基于水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應的綜合富營養(yǎng)化評價模型—以山東半島典型海域富營養(yǎng)化評價為例*

吳在興 俞志明 宋秀賢 袁涌銓 曹西華

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基于水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應的綜合富營養(yǎng)化評價模型—以山東半島典型海域富營養(yǎng)化評價為例*

吳在興1, 2俞志明1①宋秀賢1袁涌銓1, 2曹西華1

(1. 中國科學院海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室 青島 266071; 2. 中國科學院大學 北京 100049)

對前期構(gòu)建的長江口及其鄰近水域的富營養(yǎng)化評價模型作了進一步改進, 并根據(jù)2006年至2007年春夏秋冬四個季節(jié)的山東半島典型海域的調(diào)查資料, 將該模型應用于山東半島典型海域的富營養(yǎng)化評價。評價結(jié)果表明: 在“優(yōu)、良、中、差、劣”五個富營養(yǎng)化等級中, 山東半島大部分海灣和近岸海域出現(xiàn)“中”到“差”程度的富營養(yǎng)化狀況, 且海灣內(nèi)富營養(yǎng)化程度明顯高于近岸海域。較突出的富營養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)高濃度的葉綠素水平和周期性發(fā)生的有毒有害藻華。煙臺四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營養(yǎng)化狀況較嚴重的三個海灣。僅少數(shù)海域, 如日照北部近海和黃島近海的富營養(yǎng)化程度處于“良”的等級。評價模型同時包含富營養(yǎng)化壓力因素(水質(zhì)狀態(tài))和效應因素(生態(tài)響應)兩個方面, 在指標評分上不僅考慮評價濃度, 還考慮濃度出現(xiàn)的頻率和空間覆蓋度等方面, 以及對各指標合理分配權(quán)重, 使得評價模型更能準確、全面地反映海域富營養(yǎng)化狀況。

富營養(yǎng)化評價; 典型海域; 山東半島; 水質(zhì)狀態(tài); 生態(tài)響應

富營養(yǎng)化是指營養(yǎng)鹽等進入水體環(huán)境后, 在適當?shù)墓庹?、溫度等條件下, 引發(fā)諸如藻類等生物增殖的自然過程(Ferreira, 2007)。近幾十年來, 農(nóng)藥化肥的施用、化石燃料的燃燒等人類活動, 加速了氮磷等營養(yǎng)元素隨地表徑流或大氣沉降向近海輸移(Nixon, 1995), 使得近海富營養(yǎng)化成為了一個突出的海洋環(huán)境問題。近海富營養(yǎng)化的主要癥狀包括高水平的浮游植物生物量(Boynton, 1982)、大型藻類的過度生長、低氧和缺氧區(qū)的形成、有毒有害藻華的發(fā)生、以及生態(tài)系統(tǒng)中沉水植被的消亡和魚類的死亡等(Burkholder, 1992)。我國近三十年來經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來了嚴重的近海富營養(yǎng)化問題, 近海營養(yǎng)鹽濃度嚴重超標, 赤潮、綠潮和低氧缺氧等富營養(yǎng)化癥狀頻發(fā), 給水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)帶來很多不良影響(Shen, 2001; Huang, 2003; 張瑩瑩等, 2007; 徐兆禮等, 2009)。

