胡瑩瑩,王菊英,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)

遼河口近岸海域水體營(yíng)養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的制定方法

胡瑩瑩,王菊英*,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)

確定水質(zhì)參照狀態(tài)是近岸海域營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)基準(zhǔn)制定的關(guān)鍵,基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析確定參照狀態(tài)并提出推薦基準(zhǔn)值是一種重要的方法.以遼河口近岸海域?yàn)槔?根據(jù)1995年～1999年和2003年～2009年的數(shù)據(jù)分析,主要應(yīng)用頻數(shù)分析法確定了參照狀態(tài),并結(jié)合1976年的數(shù)據(jù)分析,提出了該海域營(yíng)養(yǎng)物(溶解無(wú)機(jī)氮、總氮、活性磷酸鹽、總磷)及響應(yīng)指標(biāo)(葉綠素、溶解氧)的推薦基準(zhǔn)值.分析顯示,遼河口近岸海域營(yíng)養(yǎng)物溶解無(wú)機(jī)氮、總氮、活性磷酸鹽和總磷的推薦基準(zhǔn)值分別為0.11, 0.19, 0.006, 0.032mg/L;響應(yīng)指標(biāo)葉綠素、溶解氧的推薦基準(zhǔn)值分別為0.0009, 6.14mg/L.

營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)；參照狀態(tài)；推薦基準(zhǔn)值；遼河口近岸海域

大量營(yíng)養(yǎng)鹽入海導(dǎo)致的河口和沿岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已成為困擾世界沿海國(guó)家的主要環(huán)境問(wèn)題之一[1-3].中國(guó)近海海域多是封閉和半封閉的陸架淺海,容易受到人類活動(dòng)的影響而出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,尤其是河口和海灣的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題更為嚴(yán)重[4-6].營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定和應(yīng)用是為防止富營(yíng)養(yǎng)化而提出的一種措施,亦是開(kāi)展河口營(yíng)養(yǎng)物監(jiān)測(cè)、評(píng)估和管理的基礎(chǔ)[7].

在營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定過(guò)程中,建立參照狀態(tài)至關(guān)重要.參照狀態(tài)應(yīng)為某水體或相似水體受到影響最小的、接近自然狀態(tài)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合表征結(jié)果[8].近岸海域水體基本上都受到了人類開(kāi)發(fā)活動(dòng)的影響,很難得到自然本底值.因此需要通過(guò)特定的方法幫助建立參照狀態(tài),提出推薦基準(zhǔn)值.目前,應(yīng)用較多的是基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法.基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的方法確定參照狀態(tài)時(shí),需根據(jù)水體的污染現(xiàn)狀及變化趨勢(shì),判斷參照點(diǎn)是否存在、生態(tài)系統(tǒng)退化是否嚴(yán)重等情況,采用不同的方法來(lái)確定參照狀態(tài)[8].

美國(guó)、歐盟等在營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的海水水質(zhì)基準(zhǔn)方面起步較早,積累了大量的經(jīng)驗(yàn).我國(guó)在湖泊的營(yíng)養(yǎng)物水質(zhì)基準(zhǔn)方面開(kāi)展了一些工作

[9],而在河口和近岸海域方面尚未有系統(tǒng)的研究.作者在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上,采用基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析,確定近岸海域營(yíng)養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的方法,建立了遼河口近岸海域營(yíng)養(yǎng)物的參照狀態(tài),提出了推薦基準(zhǔn)值.旨在為我國(guó)近岸海域營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的研究與制訂提供理論和方法借鑒.

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家海洋局海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采樣站位共20個(gè)站位,分布于大遼河和雙臺(tái)子河口近岸海域(圖1).所用數(shù)據(jù)主要為系統(tǒng)性、完整性較好的1995年～1999年和2003年～2009年的海水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).每年5月、8月和10月采樣3次,個(gè)別年份增加了3月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).另外采用了20世紀(jì)70年代國(guó)家海洋局進(jìn)行的渤海專項(xiàng)溶解氧和溶解無(wú)機(jī)氮的調(diào)查數(shù)據(jù)用于輔助說(shuō)明,其中溶解氧為 18個(gè)站位的數(shù)據(jù),溶解無(wú)機(jī)氮為7個(gè)站位的數(shù)據(jù).

