遼河口近岸海域水體營養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的制定方法

胡瑩瑩,王菊英,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室,遼寧 大連 116023)

遼河口近岸海域水體營養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的制定方法

胡瑩瑩,王菊英*,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室,遼寧 大連 116023)

確定水質(zhì)參照狀態(tài)是近岸海域營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)基準(zhǔn)制定的關(guān)鍵,基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析確定參照狀態(tài)并提出推薦基準(zhǔn)值是一種重要的方法.以遼河口近岸海域為例,根據(jù)1995年～1999年和2003年～2009年的數(shù)據(jù)分析,主要應(yīng)用頻數(shù)分析法確定了參照狀態(tài),并結(jié)合1976年的數(shù)據(jù)分析,提出了該海域營養(yǎng)物(溶解無機(jī)氮、總氮、活性磷酸鹽、總磷)及響應(yīng)指標(biāo)(葉綠素、溶解氧)的推薦基準(zhǔn)值.分析顯示,遼河口近岸海域營養(yǎng)物溶解無機(jī)氮、總氮、活性磷酸鹽和總磷的推薦基準(zhǔn)值分別為0.11, 0.19, 0.006, 0.032mg/L;響應(yīng)指標(biāo)葉綠素、溶解氧的推薦基準(zhǔn)值分別為0.0009, 6.14mg/L.

營養(yǎng)物基準(zhǔn)；參照狀態(tài)；推薦基準(zhǔn)值；遼河口近岸海域

大量營養(yǎng)鹽入海導(dǎo)致的河口和沿岸海域的富營養(yǎng)化問題已成為困擾世界沿海國家的主要環(huán)境問題之一[1-3].中國近海海域多是封閉和半封閉的陸架淺海,容易受到人類活動的影響而出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題,尤其是河口和海灣的富營養(yǎng)化問題更為嚴(yán)重[4-6].營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定和應(yīng)用是為防止富營養(yǎng)化而提出的一種措施,亦是開展河口營養(yǎng)物監(jiān)測、評估和管理的基礎(chǔ)[7].

在營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定過程中,建立參照狀態(tài)至關(guān)重要.參照狀態(tài)應(yīng)為某水體或相似水體受到影響最小的、接近自然狀態(tài)點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合表征結(jié)果[8].近岸海域水體基本上都受到了人類開發(fā)活動的影響,很難得到自然本底值.因此需要通過特定的方法幫助建立參照狀態(tài),提出推薦基準(zhǔn)值.目前,應(yīng)用較多的是基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析的方法.基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析的方法確定參照狀態(tài)時,需根據(jù)水體的污染現(xiàn)狀及變化趨勢,判斷參照點是否存在、生態(tài)系統(tǒng)退化是否嚴(yán)重等情況,采用不同的方法來確定參照狀態(tài)[8].

美國、歐盟等在營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的海水水質(zhì)基準(zhǔn)方面起步較早,積累了大量的經(jīng)驗.我國在湖泊的營養(yǎng)物水質(zhì)基準(zhǔn)方面開展了一些工作

[9],而在河口和近岸海域方面尚未有系統(tǒng)的研究.作者在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上,采用基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析,確定近岸海域營養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的方法,建立了遼河口近岸海域營養(yǎng)物的參照狀態(tài),提出了推薦基準(zhǔn)值.旨在為我國近岸海域營養(yǎng)物基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的研究與制訂提供理論和方法借鑒.

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于國家海洋局海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),采樣站位共20個站位,分布于大遼河和雙臺子河口近岸海域(圖1).所用數(shù)據(jù)主要為系統(tǒng)性、完整性較好的1995年～1999年和2003年～2009年的海水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù).每年5月、8月和10月采樣3次,個別年份增加了3月份監(jiān)測數(shù)據(jù).另外采用了20世紀(jì)70年代國家海洋局進(jìn)行的渤海專項溶解氧和溶解無機(jī)氮的調(diào)查數(shù)據(jù)用于輔助說明,其中溶解氧為 18個站位的數(shù)據(jù),溶解無機(jī)氮為7個站位的數(shù)據(jù).

圖1 研究區(qū)域及站位分布示意Fig.1 Area and stations of study

1.2 研究方法

根據(jù)遼河流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及污染狀況,判定遼河流域近岸海域未受影響的參照點難以找到,因此受營養(yǎng)物影響程度較小的部分地域被認(rèn)為具備“參照狀態(tài)的環(huán)境質(zhì)量”,可作為參照點. 采用參照點或觀測點指標(biāo)頻數(shù)分布曲線法確定推薦基準(zhǔn)值.具體方法如下:在數(shù)據(jù)充足的情況下,取參照點營養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的上第25個百分點(或其他合適的百分點)(累積頻數(shù)為75%對應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 75%,下同)對應(yīng)值(對于溶解氧、透明度等指標(biāo))或所有觀測點營養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下第 25個百分點(累積頻數(shù)為 25%對應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 25%,下同)(或其他合適的百分點)對應(yīng)值(對于TN、TP、Chla等指標(biāo))作為參照狀態(tài).

