2007年,海南省政府批准建立了陵水新村和黎安港海草特别保护区,成为我国首个海草类型特别保护区,是目前海南省海草品种最多、成片面积最大、生长最好的区域[3]。新村港亦是海南重要的海水养殖水域,港内无大的淡水河流注入,常年水温、盐度适中,浮游生物丰富,主要养殖品种有麒麟菜、江篱菜、珍珠贝和经济鱼类等[1]。然而,由于围塘养殖、过度渔业、渔排增多、陆源污水等人为污染日益严重,新村港潟湖生态环境质量逐日下降。潟湖内红树林生长面积逐年减少,目前仅存的红树林面积仅为20世纪80年代的20%左右[2]。海草种群的生长、生物多样性和生态系统稳定性也受到了严重威胁。有研究表明,2016年与2002年相比,陵水新村保护区海草床大型底栖动物的丰度和生物量均显著下降[3]。此外,由于养殖户的生活污水、养殖废水、剩余饵料直接排放入海,容易造成水体富营养化,在气温异常升高、水体交换不畅时,可能会引发赤潮,给养殖产业带来重大的经济损失[1]。经统计,自2006年至2018年,新村港发生赤潮共计2次,分别发生在2006年7月[优势种为柏氏角管藻(Cerataulina bergonii)]和2014年6月[优势种为丹麦细柱藻(Leptocylindrus danicus)、脆根管藻(Rhizosolenia fragilissima)][4]。
依据《海南省养殖水域滩涂规划(2018—2030年)图件》,陵水新村港区域被划定为禁止养殖区[5],进一步提高和完善了对该海域水质的目标要求和整治措施。目前,国内学者针对陵水新村的研究多集中在生态群落[2-3]和地形地质[6-7]方面,较少有针对整体环境质量的研究。本文依据海南省海洋监测预报中心对陵水新村港海水增养殖区2011—2018年海水、沉积物、生物全方位监测数据以及海域动态监管遥感监测数据,采用环境质量综合指数(EQI)、富营养化指数(E)对该区域水质综合环境质量状况进行评价;采用季节性Kendall检验法、Spearman相关系数法对水质因子变化趋势和相关性进行定量分析,以期为陵水新村港生态环境保护及综合治理提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集
图1
图1
新村港海水增养殖区监测站位分布图
Fig.1
Distribution of monitoring station in Xincun Port mariculture area
表1 新村港海水增养殖区环境监测要素、频率、时间和方法
Tab.1
| 监测项目 Monitoring items | 监测要素 Monitoring elements | 监测频率/(次/年) Monitoring frequency /(times/year) | 监测时间/月 Monitoring time/month | 监测方法 Monitoring method |
|---|---|---|---|---|
| 水质 Water quality | 水温、盐度、pH、COD、溶解氧、无机氮、活性磷酸盐、石油类、粪大肠菌群、汞、镉、铅、铜、砷、铬、锌 | 4 | 3、5、8、10 | GB 17378.4—2007 海洋监测规范 第4部分:海水分析 |
| 沉积物质量 Sediment quality | 硫化物、有机碳、石油类、粪大肠菌群、滴滴涕、多氯联苯、总汞、镉、铅、铜、砷 | 1 | 8 | GB 17378.5—2007 海洋监测规范 第5部分:沉积物分析 |
| 生物质量 Biological quality | 石油烃、粪大肠菌群、六六六、滴滴涕、总汞、镉、铅、铜、砷、铬 | 1 | 8 | GB 17378.6—2007 海洋监测规范 第6部分:生物体分析 |
本实验采用的贝类来源于陵水新村港海水增养殖区海域,种类为文蛤、帘蛤。采集的样品量按照GB 17378.3—2007《海洋监测规范 第3部分:样品采集、贮存与运输》(6.6.2 现场样品采集)中的要求,将体质量约1.5 kg、体长大致相似的贝类,用封口聚乙烯袋装好,置于便携低温冰箱中保存运回实验室,并贮存在-18℃的冰箱柜中,待测。
1.2 评价标准
根据《海南省海洋功能区划》(2011—2020年),新村港海水增养殖区海水水质评价执行GB 3097—1997《海水水质标准》第二类标准,沉积物质量评价执行GB 18668—2002《海洋沉积物质量》第一类标准,生物质量评价执行GB 18421—2001《海洋生物质量》第一类标准。
1.3 评价方法
1.3.1 环境质量综合指数(EQI)[8]
1)根据式(1)计算增养殖区超标环境要素的比值:
