渤海湾西南部近岸海域环境状况及其时空变化

王以斌， 尹晓斐， 张晶晶， 吴文涛, 3, 刘军， 臧家业

(1. 自然资源部第一海洋研究所， 山东 青岛 266061； 2. 鲁东大学滨海生态高等研究院， 山东 烟台 264025； 3. 中国海洋大学化学化工学院， 山东 青岛 266100)

0 引言

渤海湾位于渤海西部， 是典型的半封闭海湾， 被河北、 天津和山东环绕， 海水交换能力弱、 自净能力差、 环境承载力弱， 但环渤海湾地区却是我国海洋开发利用的重点区域之一[1]. 2002—2015年间， 天津和河北的海洋开发利用强度位居全国前列[2]， 海域开发利用承载力均属超高等级[3]. 同时， 沿岸城市的陆源污染不断增加[4]， 渤海湾海洋生态环境已呈现严重污染的状况[5]， 富营养化现象突出、 赤潮灾害频发[5-7]， 显著影响和制约了区域社会经济与海洋生态环境的协调发展[8]. 当前， 摸清重点海湾的海洋环境状况和污染现状， 以环境数据为支撑， 提出切实可行的环境整治、 保护和修复措施， 推进近岸海域生态环境的质量改善与修复， 是强化海洋生态文明建设的迫切需要， 也是陆海统筹对海洋生态管理的明确要求[9].

鉴于此， 本研究通过对2014年在渤海湾西南部近岸海域进行的调查数据的分析， 研究该海域主要海洋水环境要素的时空分布和变化， 评价营养状态水平和有机污染状况， 探讨水环境参数之间的相关性. 结合文献分析海域的海洋环境质量状况及变化趋势, 旨在全面了解该海域的海洋环境及其污染现状， 为海洋开发利用决策和海洋生态环境修复策略提供依据， 为管理部门开展陆海统筹和以生态系统为基础的海洋环境管理提供科学支持.

1 研究区域与方法

1.1 海域范围

2014年2月至11月间开展了春、 夏、 秋、 冬4个季节航次的调查. 调查海域面积约1 250 km2， 西北至沧州南排河口， 东南至滨州套尔河口(东经117°42′48″～118°15′7″， 北纬38°15′3″～ 38°33′49″)， 共设27个调查站位， 其中冬季22个调查站(见图1). 调查海域中部是沧州黄骅港， 港区中有港口码头、 滨海热电厂、 钢铁企业和化工企业等； 南侧为滨州港， 北侧外围紧邻天津港南港区. 毗邻的陆域部分主要为盐田和海水养殖场， 河流主要有南排河、 宣惠河-漳卫新河-大口河和套尔河.

1.2 研究要素与研究方法

1.2.1 调查要素及调查分析方法

调查要素包括水温(θ)、 盐度、 pH值、 溶解氧(DO)、 化学需氧量(COD)、 无机氮(DIN)、 活性磷酸盐(DIP)、 活性硅酸盐(SiO3-Si)、 悬浮物(SS)、 叶绿素a(Chl-a)和石油类(Oil)等. 样品的采集、 处理及分析方法均参照《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)[10]和《海洋监测规范》(GB 17378—2007)[11]进行. 对主要水环境参数(盐度、 DO、 COD、 DIN、 DIP、 Oil和Chl-a)进行空间分布特征和时空变化研究.

1.2.2海洋水环境质量评价方法

采用单因子污染指数评价法[12]， 参照以《海水水质标准(GB 3097—1997)》[13]对主要水环境要素进行评价.

1.2.3富营养化评价方法

采用富营养化指数法[14]和营养状态质量指数法[15]评估海域的富营养化程度和营养状态水平； 采用氮磷比值法[16]计算潜在富营养化； 采用有机污染综合指数法[16]评价该海域的有机污染状况.

1.2.4数据分析与处理

本研究的水环境要素数据处理使用Excel 2007软件， 数据的季节均值以算术平均值±标准偏差(Mean±SD)表示； 水环境要素的时空分布图采用Surfer 11软件绘制， 各要素之间的相关性分析通过SPSS 18.0软件进行.

2 结果与分析讨论

2.1 海洋水环境状况

主要水环境参数的调查统计结果见表1， 空间分布情况见图2、 3.

