趙增霞, 王 芳 劉 群, 張光濤

(1.中國海洋大學(xué), 山東 青島 266003; 2.中國科學(xué)院海洋研究所 膠州灣生態(tài)系統(tǒng)研究站, 山東 青島266071)

膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況及分析

趙增霞1,2, 王 芳1, 劉 群2, 張光濤2

(1.中國海洋大學(xué), 山東 青島 266003; 2.中國科學(xué)院海洋研究所 膠州灣生態(tài)系統(tǒng)研究站, 山東 青島266071)

基于2006年2月、5月、8月、11月膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果, 采用單因子指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)、有機(jī)污染指數(shù)對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明： 該海域主要受到無機(jī) N、P污染; COD在夏、秋季符合一類, 但在冬、春季只達(dá)到國家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn); DO全部符合國家一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過站位間的比較發(fā)現(xiàn), 東北部滄口水域環(huán)境質(zhì)量最差, 全年處于富營養(yǎng)化狀態(tài), 有機(jī)污染介于輕度到嚴(yán)重污染之間。紅島附近水質(zhì)較好, 不存在有機(jī)污染, 只有春、秋季達(dá)到富營養(yǎng)化水平。研究結(jié)果顯示該海域主要受陸源污染, 且與現(xiàn)有污水處理不能有效去除無機(jī)N、P營養(yǎng)鹽有關(guān)。

膠州灣; 養(yǎng)殖海區(qū); 海水水質(zhì)評(píng)價(jià); 富營養(yǎng)化; 有機(jī)污染

膠州灣是青島市形成和發(fā)展的搖籃, 是青島的“母親灣”。但伴隨著城市化的進(jìn)程和沿岸經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展, 膠州灣海域面積不斷縮小, 納潮量降低, 海水污染嚴(yán)重, 生物多樣性面臨危機(jī), 自然和生態(tài)環(huán)境受到很大影響。已有研究表明東北部海域是膠州灣富營養(yǎng)化最嚴(yán)重的區(qū)域[1,2]。海泊河、李村河和婁山河帶來的大量工業(yè)廢水和生活污水, 加上養(yǎng)殖活動(dòng)自身產(chǎn)生的影響, 使得該海域赤潮和漁業(yè)污染事故時(shí)有發(fā)生。然而, 不同的河流由于流經(jīng)區(qū)域和徑流量的差異, 所攜帶的污染物也各不相同, 豐水期和枯水期水質(zhì)和影響范圍也有所不同[3]。由于膠州灣東北部養(yǎng)殖區(qū)面積較小, 以往的研究多數(shù)忽略了環(huán)境參數(shù)的地理差異。膠州灣生態(tài)站在該海域的監(jiān)測在該海區(qū)加密了調(diào)查站位, 分別在李村河口、女姑口和紅島外設(shè)置了采樣點(diǎn), 旨在通過主要環(huán)境指標(biāo)的季節(jié)和地理變化, 了解膠州灣海水增養(yǎng)殖區(qū)的海洋環(huán)境質(zhì)量狀況及其與主要人類活動(dòng)影響的關(guān)系, 為海水養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和該海域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

1 調(diào)查與方法

1.1 站位和采樣時(shí)間

調(diào)查資料取自膠州灣常規(guī)監(jiān)測站中代表東北部水域的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)站(圖1), 于2006年2月、5月、8月、11月采集樣品。采樣方法按《海洋監(jiān)測規(guī)范》的方法進(jìn)行。

圖1 膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)監(jiān)測站位分布Fig. 1 Monitoring stations in the northeast mariculture zones, Jiaozhou Bay

1.2 分析項(xiàng)目和方法

測定項(xiàng)目有：水溫、pH值、鹽度、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、硝酸鹽(NO3-N)、活性磷酸鹽(PO4-P), 無機(jī)氮(DIN)含量為上述 3種氮化物含量之和, 無機(jī)磷(DIP)含量用PO4-P含量表示。各項(xiàng)營養(yǎng)鹽均為荷蘭產(chǎn)SKALAR流動(dòng)分析儀上分析; pH值、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD) 按《海洋監(jiān)測規(guī)范》的方法分析。水溫和鹽度由CTD測得。

2 評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

2.1 評(píng)價(jià)方法

2.1.1 單因子質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)法[4]

式中,Si為單因子的污染指數(shù);Ci為某污染因子的實(shí)測質(zhì)量濃度;Cio為某污染因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)溶解氧的特點(diǎn), 采用萘墨羅(Nemerow)的指數(shù)公式計(jì)算溶解氧污染指數(shù), 評(píng)價(jià)公式為：

式中,Si溶解氧的污染指數(shù);Ci為溶解氧的實(shí)測值;Cio為溶解氧的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);Cim為本次調(diào)查中溶解氧的最大值。

