張露，田濤，馬智，劉永虎，楊軍，劉漢超

(1.大連海洋大學 遼寧省海洋牧場工程技術研究中心，遼寧 大連 116023；2. 大連金普新區(qū)漁港監(jiān)督，遼寧 大連 116600)

人工魚礁是海洋牧場建設中的基礎生態(tài)工程，是修復與優(yōu)化近岸海域生態(tài)環(huán)境的重要技術手段之一，也是水生生物人工生境開發(fā)的主要建設內容之一。通常使用廢舊船只、不規(guī)則混凝土構件、石塊等材料制作礁體，投放在水深、底質、潮流等環(huán)境適宜的海域[1]，通過改變魚礁周圍海域的流、光、音、味、底質等非生物環(huán)境因子，引起生物環(huán)境的變化[2]，使大量生物聚集在魚礁周圍，達到改善海域生態(tài)環(huán)境，聚集、養(yǎng)護和增殖漁業(yè)資源的目的[3-4]。

大長山島鎮(zhèn)位于大連市長?？h，其海洋生物資源豐富，盛產海膽、櫛孔扇貝、海參等名貴的海珍品[5]。近年來，由于無序的開發(fā)利用，海洋生態(tài)環(huán)境遭到一定破壞，部分近岸海域呈現海底荒漠化，野生資源已近枯竭。隨著海洋牧場建設的興起，海水增養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。通過投放人工魚礁營造海底生境，結合底播刺參生態(tài)苗種，于2013年11月建設了大長山人工生境開發(fā)示范區(qū)，自建成以來未進行漁業(yè)、水質建設效果對比評價。為此，本研究中根據2013—2014年示范區(qū)水質環(huán)境的調查結果，分析了該示范區(qū)水質環(huán)境的變動情況及優(yōu)化效果，以期為綜合評價人工生境示范區(qū)建設效果提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查時間及站位設置

調查海域為大長山人工生境開發(fā)示范區(qū)，范圍為(39°16.274′～39°18.059′N，122°36.938′～122°40.505′E)。調查期間，采用GPSMAP 60CSx 型全球衛(wèi)星定位系統在投放人工魚礁的海域設置5個采樣站位，并在附近海域選擇2個采樣點作為對照點，站位分布見圖1。

自2013年5月開始至2015年3月結束，分別在2013、2014年的5月、8月、11月及次年3月進行出海調查，共進行7個航次的調查。

1.2 方法

對大長山人工生境示范區(qū)的水文環(huán)境進行調查，測定項目包含水溫、鹽度、pH等20個水化學指標。取樣分析方法參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 173784-2007)[6]。

1.2.1 主成分分析評價法 主成分分析法(PCA)也稱主變量分析法，是將數據降維研究或特征提取的研究方法，其主要操作原理是將一組相關變量線性變換為另一組不相關的變量，從而使研究更加簡便[7]。優(yōu)勢在于可從多個變量中篩選出最具影響的綜合因子，最大限度地保留原有信息并客觀地確定各個指標的權重，可避免主觀的隨意性[8]?；谏鲜鰞?yōu)點，主成分分析法已被廣泛應用于水質分析、水體富營養(yǎng)化及重金屬污染分析等方面[8-14]。

圖1 調查站位分布圖Fig.1 Sampling sites during the survey

本研究中，分析指標為水溫(X1)、鹽度(X2)、pH(X3)、化學需氧量(COD)(X4)、溶解氧(DO)(X5)、總氮(TN)(X6)、總磷(TP)(X7)、無機氮(DIN)(X8)、銨鹽(X9)、硝酸鹽(X10)、亞硝酸鹽(X11)、葉綠素(X12)、活性磷酸鹽(X13)、銅(Cu)(X14)、鎘(Cd)(X15)、鉛(Pd)(X16)、砷(As)(X17)、鋅(Zn)(X18)、汞(Hg)(X19)、石油類(X20)。

(1)數據標準化。將原始數據標準化可以排除數量級及量綱不同對結果帶來的影響[7]，其計算公式為

(1)

(2)建立標準化數據矩陣。使用標準化后的數據建立標準化數據矩陣，其計算公式為

X=(Xij)n×p。

(2)

其中：n為樣本數；p為每個樣本的指標數。

(3)建立相關系數矩陣。根據標準化數據矩陣計算對應的相關系數矩陣R，同時計算R的特征值和特征向量[9]，其計算公式為

(3)

R=(rij)p×p。

(4)

