近30a來長(zhǎng)江口海域生態(tài)環(huán)境狀況變化趨勢(shì)分析

楊 穎, 徐 韌

(國(guó)家海洋局 東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 上海 200137)

長(zhǎng)江口是我國(guó)最大的河口, 具有獨(dú)特的河口生態(tài)系統(tǒng)。長(zhǎng)江口及鄰近海域也是東海區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域之一。近年來, 長(zhǎng)江流域及長(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口相對(duì)集中, 特別是大量污染物質(zhì)經(jīng)長(zhǎng)江徑流進(jìn)入長(zhǎng)江口及鄰近海域, 加上過度捕撈、海上傾廢、海洋運(yùn)輸及大型工程等所造成的污染和影響, 導(dǎo)致長(zhǎng)江口及其近岸海域環(huán)境壓力逐年加大, 對(duì)海域生態(tài)環(huán)境造成影響。對(duì)長(zhǎng)江口及鄰近海域生態(tài)環(huán)境研究眾多[1-12],對(duì)海域生態(tài)環(huán)境的熱點(diǎn)問題——海域富營(yíng)養(yǎng)化狀況、營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化、赤潮狀況、環(huán)境變化趨勢(shì)以及環(huán)境要素與徑流、懸沙的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究探索。上述研究一般基于特定航次、季節(jié)調(diào)查數(shù)據(jù), 或短時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析, 本文對(duì)近30a長(zhǎng)江口及鄰近海域環(huán)境及污染狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 在較長(zhǎng)時(shí)間序列上分析了長(zhǎng)江口及鄰近海域環(huán)境演變趨勢(shì), 并初步探討了趨勢(shì)變化成因及環(huán)境要素間的相關(guān)性, 為長(zhǎng)江口區(qū)環(huán)境保護(hù)與管理、環(huán)境規(guī)劃編制以及區(qū)域重大項(xiàng)目開發(fā)等提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文中數(shù)據(jù)主要引用了國(guó)家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心歷年長(zhǎng)江口海域趨勢(shì)性監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)江口生態(tài)監(jiān)控區(qū)專項(xiàng)監(jiān)測(cè), 以及上海海洋污染基線調(diào)查項(xiàng)目等豐水期(7月～9月)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。限于各監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)引用源略有不同, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)年份也不完全相同。本文中監(jiān)測(cè)范圍為長(zhǎng)江口及口外海域, 30°30′N～31°45′N,121°30′E～123°00′E 海域, 面積約 1.4 萬 km2(圖 1)。其中 1984年～1997年在本區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)站位較少(20～30個(gè)), 但可均勻覆蓋； 1998年～2003年在本監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)站位較多, 選取了與圖 1中站位相近的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)； 2004年～2014年站位布設(shè)與圖1一致。各站位數(shù)據(jù)采用了表層、中層和底層的平均值。

圖1 長(zhǎng)江口海域監(jiān)測(cè)區(qū)域與站位示意圖Fig.1 The monitoring area and spots in Changjiang estuary

1.2 方法與標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)方法按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T12763)中的相關(guān)方法執(zhí)行。水質(zhì)評(píng)價(jià)采用單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)評(píng)價(jià)法, 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)。生物生態(tài)指標(biāo)采用種類數(shù)、物種優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 生態(tài)環(huán)境要素變化趨勢(shì)分析

2.1 水環(huán)境狀況

選擇水環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)(無機(jī)氮、活性磷酸鹽、硅酸鹽)和污染指標(biāo)(CODMn、銅、鉛、鎘、總汞)來分析水環(huán)境變化狀況。

2.1.1 無機(jī)氮

圖2a為1984～2014年長(zhǎng)江口及鄰近海域豐水期無機(jī)氮的變化趨勢(shì)圖。近 30a來無機(jī)氮總體上處于明顯的上升趨勢(shì)。其中 1987～1989年 3年之間出現(xiàn)了第1個(gè)明顯躍升, 無機(jī)氮濃度由低于0.1 mg/L躍升到0.8 mg/L左右； 1990～2003年基本在較高水平上波動(dòng),13年平均值為0.82 mg/L, 1997年和2001年上、下波動(dòng)幅度較大； 2003～2005年出現(xiàn)了第2個(gè)躍升, 無機(jī)氮濃度由0.8 mg/L左右躍升到1.2 mg/L； 2005～2014年一直在高位震蕩, 10年平均值為1.25 mg/L。

