基于自动站监测数据的广西廉州湾藻类生态灾害特征分析*

徐健淞，庞敏倩，邓元秋，林 柯

(广西壮族自治区海洋环境监测中心站，广西北海 536000)

0 引言

廉州湾是广西重要的海湾之一，其地理范围为108.85°-109.15°E，21.44°-21.65°N。廉州湾是亚热带典型的半封闭海湾，有南流江、大风江和西门江等河流入海。随着周边地区经济建设和养殖业的发展，廉州湾的生态环境压力不断增加。在特定的环境条件下，海水中藻类会暴发性增殖，并引起水体变色，给海洋生态系统和人类健康造成危害，这种现象被称为赤潮[1,2]或藻华。因此有必要研究廉州湾藻类增殖的变化特征，为该海域的生态环境保护提供更多的理论数据。目前，就赤潮发生的监测技术而言，已从现场采样和实验室分析等方法向自动化方向发展。2010年，广西建成近岸海域自动监测浮标站，实现近岸海域30 min/次的连续定点观测，基于自动监测系统的赤潮预警得以快速发展。由于自动监测数据可准确反映环境变化，pH和溶解氧被列为主要的赤潮预警因子[3]。为探究广西廉州湾藻类增殖现象的变化特征，本研究基于2015-2020年广西廉州湾藻类增殖多发海域的自动监测数据，探究自动监测系统在实时水质监测和赤潮预警中的应用，并分析近6年来该海域藻类增殖的变化趋势、季节变化特征和空间分布特点。本研究将对污染源的控制提出针对性措施，从而有助于构建基于自动监测网络的陆海统筹环境监控预警体系，为近岸海域环境管理提供强有力的服务支撑。

1 材料与方法

1.1 采样区域

根据廉州湾受陆源径流影响大、入海污染物量大的特点，在廉州湾的大风江入海口(A8)、南流江和西门江的入海口(A9)、北海市污水处理厂的排污区(A10)布设3个水质自动监测站位(图1)。

图1 廉州湾自动监测站位分布图Fig.1 Distribution map of automatic monitoring stations in Lianzhou Bay

1.2 采样仪器

海洋生态在线自动监测站搭载YSI6600型多参数水质测定仪，还包括密封仓系统、监测系统、航标系统、数据采集系统、通信系统、固定锚链系统、太阳能供电系统和室内监控接收系统，具有自动采样、分析、记录、数据储存和无线传输等功能。样品采集过程中，由专业机构定期维护，保证仪器设备正常运行和监测数据的质量。

1.3 样品采集

自动监测仪器主要监测表层(1.5 m)水质状况，监测要素包括水温、pH值、溶解氧、盐度、电导率、叶绿素(含叶绿素a、b、c)、蓝绿藻等，采样频率为30 min/组。监测分析方法均采用相关的国家标准方法，按照《近岸海域水质自动监测技术规范》(HJ 731-2015)有关规定开展质量控制，保障数据的准确可靠。

1.4 数据来源和处理

根据已有的研究成果，赤潮时叶绿素含量通常超过10 μg/L[4]，赤潮期间浮游植物叶绿素、溶解氧以及pH值均有显著的同步升高或降低现象[5]。因此在本研究中，目标自动监测站位的数据采集时间为2015年1月1日00:00至2020年12月31日23:30，并对选取的数据进行以下处理：当海水中叶绿素含量≥15 μg/L，且溶解氧、pH值和叶绿素均出现升高或降低时，把相关监测要素的信息列为一组数据单位。采用Origin 9.0 完成相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 藻类增殖年份变化趋势

按年份排序(图2)，2015-2020年各站位存在同步升高数据组的情况如下：A8站位依次为477组、1 706组、623组、332组、102组、229组；A9站位依次为1 349组、511组、425组、1 435组、650组、147组；A10站位依次为617组、776组、217组、390组、219组、131组。以上结果表明：2015-2020年广西廉州湾藻类增殖的现象呈现逐年下降的趋势(因为受到以入海河流为主，以及工业排污、洋流等多方面的影响，不同站位会出现特殊年份数据特别高的情况，因此除去2016年A8站位、2018年A9站位出现的较高数据)。

图2 廉州湾叶绿素含量超过15 μg/L的数据组统计结果Fig.2 Statistical results of data groups with chlorophyll content over 15 μg/L in Lianzhou Bay

