基于指标体系法的渤海湾生境状况评价.pdf
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1、2023 年第 6 期收稿日期:2022-07-17修回日期:2023-03-26基金项目:国家重点研发计划(2017YFA0603200)。作者简介:王秋璐,1982年生,女,高级工程师,主要从事海洋生态环境评价研究。E-mail:通信作者:王江涛,1979年生,男,研究员,主要从事海洋空间分析研究。E-mail:jiangtao-DOI:10.15928/j.1674-3075.202207170279基于指标体系法的渤海湾生境状况评价王秋璐,杨 潇,许 艳,崔晓菁,杨 璐,王江涛(国家海洋信息中心,天津 300171)摘要:生境状况评价是科学客观认知海湾环境及其栖息生物状态并揭示时空演变
2、趋势的评估方法。建立以压力源为驱动的核心指标体系,通过中尺度区域的指标状况空间量化和长时间序列趋势比对,给出评估区域(渤海湾)的指标临界值并建立定量评价模式,判断渤海湾生境状况的时空特征与演变趋势。结果显示,渤海湾水质状况为一般,趋势为向好变化,且参评因子的变化均为向好趋势;沉积物生态风险指标为优秀状况,向好趋势,2011-2017年重金属潜在生态风险危害指数(RI)和潜在生态风险系数(Eir)趋势均表现为明显降低;浮游植物、底栖生物的物种多样性指数均为一般状况,从变化趋势来看,浮游植物为向差趋势,底栖生物为向好趋势;近年来鸟类数量和种类增长的指标评价为良好状况,向好趋势;渤海渔业资源持续恶化
3、,指标状况为较差;潮间带湿地退化率超过60%,栖息地退化严重,状况为恶劣;自然岸线急剧减少且破碎化严重,岸线利用呈持续高强度,指标状况为一般,变差趋势。研究表明,指标评估结果客观反映了渤海湾的生境压力来源和长期性问题,相较于环境治理,生态系统保护与恢复需要持续关注。关键词:指标体系;生境评估;时空状况;压力影响;渤海湾中图分类号:X826文献标志码:A文章编号:1674-3075(2023)06-0019-08水 生 态 学 杂 志Journal of HydroecologyVol.44,No.6第 44 卷第 6 期2023年11月Nov.2023海湾是海洋向陆地延伸的水域,随着人类活动加
4、剧,海湾生态系统及其栖息生物也受到了不同程度的影响。自20世纪八九十年代以来,国内外学者开展了海洋生态状况评价研究,建立了评估框架和方法,包括美国沿海生态环境状况评估中所使用的沿岸海域状况综合评价方法(US Environmental Protection Agency,2012),欧盟建立的生态状况评价综合方法(European Community,2000),国家海洋局发布的 近岸海洋生态健康评价指南近岸海域海洋生物多样性评价技术指南(国家海洋局,2005;2017)。国内学者基于经典评估框架和标准,建立了包括海湾健康评价、风险评价以及海湾环境承载力等多种评价方法(李纯厚等,2013;程嘉
5、熠等,2016)。其中,指标类型主要包括环境类、生物生态和人类社会经济等,具体指标参数根据评价目标、研究区域的状况和压力等选取;但评价条件特别是指标判别阈值往往采用了普适性的标准值,忽视了研究区域状况差异和压力影响来源不同等问题;评估模式指标多以某一特定时间下的特定状态结果定量计算,忽视了指标累积效应后显现的趋势变化结果。渤海湾内海水交换能力差,长期以来高强度的填海造地和临岸开发活动使得海湾资源环境承载能力达到上限,富营养化现象突出、生态系统脆弱、渔业资源衰退(王以斌等,2021)。2012年以来,国家加大对渤海综合治理力度,海洋环境质量整体有所改善,但海湾生态环境改观不明显。当前,摸清其状况
6、、变化趋势以及问题诱因、解决环境治理瓶颈已迫在眉睫。本文旨在建立适用于渤海湾生境状况的评估指标体系,采用的评估方法是基于长时间序列和中尺度区域数据,运用数理分析给出指标临界值和评估条件,建立定量化的评价模式,客观评估渤海湾生境状况,为进一步有效开展渤海湾环境保护和综合治理提供科学依据。1 材料与方法1.1 评估指标体系本文综合海湾环境质量评价、生态系统退化评估、压力状况影响等多种评估模式,选择环境质量状况、生物物种状况和栖息地状况三类作为一级指标;基于渤海湾生境现状、压力和影响因素,以数据易获取、指示性能高、可操作性强为原则,选择具体量化指标(图1)。其中,环境质量指标反映海湾生态环境质量和污