富營養(yǎng)化評價能讓管理者全面掌握富營養(yǎng)化問題的程度和范圍, 進而在管理和消除富營養(yǎng)化問題上能優(yōu)化資源和制定決策, 是富營養(yǎng)化管理的關(guān)鍵之一, 已成為廣泛關(guān)注的熱點問題。在我國, 富營養(yǎng)化指數(shù)法(鄒景忠等, 1983)和營養(yǎng)質(zhì)量狀態(tài)指數(shù)法(陳于望, 1987)是目前廣泛應用的以營養(yǎng)鹽為基礎的富營養(yǎng)化評價方法。在逐漸認識到近海系統(tǒng)復雜的非線性特征后(Cloern, 2001), 以人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊數(shù)學理論等為代表的軟計算方法被應用于近海系統(tǒng)的富營養(yǎng)化評價(陳鳴淵等, 2007; 蘇暢等, 2008)。無論是富營養(yǎng)化指數(shù)法還是軟計算方法, 都以營養(yǎng)鹽為富營養(yǎng)化的指示指標或者營養(yǎng)鹽在評價中占較大權(quán)重, 因此得到的結(jié)果總是近岸營養(yǎng)鹽濃度較高的區(qū)域為富營養(yǎng)化嚴重的區(qū)域。然而這種結(jié)果對于某些近岸海域來說, 并不能完全真實的反映其富營養(yǎng)化狀況: 例如在長江口, 口門內(nèi)和渾濁帶豐富的營養(yǎng)鹽并未導致嚴重的富營養(yǎng)化癥狀出現(xiàn), 而遠離海岸水域的營養(yǎng)鹽濃度相對較低卻出現(xiàn)了明顯的低氧和浮游植物的大規(guī)模暴發(fā)等富營養(yǎng)化癥狀; 在北戴河海域, 近幾年連續(xù)發(fā)生微微藻赤潮, 而營養(yǎng)鹽指數(shù)法卻無法準確反映出這種富營養(yǎng)化程度(Chai, 2006; 張萬磊等, 2012)。

針對以營養(yǎng)鹽為基礎的富營養(yǎng)化評價模型的不足, 國際上很多海洋研究機構(gòu)開始嘗試在近岸海域應用基于癥狀的多參數(shù)評價模型: 較著名的包括巴黎-奧斯陸委員會和美國國家海洋和大氣管理局分別提出的綜合評價法(OSPAR-COMPP, OSPAR Commission, 2003)和河口營養(yǎng)狀況評價(ASSETS, Bricker, 2003)。但由于不同水域的地理位置、氣候等特點存在差異, 且國外評價模型中所涉及的如沉水植被等評價指標在我國絕大部分近海從未被監(jiān)測過, 使得國外評價模型難以在我國近海的富營養(yǎng)化評價中推廣和應用。俞志明等(2011)在參考國際上基于“壓力-狀態(tài)-響應”框架的富營養(yǎng)化評價模型ASSETS等的結(jié)構(gòu)基礎上, 考慮我國廣泛開展的海域環(huán)境監(jiān)測特點和我國在不同地理位置海域的富營養(yǎng)化研究成果, 篩選確定了適合長江口海域區(qū)域特性的富營養(yǎng)化指示指標、富營養(yǎng)化評價閾值和標準, 提出了基于水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應的富營養(yǎng)化評價綜合模型。本研究在對前期構(gòu)建的長江口富營養(yǎng)化評價模型進一步改進的基礎上, 將模型應用于山東半島典型海域, 以反映該區(qū)域不同地理位置海域的富營養(yǎng)化狀況, 為富營養(yǎng)化管理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 調(diào)查與數(shù)據(jù)收集

本研究中用于富營養(yǎng)化評價的數(shù)據(jù)來自2006年至2007年春夏秋冬四個季節(jié)對山東半島東北部及南部典型海灣和近岸海域的“908”調(diào)查專項所獲得的營養(yǎng)鹽、COD、葉綠素、溶解氧和浮游植物豐度等數(shù)據(jù)?！?08”專項調(diào)查的采樣站位如圖1所示。

圖1 山東半島近岸海域“908”調(diào)查站位

在富營養(yǎng)化評價中, 除溶解氧采用底層溶解氧數(shù)據(jù)外, 其他數(shù)據(jù)均采用各個采樣層次平均數(shù)據(jù), 浮游植物豐度采用各采樣水層的平均值。有毒有害藻華事件的發(fā)生次數(shù)、面積和持續(xù)時間等資料來自部分文獻及歷年國家海洋環(huán)境質(zhì)量公報數(shù)據(jù)和山東海洋環(huán)境質(zhì)量公報數(shù)據(jù)(國家海洋局, 2003—2008; 山東海洋與漁業(yè)廳, 2005—2009)。

1.2 評價模型的構(gòu)建

1.2.1 模型指標體系的選取與標準確定 為全面反映海域富營養(yǎng)化狀況, 選取水質(zhì)狀態(tài)和生態(tài)響應兩方面指標作為富營養(yǎng)化評價的指標。水質(zhì)狀態(tài)指標包括溶解無機氮(DIN)、溶解無機磷(DIP)和化學需氧量(COD)。生態(tài)響應包含初級生態(tài)響應(葉綠素、浮游植物細胞總豐度或單個種類浮游植物細胞豐度比例、大型藻過度生長)和次級生態(tài)響應(底層溶解氧、有毒有害藻華發(fā)生)指標(表1)。