表1 渤海湾西南部近海主要水环境要素调查结果

2.1.1水温

研究海域的水温季节变化明显， 平均水温为夏季>春季>秋季>冬季. 冬季水温最低， 各站位水温在1.82～8.90 ℃之间， 变化幅度最大； 春季各站范围为17.87～24.43 ℃， 变化幅度次之； 夏季水温最高， 各站在26.62～28.10 ℃之间， 站位间变化幅度最小； 秋季各站范围为11.33～14.66 ℃， 差距相对较小. 冬春季气温低、 温差大， 受光照影响水温变化幅度大， 夏季环境温度高、 温差小， 水温的变化幅度最小.

2.1.2盐度

海水盐度的季节变化差距不大， 从季节变化看， 夏、 秋季的盐度相对较高， 而冬、 春季较低， 并没有像其他海域一样夏季盐度为四季最低， 这或因调查年度的夏季降水较少或汇入海洋的淡水较少. 由图2(a)可知： 冬、 夏、 秋三季的盐度高值区均位于黄骅港以北海域， 而春季则相反， 盐度高值区位于黄骅港以南的近岸河口. 其原因可能是春季陆域盐田浓盐水排放至河流中， 然后输入到海洋中， 使得高值区位于近岸河口附近. 此外, 海域北侧沿岸众多的海水淡化工程可能对于区域的海水盐度也有明显的作用[17]， 张海波等[18]研究显示渤海湾西部海域相对于北部和湾口海域在夏季属于高温高盐度区域.

2.1.3 DO值

DO值的季节变化较大， 冬季最高， 为(11.32±1.21)mg·L-1， 夏季最低， 为(7.67±1.10)mg·L-1， 春秋季相差不大， 年均值为(8.82±1.60)mg·L-1. 如图2(b)所示， 冬、 春、 夏季主要的低值区位于大口河河口区域， 同时， 冬、 夏季的高值区位于黄骅港北侧海域， 春季则是位于南侧的滨州海域. 春季和夏季在北侧的河北和天津近海形成明显的低氧区， 氧质量浓度在7.0 mg·L-1以下. 秋季整个研究海域的DO值差距相对较小， 没有特别明显的高值区和低值区.

2.1.4 COD值

COD值在四季间存在一定差异， 冬季最高， 为(2.86±0.79)mg·L-1； 春、 夏、 秋三季较低， 其中秋季最低， 为(1.59±0.47)mg·L-1， 年均值为(1.95±0.75)mg·L-1. 如图2(c)所示， 空间分布上， 夏、 秋、 冬三季的高值区位于北侧的沧州近海， 春季位于黄骅港航道附近， 此外冬季在港区南侧还有一个高值区， 最高值超过了4.0 mg·L-1.

图2 渤海湾西南部近海盐度、 DO值和COD值的空间分布

2.1.5 DIN值

DIN值季节差异较大， 秋季最高， 为(0.51±0.19)mg·L-1， 春季最低， 为(0.16±0.07)mg·L-1， 不足秋季均值的1/3， 冬、 夏季相差不大； 此外DIN年均值为(0.31±0.19)mg·L-1， 已超过海水水质二类标准值. 如图3(a)所示， 夏、 秋、 冬三季的主要高值区位于大口河入海口附近， 且含量较外围海域明显较高， 这表明陆源河流携带含氮污染物的输入对于海洋环境的影响十分显著. 春季的高值区分布在研究海域的南北两侧， 中间的黄骅港航道附近为低值区. 除了陆源输入的影响， 海洋环境中的DIN值与海洋生物的利用、 繁殖、 摄食等活动有关， 春季的DIN值在四季中最低， 表明春季海域内海洋生物的快速增殖生长消耗了部分氮源.

2.1.6 DIP值

DIP值的季节变化较大， 秋季最高， 为(10±10)μg·L-1， 冬季次之， 为(7±2)μg·L-1； 春季最低， 仅为(2±2)μg·L-1. DIP的季节均值趋势与DIN值相似， 均为春季最低， 秋季最高， 春季的氮磷质量浓度分别约为秋季的1/3和1/5， 表明春季由于海域内海洋生物的快速增长， 消耗了大量的氮磷营养盐. 从图3(b)空间分布看， 冬、 夏、 秋季均在大口河河口和港口北侧海域形成明显的高值区， 春季在海域南侧有一个高值区.

2.1.7 Chl-a

Chl-a的季节均值为冬季最高， 春季次之， 分别为(3.95±4.20) μg·L-1和(3.03±3.07) μg·L-1， 夏、 秋季相对较低. 由图3(c)可知： Chl-a的季节空间分布规律并不一致， 秋、 冬季主要在黄骅港北侧形成明显的高值区， 春季在港区南侧的大口河河口形成明显高值区， 且冬、 春季在高值区的Chl-a量明显较高. Chl-a的空间分布表明近岸排放的含氮污染物对于浮游植物的生长具有明显的促进作用.

