辽东湾位于渤海北部, 地理环境条件特殊, 其周边有大辽河、双台子河、大凌河、小凌河等多条河流流入, 是我国重要的渔业水域, 春夏季是毛虾(Acetes chinensis)与海蜇(Rhopilema esculenta)的产卵、栖息场所, 夏秋季是蓝点马鲛(Scomberomorus niphonius)和三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)等的育肥场所, 冬季又是斑海豹(Phoca largha)的产仔栖息场所, 其周边滩涂贝类资源丰富。近10 a来过度捕捞使得辽东湾渔业资源日渐衰退, 另一方面, 伴随着辽东湾周边海洋经济的快速发展和城镇化水平的不断推进, 大量陆源污染物通过江河、排污口以及地表径流等方式进入辽东湾^[1-2], 对该海域渔业生态环境健康发展十分不利。

辽东湾北部生态环境污染已经成为当前制约渔业发展的关键问题之一, 充分认识该海域生态环境质量状况显得尤为重要。根据2011—2017年辽宁省海洋生态环境状况公报显示, 辽东湾近岸海域污染仍十分明显, 且污染区域主要分布在辽东湾北部河口区^[3]。众多学者也分别从重金属、石油类、富营养化以及生物多样性指数等不同方面对辽东湾开展过生态环境质量评价^[4-7], 但大多数停留在单一介质的污染评价阶段, 从生物学角度进行综合评价还没有广泛应用^[8], 此外, 利用生物的多样性指数对海洋水质与生态环境质量进行评价有时也会存在一定差异, 在实际评价中单从一种指标或指数结果就轻易下定论往往导致不够客观、准确。近年来, 世界各国越来越重视将物理、化学、生物各方面因子综合起来评价海洋环境与生态状况^[9-12], 由于缺乏统一的评价标准与等级划分, 这些方法也存在一定局限性, 到目前为止尚未形成一套全面、系统、定量的评价方法。利用水质化学指标、沉积物化学指标并结合几种主要生物指标对辽东湾北部渔业水域生态环境质量开展综合评价的研究更鲜有报道。因此, 笔者基于2008—2017年连续10 a夏季辽东湾北部渔业水域海水、沉积物以及生物的历史监测数据, 建立主成分分析评价指标权重模型, 对该海域生态环境质量状况进行综合评价, 适时掌握生态环境质量变化发展规律, 以期为该海域渔业生态环境健康发展与污染防治提供参考依据。

1 研究方法 1.1 调查与分析

2008—2017年连续10 a在每年8月份对辽东湾北部渔业水域生态环境指标进行监测, 共布设16个站位, 覆盖辽东湾北部大辽河口、双台子河口以及辽西锦州—葫芦岛等近岸海域, 具体站位位置见图 1。

监测指标包括:无机氮(DIN)、活性磷酸盐(PO₄^3--P)、化学耗氧量(COD)、石油类、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)含量这10个海水指标, 石油类、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量这7个海洋沉积物指标以及叶绿素a、浮游植物和浮游动物这3个海洋生物指标。采用有机玻璃采水器采集表层海水样品, 采用GB 17378.4—2007《海洋监测规范》中规定的方法检测海水中各项指标, 其中硝酸盐(NO₃^--N)含量采用锌-镉还原法, 亚硝酸盐(NO₂^--N)含量采用萘乙二胺分光光度法, 氨氮(NH₄⁺-N)含量采用次溴酸盐氧化法, 活性磷酸盐(PO₄^3--P)含量采用磷钼蓝分光光度法检测, 无机氮含量为NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N含量之和。COD采用碱性高锰酸碱法, 石油类采用紫外可见分光光度法, 重金属Cu、Pb、Zn和Cd采用原子吸收法, 重金属Hg和As采用原子荧光法检测。采集的样品于保温箱内低温保存, 当天采样后立即运回实验室进行分析。

海洋沉积物、生物取样与水质调查同步开展, 采用抓斗式采泥器采集表层0~5 cm的沉积物样品, 采用GB 17378.5—2007中规定的方法检测沉积物各项指标, 石油类含量采用荧光分光光度法, 重金属Cu、Pb、Zn和Cd含量采用原子吸收法, 重金属Hg和As含量采用原子荧光法检测。生物指标调查方法依照GB 17378.6—2007《海洋监测规范》, 叶绿素a含量采用荧光分光光度法检测, 浮游动物和浮游植物分别使用浅水Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型浮游生物网自底至表垂直拖取, 采集到的浮游生物样品用w=5%甲醛固定保存。样品处理后分别使用双目立体解剖镜和光学显微镜进行种类鉴定和数量统计。

