¹国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津

²天津科技大学，天津

收稿日期：2022年4月24日；录用日期：2022年6月20日；发布日期：2022年6月30日

摘要

本研究很据2021年8月天津大港滨海湿地生态系统附近海域6个站位的监测数据，分别采用单因子指数法、多项水质参数综合指数法、有机污染指数评价法和富营养化指数法对该海域水质进行了评价；采用Shannon-Wiener多样性指数(H')、Pielou种类均匀度指数(J)、优势度(Y)和丰度(d)等对该海域大型底栖生物进行了评价。水质评价结果表明，无机氮为该海域主要超标因子，其他各项监测因子均满足该海域海洋功能区划要求；大型底栖生物评价结果表明，调查海域大型底栖生物多样性指数处于中等水平。

关键词

天津，大港滨海湿地，海洋生态环境，质量评价

Evaluation of Marine Ecological Environment Quality in the Adjacent Sea Area of Tianjin Dagang Coastal Wetland

Hong Wang^1,2, Wenjing Kan¹

¹Tianjin Marine Environmental Center Station, State Oceanic Administration, Tianjin

²Tianjin University of Science and Technology, Tianjin

Received: Apr. 24^th, 2022; accepted: Jun. 20^th, 2022; published: Jun. 30^th, 2022

ABSTRACT

Based on the monitoring data of six stations in the sea area near the coastal wetland ecosystem of Dagang, Tianjin in August 2021, the water quality of the sea area was evaluated by using the single factor index method, the comprehensive index method of multiple water quality parameters, the organic pollution index evaluation method and the eutrophication index method; the Shannon-Wiener diversity index (H'), Pielou evenness index (J), dominance index (Y) and abundance index (d) were used to evaluate the macrobenthos in the sea area. The water quality evaluation results showed that inorganic nitrogen was the main over-standard factor in the sea area, and other monitoring factors met the requirements of marine functional zoning in the sea area. The macrobenthos evaluation results showed that the macrobenthos diversity index in the investigated sea area was at a medium level.

Keywords:Tianjin, Dagang Coastal Wetland, Marine Ecological Environment, Quality Evaluation

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

湿地是地球上重要的生存环境和生态系统，被誉为“地球之肾”、“生命的摇篮”、“文明的发源地”和“物种的基因库”，湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统，它在蓄洪防旱、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、降解环境污染等方面都发挥着极其重要的作用 [1] [2] [3] [4] [5]。天津滨海湿地类型丰富，近年来随着经济的快速发展，由于一系列自然及人为如盲目开垦、污染物排放、水资源短缺和气候变化等因素，导致滨海湿地资源面临着污染和退化的威胁 [6]。相关研究表明，导致天津滨海湿地生态系统健康恶化的主要原因为赤潮灾害频发、城市化进程加速带来的人口增长和大型围填海工程的建设等 [7]。

天津大港滨海湿地生态系统位于天津市滨海新区大港以东，面积为106.37 km²，岸线长度为9.69 km，是天津典型的湿地生态系统。2014年7月，天津市海洋局(现天津市规划和自然资源局)将其选划为海洋生态红线区。天津大港滨海湿地地貌类型为粉沙淤泥质平原海岸，沿岸地势低平，潮滩和水下浅滩宽缓，主要植被为米草。近年来，随着大量海洋工程的开发建设，该海域的海洋环境发生了变化，其原有生态功能也受到了一定影响。大型底栖动物是海洋生态系统的重要组成部分，它们通过摄食、掘穴和建管等活动与周围环境发生着相互影响，其群落结构是认识海洋环境特点、预测环境质量的重要指标，研究它们的结构和功能在理论和实践上都具有重要的意义 [8] [9]。因此，对天津大港滨海湿地生态系统附近海域海洋生态环境现状进行调查研究，旨为天津大港滨海湿地生态系统的环境保护、修复及资源的合理利用提供相关科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 调查站位

本研究于2021年8月对天津大港滨海湿地生态系统附近海域进行现场调查，共布设6个调查站位(图1)。

2.2. 调查项目

海水水质调查项目为：pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、无机氮(亚硝酸盐–氮、硝酸盐–氮、氨–氮)、活性磷酸盐、总氮、总磷、叶绿素a；海洋生物调查项目为：大型底栖生物。

图1. 采样站位图

2.3. 样品采集与处理

2021年8月对大港滨海湿地生态系统附近海域进行水质和海洋生物调查，样品的采集、保存、运输和分析均按照《海洋监测规范》 [10] 和《海洋调查规范》 [11] 执行。

2.4. 评价方法

2.4.1. 单因子质量指数法

1) 采用单因子指数法进行评价，其标准指数计算公式为 [12]：

$P_i=\frac{C_i}{C_{oi}}$ (1)