2.1.2 活性磷酸鹽

圖2b為1985～2014年長(zhǎng)江口及鄰近海域豐水期活性磷酸鹽的年際變化趨勢(shì)。近 30a來活性磷酸鹽含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與無機(jī)氮的變化趨勢(shì)相類似的,在 1987～1989年和 2003～2005年間出現(xiàn)兩次躍升現(xiàn)象, 其中第一次躍升幅度大于第二次躍升幅度。與無機(jī)氮的變化趨勢(shì)不同的是, 在 1990～2003年間, 活性磷酸鹽仍然呈上升趨勢(shì), 但上升幅度較緩慢, 13年平均值為 0.023 mg/L。2004～2014年總體在高位震蕩,10年平均值為 0.045 mg/L, 2014年降幅較大, 與2004年相當(dāng)。

2.1.3 硅酸鹽

圖2c為2002～2014年長(zhǎng)江口及鄰近海域豐水期硅酸鹽平均含量的年際變化趨勢(shì)。2002～2014年, 長(zhǎng)江口水中硅酸鹽平均含量總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì), 其中與2002年、2003年相比, 2004年水體中硅酸鹽驟降45%, 2004～2014年, 硅酸鹽含量比較平穩(wěn)。

2.1.4 CODMn

圖2d為1993～2014年長(zhǎng)江口及鄰近海域豐水期化學(xué)需氧量年際變化圖, 除個(gè)別年份 CODMn含量較高(1999年)和較低(1995年)外, 大多數(shù)年份穩(wěn)定在0.6～1.6 mg/L之間, 均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜2mg/L)。CODMn用來表征水體中有機(jī)污染物水平,20a的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明, CODMn含量一直較穩(wěn)定,含量處于較低水平。

2.1.5 銅、鉛、鎘、汞

圖2e～2h為長(zhǎng)江口及鄰近海域豐水期銅、鉛、鎘、汞的年際變化圖。

銅(圖 2e)的變化趨勢(shì)可以基本分為 3個(gè)時(shí)段,1987～1997 年, 10 年 的平均值在 2.2 μg/L 上下波動(dòng)；1999～2004 年略有升高, 平均值為 3.2 μg/L； 2005～2014年近10年間, 銅的平均含量有所下降, 平均值為1.8 μg/L。監(jiān)測(cè)年份銅的平均含量均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜5 μg/L), 總體質(zhì)量良好, 變化趨勢(shì)趨于下降。

鉛(圖 2f)的變化趨勢(shì)總體趨于下降, 少數(shù)年份的鉛平均含量符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜1μg/L),大部分年份符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜5 μg/L)。

鎘(圖 2g)的變化趨勢(shì)總體趨于下降, 監(jiān)測(cè)年份鎘的平均含量均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜1 μg/L),總體質(zhì)量良好, 除1991、1993和1999年外, 其余年份均低于0.1 μg/L。

汞(圖 2h)的變化趨勢(shì)為波動(dòng)中略有上升, 但最高值出現(xiàn)在1991年。約54%的監(jiān)測(cè)年份汞的平均含量符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜50 ng/L), 其余年份汞的平均含量符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(＜200 ng/L)。

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)

營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)是宏觀上不同營(yíng)養(yǎng)鹽之間的組成比例, 即水體中氮、磷、硅的相對(duì)量。研究營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)、探討浮游植物初級(jí)生產(chǎn)過程中的營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子對(duì)了解海洋生態(tài)環(huán)境起著重要的作用[13]。

近 30a來, 長(zhǎng)江口海域豐水期 N/P比值范圍為42.03～107.79, 均遠(yuǎn)大于 Redfield比值(一般為 16),N/P比值總體呈下降趨勢(shì)(圖3), 1987～2000年N/P比值總體高于 2000年以后。1997年豐水期達(dá)到最高,2001年為最低, 但也均超過40, N/P比值一直處于失衡狀態(tài)。