式中:F1为所评价时间段内,监测海域不符合水质、沉积物、生物质量标准的环境要素的比值;Nv为拟评价环境要素的总数;N'v为未达到质量标准的环境要素数量。
2)根据式(2)计算各环境要素超标数据个数的比值:
式中:F2为各环境要素不符合质量标准要求的测定数据个数的比值;NT为所有拟评价环境要素的总测定次数;N'T为未达到质量标准要求的测定次数。
3)根据式(3)计算不符合环境质量标准的测定结果偏离标准的程度:
式中:F3为不符合环境质量标准的测定结果偏离标准的程度;Pi为第i个超标测定值的污染指数值,其计算分为以下两种情况:
当环境质量标准为不得大于目标值时,按式(4)计算:
式中:NMi为超标要素的测定值;Msi为该超标要素的环境质量标准值。
当环境质量标准为不得小于目标值时,按式(5)计算:
4)根据式(6)计算海水增养殖区环境质量综合指数(EQI):
EQI依据得分划分质量等级(表2),并给予环境质量现状能否满足功能区环境质量需求的解释性说明,有利于以养殖区为单元的综合评价。
表2 海水增养殖区环境质量等级划分
Tab.2
| 环境质量综合指数 EQI | 环境质量等级 Environmental quality grade | 含义 Meaning |
|---|---|---|
| 90≤EQI≤100 | 优良 | 满足功能区环境质量要求 |
| 80≤EQI<90 | 较好 | 一般能满足功能区环境质量要求 |
| 60≤EQI<80 | 及格 | 个别时段不能满足功能区环境质量要求 |
1.3.2 富营养化指数(E)[9]
式中:COD为化学需氧量(mg/L);DIP为活性磷酸盐含量(mg/L);DIN为无机氮含量(mg/L)。水质营养水平分级见表3。
表3 水质营养水平评价分级
Tab.3
| E值 E-value | 营养水平分级 Nutritional level grade | 营养水平 Nutritional level |
|---|---|---|
| 0~0.5 | 1 | 贫营养 |
| 0.5~1.0 | 2 | 中营养 |
| 1.0~3.0 | 3 | 富营养 |
| ≥3.0 | 4 | 高富营养 |
1.3.3 季节性Kendall检验法[10]
表4 显著性水平的确定
Tab.4
| α | |Z| | 显著性水平 Significance level |
|---|---|---|
| ≤0.01 | ≥2.575 8 | 高度显著 |
| (0.01 0.10] | [1.649 9 2.575 8] | 显著 |
| >0.10 | <1.649 9 | 不显著 |
水质变化趋势可以分为三类五级,三类分别为上升、下降和无趋势,五级分别为高度显著上升、显著上升、无趋势、显著下降和高度显著下降[9]。当Z为正值时,趋势为上升;当Z为负值时,趋势为下降。
1.3.4 Spearman相关系数法
采用SPSS 21.0进行数据处理。
2 结果与分析
2.1 环境质量综合指数(EQI)变化趋势
图2
2.2 富营养化指数(E)变化趋势
图3
2.3 主要污染因子和变化趋势
表5 污染因子季节性Kendall趋势检验结果
Tab.5
| 指标 Index | Z | 变化趋势 Changing tendency |
|---|---|---|
| 水温Water temperature | 1.748 9 | 显著上升 |
| 盐度Salinity | 0.680 4 | 非显著上升 |
| pH | 1.381 3 | 非显著上升 |
| 化学需氧量COD | 4.586 3 | 高度显著上升 |
| 溶解氧DO | -0.433 0 | 非显著下降 |
| 无机氮DIN | -1.255 7 | 非显著下降 |
| 活性磷酸盐DIP | -0.126 2 | 非显著下降 |
| 粪大肠菌群Fecal coliform | -0.568 1 | 非显著下降 |
| 石油类Petroleum | 3.408 8 | 高度显著上升 |
| 汞Hg | -3.346 8 | 高度显著下降 |
| 镉Cd | 0.595 2 | 非显著上升 |
| 铅Pb | -1.487 5 | 非显著下降 |
| 铜Cu | 0.127 2 | 非显著上升 |
| 砷As | 3.278 5 | 高度显著上升 |
| 铬Cr | -3.337 8 | 高度显著下降 |
注:Z的正、负分别表示上升和下降。
Notes:Positive and negative values for Z indicated rise and fall,respectively.