式中：P_i为第i项污染物的污染指数；C_i为第i项污染物的实测浓度；C_oi为第i项污染物的评价标准。单因子污染指数大于1.0，则表明水质超出规定的评价标准。

2) pH值评价指数按下式：

$S_{pH}=\left|pH-p{H}_{sm}\right|/DS$ (2)

其中： $p{H}_{sm}=\left(p{H}_{su}+p{H}_{sd}\right)/2$ ； $DS=\left(p{H}_{su}-p{H}_{sd}\right)/2$ ；

式中：S_pH为pH的污染指数；pH为本次调查实测值；pH_su为海水pH标准的上限值；pH_sd为海水pH标准的下限值。

3) 根据溶解氧(DO)的特点，溶解氧评价按下式：

$P_{DO}=\frac{D{O}_f-DO}{D{O}_f-D{O}_s};DO\ge D{O}_s$ (3)

$P_{DO}=10-9\frac{DO}{D{O}_s};DO<D{O}_s$ (4)

式中： $D{O}_f=\frac{468}{31.6+T}$ ；DO为溶解氧的实测浓度；DO_f为饱和溶解氧的浓度；DO_s为溶解氧的评价标准

值；T为水温(℃)。

2.4.2. 多项水质参数综合指数法

多项水质参数综合评价方法可较全面地反映水质整体状况。采用单因子质量指数的算术平均法计算多项水质参数综合指数，计算公式为 [13]：

$Q_i=\frac{1}{n}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{S}_{ij}}$ (5)

式中：Q_i为多项水质参数综合指数；S_ij为单因子质量指数；n为单因子个数。

根据计算结果综合评价并分级：Q_i < 0.75为清洁，0.75 < Q_i < 1.00为轻度污染，1.00 < Q_i < 1.25为中度污染，Q_i > 1.25为重度污染。

2.4.3. 有机污染指数评价法

有机污染指数的计算公式为 [14]：

$A=\frac{CO{D}_i}{CO{D}_0}+\frac{DI{N}_i}{DI{N}_0}+\frac{DI{P}_i}{DI{P}_0}-\frac{D{O}_i}{D{O}_0}$ (6)

式中：A为有机污染指数；COD_i、DIN_i、DIP_i和DO_i分别为化学需氧量、无机氮、无机磷和溶解氧的实测值；COD₀、DIN₀、DIP₀和DO₀分别为化学需氧量、无机氮、无机磷和溶解氧的海水水质标准值。

根据计算结果综合评价并分级：A < 0为良好，0 ≤ A < 1为较好，1 ≤ A < 2为开始受到污染，2 ≤ A < 3为轻度污染，3 ≤ A < 4为中度污染，A ≥ 4为重度污染。

2.4.4. 富营养化指数法

富营养化指数能较好地反映水质富营养化程度，计算公式为 [15] [16]：

$E=\frac{COD\times DIP\times DIN}{4500}\times {10}^6$ (7)

式中：E为富营养化指数；COD、DIN、DIP分别为化学需氧量、无机氮、无机磷和溶解氧的实测值；

根据计算结果综合评价并分级：0 £ E < 0.5为贫营养，0.5 £ E < 1.0为中营养，1.0 £ E < 3.0为富营养，E ³ 3为高富营养。

2.4.5. 大型底栖生物评价方法

大型底栖生物群落特征指数计算公式如下 [17]：

1) 香农–韦弗(Shannon-Weaver)多样性指数：

$H^{\prime }=-{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{P}_i{\log }_2{P}_i}$ (8)

式中：H'——种类多样性指数；n——样品中的种类总数；P_i——第i种的个体数(n_i)与总个体数(N)的比值。

2) 均匀度(Pielou指数)：

$J=\frac{H^{\prime }}{H_{\max }}$ (9)

式中：J——均匀度；H'——种类多样性指数值；H_max——为 ${\log }_{2}S$ 多样性指数的最大值，S为样品中总种类数。

3) 物种优势度：

$Y=\frac{n_i}{N}{f}_i$ (10)

式中：Y——物种优势度；n_i——所有测站第i种个体数；N——样品中的总个体数；f_i——第i种的测站出现频率。如果Y ≥ 0.02，该种为优势种。

4)丰度(Margalef计算公式)：

$d=\frac{S-1}{{\log }_{2}N}$ (11)

式中：d——丰度；S——样品中的种类总数；N——样品中的生物个体数。

2.5. 评价标准

调查海域内布设的6个站位，均位于大港滨海湿地海洋特别保护区内，要求水质符合第二类海水水质标准。海水质量状况评价参照《中华人民共和国海水水质标准》(GB3097-1997) [18]，见表1。

