尹艷娥,沈新強(qiáng),蔣玫,袁琪,平仙隱,徐亞巖,韓金娣,王云龍
中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090
近岸海域氮和磷的質(zhì)量濃度普遍偏高, 以及由此而帶來的富營養(yǎng)化是中國沿岸海域最突出的環(huán)境問題之一, 而海域富營養(yǎng)化又是導(dǎo)致有害赤潮發(fā)生的主要因素之一,赤潮對生態(tài)環(huán)境和人類健康都造成了巨大的破壞,不但打破了海域生態(tài)系統(tǒng)的平衡,還給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大的損失,引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注(ZHU等,2014)。氮、磷是海洋浮游植物生長、繁殖必不可少的營養(yǎng)要素, 在生物活動中起著重要作用, 其在水環(huán)境中的分布變化在一定程度上控制著海洋生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)過程,是海洋初級生產(chǎn)力的主要限制因素?;瘜W(xué)需氧量(COD)用來衡量有機(jī)物對水體污染總體程度的一個綜合性指標(biāo),COD過高則是水體中有大量有機(jī)物的標(biāo)志,在微生物降解有機(jī)物過程中,水中溶解氧減少,水體變的渾濁,透明度降低,散發(fā)出惡臭味, 破壞水體的生態(tài)平衡(蔡曉明,2001)。
長江將大量營養(yǎng)物質(zhì)從陸地帶入長江口海域,加上黑潮、臺灣暖流等水團(tuán)的影響,使得長江口海域的生態(tài)環(huán)境趨于復(fù)雜化、多樣化(陸賽應(yīng)等,1996)。長江口附近的杭州灣和舟山群島海域,由于受長江和錢塘江徑流影響,使該水域溫、鹽度變化大,營養(yǎng)鹽類豐富,餌料生物基礎(chǔ)雄厚,與長江口一起成為我國重要的傳統(tǒng)漁場。30多年來,人類活動的增加,長江口無機(jī)氮含量數(shù)倍增加,水域富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,長江口海區(qū)赤潮增多;長江口海域漁業(yè)環(huán)境質(zhì)量正呈逐步下降趨勢,勢必也會影響到杭州灣和舟山群島海域的漁業(yè)環(huán)境質(zhì)量。目前,關(guān)于長江口富營養(yǎng)化變化趨勢的報道較多(高利利等,2010;王奎等,2013)。但將杭州灣、舟山群島海域納入長江口海域,并且采用不同評價方法對比分析長江口及其鄰近海域的富營養(yǎng)化趨勢,及與環(huán)境因子間關(guān)系的研究報道尚有待補(bǔ)充。本文在2007-2009年春、夏兩季對長江口及其鄰近海域調(diào)查資料的基礎(chǔ)上,采用三種評價方法研究了長江口及其鄰近海域富營養(yǎng)化水平的趨勢性和季節(jié)性、富營養(yǎng)化級別的分析及其導(dǎo)致富營養(yǎng)化的主要限制因素,同時也研究了環(huán)境因子與富營養(yǎng)化之間的關(guān)系。以期為長江口富營養(yǎng)化的研究作進(jìn)一步補(bǔ)充,并為長江口及其鄰近海域的管理和修復(fù)提供理論支撐。
2007-2009年春季( 5月)和夏季( 8月) 在長江口附 近 水 域 ( 北 緯 30°00′-31°15′, 東 經(jīng)121°49.2′-122°30.0′),設(shè)置了20個采樣站位進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查,1-6站位為長江口,7-11站位為杭州灣,12-2站位為舟山漁場,具體調(diào)查站位分布見圖1?,F(xiàn)場使用不銹鋼顛倒采水器依據(jù)站位水深進(jìn)行采集,水深小于10 m,采集表層水樣,大于10 m采集表、底層水樣?,F(xiàn)場海水鹽度參數(shù)應(yīng)用YSI(美國YSI公司出品)多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定。水樣采集后水樣經(jīng)0.45 μm的微孔濾膜過濾,冷凍保存于250ml塑料采樣瓶中, 帶回實驗室分析。檢測參數(shù)包括亞硝酸鹽(NO2--N)、硝酸鹽(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、磷酸鹽(PO43--P)、化學(xué)需氧量(COD)。亞硝酸鹽采用萘乙二胺分光光度法,硝酸鹽采用鋅鎘還原法,磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)反光光度法,化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法測定。均嚴(yán)格遵照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2008)的相關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行測定。