Si/N(Redfield比值為 1)比值范圍為 0.47～2.09,與 N/P變化趨勢(shì)基本相同, 也呈現(xiàn)較明顯下降趨勢(shì)(圖 4), 與硅酸鹽含量持續(xù)降低和無機(jī)氮含量緩慢上升的趨勢(shì)相關(guān)。崔彥萍等[14]研究也發(fā)現(xiàn), 在三峽水庫(kù)三期蓄水前后, Si/N由平均2.1下降為0.53, 其2010～2011年 3個(gè)季度的監(jiān)測(cè)結(jié)果均低于 Redfield比值,主要與硅酸鹽減少有很大關(guān)系。近10a來, Si/N總體仍處于較適宜的范圍, 未來若無機(jī)氮仍持續(xù)上升,或硅酸鹽持續(xù)下降, 則會(huì)出現(xiàn)硅限制。

圖2 長(zhǎng)江口海域各監(jiān)測(cè)因子平均含量年際變化Fig.2 Monitoring factors'concentration variation trend in Changjiang estuary water

圖3 長(zhǎng)江口海域水質(zhì)N/P比值的年際變化Fig .3 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

圖4 長(zhǎng)江口海域水質(zhì)Si/N比值的年際變化Fig .4 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

2.3 生物生態(tài)狀況

選擇浮游植物、浮游動(dòng)物指標(biāo)表述長(zhǎng)江口生態(tài)系統(tǒng)中生物生態(tài)要素的變化趨勢(shì)。

2.3.1 浮游植物

自20世紀(jì)80年代起, 浮游植物密度年際變化波動(dòng)較大?？傮w趨勢(shì)呈現(xiàn)先下降后上升的特點(diǎn)。1984～2009年總體處于下降趨勢(shì), 2009年之后波動(dòng)上升(圖5)。近30a年來長(zhǎng)江口區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)不斷演變,種類組成趨向簡(jiǎn)單, 種類個(gè)體數(shù)量分布不均勻, 少數(shù)優(yōu)勢(shì)種類(如中肋骨條藻)在環(huán)境條件合適時(shí)易大量增殖形成赤潮。群落結(jié)構(gòu)中硅藻為浮游植物中主要類群, 數(shù)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 但多年來其所占比例呈緩慢下降趨勢(shì), 甲藻種類所占比例緩慢增加。葉屬峰等[12]研究發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)以來, 長(zhǎng)江口及其鄰近海域赤潮生物種由20世紀(jì)80年代、90年代以中肋骨條藻等硅藻類赤潮為主的趨勢(shì)正在下降, 近岸赤潮生物逐漸由中型硅藻類向小型和微型甲藻類發(fā)展, 東海原甲藻、亞歷山大藻等甲藻赤潮發(fā)生頻率有所上升。2013年, 長(zhǎng)江口及其鄰近海域共發(fā)現(xiàn)7起赤潮,其中有6起為甲藻赤潮。甲藻赤潮中有5起赤潮生物優(yōu)勢(shì)種為東海原甲藻, 1起米氏凱倫藻[15]。

2.3.2 浮游動(dòng)物

圖5 長(zhǎng)江口海域浮游植物種類數(shù)、硅藻和甲藻比例變化Fig.5 Phytoplankton species, the variation trend of diatoms and pfiesteria ratios in Changjiang estuary

圖6 長(zhǎng)江口海域浮游動(dòng)物種類數(shù)和橈足類比例變化Fig.6 Zooplankton species and the variation trend of copepods ratio in Changjiang estuary

