2015年靖海湾及五垒岛湾海域表层海水化学要素时空分布特征及潜在富营养化评价
2019-10-21刘阳李洪涛于国庆张龙飞
刘阳 李洪涛 于国庆 张龙飞
摘要：于2015年春季、夏季及秋季3个航次对威海南部靖海湾及五垒岛湾海域进行表层海水水质调查并进行了富营养化评价。结果表明：调查海域表层海水水质符合二类水质标准，受磷限制影响;叶绿素-a春季航次（0.660 μg/L）含量偏低，夏季航次（0.808 mg/L）达到最高值;溶解氧春季航次（10.711 mg/L）高于夏季航次（8.940 mg/L）及秋季航次（8.678 mg/L），近岸区域出现低值区;无机氮秋季航次（0.146 mg/L）最高，活性磷酸盐（0.013 mg/L）及化学需氧量（1.316 mg/L）夏季航次最高，三者受外源河流输入的影响呈现从近岸区域向外海逐渐降低的趋势;活性硅酸盐主要受海洋本底的影响;夏秋航次在靖海湾河流入海口区域出现富营养化状态。
关键词：靖海湾及五垒岛湾海域;表层海水;海水化学要素;富营养化
为了客观评价靖海湾及五垒岛湾海域海水化学要素水平及富营养化状况[1-2]，于2015年春、夏及秋分别进行水质调查，测定了表层海水中溶解氧（DO）、叶绿素-a、无机氮（DIN）、活性磷酸盐磷（DIP）、活性硅酸盐（DISi）、化学需氧量（COD）含量，并进行了富营养化评价。
1调查方法与评价
1.1样品采集与测定
2015年3月中旬（春季航次）、7月中旬（夏季航次）及10月中旬（秋季航次）分别于靖海湾及五垒岛湾海域采集表层海水，共26个站位，站位设置如图1所示。调查因子包括：水深、温度、盐度、pH、溶解氧（DO）、叶绿素-a、无机氮（DIN）（包含硝酸盐、亚硝酸盐及氨氮）、活性磷酸盐（DIP）、活性硅酸盐（DISi）及化学需氧量（COD）。为了探究调查海域污染主要来源，还对青龙河、昌阳河、黄垒河及母猪河等主要入海河流进行调查，调查因子包括径流量、水深、COD及氨氮等。样品的采集、存贮、运输、预处理及测定参照《海洋调查规范》[3]进行。
1.2评价方法
1.2.1单项污染指数法研究海域海水水质参考《海水水质标准》，并采用单项污染指数法[4-5]进行评价，公式如下：
Si，j=Ci，jCsi
式中：Si，j为水质参数i（DIN、DIP、COD）在站位j的单项污染指数，Ci，j为水质参数i在站位j的含量，Csi为海水水质标准中水质参数i的标准值。
DO的单项污染指数计算方法为：
SDO，j=DOf-DOjDOf-DOsDOj≥DOs
SDO，j=10-9DOjDOsDOj DOf=468/（31.6+T） 其中DOf为海水温度为T摄氏度时的饱和溶解氧浓度，DOj为站位j测定的溶解氧浓度，DOs为海水水质标准中溶解氧的标准值。 如果Si，j>1或者SDO，j>1，表明调查海域该水质参数超出了水质标准，存在污染情况。如果Si，j≤1及SDO，j≤1，表明调查海域该水质参数可以满足调查海域的功能需要。 1.2.2富营养化评价富营养化状态指数[6-7]计算公式如下： E=CCOD×CDIP×CDIN×1064 500 式中：E为富营养化状态指数，CCOD、CDIP、CDIN分别为海水化学需要量（COD）、活性磷酸盐磷（DIP）及无机氮（DIN）的测定值，单位为mg/L。其中0 2调查结果 2.1化学要素含量与单项污染指数 按照《山东省海洋功能区划》（2011-2020）[8]及《威海市海洋功能区划》（2013-2020）[9]相关规定，靖海湾及五垒岛湾海域需要符合二类海水水质标准。3个航次表层海水DO、DIN、DIP、COD、叶绿素-a、DISi含量及单项污染指数如表1所示。3个航次DO含量为7.610～11.800 mg/L，符合一类海水水质标准（>6.000 mg/L）;DIN含量为0.024～0.227 mg/L，符合二类海水水质标准（0.200～0.300 mg/L）;DIP含量为0.002～0.026 mg/L，符合二类海水水质标准（0.015～0.030 mg/L）;COD含量为0.421～2.065 mg/L，符合二类海水水质标准（<3.000 mg/L）;叶绿素-a含量为0.048～4.510 μg/L;DISi含量为0.151～ 0.788 mg/L。调查结果表明，靖海湾及五垒岛湾海域表层海水DO、DIN、DIP及COD单项污染指数均小于1，符合二类海水水质标准，水质良好。与李洪涛等[10]2013年在该海域的调查比较，DIN均低于2013年相应调查航次（春季航次0.203 mg/L，夏季航次0.210 mg/L，秋季航次0.200 mg/L）;DIP春季航次低于2013年春季航次（0.010 mg/L），夏季航次及秋季航次与2013年调查相应航次较为接近（夏季航次0.012 mg/L，秋季航次0.012 mg/L）;DO均高于2013年调查（春季航次6.940 mg/L，夏季航次7.180 mg/L，秋季航次6.950 mg/L）;COD春季航次及夏季航次略高于2013年调查相应航次（春季航次0.940 mg/L，夏季航次1.260 mg/L），秋季航次略低于2013年秋季航次（1.400 mg/L）。