大亚湾海域生境多样、生物资源丰富，是我国最重要的亚热带水产种质资源宝库之一，但近年来，随着大亚湾沿岸人口剧增，城市和工业化迅速发展，人类活动对大亚湾生态环境的影响受到学者的广泛关注。自20世纪80年代初开始，开展了多次全面、系统的环境调查，20余年来积累了大量现场观测数据和研究成果^[1]。在环境评价领域，曾有多位学者从大亚湾的营养盐^[2]、重金属^[3]和海上施工对生态环境影响^[4]等角度，开展过一系列单项和局部评价研究。大量历史和现状资料的对比研究表明，大亚湾生态环境的诸多方面，如水体营养状态、生产力、生物量等正处于快速退化的状态^[5]。在这种状况下，从整体尺度系统全面地了解大亚湾海域生态环境的质量现状，显得更加必要和迫切，它可为大亚湾生态环境整体演化方向和机理的研究提供科学依据，同时也将为环境、资源的有效保护、合理开发提供决策的科技支撑。

1.   材料与方法

1.1   样品采集和处理

于2005年5月24日至25日对大亚湾海域进行全面、细致的调查，调查范围和站位见图 1。调查过程中所有样品的采集与分析均按《海洋监测规范》^[6]的规定进行。

图  1  大亚湾海域生态环境调查站位

Figure  1.  Sampling stations for the ecological environment investigation in Daya Bay

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1.2   地理信息数据库的建立

使用桌面GIS软件ArcInfo 9.0建立个人地理信息数据库(personal geodatabase)。利用中国地图出版社出版的1 : 100 000中国基础地理信息图作为底图，进行屏幕数字化。将数字化地图和海洋调查获得的各项环境因子数据一起导入个人地理信息数据库，完成环境地理信息数据库的构建。

1.3   确定指标体系和管理目标

根据文献[7] ~ [10]的研究成果和大亚湾海域的具体情况，遴选了代表水质状况的有机污染指数(A)、营养水平指数(E)、溶解态无机氮(DIN)、活性磷酸盐(PO₄^3--P)，以及初级生产力(PP)和代表生物资源状况的浮游植物多样性指数(DI)、浮游植物丰度(P)、浮游动物生物量(Z)和底栖生物生物量(B)等9项指标组成指标体系。

根据有关环境质量评价标准和研究成果，对每项指标提出了管理目标，作为本研究的评价标准。指标体系和管理目标详见表 1。

表  1  大亚湾海域环境质量综合评价指标体系和管理目标

Table  1.  Indicators and management objectives for the Daya Bay ecological environment quality comprehensive assessment

指标 indicator	管理目标 management objective	相关文献 reference
溶解态无机氮/mg·L-1(DIN) dissolved inorganic nitrogen	≤0.2	海水水质标准GB3097-1997 sea water quality standard GB3097-1997
活性磷酸盐/mg·L-1(PO43--P) reactive phosphate	≤0.015	海水水质标准GB3097-1997 sea water quality standard GB3097-1997
有机污染指数(A) organic pollutant index	≤1	[7]~[10]
营养水平指数(E) eutrophic level index	≤0.5	[7]~[10]
初级生产力/mgC·m-3·d-1(PP)  primary productivity	≥600	[7]~[10]
浮游植物多样性指数(DI)  phytoplankton diversity index	≥3.5	[7]~[8]
浮游植物丰度/×104 ind·m-3(P)  phytoplankton abundance	≤20	[7]~[8]、[11]
浮游动物生物量/mg·m-3(Z)  zooplankton biomass	≥100	[7]~[8]、[11]
底栖生物生物量/g·m-2(B)  zoobenthos biomass	≥100	[7]~[8]、[11]

