環(huán)境要素的相關性Table 2 Correlations a mong the water enviro mental ele ments in the Xu wei coastal waters of Lianyungang fro m 2009 to 2010

港區(qū)建設期的水環(huán)境要素相關性分析(表3)表明:水溫同樣在控制各要素的變化中具有重要作用,但各要素之間的相關性已不如建設期之前顯著。水溫與DO質(zhì)量濃度的相關性依然顯著,表明二者之間是自然存在的關系,與工程等沒有顯著關聯(lián)。鹽度與COD、DIN、DIP的質(zhì)量濃度呈顯著負相關,且COD、DIN、DIP三者的質(zhì)量濃度之間存在顯著正相關,表明它們具有共同的來源,即陸源淡水的輸入。此外SS質(zhì)量濃度與DIN和DIP的質(zhì)量濃度之間存在顯著正相關,表明海洋工程建設加劇了海水中SS的質(zhì)量濃度,使其吸附的氮磷營養(yǎng)鹽釋放增加了海域內(nèi)的氮磷質(zhì)量濃度。Chl-a與DIN的質(zhì)量濃度已由建設期之前的顯著正相關變?yōu)轱@著負相關,同時與DIP質(zhì)量濃度沒有明顯的相關關系,這表明海域內(nèi)Chl-a質(zhì)量濃度及其對應的浮游植物的生物量和生長過程對營養(yǎng)鹽的依賴性發(fā)生了轉(zhuǎn)變;此外結合建設期間Chl-a質(zhì)量濃度大幅降低的結果,表明建設期的工程施工使得海域浮游生物量明顯減少。

表3 連云港徐圩海域2011—2016年海洋水環(huán)境要素相關性Table 3 Correlations among the water enviro mental elements in the Xuwei coastal waters of Lianyungang from 2011 to 2016

2.4 環(huán)境變化與海洋開發(fā)利用的關系

研究期間該區(qū)域內(nèi)的海洋工程除了徐圩港區(qū)的圍填海及航道深挖清淤施工(建設期:2010—2016年)外,還有田灣核電的取水明渠施工和溫排水(2011—2016年)、連云港港區(qū)的圍填海(2009—2012年)、連云港跨海大橋工程施工(2013—2014年)以及近海大面積的紫菜養(yǎng)殖(2009—2016年)等,這些海洋開發(fā)利用活動在時空范圍內(nèi)所產(chǎn)生的疊加與累積效應,對當?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)環(huán)境影響明顯,不僅會導致水環(huán)境的變化,還會引起浮游生物、底棲生物等生境質(zhì)量的顯著下降和種群結構的演替[8,15]。

主要水環(huán)境要素的年變化趨勢顯示2011—2012年是變化的拐點,這一時期正是徐圩港區(qū)圍填海的開始,也與連云港港區(qū)圍填海以及田灣核電取水明渠的施工期重疊。海域內(nèi)Chl-a質(zhì)量濃度急劇下降,與圍填海施工產(chǎn)生的擾動有明顯的關系,施工引起SS質(zhì)量濃度的增加,導致浮游植物生物量的降低,從而引起Chl-a質(zhì)量濃度下降;SS與Oil的質(zhì)量濃度的顯著正相關關系亦說明圍填海工程建設期間產(chǎn)生的大量SS和工程船舶機械等產(chǎn)生的油污等對海域有明顯影響;同時,拐點年份的富營養(yǎng)化和有機污染程度是最嚴重的。水溫年均值的升高可能受到了核電溫排水的影響,因為徐圩港區(qū)圍堰和防波堤建成后,影響了近岸的潮流流向和流速[1,16],使得溫排水的擴散受到了影響,溫升不能及時傳遞到外海,所以提升了徐圩港區(qū)北側(cè)海域的水溫。由連云港港區(qū)與徐圩港區(qū)之間海域(田灣核電溫排水影響區(qū)域)在2009—2016年間冬季和夏季水溫的累年均值空間分布(圖4)可明顯看出區(qū)域內(nèi)溫度梯度的變化:DIN的升高與陸源輸入有直接關系,圍填海的建設導致SS吸附的DIN釋放對其增加也有影響;同時,DIN的空間分布也表明了陸源輸入和圍填海建設對海域DIN質(zhì)量濃度的增加影響顯著[4]。鹽度的降低與海域降水和淡水輸入有密切關系,也符合連云港海域鹽度變化的大趨勢[17];此外,DO質(zhì)量濃度的降低與水溫的升高還與沿海水體的富營養(yǎng)化密切相關[14]。顯然,研究海域環(huán)境的變化既與海域開發(fā)利用有明顯關系,亦與陸源輸入有關,連云港海洋主管部門的監(jiān)測結果顯示陸源輸入攜帶的COD、氨氮和磷酸鹽對近岸海域水體污染嚴重,且逐年上升①連云港市海洋與漁業(yè)局.2016年連云港市海洋環(huán)境質(zhì)量公報.2017.。

