吳在興 俞志明 宋秀賢 袁涌銓 曹西華

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基于水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)的綜合富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型—以山東半島典型海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)為例*

吳在興1, 2俞志明1①宋秀賢1袁涌銓1, 2曹西華1

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

對(duì)前期構(gòu)建的長(zhǎng)江口及其鄰近水域的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型作了進(jìn)一步改進(jìn), 并根據(jù)2006年至2007年春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的山東半島典型海域的調(diào)查資料, 將該模型應(yīng)用于山東半島典型海域的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明: 在“優(yōu)、良、中、差、劣”五個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)中, 山東半島大部分海灣和近岸海域出現(xiàn)“中”到“差”程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 且海灣內(nèi)富營(yíng)養(yǎng)化程度明顯高于近岸海域。較突出的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)高濃度的葉綠素水平和周期性發(fā)生的有毒有害藻華。煙臺(tái)四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營(yíng)養(yǎng)化狀況較嚴(yán)重的三個(gè)海灣。僅少數(shù)海域, 如日照北部近海和黃島近海的富營(yíng)養(yǎng)化程度處于“良”的等級(jí)。評(píng)價(jià)模型同時(shí)包含富營(yíng)養(yǎng)化壓力因素(水質(zhì)狀態(tài))和效應(yīng)因素(生態(tài)響應(yīng))兩個(gè)方面, 在指標(biāo)評(píng)分上不僅考慮評(píng)價(jià)濃度, 還考慮濃度出現(xiàn)的頻率和空間覆蓋度等方面, 以及對(duì)各指標(biāo)合理分配權(quán)重, 使得評(píng)價(jià)模型更能準(zhǔn)確、全面地反映海域富營(yíng)養(yǎng)化狀況。

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià); 典型海域; 山東半島; 水質(zhì)狀態(tài); 生態(tài)響應(yīng)

富營(yíng)養(yǎng)化是指營(yíng)養(yǎng)鹽等進(jìn)入水體環(huán)境后, 在適當(dāng)?shù)墓庹铡囟鹊葪l件下, 引發(fā)諸如藻類(lèi)等生物增殖的自然過(guò)程(Ferreira, 2007)。近幾十年來(lái), 農(nóng)藥化肥的施用、化石燃料的燃燒等人類(lèi)活動(dòng), 加速了氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素隨地表徑流或大氣沉降向近海輸移(Nixon, 1995), 使得近海富營(yíng)養(yǎng)化成為了一個(gè)突出的海洋環(huán)境問(wèn)題。近海富營(yíng)養(yǎng)化的主要癥狀包括高水平的浮游植物生物量(Boynton, 1982)、大型藻類(lèi)的過(guò)度生長(zhǎng)、低氧和缺氧區(qū)的形成、有毒有害藻華的發(fā)生、以及生態(tài)系統(tǒng)中沉水植被的消亡和魚(yú)類(lèi)的死亡等(Burkholder, 1992)。我國(guó)近三十年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的近海富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題, 近海營(yíng)養(yǎng)鹽濃度嚴(yán)重超標(biāo), 赤潮、綠潮和低氧缺氧等富營(yíng)養(yǎng)化癥狀頻發(fā), 給水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)帶來(lái)很多不良影響(Shen, 2001; Huang, 2003; 張瑩瑩等, 2007; 徐兆禮等, 2009)。

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)能讓管理者全面掌握富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的程度和范圍, 進(jìn)而在管理和消除富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題上能優(yōu)化資源和制定決策, 是富營(yíng)養(yǎng)化管理的關(guān)鍵之一, 已成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在我國(guó), 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法(鄒景忠等, 1983)和營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量狀態(tài)指數(shù)法(陳于望, 1987)是目前廣泛應(yīng)用的以營(yíng)養(yǎng)鹽為基礎(chǔ)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法。在逐漸認(rèn)識(shí)到近海系統(tǒng)復(fù)雜的非線性特征后(Cloern, 2001), 以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)理論等為代表的軟計(jì)算方法被應(yīng)用于近海系統(tǒng)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)(陳鳴淵等, 2007; 蘇暢等, 2008)。無(wú)論是富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法還是軟計(jì)算方法, 都以營(yíng)養(yǎng)鹽為富營(yíng)養(yǎng)化的指示指標(biāo)或者營(yíng)養(yǎng)鹽在評(píng)價(jià)中占較大權(quán)重, 因此得到的結(jié)果總是近岸營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高的區(qū)域?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的區(qū)域。然而這種結(jié)果對(duì)于某些近岸海域來(lái)說(shuō), 并不能完全真實(shí)的反映其富營(yíng)養(yǎng)化狀況: 例如在長(zhǎng)江口, 口門(mén)內(nèi)和渾濁帶豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽并未導(dǎo)致嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀出現(xiàn), 而遠(yuǎn)離海岸水域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度相對(duì)較低卻出現(xiàn)了明顯的低氧和浮游植物的大規(guī)模暴發(fā)等富營(yíng)養(yǎng)化癥狀; 在北戴河海域, 近幾年連續(xù)發(fā)生微微藻赤潮, 而營(yíng)養(yǎng)鹽指數(shù)法卻無(wú)法準(zhǔn)確反映出這種富營(yíng)養(yǎng)化程度(Chai, 2006; 張萬(wàn)磊等, 2012)。

