沧州黄骅港水质特征及营养状态分析

刘龙 褚芹芹 王全颖 谢润超 杜雨蒙 张建乐

摘要：根据2011～2018年河北省海洋生态环境监测数据，研究沧州黄骅港海域水质要素变化特征及其海水自净能力，运用单因子标准指数法、营养指数法、有机污染评价指数法及PSR框架富营养化综合评价法评价海域营养状态。研究发现，海域水体中DIN浓度总体呈现逐渐降低的特征;活性磷酸盐浓度大体呈现先升高后降低的特征，且已成为浮游植物生长的限制因素。结果表明，黄骅港海域具有较强的海水自净能力。四种评价模式均表明海域富营养化水平表现出先由中营养状态发展为富营养状态，后又恢复为中营养状态的趋势。

关键词：黄骅港;水质特征;自净能力;富营养化

Abstract：According to the monitoring data of marine ecological environment in Hebei Province from 2011 to 2018， the change characteristics of water quality elements and self purification capacity of the sea-area of Huanghua port in Cangzhou were studied， and the nutritional status of the sea-area was evaluated by single factor standard index method， nutritional index method， organic pollution evaluation index method and PSR framework eutrophication comprehensive evaluation method.It is found that the concentration of DIN in sea water decreased gradually， and the concentration of active phosphate increased first and then decreased， which had becomed the limiting factor of phytoplankton growth. The results showed that Huanghua port had a strong self purification ability.And the four evaluation models showed that the eutrophication level of the sea-area showed the trend of developed from the medium nutrition state to the eutrophication state， and then returned to the medium nutrition state.

Key words：Huanghua port;Water quality characteristics;Self purification capacity;Eutrophication

沧州渤海新区黄骅港位于环渤海中心地带，东临渤海，南接山东，北靠京津，依托于京津冀协同发展、环渤海合作发展、“一带一路”开放发展等重大国家战略，开发利用海洋已成为渤海新区发展的基础。随着渤海新区港口经济的快速发展，导致陆源污染物排放量日益增加，加之黄骅港海域自身水体与外界交换能力较差[1]，黄骅港海域的生态环境发生了较大的变化。为了了解海洋开发对该海域环境产生的影响程度，发现污染问题，分析潜在危害，有效保护海洋环境和生态资源。所以，本文利用2011～2018年河北省海洋生态环境监测数据，分析了沧州黄骅港海域海水化学要素变化特征，研究了该海域海水自净能力，评价了该海域营养状态水平及有机污染状态，为实现海洋生态环境保护与经济发展的相融共生提供科学的理论依据。

1 样品采集与分析

1.1 调查站位

2011～2018年度共对沧州黄骅港海域进行了8个航次调查取样。其中，2011年8月、2012年6月、2013年7月调查取样站位如图1所示，分别布设13个监测站位;2014年8月、2015年8月、2016年6月、2017年5月、2018年6月调查取样站位如图2所示，分别布设18个监测站位。

1.2 采集与分析

水文项目包括水温和透明度;水质项目包括硝酸盐（NO3-N）、亚硝酸盐（NO2-N）、氨氮（NH4-N）、活性磷酸盐（PO43--P）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）和叶绿素a，水质样品均为表层样;沉积物项目包括总有机碳（TOC）;生物项目包括浮游植物、浮游动物和底栖生物。除水温和透明度为现场测量外，水质、沉积物和生物等项目采样、保存及分析均按《海洋调查规范》（GB12763-2007）[2]和《海洋監测规范》（GB17378-2007）[3]进行。

2 结果与讨论

2.1 海水化学要素变化特征

2011～2018年沧州黄骅港海域海水主要化学要素的浓度范围及平均值见表1。海水中无机氮（DIN）、活性磷酸盐、叶绿素a、DO和COD浓度平均值范围分别介于11.61～30.72μmol·L-1、0.09～0.81μmol·L-1、0.99～6.38μg·L-1、7.56～9.75mg·L-1、1.13～1.54mg·L-1之间。其中，DIN、活性磷酸盐和叶绿素a浓度平均值变化幅度较大（如图3所示），其高值分别出现在2012、2016和2017年，低值分别出现在2018、2018和2013年，高值分别是低值的2.6、9.0和6.4倍。由图3可看出，DIN浓度平均值基本上呈现出逐渐降低的特征，活性磷酸盐浓度平均值大体上呈现出先升高后降低的特征，而作为表征浮游植物生物量的叶绿素a浓度平均值变化特征较为复杂。2011～2015年，叶绿素a与DIN变化特征较为一致，表明这一时期内，浮游植物的生长与繁殖主要受DIN浓度影响;2016～2018年，叶绿素a则与活性磷酸盐变化特征较为同步，这表明浮游植物生长与繁殖的影响因素发生了变化，限制因素由DIN变为活性磷酸盐。另外，从表1看，DO和COD浓度平均值总体变化不大。