圖1 研究區(qū)域及站位分布示意Fig.1 Area and stations of study

1.2 研究方法

根據(jù)遼河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及污染狀況,判定遼河流域近岸海域未受影響的參照點(diǎn)難以找到,因此受營(yíng)養(yǎng)物影響程度較小的部分地域被認(rèn)為具備“參照狀態(tài)的環(huán)境質(zhì)量”,可作為參照點(diǎn). 采用參照點(diǎn)或觀測(cè)點(diǎn)指標(biāo)頻數(shù)分布曲線法確定推薦基準(zhǔn)值.具體方法如下:在數(shù)據(jù)充足的情況下,取參照點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的上第25個(gè)百分點(diǎn)(或其他合適的百分點(diǎn))(累積頻數(shù)為75%對(duì)應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 75%,下同)對(duì)應(yīng)值(對(duì)于溶解氧、透明度等指標(biāo))或所有觀測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下第 25個(gè)百分點(diǎn)(累積頻數(shù)為 25%對(duì)應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 25%,下同)(或其他合適的百分點(diǎn))對(duì)應(yīng)值(對(duì)于TN、TP、Chla等指標(biāo))作為參照狀態(tài).

另外,根據(jù)遼河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及污染狀況,收集到20世紀(jì)70年代的部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),作為生態(tài)環(huán)境狀況良好的狀態(tài),參照點(diǎn)各指標(biāo)值的頻數(shù)分布曲線中值可以較好地表達(dá)受“最低影響”的參照狀態(tài).對(duì)參照點(diǎn)的總氮(TN)、總磷(TP)、溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、葉綠素 a(Chla)、溶解氧(DO)、透明度(SD)及其他指標(biāo)的測(cè)定值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制頻數(shù)分布圖,取相應(yīng)指標(biāo)的頻數(shù)分布曲線的中值作為參照狀態(tài). 由于此部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少,其結(jié)果僅用作推薦基準(zhǔn)值確定是否合理的輔助說(shuō)明.

1.3 營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)選擇

在實(shí)踐中出于管理的需求,制定基準(zhǔn)的指標(biāo)也可不僅僅限于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).按照美國(guó)的做法[8],理論上應(yīng)包括用于解釋近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化原因和結(jié)果的所有變量,一般來(lái)說(shuō),5個(gè)指標(biāo)為基準(zhǔn)的基本變量,即TN、TP、Chla、SD或藻類濁度、DO.由于TN、TP的歷史數(shù)據(jù)較缺乏,可能導(dǎo)致最后的結(jié)果不確定性較大,因此增加了溶解無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽兩個(gè)指標(biāo).國(guó)際上透明度為營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定中的基本變量,但由于本研究所收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中透明度數(shù)據(jù)較少,未選取透明度作為制定基準(zhǔn)的指標(biāo).本次研究中確定了溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、TN、TP、Chla和DO作為營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo).

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用 origin軟件的數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制作水質(zhì)頻數(shù)分布圖.

2 結(jié)果與分析

對(duì) 1995年～1999年和 2003年～2009年的TN、TP、溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、Chla和DO數(shù)據(jù)進(jìn)行了水質(zhì)頻數(shù)分布綜合分析,繪制的頻數(shù)分布曲線結(jié)果見(jiàn)圖2.

在利用頻數(shù)分析法建立參照狀態(tài)的過(guò)程中,考慮是運(yùn)用所有能收集到的數(shù)據(jù),而且自20世紀(jì)90年代以來(lái),遼河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快,水污染日趨嚴(yán)重,因此采用1995年～1999年和2003年～2009年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的下第25個(gè)百分點(diǎn)作為參照狀態(tài)提出推薦基準(zhǔn)值(表1),TN為0.68 mg/L;TP為0.056mg/L;溶解無(wú)機(jī)氮為 0.15mg/L;活性磷酸鹽為 0.025mg/L,Chla為0.0015mg/L,DO為6.14mg/L.