針對(duì)以營(yíng)養(yǎng)鹽為基礎(chǔ)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型的不足, 國(guó)際上很多海洋研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始嘗試在近岸海域應(yīng)用基于癥狀的多參數(shù)評(píng)價(jià)模型: 較著名的包括巴黎-奧斯陸委員會(huì)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局分別提出的綜合評(píng)價(jià)法(OSPAR-COMPP, OSPAR Commission, 2003)和河口營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)(ASSETS, Bricker, 2003)。但由于不同水域的地理位置、氣候等特點(diǎn)存在差異, 且國(guó)外評(píng)價(jià)模型中所涉及的如沉水植被等評(píng)價(jià)指標(biāo)在我國(guó)絕大部分近海從未被監(jiān)測(cè)過(guò), 使得國(guó)外評(píng)價(jià)模型難以在我國(guó)近海的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中推廣和應(yīng)用。俞志明等(2011)在參考國(guó)際上基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”框架的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型ASSETS等的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上, 考慮我國(guó)廣泛開(kāi)展的海域環(huán)境監(jiān)測(cè)特點(diǎn)和我國(guó)在不同地理位置海域的富營(yíng)養(yǎng)化研究成果, 篩選確定了適合長(zhǎng)江口海域區(qū)域特性的富營(yíng)養(yǎng)化指示指標(biāo)、富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)閾值和標(biāo)準(zhǔn), 提出了基于水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合模型。本研究在對(duì)前期構(gòu)建的長(zhǎng)江口富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型進(jìn)一步改進(jìn)的基礎(chǔ)上, 將模型應(yīng)用于山東半島典型海域, 以反映該區(qū)域不同地理位置海域的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 為富營(yíng)養(yǎng)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 調(diào)查與數(shù)據(jù)收集

本研究中用于富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來(lái)自2006年至2007年春夏秋冬四個(gè)季節(jié)對(duì)山東半島東北部及南部典型海灣和近岸海域的“908”調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)所獲得的營(yíng)養(yǎng)鹽、COD、葉綠素、溶解氧和浮游植物豐度等數(shù)據(jù)?！?08”專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查的采樣站位如圖1所示。

圖1 山東半島近岸海域“908”調(diào)查站位

在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中, 除溶解氧采用底層溶解氧數(shù)據(jù)外, 其他數(shù)據(jù)均采用各個(gè)采樣層次平均數(shù)據(jù), 浮游植物豐度采用各采樣水層的平均值。有毒有害藻華事件的發(fā)生次數(shù)、面積和持續(xù)時(shí)間等資料來(lái)自部分文獻(xiàn)及歷年國(guó)家海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)數(shù)據(jù)和山東海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)數(shù)據(jù)(國(guó)家海洋局, 2003—2008; 山東海洋與漁業(yè)廳, 2005—2009)。

1.2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

1.2.1 模型指標(biāo)體系的選取與標(biāo)準(zhǔn)確定 為全面反映海域富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 選取水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應(yīng)兩方面指標(biāo)作為富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的指標(biāo)。水質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)包括溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)、溶解無(wú)機(jī)磷(DIP)和化學(xué)需氧量(COD)。生態(tài)響應(yīng)包含初級(jí)生態(tài)響應(yīng)(葉綠素、浮游植物細(xì)胞總豐度或單個(gè)種類(lèi)浮游植物細(xì)胞豐度比例、大型藻過(guò)度生長(zhǎng))和次級(jí)生態(tài)響應(yīng)(底層溶解氧、有毒有害藻華發(fā)生)指標(biāo)(表1)。

表1 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Tab.1 Indices for eutrophication assessment