表1. 海水水质评价标准

注：单位：mg/L，pH无量纲。

3. 评价结果

3.1. 海水质量评价

3.1.1. 单因子指数法

单因子指数法是将每个评价指标的实测浓度与评价标准进行比较来确定各个评价指标的水质类别，并以最差的水质类别作为断面水质类别 [19]，能够较为直观地反映水质的超标指标，是目前最常用的水质评价方法之一。

调查海域pH变化范围在7.80~8.07之间，均值为7.91；pH最大值出现在4号站，最小值出现在1号站。监测海域所有站位海水pH均符合第一(二)类海水水质标准；按照各站位所处海洋功能区划所要求的海水水质标准进行评价，海水pH评价指数变化范围为0.23~1.00，无超标站位，见表2。

表2. 海水水质调查与评价结果

注：盐度、pH无量纲；“—”表示未评价，其中盐度、总磷、总氮无评价标准，悬浮物无本底值，pH、DO不是污染因子，pH称为pH评价指数，DO称为DO评价指数。

溶解氧浓度变化范围在(6.67~7.29) mg∙L⁻¹之间，均值为7.04 mg∙L⁻¹；监测海域溶解氧浓度最大值出现在5号站，最小值出现在2号站。监测海域所有站位海水的溶解氧浓度均符合第一类海水水质标准。

化学需氧量变化范围在(1.90~2.89) mg∙L⁻¹之间，均值为2.46 mg∙L⁻¹；监测海域海水化学需氧量最大值出现在4号站，最小值出现在6号站。化学需氧量符合第一和第二类海水水质标准的站位比例分别为16.7%和83.3%；按照各站位所处的海洋功能区划所要求的海水水质标准进行评价，化学需氧量污染指数变化范围为0.63~0.96，无超标站位。

无机氮浓度变化范围在(0.354~0.439) mg∙L⁻¹之间，均值为0.406 mg∙L⁻¹；监测海域无机氮浓度最大值出现在2号站，最小值出现在4号站。无机氮符合第三、四类海水水质标准的站位比例分别为33.3%和66.7%；按照各站位所处的海洋功能区划所要求的海水水质标准进行评价，无机氮污染指数变化范围为1.18~1.46，超标站位比例为100%。

活性磷酸盐浓度变化范围在(0.00252~0.00393) mg∙L⁻¹之间，均值为0.00328 mg∙L⁻¹；监测海域活性磷酸盐最大值出现在1号站，最小值出现在5号站。监测海域海水活性磷酸盐全部符合第一类海水水质标准。按照各站位所处的海洋功能区划所要求的海水水质标准进行评价，活性磷酸盐污染指数变化范围为0.08~0.13，无超标站位。

总氮浓度变化范围在(0.00103~0.00126) mg∙L⁻¹之间，均值为0.00111 mg∙L⁻¹；监测海域总氮最大值出现在3号站，最小值出现在6号站。

总磷浓度变化范围在(0.0391~0.0752) mg∙L⁻¹出现在3号站，最小值出现在2号站。

叶绿素a浓度变化范围在(5.97~17.0) µg∙L⁻¹之间，均值为11.5 µg∙L⁻¹；监测海域叶绿素a最大值出现在4号站，最小值出现在2号站。

2021年8月调查海域海水水质超标因子主要为无机氮，这与王娟娟 [20]、徐冠球 [21] 等在该区域的研究结果相一致；所有站位无机氮均超出第二类海水水质标准要求，符合第三、四类海水水质标准的站位比例分别为：33.3%和66.7%。除此之外，其他各项监测因子均能满足其相应的海洋功能区划要求。

3.1.2. 多项水质参数综合指数法

多项水质参数综合指数法是以单因子污染指数法为基础，将每个水质指标的实测浓度与评价标准之比作为单个污染指数，再将各单个污染指数相加计算算术平均值，进而求出综合污染指数，从而判断水体的污染程度 [19]。由表3可知，天津大港滨海湿地生态系统附近海域多项水质参数综合指数的范围为0.54~0.76，平均值为0.65。除1号站位为轻度污染(0.75 < Q_i < 1.00)外，其他站位评价结果均为清洁(Q_i < 0.75)。所有站位水质参数综合指数均符合第二类海水水质标准要求，总体评价结果为清洁。

表3. 多项水质参数综合指数法评价结果

3.1.3. 水质有机污染指数法

水质有机污染指数能够反映水体的有机污染状况，该方法选取COD、DIN、DIP和DO四个指标作为评估因子，侧重于对水质的有机污染状况进行评估。由表4可知，天津大港滨海湿地生态系统附近海域有机污染指数范围为0.64~1.09，平均值为0.87。除1号站位评价结果为开始污染(1 ≤ A < 2)外，其他各站位评价结果均为较好(0 ≤ A < 1)。调查海域水质有机污染指数法总体评价结果为较好。

