厦门海域水体富营养化状况综合评价*

蒋荣根 贺 青 邝伟明 暨卫东

(国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005)

厦门是中国东南沿海重要港口风景城市之一。随着国民经济的迅速发展,人口数量的急剧增加,工农业及生活废水的排放给厦门周边海域的环境造成了巨大压力,该海域的富营养化状况和赤潮问题日趋突出(林辉等,2002,2008)。因此掌握厦门湾海域水体的富营养化状况,对于保护厦门海域生态质量环境,更科学合理地开发利用该海域资源,促进海湾型城市建设具有重要意义。

随着对富营养化研究水平的不断提高以及为满足现代海岸带综合管理的需求,基于富营养化症状的第二代评价体系应运而生,并已成为国际评价水体富营养化的主流(王保栋,2005)。第二代富营养化评价方法综合多项指标,比较全面地论述了水体富营养化的致害因素,其结果综合性、可比性和精确度均较高(Brickeret al,2003;Nobreet al,2005;Ferreiraet al,2007,2011;Garmendiaet al,2012)。国内已有学者运用第二代富营养化评价的科学理念研究了我国沿岸海域水体富营养化状况,屠建波等(2006)应用欧盟“综合评价法”研究了长江口及其邻近海域富营养化状况,认为其属于“问题海域”;吴迪等(2010)研究表明 2004—2006年间双台子河口生态监控区均未处于富营养化状态;王保栋等(2012)研究表明 2010年长江口海域富营养化状况级别为“劣”。但目前关于厦门湾海域水体富营养化问题的研究报道仍处于以水体营养盐为主体的第一代评价体系(暨卫东等,1996;郑爱榕,2000;林辉等,2002;林辉等,2008),仅通过富营养化状态指数法、模糊综合评价法等公式计算水体富营养化程度,尚未有运用第二代富营养化评价体系研究厦门海域水体富营养化状况的相关报道。因此,本文根据厦门湾海域的实际调查状况,以2003—2012年厦门海域长期监测数据为基础,基于压力–状态–响应(PSR)模型,通过研究厦门海域水体富营养化压力程度、分析当前水体富营养化初级症状和次级症状水平以及预测未来几年内营养盐入海通量响应趋势三方面内容综合评价该海域水体富营养化状况,以期获得对该海域富营养化状况的新认识,为预防、控制和减轻厦门海域水体污染损害与海洋生态环境灾害提供新的科学依据。

1 研究区域与数据资料

1.1 研究区域概况

厦门湾海域总面积约为 390km2,周边地形复杂,四周山峦屏障岸线曲折,海岸主要由基岩岬角海岸组成,海岸线总长约262km,其中水深大于10m的深水岸线达 43km。该海域分为湾内和湾外两部分,湾内包括九龙江河口区、西海域和同安湾,湾外包括南部海域、东部海域和大嶝海域。厦门海域潮汐形态属于正规半日潮,平均潮差 3.96m;潮流属往复流,涨潮时流向湾内,退潮时流向湾外。

1.2 数据资料来源

本文收集了2003年至2012年厦门湾海域监测数据,每年监测频率分为丰水期、平水期、枯水期,调查要素包括化学耗氧量(COD)、底层溶解氧(DO)、无机磷(DIP)、总无机氮(DIN)、叶绿素a等,均来源于国家海洋局第三海洋研究所海洋化学与环境监测技术实验室对厦门湾海域长期监测资料累积。本文选取常年监测的25个站位作为分析站位(如图1),监测方法与分析方法均参照 GB17378.4—2007海洋监测规范(国家质量技术监督局,2007a)和 GB/T12763.4—2007海洋调查规范(国家质量技术监督局,2007b),数据质量高、完整性好,通过数据整理、质量控制与分析,便于应用到水体富营养化模型计算与评价。

图1 厦门湾水体富营养化研究海域Fig.1 The area of study on eutrophication in the Xiamen Bay

2 评价方法与标准

本文水体富营养化评价体系参照美国第二代水体富营养化评价方法(Brickeret al,2003,2007;Xiaoet al,2007),以“压力–状态–响应”框架为评价体系,富营养化程度各核心指标从最优到最劣分为低、中低、中、中高和高5个不同级别,并分别对其赋为5分、4分、3分、2分和 1分。各项指标评价标准的确定主要结合国内外近岸海域富营养化评价标准(Brickeret al,2003,2007;王保栋等,2012)、GB3097—1997海水水质标准(国家环境保护局,1997)、GB/T12763.9—2007海洋生态调查指南(国家质量技术监督局,2007c),并根据厦门海域相关研究报道及现有监测数据作出适当调整,使其尽量适合厦门海域实际状况并做到各等级之间等间距,以减少不同等级之间因间距不均所带来的等级隶属误差。最后采用矩阵法综合权衡上述三部分评价结果确定该海域水体富营养化程度。