水質(zhì)狀態(tài)反映了海域富營(yíng)養(yǎng)化的致害或壓力因素, 生態(tài)響應(yīng)反映了海域富營(yíng)養(yǎng)化的效應(yīng)因素。初級(jí)和次級(jí)生態(tài)響應(yīng)則反映了富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程的兩個(gè)階段和兩種嚴(yán)重程度。雖然我國(guó)絕大部分海域并不監(jiān)測(cè)大藻指標(biāo), 但2007年以后, 我國(guó)黃海江蘇近岸海域出現(xiàn)了大面積的滸苔暴發(fā), 也成為了一種由近海富營(yíng)養(yǎng)化而帶來(lái)的生態(tài)災(zāi)害; 大型和微型海藻對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化條件直接響應(yīng), 造成其大量生長(zhǎng)和暴發(fā), 是海水富營(yíng)養(yǎng)化最顯著的結(jié)果(Morand, 2004); 甚至在一些近海較淺的海灣和瀉湖, 營(yíng)養(yǎng)鹽加富最先帶來(lái)的可能是大型藻而非微型藻的過(guò)度生長(zhǎng)(Nobre, 2005), 所以選取大型藻作為指標(biāo)可以更全面地反映富營(yíng)養(yǎng)化狀況。根據(jù)近海系統(tǒng)的地理分布和特異性差異等因素, 微型藻細(xì)胞豐度指標(biāo)在本方法中被設(shè)計(jì)成一個(gè)依據(jù)具體條件可選擇性的指標(biāo)。在一些特殊海域, 如長(zhǎng)江口, 甲藻門(mén)藻類(lèi)隨著富營(yíng)養(yǎng)化程度的加重, 在浮游植物總豐度中所占的比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(欒青杉, 2007; 章飛燕, 2009), 能很好的反映富營(yíng)養(yǎng)化的程度。在其他近海系統(tǒng)中, 某些種類(lèi)則可能隨著富營(yíng)養(yǎng)化程度的加重呈現(xiàn)比例下降的趨勢(shì)。在沒(méi)有特定種類(lèi)能通過(guò)比例變化明顯指示富營(yíng)養(yǎng)化變化的海域, 浮游植物總豐度則成為一個(gè)很好的指標(biāo)(CEC, 2000)。

各種指標(biāo)的閾值和標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。在各種指標(biāo)閾值和標(biāo)準(zhǔn)的確定中, 充分考慮了我國(guó)近岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化特點(diǎn)和以往針對(duì)南北海域的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的研究。其中, 水質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)采用國(guó)家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097-1997)。葉綠素閾值和標(biāo)準(zhǔn)范圍則參考我國(guó)南北不同地理位置的近岸海域前期的富營(yíng)養(yǎng)化研究, 將其閾值設(shè)定為5μg/L(鄒景忠等, 1983; 陳鳴淵等, 2007)。浮游植物總豐度和溶解氧閾值分別參考?xì)W盟水框架指令和美國(guó)ASSETS的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型(CEC, 2000; Bricker, 2003)。在單個(gè)浮游植物種對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)顯著的海域, 單個(gè)浮游植物種豐度比例則根據(jù)該海域浮游植物豐度的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù), 根據(jù)美國(guó)環(huán)保局提出的方法確定閾值和標(biāo)準(zhǔn)范圍(USEPA, 2001), 如長(zhǎng)江口根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)(欒青杉, 2007; 章飛燕, 2009), 將標(biāo)準(zhǔn)范圍設(shè)定為1%—20%。

1.2.2 海域系統(tǒng)分區(qū) 在進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)之前, 對(duì)近岸海域參考ASSETS方法按照統(tǒng)一的原則進(jìn)行分區(qū), 分區(qū)后對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行分別評(píng)價(jià), 再根據(jù)每個(gè)分區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)面積加權(quán)的方式得到整個(gè)區(qū)域的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果。分區(qū)的依據(jù)是海域系統(tǒng)不同區(qū)域的鹽度差異。具體根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)所獲取的不同季節(jié)所有的鹽度數(shù)據(jù)的鹽度中值按照鹽度<0.5, 0.5 <鹽度<25,和鹽度>25進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)(NOAA, 1985)。對(duì)于沒(méi)有淡水流入的海灣而言, 每個(gè)區(qū)域的鹽度可能都在25以上, 則可直接將全海灣作為整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用統(tǒng)一的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)使得在不同地理位置、不同近海系統(tǒng)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化程度之間的比較保持一致性, 也便于找到同一區(qū)域不同分區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化程度的差異。

1.2.3 富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià) 對(duì)于每個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo), 根據(jù)每個(gè)分區(qū)內(nèi)所有采樣點(diǎn)獲得的采樣數(shù)據(jù)的累積頻率曲線得到指標(biāo)的評(píng)價(jià)濃度值: 對(duì)于DIN、DIP、COD、Chl, 采用90%累積頻率所對(duì)應(yīng)的濃度值作為評(píng)價(jià)值; 對(duì)于DO, 則采用10%累積頻率所對(duì)應(yīng)的濃度值作為評(píng)價(jià)值。累積頻率曲線獲得的評(píng)價(jià)值比平均值或某一次監(jiān)測(cè)值更具統(tǒng)計(jì)意義和代表性, 可以避免使用海域監(jiān)測(cè)過(guò)程出現(xiàn)的某些異常值(90%累積頻率得到評(píng)價(jià)值是為了排除葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽等的異常高值, 10%累積頻率得到評(píng)價(jià)值是為了排除DO的異常低值), 使得評(píng)價(jià)結(jié)果更能反映海域的富營(yíng)養(yǎng)化狀況。