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1.4   生态环境质量综合评价方法

一般情况下，海洋环境无特定污染源或个别污染物造成严重污染时，采用加和平均型综合指数法评价能很好地反映海洋环境综合质量^[7-8]。评价公式如下：

式中PI为环境综合质量指数，P_i为指标体系中各评价指标的环境质量分指数。

大亚湾海域海洋环境质量状况等级划分见表 2。

表  2  大亚湾海域生态环境质量分级

Table  2.  Grade for ecological environment quality of Daya Bay

项目 item	生态环境质量分级 grade for ecological environment quality
指数范围 index range	0~0.2	0.2~0.4	0.4~0.6	0.6~0.8	0.8~1
质量状态 quality state	很差	较差	临界状态	较好	很好

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评价指标分指数的计算，对于正向指标，即指标数值越大环境质量越好的指标，环境质量分指数按下式计算：

对于逆向指标，即指标数值越小环境质量越好的指标，分指数按下式计算：

式中：P_i为第i项指标的环境质量分指数；I_i为第i项指标的数值；I_oi为第i项指标的管理目标值。由式(2)、(3)可见，P_i的数值反映了各单项指标与管理目标之间的距离。其数值位于0与1之间，1表示达到或优于管理目标，小于1表示未达到管理目标。距离目标越远，数值越接近0。

各指标质量分指数的分级参照综合质量指数的分级标准(表 2)。

1.5   空间分析

在ArcInfo 9.0环境下，利用空间插值、栅格计算等空间分析手段，分别计算各指标的环境质量分指数和大亚湾环境质量综合指数，绘制“大亚湾海域环境质量综合评价图”。

1.5.1   空间插值

对各单项指标的数值进行空间插值，将离散的点数据转化为连续的面数据。由于海洋环境数据常具有变异性强、存在极大或极小值、样本量不充分等特点^[12]，给准确进行空间插值带来很大的挑战。本研究选用在海洋环境领域表现优异^[13]，且应用广泛^[14-15]的普通克里格法(Ordinary Kriging)，并使用ArcInfo 9.0的Geostatistical Analyst模块对插值参数进行优化，保证了插值结果的精确性。插值精度设置为20 m，栅格数量为878×820。

1.5.2   栅格计算

在各单项指标空间插值栅格图的基础上，使用ArcInfo 9.0的Spatial Analyst模块，根据环境质量分指数计算公式[式(2)、式(3)]进行栅格计算，得到各指标环境质量分指数的空间分布栅格图。之后，根据环境质量综合指数公式[式(1)]，将各指标环境质量分指数栅格图进行叠加和栅格计算，最终得到大亚湾海域环境质量评价图。

2.   结果

2.1   单项指标环境质量分指数

大亚湾各单项指标环境质量分指数空间分布状况见图 2。图中深色部分为已达到和优于各指标管理目标的区域，浅色部分为尚未达到管理目标的区域。显然，各指标环境质量分指数的空间分布状况差异很大，其中DIN和Z在整个研究海域中均已达到或优于管理目标，而DI和P在整个研究海域中均未达到管理目标。A和B在大部分海域已达到管理目标，达标海域占全部评价海域的面积百分比分别为86.28%和94.33%。两者未达标处均大致位于湾顶部海域，PO₄^3--P、E和PP 3指标仅有少部分区域达到管理目标，达标面积比分别为12.20%、12.44%、13.76%。达标区域分别位于湾口、中央列岛附近和评价海域西北部澳头附近海域。

图  2  大亚湾海域各单项指标环境质量空间分布图

Figure  2.  The simulation of spatial distribution patterns of each indicator′s ecological environment quality in Daya Bay

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2.2   环境质量综合评价

大亚湾海域生态环境质量综合评价的结果见图 3和表 3、表 4。

图  3  大亚湾海域生态环境质量综合评价图

Figure  3.  The simulation of spatial distribution patterns of the ecological environment quality in Daya Bay

