盐城近岸海域水质分布特征及富营养化研究

许海华 ,丁言者 ,李丽花 ,张煜珩 ,曹呈娟 ,陈中伟 ,杭凌霄,朱旭宇

(1.国家海洋局南通海洋环境监测中心站 南通 226002;2.上海海洋大学 上海 201100)

0 引言

随着海洋经济的迅猛发展,大量的工业废水以及生活污水的排放导致近岸海域水质不断恶化,近海生态环境面临水体污染和富营养化等众多问题[1-2]。海水营养盐输入以及输出的不平衡会引起水生生态系统物质和能量流动的不平衡,最终导致生态结构以及海洋功能发生改变,近海海洋资源的可持续发展受到严重影响,造成巨大的经济损失[3]。因此,海水质量是海洋生态环境系统良性循环的重要保障。盐城位于江苏沿海中部,是江苏沿海面积最大、海岸线最长的城市,也是拥有“国家湿地生态旅游城市”之称的海滨城市[4]。近年来,随着江苏经济的快速发展,盐城近岸海域生态环境加剧恶化的问题逐渐凸显。

目前针对盐城近岸海域营养盐等环境因子分布及变化特征的研究较为缺乏[5]。本研究通过对盐城近岸海域资料的分析,系统研究盐城近岸海域水质环境因子的分布特征及变化规律。通过富营养化评价及有机污染评价分析污染因子的成因,对全面把握盐城近岸海域水质状况有重要意义。在了解污染源状况和潜在生态环境风险的基础上,本研究旨在保护盐城近岸海域生态环境以及防止海洋生态环境污染,同时为盐城海洋生态环境的保护和管理以及海洋生态修复提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 样品采集与处理

在盐城近岸海域布置21 个水质调查站位,于2018年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)现场采集水样,研究海域覆盖整个盐城海域(图1)。

图1 调查站位Fig.1 Sample stations

样品采集、储存与运输等按照《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[6]和《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)[7]进行,水质参数测定分析按《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[6]进行。

1.2 数据处理

富营养化评价采用有机污染指数(Q)和富营养化指数(E)相结合的方法[8-11]。富营养化指数的计算公式为:

式中:COD、DIN 和DIP分别为溶解无机氮、化学需氧量、溶解磷酸盐的浓度。

海水水质富营养化水平的分级标准为:E≤1.0,水体处于贫营养状态;1.0

有机污染指数的计算公式为:

式中:CODi、DINi、DIPi、DOi分别为化学需氧量(高锰酸钾法)、无机氮、活性磷酸盐以及溶解氧的实测值;CODs、DINs、DIPs、DOs分别为相应指标的标准值,采用一类海水水质标准。

运用SPSS 20.0软件对环境理化因子进行K-W非参数检验、聚类分析、Spearman相关性分析。运用Surfer 12.0和ArcGis 10.2软件绘图。

2 结果与分析

2.1 环境因子

盐城近岸海域各环境因子的季节性变化如表1所示。

表1 盐城近岸海域各环境因子的季节性变化Table 1 Seasonal changes of environmental factors in the coastal waters of Yancheng

可以看出,pH 值、DO、COD、石油类、叶绿素a、总氮、总磷和营养盐均存在季节性差异(K-W检验,P<0.05),盐度的季节性变化不大。其中,pH 值、DO、COD、活性硅酸盐浓度秋季最高、夏季最低,石油类浓度夏季最高、春季最低,叶绿素a浓度夏季最高、秋季最低,总氮、总磷和无机氮浓度春季最高、夏季最低,活性磷酸盐浓度春季最高、秋季最低。

表层水温、盐度、无机氮和活性磷酸盐的空间分布如图2至图5所示。

图2 表层水温分布Fig.2 Change of surface temperature

图3 表层盐度分布Fig.3 Change of surface salinity

图4 表层无机氮分布Fig.4 Change of surface DIN

图5 表层活性磷酸盐分布Fig.5 Change of surface DIP

盐度大体呈近岸低、远岸高的分布特征,且由北向南递增;河口区域附近盐度明显降低,辐射沙洲区域盐度因水体交换不明显而低于其他区域。pH 值大体呈近岸高、远岸低的分布特征;辐射沙洲区域pH 值变化较大,河口区域pH 值变化较明显。溶解氧浓度呈远岸低、近岸高以及北部低、南部高的分布特征。石油类浓度呈北部高、南部低的分布特征,河口区域石油类浓度变化较大。化学需氧量浓度呈近岸高、远岸低的分布特征,北部河口区域化学需氧量浓度由于淡水输入而变化较大。无机氮浓度大体呈近岸高、远岸低以及北部高、南部低的分布特征。活性磷酸盐浓度大体呈近岸高、远岸低的分布特征。

2.2 有机污染指数评价和富营养化指数评价

受无机氮、活性磷酸盐超标的影响,盐城近岸海域春、夏、秋季都有不同程度的有机污染,有机污染指数平均值为5.41,属于严重有机污染,有机污染程度春季最高,其次为秋季,夏季最低。春季有机污染指数平均值达7.23,属于严重有机污染,位于斗龙港南侧辐射沙洲区域的12号站位出现最大值达9.83;秋季有机污染指数平均值为4.87,属于重度有机污染;盐城近岸海域有33条入海河流,夏季丰水期受河流入海淡水冲刷及降水的影响,有机污染指数平均值为4.14(图6)。