另外,根據(jù)遼河流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及污染狀況,收集到20世紀(jì)70年代的部分監(jiān)測數(shù)據(jù),作為生態(tài)環(huán)境狀況良好的狀態(tài),參照點各指標(biāo)值的頻數(shù)分布曲線中值可以較好地表達(dá)受“最低影響”的參照狀態(tài).對參照點的總氮(TN)、總磷(TP)、溶解無機(jī)氮、活性磷酸鹽、葉綠素 a(Chla)、溶解氧(DO)、透明度(SD)及其他指標(biāo)的測定值進(jìn)行統(tǒng)計分析,繪制頻數(shù)分布圖,取相應(yīng)指標(biāo)的頻數(shù)分布曲線的中值作為參照狀態(tài). 由于此部分監(jiān)測數(shù)據(jù)較少,其結(jié)果僅用作推薦基準(zhǔn)值確定是否合理的輔助說明.

1.3 營養(yǎng)物指標(biāo)選擇

在實踐中出于管理的需求,制定基準(zhǔn)的指標(biāo)也可不僅僅限于營養(yǎng)物質(zhì).按照美國的做法[8],理論上應(yīng)包括用于解釋近岸海域富營養(yǎng)化原因和結(jié)果的所有變量,一般來說,5個指標(biāo)為基準(zhǔn)的基本變量,即TN、TP、Chla、SD或藻類濁度、DO.由于TN、TP的歷史數(shù)據(jù)較缺乏,可能導(dǎo)致最后的結(jié)果不確定性較大,因此增加了溶解無機(jī)氮和活性磷酸鹽兩個指標(biāo).國際上透明度為營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定中的基本變量,但由于本研究所收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)中透明度數(shù)據(jù)較少,未選取透明度作為制定基準(zhǔn)的指標(biāo).本次研究中確定了溶解無機(jī)氮、活性磷酸鹽、TN、TP、Chla和DO作為營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo).

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用 origin軟件的數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行統(tǒng)計分析和制作水質(zhì)頻數(shù)分布圖.

2 結(jié)果與分析

對 1995年～1999年和 2003年～2009年的TN、TP、溶解無機(jī)氮、活性磷酸鹽、Chla和DO數(shù)據(jù)進(jìn)行了水質(zhì)頻數(shù)分布綜合分析,繪制的頻數(shù)分布曲線結(jié)果見圖2.

在利用頻數(shù)分析法建立參照狀態(tài)的過程中,考慮是運用所有能收集到的數(shù)據(jù),而且自20世紀(jì)90年代以來,遼河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快,水污染日趨嚴(yán)重,因此采用1995年～1999年和2003年～2009年監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的下第25個百分點作為參照狀態(tài)提出推薦基準(zhǔn)值(表1),TN為0.68 mg/L;TP為0.056mg/L;溶解無機(jī)氮為 0.15mg/L;活性磷酸鹽為 0.025mg/L,Chla為0.0015mg/L,DO為6.14mg/L.

觀測的實際分布和對該區(qū)域水質(zhì)變化的認(rèn)識也是選擇閾值點的重要決定因素.雖然從1996年至今,經(jīng)過這些年的整治,遼河流域水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),但部分地段污染狀況仍令人堪憂,污染物入海量居高不下,其鄰近海域受到較大的營養(yǎng)物質(zhì)污染[10].在這種情況下,考慮選取水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的上或下第5個百分點(累積頻數(shù)為95%或5%對應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù),即 Percentile 95%或 5%,下同),以期恢復(fù)到以前大概的自然條件,按此原則,TN、TP、溶解無機(jī)氮、活性磷酸鹽和Chla選取下第5個百分點(表 1),參照狀態(tài)分別為 0.19,0.032, 0.11,0.006,0.0009mg/L.

圖2 遼河口近岸海域營養(yǎng)物頻數(shù)分布曲線Fig.2 Frequency distribution curves of nutrients in Liaohe estuary

20世紀(jì)70年代國家海洋局對遼河流域近岸 海域水質(zhì)進(jìn)行了渤海專項調(diào)查,結(jié)果顯示,當(dāng)時溶解無機(jī)氮的濃度分別在 0.06～0.20mg/L之間,基本上不存在水質(zhì)污染,若取中間值,那么參照狀態(tài)的溶解無機(jī)氮為0.11mg/L.經(jīng)過比較分析,發(fā)現(xiàn)頻數(shù)法下第 5個百分點的參照狀態(tài)值與利用年代的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的參照狀態(tài)值是一樣的.而DO的濃度中值為6.34mg/L,采用1995年～1999年和2003年～2009年監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)頻數(shù)分布曲線的下第25個百分點得到的推薦基準(zhǔn)值基本一致.綜合考慮我國的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[11]以及遼河流域近岸海域營養(yǎng)物的實際情況,本研究確定TN的參考狀態(tài)值以頻數(shù)法為準(zhǔn),確定的推薦基準(zhǔn)值TN為0.19 mg/L;TP為0.032mg/L;溶解無機(jī)氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