表2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 Thresholds and ranges of indices for eutrophication assessment

每個(gè)分區(qū)內(nèi)每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分再通過(guò)逐步?jīng)Q策邏輯表得到(表3、4、5)。逐步?jīng)Q策邏輯充分考慮了分區(qū)內(nèi)指標(biāo)的評(píng)價(jià)濃度、此種濃度出現(xiàn)的頻率(偶爾出現(xiàn)、周期性出現(xiàn)還是持續(xù)出現(xiàn))和分區(qū)內(nèi)出現(xiàn)此濃度的空間覆蓋度?？臻g覆蓋度通過(guò)計(jì)算濃度等于或高于評(píng)價(jià)濃度的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)占采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)的比例得出。例如一個(gè)鹽度分區(qū)所有采樣點(diǎn)葉綠素的90%累積頻率濃度值為4μg/L, 則此濃度值落入表2中范圍為3—5μg/L的中的類(lèi)型, 那么鹽度分區(qū)內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)的葉綠素的90%累積濃度均計(jì)算出來(lái)后, 那些累積濃度大于3μg/L(標(biāo)準(zhǔn)范圍的下限)的采樣點(diǎn)所占分區(qū)內(nèi)總采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例即為此鹽度分區(qū)葉綠素的空間覆蓋度。對(duì)于大藻的過(guò)度生長(zhǎng)問(wèn)題和有毒有害藻華問(wèn)題, 由于沒(méi)有統(tǒng)一的富營(yíng)養(yǎng)化閾值, 故不考慮評(píng)價(jià)濃度, 而是采用對(duì)問(wèn)題的出現(xiàn)頻率、覆蓋度和持續(xù)時(shí)間等半定量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘的方法確定評(píng)價(jià)得分(參見(jiàn)表4、5)。最終的海域富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)由以下4個(gè)步驟得到:

1. 對(duì)于水質(zhì)狀態(tài), 從表 3得到每個(gè)分區(qū)每個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)得分后, 根據(jù)每個(gè)分區(qū)的面積和海域總面積計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的面積加權(quán)表達(dá)值并求和, 即得到每個(gè)參數(shù)在整個(gè)區(qū)域的表達(dá)水平。整個(gè)海域水質(zhì)指標(biāo)的表達(dá)水平即通過(guò)計(jì)算三個(gè)水質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)表達(dá)水平的平均值得到(公式(1))。水質(zhì)狀態(tài)的最終類(lèi)型即通過(guò)水質(zhì)狀態(tài)水平和類(lèi)型對(duì)應(yīng)表得出(表6)。

其中,為水質(zhì)狀態(tài)的表達(dá)水平,為每個(gè)分區(qū)每個(gè)參數(shù)的評(píng)價(jià)得分;A為某個(gè)分區(qū)的面積,A為整個(gè)海域的總面積;為分區(qū)的個(gè)數(shù),為水質(zhì)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

2. 初級(jí)生態(tài)響應(yīng)的表達(dá)水平采用與水質(zhì)狀態(tài)的表達(dá)水平相同的方法獲得。對(duì)于次級(jí)生態(tài)響應(yīng), 單個(gè)指標(biāo)(底層溶解氧或者有毒有害藻華)的表達(dá)水平與水質(zhì)狀態(tài)和初級(jí)生態(tài)響應(yīng)每個(gè)指標(biāo)表達(dá)水平的獲得方法相同, 但次級(jí)生態(tài)響應(yīng)總的表達(dá)水平是選取底層溶解氧或者有毒有害藻華兩者得分和表達(dá)水平中更高的那個(gè)。次級(jí)生態(tài)響應(yīng)反映了更高程度的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀, 選用兩者中的最大值而不是平均值為了給予次級(jí)生態(tài)響應(yīng)在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中更高的權(quán)重。