表6 2011—2018年污染因子超标情况
Tab.6
| 指标 Index | 单因子污染指数变化范围 Variation range of single factor pollution index | 超标次数 Exceeded times |
|---|---|---|
| pH | 0.20~1.17 | 6 |
| 化学需氧量COD | 0.21~0.97 | 0 |
| 溶解氧DO | 0.22~4.38 | 49 |
| 无机氮DIN | 0.13~1.20 | 8 |
| 活性磷酸盐DIP | 0.10~2.90 | 30 |
| 粪大肠菌群Fecal coliform | 0.26~12.00 | 55 |
| 石油类Petroleum | 0.34~2.02 | 12 |
| 汞Hg | 0.01~0.28 | 0 |
| 镉Cd | 0.00~0.04 | 0 |
| 铅Pb | 0.09~3.21 | 10 |
| 铜Cu | 0.00~0.39 | 0 |
| 砷As | 0.02~0.07 | 0 |
| 铬Cr | 0.00~0.72 | 0 |
2.4 Spearman相关分析评价结果
据表7可知,新村港水质指标间pH与盐度呈极显著正相关关系;DIP与盐度、pH呈显著负相关关系;石油类与COD呈极显著正相关关系;粪大肠菌群与DIN呈显著正相关关系;汞与COD呈极显著负相关关系,并与石油类呈显著负相关关系;镉与无机氮呈显著负相关关系;砷与COD、石油类呈显著正相关关系,与汞存在极显著负相关关系;铬与COD呈极显著负相关关系,与石油类呈显著负相关关系,与汞呈极显著正相关关系。
表7 新村港水质指标间的相关分析
Tab.7
| 指标 Index | 水温 Water temperature | 盐度 Salinity | pH | 化学需氧量 COD | 溶解氧 DO | 无机氮 DIN | 活性 磷酸盐 DIP | 石油类 Petroleum | 粪大肠 菌群 Fecal coliform | 汞Hg | 镉Cd | 铅Pb | 铜Cu | 砷As | 铬Cr |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水温 Water temperature | 1 | 0.071 | 0.071 | 0.095 | -0.190 | 0.405 | -0.333 | 0.048 | -0.071 | -0.286 | -0.503 | -0.190 | -0.524 | 0.238 | -0.143 |
| 盐度Salinity | 1 | 0.857** | 0.119 | 0.190 | -0.310 | -0.714* | -0.214 | -0.619 | -0.167 | 0.347 | -0.048 | -0.143 | 0.024 | 0.464 | |
| pH | 1 | 0.333 | 0.048 | -0.571 | -0.833* | -0.024 | -0.690 | -0.357 | 0.599 | -0.143 | 0.167 | 0.095 | 0.036 | ||
| 化学需氧量COD | 1 | 0.381 | -0.500 | -0.048 | 0.905** | -0.357 | -0.881** | 0.132 | -0.167 | 0.167 | 0.714* | -0.893** | |||
| 溶解氧DO | 1 | -0.262 | 0.095 | 0.429 | -0.333 | 00.000 | -0.096 | 0.643 | 0.024 | 00.000 | -0.179 | ||||
| 无机氮DIN | 1 | 0.167 | -0.405 | 0.762* | 0.429 | -0.790* | 0.190 | -0.214 | -0.310 | 0.393 | |||||
| 活性磷酸盐DIP | 1 | 0.333 | 0.476 | 0.071 | -0.419 | 0.048 | -0.143 | 0.286 | -0.214 | ||||||
| 石油类Petroleum | 1 | -0.167 | -0.762* | -0.096 | -0.048 | 0.095 | 0.762* | -0.857* | |||||||
| 粪大肠菌群 Fecal coliform | 1 | 0.381 | -0.599 | 0.238 | 0.286 | -0.214 | 0.036 | ||||||||
| 汞Hg | 1 | -0.132 | 0.571 | 0.119 | -0.881** | 0.929** | |||||||||
| 镉Cd | 1 | -0.323 | 0.359 | -0.132 | -0.054 | ||||||||||
| 铅Pb | 1 | 0.381 | -0.500 | 0.286 | |||||||||||
| 铜Cu | 1 | -0.310 | -0.357 | ||||||||||||
| 砷As | 1 | -0.750 | |||||||||||||
| 铬Cr | 1 |
注:**在置信度(双测)为 0.01 时,相关性是极显著的;* 在置信度(双测)为 0.05 时,相关性是显著的。
Notes:**when the confidence(double test) was 0.01,the correlation was significant;*when the confidence(double test)was 0.05,the correlation was significant.