表4. 水质有机污染指数评价结果

3.1.4. 富营养化指数法

富营养化指数由冈市友利于1972年提出 [15]，是对水体富营养化程度进行评价的指标，富营养化会造成浮游生物的过度繁殖，与海水中赤潮、绿潮的发生密切相关 [22]。由表5可知，天津大港滨海湿地生态系统附近海域有机污染指数范围为0.53~1.00，平均值为0.73。其中1号站评价结果为富营养(1.0 < E < 3.0)，其他各站位评价结果均为中营养(0.5 £ E < 1.0)。调查海域富营养化指数法总体评价结果为中营养状态。

表5. 富营养化指数法评价结果

3.2. 大型底栖生物评价

3.2.1. 大型底栖生物种类组成

2021年8月调查海域共鉴定出大型底栖生物6大类38种(含未定名种)，其中环节动物15种，占种类组成的39.5%；软体动物14种，占种类组成的36.8%；节肢动物4种，占种类组成的10.5%；螠形动物和棘皮动物各2种，均占种类组成的5.3%，纽形动物1种，占种类组成的2.6% (图2，表6)。由此可知环节动物、软体动物和节肢动物是大型底栖生物种类组成的主要部分。

图2. 调查海域大型底栖生物种类组成百分比示意图

表6. 调查海域大型底栖生物种名录

3.2.2. 优势种

2021年8月调查海域大型底栖生物优势种及其优势度见表7，调查海域大型底栖生物优势种有6种(优势度 ≥ 0.02)，其中软体动物2种，环节动物、节肢动物、棘皮动物和螠形动物各1种，具体为短吻铲荚螠、小荚蛏、长岛角螺、绒毛细足蟹、棘刺锚参和不倒翁虫。其中短吻铲荚螠优势度最高，在所有测站中出现的频率为16.7%，是本次调查海域大型底栖生物群落的第一优势种，平均密度为155.0 ind∙m⁻²，占总密度的13.3%；小荚蛏为第二优势种，在所有测站中出现频率为50.0%，平均密度为20.0 ind∙m⁻²，占总密度的5.2%；长岛角螺为第三优势种，出现频率为83.3%，平均密度为58.0 ind∙m⁻²，占总密度的24.9%。

表7. 调查海域大型底栖生物优势种及其优势度

3.2.3. 种群密度和生物量分布

2021年8月调查海域大型底栖生物平均密度为194 ind∙m⁻²，各站位数量波动范围在(100~310) ind∙m⁻²之间，站位间的种群密度分布差异较小，密度最高值出现在3号站位，最低值出现在6号站位(图3)；大型底栖生物平均生物量为16.2076 g∙m⁻²，各站位数量波动范围在(7.8060~46.5795) g∙m⁻²之间，站位间生物量差异较明显，调查海域大型底栖生物生物量在4号站位最高，在1号站位生物量最低(图3)。

图3. 调查海域底栖生物密度、生物量分布示意图

3.2.4. 群落特征参数

2021年8月份底栖生物多样性指数平均为2.66，各站位波动范围在2.33~3.40之间；均匀度指数平均值为0.75，各站位波动范围在0.65~0.89之间；站位优势度均值0.61，各站位波动范围在0.44~0.70之间；丰度均值1.43，各站位波动范围在1.14~1.87之间(表8)。根据《滨海湿地生态监测技术规程》 [23] 可知，2021年8月监测海域大型底栖生物多样性指数均处于中等水平。

表8. 调查海域大型底栖生物群落特征参数

4. 结论

水质评价结果表明，2021年8月调查海域海水水质超标因子主要为无机氮，与2015年该区域的相关研究结果 [20] [21] 相一致；除此之外，其他各项监测因子均能满足其相应的海洋功能区划要求。

大型底栖生物评价结果表明，2021年8月调查海域大型底栖生物多样性指数均处于中等水平。与2015年 [24] 相比，调查海域大型底栖生物种类有所增加；优势种由单一优势种凸壳肌蛤增加为短吻铲荚螠、小荚蛏、长岛角螺等6种；大型底栖生物平均密度和平均生物量有所降低，多样性指数有所增加。

基金项目

北海局海洋科技项目(202115)。

文章引用

王 红,阚文静. 天津大港滨海湿地附近海域海洋生态环境质量评价
Evaluation of Marine Ecological Environment Quality in the Adjacent Sea Area of Tianjin Dagang Coastal Wetland[J]. 海洋科学前沿, 2022, 09(02): 128-139. https://doi.org/10.12677/AMS.2022.92014

参考文献