浮游動(dòng)物種類、密度和生物量年際波動(dòng)較大,1982～2014年, 浮游動(dòng)物的種類數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì), 2008年種類數(shù)達(dá)到了186種, 為歷年最高,后逐漸下降。浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定, 優(yōu)勢(shì)種以橈足類為主, 但橈足類的種類數(shù)所占百分比近年來呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)(圖 6)。2004年, 橈足類占浮游動(dòng)物種類數(shù)的50%, 2005、2006年分別降至46%和42%, 2007年降至30%以下, 2008年因種類數(shù)、生物量和密度均較大幅度升高, 橈足類比例也有所反彈, 2009年之后一直在較低水平波動(dòng)。橈足類是一類小型的甲殼動(dòng)物, 體長(zhǎng)不超過3 mm, 隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門、甲殼綱、橈足亞綱, 是浮游生物的主要組成類群之一, 種類豐富, 數(shù)量很大。橈足類具有很高的利用價(jià)值, 既可以作為魚類的優(yōu)質(zhì)餌料, 所有魚類的幼魚都以橈足類為食, 在水域食物鏈中起著重要的作用； 又可作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要指示生物類群, 可用于海洋水文的監(jiān)測(cè), 海洋浮游橈足類中有些種類是海流或水團(tuán)的指標(biāo)。橈足類在浮游動(dòng)物中所占百分比的降低, 顯示浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)生變化。

3 生態(tài)環(huán)境要素相關(guān)性分析

根據(jù)多年監(jiān)測(cè)結(jié)果, 長(zhǎng)江口及鄰近海域水體中的 CODMn、銅、鎘均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)； 鉛和汞符合第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)； 無機(jī)氮和活性磷酸鹽含量較高, 大部分海域劣于第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高, 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡。生態(tài)系統(tǒng)趨于脆弱, 浮游生物群落結(jié)構(gòu)處于不斷變化狀態(tài),浮游植物多樣性較差, 主要種類為硅藻, 其次為甲藻, 但甲藻種類組成比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 硅藻種類組成處于下降狀態(tài)； 浮游動(dòng)物多樣性尚好, 以橈足類為主, 但橈足類的組成比例也呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)水體環(huán)境因子及生態(tài)變化情況, 分析長(zhǎng)江口海域海水中環(huán)境因子與長(zhǎng)江入海徑流輸沙量,以及生態(tài)變化之間的相關(guān)性, 分析引起環(huán)境變化的原因。

3.1 入海徑流泥沙變化及與營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬含量的相關(guān)性分析

長(zhǎng)江徑流攜帶入海的大量泥沙在長(zhǎng)江河口懸浮、沉積, 不但塑造了長(zhǎng)江口各類岸灘地貌、潮間帶地貌、水下地形等形態(tài), 是長(zhǎng)江河口水體自凈能力的源泉, 也是維持整個(gè)長(zhǎng)江口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。分析長(zhǎng)江口輸沙量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)對(duì)分析長(zhǎng)江口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)[16], 上世紀(jì) 50年代至今, 長(zhǎng)江徑流總量呈現(xiàn)波動(dòng)變化, 沒有明顯的變化趨勢(shì)。1951～2000年, 長(zhǎng)江平均輸沙量為 4.33 億t/a, 其中 20世紀(jì) 50～80年代的平均輸沙量為4.68 億t/a, 90年代則均值為3.52 億t/a,減少了約25.0%(圖7)?？傮w來看自1950至今長(zhǎng)江輸沙量呈明顯的減低趨勢(shì)。

討論了長(zhǎng)江徑流 2002～2012年輸沙量與營(yíng)養(yǎng)鹽含量的相關(guān)性(取 0.1置信水平, r＞0.582時(shí), 表明檢驗(yàn)的兩者之間具有顯著性相關(guān)性), 發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮、磷酸鹽與徑流輸沙量無顯著相關(guān), 無機(jī)氮與輸沙量的相關(guān)系數(shù) r=0.557, 為弱相關(guān), 磷酸鹽與輸沙量的相關(guān)系數(shù) r=0.152, 為不相關(guān)。與氮、磷表現(xiàn)不同, 輸沙量與水體硅酸鹽的含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(圖 8), 相關(guān)系數(shù) r=0.748, 即海域水體硅酸鹽的減少與徑流輸沙量減少有關(guān)。表明硅酸鹽、無機(jī)氮和磷酸鹽在長(zhǎng)江口海域有不同的來源, 硅酸鹽主要與徑流含沙量有關(guān), 無機(jī)氮和活性磷酸鹽的來源應(yīng)與面源污染、排污以及海域的營(yíng)養(yǎng)鹽再生有關(guān)。余力華等[17]研究發(fā)現(xiàn), 無機(jī)氮濃度的增加, 與農(nóng)田無機(jī)氮肥施用和流失以及污水排放有關(guān), 1962～1998年間無機(jī)氮肥使用量與長(zhǎng)江大通站無機(jī)氮輸送通量的變化趨勢(shì)一致。

