长江口及邻近海域富营养化趋势分析及与环境因子关系

2014-07-16尹艳娥沈新强蒋玫袁琪平仙隐徐亚岩韩金娣王云龙

生态环境学报 2014年4期

尹艳娥，沈新强，蒋玫，袁琪，平仙隐，徐亚岩，韩金娣，王云龙

中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090

近岸海域氮和磷的质量浓度普遍偏高, 以及由此而带来的富营养化是中国沿岸海域最突出的环境问题之一, 而海域富营养化又是导致有害赤潮发生的主要因素之一，赤潮对生态环境和人类健康都造成了巨大的破坏，不但打破了海域生态系统的平衡，还给水产养殖业造成了巨大的损失，引起国内外的广泛关注（ZHU等，2014）。氮、磷是海洋浮游植物生长、繁殖必不可少的营养要素, 在生物活动中起着重要作用, 其在水环境中的分布变化在一定程度上控制着海洋生态系统中的初级生产过程,是海洋初级生产力的主要限制因素。化学需氧量(COD)用来衡量有机物对水体污染总体程度的一个综合性指标，COD过高则是水体中有大量有机物的标志,在微生物降解有机物过程中，水中溶解氧减少,水体变的浑浊，透明度降低，散发出恶臭味, 破坏水体的生态平衡（蔡晓明，2001）。

长江将大量营养物质从陆地带入长江口海域，加上黑潮、台湾暖流等水团的影响，使得长江口海域的生态环境趋于复杂化、多样化（陆赛应等，1996）。长江口附近的杭州湾和舟山群岛海域，由于受长江和钱塘江径流影响，使该水域温、盐度变化大，营养盐类丰富，饵料生物基础雄厚，与长江口一起成为我国重要的传统渔场。30多年来，人类活动的增加，长江口无机氮含量数倍增加，水域富营养化日趋严重，长江口海区赤潮增多；长江口海域渔业环境质量正呈逐步下降趋势，势必也会影响到杭州湾和舟山群岛海域的渔业环境质量。目前，关于长江口富营养化变化趋势的报道较多（高利利等，2010；王奎等，2013）。但将杭州湾、舟山群岛海域纳入长江口海域，并且采用不同评价方法对比分析长江口及其邻近海域的富营养化趋势，及与环境因子间关系的研究报道尚有待补充。本文在2007-2009年春、夏两季对长江口及其邻近海域调查资料的基础上，采用三种评价方法研究了长江口及其邻近海域富营养化水平的趋势性和季节性、富营养化级别的分析及其导致富营养化的主要限制因素，同时也研究了环境因子与富营养化之间的关系。以期为长江口富营养化的研究作进一步补充，并为长江口及其邻近海域的管理和修复提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 站位设置及样品采集

2007-2009年春季( 5月)和夏季( 8月) 在长江口附近水域 ( 北纬 30°00′-31°15′，东经121°49.2′-122°30.0′)，设置了20个采样站位进行水质调查，1-6站位为长江口，7-11站位为杭州湾，12-2站位为舟山渔场，具体调查站位分布见图1。现场使用不锈钢颠倒采水器依据站位水深进行采集，水深小于10 m，采集表层水样，大于10 m采集表、底层水样。现场海水盐度参数应用YSI(美国YSI公司出品)多参数分析仪现场测定。水样采集后水样经0.45 µm的微孔滤膜过滤，冷冻保存于250ml塑料采样瓶中, 带回实验室分析。检测参数包括亚硝酸盐(NO2--N)、硝酸盐(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、磷酸盐(PO43--P)、化学需氧量(COD)。亚硝酸盐采用萘乙二胺分光光度法，硝酸盐采用锌镉还原法，磷酸盐采用磷钼蓝反光光度法，化学需氧量采用碱性高锰酸钾法测定。均严格遵照《海洋监测规范》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2008）的相关规定要求进行测定。

图1 采样站位分布Fig.1 Location of sampling stations

1.3 富营养化评价及分析

1.3.1 富营养指数法

目前广泛应用于中国近岸海域富营养化现状评价的方法为富营养指数(E)法（邹景忠等，1983）,其计算公式为：

式中，COD、DIN、DIP分别为化学需氧量、无机氮、无机磷, 其单位均以mg·L-1表示，当该指数E>1时, 则表示水体已呈富营养化状态，E值越大，水体富营养化程度越严重。