2.1 水体富营养化压力

富营养化的根本原因在于水体营养盐含量增加,本文拟通过改良后的营养状态指数公式计算水体富营养化压力程度。许多学者研究认为:在所有海区中均完全照搬营养状态指数公式是不科学的,主要是因为原公式中分母 4500是特定海区 COD、DIN和DIP三者富营养单项阈值的乘积,而在不同海区,这三者的阈值是不相同的,因而对营养状态指数公式进行调整(陈彬等,2002;张景平等,2009),如公式(1)。

其中,P代表水体富营养化压力指数值,COD、DIN、DIP分别代表水体化学耗氧量、总无机氮、无机磷(单位:mg/L),COD′、DIN′、DIP′分别代表化学耗氧量、总无机氮和无机磷的阈值。厦门湾海域富氮缺磷(林昱等,1999),根据厦门海域环境监测获取的水质参数的含量水平,结合我国海水水质标准中第二类水质限定值,并参考美国近岸水质状况评价标准(United States Environmental Protection Agency,2012),取COD′值 为 3mg/L,DIN′值 为 0.3mg/L,DIP′值 为0.03mg/L作为厦门海域COD、DIN、DIP阈值。一般认为,当营养状态指数值大于1.0时水体呈富营养化;当营养状态指数值低于0.4时水体呈贫营养化;当营养状态指数值介于0.4—1.0时水体呈现中营养化,这里根据以上阈值并对其进行划分拟作为富营养化压力范围,如表1。

表1 水体富营养化压力(P)评价标准Tab.1 Assessment criteria for classification of eutrophic pressure

2.2 水体富营养化状态

富营养化状态评价基于水体营养盐含量增加引起的不同阶段症状,分为初级症状和次级症状两个层次。初级症状是指水体富营养化直接引起的藻类加速生长和繁殖;次级症状是指藻类大量繁殖,经过优胜劣汰竞争进而引起的赤潮暴发,然后,在大量藻类死亡后有机体下沉降解消耗底层溶解氧,底栖生物生存受到威胁等情况(Brickeret al,2007;Xiaoet al,2007)。根据厦门湾海域初级、次级生产力特征,选择叶绿素a作为初级症状评价指标,底层溶解氧和赤潮发生状况作为次级症状评价指标。

2.2.1 叶绿素a叶绿素a是海洋初级生产力的重要指标,可以反映水体中浮游植物的生物量,叶绿素a浓度过高或分布范围过广是富营养化初级阶段症状的表征现象。采用厦门湾海域水体浮游植物旺盛期(如夏季)叶绿素a最大浓度及其出现频率评价初级症状水平。为避免因异常值引起的误判,提高评价的可靠性,采用统计方法求出累积百分数 90%对应值作为叶绿素a浓度值。国际上一般将叶绿素a浓度低于5μg/L作为水体富营养化状况最优的参考阈值(Brickeret al,2003;Brickeret al,2007);根据对厦门同安湾及厦门岛周边海域的研究表明:当叶绿素a浓度高于 10μg/L时可能会发生赤潮现象;当叶绿素a浓度大于 15μg/L时厦门同安湾易发生赤潮(蔡励勋,2008;汤荣坤等,2009;陈朝华等,2011)。暂拟叶绿素a的评价标准如表2。

表2 叶绿素a评价标准Tab.2 Criteria of assessment on chlorophyll a

2.2.2 底层溶解氧 底层溶解氧含量对水体生物的生存十分重要,目前国内外富营养化评价方法中均已将底层溶解氧作为富营养化评价指标。运用统计方法求出累积百分数 10%对应值作为底层溶解氧浓度值并结合其出现频率进行评价。一般认为底层溶解氧浓度低于5mg/L时,底栖生物生存会受到胁迫;底层溶解氧浓度低于 2mg/L时底栖生物和鱼类会发生死亡(王保栋等,2012)。为与国际一致,本文选用2mg/L和5mg/L分别作为最低和最高浓度阈值。暂拟底层溶解氧具体评价标准如表3。

2.2.3 赤潮 港湾赤潮是一种海域内的生态失衡现象。赤潮的发生不但会导致海洋生物种群结构发生变化,而且许多赤潮生物释放的有害毒素会导致海洋动物中毒死亡或生长繁殖受到影响,甚至会伴随着食物链的富集威胁到人类健康。目前赤潮发生状况已被作为评价指标之一,在观测到赤潮发生的情况下,根据其发生的持续时间和发生频率进行评价,赤潮相关分级部分参考美国富营养化评价中的分级标准(Brickeret al,2003)及国内学者相关研究(王保栋等,2012),其具体评价标准见表4。

