春、夏季杭州灣北部近岸水域水化學(xué)及營養(yǎng)狀況評價

張丹，孫振中，張玉平

春、夏季杭州灣北部近岸水域水化學(xué)及營養(yǎng)狀況評價

張丹，孫振中，張玉平

(上海市水產(chǎn)研究所漁業(yè)檢驗(yàn)監(jiān)測中心，上海200433)

為了解杭州灣北部近岸水域水化學(xué)狀況及其污染程度，利用2011—2015年間對杭州灣北部近岸水域春、夏季9個水化學(xué)因子的調(diào)查結(jié)果，分析了該水域水化因子的變化特征、相關(guān)性及氮磷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征，并采用潛在性富營養(yǎng)化法和有機(jī)污染指數(shù)法，進(jìn)行了該水域潛在性富營養(yǎng)化程度及污染狀況的評價。結(jié)果表明:調(diào)查期間，杭州灣北部近岸水域，2011—2015年春、夏季pH平均值分別為8.05±0.11和7.96±0.27；春、夏季DO平均值分別為 (8.13±0.33)、 (7.42±0.31)mg/L，DO飽和度均在88%以上；受潮汐、徑流和降水影響，鹽度波動范圍較大，春、夏季鹽度平均值分別為11.67±5.60和12.06±3.28；春、夏季CODMn平均值均小于3 mg/L，符合 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；總氨氮 (TAN)、NO－2－N 含量均維持在較低狀態(tài)，符合 《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》及經(jīng)濟(jì)魚蝦類生長安全濃度的要求；三態(tài)氮含量依次為NO－3－N＞TAN＞－N，－N占DIN的69%～97%；pH與氮磷營養(yǎng)鹽均為負(fù)相關(guān)，氮、磷間均呈正相關(guān)；潛在性富營養(yǎng)化法計(jì)算結(jié)果表明，2011—2014年春季，調(diào)查水域營養(yǎng)級均為ⅥP，2014年夏季—2015年，N/P值明顯下降，營養(yǎng)級過渡到ⅤP，調(diào)查水域受磷限制富營養(yǎng)化程度有所降低；采用海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)評價，5年所有站位有機(jī)污染指數(shù)A值均大于4，達(dá)到嚴(yán)重污染程度。研究表明，杭州灣北部近岸水域有機(jī)污染嚴(yán)重，亟待有效控制與科學(xué)管理。

杭州灣北部近岸水域；水化學(xué)因子；潛在性富營養(yǎng)化評價；有機(jī)污染評價

杭州灣位于浙江省東北部、上海市南部，為強(qiáng)潮汐性海灣，呈喇叭型，灣口寬約95 km，面積約5200 km2，灣內(nèi)潮汐主要以往復(fù)流形式運(yùn)移，江河攜帶的不同陸源污染物質(zhì)，隨著各異水團(tuán)在杭州灣內(nèi)匯集，不斷地進(jìn)行著物質(zhì)交換、沉淀富集、稀釋擴(kuò)散等一系列活動[1－2]。地處河口區(qū)的杭州灣北部近岸水域，緊鄰上海市南翼，橫跨上海市金山區(qū)、奉賢區(qū)和浦東新區(qū)南部，共擁有海岸線105.74 km，約占全市江海大陸岸線的60%，該水域緊鄰杭州灣北部，自2000年以來人類開發(fā)活動明顯增強(qiáng)，圍海造田、引水養(yǎng)殖、海岸工程和濱海旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，使得該區(qū)域水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大變化[3]。近年來，已有學(xué)者對該水域的水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了多方面的調(diào)查和研究，涉及杭州灣沿岸水域水化學(xué)狀況的調(diào)查與分析[4－5]、富營養(yǎng)化評價[6－7]和海洋生物群落狀況[8－10]等的研究。然而，有關(guān)杭州灣北部近岸水域水化學(xué)動態(tài)及營養(yǎng)狀況評價的研究尚未見報道。為此，本研究中利用農(nóng)業(yè)部項(xiàng)目水環(huán)境定點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)，探討了2011—2015年間杭州灣北部近岸水域春、夏季水化學(xué)因子的變化規(guī)律和相關(guān)性及氮磷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征，并采用潛在性富營養(yǎng)化法和有機(jī)污染指數(shù)法對該水域水質(zhì)進(jìn)行了評價，旨在為該水域營養(yǎng)狀況研究、水環(huán)境保護(hù)與管理以及水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域及站位布設(shè)