3. 得到初級(jí)和次級(jí)生態(tài)響應(yīng)的表達(dá)水平后, 依據(jù)圖2中的矩陣得出初級(jí)和次級(jí)生態(tài)響應(yīng)的類(lèi)型和總的生態(tài)響應(yīng)類(lèi)型。初級(jí)生態(tài)響應(yīng)和次級(jí)生態(tài)響應(yīng)組合的依據(jù)是給予次級(jí)生態(tài)響應(yīng)更高的權(quán)重。例如, 高的表達(dá)水平的初級(jí)生態(tài)響應(yīng)和低表達(dá)水平的次級(jí)生態(tài)響應(yīng)的組合表明區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重的次級(jí)富營(yíng)養(yǎng)化癥狀在高的營(yíng)養(yǎng)鹽壓力下依然沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái), 總的生態(tài)響應(yīng)等級(jí)則歸類(lèi)為“中”(圖2中的等級(jí)“3”); 相反, 高的表達(dá)水平次級(jí)生態(tài)響應(yīng)和低表達(dá)水平的初級(jí)生態(tài)響應(yīng)表明區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀已經(jīng)出現(xiàn), 總的生態(tài)響應(yīng)等級(jí)則歸類(lèi)為“中高”(圖2中的等級(jí)“4”)。

4. 參考美國(guó)ASSETS方法中組合人類(lèi)壓力和河口營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的矩陣, 將水質(zhì)狀態(tài)類(lèi)型和生態(tài)響應(yīng)類(lèi)型通過(guò)組合表(表7)得到整個(gè)海域的綜合富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果。由于高濃度的營(yíng)養(yǎng)鹽不一定導(dǎo)致嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀(Cloern, 2001), 所以在表7中給予生態(tài)響應(yīng)較高的權(quán)重。在近海系統(tǒng)中, 由于浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收作用或者系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽稀釋、浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收等作用存在滯后性, “高”的水質(zhì)狀態(tài)和“低”的生態(tài)響應(yīng)或者“低”的水質(zhì)狀態(tài)和“高”的生態(tài)響應(yīng)在很短的時(shí)間內(nèi)可能同時(shí)存在; 但是在四個(gè)季節(jié)的采樣周期中, 這兩種情況發(fā)生的可能性幾乎為零, 故在表7中排除了這兩種組合。最終評(píng)價(jià)等級(jí)、不同等級(jí)的代表顏色都與美國(guó)ASSETS和歐盟WFD(水框架指令)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型一致。

表3 水質(zhì)狀態(tài)逐步?jīng)Q策邏輯表

Tab.3 Logical decision process for determination of water quality

表4 初級(jí)生態(tài)響應(yīng)逐步邏輯決策表

Tab.4 Logical decision process for determining direct response

表5 次級(jí)生態(tài)響應(yīng)逐步?jīng)Q策邏輯表

Tab.5 Logical decision process for determining indirect response

表6 水質(zhì)狀態(tài)表達(dá)水平和類(lèi)型對(duì)應(yīng)表

Tab.6 Level of water quality and category

圖2 生態(tài)響應(yīng)評(píng)價(jià)因子組合矩陣標(biāo)準(zhǔn)判別表

2 結(jié)果與討論

2006—2007年四個(gè)季節(jié)山東半島東北部和南部海域調(diào)查站位的理化指標(biāo)和生物數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)如表8所示。濃度較低的葉綠素a出現(xiàn)在冬季的榮成灣、桑溝灣海域以及膠南近岸外側(cè)海域。而夏季, 從北部芝罘灣和四十里灣到東部的威海各海灣, 再到南部的乳山灣和丁字灣, 葉綠素出現(xiàn)普遍的高濃度, 可達(dá)20—50μg/L。較低的DIP和DIN主要出現(xiàn)在春夏季節(jié)的鰲山灣、膠南和黃島近岸外側(cè)海域。而較高的DIP、DIN出現(xiàn)在冬季的北部芝罘灣和四十里灣到東部的威海各海灣再到南部的乳山灣和丁字灣; 總體來(lái)說(shuō), 比起近岸海域, 海灣內(nèi)具有較嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)鹽加富現(xiàn)象, 且冬季營(yíng)養(yǎng)鹽濃度普遍較高。低濃度的DO主要集中于夏季的煙臺(tái)芝罘灣和四十里灣, 以及南部的丁字灣海域。浮游植物豐度高值主要出現(xiàn)在夏季的四十里灣和南部的鰲山灣、膠南近岸外側(cè)海域。

表7 富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)表

Tab.7 Aggregation of water quality and ecological response to an overall eutrophic status