1.2 综合评价方法构建 1.2.1 评价标准的选择与质量等级划分

将生态环境质量综合评价的指标分为2级, 一级指标为海水水质指标、海洋沉积物指标和生物指标; 二级指标是分别对以上3种一级指标的细化, 其中海水水质选取的评价指标为DIN、PO₄^3--P、COD、石油类、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量, 海洋沉积物选取的评价指标为石油类、Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As含量, 数据选用标准指数法进行无量纲化处理。

$ X_{i}=C_{i} / C_{i 0}。$

(1)

式(1)中，X_i为某污染因子无量纲化的指标值; C_i为某污染因子的实测值; C_i0为某污染因子的标准值。水质指标采用海水水质一类标准^[13], 沉积物指标采用海洋沉积物一类标准^[14]。

生物选取的评价指标包括叶绿素a、浮游植物和浮游动物多样性指数。叶绿素a含量的高低可作为判别水体富营养化程度的指标。一般认为, ρ(叶绿素a)为1~10 μg·L^-1可作为富营养化的阈值^[15], 当ρ(叶绿素a)>10 μg·L^-1时海水呈富营养化, 4 μg·L^-1 < ρ(叶绿素a)≤10 μg·L^-1时海水呈中营养化, ρ(叶绿素a)≤4 μg·L^-1时海水呈贫营养化^[16]。该研究将叶绿素a指数以1.0为评价标准进行无量纲化处理。

浮游生物多样性指数也常用来评价污染程度^[17-18], 香农-威纳指数(H′)计算公式为

$ H^{\prime}=-\sum\limits_{i=1}^{s} P_{i} \log _{2} P_{i}。$

(2)

式(2)中, H′为多样性指数; P_i为第i种浮游生物的个体数与样品中的总个数的比值; S为浮游生物的种类数。当H′ < 1时表示水体为重污染; 当H′=1~2时表示水体为重中污染; H′=>2~3时表示水体为轻中污染; 当H′>3时表示水体为轻度污染至无污染^[19-21]。

参照海水水质标准分级值、沉积物质量标准分级值及文献[19-21]中有关生物指标污染等级划分标准, 结合辽东湾北部历史调查资料, 将海洋生态环境质量综合评价等级划分为清洁、轻污染、中污染和重污染4个级别(表 1)。

1.2.2 基于主成分分析的评价指标权重模型

采用主成分分析法对一、二级各监测评价指标进行赋权。为保证水质指标、沉积物指标和生物指标数据趋向与质量等级的一致性, 便于将生物指标与水质和沉积物质量综合指数耦合, 在指标权重模型建立和污染指数计算时将浮游动物和浮游植物多样性指标均做取倒数处理。假设评价指标为X₁, X₂, …, X_p, 采用SPSS 16.0软件对进行过无量纲化处理的2008—2017年辽东湾的历史样本数据进行主成分分析, 得到总方差解释和因子荷载矩阵。根据累计方差贡献率确定主成分F₁, F₂, …, F_m, 各主成分对应的方差贡献率分别为υ₁, υ₂, …, υ_m, 对应的因子荷载系数矩阵为A =[a_ij]_p×m, 其中a_ij为指标X_i在主成分F_j上的荷载系数。综合考虑方差贡献率和因子荷载系数, 将矩阵A与向量V =(υ₁, υ₂, …, υ_m)^τ相乘得到向量E =(ε₁, ε₂, …, ε_p)^τ, 即

$ \left[\begin{array}{c}{\varepsilon_{1}} \\ {\varepsilon_{2}} \\ {\vdots} \\ {\varepsilon_{p}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a_{11}} & {a_{12}} & {\cdots} & {a_{1 m}} \\ {a_{21}} & {a_{22}} & {\cdots} & {a_{2 m}} \\ {\vdots} & {\vdots} & {} & {\vdots} \\ {a_{p 1}} & {a_{p 2}} & {\cdots} & {a_{p m}}\end{array}\right] \times\left[\begin{array}{c}{v_{1}} \\ {v_{2}} \\ {\vdots} \\ {v_{m}}\end{array}\right], $

(3)

$ \varepsilon_{i}=\sum\limits_{j=1}^{m} a_{i j} υ_{j}, \quad i=1, 2, \cdots, p。$

(4)

进一步计算|ε_i|所占比重, 即$ {w_i} = \left| {{\varepsilon _i}} \right|/\mathop \sum \limits_{i = 1}^p \left| {{\varepsilon _i}} \right|$, 将w_i作为指标X_i的综合权重, 得到权重集W=(w₁, w₂, …, w_P)^τ, 获得综合污染指数评价公式为