以單因子污染指數(shù) 1.0作為該因子是否對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的基本分界線, 小于1.0為水域未受該因子污染; 大于1.0表明水域已受到該因子污染。

2.1.2 營養(yǎng)指數(shù)法

營養(yǎng)水平評(píng)價(jià)公式[5]：

式中,E為營養(yǎng)水平指數(shù), COD為化學(xué)需氧量(mg/L);DIN為無機(jī)氮質(zhì)量濃度(mg/L); DIP為無機(jī)磷質(zhì)量濃度(mg/L)。

如E值大于1時(shí), 即為富營養(yǎng)化,E值越高, 富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。

2.1.3 有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法[6]

有機(jī)污染評(píng)價(jià)公式為：

式中,A為有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù), COD為水體的化學(xué)需氧量的實(shí)測質(zhì)量濃度, DIN為溶解態(tài)無機(jī)氮的實(shí)測質(zhì)量濃度, DIP為溶解態(tài)無機(jī)磷的實(shí)測質(zhì)量濃度, DO為溶解氧的實(shí)測質(zhì)量濃度, CODo, DINo, DIPo和DOo分別為水體的上述各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)污染水平評(píng)價(jià)分級(jí)見表1。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)評(píng)價(jià)采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3097-1997)》中的第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 各評(píng)價(jià)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

表1 有機(jī)污染水平評(píng)價(jià)分級(jí)Tab. 1 Classification of organic pollution assessment

表2 水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Assessment standards of water quality

3 結(jié)果

3.1 膠州灣東北部海區(qū)的環(huán)境要素以及營養(yǎng)鹽的水平分布現(xiàn)狀

膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表3。由表3可知, 鹽度季度變化不明顯, 每一個(gè)月份的站位間變化較顯著。2、3號(hào)站由于靠近李村和婁山河口,鹽度在4個(gè)月份均低于1號(hào)站。該海域水溫的地理變化大體與鹽度負(fù)相關(guān), 但趨勢(shì)不如鹽度明顯。冬季表層水溫 2.45～3.10℃, 紅島外水溫最低, 李村河口水溫最高。平均溫度為 15.4℃(2.3～28.9℃), 鹽度為30.5(29.3～31.3), pH 為 8.2(8.00～8.42), DO 平均質(zhì)量濃度為8.9mg/L(6.03～12.47 mg/L), COD平均質(zhì)量濃度為 1.8 mg/L(0.95～3.03 mg/L)。

主要營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度大多隨鹽度升高而降低,說明其補(bǔ)充與陸源淡水輸入有關(guān)。3號(hào)站位的營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度在絕大多數(shù)情況下, 明顯高于1、2號(hào)站。N、P營養(yǎng)鹽的增加引起的生態(tài)效應(yīng)在不同的河口近岸海域是不一樣的, 膠州灣營養(yǎng)鹽的增加其主要原因和人類活動(dòng)密切相關(guān), 東北部水域營養(yǎng)鹽的變化尤甚。

磷在 2月份最低, 8、11月份較高, 尤其是在 3號(hào)站。硝酸鹽和亞硝酸鹽在全年的變化不明顯, 但是氨鹽在8月份有一個(gè)顯著的低值。

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

DIN和DIP的污染指數(shù)在4個(gè)調(diào)查月份都是在3號(hào)站最高, 而DO和COD則略有不同。從時(shí)間序列上看, COD和DO的單因子指數(shù)全年基本上沒有超過1(除5月份2號(hào)站表層), 表明此海域未受該因子沾污,COD值夏秋季符合海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn), 冬春季符合二類標(biāo)準(zhǔn); DO值均符合海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)。DIP單因子指數(shù)3個(gè)站位冬季2月狀況良好, 未受沾污, 其余月份大部分指數(shù)接近1或超過1, 受DIP污染比較嚴(yán)重。該海域全年受DIN污染更加嚴(yán)重, 污染指數(shù)大部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1或接近1。從點(diǎn)位圖看, 1號(hào)站除5月份受無機(jī)氮無機(jī)磷沾污外, 其他月份各項(xiàng)因子均未受沾污。2號(hào)站和3號(hào)站N、P單因子受污染比較嚴(yán)重, 位于東北部滄口水域的3號(hào)站尤為嚴(yán)重(表4)。

表3 膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab. 3 Monitoring data of seawater quality in the northeast mariculture waters, Jiaozhou Bay

表4 膠州灣海水增養(yǎng)殖區(qū)海水單因子質(zhì)量評(píng)價(jià)Tab. 4 Single factor assessment of water quality in mariculture zones, Jiaozhou Bay

調(diào)查海域多數(shù)情況下都呈富營養(yǎng)化水平, 但是1號(hào)站在2、8月份都在1以下, 即沒有達(dá)到富營養(yǎng)化水平。另外, 從有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)來看, 除了1號(hào)站在2、8月份為良好, 1號(hào)站在11月份和2號(hào)站在2月份也達(dá)到較好的水平(表5)。