表1 富營養(yǎng)化評價指標體系

Tab.1 Indices for eutrophication assessment

水質(zhì)狀態(tài)反映了海域富營養(yǎng)化的致害或壓力因素, 生態(tài)響應反映了海域富營養(yǎng)化的效應因素。初級和次級生態(tài)響應則反映了富營養(yǎng)化過程的兩個階段和兩種嚴重程度。雖然我國絕大部分海域并不監(jiān)測大藻指標, 但2007年以后, 我國黃海江蘇近岸海域出現(xiàn)了大面積的滸苔暴發(fā), 也成為了一種由近海富營養(yǎng)化而帶來的生態(tài)災害; 大型和微型海藻對富營養(yǎng)化條件直接響應, 造成其大量生長和暴發(fā), 是海水富營養(yǎng)化最顯著的結(jié)果(Morand, 2004); 甚至在一些近海較淺的海灣和瀉湖, 營養(yǎng)鹽加富最先帶來的可能是大型藻而非微型藻的過度生長(Nobre, 2005), 所以選取大型藻作為指標可以更全面地反映富營養(yǎng)化狀況。根據(jù)近海系統(tǒng)的地理分布和特異性差異等因素, 微型藻細胞豐度指標在本方法中被設計成一個依據(jù)具體條件可選擇性的指標。在一些特殊海域, 如長江口, 甲藻門藻類隨著富營養(yǎng)化程度的加重, 在浮游植物總豐度中所占的比例呈現(xiàn)上升趨勢(欒青杉, 2007; 章飛燕, 2009), 能很好的反映富營養(yǎng)化的程度。在其他近海系統(tǒng)中, 某些種類則可能隨著富營養(yǎng)化程度的加重呈現(xiàn)比例下降的趨勢。在沒有特定種類能通過比例變化明顯指示富營養(yǎng)化變化的海域, 浮游植物總豐度則成為一個很好的指標(CEC, 2000)。

各種指標的閾值和標準見表2。在各種指標閾值和標準的確定中, 充分考慮了我國近岸海域的富營養(yǎng)化特點和以往針對南北海域的富營養(yǎng)化問題的研究。其中, 水質(zhì)狀態(tài)指標采用國家海水水質(zhì)標準設定富營養(yǎng)化標準(GB 3097-1997)。葉綠素閾值和標準范圍則參考我國南北不同地理位置的近岸海域前期的富營養(yǎng)化研究, 將其閾值設定為5μg/L(鄒景忠等, 1983; 陳鳴淵等, 2007)。浮游植物總豐度和溶解氧閾值分別參考歐盟水框架指令和美國ASSETS的富營養(yǎng)化評價模型(CEC, 2000; Bricker, 2003)。在單個浮游植物種對富營養(yǎng)化響應顯著的海域, 單個浮游植物種豐度比例則根據(jù)該海域浮游植物豐度的歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù), 根據(jù)美國環(huán)保局提出的方法確定閾值和標準范圍(USEPA, 2001), 如長江口根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)(欒青杉, 2007; 章飛燕, 2009), 將標準范圍設定為1%—20%。

1.2.2 海域系統(tǒng)分區(qū) 在進行富營養(yǎng)化評價之前, 對近岸海域參考ASSETS方法按照統(tǒng)一的原則進行分區(qū), 分區(qū)后對每個區(qū)域進行分別評價, 再根據(jù)每個分區(qū)的評價結(jié)果通過面積加權(quán)的方式得到整個區(qū)域的富營養(yǎng)化評價結(jié)果。分區(qū)的依據(jù)是海域系統(tǒng)不同區(qū)域的鹽度差異。具體根據(jù)每個采樣點所獲取的不同季節(jié)所有的鹽度數(shù)據(jù)的鹽度中值按照鹽度<0.5, 0.5 <鹽度<25,和鹽度>25進行系統(tǒng)分區(qū)(NOAA, 1985)。對于沒有淡水流入的海灣而言, 每個區(qū)域的鹽度可能都在25以上, 則可直接將全海灣作為整體進行評價。采用統(tǒng)一的分區(qū)標準使得在不同地理位置、不同近海系統(tǒng)進行富營養(yǎng)化程度之間的比較保持一致性, 也便于找到同一區(qū)域不同分區(qū)富營養(yǎng)化程度的差異。

