趙 樂,韓麗君,劉蘭紅,魏 君,韓 雪,趙 崢,藍文陸

1.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,河北 石家莊 050030

2.廣西海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,廣西 北海 536000

河口-近海系統(tǒng)位于沿海經(jīng)濟帶,是海陸相互作用最為活躍、對流域自然變化和人類活動響應(yīng)最為敏感、與近岸環(huán)境變化聯(lián)系最為密切的區(qū)域。近幾十年來,隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,近海生態(tài)系統(tǒng)受到人為活動的影響日益顯著[1-5]。 陸源中的氮和磷通過河流輸入、入海排污、大氣沉降等多種途徑進入海洋,通過改變海水中營養(yǎng)鹽的含量和結(jié)構(gòu),促進或抑制著浮游植物的生長和繁殖,進而影響到海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[6-10]。 近年來,為推進近岸海域污染防治和打好渤海綜合治理攻堅戰(zhàn),通過加強陸域污染控制與治理、實施海洋污染源清理與整治等舉措,河北省近岸海域海水主要污染物氮磷濃度下降明顯,水質(zhì)呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢,但仍存在反彈風險。 關(guān)注河北省近岸海域海水中氮和磷的變化趨勢及影響因素,不僅可以反映出陸源污染治理的進展和成效,亦可指征海域生態(tài)環(huán)境狀況演變趨勢。

本文通過統(tǒng)計分析2011—2018 年河北省近岸海域海水中的氮磷含量、水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況變化趨勢,結(jié)合入海河流、降水常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析海水中氮磷變化趨勢與陸源污染治理舉措的響應(yīng)機制,以期為近岸海域污染防治和渤海綜合治理提供基礎(chǔ)資料和理論參考。

1 實驗方法

1.1 研究區(qū)域與點位布設(shè)

研究區(qū)域為河北省近岸海域,所布設(shè)點位包含13 個海水水質(zhì)監(jiān)測點位、12 個主要河流入海監(jiān)測斷面、6 個沿海三市(秦皇島、唐山、滄州)降水監(jiān)測點位。 研究區(qū)域及點位設(shè)置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及點位設(shè)置示意圖Fig.1 Study area and sampling stations

1.2 樣品采集與分析

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況評價方法

按照《近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》[14](HJ 442—2008)對海水水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況進行評價。 富營養(yǎng)化指數(shù)的計算公式如下:

式中:E 為富營養(yǎng)化指數(shù),無量綱;COD 為化學需氧量,mg/L;DIP 為活性磷酸鹽,mg/L;DIN 為無機氮,mg/L。 水質(zhì)富營養(yǎng)化等級劃分見表1。

表1 水質(zhì)富營養(yǎng)化等級劃分Table 1 Water quality eutrophication grade classification

1.3.2 降水中氮磷濃度的計算

降水中氮和磷的平均濃度計算公式如下:

式中:n 為降水次數(shù);i 為某次降水事件;C 為營養(yǎng)鹽的濃度,μmol/L;CVWM為降水量加權(quán)平均濃度,μmol/L;Q 為降水量,mm。

2 實驗結(jié)果

2.1 海水氮磷濃度的年際變化

河北省近岸海域海水中的首要污染物是DIN,其次是DIP。 海水中DIN 和DIP 平均濃度的年際變化趨勢如圖2 所示。 從圖2 可以看出,河北省近岸海域海水中DIN 的平均濃度在2011—2014 年、2015—2017 年呈階段性上升趨勢,2018 年大幅下降。 其中:滄州市近岸海域海水DIN 濃度水平遠高于秦皇島市和唐山市,大部分年份的均值均高于第二類海水水質(zhì)標準限值(0.30 mg/L),對河北省近岸海域海水DIN 濃度均值和變化趨勢的貢獻最大;秦皇島市和唐山市近岸海域海水DIN 濃度水平大致相當,歷年均值均低于第一類海水水質(zhì)標準限值(0.20 mg/L),自2014 年起基本保持逐年下降趨勢。

河北省近岸海域海水中DIP 的平均濃度在2011—2013 年無明顯變化,2014 年突然升高,隨后開始逐年下降。 沿海三市海水中DIP 的濃度水平大致相當,歷年均值均低于第二類海水水質(zhì)標準限值(0.030 mg/L)。 除滄州市在2012 年、2017 年出現(xiàn)異常高值外,秦皇島市和唐山市DIP濃度的變化趨勢與全省均值的變化趨勢基本一致。

圖2 河北省近岸海域海水中氮磷含量的年際變化Fig.2 The annual variation of average N and P concentration in seawater in the coastal waters of Hebei Province

2.2 海水氮磷比值變化及富營養(yǎng)化狀況

河北省近岸海域海水氮磷比(N/P)年際變化如圖3 所示。 從圖3 可以看出,河北省近岸海域海水2011—2015 年各年度N/P 無明顯變化,2016—2018 年則呈明顯上升趨勢。 其中:秦皇島市和唐山市近岸海域海水N/P 大致相當,2011—2018 年無明顯變化;滄州市近岸海域海水N/P 最高,且整體呈逐年上升趨勢。