7、染压力的影响,生物物种类指标反映海湾生态2023 年 11 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 6 期特征以及物种和群落状况,栖息地状况类指标反映人类活动对海湾的干扰影响。图1 渤海湾生境评估指标体系Fig.1 An ecological indicator system for the environmental assessment of Bohai Bay1.2 评估方法评估方法可分为3种类型:第一种是水质、浮游植物和底栖生物指标,采用格点化计算方法,以格点化为单元,计算长时间序列的指标分布特征和变化趋势,利用中尺度区域(渤海)的参数阈值给出评估临界值,判断评估结果;第二种沉积物生态
8、风险指数和海岸线综合利用程度指数,采用评价指数方法,利用相关数据和研究结论计算评价指数,并利用不同时期的指数结果给出趋势变化结论;第三种是鸟类、鱼类和湿地退化指标,采用比较分析方法,通过短期和长期物种多样性和湿地面积数据比较,建立参数评估临界值,给出评估结果。1.2.1 格点化指标计算方法 利用 ArcGIS10.2 的创建渔网模块,生成 0.50.5规则格网,再利用统计分析模块,将研究区域内站点数据转化为规则的空间单元数据(王秋璐等,2020),然后按年度计算各格网单元内水质环境指标值(溶解氧、无机氮、活性磷酸盐平均浓度)以及浮游植物、底栖生物的物种多样性指数,建立一套完整的数据集。基于此数
9、据集,综合运用统计分析和线性回归方法,计算指标项平均值、标准差及变化趋势(线性回归斜率正负值分别表示趋势上升或者下降),给出数据时空状况和变化趋势。1.2.2指数类计算方法(1)沉积物生态风险指数。可以综合反映沉积物中重金属污染程度及其对水域生态环境的影响潜力。通过测定沉积物样品中的重金属污染含量,将其与区域参比值进行比较,消除区域间的差异影响,反映了多种重金属污染物的综合效应(许艳等,2017)。计算公式如下:Cif=Ci/BiEir=TirCifRI=imEir=im(Tir Cif)=im(TirCiBi)式中:Cif为重金属i的污染系数,Ci为重金属i的实测浓度,Bi为重金属i的评价参
10、比值,Eir为重金属i的潜在生态风险系数,Tir为单个重金属i的毒性响应系数,反映其毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度,重金属As、Zn、Cd、Pb、Cr、Cu、Hg的毒性响应系数分别取10、1、30、5、2、5、40;RI为多种重金属潜在生态风险危害指数。(2)海岸线综合利用程度指数。最早应用于土地、生态景观等相关领域,Wu等(2014)将其应用于海岸线的利用程度研究中,利用海岸线类型的特点和受人为影响的强度,赋予不同的人力作用强度指数。计算公式如下:ICUD=i=1n(Ai Ci)100式中:ICUD为综合利用指数,其值越大,表明岸段受人为因素干扰越大,恢复为自然岸线的难度也越大;n为岸
11、线类型数,Ai、Ci分别为第i类岸线受人为干扰强度及其长度百分比,其中自然岸线Ai赋值1,人工岸线赋值2。1.2.3比较数据类计算方法通过历史时期和近期统计数据比较,给出指标的评估临界值,继而进行指标评估判断。其中,鸟类指标采用其群落多样性指数,鱼类指标采用其种类数,同时参考了鱼类优势种种类和平均生物量,栖息地指标采用湿地退化面积。1.3 数据来源数据来源包括2010-2017年国家海洋局海洋生态环境监测中获取的监测数据和文献资料中提取的分时期数据。具体监测数据包括溶解氧、无机氮和活性磷酸盐含量,采样时间是2010-2017年,每年5、8、10月开展1次,站次为2 012个,其中渤海湾内为47
12、6个;浮游植物、底栖生物的种类数和密度采样时间是2011-2017年,每年6-8月开展1次,站次为696个,其中渤海湾内站次为129个;沉积物重金属(Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Hg、As)含量采集时间为2011-2017年,每年8月开展1次,站次为511个,其中渤海湾内站次为102个。202023 年第 6 期涉及的各监测指标样品采集、分析方法(包括采样工作和实验室分析)均按照 海洋监测规范 第3、4、5、7部分所规定的方法和标准执行,数据处理和分析质量控制按照 海洋监测规范 第2部分所规定的方法和标准执行。2017年遥感影像数据进行几何校正处理之后,采用波段组合方法,均选择近红外、红光和