4 討論

入海徑流攜帶的陸源污染物一直被認(rèn)為是造成膠州灣東北部養(yǎng)殖海域富營養(yǎng)化最主要的原因。通過站位間的比較, 這一點(diǎn)再次在本研究中得到驗(yàn)證。在80年代末就發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽嚴(yán)重污染區(qū)均集中在灣東部的海泊河、李村河和婁山河等河口鄰近海域[6,7]。本次調(diào)查的營養(yǎng)鹽和 COD質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于全灣的表層平均值。營養(yǎng)鹽在60到80年代間升高了數(shù)倍的水平, 90年代又有增加(表6)[7,8]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 膠州灣東北部水域 PO4-P季度平均質(zhì)量濃度比90年代全灣表層平均質(zhì)量濃度增加了3.5倍;NO3-N季度平均質(zhì)量濃度增加了6.4倍; NO2-N增加了5.7倍; NH4-N增加了1.7倍; DIN增加了2.8倍;COD質(zhì)量濃度雖然有所增加, 但遠(yuǎn)不及無機(jī) N、P的增長速度, 其季度平均質(zhì)量濃度比90年代僅增加了0.5倍。根據(jù)同一站位的比較, 60年代3號(hào)站NH4-N測得最高質(zhì)量濃度為 5.8 μmol/L, 80年代為 34.6 μmol/L, 而本實(shí)驗(yàn)中作者測得 3號(hào)站年平均質(zhì)量濃度為 39.2 μmol/L。

表5 膠州灣海水增養(yǎng)殖區(qū)營養(yǎng)水平和有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)Tab. 5 Indices of the nutrient levels and organic pollution assessments in mariculture zones, Jiaozhou Bay

由于陸源輸入強(qiáng)度和水體交換與自凈能力的變化, 造成無機(jī)營養(yǎng)鹽在近岸的富集尤為嚴(yán)重。在本研究中, 1號(hào)站的營養(yǎng)鹽和COD污染狀況要明顯好于3號(hào)站, 2號(hào)站則介于兩者之間。1號(hào)站在2、8月浮游植物高峰期各項(xiàng)營養(yǎng)鹽指標(biāo)幾乎都好于表 6中全灣表層的平均水平, 說明浮游植物的生長消耗是克服富營養(yǎng)化、凈化水體重要的因素。早在60年代, 刁煥祥[9,10]就指出, 在膠州灣東北沿岸, 不但由于咸淡水交混, 而且由于大陸水及城市排水帶來一定的營養(yǎng)鹽, 因而浮游植物通常比較豐富。豐富的浮游植物使沿岸營養(yǎng)鹽受到消耗, 因而沿岸NO3-N、NO2-N及PO4-P等含量降低, 從而使整個(gè)膠州灣趨于均勻。但是 NH4-N的含量卻增加, 雨水和沿岸污水、浮游動(dòng)物的排泄和有機(jī)物分解是其來源之一; 三態(tài)氮的氨化及硝化作用沒有充分進(jìn)行, 沒有達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)是其二。從鄰近海域浮游植物和底棲動(dòng)物的組成上看, 該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并為發(fā)生根本性變化[11,12],只是浮游植物和初級(jí)生產(chǎn)者并不能全部利用過剩的營養(yǎng)鹽。這將是今后進(jìn)行生態(tài)保護(hù)重要的指標(biāo)和著眼點(diǎn)。

表6 膠州灣表層海水中營養(yǎng)鹽含量Tab. 6 Concentrations of nutrients in surface waters in Jiaozhou Bay

從生態(tài)保護(hù)的角度, 人們更加關(guān)心長期的變化趨勢(shì)。根據(jù)在3號(hào)站上的連續(xù)調(diào)查, 主要營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度在 1991～2004年大體保持了升高的趨勢(shì), 但年際的波動(dòng)比較劇烈[13]。也有研究認(rèn)為, 從全灣的情況看, 營養(yǎng)鹽等污染主要發(fā)生在 80、90年代, 此后增長的趨勢(shì)并不明顯。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來, DIN、DIP和石油烴污染范圍都有縮小的趨勢(shì)。COD絕對(duì)值雖然沒有減小, 也有從東北向西部海域轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[2]。從作者的結(jié)果看, 盡管無機(jī)N、P污染范圍有所縮小, 單因子質(zhì)量評(píng)價(jià)顯示在紅島附近只有 5月份達(dá)到污染水平, 2、8月份綜合的營養(yǎng)指數(shù)也降到1以下, 但是在滄口水域的質(zhì)量濃度水平仍然顯著高于90年代的水平。同時(shí), 在污染物組成和營養(yǎng)鹽組分的一些變化也值得今后進(jìn)一步關(guān)注。