圖4 田灣核電溫排水影響區(qū)域2009—2016年的冬、夏季多年水溫空間分布Fig.4 Spatialdistributionsofyearswatertemperatureinwinterandsummerintheareainfluenced bythewarmwaterdischargefromtheTianwanNuclearPowerStationduring2009to2016

此外,2011—2014年大規(guī)模圍填海階段海域內(nèi)的浮游植物以耐污藻種中肋骨條藻和擬菱形藻占據(jù)絕對優(yōu)勢種,多樣性指數(shù)降至較低水平;而后隨著圍填海施工減少,其他優(yōu)勢種出現(xiàn)(該數(shù)據(jù)另文發(fā)表),這也表明圍填海對海洋生態(tài)環(huán)境有顯著負面影響。研究顯示連云港的赤潮多爆發(fā)于連島及連云港港區(qū)周邊海域[5],本文研究海域自2008年以來未有赤潮爆發(fā)記錄,然而2017年在排淡河至徐圩埒子口附近(即環(huán)繞徐圩港區(qū)近岸海域)爆發(fā)了中肋骨條藻和鏈狀裸甲藻赤潮[18],這或許是上述工程的生態(tài)環(huán)境累積效應所導致。

綜上可知,連云港海域的海洋工程和養(yǎng)殖等海洋開發(fā)利用活動顯著影響了當?shù)氐暮Ｑ蟓h(huán)境,尤其是圍填海施工對于水環(huán)境要素的影響十分顯著,此時間段內(nèi)海域富營養(yǎng)化最嚴重,生態(tài)環(huán)境生境質(zhì)量明顯下降。應警惕海域內(nèi)圍填海施工等導致水環(huán)境富營養(yǎng)化帶來的潛在的赤潮和滸苔等生物災害風險。

3 結 論

本文研究了2009—2016年間徐圩港區(qū)建設前后海洋水環(huán)境變化特征和趨勢,利用富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)(E)、營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)和有機污染指數(shù)(A)三種營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)闡述了海域的營養(yǎng)狀態(tài)及其年際變化,分析了水環(huán)境要素之間的相關性,探討了海洋工程建設對區(qū)域海洋環(huán)境的影響,結果表明:

①2009—2016年間,研究海域表層海水年平均水溫呈上升趨勢,鹽度逐漸下降;DIN質(zhì)量濃度明顯上升,2013年后其年均值已超過二類海水水質(zhì)標準;DO和Chl-a的質(zhì)量濃度呈波動下降趨勢。

②海域處于富營養(yǎng)化和有機污染的狀態(tài);指數(shù)E顯示2011年和2015—2016年度為中等富營養(yǎng)化狀態(tài),NQI顯示該時期內(nèi)海域均為中等營養(yǎng)化狀態(tài),指數(shù)A表明自2011年后海域均為輕度有機污染等級。

③相關性分析顯示COD、DIN、DIP的質(zhì)量濃度存在顯著正相關;徐圩港區(qū)建設之前水環(huán)境要素之間的相關性較其建設期間顯著;工程建設使得海域Chl-a質(zhì)量濃度明顯降低、其與營養(yǎng)鹽的相關關系明顯改變。

連云港徐圩港區(qū)及周邊海洋工程顯著影響了近岸海洋環(huán)境,工程建設期影響最顯著,導致海域水環(huán)境變化劇烈、富營養(yǎng)化明顯、生境質(zhì)量下降,應警惕海洋工程引起海洋環(huán)境變化及富營養(yǎng)化帶來的潛在生物災害風險。