表3 底层溶解氧评价标准Tab.3 Criteria of assessment on dissolved oxygen at sea bottom

表4 赤潮发生状况评价标准Tab.4 Criteria of assessment on red-tide incidence

2.3 水体富营养化响应

水体富营养化评价的主要意义在于向环境管理部门提供有效管理和改善水体环境质量的相关依据,为达到实时性管理和针对性整治的目的,预测评价海域水体未来几年内的富营养化响应趋势必不可少。本文拟结合厦门海域周边人口增长状况,经济发展趋势,污染物排放等相关因素分析预测营养盐入海通量变化趋势,富营养化响应趋势评价如表5(Brickeret al,2003)。

2.4 确定富营养化最终级别

运用矩阵模型综合权衡上述三部分评价结果,给出优、良、中、差和劣5种水体富营养化程度等级。理论上讲,在3类指标及每类指标5种不同等级的前提下,存在 125(53)个不同组合,但其中存在 31种不符合实际情况的组合,因而将其剔除(见表6)(Brickeret al,2003)。水体富营养程度优级必须满足响应趋势不再恶化,良级则仅需保证状态等级为低或中低,中级主要是中或中低等级富营养化状态与压力及响应趋势的众多组合;差级和劣级则包括压力与状态的一系列不良状况,即使相应的响应趋势会发生改善。

表5 水体富营养化响应评价标准Tab.5 Criteria of assessment on response to eutrophication

表6 水体富营养化程度划分矩阵表Tab.6 The assessment matrix for classification of overall eutrophic grade

3 评价结果与分析

3.1 富营养化压力评价

根据上述富营养化压力公式(1),对厦门湾海域分区域评价分析水体富营养化压力程度,有助于针对性管理和区域性改善水体质量。厦门湾海域富营养化压力程度计算结果及年际变化趋势如图2。

图2 厦门海域水体富营养化压力及年际变化趋势Fig.2 Pressures and trends of eutrophication in Xiamen coastal waters

由图2可见,2003—2012年厦门各海域富营养化压力状况随年际变化呈现不同程度的变化趋势。其中,九龙江口水体富营养化压力状况最为恶劣,总体呈上升趋势,富营养化压力指数值介于 0.29—4.12之间,平均值为 1.54,富营养化压力等级为高,其主要原因是受到九龙江上游超负荷营养盐径流的影响,九龙江上游人口密度大、养殖业较多以及污染物排放量较大;西海域水体富营养化压力呈现先上升再下降之势,其压力值介于在0.43—1.68之间,平均值为1.11,富营养化压力等级为高,主要原因一方面是西海域处于湾内半封闭型区域,与外界水体交换动力很差,污染物停留时间长,另一方面是西海域周边人口密度较高,环境压力较大,且受九龙江高营养盐含量水体流入影响;同安湾海域与西海域地理环境相似,处于半封闭型区域,其水体富营养化压力指数介于 0.13—1.29之间,总体均值为 0.65,总体等级为中高;南部海域与外海水交换能力相对较强,受污染程度略低,为中等级富营养化压力;东部海域和大嶝海域水体与外海水体交换条件良好,水体停留时间较短,周边人口密度较小,受污染程度低,水体富营养化压力等级为低。厦门海域富营养化压力值介于0.01—4.12之间,总体均值为 0.68,富营养化压力等级为中高。湾外与湾内富营养化压力差异较大,这主要受地理环境因素、水动力条件、人口因素以及九龙江径流等多方面因素影响。西海域、东部海域和南部海域富营养化压力趋势均呈现先上升再下降的趋势,这可能与近几年来厦门海域周边环境整治有关,在一定程度上减缓了水体营养盐恶化趋势。同安湾海域富营养化压力则呈平缓上升趋势,尤其在 2010年后达到高等级,这可能是因为该海域虽然经过整治与改善,但水体表征的响应速度较慢。大嶝海域富营养化压力虽然处于低等级,但其呈现明显的上升趋势。

3.2 富营养化状态评价

3.2.1 叶绿素a根据 2003—2012年监测资料,对厦门海域叶绿素a含量进行累计统计分析,其浓度频次分布与累计百分数如图3。分析结果表明:厦门海域叶绿素a累积百分数 90%所对应的浓度值为7.5μg/L;叶绿素a浓度值达到或超出7.5μg/L站位的出现频率为 9%,其分布主要集中于西海域和同安湾两个海域。根据表2,厦门海域水体叶绿素a评价等级为中低级。

图3 叶绿素a浓度分布频次与累积曲线Fig.3 Frequency and the cumulative curve of the chlorophyll a values