2.2 海水自净能力分析

海洋生态系统一般具有海洋自净能力，稳定的水文环境和生物要素，利于形成相对平衡的海洋生态系统。但当海水受到污染且超过海水自净能力时，就会打破生态系统的平衡，进而威胁海洋生物的生存繁衍[4]。海水化学净化过程中，微生物会将含氮有机物分解为易于浮游植物吸收的无机氮，然后不同形态的无机氮之间也会进行相互转化，因此，分析水体中不同形态无机氮的含量比例对了解海水自净能力尤为重要[5]。另外，由于水体中的DO在海洋化学净化过程中起到举足轻重的作用，所以DO含量也可以在一定程度上反映海水自净能力。

表2给出了2011～2018年沧州黄骅港海域不同形态氮含量比例。氮循环中，虽然NH4+为含氮有机物的初级氧化产物，但其在8个航次调查中所占DIN比例并不高，最高也仅为2013年的27.2%;作为三态氮形态转换的中间产物NO2-，占比最小，平均值为9.6%;海域水体中DIN主要存在形式为NO3-，所占百分比均在60%以上，这表明水体中初级氧化产物NH4+能够较快转换成宜于浮游植物吸收的NO3-。水体中DO含量越高，海水自净能力越强;反之则会导致水体恶化[6]。从表1可看出，水体氧化剂DO浓度平均值明显高于一类海水标准，说明水体处于富氧环境，这也为三态氮形态转换提供了有利条件。另外，结合可反映水体有机污染程度的COD数据来看，海水中COD浓度值均位于一类海水范围内，表明水体中微生物可以将有机污染物进行有效的降解，使水体处于低有机污染状态。综上所述，沧州黄骅港海域具有较强的化学净化能力。

2.3 营养状态分析

日益严重的海域富营养化正威胁着海洋生态环境和人类健康，有效评价富营养化状态，分析富营养化过程，预测其发展趋势，将会为海域富营养化的控制提供更加科学的理论基础。目前国内关于海域富营养化评价模式已有多种[7-10]，为了得到更加符合海域实际状况的结果，多数学者会采用多种评价模式进行综合分析[11-13]。吴敏兰[11]运用指数综合压力法、压力—状态—响应法和聚类分析法等模式评价了北部湾北部海域，表明海湾营养盐压力增大，营养水平为中等。彭云辉等[12]运用隶属度法和营养状态指数评价法等模式评价了珠江河口海域，表明该海域接近富营养水平，可能会发生赤潮。为了更加客观的对沧州黄骅港海域进行营养状态分析，本文采用单因子标准指数法、营养指数法、有机污染评价指数法及PSR框架富营养化综合评价法等模式评价。

2.3.1 单因子标准指数法

海水水质评价一般采用单因子标准指数法[14，15]，公式为：

式中Pi为i项污染因子的标准指数;Ci为i项污染因子的实测浓度;Cio为i项污染因子的评价标准。

水中溶解氧（DO）采用下式计算：

式中DOf为现场水温及氯度条件下，水样中氧的饱和含量（mg·L-1），DOf=468/（31.6+t）;DOs为溶解氧标准值;DO为溶解氧的测定值。

单因子指数小于或等于1，表明该站位水体没有遭受该因子的污染，大于1表明遭受该因子污染，值愈大表明污染愈严重。

根据河北省海洋功能区划[16]和监测站位分布情况，2011～2013年，海水水质执行二类海水水质标准;2014～2018年，海水水质执行三类海水水质标准，2011～2018年的各因子水质污染指数评价结果详见表3。2011～2013年，沧州黄骅港海域水质全部为DIN超标，超标率分别为53.8%、100%和15.4%。2014～2018年，海域水质因子均高于或符合3类海水水质标准。由表3也可看出，2011～2018年各因子评价年际变化中，DIN虽在2011～2014年稍有起伏，但总体逐年向好;活性磷酸盐虽未超标，但呈现出“V”字形变化趋势;DO和COD基本无变化，均为一类海水标准。

2.3.2 营养指数法

邹景忠等人[9]于1983年对渤海湾富营养化和赤潮问题研究中提出的营养指数法，目前在国内海域富营养化研究中广泛应用。

营养指数法（E）公式为：

式中COD、DIN、DIP为海域水体中实测浓度，单位均为mg·L-1。

E<1，海域水体为贫营养状态;E≥1，表明海域水体为富营养状态，E值愈大表明富营养状态程度愈严重。

从2011～2018年沧州黄骅港海域E值计算结果（表4）看，E值平均值范围在0.15～2.31之间。根据E值平均值的变化规律，2011-2018年该海域富营养化水平先由贫营养状态逐渐发展成富营养状态，后又逐渐恢复到贫营养状态。

2.3.3 有机污染评价指数法[9，15，17]