圖1 采樣站位分布Fig.1 Location of sampling stations
1.3.1 富營養(yǎng)指數(shù)法
目前廣泛應(yīng)用于中國近岸海域富營養(yǎng)化現(xiàn)狀評價的方法為富營養(yǎng)指數(shù)(E)法(鄒景忠等,1983),其計算公式為:
式中,COD、DIN、DIP分別為化學(xué)需氧量、無機(jī)氮、無機(jī)磷, 其單位均以mg·L-1表示,當(dāng)該指數(shù)E>1時, 則表示水體已呈富營養(yǎng)化狀態(tài),E值越大,水體富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重。
1.3.2 潛在性富營養(yǎng)化法
郭衛(wèi)東等(1998)認(rèn)為水體只有得到適量的磷(對磷限制水體而言)或氮(對氮限制水體而言)的補(bǔ)充,使N /P的比值接近Redfield值,這部分氮或磷對富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)才能真正體現(xiàn)出來,這種現(xiàn)象稱為潛在性富營養(yǎng)化。并以此概念為基礎(chǔ),參照我國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),同時兼顧氮、磷含量極其比值,提出了分類分級的潛在性富營養(yǎng)化評價模式,劃分原則見表1,其中DIN表示無機(jī)氮,PO43--P表示活性磷酸鹽中的磷。
表1 營養(yǎng)級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of nutrient levels
1.3.3 有機(jī)污染指數(shù)法
從污染角度考慮,劉彬昌(劉彬昌,1993)提出了有機(jī)污染指數(shù)(A)法,計算公式如下:
其中,CODi、DINi、DIPi和DOi為各站位實測值(mg·L-1);CODs、DINs、DIPs和DOs為標(biāo)準(zhǔn)值,在本文中采用一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),CODs為2 mg·L-1、DINs為0.20 mg·L-1、DIPs為0.015 mg·L-1和DOs為5 mg·L-1。有機(jī)污染指數(shù)A< 0污染程度級別為0級,表明水質(zhì)清潔;04污染程度級別為5級,表明水質(zhì)嚴(yán)重污染。
富營養(yǎng)指數(shù)分布圖采用surfer8.0軟件進(jìn)行空間插值并生成等值線圖;使用Excel對富營養(yǎng)指數(shù)和有機(jī)污染物與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行分析。
2.1.1 富營養(yǎng)化水平的趨勢性和季節(jié)性變化
依據(jù)富營養(yǎng)指數(shù)法,對2007-2009年長江口及鄰近海域富營養(yǎng)化趨勢進(jìn)行了分析統(tǒng)計(表2),為了更加直觀地了解富營養(yǎng)化的分布情況,對其時空分布特征作了進(jìn)一步分析(圖2)。
表2 長江口及附近水域富營養(yǎng)指數(shù)法評價結(jié)果Table 2 Statistics result for Eutrophication index of Changjiang Estuar and adjacent sea
從表2可以清楚地看出,富營養(yǎng)化比例最低達(dá)到了70.0%,說明長江口及鄰近海域富營養(yǎng)化覆蓋面較廣,富營養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重。在春季,長江口及鄰近海域的富營養(yǎng)化指數(shù)所占比例從77.0%上升到89.8%;在夏季最低達(dá)到89.3%,最高到100.0%;春、夏兩季基本上處于逐年增加趨勢,說明富營養(yǎng)化覆蓋面越來越大,水域受富營養(yǎng)化的程度也越來越嚴(yán)重,富營養(yǎng)化趨勢越來越明顯。近年來研究的長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽的歷年變化趨勢與分析也指出,歷年DIN與PO43--P質(zhì)量濃度呈現(xiàn)持續(xù)增高的趨勢(陳慧敏等,2011)。