九龙江河口区主要污染物时空变化特征

郭洲华,王 翠,颜 利,王金坑 (国家海洋局第三海洋研究所,福建 厦门 361005)

九龙江河口区主要污染物时空变化特征

郭洲华,王 翠,颜 利,王金坑*(国家海洋局第三海洋研究所,福建 厦门 361005)

根据九龙江河口区近30年的历史监测资料和2010年2个航次的现场调查资料,分析了该海域表层海水中无机氮(DIN)、活性磷酸盐(DIP)、化学耗氧量(COD)和石油类浓度的年际变化特征和平面分布变化特征,并应用富营养状态指数(EI)对海水水质进行评价与分析.结果表明,近30年,DIN、DIP年均浓度持续上升,COD年均浓度呈“W”状小幅波动趋势,石油类年均浓度先缓慢增加再降低;DIN浓度平面分布呈由西至东递减的特征,不同年份的DIP浓度平面分布有所差别,而COD和石油类浓度平面分布呈由湾内、西海域向湾外递减的趋势;海水 EI呈不断加速升高的趋势,海水水质富营养化程度急剧恶化;受九龙江径流影响,高富营养化海域主要分布在九龙江北、中、南港和南溪入海口附近.所得的主要污染物浓度年际变化特征和平面分布变化特征等将为实施入海污染物总量控制奠定坚实基础.

主要污染物；年均浓度；时空变化；富营养化；九龙江河口区

福建第二大河流九龙江位于闽西南地区,流经龙岩、漳州,注入厦门湾;河口区海端以北为亚铃状、半封闭的厦门西海域,如图1.近年来,随着社会经济的快速发展,流域与海岸带高强度的人类活动使得九龙江上游工业点源与农业面源污染问题日益突出[1-2],河口区生态环境受到不断干扰和破坏[3],导致海水自净能力减弱、污染负荷增大[4-5]、海洋生态灾害频发[6-7],亟需开展入海污染物总量控制.而认识海域主要污染物浓度的年际变化特征和平面分布变化特征是实施入海污染物总量控制的坚实基础.早在20世纪50年代,陈再生等[8]首次完成了九龙江口化学要素调查,随后陆续开展了一系列海洋环境质量监测[9-11].林辉等[12]与陈宝红等[13]均讨论了近几年厦门海域氮、磷等要素的年际变化;张元标等[14]则研究了厦门西海域近 20年的营养盐含量年际变化.但众多研究常局限于分析厦门海域水质的短期年际变化,对整个九龙江河口区污染物含量,尤其是其平面分布特征长期变化趋势的系统研究则尚未见报道.

本文在搜集九龙江河口区历史监测资料和进行现场调查的基础上,系统分析了海水中主要污染物浓度、海水水质富营养状态指数近30年的年际变化特征和平面分布变化特征,为实施入海污染物总量控制奠定坚实的基础.

1 资料与方法

1.1 资料搜集

年际变化资料以国家海洋局第三海洋研究所在九龙江河口区的监测资料为主,辅以历史文献数据,主要包括福建省海岸带和海涂资源综合调查[15]、厦门市海岛资源综合调查[16]、厦门海岸带综合管理[17]、中国海湾志[18]、福建省海洋研究所[19]、蔡清海[20]、庄万金等[21]、商少凌等[22]、暨卫东等[23]、周玉琴[24]、张晓萍等[25]、高山等[5]、林辉等[12,26]等.平面分布数据来源于厦门港湾海洋环境综合调查[9]、厦门海域环境污染状况调查[10]、厦门海域环境规划研究[11]、厦门嵩屿火电厂海洋环境调查[27-28]、厦门湾港口总体布局规划战略环境影响报告书[29].

1.2 现场调查

本项目于2010年8、10月进行了海上现场调查,站位布设如图1所示.调查项目包括化学耗氧量(COD)、无机氮(DIN)、活性磷酸盐(DIP)、石油类等17项.现场采样、监测和实验室分析均依据《海洋调查规范》(GB12763-2007)[30]、《海洋监测规范》(GB17378-2007)[31]的相关方法进行.

2 结果与讨论

2.1 DIN与DIP

2.1.1 DIN与DIP浓度年际变化特征 九龙江河口区海水中DIN年均浓度变化如图2所示.20世纪80年代至今,DIN年均浓度总体呈现持续升高的趋势.具体而言,20世纪80年代,DIN年均浓度在《海水水质标准》(GB3097-1997)[32]第一类海水水质标准上限0.20mg/L上下小幅变动.20世纪90年代中前期, DIN年均浓度缓慢上升,最高值为 0.40mg/L,均为第三类海水水质.20世纪90年代末至21世纪初,DIN年均浓度总体上较之前增加,最高达 0.59mg/L,已达到或超过第四类海水水质标准.2005年至今, DIN年均浓度明显上升,2010年达到最高,为 1.03mg/L,大幅超过第四类海水水质标准.陈宝红等[13]也指出2003～2008年九龙江河口区海水中的无机氮年均含量均呈上升趋势;与20世纪90年代相比,近几年的无机氮年均含量增加了1.4～2.5倍.