1.2.3 富營養(yǎng)化綜合評價 對于每個富營養(yǎng)化評價指標, 根據(jù)每個分區(qū)內(nèi)所有采樣點獲得的采樣數(shù)據(jù)的累積頻率曲線得到指標的評價濃度值: 對于DIN、DIP、COD、Chl, 采用90%累積頻率所對應的濃度值作為評價值; 對于DO, 則采用10%累積頻率所對應的濃度值作為評價值。累積頻率曲線獲得的評價值比平均值或某一次監(jiān)測值更具統(tǒng)計意義和代表性, 可以避免使用海域監(jiān)測過程出現(xiàn)的某些異常值(90%累積頻率得到評價值是為了排除葉綠素、營養(yǎng)鹽等的異常高值, 10%累積頻率得到評價值是為了排除DO的異常低值), 使得評價結(jié)果更能反映海域的富營養(yǎng)化狀況。

表2 富營養(yǎng)化評價指標的標準

Tab.2 Thresholds and ranges of indices for eutrophication assessment

每個分區(qū)內(nèi)每個指標的評價得分再通過逐步?jīng)Q策邏輯表得到(表3、4、5)。逐步?jīng)Q策邏輯充分考慮了分區(qū)內(nèi)指標的評價濃度、此種濃度出現(xiàn)的頻率(偶爾出現(xiàn)、周期性出現(xiàn)還是持續(xù)出現(xiàn))和分區(qū)內(nèi)出現(xiàn)此濃度的空間覆蓋度?？臻g覆蓋度通過計算濃度等于或高于評價濃度的采樣點個數(shù)占采樣點總個數(shù)的比例得出。例如一個鹽度分區(qū)所有采樣點葉綠素的90%累積頻率濃度值為4μg/L, 則此濃度值落入表2中范圍為3—5μg/L的中的類型, 那么鹽度分區(qū)內(nèi)每個采樣點的葉綠素的90%累積濃度均計算出來后, 那些累積濃度大于3μg/L(標準范圍的下限)的采樣點所占分區(qū)內(nèi)總采樣點個數(shù)的比例即為此鹽度分區(qū)葉綠素的空間覆蓋度。對于大藻的過度生長問題和有毒有害藻華問題, 由于沒有統(tǒng)一的富營養(yǎng)化閾值, 故不考慮評價濃度, 而是采用對問題的出現(xiàn)頻率、覆蓋度和持續(xù)時間等半定量數(shù)據(jù)進行挖掘的方法確定評價得分(參見表4、5)。最終的海域富營養(yǎng)化等級由以下4個步驟得到:

1. 對于水質(zhì)狀態(tài), 從表 3得到每個分區(qū)每個指標的評價得分后, 根據(jù)每個分區(qū)的面積和海域總面積計算每個指標的面積加權(quán)表達值并求和, 即得到每個參數(shù)在整個區(qū)域的表達水平。整個海域水質(zhì)指標的表達水平即通過計算三個水質(zhì)狀態(tài)指標表達水平的平均值得到(公式(1))。水質(zhì)狀態(tài)的最終類型即通過水質(zhì)狀態(tài)水平和類型對應表得出(表6)。

其中,為水質(zhì)狀態(tài)的表達水平,為每個分區(qū)每個參數(shù)的評價得分;A為某個分區(qū)的面積,A為整個海域的總面積;為分區(qū)的個數(shù),為水質(zhì)指標的個數(shù)。

2. 初級生態(tài)響應的表達水平采用與水質(zhì)狀態(tài)的表達水平相同的方法獲得。對于次級生態(tài)響應, 單個指標(底層溶解氧或者有毒有害藻華)的表達水平與水質(zhì)狀態(tài)和初級生態(tài)響應每個指標表達水平的獲得方法相同, 但次級生態(tài)響應總的表達水平是選取底層溶解氧或者有毒有害藻華兩者得分和表達水平中更高的那個。次級生態(tài)響應反映了更高程度的富營養(yǎng)化癥狀, 選用兩者中的最大值而不是平均值為了給予次級生態(tài)響應在富營養(yǎng)化評價中更高的權(quán)重。