2.1.8石油类

海水中石油类的季节均值变化较大， 春季含量最高， 均值为(23±10)μg·L-1， 夏季最低， 均值为(5±2)μg·L-1. 如图3(d)所示， 主要高值区位于黄骅港的港口航道附近以及靠近天津南港区附近的海域， 显然， 港口航运业对该海域的石油类污染影响明显.

图3 渤海湾西南部近海DIN、 DIP、 Oil和Chl-a的空间分布

2.2 水环境的营养状态评价

2.2.1 富营养化指数和营养状态指数评价

营养状态质量指数(NQI)和富营养化指数(E)反映了海域内COD、 DIN、 DIP和Chl-a之间的关联， 两种评价的结果见图4(a)、 (b).

NQI评价显示： 冬季研究海域大部分处于中等营养化状态(NQI>2)， 其中河北近岸海域NQI>3， 为富营养化状态. 春夏季大部分海域为贫营养化状态， 大口河河口附近为富营养化区域， 另有部分区域为中等营养化区域. 秋季大部分海域处于中等营养化以上程度， 约一半海域达到富营养化程度， 最严重的区域位于大口河河口； 此外， 秋季河北近岸海域已达到富营养化程度， 与冬季的富营养化区域基本一致.

E评价显示： 秋、 冬季富营养化较为严重， 大部分海域已呈富营养化(E>1)， 夏季主要在大口河河口区域呈现富营养化， 且已达中度富营养化(E>3)， 春季均未呈现富营养化. 从空间分布看， 富营养化程度较高的区域位于大口河河口. 富营养化与溶解氧的空间分布特征基本一致的， 印证了沿海富营养化和污染物的增加是造成低氧的重要因素[19].

两种指数评价的结果均显示研究海域在秋、 冬季的富营养化程度较高， 大部分海域处于富营养化状态； 从空间分布看， 富营养化最严重的区域位于大口河河口附近海域， 表明河流所携带的陆源污染物输入对于海域富营养化的显著影响

2.2.2氮磷比

海域的氮磷比(N/P)值反映水体的营养盐结构， 揭示了海域营养盐对富营养化的潜在限制[16]. N/P失衡会直接导致浮游生物群落的演替， 进而引发赤潮等生物灾害， 甚至导致整个生态系统的变化[20]. 调查期间N/P的四季均值在45.2～226.9之间， 已远超Redfield比值(16∶1)， 根据潜在性富营养化的评价标准[21]， 海域的营养级为“磷限制潜在性富营养”. 由图4(c)可知， 夏、 秋和冬季的高值区位于黄骅港附近， 春季则在北侧靠近天津港附近有显著高值区.

2.2.3有机污染指数评价

如图4(d)所示： 冬、 春、 夏的有机污染指数(A)较低， 均值在2以下， 处于正常营养水平[16]； 但在秋季，A的均值已>2， 为轻度有机污染状态. 从空间分布看， 冬季近岸海域均为轻度污染状态(2

综合富营养化和有机污染评价的结果， 研究海域在秋季污染程度最重， 大部分的海域处于富营养化和有机污染状态； 主要的污染区域位于大口河河口及附近海域， 呈现出近岸高离岸低的特征， 表明了陆源污染对于海洋环境的显著影响.

图4 渤海湾西南部近海表层海水的富营养化指数(NQI、 E、 N/P 和 A)

2.3 水环境质量评价

根据评价结果， 研究海域最主要的水质污染要素是DIN， 在四季均有不同程度的站位超标； 秋季最严重， 93%的站位DIN超过二类海水水质标准， 其中67%的站位超过三类标准， 44%的站位超过四类标准， 同时， DIN秋季均值也超过四类标准. 其次是冬季， 50%的站位超过二类标准， 9%的站位超过三类标准， 但满足四类标准. 此外， 夏季有26%的站位超过二类标准， 11%的站位超过三类标准， 满足四类标准. 春季的情况最好， 仅有7%的站位DIN超过二类标准但满足三类标准.

此外， COD在冬季有32%的站位超过二类标准， 有14%的站位超过三类标准但满足四类标准； 夏季有4%的站位超过二类标准满足三类标准. 石油类在春季和DIP在秋季分别有4%的站位超二类标准， 其他季节没有超标.