2.2 藻类增殖季节变化结果

如图3所示，2015-2020年每年各站位存在同步升高数据组的情况如下(3个站位数据组总数)：春季依次为33组、1 684组、254组、159组、98组、32组，夏季依次为680组、921组、705组、934组、364组、280组，秋季依次为202组、148组、208组、241组、136组、64组，冬季依次为1 528组、240组、98组、823组、373组、131组。近6年廉州湾海域春季、夏季、秋季、冬季总数分别为2 260组、3 884组、999组和3 193组。以上结果表明，2015-2020年广西廉州湾海域藻类增殖主要集中在夏、冬两季，春季次之，秋季最少。其中，2016年春季出现最高为1 684组，夏季921组，明显高于秋季和冬季。

图3 廉州湾藻类增殖数据组统计结果Fig.3 Statistical results of algae proliferation data group in Lianzhou Bay

2.3 藻类增殖时空变化特征

2015-2020年廉州湾藻类增殖的时空变化统计如表1所示。其中，A8站位藻类增殖现象持续时长≤7 d的次数为12-23次，2015-2018年出现频次较为一致，2019年和2020年明显下降，分别较最高年份2016年下降47.8%和43.5%；藻类增殖现象持续时长在8-14 d和≥15 d的次数均为1次。A9站位藻类增殖连续出现≤7 d的次数为10-23次，2017-2019年出现频次较为一致，2020年明显下降，较最高年份2017年下降56.5%；藻类增殖现象持续时长在8-14 d和≥15 d的次数分别为2次和3次。A10站位藻类增殖现象持续时长≤7 d的次数为10-21次，2018年出现频次最高，2020年明显下降，较最高年份2018年下降52.4%；藻类增殖现象持续时长在8-14 d的次数为3次。以上结果表明：2015-2020年廉州湾海域藻类增殖现象持续时间不长，绝大部分≤7 d，且出现频次呈现逐年降低趋势；持续时长超过7 d的次数≤5次；整体上，藻类增殖现象每次持续的时长存在波动，无明显规律。此外，自动监测站分别在2016年和2020年监测到赤潮灾害，主要分布在南流江、西门江入海河口区域至大风江入海河口区域，时段均为夏季(表2)，这表明赤潮灾害主要集中在大江大河的入海河口地区，且易发生于温度适宜的夏季。

表1 藻类增殖情况特征表Table 1 Characteristics of algae proliferation

表2 廉州湾赤潮情况Table 2 Red tide in Lianzhou Bay

3 讨论

3.1 廉州湾藻类增殖逐年变化特征

广西廉州湾海域生态环境主要受到南流江、大风江、西门江等入海河流携带大量污染物的影响，而这些污染物源于该区域经济建设和养殖业迅猛发展所带来的排污量[6]。在沿海海水养殖区，由于养殖模式、养殖面积、养殖品种、养殖密度、养殖过程、鱼药和饵料投放等方面的不合理，导致养殖生物大量排泄物和残饵长期积累，并超出环境承受力，造成局部水域氮、磷等元素超标，引起水体富营养化[7,8]，其中，无机磷污染较严重[9,10]。2010-2015年有报道廉州湾发生赤潮5次[11]。本研究发现2015-2020年广西廉州湾藻类增殖次数呈现逐年减少的趋势，实际监测到的赤潮为2次。具体地，从2015年的2 443次逐步减少至2020年的507次，降幅达79.3%；其中，A8站位下降52%，A9站位下降89.1%，A10站位下降78.8%。说明近6年来广西廉州湾海域出现水质改善、藻类增殖频次下降的良好局面，这直接得益于南流江和西门江入海河流流域畜禽养殖综合整治、城镇生活污染治理、农林种植面源污染治理、生态水产养殖和工业污染防治等一系列环境保护措施，这些措施使入海污染物得到控制，污染治理取得一定成效，并持续保持良好的生态环境。广西廉州湾海域水产养殖对象以蛤、蚶等贝类为主，兼有吊养牡蛎(大蚝)。2020年，廉州湾水产养殖面积较2019年增加约650 hm2， 其中， 大蚝养殖面积控制在25%以下， 最高为160 hm2；而数量居多的贝类养殖主要通过底播及筏式吊养两种方式进行，投放种苗，自然生长，定期采收，不投放饵料和药物。科学养殖，实现产能和生态环境保护双重收益，也是廉州湾藻类增殖频次逐年下降的一个重要因素。