表8 山東半島海域理化指標(biāo)和生物數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

Tab.8 Data statistics for indicators of coastal areas in Shandong Peninsula

由于本研究中所有海灣和近海區(qū)域的鹽度均在27以上, 所以對(duì)每個(gè)海灣不再分區(qū), 當(dāng)作一個(gè)整體來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于青島、日照、煙臺(tái)等近岸海域, 按照采樣點(diǎn)的空間分布以及海域所屬的行政區(qū)域進(jìn)行分別評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3所示。在“優(yōu)、良、中、差、劣”五個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)中, 山東半島大部分海灣和近岸海域出現(xiàn)“中”到“差”程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 較突出的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)發(fā)生的高濃度葉綠素水平。煙臺(tái)四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營(yíng)養(yǎng)化狀況較嚴(yán)重的三個(gè)海灣, 富營(yíng)養(yǎng)化癥狀主要是出現(xiàn)周期性的有毒有害藻華事件, 四十里灣、丁字灣還形成夏季低氧現(xiàn)象, 可能與夏季頻繁暴發(fā)大規(guī)模赤潮后赤潮生物的降解過(guò)程耗氧有關(guān)(喻龍等, 2009), 另外這些海灣具有較多的排污口和養(yǎng)殖蝦池(馬紹賽等, 1997), 夏季其產(chǎn)生的大量有機(jī)物耗氧也可能導(dǎo)致低氧。丁字灣、膠州灣這種半封閉型海灣的灣底區(qū)域水交換能力差(孫英蘭等, 2003), 容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀。僅少數(shù)海域, 如日照北部和黃島近岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化程度處于“良”的等級(jí)。而兩者之間的膠南近岸海域和北部青島鰲山灣海域富營(yíng)養(yǎng)化狀況則處于“中”的等級(jí), 可能與這些區(qū)域海岸線的眾多海灣開(kāi)展網(wǎng)箱養(yǎng)殖排放營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān)(蔡惠文, 2007), 因此這些近岸海域雖沒(méi)出現(xiàn)顯著的葉綠素高值、低氧和赤潮現(xiàn)象, 也要加強(qiáng)針對(duì)養(yǎng)殖的富營(yíng)養(yǎng)化管理?？傮w來(lái)看, 海灣內(nèi)的富營(yíng)養(yǎng)化程度明顯高于灣外近岸海域, 膠州灣、丁字灣等半封閉海灣的富營(yíng)養(yǎng)化程度高于開(kāi)放型的海灣。通過(guò)對(duì)不同典型海域綜合富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)的比較, 管理者可直觀掌握海域當(dāng)前的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 便于制定富營(yíng)養(yǎng)化管理策略。

除其他海域的評(píng)價(jià)結(jié)果直接由圖 3給出外, 膠州灣的詳細(xì)評(píng)價(jià)過(guò)程由表9給出。

各指標(biāo)評(píng)價(jià)濃度通過(guò)其濃度的累積頻率曲線獲得, 圖4給出了膠州灣富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中DO和chl的累積頻率曲線, 累積頻率為90%所對(duì)應(yīng)的chl濃度值約為6.0μg/L, 累積頻率為10%所對(duì)應(yīng)的DO濃度值約為6.3mg/L。

2007年來(lái)山東半島近海海域發(fā)生了大型藻類(lèi)滸苔綠潮事件, 研究認(rèn)為這類(lèi)大型藻并非在山東近海直接暴發(fā), 而是由其他海域漂流至山東近海(Pang, 2010), 該指標(biāo)與山東半島近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)的環(huán)境參數(shù)之間不具有直接的相關(guān)性, 故本研究在山東半島近岸所選擇的典型海域的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中, 大型藻類(lèi)指標(biāo)沒(méi)有參與評(píng)價(jià)。膠州灣COD數(shù)據(jù)由于未搜集到也不參與評(píng)價(jià)。從四季來(lái)看, 營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素的高值并非持續(xù)性發(fā)生, 而是具有一定的季節(jié)性規(guī)律和周期性。而對(duì)于有毒有害藻華, 2000年, 2001年, 2003年和2004年在膠州灣周期性地出現(xiàn)幾平方公里到二百平方公里的赤潮, 一般持續(xù)一天到數(shù)天(吳玉霖等, 2005), 綜合三方面得分為0.5。結(jié)合水質(zhì)狀態(tài)等級(jí)和生態(tài)響應(yīng)等級(jí), 膠州灣最終富營(yíng)養(yǎng)化綜合等級(jí)為“差”, 對(duì)應(yīng)顏色為橙色。

圖3 山東半島典型海域富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 山東半島東北部南部的大部分典型海域呈現(xiàn)“中”到“差”程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀況, 總體上海灣內(nèi)富營(yíng)養(yǎng)化程度高于灣外近海海域, 半封閉型海灣的富營(yíng)養(yǎng)化程度高于開(kāi)放型海灣。整個(gè)典型海域較突出的富營(yíng)養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)發(fā)生的高濃度葉綠素水平。