3. 得到初級和次級生態(tài)響應的表達水平后, 依據(jù)圖2中的矩陣得出初級和次級生態(tài)響應的類型和總的生態(tài)響應類型。初級生態(tài)響應和次級生態(tài)響應組合的依據(jù)是給予次級生態(tài)響應更高的權(quán)重。例如, 高的表達水平的初級生態(tài)響應和低表達水平的次級生態(tài)響應的組合表明區(qū)域內(nèi)嚴重的次級富營養(yǎng)化癥狀在高的營養(yǎng)鹽壓力下依然沒有表現(xiàn)出來, 總的生態(tài)響應等級則歸類為“中”(圖2中的等級“3”); 相反, 高的表達水平次級生態(tài)響應和低表達水平的初級生態(tài)響應表明區(qū)域內(nèi)嚴重的富營養(yǎng)化癥狀已經(jīng)出現(xiàn), 總的生態(tài)響應等級則歸類為“中高”(圖2中的等級“4”)。

4. 參考美國ASSETS方法中組合人類壓力和河口營養(yǎng)狀態(tài)的矩陣, 將水質(zhì)狀態(tài)類型和生態(tài)響應類型通過組合表(表7)得到整個海域的綜合富營養(yǎng)化評價結(jié)果。由于高濃度的營養(yǎng)鹽不一定導致嚴重的富營養(yǎng)化癥狀(Cloern, 2001), 所以在表7中給予生態(tài)響應較高的權(quán)重。在近海系統(tǒng)中, 由于浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收作用或者系統(tǒng)對營養(yǎng)鹽稀釋、浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收等作用存在滯后性, “高”的水質(zhì)狀態(tài)和“低”的生態(tài)響應或者“低”的水質(zhì)狀態(tài)和“高”的生態(tài)響應在很短的時間內(nèi)可能同時存在; 但是在四個季節(jié)的采樣周期中, 這兩種情況發(fā)生的可能性幾乎為零, 故在表7中排除了這兩種組合。最終評價等級、不同等級的代表顏色都與美國ASSETS和歐盟WFD(水框架指令)富營養(yǎng)化評價模型一致。

表3 水質(zhì)狀態(tài)逐步?jīng)Q策邏輯表

Tab.3 Logical decision process for determination of water quality

表4 初級生態(tài)響應逐步邏輯決策表

Tab.4 Logical decision process for determining direct response

表5 次級生態(tài)響應逐步?jīng)Q策邏輯表

Tab.5 Logical decision process for determining indirect response

表6 水質(zhì)狀態(tài)表達水平和類型對應表

Tab.6 Level of water quality and category

圖2 生態(tài)響應評價因子組合矩陣標準判別表

2 結(jié)果與討論

2006—2007年四個季節(jié)山東半島東北部和南部海域調(diào)查站位的理化指標和生物數(shù)據(jù)的統(tǒng)計如表8所示。濃度較低的葉綠素a出現(xiàn)在冬季的榮成灣、桑溝灣海域以及膠南近岸外側(cè)海域。而夏季, 從北部芝罘灣和四十里灣到東部的威海各海灣, 再到南部的乳山灣和丁字灣, 葉綠素出現(xiàn)普遍的高濃度, 可達20—50μg/L。較低的DIP和DIN主要出現(xiàn)在春夏季節(jié)的鰲山灣、膠南和黃島近岸外側(cè)海域。而較高的DIP、DIN出現(xiàn)在冬季的北部芝罘灣和四十里灣到東部的威海各海灣再到南部的乳山灣和丁字灣; 總體來說, 比起近岸海域, 海灣內(nèi)具有較嚴重的營養(yǎng)鹽加富現(xiàn)象, 且冬季營養(yǎng)鹽濃度普遍較高。低濃度的DO主要集中于夏季的煙臺芝罘灣和四十里灣, 以及南部的丁字灣海域。浮游植物豐度高值主要出現(xiàn)在夏季的四十里灣和南部的鰲山灣、膠南近岸外側(cè)海域。