進(jìn)一步對比2007-2009年春夏兩季的分析結(jié)果還可以看出,每年的夏季富營養(yǎng)化比例都不低于春季。另外,在春季E值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.26,在夏季為14.63,說明各個站位的富營養(yǎng)化程度在春季時變化較小,在夏季時較大。這可能是因為隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展與沿岸化工廠的建立,夏季進(jìn)入主汛期后, 長江徑流量增加, 使得來自陸源輸入的DIN、PO43--P和COD含量增加,含量變化波動也較大,致使富營養(yǎng)化比例和富營養(yǎng)化程度增加。
2007-2009年春季時,長江口及附近水域富營養(yǎng)指數(shù)平面分布呈由近岸向遠(yuǎn)海逐漸遞減的趨勢,梯度分布明顯(圖2a)。指數(shù)最高值區(qū)出現(xiàn)在西部近岸方向,處于杭州灣近岸水域,此水域的等值線也最密集,也就是說富營養(yǎng)指數(shù)變化的幅度最大,富營養(yǎng)化情況也較嚴(yán)重。而隨著遠(yuǎn)離近岸逐漸向外海,在東部遠(yuǎn)海方向,處于舟山漁場附近時等值線逐漸稀疏,說明此水域富營養(yǎng)指數(shù)變化幅度不大,富營養(yǎng)化情況相對較輕。長江口附近的等值線相對較密集,富營養(yǎng)化程度優(yōu)于杭州灣的。在夏季時,長江口及鄰近海域富營養(yǎng)指數(shù)平面分布與春季時類似,南北方向伸展并向東擴(kuò)散、衰減,梯度分布明顯(圖2b)。但是在夏季長江口和杭州灣兩個水域的富營養(yǎng)指數(shù)的等值線都比較密集,而且等值線數(shù)值大于春季的,說明夏季的富營養(yǎng)化情況較為嚴(yán)重。
圖2 2007-2009年長江口及鄰近海域富營養(yǎng)指數(shù)平面分布(3年平均)Fig.2 Distribution patterns of eutrophication index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009
表3 長江口及附近水域潛在性富營養(yǎng)化評價結(jié)果Table 3 Statistics result for potential eutrophication of Changjiang Estuar and adjacent sea
2.1.2 受磷限制富營養(yǎng)化的變化趨勢及其影響
采用潛在性富營養(yǎng)化法將長江口及其鄰近海域的N/P及所占各個營養(yǎng)級別百分比進(jìn)行了分析評價,結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出,長江口及鄰近海域的營養(yǎng)級主要集中在III級(富營養(yǎng))和V P級(磷中等限制潛在性富營養(yǎng)),說明富營養(yǎng)化程度較高,這與富營養(yǎng)指數(shù)法的評價結(jié)果相吻合;另外,通過分析還發(fā)現(xiàn),長江口在春、夏2季,潛在性富營養(yǎng)化級別所占比例逐漸向后移,即受磷限制性富營養(yǎng)化程度越來越高。2007年春季,長江口水域IV P所占比例為16.7%,2008年增加到V P 50.0%,2009年增加到V P 66.7%,VI P為33.3%;夏季時,長江口水域從2007年V P和VI P所占比例都為0分別增加到33.3%和16.7%,2009年V P增加到66.7%,說明長江口受磷限制富營養(yǎng)化程度越來越高,這將對浮游植物生命活動造成一定影響。磷中等限制潛在性富營養(yǎng)的增加,說明富營養(yǎng)化水體中氮的含量大大超過磷的含量,N/P比值不平衡。一般來說, 沿岸和較封閉水域易發(fā)生磷限制富營養(yǎng)。營養(yǎng)鹽是浮游植物生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ), 浮游植物能夠大量的消耗營養(yǎng)鹽(郝林華等,2012)。而且浮游植物按一定比例(Redfield比值)攝取營養(yǎng)物質(zhì)維持自身的物質(zhì)和能量代謝(Jasmin等,2012;Ayataa等,2013)。偏離Redfield比值會造成營養(yǎng)結(jié)構(gòu)失調(diào),使得浮游生物的種群結(jié)構(gòu)改變, 甚至引發(fā)赤潮發(fā)生(高生泉等,2004);N/P比值對藻類的競爭抑制參數(shù)也能夠產(chǎn)生顯著影響,只有適宜的N/P比值才會形成一個良好的水域環(huán)境。近年來研究發(fā)現(xiàn)(張靜等,2010;呂振波等,2010;屠建波等,2012),我國近海主要河口、海灣水體中N/P比值幾乎都偏離Redfield 比值,而且隨著季節(jié)的變化波動也比較大。由表3還看出,3年的春夏季均偏離Redfield 比值較大,N/P比值從9.1到50.9,營養(yǎng)鹽比例明顯不協(xié)調(diào),致使某類浮游生物的生長較快。這可能是因為受長江沖淡水的影響,無機(jī)氮的量遠(yuǎn)大于磷酸鹽的量;另外,王保棟等人(王保棟等,2002)認(rèn)為在長江口羽狀鋒區(qū)(鹽度為20-27的區(qū)域)浮游植物大量攝取磷酸鹽,那么這樣也會致使磷酸鹽的質(zhì)量濃度大大降低,使得N/P比值偏離Redfield比值。