表1 遼河口近岸海域營養(yǎng)物濃度頻數(shù)分布統(tǒng)計(mg/L)Table 1 Frenquency distribution results of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

表2 遼河口近岸海域營養(yǎng)物參照狀態(tài)推薦基準(zhǔn)值(mg/L)Table 2 Recommended criteria of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

3 討論

本研究根據(jù)國內(nèi)外對指標(biāo)選取的研究成果以及所獲取數(shù)據(jù)的情況,選取了TN、TP、Chla、DO、溶解無機(jī)氮和活性磷酸鹽為指標(biāo).根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境受損程度判定營養(yǎng)鹽的歷史變化趨勢,從而確定參照狀態(tài).然后,對參考水體的營養(yǎng)物水平進(jìn)行統(tǒng)計分析,根據(jù)營養(yǎng)物頻數(shù)分布曲線設(shè)定相應(yīng)的推薦基準(zhǔn)值.對本研究中確定的遼河流域的營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的推薦基準(zhǔn)值與GB3097-1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了比較,本研究推導(dǎo)的溶解無極氮和活性磷酸鹽的推薦基準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)中的值相比均略低,DO則基本一致,如果考慮到社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,目前的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的營養(yǎng)物的標(biāo)準(zhǔn)可適用于遼河流域的評價.

對于營養(yǎng)物質(zhì)而言,其背景濃度往往具有明顯的區(qū)域特征,因此相應(yīng)的海水營養(yǎng)物質(zhì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定也應(yīng)考慮其區(qū)域性.美國等發(fā)達(dá)國家在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上,制定了區(qū)域性的海水營養(yǎng)物質(zhì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8,12].因此,我國在考慮區(qū)域特征的基礎(chǔ)上,制定營養(yǎng)物海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行.水質(zhì)基準(zhǔn)是制定環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù),環(huán)境基準(zhǔn)的研制雖然不能完全替代環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),但是是制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的支撐性基礎(chǔ)工作,為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研制提供必需的科學(xué)依據(jù)[13-14].本研究以遼河流域為示范區(qū)域,探索了適合我國海洋環(huán)境監(jiān)測歷史和現(xiàn)狀的推薦基準(zhǔn)值的確定方法,并推導(dǎo)了營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的推薦基準(zhǔn)值,可為全國近岸海域區(qū)域性營養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的確定提供方法學(xué)借鑒.

4 結(jié)語

探討了基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)確定區(qū)域性近岸海域營養(yǎng)物及其響應(yīng)指標(biāo)的水質(zhì)推薦基準(zhǔn)值的方法;以遼河流域為示范區(qū)域,利用本海域歷史調(diào)查數(shù)據(jù)采用基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)方法確定了近岸海域的參照狀態(tài),提出推薦基準(zhǔn)值分別為:TN為0.19mg/L;TP 為 0.032mg/L;溶解無機(jī)氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為 0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

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Approach of nutrient criteria establishment and application in coastal area of Liaohe estuary.

HU Ying-ying, WANG Ju-ying*, ZHANG Zhi-feng,ZONG Hu-min, CHEN Shu-mei (Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas, State Oceanic Administration, National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：996～1000

In-situ observation based approach was important during enacting nutrients criteria in coastal area. Population distribution approach was introduced and applied to build the reference state and establish nutrients criteria on the case of Liaohe estuary. The data of 1995～1999 and 2003～2009 was analysised to build reference state and establish recommended nutrients criteria and data of 1976 was applied to validate the value. The recommended criteria value of DIN, TN, DIP, TP in coastal area of Liaohe estuary was 0.11, 0.19, 0.006 and 0.032mg/L, respectively, Chlorophyll-a and DO was 0.0009, 6.14mg/L, respectively.

nutrients criteria；reference state；recommended criteria；Liaohe estuary

X022

A

1000-6923(2011)06-0996-05

2010-10-18

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(200805090);國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放基金(201015);國家“908”評價專項項目(908-02-04-02)

* 責(zé)任作者, 研究員, jywang@nmemc.gov.cn

胡瑩瑩(1977-),女,山東肥城人,助理研究員,博士,主要從事海洋環(huán)境化學(xué)及海洋環(huán)境質(zhì)量評價工作.發(fā)表論文20余篇.