3 讨论
在已有的新村潟湖研究中对于长时间跨度、针对整体环境质量评价的研究较少,本文基于2011—2018年新村港海水增养殖区水质、沉积物、生物指标数据进行测算,以期为陵水新村潟湖生态环境保护及综合治理提供指导和建议,为新村潟湖治理成效提供评价依据。
结合单因子污染指数、富营养化指数(E)、环境质量综合指数(EQI)分析结果来看,自2011年至2018年,新村港海水增养殖区环境质量整体状况优良,能够满足养殖区功能需求,环境质量综合指数(EQI)稳中有升的趋势,海域环境质量状况逐渐改善。调查期间,新村港海水增养殖区污染因子主要为粪大肠菌群、溶解氧、DIP、石油类,此外DIN、铅、pH也有数次超标。COD、石油类、砷含量呈高度显著上升,DIP、DIN、粪大肠菌群呈非显著下降。表明新村港养殖水域水体以有机污染为主[18],其次为磷营养盐污染,此外重金属污染中铅出现了10次超标且超标倍数最高达2倍多,说明重金属铅相比其他金属元素污染更严重,与巩慧敏等[19]研究结果一致,其主要来源于船舶航运排污,而砷含量虽未超标但呈现高度显著上升趋势,均需加以关注。此外,生物体和沉积物中的石油烃和农残(滴滴涕)在8年中有5~6年超标,说明周边海鲜市场的海鲜药物残留问题也需引起关注。
通过水质指标之间的相关性分析,结果显示COD、石油类与砷呈显著正相关,与汞、铬呈极显著负相关,表明COD、石油类与砷有着共同的来源,与汞、铬没有共同来源,且砷与其他元素相关系数小,甚至呈负相关关系,说明砷的来源与大多数金属元素不同[19]。新村港周边主要以网箱养殖和船舶运输为主,石油类和砷可能来源于船舶航运排污,而汞、铬可能来源于海水养殖投放的饵料、药物[20]。周业和等[21]研究发现,在渔船停靠的码头附近,水体的有机物难以生化降解,而在网箱养殖水域易生化降解的有机物占据较大比例,这部分有机物可以通过水体的“自净化”过程逐渐降解掉,因此水中难降解的有机物随着时间的推移,积累的量也在逐渐增加。结合污染因子趋势分析可知,COD、石油类与砷呈高度显著上升,汞、铬呈高度显著下降,且粪大肠菌群、氮磷营养盐均呈下降趋势,表明新村港养殖区域由船舶航运造成的污染加重,而由养殖造成的污染有所减轻。
4 结论与建议
1)2011—2018年,新村港海水增养殖区水质整体状况优良,能够满足养殖区功能需求。
2)新村港增养殖区海域水质富营养化状况良好,自2011年后整体处于贫营养和中营养水平,仅在2016年变为富营养,主要受气候影响显著。
3)水体污染以有机污染为主,其次为磷营养盐污染,同时对重金属铅、砷污染也需加以关注,还应重点关注周边港口市场海鲜药物残留问题,定期开展检验检测。
4)船舶航运污染加重,养殖污染有所减轻,关注船舶航运排污带来的石油类和铅污染问题。于此,为保护和改善陵水新村港海水增养殖区生态环境,协调海洋经济与生态环境的共同发展,提出建议如下:1)依据《陵水黎族自治县养殖水域滩涂规划(2018—2030年)》,严格推进禁养区养殖场清退和渔排整治工作。2)加快渔业产业转型升级。引导渔业往岸上走,大力发展工厂化养殖;往深海走,发展深海网箱养殖产业;往休闲渔业走,创新发展第三产业[24]。3)坚持陆海统筹、绿色发展。合理规划布局陆海空间、资源配置;提升涉海企业海洋科技创新能力,着力推广绿色产业模式;重点应加强入海污染物的控制,严格控制陆源输入的有机物和营养物质的入海通量。4)充分考虑区域自然禀赋,因地制宜开展保护修复[25],例如海草床、珊瑚礁、红树林,利用生物修复手段有效防止海水富营养化等问题的发生。
参考文献
Techniques of trend analysis for monthly water quality data
[J].
A study of trends in total phosphorus measurements at NASQAN stations
[C]//
Nonparamertic tests for trend in water quality
[J].
陵水新村中心渔港开工投资5千万年卸港量8万吨
[EB/OL].(
图1
表1