$ F=\sum\limits_{i=1}^{m} w_{i} X_{i}=\sum\limits_{i=1}^{p}\left[\left|\sum\limits_{j=1}^{m} a_{i j} v_{j}\right| /\left(\sum\limits_{i=1}^{p}\left|\sum\limits_{j=1}^{m} a_{i j} v_{j}\right|\right)\right] X_{i}。$

(5)

将各站位无量纲化的二级指标值代入式(5), 即可求得该站位一级指标的污染指数值。对3类指标分别进行主成分分析, 分别求得污染指数, 再综合进行下一步的主成分分析, 确定水质、沉积物和生物一级指标的权系数, 算出对应站位的综合污染指数值。

2 结果与分析 2.1 生态环境质量评价指标的权重系数

按照1.2.2节中主成分分析步骤, 依据式(3)~(5)分别计算2008—2017年度海水水质、沉积物以及生物等二级指标的权重系数w, 进而得到各站位一级指标的污染指数, 再对各站位一级指标污染指数进行主成分分析, 得到一级指标的权重系数w和各监测站位综合污染指数。权重系数w计算结果列于表 2。

基于该研究方法生物一级指标权重系数最高为0.419, 其次沉积物为0.359, 水质的一级指标权重系数最低为0.222;水质的二级指标权重系数表现为活性磷酸盐>无机氮>铜>砷>化学需氧量>铅>镉>石油类>汞>锌, 营养盐类明显高于其他类别; 沉积物的二级指标中油类的权重系数(0.022)明显小于其他重金属类, 而生物的二级指标中叶绿素a和浮游植物的权重系数相差不大, 但明显小于浮游动物的权重系数0.692。

2.2 生态环境质量综合评价分级的确定

确定综合污染指数分级标准临界值对于生态环境质量综合评价至关重要。按照表 1中有关生态环境质量综合评价等级的划分要求, 将水质、沉积物1、2、3类标准临界值进行无量纲化处理, 浮游生物多样性指数取对应分级临界值倒数, 再结合1.2.2节所述的权重模型和2.1节计算得到的水质、沉积物和生物一级、二级指标的权重系数w, 即可求得每个质量等级的综合污染指数分级标准值。通过计算分别确定清洁、轻污染、中污染和重污染4个级别综合污染指数F的区间范围:当F≤0.772时, 为清洁; 当1.875≥F>0.772时, 为轻污染; 当4.050≥F>1.875时, 为中污染; 当F>4.050时, 为重污染。可见, 综合污染指数分级标准临界值是动态变化的, 其与研究区域监测指标的选取、监测数据量以及污染等级划分的标准均有关系, 因此, 采用相同的研究方法进行分级确定临界值可能会得到不同的结果^[22]。

2.3 辽东湾北部渔业水域生态环境质量综合污染指数

分别计算辽东湾2008—2017年各站位生态环境质量综合污染指数值并进行质量等级判定(表 3)。结果表明:生态环境质量综合污染指数F的变化范围为0.508~3.114, F最小值出现在2009年的锦州近岸海域11号站位, F最大值出现在2011年大辽河口的2号站位, F平均值为1.035, 所有站位15.6%的F值表现为清洁等级, 80.6%的F值表现为轻污染等级, 3.8%的F值表现为中污染等级, 未出现重污染等级。由此可见, 10 a内辽东湾绝大部分站位生态环境质量综合评价等级表现为轻污染。

3 讨论 3.1 基于主成分分析法的生态环境质量综合评价与其他评价方法的比较

主成分分析方法是多元统计分析的重要手段, 在环境质量评价中已被广泛应用^[23-25], 其基本思想是利用降维的思路, 把多个反映研究对象各方面信息、具有相关性的指标利用数学正交变换的方法转变成几个不相关的新变量, 且新的指标体系仅用较少的新变量即可反映原指标的大部分信息。目前, 国内关于近岸海域生态质量状况综合评价的研究主要包括内梅罗指数法、加和平均计算法、有机污染法、富营养化水平评价法以及重金属污染评价法等^[26-27], 这些方法均是基于不同的介质进行综合评价, 单独侧重海水或海洋沉积物, 且均未考虑浮游生物多样性、叶绿素a等生物指标的影响; 内梅罗指数法过分强调极值的作用, 加和平均计算法容易掩盖个别超标因子的影响, 而有机污染法、富营养化水平评价法以及重金属污染评价法仅是某些污染要素的综合体现; 主成分分析法的指标权重系数是基于全部监测评价指标数据分析而得到的内在结构关系, 比较客观, 能够有效消除不相关指标的影响, 从而有针对性地定量评价, 通过对水质、沉积物和生物一、二级指标分别进行主成分分析, 避免了因二级指标数量不等造成水质指标实际权数过大的问题, 能够较客观、真实地反映研究海域的生态环境质量状况。