2.4 水环境要素的相关性分析

渤海湾西南部近海主要水环境要素之间的相关关系如表2所示， 温度在控制海水各环境要素的变化中具有重要的作用， 海水中DO受水温的调控最明显. 水温与盐度呈显著正相关(p<0.01)， 与DO、 COD、 DIN、 活性磷酸盐和活性硅酸盐呈显著负相关(p<0.01). 盐度与DO、 COD和石油呈显著负相关， 与DIN呈显著正相关； DO与COD之间呈显著正相关， 同时与Chl-a也呈显著正相关. 氮、 磷、 硅营养盐之间呈显著正相关， 反映了其分布和来源的一致性； 同时营养盐与悬浮物呈显著正相关， 表明区域内的海洋开发利用活动和陆源持续输入引起泥沙的输送对海域水体有持续影响， 使得悬浮物增加导致吸附的营养盐释放， 增加了海域内的营养盐含量； 结合污染物主要存在于河口区域的空间分布状况， 说明大口河携带了大量的COD和营养盐. 研究海域内水温与盐度呈显著正相关， 表明研究区域内夏季淡水的输入量并不突出； 有研究表明渤海沿岸的河流淡水输入量在持续减少， 海水盐度在相应的升高[22].

表2 渤海湾西南部近海主要水环境要素之间的相关关系

2.5 研究海域的污染状况及时空变化趋势

受大量生活污水和工农业废水排放的影响， 环渤海湾入海河流污染严重， 近岸海域富营养化严重[22]； 研究海域已为DIN污染中风险海域， 北侧天津近海为高风险[23]. 表3是自1982年以来研究海域主要污染要素的对比统计.

表3 渤海湾西南部近岸海域近年来海水主要污染要素对比

由表3可知， 1982—2003年间渤海湾的营养盐结构发生了显著变化， 海水处于严重的氮污染状态[24, 30]， N/P由1982年的1.3大幅上升至1998年的24.8[30]； 营养盐结构由“氮限制”转向“磷限制”状态[24]； 随着陆源输入中氮磷营养盐差距不断扩大， 渤海湾“磷限制”的趋势将更加明显[18]. 陈淑梅[25]和李志伟等[26]研究显示2004和2006年河北省近岸海域由北向南污染逐渐加重， 沧州海域污染最严重， 主要污染物为DIN和Oil. 张学辉等[28]研究显示2011年渤海湾南部海域污染严重， DIN值在8月份最高， 达1.21 mg·L-1， 5月份最低也有0.44 mg·L-1. Peng[31]研究表明2007—2012年间DIN是天津海域内的主要污染物， 城市、 港口和农业污染物是海域污染的主要来源. 张文亮等[32]研究表明渤海湾DIN总量已超过海洋环境容量， 须严格控制DIN的陆源入海总量.

综上所述， 日益增强的人类活动对渤海湾近岸海域环境影响显著， DIN是最主要的污染物， 且污染程度较重， 氮磷比升高， 营养盐结构已变为“磷限制”， 富营养化程度已经较高. 在区域污染程度上， 天津沿海污染较重， 沧州和滨州海域略好. 当前， 环渤海湾围填海、 陆域工农业废水、 滨海电厂温排水、 海水淡化的浓盐水排放等使得渤海湾海洋生态环境进一步恶化. 应当在陆海统筹机制下， 以海定陆， 以海洋承载力、 纳污能力等指标为依据， 通过建立“多规合一”的空间规划体系、 合理调整产业布局、 禁止非必要围填海、 重点治理陆源排放， 控制陆源入海污染物总量、 加强海洋环境监测等具体措施的共同努力， 维持、 保护和改善渤海湾的海洋生态环境.

3 结语

渤海湾西南部近岸海域在2014年的水质状况一般， DIN是主要的污染要素， 秋季DIN污染最严重， 44%的站位和均值超过四类海水水质标准. 氮磷比偏高， 营养盐结构为“磷限制”. 富营养化季节性特征和区域性特征明显； 秋季富营养化最严重， 大部分海域为富营养化和有机污染状态. 主要海水水质要素的空间分布受陆源输入的影响明显， 氮、 磷、 硅营养盐主要来自于陆源输入. 研究表明, 渤海湾西南部海域DIN污染在加重， 氮磷比失衡， 富营养化趋势明显， 亟待通过“陆海统筹”和“以海定陆”等措施治理沿岸陆源排放， 修复已严重污染的海洋环境.