13、绿光波段组合,分别进行RGB假彩色合成。最后,将处理好的影像输出至GIS系统内进行目视的人机交互,解译岸线类型、长度和湿地面积,其中滨海湿地分类、范围和面积计算等依据 滨海湿地生态监测技术规程。收集渤海湾栖息地、海岸线、鸟类和鱼类等指标的文献资料和不同时期的统计数据,具体包括:(1)鸟类群落多样性指数:1992年和1993年3-5月及 7-10 月(李湘涛等,1996),2006-2010 年春季(Yang,et al,2011),2017年3-11月(柴子文等,2020)。(2)鱼类种数和优势种平均生物量:1983年5月(任胜民,1993),2004年5月(李显森等,2008),2012-2
14、014年(李忠义等,2017),2017年8月(胥延钊,2021)。(3)栖息地退化面积:第二次全国湿地资源调查资 料(2009-2013 年),1985-2010 年(吴 文 挺 等,2016),1980-2017年(魏帆,2018)。(4)海岸线类型和长度:1986-2016年(张蕾等,2020);2000年、2005年、2010年(吴春生等,2015)。在确定评估临界值时,要考虑到渤海湾各项指标受到人类活动累积后的影响,历史时期应尽可能前置到不受或者更轻微受到人类活动的干扰期。考虑到鸟类和鱼类生物活动范围较广,小尺度区域的数据有可能难于获取和不具有典型性,故数据收集范围扩大渤海湾外海,优
15、势种鱼类根据历史时期的渔获物统计数据确定。本次渤海湾研究区域北起河北省唐山市乐亭县,南到山东省黄河口,海域边界线为南北两端湾口连线。进行格网单元数量统计时,被研究区域边界切割的格网单元统计在内。2 结果与分析2.1 环境质量时空状况2.1.1 水质 格网计算结果表明,2017年渤海湾溶解氧平均浓度为8.6 mg/L,2010-2017年溶解氧平均浓度大于8.0 mg/L的单元占全部格网的84%,且变化趋势为增加;2017 年磷酸盐平均浓度为 0.024 mg/L,2010-2017年平均浓度在0.0200.025 mg/L的格网单元占全部统计格网的70%,8年间比例波动变化小幅下降;2017
16、年无机氮平均浓度为 0.31 mg/L,2010-2017年平均浓度在0.300.45 mg/L格网单元占全部统计格网的68%,8年间比例明显下降,无机氮与活性磷酸盐平均浓度均呈现近岸高、离岸越远浓度降低的分布特征(图2)。结合渤海区域8年间水质参数含量和变化趋势,溶解氧平均浓度为8.09.5 mg/L,上升格网数明显高于下降格网数;磷酸盐平均浓度在0.0140.025 mg/L,上升格网单元数明显多于下降单元数,但渤海湾内尤其是近岸海域为下降趋势;无机氮平均浓度在0.200.35 mg/L,下降格网单元数明显多于上升单元数,尤其在近岸格网单元内基本为下降趋势,但在渤海湾南部出现了上升单元。综
17、上比对分析,渤海湾的溶解氧含量与渤海整体水平相当,且8年间呈现上升趋势;渤海湾的磷酸盐和无机氮含量均高于渤海营养盐平均含量,但8年间变化趋势呈现明显下降。基于以上分析结果,建立水质指标评价标准及评价等级的临界值(表1),水质指标评估结果为状况一般,趋势向好;其中无机氮和活性磷酸盐状况均为一般,溶解氧状况为优秀,3项参数趋势均为向好。2.1.2 沉积物生态风险 渤海湾内重金属的潜在生态风险系数(Eir)和生态风险危害指数(RI)参考潜在生态风险指数法(Hakanson,1980;周笑白等,2015)对污染程度的划分标准(表2),给出风险危害程度。渤海湾2011-2017年Eir和RI结果显示(图
18、3),2017年渤海湾各类重指标无机氮(N)活性磷酸盐(P)溶解氧(DO)评估结果水质等级恶劣0.60.04523 个参数中的 2 个或以上评级为差。较差0.4N0.60.03P0.0452DO5.51 个参数评级为差,或2个参数评级为一般。一般0.2N0.40.015P0.035.5DO6.51 个参数评级为差,或 2 个参数评级为一般,且趋势只能有1个变差。良好0.05N0.20.005P0.0156.5DO8.0只能1个参数状况为一般,且不能出现差,趋势不能出现明显变差。优秀0.050.0058.0只能 1 个参数状况为一般,且不能出现差,趋势均为变好。表1 渤海湾水质指标评估条件mg/