2.1.3 污染級別趨勢分析
有機(jī)污染指數(shù)法將水質(zhì)劃分從0級到5級,2007-2009年春、夏2季長江口及鄰近海域污染程度的百分比如表4所示,分布情況見圖3。
與富營養(yǎng)指數(shù)法和潛在性富營養(yǎng)化法分析統(tǒng)計結(jié)果一致,水體的富營養(yǎng)化程度較高(表4)。從A值分析,2007-2009年水體中0級未出現(xiàn),也就是說無水質(zhì)清潔水; 2007年春季長江口出現(xiàn)16.7%的1級水質(zhì),即水質(zhì)較好情況極少;受有機(jī)污染的級別在3級比例比較少,即受輕度污染的情況較少;水體受有機(jī)污染級別在5級的比例較大,水質(zhì)處于嚴(yán)重污染情況較多。長江口春、夏2季5級的比例從2007年的50.0%分別上升到2009年的83.3%和100.0%;杭州灣春、夏2季5級的比例分別從2007年的60.0%和80.0上升到100.0%;舟山漁場春、夏2季5級的比例分別從2007年22.2%和66.7上升到66.7%和77.7%。說明長江口及鄰近海域受輕度污染的水體比例正逐年下降,而受中污染和重污染的比例逐年上升,而且夏季有機(jī)污染百分比大于春季。表明長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽含量豐富、污染十分嚴(yán)重(高利利等,2010)。另外,春季有機(jī)污染的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.45,夏季為2.49。說明各個站位的有機(jī)污染程度在春季時變化較小,在夏季時較大。這可能是因為,在夏季主汛期后, 長江徑流量的增加, 導(dǎo)致氮、磷和化學(xué)需氧量含量的變化較大所致。
表4 長江口及附近水域有機(jī)污染指數(shù)評價結(jié)果Table 4 Statistics result for organic pollution index of Changjiang Estuar and adjacent sea
圖3 2007-2009年長江口及鄰近海域有機(jī)污染指數(shù)平面分布(3年平均)Fig.3 Distribution patterns of organic pollution index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009
3年來春、夏2季長江口有機(jī)污染指數(shù)達(dá)5級的占50%以上,杭州灣60%以上,舟山漁場20%以上,杭州灣受污染情況最為嚴(yán)重,長江口次之,舟山漁場最小。這可能是因為隨著工業(yè)化,杭州灣沿岸大量的陸源污染物進(jìn)入,而且杭州灣所設(shè)置的5個站位處于半封閉位置,減弱了水體交換能力,延長了水體交換時間。在長江口雖然也攜帶大量的陸源污染物,但由于春夏長江沖淡水影響,起到了稀釋作用,而且向東南方向沖出后,很快左轉(zhuǎn)至東北方向,使得本調(diào)查水域內(nèi)長江口的污染物含量得不到足夠供給,而低于杭州灣。舟山漁場無陸源徑流,輸入性污染物少,因而水域有機(jī)污染指數(shù)最低。
從圖3更直觀的分析出有機(jī)污染的時空分布情況。污染程度從西向東、從北向南逐漸降低。其中1和2號站位于長江口南支, 長江攜帶的大量污染物質(zhì)在此入海,造成2個站點污染程度較為嚴(yán)重;而7、8和9號位于杭州灣北岸附近,因此,E值和A值也較高, 說明長江口及鄰近海域主要受陸源污染的影響。相關(guān)學(xué)者也研究了春秋季長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽污染情況,結(jié)果表明長江口南岸白龍港附近,成為各種營養(yǎng)鹽的高污染區(qū);區(qū)域超標(biāo)程度較嚴(yán)重為長江口南岸和杭州灣北岸(王芳等,2006),這與本研究的結(jié)論顯然一致。
圖4 2007-2009年春、夏季富營養(yǎng)指數(shù)與鹽度、pH值和溶解氧的關(guān)系Fig.4 Relationship between eutrophication index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007-2009