觀測(cè)的實(shí)際分布和對(duì)該區(qū)域水質(zhì)變化的認(rèn)識(shí)也是選擇閾值點(diǎn)的重要決定因素.雖然從1996年至今,經(jīng)過(guò)這些年的整治,遼河流域水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),但部分地段污染狀況仍令人堪憂,污染物入海量居高不下,其鄰近海域受到較大的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染[10].在這種情況下,考慮選取水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的上或下第5個(gè)百分點(diǎn)(累積頻數(shù)為95%或5%對(duì)應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 95%或 5%,下同),以期恢復(fù)到以前大概的自然條件,按此原則,TN、TP、溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和Chla選取下第5個(gè)百分點(diǎn)(表 1),參照狀態(tài)分別為 0.19,0.032, 0.11,0.006,0.0009mg/L.

圖2 遼河口近岸海域營(yíng)養(yǎng)物頻數(shù)分布曲線Fig.2 Frequency distribution curves of nutrients in Liaohe estuary

20世紀(jì)70年代國(guó)家海洋局對(duì)遼河流域近岸 海域水質(zhì)進(jìn)行了渤海專項(xiàng)調(diào)查,結(jié)果顯示,當(dāng)時(shí)溶解無(wú)機(jī)氮的濃度分別在 0.06～0.20mg/L之間,基本上不存在水質(zhì)污染,若取中間值,那么參照狀態(tài)的溶解無(wú)機(jī)氮為0.11mg/L.經(jīng)過(guò)比較分析,發(fā)現(xiàn)頻數(shù)法下第 5個(gè)百分點(diǎn)的參照狀態(tài)值與利用年代的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的參照狀態(tài)值是一樣的.而DO的濃度中值為6.34mg/L,采用1995年～1999年和2003年～2009年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的下第25個(gè)百分點(diǎn)得到的推薦基準(zhǔn)值基本一致.綜合考慮我國(guó)的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[11]以及遼河流域近岸海域營(yíng)養(yǎng)物的實(shí)際情況,本研究確定TN的參考狀態(tài)值以頻數(shù)法為準(zhǔn),確定的推薦基準(zhǔn)值TN為0.19 mg/L;TP為0.032mg/L;溶解無(wú)機(jī)氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

表1 遼河口近岸海域營(yíng)養(yǎng)物濃度頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)(mg/L)Table 1 Frenquency distribution results of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

表2 遼河口近岸海域營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)推薦基準(zhǔn)值(mg/L)Table 2 Recommended criteria of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

3 討論

本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)指標(biāo)選取的研究成果以及所獲取數(shù)據(jù)的情況,選取了TN、TP、Chla、DO、溶解無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽為指標(biāo).根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境受損程度判定營(yíng)養(yǎng)鹽的歷史變化趨勢(shì),從而確定參照狀態(tài).然后,對(duì)參考水體的營(yíng)養(yǎng)物水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物頻數(shù)分布曲線設(shè)定相應(yīng)的推薦基準(zhǔn)值.對(duì)本研究中確定的遼河流域的營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的推薦基準(zhǔn)值與GB3097-1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了比較,本研究推導(dǎo)的溶解無(wú)極氮和活性磷酸鹽的推薦基準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)中的值相比均略低,DO則基本一致,如果考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,目前的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的營(yíng)養(yǎng)物的標(biāo)準(zhǔn)可適用于遼河流域的評(píng)價(jià).

對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而言,其背景濃度往往具有明顯的區(qū)域特征,因此相應(yīng)的海水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定也應(yīng)考慮其區(qū)域性.美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上,制定了區(qū)域性的海水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8,12].因此,我國(guó)在考慮區(qū)域特征的基礎(chǔ)上,制定營(yíng)養(yǎng)物海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行.水質(zhì)基準(zhǔn)是制定環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù),環(huán)境基準(zhǔn)的研制雖然不能完全替代環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),但是是制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的支撐性基礎(chǔ)工作,為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研制提供必需的科學(xué)依據(jù)[13-14].本研究以遼河流域?yàn)槭痉秴^(qū)域,探索了適合我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)歷史和現(xiàn)狀的推薦基準(zhǔn)值的確定方法,并推導(dǎo)了營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的推薦基準(zhǔn)值,可為全國(guó)近岸海域區(qū)域性營(yíng)養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的確定提供方法學(xué)借鑒.