3.2.2 底层溶解氧 根据2003—2012年监测资料,对厦门海域底层溶解氧含量进行累计统计分析,其浓度分布频率分布与累计百分数如图4。分析结果表明:厦门海域底层溶解氧累积百分数 10%所对应的浓度值为 4.96mg/L;底层溶解氧浓度值低于4.96mg/L站位的出现频率为8%,其分布集中于西海域,个别站位出现于同安湾海域。根据表3,厦门海域水体底层溶解氧评价等级为中低级。

图4 底层溶解氧浓度频次分布与累积曲线Fig.4 Frequency and the cumulative curve of bottom dissolved oxygen values

3.2.3 赤潮 根据厦门市海洋环境质量公报(厦门市海洋与渔业局信息网,2003—2012),在 2003—2012年间,厦门海域有记录的赤潮发生次数为53起,赤潮每年发生情况如图5a,其中2003年、2005年、2006年以及2007年是赤潮发生的高峰期,发生赤潮的次数较多。厦门海域赤潮发生季节分布如图5b,夏季(6—8月)发生的次数较多,其他季节发生情况相对较少。每起赤潮暴发持续时间基本在2周之内,年际间呈现一定的季节性变化。根据表4中判定标准,厦门海域赤潮发生情况的评价等级为中级。

3.2.4 确定富营养化状态结果 在2003—2012年间,厦门海域富营养化初级症状叶绿素a等级为中低级;次级症状底层溶解氧等级为中低级,赤潮发生状况等级为中级;根据“一损俱损,预防为主”的原则,厦门海域富营养化状态的评价等级为中级。

3.3 富营养化趋势响应评价

厦门海域主要污染物来自九龙江及周边沿岸陆源排污点,每年总无机氮入海通量及其年际变化率如图6所示,2003—2012年间厦门总无机氮入海通量呈现“上升–降低–上升–下降”的上下波动之势。根据全国第六次人口普查,厦门人口数量迅速增长,由2000年的205.31万人增长到2010年的353.13万人,平均年增长率达5.57%。厦门经济发展迅速,国内生产总值由 2003年的 759.69亿元增长到 2012年的2817.07亿元(图7),进入“十二五”时期以来,2011和2012年厦门GDP增长率分别为15.1%和12.1%,根据厦门市十二五规划纲要,预期2015年比2010年翻一番以上。经济的迅猛发展必然消耗大量能源和原材料,导致污染物排放量增大;人口密度更为直观地体现了人口数量与环境质量的关系,人口密度影响环境的本质是高密度人口通过高强度的经济活动和资源利用对环境施加更大压力。但在加强厦门海域整治、污水处理厂建设、污水资源化、湿地修复和重建及重点流水水环境综合整治和污染减排等政策的调控下,预计未来废水排放量与处理削减量基本持平,结合2003—2012年总无机氮入海趋势,未来一段时间内营养盐入海通量基本维持现状,根据表5,厦门海域水体富营养化响应趋势等级为中级,预计未来几年内该海域富营养化症状基本不会发生变化。

图5 厦门海域不同季节(a)与年份(b)赤潮发生状况Fig.5 Seasonal and annual variations of red tides in the Xiamen coastal waters

图6 厦门海域DIN入海通量及年际变化Fig.6 Flux and annual change of DIN in Xiamen coastal waters

图7 厦门市年际GDP及其增长趋势Fig.7 GDP(gross domestic product)and its rising trend in Xiamen City from 2003 to 2012

3.4 富营养化状况综合评价结果

在 2003—2012年间,厦门海域水体富营养化压力等级为中高级,富营养化状态等级为中级,富营养化未来响应趋势等级为中级,厦门海域水体富营养化的压力–状态–响应得分为 2–3–3,根据矩阵表6,厦门海域水体富营养化综合评价等级为中级。

4 结论

(1)厦门海域水体富营养化压力指数值为 0.68,处于中高等级。其中九龙江口区富营养化压力值为1.54,呈明显上升趋势;西海域、东部海域和南部海域均呈现先上升再下降之势;同安湾海域呈平缓上升趋势,总体等级为中高;大嶝海域水体富营养化压力最低。

(2)厦门海域富营养化初级阶段指标叶绿素a浓度为7.5μg/L,出现频率为 9%,初级症状等级为中低级;次级阶段指标底层溶解氧浓度为4.96mg/L,出现频率为 8%,其症状等级为中低级;历年赤潮暴发持续时间在2周之内,呈季节性变化,其等级为中级。根据“一损俱损,预防为主”的原则,厦门海域水体富营养化状态等级为中级。

(3)未来几年内,厦门海域周边营养盐入海通量基本维持现状,水体富营养化响应趋势等级为中级,预计富营养化相关症状基本不会发生变化。

(4)厦门海域水体富营养化的压力等级为中高,状态和响应等级均为中等,其水体富营养化综合状况等级为中等。其中,西海域和九龙江口水体营养盐压力较大,控制九龙江上游及西海域周边营养盐入海通量尤为重要。

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