盐城近岸海域富营养化指数平均值为2.14,整体属于中度富营养状态,部分海域属于重度富营养状态。其中,春季富营养化最严重,夏、秋季属于轻度富营养状态,斗龙港南侧和辐射沙洲北部区域的富营养化较严重。春季富营养化指数范围为0.54～10.73,属于重度富营养状态的站位为1号、5号、8号、12号、15号和17号,均位于河口区域,其中最大值出现在斗龙港南侧辐射沙洲区域的12号站位;夏季富营养化指数平均值为1.04,整体属于轻度富营养状态,其中最大值4.75出现在灌河南侧的1号站位;秋季富营养化指数平均值为1.58,属于轻度富营养状态,高值站位为13号和15号,其中最大值5.08出现在13号站位,达到重度富营养状态(图7)。

2.3 聚类分析

对无机氮、活性磷酸盐进行站点聚类分析,可以看出春、夏、秋3 个季节各站点的聚类相似(图8)。结合实际站位的地理位置,春、夏、秋季均大致可以分为2个大类,其中一类位于废黄河三角洲区域,另一类位于辐射沙洲区域。分区结果表明春季入海河流输入对盐城近岸海域污染物的分布有强烈影响,辐射沙洲区域和水动力情况也影响污染物的分布。

图8 不同季节的聚类分析Fig.8 Clusters analysis of different season samples

3 讨论

相关研究表明,物理过程形成的复杂水动力条件带来水化学环境的改变[12]。根据聚类结果,研究区域可以分为废黄河三角洲区域和辐射沙洲区域2个部分,二者的水文动力条件不同,对盐城近岸海域水化学环境的时空分布产生重要影响。①现代废黄河三角洲分布于南黄海海岸的北部,北接海州湾,南抵苏北辐射沙洲,等深线几乎与海岸线平行[13]。在潮(浪)向岸流动和冲蚀、人工岸线堤坝修筑、河口开发利用以及陆源泥沙输入等诸多因素的影响下,废黄河三角洲的岸线侵蚀速度有所减缓,外部区域水深逐渐变大[14]。②盐城沿海南部为苏北辐射沙洲的北半部,苏北辐射沙洲大致以东台弶港为枢纽,呈褶扇状向海辐射,脊、槽相间分布。盐城南部沿海的浅滩沙体主要有条子泥、东沙和亮月沙[15],辐射沙洲沙脊之间主要是宽深的楔形潮汐主槽水道,各水道向海开敞,海水交换通畅[16]。

Spearman相关性分析结果表明,有机污染指数与盐度呈负相关,与活性磷酸盐、溶解无机氮、总氮、总磷、活性硅酸盐和富营养化指数呈正相关(P<0.05);富营养化指数与盐度呈负相关,与化学需氧量、活性磷酸盐、溶解无机氮、总氮、活性硅酸盐和有机污染指数呈正相关(P<0.05)。其中,盐度与化学需氧量、营养盐、富营养化指数存在明显的负相关关系(P<0.05),表明随着盐度降低,水体中的营养盐浓度和富营养化程度升高。这与已有研究成果一致:李妙聪等[17]对乐清湾养殖区水质的研究结果表明,氮、磷浓度的升高以及盐度和pH 值的降低是导致该区域水体富营养化的主要原因;褚帆等[18]的研究表明盐度对海域富营养化有重要影响。这主要是因为氮、磷等营养盐的来源主要为陆地,排入近海后随着稀释作用的加强,高盐度区域的污染物浓度会降低,因此盐度和富营养化指数呈负相关关系。

盐城近岸海域3个季节富营养化指数的空间分布均呈由近岸向离岸逐渐变小的趋势,这种分布状况与潮流和自然地形密切相关,也与陆源输入有关。通过2018年实地探勘发现,盐城近岸海域的入海污染源主要包括排涝泄洪口、排污河、入海河流、入海直排口、养殖排污口、污水处置工程排放口。其中,盐城近岸北部地区的工业较发达,建有滨海化工园区等;南部地区以养殖业和港口建设为主,养殖对象主要包括三疣梭子蟹、南美白对虾和缢蛏,养殖区密度大且养殖饲料使用多,增加了盐城近岸海域海洋环境的压力。盐城近岸海域从北至南共有33条主要入海河流,根据2018年盐城生态环保部门提供的相关数据,其中27条入海河流的年入海量达255.15亿m3。

盐城近岸海域富营养化指数和有机污染指数的季节性变化一致,由大到小排列均为春季、秋季、夏季。由Spearman相关性分析可知,决定富营养化指数和有机污染指数的关键指标是营养盐。由表1可知,春季溶解无机氮和活性磷酸盐浓度最高,且显著高于夏、秋季,可能是因为水温较低,海洋生物活动能力不强,且海水中的营养盐浓度随着雨水冲刷而升高,从而明显影响春季富营养化指数[19-20];夏季水温升高,海洋生物迅速繁殖并消耗大量的营养盐,导致夏季溶解无机氮浓度显著低于其他季节,从而影响富营养化指数和有机污染指数;秋季化学需氧量浓度显著高于其他季节,且溶解无机氮浓度显著高于夏季,可能是由于秋季为枯水期,降水量减少,废水量占比提升,导致化学需氧量浓度提升,从而影响有机污染指数和富营养化指数均高于夏季[20]。

4 结语

本研究分析2018年春、夏、秋3个季节盐城近岸海域的环境因子,主要得出4项结论。①环境因子的季节性变化显著;②根据聚类分析,春、夏、秋季的环境因子分布大致可分为废黄河三角洲区域和辐射沙洲区域2个部分,表明环境因子的分布存在时空差异;③盐城近岸海域受活性磷酸盐、溶解无机氮污染严重,有机污染指数和富营养化指数由大到小按季节排列均为春季、秋季、夏季;④陆源输入对调查海域污染物的分布具有一定的影响。