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表  3  大亚湾海域生态环境质量评价结果

Table  3.  Assessment results for the Daya Bay ecological environment quality

区域 region	面积/km2 area	面积比/% area ratio	平均质量综合指数 synthetic index mean
临界状态区 region with fair quality state	12.43	4.32	0.54±0.0304
质量较好区 region with better quality state	268.69	93.41	0.71±0.0434
质量很好区 region with best quality state	6.54	2.27	0.80±0.0015
全部评价区域 whole assessment region	287.66	100	0.71±0.0568

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表  4  大亚湾海域各环境质量区域范围内的质量分指数平均值

Table  4.  Environment quality fractional index mean in every environment quality region of Daya Bay

区域 region	溶解态无机氮 (DIN)	活性磷酸盐 (PO43--P)	有机污染指数 (A)	营养水平指数 (E)	初级生产力 (PP)	浮游植物多样性指数 (DI)	浮游植物丰度 (P)	浮游动物生物量 (Z)	底栖生物生物量 (B)
临界状态区 region with fair quality state	1.00	0.59	0.66	0.29	0.75	0.35	0.0037	1.00	0.23
质量较好区 region with better quality state	1.00	0.80	0.94	0.58	0.69	0.39	0.0044	1.00	1.00
质量很好区 region with best quality state	1.00	1.00	1.00	1.00	0.71	0.51	0.0131	1.00	1.00
全部评价区域 whole assessment region	1.00	0.80	0.93	0.57	0.69	0.39	0.0046	1.00	0.96

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从总体来看，大亚湾海域生态环境质量处于较好水平，全部栅格的质量综合指数平均数为0.71±0.0568(表 3)。从各指标的平均质量分指数来看(表 4)，E的质量处于临界状态，DI处于较差水平，P的分指数最接近0，处于很差的水平，这可显示出目前大亚湾海域生态环境状况的主要特征。

从环境质量的空间分布趋势来看，大亚湾海域按环境质量的级别，可被划分为3个区域(图 3)。

(1) 质量很好区，面积占全部评价海域的2.27%，质量综合指数平均为0.80±0.0015，位于湾口中部“小辣甲岛”附近海域。区内有多达6个指标(DIN、PO₄^3--P、A、E、Z、B)的平均环境质量分指数为1，完全达到管理目标。该区是大亚湾海域环境质量最理想的部分，位于中央列岛腹地，远离海岸带和航道，较少受到陆地和人类活动的干扰。本区内DI和P的质量分指数虽比其他区域和全海域平均水平都高(表 3、表 4)，但仍分别处于临界和很差水平，说明该区在浮游植物的生物量和多样性方面仍然需要加强管理和调控。

(2) 质量较好区，面积占全部评价海域的93.41%，质量综合指数平均为0.71±0.0434。该区域与大亚湾海域环境质量的整体状态比较一致，质量分指数小于0.6的指标同为E、DI、P。

(3) 临界状态区，面积占全部评价海域的4.32%，质量综合指数平均为0.54±0.0304，位于湾顶中部海域。该区环境质量分指数小于0.6的指标有5个，从小到大依次为P、B、E、DI、PO₄^3--P，并且此5指标皆小于其它2区和大亚湾整体水平(表 3、表 4)，可见该区域的生态环境存在多方面的问题，正处于生境退化的临界状态，从污染物的输入、营养水平、饵料生物水平、生物多样性等各方面都亟需加强管理。该区域靠近大亚湾的石化工业基地，工业面源和点源污染都比较强烈，是人类活动干扰海域生态环境的典型区域，因而解决该区诸多环境问题的关键在于加强工业污染的控制和治理。

3.   讨论

3.1   关键环境问题的诊断与管理建议

各单项指标的质量状态评价显示，大亚湾水体营养水平偏高，浮游植物生物量偏高、多样性偏低是目前该海域环境质量所面临的主要问题。由于浮游植物生物量增高、生物多样性降低是水体富营养化后会出现的典型状况^[16]，所以推断营养水平偏高可能是目前大亚湾海域生态环境存在的最关键问题。