圖5 2007-2009年春、夏季有機(jī)污染指數(shù)與鹽度、pH值和溶解氧的關(guān)系Fig.5 Relationship between organic pollution index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007- 2009
富營養(yǎng)指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù)時空變化特征是各種外部環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。為了探討長江口海區(qū)富營養(yǎng)指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù)空間分布主要影響因素,對相關(guān)環(huán)境因子(包括鹽度、pH值和溶解氧(DO))與其相關(guān)性進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖4、圖5所示。
由圖4可以看出,春、夏2季富營養(yǎng)指數(shù)與鹽度的相關(guān)性最大(春季R2=0.563,夏季R2=0.730),次之為pH值(春季R2=0.361,夏季R2=0.140);相關(guān)性最差為溶解氧(春季R2= 0.006,夏季R2=0.009)。春、夏2季有機(jī)污染指數(shù)同樣也與鹽度的相關(guān)性最大,pH值次之,溶解氧最差(圖5)。河口系統(tǒng)中污染物主要通過3種方式輸入:陸源流入、大氣擴(kuò)散與沉降和生物固定,春、夏2季富營養(yǎng)指數(shù)與鹽度有較顯著負(fù)相關(guān)性,這說明富營養(yǎng)化主要是由于沿岸入海河流所引起,主要受徑流量以及與外海海流的物理混合過程影響,這與相關(guān)學(xué)者提到的營養(yǎng)鹽和鹽度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明咸淡水的混合作用對營養(yǎng)鹽的空間分布有顯著影響的研究結(jié)果一致(高學(xué)魯和宋金明,2007);此論文還提到浮游植物對營養(yǎng)鹽的空間分布也有重要影響,但從相關(guān)系數(shù)來看,浮游植物的影響要弱于咸淡水混合作用的影響(高學(xué)魯和宋金明,2007)。浮游植物與溶解氧和pH有著密切的關(guān)系,因此,富營養(yǎng)化的判斷與溶解氧、pH的關(guān)系復(fù)雜, 需要與其它環(huán)境因子綜合分析。
1)通過富營養(yǎng)指數(shù)法,潛在性富營養(yǎng)化法和有機(jī)污染指數(shù)法分別對2007-2009年長江口及鄰近海域的富營養(yǎng)化進(jìn)行分析。通過富營養(yǎng)指數(shù)法分析,該水域的富營養(yǎng)化程度最低達(dá)到了70.0%,富營養(yǎng)化程度很高,在春、夏2季基本上處于逐年增加趨勢;通過潛在性富營養(yǎng)化法分析,該水域的營養(yǎng)級主要集中在III級(富營養(yǎng))和V P級(磷中等限制潛在性富營養(yǎng)),富營養(yǎng)化水體中氮的含量大大超過磷的含量,N/P比值從9.1到50.9 ,營養(yǎng)鹽比例明顯不協(xié)調(diào);另外,受磷限制性富營養(yǎng)化程度越來越高,對浮游植物生命活動造成一定影響。從有機(jī)污染指數(shù)法分析,該水域主要處于5級水質(zhì),受輕度污染的水體比例正逐年下降,而受中污染和重污染的比例逐年上升;杭州灣受污染比例最為嚴(yán)重,長江口次之,舟山漁場最小。3種方法分別從不同層面對長江口及鄰近海域的污染程度及趨勢進(jìn)行了分析。
2)從富營養(yǎng)指數(shù)平面分布圖來看,2007-2009年春、夏2季長江口及附近水域富營養(yǎng)指數(shù)平面分布呈由近岸向遠(yuǎn)海逐漸遞減的趨勢,梯度分布明顯。機(jī)污染指數(shù)平面分布與富營養(yǎng)指數(shù)平面分布類似,從西向東、從北向南污染程度逐漸降低。
3)長江口及鄰近海域富營養(yǎng)指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)分析表明, 富營養(yǎng)指數(shù)與鹽度相關(guān)性最大,說明富營養(yǎng)化主要受徑流量以及與外海海流的物理混合過程影響。富營養(yǎng)指數(shù)與鹽度、溶解氧、pH的關(guān)系復(fù)雜不呈線性相關(guān)。
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