表明调查海域表层海水水质情况较2013年有所好转，尤其是DIN有明显降低。 2.2海水化學要素时空分布 2.2.1营养盐分布海水中的无机氮（DIN）（由NO-3-N、NO-2-N及NH+4-N组成）及活性磷酸盐（DIP）是海洋中重要营养盐，是海洋浮游植物及大型海藻生长繁殖所必需的营养盐，主要来源有海洋本底、陆源性径流输入及海洋生物排泄、死亡分解等[11]。DIN结果表明，调查海域表层海水符合二类海水水质标准，其中秋季航次DIN均值最高（0.146 mg/L），春季航次DIN均值最低（0.127 mg/L），3个季节平面分布均呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势（图2），河口海域含量明显高于非河口地区，尤其是青龙河口区域;DIP分析表明，春季航次表层海水符合一类海水水质标准，夏季航次及秋季航次DIP浓度升高，符合二类海水水质标准，平面分布也呈现从河口向外海逐渐降低的趋势（图3）。主要入海河流污染源分析发现，COD、氨氮及总磷输入量在春季航次最低，夏季航次最高（表2），夏秋季节为河流丰水期，河流径流携带大量的工农业废水和城市生活污水进入调查海域，污染物输入量季节变化趋势与表层海水营养盐及COD基本一致，表明调查海域的污染源主要来自于入海河流输入。此外，DIN及DIP的变化还受到浮游植物、大型海藻及养殖生物生长的影响，春季浮游植物及大型海藻生长旺盛，消耗掉大量的营养盐[12]，而秋季养殖生物生长旺盛，排泄物及死亡生物经分解再生为DIN及DIP。
2.213活性硅酸鹽（DISi）是海洋浮游植物特别是硅藻类生长必需的营养盐类之一[11]。靖海湾及五垒岛湾海域DISi分析表明，调查海域DISi浓度（0.151～0.788 mg/L）相对其他海域较高（莱州湾0.317 mg/L，胶州湾0.197 mg/L）[2，11]。春季航次为江河径流的枯水期，然而春季航次的DISi高于夏秋季节，说明该海域DISi主要来源为海洋本底，外源输入较少。春季航次磷元素含量较低，限制了浮游植物的正常生长，因此活性硅酸盐吸收不明显，而夏秋季节，大量外源河水的输入，营养盐丰富，利于硅藻的大量繁殖，因此DISi含量有所降低（图4）。
2.2.2叶绿素-a及溶解氧分布叶绿素-a是表征浮游植物现存生物量的重要指标[13]。叶绿素-a浓度的高低受光辐射、温度、透明度和营养盐等多方面因素的影响。JUSTIC等[14]和DORTCH[15]等提出了一个系统评估营养盐限制的标准：（1）若DISi/DIP>22和DIN/DIP>22（单位为摩尔浓度），则磷酸盐为限制因素;（2）若DIN/DIP<10和DISi/DIN>1，则无机氮为限制因素;（3）若DISi/DIP<10和DISi/DIN<1，则无机硅为限制因素。数据分析表明，调查海域春季航次DISi/DIP=173，DISi/DIN=2，DIN/DIP=88;夏季航次DISi/DIP=48，DISi/DIN=2，DIN/DIP=29;秋季航次DISi/DIP=57，DISi/DIN=1，DIN/DIP=41。因此调查海域活性磷酸盐为限制因素。郭卫东等[7]认为DIP浓度低于0.015 mg/L或者DIN低于0.200 mg/L时，浮游植物就不能正常繁殖，而调查海域春季航次DIP最高浓度为0.008 mg/L，因此春季航次浮游植物生长受到限制，导致叶绿素-a浓度偏低，夏季航次，随着河流外源输入的增加，磷元素含量上升，因此浮游植物开始大量生长繁殖，叶绿素-a浓度达到最高点，而秋季航次为养殖生物的快速生长期，大量的浮游植物被摄食，叶绿素-a的浓度降低（图5）。
DO数据发现，春季航次的DO含量为三个航次中最高的（10.711 mg/L），其次为夏季航次（8.940 mg/L），秋季航次最低（8.678 mg/L），这是因为夏秋季节为入海河流的丰水期，大量外源COD输入（表3），有机物的降解过程消耗了浮游植物及大型海藻释放的氧气，导致夏秋季节DO的总体浓度偏低[16]。同样春季航次中河口区域出现低值区也是因为河流COD的输入引起的（图6）。
2.2.3化学需氧量分布特征化学需氧量（COD）反映了调查海域的水质有机污染情况。COD结果表明：夏季航次（1.316 mg/L）>秋季航次（1.175 mg/L）>春季航次（0.974 mg/L），这是因为夏季为外源入海河流丰水期，输入大量的外源有机物（表2）。COD含量呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势。尤其是在靖海湾，出现高值区域（图7）。
2.3富营养化评价