(2) 煙臺(tái)四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營(yíng)養(yǎng)化狀況較嚴(yán)重的三個(gè)海灣, 富營(yíng)養(yǎng)化癥狀除了高濃度的葉綠素水平, 還出現(xiàn)周期性的有毒有害藻華事件, 四十里灣和丁字灣還出現(xiàn)夏季低氧現(xiàn)象。日照、黃島近海富營(yíng)養(yǎng)化程度相對(duì)較輕。

(3) 模型的諸多優(yōu)勢(shì)使得模型更能全面、準(zhǔn)確反映該海域的富營(yíng)養(yǎng)化程度、狀況: 指標(biāo)全面包含富營(yíng)養(yǎng)化壓力因素(水質(zhì)狀態(tài))和效應(yīng)因素(生態(tài)響應(yīng)), 并合理賦予權(quán)重; 不只考慮富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的濃度, 還綜合考慮問(wèn)題出現(xiàn)的空間覆蓋度和頻率; 應(yīng)用四個(gè)季節(jié)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù), 避免得到對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題有季節(jié)偏差的反映等。

表9 2006—2007四個(gè)季節(jié)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在膠州灣富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

Tab.9 Application of monitoring data in four seasons for eutrophication assessment of Jiaozhou Bay

圖4 膠州灣chl a和DO監(jiān)測(cè)濃度的累積頻率曲線

虛線分別代表90%和10%累積頻率所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)值

馬紹賽, 周詩(shī)賚, 1997. 丁字灣大潮汛期營(yíng)養(yǎng)狀況及其變化分析. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),4(3): 44—47

山東海洋與漁業(yè)廳, 2005—2009. 山東海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào).

孫英蘭, 張?jiān)矫? 2003. 丁字灣物質(zhì)輸運(yùn)及水交換能力研究. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 33(1): 1—6

陳于望, 1987. 廈門(mén)港海域營(yíng)養(yǎng)狀況的分析. 海洋環(huán)境科學(xué), 6(3): 14—19

吳玉霖, 孫松, 張永山, 2005. 環(huán)境長(zhǎng)期變化對(duì)膠州灣浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響.海洋與湖沼, 36(6): 487—499

張萬(wàn)磊, 張永豐, 張建樂(lè)等, 2012. 北戴河赤潮監(jiān)控區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況分析. 環(huán)境與資源, 7:13—16

張瑩瑩, 張經(jīng), 吳瑩等, 2007. 長(zhǎng)江口溶解氧的分布特征及影響因素研究. 環(huán)境科學(xué), 28(8): 1649—1654

鄒景忠, 董麗萍, 秦保平. 1983. 渤海灣富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮問(wèn)題的初步探討. 海洋環(huán)境科學(xué), 2(2): 41—54

蘇暢, 沈志良, 姚云等, 2008. 長(zhǎng)江口及其鄰近海域富營(yíng)養(yǎng)化水平評(píng)價(jià). 水科學(xué)進(jìn)展, 19(1): 99—105

陳鳴淵, 俞志明, 宋秀賢等, 2007. 利用模糊綜合方法評(píng)價(jià)長(zhǎng)江口海水富營(yíng)養(yǎng)化水平. 海洋科學(xué), 31(11): 47—54

國(guó)家海洋局, 2003—2008. 國(guó)家海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào).

俞志明, 沈志良等, 2011. 長(zhǎng)江口水域富營(yíng)養(yǎng)化. 北京: 科學(xué)出版社, 549

徐兆禮, 葉屬峰, 徐韌, 2009. 2008年中國(guó)滸苔災(zāi)害成因條件和過(guò)程推測(cè). 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 33(3): 430—437

欒青杉, 2007. 長(zhǎng)江口及其鄰接水域浮游植物群集生態(tài)學(xué)研究. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué)碩士論文, 1—72

章飛燕, 2009. 長(zhǎng)江口及鄰近海域浮游植物群落變化的歷史對(duì)比及其環(huán)境因子研究. 上海: 華東師范大學(xué)碩士論文, 1—75

喻龍, 郝彥菊, 蔡悅蔭, 2009. 四十里灣赤潮高發(fā)期營(yíng)養(yǎng)鹽與葉綠素的年際變化. 海洋環(huán)境科學(xué), 5(28): 558—561

蔡惠文, 2007. 海岸帶網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境容量研究——以膠南海域?yàn)槔? 青島: 中國(guó)海洋大學(xué)博士論文: 1—128

Boynton W R, Kemp W M, Keefe C W,1982. A comparative analysis of nutrients and other factors in?uencing estuarine phytoplankton production. In: Kennedy V S ed. Estuarine Comparisons. Academic Press, New York: 69—90

Bricker S B, Ferreira J G, Simas T C, 2003. An integrated methodology for assessment of estuarine trophic status. Ecological Modelling, 169(1): 39—60