有机污染评价指数法（A）计算公式为：

海域有机污染评价（A）分级如下：A<0，良好;0≤A<1，较好;1≤A<2，受到污染;2≤A<3，轻度污染;3≤A<4，中度污染;A≥4，严重污染。

有机污染评价指数法相较于营养指数法，包含了水质特征参数DO，能更加科学的反映海域富营养化水平，2011～2018年有机污染评价指数评价结果见表5。沧州黄骅港海域A值平均值范围介于0.15～2.31之间。海域富营养化水平年际变化中，有机污染评价指数法评价结果与营养指数法评价结果趋势基本相同，也呈现出先由较好状态逐步变化为受到污染状态，后又逐步还原为较好状态的规律。综合表1和表3考虑，夏季沧州黄骅港海域富营养化水平主要受水体中DIN和活性磷酸盐要素的影响，COD和DO要素对其富营养化水平影响有限。

2.3.4 PSR框架富营养化综合评价法[18]

目前， 国内近岸海域富营养化评价方法应用最为广泛的主要是以营养盐为主的第一代评价体系，如本文所用的营养指数法（E）、有机污染评价指数法（A）以及其他的评价方法[19，20]等，这些以公式計算值为标准的评价方法未能全面地反映海域富营养化水平。21世纪以来，国内外许多学者提出了以压力-状态-响应（PSR）指标框架为基础的第二代近岸海域富营养化评价方法[21-23]。根据航次监测数据现状，本文采用吴迪等人建立的PSR框架富营养化综合评价法[18]对沧州黄骅港海域富营养化进行评价。

该评价方法监测数据易得，数据处理较为科学，评价指标较为全面，评价标准比较适用于我国海域海湾现状。评价方法指标及权重分配如下：营养物质压力指标（权重分配0.35）包括水体中DIN浓度（0.15）、溶解无机磷浓度（0.10）和COD浓度（0.10）;富营养化初级症状指标包括水体中叶绿素a浓度（0.10）、浮游植物数量（0.10）和浮游植物多样性指数（0.10）;富营养化次级症状包括浮游动物密度（0.05）、大型底栖动物密度（0.05）、水体透明度（0.05）、DO浓度（0.05）、沉积物总有机碳含量（0.05）;富营养化其他症状指标包括海域赤潮发生情况（0.10）。PSR框架富营养化综合评价法按以下三步进行。

首先，对每个监测站位的数据进行单因子评价，评价标准见表6，其中浮游植物数量、浮游动物密度及大型底栖动物密度等生物评价背景值以《近岸海洋生态健康评价》[24]中区域专属背景值为标准。浮游植物多样性指数采用Shannon - Weaver公式计算：

式中H′为多样性指数，s为样品中的种类总数，Pi=ni/N（ni是第i个物种的个体数，N是全部物种的个体数）。

其次，对各评价指标的站位达标率进行海域区域性评级赋分，海域赤潮评级赋分采用赤潮发生状况及发生面积两项要素评价。海域区域性评价赋分标准见表7[18]。

最后，四类评价指标海域区域性评级赋分进行综合，公式为：

式中P总为海域富营养化水平总分，Pi为第i个评价指标赋分，n为评价指标总个数。按照P总分值将海域富营养化水平分为四个等级：4≤P总≤5，贫营养;3≤P总<4，中营养;2≤P总<3，富营养;0

由于PSR框架富营养化综合评价法综合考虑了水质、沉积物、生物以及赤潮等多种评价参数，所以该评价方法能更全面、真实的反映海域富营养化水平。图4为2011-2018年沧州黄骅港海域富营养化综合评价结果，P总分值范围位于2.60～3.95之间。从图4可看出，P总分值有先降低后升高的变化规律，表明海域富营养化水平先由中营养状态进展为富营养状态，后又调整到中营养状态，这与营养指数法和有机污染评价指数法评价结果一致。另外，从图4也可看出，四类评价指标类别中，P总分值与营养物质压力指标变化规律更为接近，说明2011～2018年水体中氮、磷营养盐对沧州黄骅港海域富营养化水平贡献较大。

3 结论

2011～2018年，沧州黄骅港海域水体中DIN浓度总体呈现出逐渐降低的特征;活性磷酸盐浓度大体上呈现出先升高后降低的变化特征，且已成为浮游植物生长的限制因素。

沧州黄骅港海域具有较强的海水自净能力，主要体现在水体中氮循环的特征以及较高的DO浓度上。

单因子标准指数法、营养指数法、有机污染评价指数法及PSR框架富营养化综合评价法评价结果趋势基本一致，2011～2018年沧州黄骅港海域富营养化水平先由中营养状态发展为富营养状态，后又恢复为中营养状态。

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收稿日期：2020-04-18

作者简介：刘龙（1987-），男，汉族，硕士，研究方向为海洋监测。