(4)轉化主成分。根據特征根對應的特征向量lg1，lg2，…，lgp，將標準化的指標轉化為主成分[15]，主成分(Fg)計算公式為

Fg=X×lgi。

(5)

(5)確定主成分個數。特征值表示了主成分對指標變量影響的力度大小，若特征值小于1.0，說明主成分對結果的解釋力度不夠[16]。根據主成分特征值大于1.0的原則確定主成分個數[17]。

(6)主成分綜合得分。計算主成分的值及各主成分的方差貢獻率，然后計算主成分的綜合得分[18]，其計算公式為

Fig=Xi1lg1+Xi2lg2+…+Xiplgp，

(6)

(7)

其中，λg為特征值。本研究中規(guī)定，主成分得分F≤1為Ⅰ類水質，13為Ⅲ類水質。

1.2.2 單因子指數評價法 用單因子指數法，將評價因子與《海水水質標準》(GB3097—1997)進行比較，以確定各個評價因子代表的水質類別，在所有評價因子的水質類別中，選取最差的水質類別作為整個水體的水質類別，并確定水體中最為主要的污染因子。除溶解氧指數與pH指數計算方法不同外，其余因子指數的計算方法如下：

Ii=Ci/Si。

(7)

其中：Ii為第i項評價因子的標準指數；Ci為第i項評價因子的實測濃度；Si為第i項評價因子的評價標準。

溶解氧指數(Pi)計算方法為

Pi=(Cimax-Ci)/(Cimax-CiO)。

(8)

其中：Cimax為本次調查中溶解氧含量的最大值(mg/L)；CiO為溶解氧的評價標準(mg/L)。

pH指數(SpH)計算方法為

SpH=|pH-pHsm|/Ds，

(9)

pHsm=(pHsu+pHsd)/2，

(10)

Ds=(pHsu-pHsd)/2。

(11)

其中：pHsm為標準中規(guī)定的pH上下限的平均值；Ds為標準中規(guī)定的pH上下限差值的一半；pHsu為標準中規(guī)定的pH的上限值；pHsd為標準中規(guī)定的pH的下限值。

1.3 數據處理

主成分分析使用SPSS軟件進行[19]。主成分得分和原始變量的相關系數分析使用斯皮爾曼檢驗分析[20]。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

本研究中，KMO統計量為0.625，Bartlett的球形檢驗值小于0.001，說明本次收集數據對主成分分析法的適用性較好，變量間存在相互關系，適用于主成分分析法。采取特征值大于1.0的原則確定選擇前6種主成分，這6種主成分解釋了79.165%的結果，初始主成分及選擇的主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率如表1所示。主成分分析中的因子荷載值如表2所示。

表1矩陣的特征根、方差貢獻率和累計貢獻率

Tab.1 Eigenvalues, variance contribution and accumulative contribution rates in principal components%

表2 主成分分析中的因子荷載值Tab.2 Various factors loadings in principal components

荷載值代表了各個指標與主成分間的相關性關系，指標與某個成分的荷載絕對值越大，就說明指標與該成分的相關性越強[20-21]。主成分1對總方差的貢獻率為25.640%，其中銨鹽、無機氮、溶解氧等占有較高權重，無機氮營養(yǎng)鹽等會為水域的浮游植物提供營養(yǎng)物質基礎[22]，故主成分1被命名為初級生產力指標。主成分2對總方差的貢獻率為19.822%，其中鹽度、水溫占有較高權重，鹽度是重要的物理因子，對藻類生長及水體富營養(yǎng)化有重要影響[23]，主成分2屬于物理環(huán)境因子。主成分3對總方差的貢獻率為13.735%，占有較高權重的為鋅、鉛。主成分4對總方差的貢獻率為9.095%，占有較高權重的為砷、銅，主成分3和主成分4同屬于重金屬指標。主成分5對總方差的貢獻率為5.605%，占有較高權重的為活性磷酸鹽、汞。主成分6對總方差的貢獻率為5.268%，占有較高權重的為硝酸鹽。

2.2 主要水質狀況的時空分布特征

根據主成分得分計算公式，分別計算出大長山海域投放人工魚礁前后示范區(qū)及對照區(qū)的主成分得分，變化趨勢見圖2。通過計算得出，大長山海域2013年11月前示范區(qū)主成分得分平均值為-0.123，變化范圍為-0.972～0.582，對照區(qū)主成分得分平均值為-0.144，變化范圍為-0.638～0.105；2013年11月后示范區(qū)主成分得分平均值為0.040，變化范圍為-1.535～3.646，對照區(qū)主成分得分平均值為0.104，變化范圍為-1.322～3.706。除2014年8月航次示范區(qū)得分為3.646、對照區(qū)得分為3.706外，其余航次得分均不超過0.6，結果表明，大長山海域總體水質情況良好。