1.3.2 潜在性富营养化法

郭卫东等（1998）认为水体只有得到适量的磷（对磷限制水体而言）或氮（对氮限制水体而言）的补充，使N /P的比值接近Redfield值，这部分氮或磷对富营养化的贡献才能真正体现出来，这种现象称为潜在性富营养化。并以此概念为基础，参照我国海水水质标准，同时兼顾氮、磷含量极其比值，提出了分类分级的潜在性富营养化评价模式，划分原则见表1，其中DIN表示无机氮，PO43--P表示活性磷酸盐中的磷。

表1 营养级划分标准Table 1 Classification of nutrient levels

1.3.3 有机污染指数法

从污染角度考虑，刘彬昌（刘彬昌，1993）提出了有机污染指数（A）法，计算公式如下：

其中，CODi、DINi、DIPi和DOi为各站位实测值（mg·L-1）；CODs、DINs、DIPs和DOs为标准值，在本文中采用一类海水水质标准，CODs为2 mg·L-1、DINs为0.20 mg·L-1、DIPs为0.015 mg·L-1和DOs为5 mg·L-1。有机污染指数A< 0污染程度级别为0级，表明水质清洁；04污染程度级别为5级，表明水质严重污染。

1.4 数据处理与统计

富营养指数分布图采用surfer8.0软件进行空间插值并生成等值线图；使用Excel对富营养指数和有机污染物与环境因子之间的关系进行分析。

2 结果与讨论

2.1 长江口及其邻近海域富营养化评价及时空分布

2.1.1 富营养化水平的趋势性和季节性变化

依据富营养指数法，对2007-2009年长江口及邻近海域富营养化趋势进行了分析统计（表2），为了更加直观地了解富营养化的分布情况，对其时空分布特征作了进一步分析（图2）。

表2 长江口及附近水域富营养指数法评价结果Table 2 Statistics result for Eutrophication index of Changjiang Estuar and adjacent sea

从表2可以清楚地看出，富营养化比例最低达到了70.0%，说明长江口及邻近海域富营养化覆盖面较广，富营养化程度比较严重。在春季，长江口及邻近海域的富营养化指数所占比例从77.0%上升到89.8%；在夏季最低达到89.3%，最高到100.0%；春、夏两季基本上处于逐年增加趋势，说明富营养化覆盖面越来越大，水域受富营养化的程度也越来越严重，富营养化趋势越来越明显。近年来研究的长江口及邻近海域营养盐的历年变化趋势与分析也指出，历年DIN与PO43--P质量浓度呈现持续增高的趋势（陈慧敏等，2011）。进一步对比2007-2009年春夏两季的分析结果还可以看出，每年的夏季富营养化比例都不低于春季。另外，在春季E值的标准偏差为4.26，在夏季为14.63，说明各个站位的富营养化程度在春季时变化较小，在夏季时较大。这可能是因为随着农业发展与沿岸化工厂的建立，夏季进入主汛期后, 长江径流量增加, 使得来自陆源输入的DIN、PO43--P和COD含量增加，含量变化波动也较大，致使富营养化比例和富营养化程度增加。

2007-2009年春季时，长江口及附近水域富营养指数平面分布呈由近岸向远海逐渐递减的趋势，梯度分布明显（图2a）。指数最高值区出现在西部近岸方向，处于杭州湾近岸水域，此水域的等值线也最密集，也就是说富营养指数变化的幅度最大，富营养化情况也较严重。而随着远离近岸逐渐向外海，在东部远海方向，处于舟山渔场附近时等值线逐渐稀疏，说明此水域富营养指数变化幅度不大，富营养化情况相对较轻。长江口附近的等值线相对较密集，富营养化程度优于杭州湾的。在夏季时，长江口及邻近海域富营养指数平面分布与春季时类似，南北方向伸展并向东扩散、衰减，梯度分布明显（图2b）。但是在夏季长江口和杭州湾两个水域的富营养指数的等值线都比较密集，而且等值线数值大于春季的，说明夏季的富营养化情况较为严重。

图2 2007-2009年长江口及邻近海域富营养指数平面分布（3年平均）Fig.2 Distribution patterns of eutrophication index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009

表3 长江口及附近水域潜在性富营养化评价结果Table 3 Statistics result for potential eutrophication of Changjiang Estuar and adjacent sea