根據(jù)公式(1)計算河北省近岸海域海水富營養(yǎng)化指數(shù),結(jié)果如圖3 所示。 圖3 顯示:2011—2017 年,河北省近岸海域富營養(yǎng)化指數(shù)保持在1.29 ～1.54,無明顯變化;2018 年,富營養(yǎng)化指數(shù)大幅降低。

根據(jù)表1 所示等級劃分標準判定各海區(qū)富營養(yǎng)化狀況,結(jié)果如圖4 所示。 圖4 顯示,河北省近岸海域水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況以貧營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)為主,中度富營養(yǎng)和重富營養(yǎng)海域主要位于滄州市。 2011—2015 年,河北省近岸海域貧營養(yǎng)化比例逐年下降;2016—2018 年,貧營養(yǎng)化比例逐年上升,特別是2018 年富營養(yǎng)化狀況改善明顯,已無中度和重富營養(yǎng)狀況出現(xiàn)。

2.3 入海河流和降水氮磷濃度的年際變化

沿海三市主要入海河流氮磷年際變化趨勢如圖5 所示。 在河流常規(guī)監(jiān)測中,除-N 和TP作為地表水水質(zhì)評價必測指標,其長時間序列數(shù)據(jù)比較齊全外,其余各項指標均存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不全問題,因此,本文重點討論河流中的-N 和TP。 從圖5 可以看出,2011—2015 年,河北省入海河流-N 濃度雖有波動,但整體上無明顯變化,2016—2018 年逐年下降;2011—2015 年,入海河流中的TP 總體呈輕微上升趨勢,2016—2018年則逐年下降。 其中:唐山市入海河流-N 和TP 濃度最低,近年來均保持相對穩(wěn)定,-N 濃度呈現(xiàn)輕微下降,TP 濃度則略有上升;秦皇島市入海河流-N 和TP 濃度分別維持在0.347 ～3.300 mg/L 和0.114 ～0.350 mg/L,-N 濃度在2011—2018 年逐年下降,TP 濃度在2011—2015 年明顯上升,2016—2018 年顯著下降;滄州市入海河流-N 和TP 濃度均較高,在2011—2015 年上下波動幅度較大,2016—2018 年均呈顯著下降趨勢。

圖3 河北省近岸海域海水中N/P 和富營養(yǎng)化指數(shù)的年際變化Fig.3 Interannual variation of N/P and eutrophication index in seawater in the coastal waters of Hebei Province

圖4 河北省近岸海域富營養(yǎng)化狀況的年際變化Fig.4 Interannual variation of eutrophication in the coastal waters of Hebei Province

圖5 河北省沿海城市入海河流中氮磷含量的年際變化Fig.5 Interannual variation of N and P concentration in rivers entering the sea in coastal cities of Hebei Province

圖6 河北省沿海城市降水中氮磷含量的年際變化Fig.6 Interannual variation of N and P concentration of rain water in coastal cities of Hebei Province

3 分析與討論

3.1 海水氮磷濃度變化的影響因素

結(jié)合同年份河流及降水中氮磷濃度的監(jiān)測結(jié)果,研究海水氮磷濃度與河流、降水輸入的相關(guān)性,結(jié)果如表2 所示。

表2 海水、入海河流、沿海城市降水中氮磷組分的相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation coefficients (r) for N and P in the sea,river entering the sea,rain water in coastal cities

3.2 海水營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

研究表明,海水中的營養(yǎng)鹽是浮游植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ),浮游植物生長過程中對生源要素的吸收利用是按一定比例進行的[19],海域內(nèi)的營養(yǎng)鹽含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化會對浮游植物的生長及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。 營養(yǎng)鹽的缺乏會限制浮游植物的生長和繁殖,過高或者結(jié)構(gòu)失衡則會影響浮游植物種群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,甚至引發(fā)赤潮災(zāi)害,進而影響海洋漁業(yè)資源[9-10,20]。