图1 研究区域与采样站位Fig.1 Sampling stations in the surveyed areas

图2 1980～2010年九龙江河口区DIN浓度年际变化Fig.2 Annual variations of DIN from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

九龙江河口区海水中 DIP年均浓度变化如图3.20世纪80年代至今,DIP年均浓度基本呈不断上升的趋势.具体而言,20世纪 80年代中前期,DIP年均浓度最高为 0.015mg/L,满足第一类海水水质标准.20世纪80年代末至 90年代末, DIP年均浓度呈先小幅上升、再缓慢下降趋势,最高为 0.025mg/L,属第二类海水水质.21世纪初,DIP年均浓度明显升高[14],2006年达到最高,为0.041mg/L,属第四类海水水质;近几年DIP年均浓度有所回落,但仍为第二、四类海水水质,此趋势与陈宝红等[13]的调查结果一致.

2.1.2 DIN与DIP浓度平面分布变化特征 九龙江河口区表层海水中DIN浓度的平面分布如图4所示,其平面分布基本呈自河端向海端递减的特征,可见其主要受河口冲淡水所控制,九龙江径流输入是河口区DIN的最主要来源[13];高值区主要分布在九龙江北溪、西溪和南溪入海口以及筼筜湖邻近海域.20世纪80年代初期,表层海水中DIN浓度相对较低,受南溪径流以及南岸漫流式泄水的影响[18],其平面分布呈现出由湾内到湾外、南岸到北岸递减的趋势.20世纪90年代初期表层海水中DIN分布特征与80年代初期相似,大致呈现出由西南向东北减的趋势,但其浓度却大幅增高,大部分海域DIN浓度超过第三类海水水质标准;此特征与文献报道一致[16,18].21世纪初,由于厦门岛沿岸的生活污水和九龙江两岸工业区的工业污水排放量急剧增加[17],导致表层海水中DIN浓度继续大幅增高,平面分布呈现出由河口湾内和西海域向湾外递减的趋势,高值区主要出现于九龙江北港邻近海域,DIN浓度超过1.00mg/L.2010年DIN浓度平面分布特征与2001年类似,但水质持续恶化,北港附近海域DIN浓度高达2.50mg/L.

图3 1980～2010年九龙江河口区DIP浓度年际变化Fig.3 Annual variations of DIP from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

图4 1981、1992、2001及2010年10月九龙江河口区表层海水DIN浓度平面分布Fig.4 Spatial distribution of DIN in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1981, 1992, 2001 and 2010

九龙江河口区表层海水中DIP浓度的平面分布如图5所示,其平面分布特征与DIN有所差异,九龙江径流对其分布的直接影响并不十分突出.20世纪80年代初期,DIP浓度平面分布呈南岸高于北岸、自湾内和西海域向湾外递减的规律,可能由河口南侧深水道高磷水舌[33]以及西海域高磷水系[34]所致.但20世纪90年代初和21世纪初,DIP浓度分布较为均匀,溶解态无机磷并非由九龙江径流直接补充输入,可能因活性磷酸盐在咸淡水混合过程中发生了明显的转移、再生和转化,即”磷缓冲”机制[35-36].2010年DIP浓度平面分布特征与20世纪80年代基本相似,但浓度大幅升高,高值区主要出现在筼筜湖和南溪入海口邻近海域,其浓度已超过第四类海水水质标准.可见,DIP平面分布主要受河口南侧深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及”磷缓冲”机制影响,而依据单一调查资料所得出 DIP行为的结论具有很大的局限性.

图5 1981、1992、2001及2010年10月九龙江河口区表层海水DIP浓度平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October. 1981, 1992, 2001 and 2010

2.2 COD

图6 1980～2010年九龙江河口区COD年际变化Fig.6 Annual variations of COD from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.2.1 COD年际变化特征 九龙江河口区海水中COD年均浓度变化如图6所示.20世纪80年代至今,COD年均浓度总体呈“W”状小幅波动趋势,均达到第一类海水水质标准.20世纪80年代中前期,COD年均浓度相对较高,在1.50mg/L左右;20世纪80年代末,COD年均浓度相对较低,此后缓慢上升,并在 90年代中期出现最大值,达到1.71mg/L,此趋势与厦门ICM项目[17]的调查结果完全吻合.20世纪90年代末至21世纪初,COD年均浓度明显回落.近几年,COD年均浓度有所回升,但仍为第一类海水水质.