統(tǒng)計(jì)重金屬(銅、鉛、鎘、總汞)與徑流輸沙量的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)銅、鉛、鎘和總汞的相關(guān)系數(shù)r分別為0.447、0.026、0.083和-0.356。結(jié)果表明, 海域水體中銅的含量與輸沙量具有弱相關(guān)性, 部分銅來源于地表徑流；鉛與鎘的含量與輸沙量無相關(guān)性； 總汞與輸沙量呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性, 即輸沙量減少, 海域總汞含量有一定上升, 可能與懸浮泥沙減少, 水體自凈能力減弱有關(guān)。

3.2 硅酸鹽含量與浮游植物種類組成的相關(guān)性分析

圖7 長(zhǎng)江(大通站)多年徑流量與輸沙量Fig.7 The flow and sediment discharge to Changjiang estuary

圖8 長(zhǎng)江口海域水體硅酸鹽含量與徑流輸沙量相關(guān)性分析Fig.8 The relativity between silicate and discharge of landslide in Changjiang estuary water

圖9 長(zhǎng)江口海域水體硅酸鹽含量與硅藻比例的相關(guān)性分析Fig.9 The relativity between silicate and diatoms in Changjiang estuary water

討論了水體硅酸鹽含量與硅藻所占浮游植物百分比的相關(guān)性(取 0.1置信水平, r＞0.582時(shí), 表明檢驗(yàn)的兩者之間具有顯著性相關(guān)性), 發(fā)現(xiàn)硅酸鹽含量的變化對(duì)硅藻的種類組成比例有一定的影響(圖 9),硅酸鹽含量與硅藻比例的相關(guān)系數(shù) r=0.639, 具有顯著相關(guān)性, 即硅藻在浮游植物中所占比例的減少,與海域硅酸鹽含量下降有一定的關(guān)系。孫凌等[18]研究了在圍隔水體中硅對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體浮游藻類群落生長(zhǎng)及演替的影響, 結(jié)果表明, 隨著硅酸鹽濃度的增加, 硅藻的生物量提高, 其種類所占比例明顯增加。楊東方等[19]研究表明, Si的限制會(huì)使浮游植物的藻類結(jié)構(gòu)從硅藻類轉(zhuǎn)為非硅藻類； 在氮、磷過剩與硅缺少的環(huán)境下, 改變了水體中營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu), 改變了食物鏈基礎(chǔ)。多年監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)江口海域赤潮以硅藻赤潮為主逐漸過渡到以甲藻赤潮為主也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一相關(guān)性。

4 小結(jié)

根據(jù)歷年監(jiān)測(cè)結(jié)果, 近30a來, 長(zhǎng)江口海域無機(jī)氮和活性磷酸鹽含量不斷升高, 由20世紀(jì)80年代的一類水體逐漸變成劣四類水體。受水體含沙量下降的影響, 海域硅酸鹽含量明顯下降。水體中營(yíng)養(yǎng)鹽比例發(fā)生變化。CODMn含量和重金屬(銅、鉛、鎘、汞)總體穩(wěn)定, 在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)。近30a來長(zhǎng)江口區(qū)域浮游植物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定, 硅藻比例有所下降,甲藻比例逐漸上升。浮游動(dòng)物密度和生物量年際波動(dòng)較大, 群落結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定, 但其結(jié)構(gòu)也趨向簡(jiǎn)單化, 優(yōu)勢(shì)種以橈足類為主, 但橈足類的組成比例有下降趨勢(shì)。

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