表7 富營養(yǎng)化綜合評價表

Tab.7 Aggregation of water quality and ecological response to an overall eutrophic status

表8 山東半島海域理化指標和生物數(shù)據(jù)統(tǒng)計

Tab.8 Data statistics for indicators of coastal areas in Shandong Peninsula

由于本研究中所有海灣和近海區(qū)域的鹽度均在27以上, 所以對每個海灣不再分區(qū), 當作一個整體來評價。對于青島、日照、煙臺等近岸海域, 按照采樣點的空間分布以及海域所屬的行政區(qū)域進行分別評價。評價結(jié)果見圖3所示。在“優(yōu)、良、中、差、劣”五個富營養(yǎng)化等級中, 山東半島大部分海灣和近岸海域出現(xiàn)“中”到“差”程度的富營養(yǎng)化狀況, 較突出的富營養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)發(fā)生的高濃度葉綠素水平。煙臺四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營養(yǎng)化狀況較嚴重的三個海灣, 富營養(yǎng)化癥狀主要是出現(xiàn)周期性的有毒有害藻華事件, 四十里灣、丁字灣還形成夏季低氧現(xiàn)象, 可能與夏季頻繁暴發(fā)大規(guī)模赤潮后赤潮生物的降解過程耗氧有關(guān)(喻龍等, 2009), 另外這些海灣具有較多的排污口和養(yǎng)殖蝦池(馬紹賽等, 1997), 夏季其產(chǎn)生的大量有機物耗氧也可能導致低氧。丁字灣、膠州灣這種半封閉型海灣的灣底區(qū)域水交換能力差(孫英蘭等, 2003), 容易產(chǎn)生較嚴重的富營養(yǎng)化癥狀。僅少數(shù)海域, 如日照北部和黃島近岸海域的富營養(yǎng)化程度處于“良”的等級。而兩者之間的膠南近岸海域和北部青島鰲山灣海域富營養(yǎng)化狀況則處于“中”的等級, 可能與這些區(qū)域海岸線的眾多海灣開展網(wǎng)箱養(yǎng)殖排放營養(yǎng)鹽有關(guān)(蔡惠文, 2007), 因此這些近岸海域雖沒出現(xiàn)顯著的葉綠素高值、低氧和赤潮現(xiàn)象, 也要加強針對養(yǎng)殖的富營養(yǎng)化管理?？傮w來看, 海灣內(nèi)的富營養(yǎng)化程度明顯高于灣外近岸海域, 膠州灣、丁字灣等半封閉海灣的富營養(yǎng)化程度高于開放型的海灣。通過對不同典型海域綜合富營養(yǎng)化等級的比較, 管理者可直觀掌握海域當前的富營養(yǎng)化狀況, 便于制定富營養(yǎng)化管理策略。

除其他海域的評價結(jié)果直接由圖 3給出外, 膠州灣的詳細評價過程由表9給出。

各指標評價濃度通過其濃度的累積頻率曲線獲得, 圖4給出了膠州灣富營養(yǎng)化評價中DO和chl的累積頻率曲線, 累積頻率為90%所對應的chl濃度值約為6.0μg/L, 累積頻率為10%所對應的DO濃度值約為6.3mg/L。

2007年來山東半島近海海域發(fā)生了大型藻類滸苔綠潮事件, 研究認為這類大型藻并非在山東近海直接暴發(fā), 而是由其他海域漂流至山東近海(Pang, 2010), 該指標與山東半島近岸海域富營養(yǎng)化相關(guān)的環(huán)境參數(shù)之間不具有直接的相關(guān)性, 故本研究在山東半島近岸所選擇的典型海域的富營養(yǎng)化評價中, 大型藻類指標沒有參與評價。膠州灣COD數(shù)據(jù)由于未搜集到也不參與評價。從四季來看, 營養(yǎng)鹽和葉綠素的高值并非持續(xù)性發(fā)生, 而是具有一定的季節(jié)性規(guī)律和周期性。而對于有毒有害藻華, 2000年, 2001年, 2003年和2004年在膠州灣周期性地出現(xiàn)幾平方公里到二百平方公里的赤潮, 一般持續(xù)一天到數(shù)天(吳玉霖等, 2005), 綜合三方面得分為0.5。結(jié)合水質(zhì)狀態(tài)等級和生態(tài)響應等級, 膠州灣最終富營養(yǎng)化綜合等級為“差”, 對應顏色為橙色。