基于主成分分析的综合评价结果与采用上述其他方法的评价结果比较见表 4。

采用不同评价方法得出的评价结果不同, 加和平均计算法与内梅罗法得到的评价结果显示辽东湾北部海域污染较为严重, 有机污染法和富营养评价法显示该海域受氮、磷污染较为严重, 且这几种方法各年度污染指数或判定等级波动较大。该研究的评价综合了海水水质、海洋沉积物与生物指标, 评价更全面, 且各年度污染指数变化具有连续性, 更能够真实、客观地反映研究海域的生态环境质量状况。

3.2 辽东湾北部生态环境质量综合污染指数分布特征

基于主成分分析法, 2008—2017年辽东湾北部各调查站位生态环境质量综合污染指数年平均值散点分布见图 2。1~16号站位综合污染指数年平均值范围为0.900~1.277, 平均值为1.035。整体来看, 辽东湾北部生态环境质量等级为轻污染, 其中综合污染指数较高的区域主要集中在大辽河口4号站位、辽东湾东北部营口近岸2号站位、锦州湾湾口12号站位以及锦州市经济技术开发区近岸11号站位; 而双台子河口两侧近岸各站位综合污染指数较低, 研究区域整体呈现东西两侧污染高, 中部低, 南部外海略高, 北部河口略低的特点。当前, 辽东湾北部生态环境质量状况与莱州湾、珠江口等区域类似, 明显好于长江口等污染较重的区域^{[22, 28]}。

3.3 辽东湾北部渔业水域生态环境质量综合污染指数年度变化

基于主成分分析法, 辽东湾北部渔业水域生态环境质量综合污染指数年度变化见图 3, 其变化范围为0.755~1.585, 平均值为1.035。2011年该区域综合污染指数最高, 质量等级表现为轻污染；2016年最低, 质量等级表现为清洁。2008年辽东湾1、6、7号站位的综合污染指数小于0.772, 质量等级表现为清洁, 其余站位均为轻污染; 2009年质量等级为清洁的站位扩大到4个, 分别为1、8、11和12号, 但综合污染指数较2008年略有增加, 并且出现1个中污染的站位(5号); 2010年各站位综合污染指数又进一步增大, 全部站位均表现为轻污染, 而2011年研究区域综合污染指数达到最高, 其中有4个站位质量等级表现为中污染, 其余站位也均表现为轻污染。调查数据显示, 该年度辽东湾海水中活性磷酸盐、重金属Pb、沉积物中Cu、Zn、Cd以及叶绿素a等指标含量明显高于其他年份; 自2012年起该区域综合污染指数开始大幅下降, 2013年与2012年相差不大, 均表现为轻污染。

2014—2016年研究区域综合污染指数逐年下降, 质量等级为清洁的站位逐年增加, 2016年56.3%的站位质量等级为清洁, 2017年辽东湾北部生态环境质量又有所变差, 仅3个站位表现为清洁, 整个区域表现为轻污染。连续10 a辽东湾160个站次的评价结果显示, 15.0%的站次表现为清洁, 81.2%的站次表现为轻污染, 3.8%的站次表现为中污染, 辽东湾渔业水域生态环境质量状况仍然不容乐观。近10 a来, 辽东湾北部仅2016年生态环境质量等级表现为清洁, 绝大多数年份表现为轻度污染。整体来看, 辽东湾北部生态环境质量综合污染指数总体保持稳定, 但呈现略有好转、逐年改善的趋势, 这与2011—2017年辽宁省海洋环境状况公报的结论基本一致^[3], 同时也彰显了2012年以来辽宁省政府加大对辽东湾北部大辽河流域污染治理投入的重要成果^[29]。

3.4 辽东湾北部渔业水域不同区域污染差异及主要污染因子贡献

由图 2可知, 辽东湾北部不同区域综合污染指数存在明显差异, 分别将各站位连续10 a的水质、沉积物、生物等一级指标对应的污染指数取平均值, 采用统计软件SPSS 16.0进行聚类分析, 结果表明辽东湾北部16个站位可分为第4类, 1和4号站位可归为第1类, 5~10号站位可归为第2类, 11和12号站位可归为第3类, 其余站位可归为第4类(图 4)。