4 結(jié)語(yǔ)

探討了基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)確定區(qū)域性近岸海域營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的水質(zhì)推薦基準(zhǔn)值的方法;以遼河流域?yàn)槭痉秴^(qū)域,利用本海域歷史調(diào)查數(shù)據(jù)采用基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)方法確定了近岸海域的參照狀態(tài),提出推薦基準(zhǔn)值分別為:TN為0.19mg/L;TP 為 0.032mg/L;溶解無(wú)機(jī)氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為 0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

[1] OSPAR Commission. OSPAR integrated report 2003 on the eutrophication status [R]. London, U.K.: OSPAR, 2003.

[2] Clean coastal waters: understanding and reducing the effects of nutrient pollution [M]. Washingtoin DC: National Academy press, 2005.

[3] Bricker S, Longstaff B, Dennison W, et al. Effects of nutrient enrichment in the Nation’s Estuaries: A decade of change[EB/R]. NOAA coastal ocean program decision analysis series No. 26. national centers for coastal ocean science, silver Spring, MD. 2007. Online at: http://ccma.nos.noaa.gov/publications/eutroupdate/.

[4] Zhang J, Su J L. Nutrient dynamics of the Chinese seas: The Bohai Sea, Yellow Sea, East China Sea and South China Sea [C]// Robinson A R, Brink K H. The Sea. 2004,14:637-671.

[5] 國(guó)家海洋局.渤海海洋環(huán)境公報(bào) [R] .北京, 2008.

[6] 國(guó)家海洋局.渤海海洋環(huán)境公報(bào) [R]. 北京, 2009.

[7] 孟 偉,王麗婧,鄭丙輝,等.河口區(qū)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008,28(10):5133-5140.

[8] Office of water, USEPA. Nutrient criteria technical guidance manual, estuarine and coastal marine waters [R]. EPA-822-B-01-003, 2001.

[9] 鄭丙輝,許秋瑾,周保華,等.水體營(yíng)養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)基準(zhǔn)制定過(guò)程中建立參照狀態(tài)的方法-以典型淺水湖泊太湖為例 [J].湖泊科學(xué), 2009,21(1):21-26.

[10] 國(guó)家海洋局.中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào) [R] .北京: 2000～2009.

[11] GB 3097-1997 海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) [S].

[12] Engle V D, Kurtz J C, Smith L M, et al. A classification of U.S. estuaries based on physical and hydrologic attributes. [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2007,129:397-412.

[13] 夏 青,陳艷卿,劉憲兵.水質(zhì)基準(zhǔn)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) [M]. 北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

[14] 穆景利,王菊英,王 瑩.海水水質(zhì)基準(zhǔn)的研究方法與我國(guó)海水水質(zhì)基準(zhǔn)的構(gòu)建 [J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2010,5(6):761-768.

Approach of nutrient criteria establishment and application in coastal area of Liaohe estuary.

HU Ying-ying, WANG Ju-ying*, ZHANG Zhi-feng,ZONG Hu-min, CHEN Shu-mei (Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas, State Oceanic Administration, National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：996～1000

In-situ observation based approach was important during enacting nutrients criteria in coastal area. Population distribution approach was introduced and applied to build the reference state and establish nutrients criteria on the case of Liaohe estuary. The data of 1995～1999 and 2003～2009 was analysised to build reference state and establish recommended nutrients criteria and data of 1976 was applied to validate the value. The recommended criteria value of DIN, TN, DIP, TP in coastal area of Liaohe estuary was 0.11, 0.19, 0.006 and 0.032mg/L, respectively, Chlorophyll-a and DO was 0.0009, 6.14mg/L, respectively.

nutrients criteria；reference state；recommended criteria；Liaohe estuary

X022

A

1000-6923(2011)06-0996-05

2010-10-18

國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200805090);國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201015);國(guó)家“908”評(píng)價(jià)專項(xiàng)項(xiàng)目(908-02-04-02)

* 責(zé)任作者, 研究員, jywang@nmemc.gov.cn

胡瑩瑩(1977-),女,山東肥城人,助理研究員,博士,主要從事海洋環(huán)境化學(xué)及海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作.發(fā)表論文20余篇.