首先, 無機(jī)污染的威脅相對(duì)于有機(jī)污染有增加的趨勢(shì)。作者參考 90年代以及2000年以后膠州灣全灣平均值和2006年東北部養(yǎng)殖海區(qū)的平均值做一比對(duì)(表 7), 從 90年代到 2006年, 膠州灣東北部養(yǎng)殖海區(qū)的溫度、鹽度、DO、PH和COD均比以往全灣平均值高, 鹽度低于全灣平均值。溫度、鹽度和pH由于受到水團(tuán)性質(zhì)和調(diào)查時(shí)間的影響, 很難判斷具體的變化趨勢(shì), 但是溶解氧質(zhì)量濃度的升高則充分說明該地區(qū)水體保持了較好的自凈能力。同時(shí),COD質(zhì)量濃度增加的程度也遠(yuǎn)小于無機(jī)N、P質(zhì)量濃度的升高。其次, 無機(jī)污染中不同組分增加的趨勢(shì)也各不相同。從表6中可以看出, 東北部養(yǎng)殖海區(qū)的無機(jī)N營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度與90年代全灣表層的平均質(zhì)量濃度相比, NO3-N、NO2-N和PO4-P的增長速度顯著高于 NH4-N。異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量也是在河口和近岸地區(qū)比較多[14], 而異養(yǎng)浮游細(xì)菌礦化有機(jī)質(zhì)可以產(chǎn)生營養(yǎng)鹽。其中的相關(guān)關(guān)系值得進(jìn)一步深入探討和研究。

表7 膠州灣東北部養(yǎng)殖海域與全灣各環(huán)境要素比較Tab. 7 Comparison of environmental factors between the northeast mariculture waters and the overall average in the Jiaozhou Bay

從上面的討論可以看出, 盡管該地區(qū)水體仍然保持了一定的自凈能力, 但是控制陸源輸入是保持水體環(huán)境質(zhì)量的重中之重。進(jìn)入 21世紀(jì), 尤其是2008年奧運(yùn)會(huì)前夕, 青島市周邊污水處理的力度顯著加強(qiáng), 污水處理率達(dá)到 70%, 污染的強(qiáng)度得到初步的控制。但是, 污水處理過程中對(duì)不同組分的去除效率也不盡相同, 作者仍然應(yīng)該關(guān)注近岸的污染問題, 尤其是從生態(tài)系統(tǒng)的角度看到營養(yǎng)鹽的變化。另外, 除了生活和工業(yè)污水, 地表徑流造成的農(nóng)業(yè)施肥流失也會(huì)給近海生態(tài)系統(tǒng)造成影響, 主要是無機(jī)N、P。總之, 應(yīng)該看到, 該海域的富營養(yǎng)化并沒有顯著減輕, 同時(shí)污染物種類和營養(yǎng)鹽組分上的變化,以及是否會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)也值得今后重點(diǎn)關(guān)注。

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Evaluation of environment quality in the northeast mariculture zone in Jiaozhou Bay

ZHAO Zeng-xia1,2, WANG Fang1, LIU Qun2, ZHANG Guang-tao2
(1. Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Jiaozhou Bay Marine Ecosystem Research Station, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

May., 26, 2009

mariculture waters; Jiaozhou Bay; seawater quality assessment; eutrophication; organic pollution appraisal

Based on seasonal investigation data from the northeast mariculture zone in Jiaozhou Bay, the quality of seawater was evaluated with single factor evaluation, eutrophication index and organic pollutants index. Seawater was seriously polluted by dissolved inorganic nitrogen and phosphorus all through the year. However, concentration of dissolved oxygen (DO) was found to be higher than the 1stclass concentration of Chinese National Seawater Standard throughout the year, while that of COD was higher than 1stclass concentration in summer and autumn but only higher than 2ndclass concentration in spring and winter. Seawater quality was worst near the Licun River estuary, where eutrophication was observed in all seasons and organic pollutants indices varied from slight to heavy pollution. No organic pollution was found near the Hongdao Island area, and eutrophication was observed only in spring and autumn. It was suggested that environment quality in this area was influenced mainly by land-source pollution, correlating to different removal efficiency of organic and inorganic materials during sewage treatment.

X820

A

1000-3096(2010)03-0006-05

2009-05-26;

2009-07-19

海洋公益項(xiàng)目(200805066)

趙增霞(1976-), 山東德州人, 在職碩士研究生, 研究方向：海洋環(huán)境生態(tài)學(xué), 電話： 0532-82898546, E-mail： zxzhao@qdio.ac.cn; 張光濤, 通信作者, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, 電話： 0532-82898546,E-mail： gtzhang@qdio.ac.cn

(本文編輯： 梁德海)