海洋富营养化能使生态失去平衡，在一定条件下会造成赤潮发生[17]。靖海湾及五垒岛湾海域富营养化状态指数（E）分析表明春季航次所有站位E<1，夏季航次1、2、3、4、6站位E>1，秋季航次1、2、3站位E>1（表4），富营养化站位均位于靖海湾内，且在青龙河入海口处，因此富营养来源主要为青龙河的外源输入及养殖活动。调查海域的富营养化状态指数呈现从海岸向外海逐渐降低的趋势（图8）。
3结论
靖海湾及五垒岛湾海域表层海水水质良好，受磷元素限制，符合规定的功能需要。春季航次叶绿素-a浓度偏低，夏季航次出现最高值;溶解氧浓度春季航次高于夏秋季节，在近岸区域尤其是河口区域受COD输入的影响出现低值区;表层海水DIN、DIP及COD受河流外源输入的影响平面分布均呈现从海岸线向外海逐渐降低的趋势;调查海域DISi三个航次无明显差异，海洋本底较高。同2013年调查比较，调查海域水质有所好转，尤其是DIN。
富营养化状态指数分析表明，调查海域春季航次无富营养化出现，而夏秋季节在靖海湾河流入海口处出现富营养化状态。
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Spatial-temporal distribution of chemical parameters and eutrophication evaluation in surface water of Jinghai Bay and Wuleidao Bay in 2015
LIU Yang1，LI Hongtao2，YU Guoqing2，ZHANG Longfei2
（1. College of Marine Life Sciences， Ocean University of China， Qingdao 266003， China;2. Wendeng Marine Environmental Monitoring Station of the State Oceanic Administration， Weihai 264400， China;）
Abstract：The investigation was carried out in the spring， summer and autumn of 2015 to evaluate the surface water in Jinghai Bay and Wuleidao Bay. The analysis of samples found that the surface water of investigating area met the requirement of the second quality standard of sea water and was in the absence of inorganic phosphorus （DIP）. The concentration of chlorophyll a in spring was the lowest（0.660 mg/L）and the highest concentration was found in summer（0.808 mg/L）. The concentration of dissolved oxygen （DO） in spring （10.711 mg/L） was higher than summer（8.940 mg/L） and autumn（8.678 mg/L）. DO from the coast sites was lower than those from the open sea. Inorganic nitrogen （DIN） was higher in autumn（0.146 mg/L）than spring and summer， DIP （0.013 mg/L）and COD（1.316 mg/L）were higher in summer and they were all affected by external resource input， decreasing gradually from the coastal area to the open sea. The inorganic silicate （DISi） was mainly influenced by marine background. The analysis of eutrophication showed that eutrophication status appeared in the estuary area of Jinghai Bay in summer and autumn.
Key words：Jinghai Bay and Wuleidao Bay; surface water; chemical parameters; eutrophication