2.2.2 COD平面分布变化特征 九龙江河口区表层海水中COD浓度平面分布如图7所示,其平面分布基本呈自河端向海端、湾内向湾外减少的趋势.20世纪80年代初期,海水中COD浓度呈由西南向东北逐渐降低的趋势,南溪入海口邻近沿岸海域等值线较密集,高值区位于海门岛以南沿岸海域,低值区位于湾口.20世纪90年代初期,COD浓度平面分布较为均匀,变幅较小,河口湾内在 1.50～2.00mg/L之间,西海域南部在 1.00～1.50mg/L之间.21世纪初,COD浓度有所降低,高值区仍出现在南溪入海口至海门岛之间.2010年,COD浓度又明显升高.沿岸生活、工业污水大量排放以及九龙江径流输入[17]加重了该海域的有机污染,导致其分布特征呈现由河口区湾内、西海域向湾外逐渐降低 的趋势,高值区主要分布在九龙江北港附近.

图7 1982、1992、2001及2010年10月九龙江河口区表层海水COD浓度平面分布Fig.7 Spatial distribution of COD in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1982, 1992, 2001 and 2010

2.3 石油类

2.3.1 石油类浓度年际变化特征 九龙江河口区海水中石油类年均浓度变化如图8所示.20世纪80年代至今,石油类年均浓度总体上呈先缓慢增加、再降低的趋势,均达到第一类海水水质标准.具体而言,20世纪80年代中期的石油类年均浓度约为10.0～15.0μg/L,远低于第一类海水水质标准.随后,石油类年均浓度开始缓慢增加[17],21世纪初升高至23.3μg/L.2003年之后,石油类年均浓度有所回落,维持在 8.9～19.5μg/L,也远低于第一类海水水质标准.

2.3.2 石油类浓度平面分布变化特征 九龙江河口区石油类浓度平面分布如图9所示,其平面分布表现出由河口湾内、西海域向湾外递减的趋势.20世纪80年代中期,石油类浓度平面分布呈由西向东递减,整体上浓度较小,变幅不大.20世纪 90年代初期,表层海水石油类浓度有所上升,高值区出现在九龙江中港、南港和南溪入海口以及筼筜湖邻近海域,低值区位于海门岛北面和湾口.2004年,石油类浓度略微下降,基本呈现河口湾内＞西海域南部海区＞湾口的情形,海域的油污染源已由以九龙江径流输入和船舶排放为主转变为以九龙江径流输入、城市污水和港口作业排放为主,并加强了对船舶和港口作业的管理[17,25],使海域油污染得到一定控制.2010年,石油类浓度整体上与2004年差别不大,高值区分布在九龙江北港和筼筜湖附近海域.

图8 1980～2010年九龙江河口区石油类浓度年际变化Fig.8 Annual variations of petroleum hydrocarbon from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.4 海水水质富营养状态评价及分析

2.4.1 海水水质富营养状态指数年际变化特征 海水中的营养盐是海洋生物生存的必要物质条件,但过量的营养盐将导致海水富营养化,并能诱发赤潮,最终致使水质恶化.

图9 1986、1992、2004及2010年8月九龙江河口区表层海水石油类浓度平面分布Fig.9 Spatial distribution of petroleum hydrocarbons in the surface water of Jiulongjiang Estuary in August 1986, 1992, 2004 and 2010

富营养状态指数法以目标海域海水中 DIN和DIP浓度为基本环境要素、以COD表征海水富营养化的间接环境生态效应[37],富营养状态指数EI采用下式进行计算:

式中:COD、DIN、DIP浓度单位均为mg/L; a是三者富营养化单项阈值之积,常取4500[37].

图10 1980～2010年九龙江河口区海水水质富营养状态指数年际变化Fig.10 Annual variations of EI from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

EI越大,营养水平越高,富营养化程度越严重;EI＜0.5时,贫营养;0.5≤EI＜1.0时,中营养; 1.0≤EI＜3.0时,富营养;EI≥3.0时,高富营养[38].

按式(1)对九龙江河口区各年份的富营养化状态进行评价,结果见图10.20世纪80年代,EI从0.8开始缓慢增加,但仍略低于 1.0,海水处于中营养状态.20世纪90年代初,EI已超过2.0,海水已富营养化;到20世纪90年代末,EI高于3.0,海水呈高富营养状态.21 世纪初至今,EI 大幅升高,绝大多数年份高于3.0,近些年更是超过5.0,2010年EI年均值达到11.7,为历年最高,表明海水富营养化已加速加剧至十分严重的程度.由此可见,海水富营养状态指数EI不断加速升高,海水富营养化程度持续急剧恶化.