自2017 年以來,隨著河北省大氣、水、近岸海域污染防治行動的陸續(xù)推進,陸源-N、TN、TP、COD 入?？偭拷档?近岸海域海水中的氮磷的濃度大幅下降,但由于氮和磷減少量的差異較大,海水N/P 持續(xù)升高。 值得關(guān)注的是,作為地表水、海水和降水中的非水質(zhì)評價和考核指標,在其他污染物濃度明顯降低的同時,河流和降水中-N 的濃度卻呈上升趨勢。 目前,河北省近岸海域海水和河流中的DIN 均以NO-3-N 為主。 在《近岸海域污染防治方案》和《渤海綜合治理攻堅行動計劃》的實施過程中,應(yīng)警惕污染物控制力度的不同所導(dǎo)致的海水中生源要素結(jié)構(gòu)的改變,及其引起的浮游植物群落乃至整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化。 海水中氮、磷、硅等生源要素的比例對浮游藻類的增殖有重要影響。 有研究表明,一些頻繁暴發(fā)的大面積藻華都是某些對水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)異常波動具有很強適應(yīng)能力的浮游微藻導(dǎo)致的[21-22]。 河北省近岸海域水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況以貧營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)為主,中度富營養(yǎng)和重富營養(yǎng)主要發(fā)生在滄州市近岸海域。 秦皇島市近岸海域發(fā)生赤潮的次數(shù)和面積遠大于滄州市[10],而且秦皇島市近岸海域2018—2019 年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,在一類水質(zhì)的情況下,部分海域仍有赤潮物種大量增殖的現(xiàn)象發(fā)生。 因此,在未來的海洋生態(tài)環(huán)境保護工作中,除了關(guān)注近岸海域海水水質(zhì)是否改善、是否滿足考核要求外,還應(yīng)考慮海水中營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化所引起的浮游植物群落變化、海洋生物種類變化等一系列因海洋生態(tài)系統(tǒng)的改變而帶來的新問題。

3.3 污染防治政策實施與海洋環(huán)境變化的響應(yīng)關(guān)系

2013 年9 月10 日,《大氣污染防治行動計劃》正式實施。 作為京津冀地區(qū)大氣污染最重的區(qū)域,河北省立即啟動了相關(guān)實施方案和專項行動。 《2018 年河北省生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示,通過實施一系列的治理措施和考核激勵機制,河北省大氣環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。 從圖6 亦可以看出,自2014 年以來,秦皇島市和滄州市降水中-N的平均濃度呈明顯下降趨勢,唐山市降水中-N 的平均濃度下降明顯,-N 濃度的下降趨勢則相對遲緩。 2015 年4 月16 日,《水污染防治行動計劃》正式啟動,-N 和TP 成為地表水水質(zhì)評價及考核指標。 河北省入海河流中的-N 和TP 整體呈下降趨勢,而唐山市主要入海河流中的TP 因一直低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準(0.2 mg/L),未做重點控制,其濃度未降反升。

河流和降水中氮磷輸入量的減少,使河北省近岸海域海水中氮和磷的平均濃度自2016 年起有所下降,但在2017 年仍有部分地區(qū)出現(xiàn)高值。自2017 年《近岸海域污染防治方案》實施以來,河北省通過開展入海河流、入海排污口清查和整治,以及清理沿河水系畜禽養(yǎng)殖、推廣生態(tài)健康養(yǎng)殖、提升船舶港口防污能力、規(guī)范灘涂與近海海水養(yǎng)殖等一系列舉措,截至2019 年9 月,秦皇島市和唐山市畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用率超過了73%,唐山市和滄州市污水處理率超過了90%,全省共清理海上非法養(yǎng)殖面積3 000 畝(1 畝≈667 m2),有效減少了沿海三市陸源污染物的排放,減輕了海源污染。 2018 年以來,沿海三市海水中的氮磷濃度均呈現(xiàn)大幅下降。 由此表明,“陸海統(tǒng)籌、河海兼顧、上下聯(lián)動、協(xié)同共治”才能實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定改善,才能切實維護海洋生態(tài)安全。

4 結(jié)論及建議

1)2011—2018 年,河北省近岸海域海水中DIN 和DIP 的平均濃度均低于二類海水水質(zhì)標準,超過二類標準限值的點位主要位于滄州市;海域富營養(yǎng)化狀況以貧營養(yǎng)和輕度富營養(yǎng)為主,中度富營養(yǎng)和重富營養(yǎng)區(qū)域主要位于滄州市。 河北省近岸海域海水中DIN 的平均濃度在2011—2014 年、2015—2017 年呈階段性上升趨勢,2018年大幅下降;DIP 的平均濃度在2011—2013 年無明顯波動,2014 年陡增,隨后開始逐年下降;海水N/P 在2011—2014 年無明顯變化,2015—2018年呈逐年上升趨勢。

2)近岸海域海水、入海河流、降水中的氮和磷表現(xiàn)出一定的相關(guān)性和協(xié)同性。 河北省大氣、水、近岸海域污染防治行動成效顯著,近岸海域海水中的氮磷濃度大幅下降。 由于氮和磷減少量的不均衡,海水N/P 持續(xù)升高,可能會引起潛在的海洋生態(tài)風險。

3)建議在“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作中,加大對海洋生物地球化學循環(huán)的基礎(chǔ)監(jiān)測力度;盡快加強海洋生物監(jiān)測能力建設(shè),編實配強海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測隊伍;加強與水利、自然資源等部門的合作。 只有做到“陸海統(tǒng)籌、河海兼顧、上下聯(lián)動、協(xié)同共治”,才能實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定改善,切實維護海洋生態(tài)安全。