圖2 示范區(qū)與對照區(qū)主成分得分隨時間變化Fig.2 Changes in score of main components in the demonstration area and control area with experimental dates

2.3 單因子指數分析

示范區(qū)和對照區(qū)單因子指數計算結果見圖3、圖4。按照《海水水質標準》(GB3097—1997)，將調查結果與Ⅰ類海水標準進行對比，示范區(qū)所有調查項目均符合Ⅰ類海水標準(圖3)，對照區(qū)除2014年8月航次汞金屬指標得分為1.05外，所有調查項目均符合Ⅰ類海水標準(圖4)。將對照區(qū)每個航次汞離子的調查結果與Ⅱ類海水標準比較，結果表明全部符合Ⅱ類海水標準。本研究表明，示范區(qū)水質良好，屬Ⅰ類海水，對照區(qū)2014年8月航次調查水域屬Ⅱ類海水，其余航次調查水域均屬Ⅰ類海水。單因子指數分析結果與主成分分析結果基本一致。

圖3 示范區(qū)單因子指數分析圖Fig.3 Graph of single factor index in the demonstration area

圖4 對照區(qū)單因子指數分析圖Fig.4 Graph of single factor index in the control area

3 討論

3.1 水環(huán)境因子的時間分布

運用主成分分析法將20個水質指標綜合為6個主成分，解釋了79.165%的結果，基本能夠反映原指標信息。結果表明，大長山海域整體水質情況良好。

2014年5月水質污染較輕，這可能是因為5月光照條件好，水體中的浮游植物及礁體上附著的藻類增多，對水體中營養(yǎng)鹽等利用率增高，從而改善了水質[24]。這與唐偉堯[25]的研究結果春季是藻類群落豐富度指數和均勻度指數最高的季節(jié)相符。2014年8月水質污染較為嚴重，可能是因為7、8月份為雨季，大量的降雨使得陸地上淡水中的營養(yǎng)鹽、重金屬等物質向海洋中轉移，過強的光照、過高的溫度等自然條件限制了浮游植物的活性，降低了營養(yǎng)鹽的利用率，大量的營養(yǎng)鹽無法被利用，海水中營養(yǎng)鹽濃度增加，呈現富營養(yǎng)化趨勢。此外，7、8月份為漁業(yè)主要作業(yè)月份，大量漁船從碼頭出發(fā)從事捕撈活動，沿岸的重金屬、營養(yǎng)鹽等物質被帶入海洋中，同時船舶在作業(yè)時會產生大量的石油類污染物，也是海水污染的一個重要因素。

3.2 水環(huán)境因子的空間分布

現有關于人工魚礁投放效果的研究表明，人工魚礁的環(huán)境功能包括許多方面，例如，長期投放人工魚礁后會使海水特質發(fā)生變化，減緩富營養(yǎng)化的發(fā)展進程，可以改善海洋漁場和增養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，提高海域生物多樣性，使得海域中生物結構更加穩(wěn)定等[26-33]。

鑒于大長山人工生境示范區(qū)水域目前并無其他可參考的水質數據，因此，本研究只對此次調查數據進行分析，對比示范區(qū)與對照區(qū)的水質參數。本研究中，大長山海洋牧場示范區(qū)及對照區(qū)水質對比結果表明，包括溫度、鹽度、透明度在內的海洋水文環(huán)境因子無明顯差異，其原因可能是因為投放人工魚礁時間較短且示范區(qū)與對照區(qū)距離較近，從而使水文變化呈現相同趨勢。而營養(yǎng)鹽及重金屬調查結果表明，示范區(qū)與對照區(qū)有輕微差異但不顯著，其主要原因可能是投放人工魚礁后示范區(qū)的水質得到了改善，但由于示范區(qū)與對照區(qū)地理距離相距較近，海水在洋流的作用下不斷交換，導致示范區(qū)和對照區(qū)環(huán)境條件趨于相近。這與秦伯強等[34]提出水體中營養(yǎng)鹽的分布與存在形式會受到水動力條件的影響，以及陳偉民等[35]提出水動力條件會改變水體中理化環(huán)境因子及懸浮物、透明度、pH和營養(yǎng)鹽的濃度的觀點相符。建議未來在對大長山人工生境示范區(qū)建設評價時，應在較遠地點設置對照點，以期達到更好的對比效果。