3.2 季节变化与空间分布特征

根据已有研究，春季、夏季的浮游植物优势种群会大量增殖，尤其是夏季数量已接近或达到赤潮发生的阈值[12,13]。广西廉州湾海域除2016年外，2015-2020年每年夏季、冬季藻类增殖情况全年占比较为接近，均在75%与87%之间，说明藻类增殖情况主要防控时间应该在这两个季节，其中位于河口附近的A8站位和A9站位季节变化比较明显，这与2010-2013年廉州湾在初春或夏季监测到的6次硅藻水华现象基本一致[6]。夏季为丰水期，降雨量及频次比其他季节高，污染物通过降雨、地表冲刷、地表径流进入河流，丰富了廉州湾海域的营养物质，从而促进藻类大量增殖。此外，夏季水温较高，紫外线较强以及西南风、洋流等生态环境变化，也与藻类大量增殖有一定关系。而在冬季，廉州湾藻类也出现大量繁殖的情况，这与水温为16-21℃，降水量少，水体交换和稀释自净能力较差，2 m水深以内的浅水海域存在养殖厂、污水处理厂综合排污等人类活动有关。值得注意的是，与2015-2020年出现最高藻类增殖现象的年份(2016年)相比，藻类增殖数据组数量2020年夏季下降69.6%,冬季下降45.4%。

2016年广西廉州湾水质呈现富营养化，为近6年来藻类增殖情况发生频次最高的年份，该年7月监测到赤潮，表明水体富营养化对藻类增殖存在正相关性[7]；该年藻类大量增殖的情况主要出现在春季、夏季，分别占全年的56.3%和30.8%。这一现象的出现可能与不同的污染物输入量、洋流影响、水体自净能力改变等有关，具体仍有待进一步研究。

廉州湾3个自动监测点位于大风江、南流江、西门江河口附近，空间分布特征表现为藻类增殖出现的频率较为一致，其中A9和A10站位处于南流江、西门江入海口位置，A9站位更为靠近河流入海口，其藻类增殖现象比A10站位稍频繁(表1)，这与A9站位更接近河流带来的大量污染物以及该区域的海水养殖较为集中有关。

3.3 存在的不足与思考

虽然水质自动监测系统可应用于厦门同安湾赤潮的短期预报[14],同时现有的近岸海域自动监测网络能够反映广西廉州湾藻类大量增殖现象呈现发生频次下降、持续时间变短、规模和范围显小的趋势，但是在掌握藻类增殖的空间分布上仍存在一定局限性，如未能通过入海河流水质监测、入海市政及工业直排污染源监测，以及沿海各市的重点企业直排入海水质在线自动监测等进行综合分析。因此，现有的自动监测网络远达不到基本明确近岸海域环境质量状况及变化趋势、入海污染源排放状况、近岸海域潜在环境风险的要求，对藻类增殖灾害的预测预警能力还有待提升[15,16]。

建议依托自动监测网络，利用海湾数值模型构建各污染源排放量与海洋水质之间的关系；根据藻类增殖时期的不同，分别建立季节模型和年度模型，用来控制既定水质目标下各污染源排放量，并有助于对污染源排放量的不确定性进行量化和评估；通过调节各污染源的削减水平，分析各污染源在不同季节的控制权重，从而使管理者在不同时期有针对性地对污染源排放量进行控制[11]。通过加强海洋水文监测，集成整合近岸海域常规监测、入海河流监测、河口水质自动监测、污染源在线监测、遥感监测等监测数据，建设广西北部湾环境监测天地一体化和陆海统筹监控预警系统，利用有限站位的离散环境信息推演出广西近岸海域的全局环境信息，由此进一步作出整体的、系统的环境诊断和预警。

4 结论

基于自动监测站点的监测数据发现，2015-2020年广西廉州湾赤潮暴发和藻类大量增殖的现象呈现发生频次下降、持续时间变短、规模和范围减小的趋势。夏季、冬季藻类增殖情况全年占比在75%以上，说明藻类增殖情况主要防控时间应该在这两个季节。另外，在近河口海域发生藻类增殖情况的频次较高。南流江、大风江上游和沿海发展需要环境容量，可以根据季节的不同，结合现有的工业、畜牧业和农业进行管控，挖掘现有产业的潜力，把排污总量降下来，腾出更多的环境容量，以期为近岸海域环境管理提供强有力的服务支撑，保证广西近岸海域生态环境的可持续发展。