2.1.2 受磷限制富营养化的变化趋势及其影响

采用潜在性富营养化法将长江口及其邻近海域的N/P及所占各个营养级别百分比进行了分析评价，结果如表3所示。

由表3可以看出，长江口及邻近海域的营养级主要集中在III级（富营养）和V P级（磷中等限制潜在性富营养），说明富营养化程度较高，这与富营养指数法的评价结果相吻合；另外，通过分析还发现，长江口在春、夏2季，潜在性富营养化级别所占比例逐渐向后移，即受磷限制性富营养化程度越来越高。2007年春季，长江口水域IV P所占比例为16.7%，2008年增加到V P 50.0%，2009年增加到V P 66.7%，VI P为33.3%；夏季时，长江口水域从2007年V P和VI P所占比例都为0分别增加到33.3%和16.7%，2009年V P增加到66.7%，说明长江口受磷限制富营养化程度越来越高，这将对浮游植物生命活动造成一定影响。磷中等限制潜在性富营养的增加，说明富营养化水体中氮的含量大大超过磷的含量，N/P比值不平衡。一般来说, 沿岸和较封闭水域易发生磷限制富营养。营养盐是浮游植物生命活动的物质基础, 浮游植物能够大量的消耗营养盐（郝林华等，2012）。而且浮游植物按一定比例(Redfield比值)摄取营养物质维持自身的物质和能量代谢（Jasmin等，2012；Ayataa等，2013）。偏离Redfield比值会造成营养结构失调，使得浮游生物的种群结构改变, 甚至引发赤潮发生(高生泉等，2004)；N/P比值对藻类的竞争抑制参数也能够产生显著影响，只有适宜的N/P比值才会形成一个良好的水域环境。近年来研究发现（张静等，2010；吕振波等，2010；屠建波等，2012），我国近海主要河口、海湾水体中N/P比值几乎都偏离Redfield 比值，而且随着季节的变化波动也比较大。由表3还看出，3年的春夏季均偏离Redfield 比值较大，N/P比值从9.1到50.9，营养盐比例明显不协调，致使某类浮游生物的生长较快。这可能是因为受长江冲淡水的影响，无机氮的量远大于磷酸盐的量；另外，王保栋等人（王保栋等，2002）认为在长江口羽状锋区(盐度为20-27的区域)浮游植物大量摄取磷酸盐，那么这样也会致使磷酸盐的质量浓度大大降低，使得N/P比值偏离Redfield比值。

2.1.3 污染级别趋势分析

有机污染指数法将水质划分从0级到5级，2007-2009年春、夏2季长江口及邻近海域污染程度的百分比如表4所示，分布情况见图3。

与富营养指数法和潜在性富营养化法分析统计结果一致，水体的富营养化程度较高（表4）。从A值分析，2007-2009年水体中0级未出现，也就是说无水质清洁水； 2007年春季长江口出现16.7%的1级水质，即水质较好情况极少；受有机污染的级别在3级比例比较少，即受轻度污染的情况较少；水体受有机污染级别在5级的比例较大，水质处于严重污染情况较多。长江口春、夏2季5级的比例从2007年的50.0%分别上升到2009年的83.3%和100.0%；杭州湾春、夏2季5级的比例分别从2007年的60.0%和80.0上升到100.0%；舟山渔场春、夏2季5级的比例分别从2007年22.2%和66.7上升到66.7%和77.7%。说明长江口及邻近海域受轻度污染的水体比例正逐年下降，而受中污染和重污染的比例逐年上升，而且夏季有机污染百分比大于春季。表明长江口及邻近海域营养盐含量丰富、污染十分严重（高利利等，2010）。另外，春季有机污染的标准偏差为1.45，夏季为2.49。说明各个站位的有机污染程度在春季时变化较小，在夏季时较大。这可能是因为，在夏季主汛期后, 长江径流量的增加, 导致氮、磷和化学需氧量含量的变化较大所致。

表4 长江口及附近水域有机污染指数评价结果Table 4 Statistics result for organic pollution index of Changjiang Estuar and adjacent sea

图3 2007-2009年长江口及邻近海域有机污染指数平面分布（3年平均）Fig.3 Distribution patterns of organic pollution index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009

3年来春、夏2季长江口有机污染指数达5级的占50%以上，杭州湾60%以上，舟山渔场20%以上，杭州湾受污染情况最为严重，长江口次之，舟山渔场最小。这可能是因为随着工业化，杭州湾沿岸大量的陆源污染物进入，而且杭州湾所设置的5个站位处于半封闭位置，减弱了水体交换能力，延长了水体交换时间。在长江口虽然也携带大量的陆源污染物，但由于春夏长江冲淡水影响，起到了稀释作用，而且向东南方向冲出后，很快左转至东北方向，使得本调查水域内长江口的污染物含量得不到足够供给，而低于杭州湾。舟山渔场无陆源径流，输入性污染物少，因而水域有机污染指数最低。