19、LTab.1 Seawater evaluation standards for Bohai Bay王秋璐等,基于指标体系法的渤海湾生境状况评价212023 年 11 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 6 期金属Eir值均低于30,均为低生态危害等级,从高到低的潜在生态风险依次为CdHgAs、Pb、CuCrZn。表2 Eir和RI值对应的潜在生态风险程度Tab.2 Potential ecological risk degree of Eirand RI生态风险RI生态风险Eir恶劣600很强320较差较强160Eir320一般300RI600强80Eir160良好150RI300中等4
20、0Eir80优秀150轻微402011-2017年各类重金属的Eir均值及变化趋势显示,Cd明显高于其他重金属,2011-2013年的Eir高于50,为中等生态危害程度,2014年及以后明显降低;Hg次之,2012年出现了峰值高于40,为中等生态危害程度,随后明显下降,2013-2017年均不超过20;其他重金属2011-2017年的Eir值均较低,其无明显波动趋势,均为低生态危害。长期以来渤海湾受到陆源污染影响十分严重,沿岸工业和养殖活动排放的污水携带了大量含重金属的废水,通过沉降富集在沉积物内,从而产生毒性,且Hg和Cd具有较强的生物累积性。2012年以后,国家加大了对污水达标排放的监管和
21、治理,重金属Cd的主要来源是养殖废水,与此下降趋势相一致。RI指数结果显示,2012年达到了峰值150,为中等生态风险,随后明显下降,图2 渤海湾2010-2017年水质指标状况及趋势变化Fig.2 Status and trends of water quality indicators in Bohai Bay(2010-2017)(a)溶解氧平均浓度/mgL-11.000(d)磷酸盐变化趋势负趋势正趋势(f)无机氮变化趋势负趋势正趋势生态风险危害指数RI年份Year潜在生态风险系数Eir201102012201320142015201620170501001502002501020304
22、0506070HgCuPbCdCrZnAsRI图3 渤海湾2011-2017年沉积物重金属的潜在生态风险系数和危害指数Fig.3 Potential ecological risk factor(Eir)and riskhazard index(RI)of heavy metals in the surfacesediments of Bohai Bay(2011-2017)222023 年第 6 期2017年低于50,属于轻微生态风险。综合Eir和RI结果以及重金属生态风险评估条件,渤海湾沉积物重金属生态风险指标评估结果为优秀。2.2 物种多样性时空变化2.2.1 浮游植物 格网计算结果表明
23、,2017年渤海湾浮游植物物种多样性指数为2.2,2011-2017年物种多样性指数在2.03.0的格网单元占全部格网的70%以上(图4)。渤海内浮游植物物种多样性指数平均值在1.82.5。从变化趋势看,在渤海湾内呈现北部下降南部上升;结合标准差可见,湾内东北部标准差高于0.6。评估结果表明,渤海湾浮游植物物种多样性指数偏低,海湾东北部呈下降趋势,南部为上升。2.2.2 底栖生物 2017年渤海湾底栖生物物种多样性指数在2.03.0,且在2011-2017年多样性指数基本均高于2.0,平均值约为3.0,湾内底栖生物指标值偏低于整个渤海。趋势分析表明,在渤海湾内多样性指数除南部湾底呈下降趋势,其
24、他均为上升。2.2.3 鸟类 2017年渤海湾湿地水鸟群落的多样性指数为1.0892.546,均匀度指数为0.3090.681。总体上,9月水鸟群落的多样性指数和均匀度指数都相对较小,春季指数显著高于秋季。1993年渤海湾湿地鸟类群落多样性指数是1.9333.090,春秋季无明显差异(李湘涛等,1996)。结合Yang等(2011)研究结果发现,自20世纪90年代以后,渤海湾湿地水鸟群落出现先降低后增加的趋势。2.2.4鱼类2017年春夏季拖网调查结果显示,渤海湾发现鱼类44种,相对生物量为55.27 kg/h。鱼类丰度排序前4位从高到低分别是鳀、矛尾虾虎鱼、赤鼻棱鳀、黄鲫。2004年春季拖网
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