在大亚湾营养状态方面，王友绍等^[1]对比近20年来的监测数据，认为目前大亚湾已由贫营养状态发展到中营养状态，局部海域已出现富营养化的趋势；王肇鼎等^[5]利用总氮、总磷和指示生物星杆藻、绿藻对大亚湾的营养状况进行评价，结果认为大亚湾海域目前已处于中等营养水平，局部水域已有富营养化迹象，而且富营养化的趋势还在继续。本研究得到的整体营养水平分指数为0.57，处于营养环境的临界状态，而临界区营养水平分指数为0.29，已处于较差状态，这和以上2位学者的结论是一致的。

营养水平提高是水体中营养盐和有机物过量积累形成的^[16]。在大亚湾营养盐含量变化趋势方面，有关学者大时间尺度的研究结论基本一致^{[1, 5]}，即近20多年来，特别是20世纪80年代中期之后，大亚湾水体中的无机氮呈逐年递增的趋势，总无机氮(TIN)到目前为止已升高了2倍多，而20多年间PO₄^3--P和活性硅酸盐的含量均有大幅下降。在有机污染物方面，王肇鼎等^[5]通过比较近几年海水中生化耗氧量(BOD₅)的含量发现大亚湾水体中的有机物确有增加。综上所述，造成大亚湾海域营养环境现状的主要原因是海水中无机氮和有机物的含量升高。因而，有效调控水体中这2类物质的含量就可能成为解决大亚湾营养问题乃至整个环境问题的关键。

3.2   管理目标的提出和分指数的计算

本研究对每个单项指标提出了管理目标，作为本次评价的标准，相比于其他海洋环评的评价标准，特别强调了管理目标的可操作性，在制定过程中充分考虑了大亚湾海域环境的实际状况以及目前的管理水平。这套管理目标直接面向环境管理的实际，是在一个时间段后(10年或20年)切实能够实现的目标，而不盲目追求标准的严格和环境质量的完美。

不同于在海洋环评领域广泛采用的单因子质量指数法^[7-11]，本研究将各单项指标分为正向和逆向2类，分别使用不同公式计算其环境质量分指数，并且在指标数值达到和优于管理目标时对分指数统一赋值，这样得到的环境质量分指数能够直观地反映现状与管理目标的差距，对环境管理更具现实的指导意义。

3.3   亚区的划分

由于海洋生境的多样性和变异性，忽视生境间的客观差异，对整个海域使用同一评价模型，很可能难以反映某些位置环境质量的真实状况，甚至可能出现错误的判断。对环境的管理者来说，这种统一的管理目标，也往往难以操作。根据生境类型划分亚区，针对不同的亚区使用不同的指标体系和评价标准是更为科学的评价方法。由于本次评价的范围未覆盖大亚湾海域全境，因此，未进行亚区的划分，有待进一步深入研究。亚区的划分强调对水文、地质、气象等多方面资料的参考，根据充实的理论依据，筛选关键的环境因子，综合推理和判断。PANTUS等^[15]根据水深、水滞留时间(water residence time)和地质条件等将澳大利亚的Moreton湾划分为8个报告亚区，并把水深作为主要划分标准。结果这些亚区可以帮助管理者更好地追踪管理行动的效果，不断调整未来的管理方案。本研究的结果也可以为大亚湾海域亚区的划分提供依据。

3.4   GIS技术的应用

目前，对海洋环境和资源的宏观评价、规划和管理，由于研究区域范围广、涉及因素多，而样本量有限，使得传统方法很难在研究结果的精确性和分辨率上获得突破，尤其是在数据空间分布趋势分析方面，传统方法的缺陷最为明显。将GIS技术引入海洋环境科学领域，与传统的技术方法相融合，借助GIS强大的空间数据管理和空间分析功能，可以有效地弥补传统方法的弊端，提升海洋环境科学研究的效率。