2.4.2 海水水质富营养状态指数平面分布变化特征 九龙江河口区表层海水富营养状态指数平面分布如图11.20世纪80年代中期,海域EI基本呈由西海域南部海区向湾口逐渐降低的趋势,几乎整个海域EI＜0.5,处于贫营养状态.20世纪90年代初期,海域EI显著升高,全海域EI＞1.0,在九龙江中港、南港和南溪入海口附近海域出现EI＞3.0的高富营养海区,并由西向东逐渐降低,在海沧东部养殖区[5,17]EI仍大于2.0,在厦门岛西岸以及湾口EI才降至2.0以下.21世纪初,海域整体富营养化程度较先前变化不大,全海域EI＞1.0,九龙江中港、南港和南溪入海口附近的高富营养海区拓展到海门岛北面,九龙江北岸附近也出现一高富营养海区,且其东侧有一EI＜2.0的海区.2010年,海域整体富营养化状态急剧显著恶化,全海域EI＞5.0,其平面分布呈由河口湾内、西海域南部向湾外递减的趋势;海门岛以西等值线密集,富营养化程度异常严重.

图11 1986、1992、2001及2010年10月九龙江河口区表层海水富营养状态指数平面分布Fig.11 Spatial distribution of EI in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1986, 1992, 2001 and 2010

3 结论

3.1 20世纪80年代至今,九龙江河口区海水中DIN、DIP年均浓度持续上升,其中DIN浓度变化范围为 0.17～1.03mg/L,DIP浓度变化范围为0.018～0.041mg/L;COD年均浓度总体呈”W”状小幅波动趋势,浓度变化范围为 0.56～1.71mg/L;石油类年均浓度先缓慢增加、再降低,浓度变化范围为8.9～28.0μg/L.

3.2 DIN平面分布主要受河口冲淡水所控制,呈由西至东递减趋势,高值区主要分布在九龙江南港和南溪入海口附近;DIP平面分布与DIN有所差异,受河口南侧深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及“磷缓冲”机制等因素影响,依据单一调查资料所得出 DIP行为的结论具有很大的局限性,其不同年份的平面分布有所差别,呈相对均匀分布或自南岸向北岸、湾内和西海域向湾外递减的趋势,高值区基本出现在南溪入海口和筼筜湖附近;COD和石油类浓度平面分布均呈由湾内、西海域南部向湾外递减的趋势,高值区位于九龙江北港、南港和南溪入海口以及筼筜湖附近.

3.3 近30年的海水富营养状态指数EI呈不断加速升高的趋势,海水富营养化程度持续加速恶化.其中,20世纪80年代中期,整个海域的EI几乎均小于0.5,海水处于贫营养化状态;20世纪90年代至21世纪初,大部分海域的EI超过2.0,海水已迅速富营养化;2010年,整个海域的富营养状态急剧显著恶化,EI均超过 5.0.因九龙江径流输入的大量营养盐和有机污染物等所致,高富营养化海域主要分布在九龙江北港、中港、南港和南溪入海口附近.

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Spatiotemporal variations of main pollutants in Jiulongjiang Estuary.

GUO Zhou-hua, WANG Cui, YAN Li, WANG Jin-keng*(Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China). China Environmental Science, 2012,32(4)：679～686

Based on the survey data, including 2 cruises in 2010, obtained from recent 30 years in Jiulongjiang Estuary, the annual variations and spatial distribution of DIN, DIP, COD and petroleum hydrocarbon were analyzed and eutrophication index (EI) were applied to assess the eutrophication conditions. The annual concentration of DIN and DIP tended to rise in recent 30 years while the petroleum hydrocarbon concentration increased slowly at first and then declined and COD fluctuate in small amplitude. DIN was higher in the west than the east of the estuary with variations of DIP annually while COD and petroleum hydrocarbon concentration were high in the inner estuary and lower in the western waters of Xiamen harbor and in the outer estuary. The increasing EI for 30 years indicates that the seawater quality was in a state of deteriorating. The most eutrophic areas were located in the north, middle and south part of Jiulongjiang Estuary and at the Nan Xi opening, which suggests that it was resulted from the great input of Jiulongjiang River. All data, annual variations of pollutants with their horizontal distribution, should lay a solid foundation for establishment of total amount control of pollutants to the sea.

important pollutants；annual concentration；spatiotemporal variations；eutrophication；Jiulongjiang Estuary

2011-07-18

国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(200805065);国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务专项基金资助项目(海三科2011017)

* 责任作者, 研究员, xm2195331@126.com

X522

A

1000-6923(2012)04-0679-08

致谢：感谢唐森铭研究员对本文英文写作的指导与帮助.

郭洲华(1987-),男,福建福安人,国家海洋局第三海洋研究所硕士研究生,主要从事环境规划与评价研究.发表论文1篇.