圖3 山東半島典型海域富營養(yǎng)化綜合評價結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 山東半島東北部南部的大部分典型海域呈現(xiàn)“中”到“差”程度的富營養(yǎng)化狀況, 總體上海灣內(nèi)富營養(yǎng)化程度高于灣外近海海域, 半封閉型海灣的富營養(yǎng)化程度高于開放型海灣。整個典型海域較突出的富營養(yǎng)化癥狀主要是夏秋季節(jié)發(fā)生的高濃度葉綠素水平。

(2) 煙臺四十里灣、丁字灣和青島膠州灣是山東半島富營養(yǎng)化狀況較嚴重的三個海灣, 富營養(yǎng)化癥狀除了高濃度的葉綠素水平, 還出現(xiàn)周期性的有毒有害藻華事件, 四十里灣和丁字灣還出現(xiàn)夏季低氧現(xiàn)象。日照、黃島近海富營養(yǎng)化程度相對較輕。

(3) 模型的諸多優(yōu)勢使得模型更能全面、準確反映該海域的富營養(yǎng)化程度、狀況: 指標全面包含富營養(yǎng)化壓力因素(水質(zhì)狀態(tài))和效應因素(生態(tài)響應), 并合理賦予權(quán)重; 不只考慮富營養(yǎng)化問題的濃度, 還綜合考慮問題出現(xiàn)的空間覆蓋度和頻率; 應用四個季節(jié)的評價數(shù)據(jù), 避免得到對富營養(yǎng)化問題有季節(jié)偏差的反映等。

表9 2006—2007四個季節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)在膠州灣富營養(yǎng)化評價中的應用

Tab.9 Application of monitoring data in four seasons for eutrophication assessment of Jiaozhou Bay

圖4 膠州灣chl a和DO監(jiān)測濃度的累積頻率曲線

虛線分別代表90%和10%累積頻率所對應的指標評價值

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A NEW SYSTEM OF EUTROPHICATION ASSESSMENT FOR BOTH WATER QUALITY AND ECOLOGICAL RESPONSE: A CASE STUDY IN TYPICAL AREAS OFF SHANDONG PENINSULA

Wu Zai-Xing1,2, Yu Zhi-Ming1, Song Xiu-Xian1, Yuan Yong-Quan1,2, Cao Xi-Hua1

(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A new scoring system for eutrophication assessment is described that modified from a previous one once applied in Changjiang River estuary. The new system was applied in typical coastal areas of Shandong Peninsula with all-season monitoring data in 2006 to 2007 supported by a “908” special monitoring programs for coastal seas in China. The results indicate that trophic status for the most bays and coastal areas ranged from categories “” to “”. Typical eutrophication featured high-concentration chlorophyllin seasons of harmful algal bloom that occurred periodically. The inner-bay eutrophic conditions were more serious than that outside the bays. The Sishili Bay and Dingzi Bay in Yantai, and the Jiaozhou Bay in Qingdao were three most seriously eutrophicated bays in Shandong Peninsula in the score of “”, while coastal areas off Rizhao City and Huangdao District of Qingdao scored “” in trophic status. Therefore, considering both causative factors (water quality) and effect factors (ecological response), with the new system, one can score for a marine region based not only the applicable concentration of a matter, but also the spatial coverage and occurrence frequency of the concentration, and adjust weightings on parameters in system design case by case. This would make eutrophication assessment more accurate, realistic, and comprehensive.

eutrophication assessment; typical coastal areas; Shandong Peninsula; water quality; ecological response

10.11693/hyhz20121116001

* 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973項目), 2010CB428706號; 海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目, 201205001號; 山東省“兩區(qū)”建設專項資金支持項目, 項目批準號: “兩區(qū)”建設專項資金支持項目; 國家基金委“創(chuàng)新研究群體科學基金”資助, 41121064號。吳在興, 博士研究生, E-mail: xingguang0215@hotmail.com

俞志明, 研究員, E-mail: zyu@ms.qdio.ac.cn

2012-11-16,

2013-03-18

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