不同聚类区域综合污染指数各不相同, 其污染也具有各自特点。水质、沉积物以及生物指标对综合污染指数的贡献率见表 5。第1类区域1和4号站位位于大辽河口附近, 而大辽河是辽东湾污染物主要输入河流, 其废水废物的携带量也位居全省河流之首, 主要污染物包括COD、无机氮、无机磷等^[30], 富营养化严重, 赤潮发生几率较高^[31]。10 a监测数据表明, 该区域ρ(叶绿素a)平均值为8.15 μg·L^-1, 在4个区域中最大, 浮游生物多样性指数也较高。生物指标对于综合污染指数的贡献率在4类区域中最大, 为66.9%;沉积物的贡献率最小, 为15.8%。第2类区域的站位主要位于双台子河口至锦州方向, 综合污染指数偏低, 但该区域受河流输入影响, 海水中无机氮含量偏高, 水质指标的污染贡献率为25.9%, 明显高于其他3类区域, 但河口区海淡水混合作用较强, 泥沙悬浮物含量较高, 不太适宜叶绿素a、浮游生物生长, 因此其生物指标的污染贡献率在4类区域中最小。第3类区域的2个站位位于辽西葫芦岛、锦州近岸区域, 紧邻锦州湾, 该区域受葫芦岛锌厂排污以及五里河沿岸汇集数家工厂排污影响, 其环境特征为沉积物中重金属污染严重^[32-34], 调查数据也表明沉积物中重金属Zn、Cd、Hg等含量普遍偏高, 导致沉积物指标对综合污染指数的贡献率为24.3%, 明显高于其他3类区域。第4类区域分布范围更广, 水质、沉积物、生物指标污染贡献率介于其他3类之间, 1、13、14、15和16号站位远离河口和近岸, 水质、沉积物污染较轻, 但营养盐较为丰富, 叶绿素a、浮游植物、浮游动物等适宜繁殖生长, 因此, 生物指标对综合污染指数的贡献较高。

从年度变化上看, 2008—2017年水质指标年污染贡献率在9.8%~32.7%之间, 沉积物指标年污染贡献率在13.6%~22.4%之间, 生物指标年污染贡献率在48.3%~70.2%之间, 沉积物指标年污染贡献率比较稳定, 波动较小, 而水质、生物指标更容易受到陆源污染输入等影响, 年污染贡献率波动幅度更大。

整体来看, 辽东湾北部渔业水域主要受生物指标影响, 其污染贡献率平均为60.9%, 水质和沉积物指标贡献率相差不大, 分别为19.5%和19.7%;进一步分析得出, 二级指标中污染贡献率高于3%的指标为叶绿素a(42.1%)、浮游动物(13.4%)、海水无机氮(13.3%)、沉积物Cd(5.6%)、沉积物Cu(5.0%)、沉积物Zn(3.4%)、海水活性磷酸盐(3.4%)。尽管近几年辽宁省政府不断加大辽河治理与环境保护的力度, 辽东湾北部污染得到了较大幅度的改善, 但水质中营养盐、沉积物重金属Cd、Cu、Zn、叶绿素a以及浮游动物含量等指标仍为辽东湾北部渔业水域主要污染指标, 还需进一步重点关注。

4 结论

(1) 通过对2008—2017年辽东湾北部渔业水域水质、沉积物以及生物等监测结果的分析, 采用主成分分析法对各监测评价指标进行赋权, 综合评价该渔业水域的生态环境质量状况。该研究方法相对于其他方法评价更全面, 各年度污染指数变化具有连续性, 能够真实、客观地反映辽东湾北部的生态环境质量状况。研究结果表明, 辽东湾北部渔业水域生态环境质量综合评价等级处于轻污染, 并呈现东西两侧污染高, 中部低, 南部外海略高, 北部河口略低的特点。

(2) 近10 a来, 研究区域仅2016年生态环境质量等级处于清洁, 其他年份表现为轻污染, 2011年的综合污染指数最高, 辽东湾北部生态环境质量综合污染指数总体保持稳定, 并呈现略有好转、逐年改善的趋势。

(3) 辽东湾北部渔业水域生态环境质量综合污染指数存在区域差异, 聚类分析表明, 研究区域可分为4类并呈现各自不同特点:第1类区域生物指标污染贡献率相对最高, 第2类区域集中在双台子河口, 水质污染明显, 第3类区域沉积物重金属污染特征显著, 第4类区域分布范围更广, 污染程度介于其他3类之间。辽东湾北部主要受生物指标影响, 其污染贡献率为60.9%, 水质和沉积物指标贡献率相差不大; 水质中营养盐、沉积物重金属Cd、Cu、Zn、叶绿素a以及浮游动物含量等指标为辽东湾的主要污染指标, 污染贡献率较大, 需重点关注。