从图3更直观的分析出有机污染的时空分布情况。污染程度从西向东、从北向南逐渐降低。其中1和2号站位于长江口南支, 长江携带的大量污染物质在此入海，造成2个站点污染程度较为严重；而7、8和9号位于杭州湾北岸附近，因此，E值和A值也较高, 说明长江口及邻近海域主要受陆源污染的影响。相关学者也研究了春秋季长江口及邻近海域营养盐污染情况，结果表明长江口南岸白龙港附近，成为各种营养盐的高污染区；区域超标程度较严重为长江口南岸和杭州湾北岸（王芳等，2006），这与本研究的结论显然一致。

图4 2007-2009年春、夏季富营养指数与盐度、pH值和溶解氧的关系Fig.4 Relationship between eutrophication index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007-2009

图5 2007-2009年春、夏季有机污染指数与盐度、pH值和溶解氧的关系Fig.5 Relationship between organic pollution index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007- 2009

2.2 富营养和有机污染指数与环境因子的关系

富营养指数和有机污染指数时空变化特征是各种外部环境因子综合作用的结果。为了探讨长江口海区富营养指数和有机污染指数空间分布主要影响因素，对相关环境因子（包括盐度、pH值和溶解氧(DO)）与其相关性进行分析，分析结果如图4、图5所示。

由图4可以看出，春、夏2季富营养指数与盐度的相关性最大（春季R2=0.563，夏季R2=0.730），次之为pH值（春季R2=0.361，夏季R2=0.140）；相关性最差为溶解氧（春季R2= 0.006，夏季R2=0.009）。春、夏2季有机污染指数同样也与盐度的相关性最大，pH值次之，溶解氧最差（图5）。河口系统中污染物主要通过3种方式输入：陆源流入、大气扩散与沉降和生物固定，春、夏2季富营养指数与盐度有较显著负相关性，这说明富营养化主要是由于沿岸入海河流所引起，主要受径流量以及与外海海流的物理混合过程影响，这与相关学者提到的营养盐和盐度呈显著的负相关关系，说明咸淡水的混合作用对营养盐的空间分布有显著影响的研究结果一致（高学鲁和宋金明，2007）；此论文还提到浮游植物对营养盐的空间分布也有重要影响，但从相关系数来看，浮游植物的影响要弱于咸淡水混合作用的影响（高学鲁和宋金明，2007）。浮游植物与溶解氧和pH有着密切的关系，因此，富营养化的判断与溶解氧、pH的关系复杂, 需要与其它环境因子综合分析。

3 结论

1）通过富营养指数法，潜在性富营养化法和有机污染指数法分别对2007-2009年长江口及邻近海域的富营养化进行分析。通过富营养指数法分析，该水域的富营养化程度最低达到了70.0%，富营养化程度很高，在春、夏2季基本上处于逐年增加趋势；通过潜在性富营养化法分析，该水域的营养级主要集中在III级（富营养）和V P级（磷中等限制潜在性富营养），富营养化水体中氮的含量大大超过磷的含量，N/P比值从9.1到50.9 ，营养盐比例明显不协调；另外，受磷限制性富营养化程度越来越高，对浮游植物生命活动造成一定影响。从有机污染指数法分析，该水域主要处于5级水质，受轻度污染的水体比例正逐年下降，而受中污染和重污染的比例逐年上升；杭州湾受污染比例最为严重，长江口次之，舟山渔场最小。3种方法分别从不同层面对长江口及邻近海域的污染程度及趋势进行了分析。

2）从富营养指数平面分布图来看，2007-2009年春、夏2季长江口及附近水域富营养指数平面分布呈由近岸向远海逐渐递减的趋势，梯度分布明显。机污染指数平面分布与富营养指数平面分布类似，从西向东、从北向南污染程度逐渐降低。

3）长江口及邻近海域富营养指数与环境因子的相关分析表明, 富营养指数与盐度相关性最大，说明富营养化主要受径流量以及与外海海流的物理混合过程影响。富营养指数与盐度、溶解氧、pH的关系复杂不呈线性相关。

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