Burkholder J M, Noga E J, Hobbs C H, 1992. New phantom dinoflagellate is the causative agent of major estuarine fish kills. Nature, 358(6385): 407—410

Chai C, Yu Z M, Song X X, 2006. The status and characteristics of eutrophication in the Yangtze River (Changjiang) estuary and the adjacent East China Sea, China. Hydrobiologia, 563: 313—328

Cloern J E,2001. Our evolving conceptual model of the coastal eutrophication problem. Marine Ecology Progress Series, 210: 223—253

Council of European Communities (CEC), 2000. Council Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for community actionin the ?eld of water policy. Off J Eur Commun L, 327:1—73

Ferreira JG, Bricker SB, Simas TC, 2007. Application and sensitivity testing of a eutrophication assessment method on coastal systems in the United States and European Union. Journal of Environmental Management, 2(4): 433—445

Huang XP, Huang LM, Yue WZ, 2003. The characteristics of nutrients and eutrophication in the Pearl River estuary, South China. Maraine Pollution Bulletin, 47(1—6): 30—36

Morand P, Merceron M, 2004. Coastal eutrophication and excessive growth of macroalgae.Recent Research of Developmental Environment Biology, 1(2): 395—449

Nixon SW, 1995.Coastal marine eutrophication–A definition, social causes, and future concerns. Ophelia, 41(1): 199—219

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 1985. National estuarine inventory: Data atlas. vol.1: Physical and hydrologic characteristics. Rockville, MD: Strategic Assessment Branch, Ocean Assessments Division. 103 pp.

Nobre AM, Ferreira J G, 2005. Management of coastal eutrophication: Integration of field data, ecosystem-scale simulations and screening models. Journal of Marine Systems, 56(3—4): 375—390

OSPAR Commission, 2003. OSPAR Integrated Report 2003 on the Eutrophication Status of the OSPAR Maritime Area Based Upon the First Application of the Comprehensive Procedure. OSPAR Commission, London.

Pang S J, Liu F, Shan T F,, 2010. Tracking the algal origion of the Ulva bloom in the Yellow Sea by a combination of molecular, morphological and physiological analysis. Marine Environmental Research, 69(4): 207—215

Shen ZL,2001. Historical changes in nutrient structure and its influences on phytoplantkon composition in Jiaozhou Bay. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 152(2): 211—224

USEPA, 2001. United States Environmental Protection Agency. Nutrient Criteria Technical Guidance Manual, Estuarine and Coastal Marine Waters, EPA-822-B-01-003

A NEW SYSTEM OF EUTROPHICATION ASSESSMENT FOR BOTH WATER QUALITY AND ECOLOGICAL RESPONSE: A CASE STUDY IN TYPICAL AREAS OFF SHANDONG PENINSULA

Wu Zai-Xing1,2, Yu Zhi-Ming1, Song Xiu-Xian1, Yuan Yong-Quan1,2, Cao Xi-Hua1

(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A new scoring system for eutrophication assessment is described that modified from a previous one once applied in Changjiang River estuary. The new system was applied in typical coastal areas of Shandong Peninsula with all-season monitoring data in 2006 to 2007 supported by a “908” special monitoring programs for coastal seas in China. The results indicate that trophic status for the most bays and coastal areas ranged from categories “” to “”. Typical eutrophication featured high-concentration chlorophyllin seasons of harmful algal bloom that occurred periodically. The inner-bay eutrophic conditions were more serious than that outside the bays. The Sishili Bay and Dingzi Bay in Yantai, and the Jiaozhou Bay in Qingdao were three most seriously eutrophicated bays in Shandong Peninsula in the score of “”, while coastal areas off Rizhao City and Huangdao District of Qingdao scored “” in trophic status. Therefore, considering both causative factors (water quality) and effect factors (ecological response), with the new system, one can score for a marine region based not only the applicable concentration of a matter, but also the spatial coverage and occurrence frequency of the concentration, and adjust weightings on parameters in system design case by case. This would make eutrophication assessment more accurate, realistic, and comprehensive.

eutrophication assessment; typical coastal areas; Shandong Peninsula; water quality; ecological response

10.11693/hyhz20121116001

* 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973項(xiàng)目), 2010CB428706號(hào); 海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目, 201205001號(hào); 山東省“兩區(qū)”建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金支持項(xiàng)目, 項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào): “兩區(qū)”建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金支持項(xiàng)目; 國(guó)家基金委“創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金”資助, 41121064號(hào)。吳在興, 博士研究生, E-mail: xingguang0215@hotmail.com

俞志明, 研究員, E-mail: zyu@ms.qdio.ac.cn

2012-11-16,

2013-03-18

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