2011—2015年每年5月和8月，在杭州灣北部近岸水域 (121°10′～121°58′E、 30°38′～30°54′N) 布設(shè)3個監(jiān)測點(diǎn)， 分別為金山嘴 (121°21′56″E、30°43′37″N)、 奉賢海灣 (121°30′36″E、 30°48′21″N)和蘆潮港(121°51′08″E、 30°51′01″N)(圖1)。 這 3個監(jiān)測點(diǎn)周圍均有河道匯入，同時也是人類活動較為集中區(qū)域，可以較真實(shí)地反映該水域水質(zhì)現(xiàn)狀。

圖1 杭州灣北部近岸水域采樣站位分布圖Fig.1 Sampling sites along the north bank of Hangzhou Bay

1.2 方法

1.2.1 監(jiān)測指標(biāo)及測定 監(jiān)測指標(biāo)包括pH、鹽度 (S)、溶解氧 (DO)、總氨氮 (TAN)、亞硝酸鹽氮 (－N)、硝酸鹽氮 (－N)、 可溶性活性磷酸鹽 (DIP)和化學(xué)需氧量 (CODMn)。其中，前四項(xiàng)指標(biāo)用WTW便攜式分析儀現(xiàn)場測定，其他指標(biāo)參照 《海洋監(jiān)測規(guī)范》 (GB/T 17378.4－2007)[11]進(jìn)行測定。用靛酚藍(lán)分光光度法測定TAN含量，用萘乙二胺分光光度法測定－N 含量，用鎘柱還原法測定－N含量，用磷鉬藍(lán)分光光度法測定DIP含量，用堿性高錳酸鉀法測定CODMn含量。樣品采集、貯存和運(yùn)輸參照 《海洋監(jiān)測規(guī)范 (GB/T 17378.3－2007) 》[12]進(jìn)行。

1.2.2 水質(zhì)評價

(1)潛在性富營養(yǎng)化評價法。參照郭衛(wèi)東等[13]提出的潛在性富營養(yǎng)化評價模式評價近岸河口和海洋水域的營養(yǎng)狀況。選用DIN(無機(jī)氮，即三態(tài)氮之和)、DIP、N/P(無機(jī)氮與可溶性活性磷的質(zhì)量比)為評價指標(biāo)，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 潛在性富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)[13]Tab.1 Classification of potential eutrophication levels[13]

(2)有機(jī)污染評價法。采用有機(jī)污染指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)污染評價[14]，計(jì)算公式如下:

其中:CODi、 DINi、 DIPi和DOi分別為每年春、 夏季各站位的實(shí)測值 (mg/L)；CODs、DINs、DIPs、DOs為 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) (GB 3097－1997)》 一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[15]。污染評價分級見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

水化指標(biāo)的測定結(jié)果以樣品3次測定的平均值表示；相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法；3個及以上組別間顯著性差異檢驗(yàn)采用單因素方差分析(One－way ANOVA)，兩組數(shù)據(jù)間顯著性差異分析采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel及SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖、檢驗(yàn)和分析。

表2 有機(jī)污染指數(shù)法水質(zhì)污染評價分級表[14]Tab.2 Classification of organic pollution index[14]

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)查區(qū)域水化因子的變化分析

2011—2015年杭州灣北部近岸水域pH變化情況如圖2－A所示。從整體上看，春、夏季pH變化范圍分別為7.72～8.19和7.07～8.50，平均值分別為8.05±0.11和7.96±0.27，兩者無顯著性差異(P＞0.05)；pH最大值與最小值均出現(xiàn)在夏季，這與夏季水溫高、光照強(qiáng)、水域存在較強(qiáng)而復(fù)雜的有機(jī)物氧化分解、微生物活動及浮游植物光合作用有關(guān)。經(jīng)單因素方差分析，在2011—2015年的5個春季間pH均無顯著性差異 (P＞0.05)；僅2011年夏季與2012年夏季、2011年春季與夏季間pH存在顯著性差異 (p＜0.05)。

采樣水域鹽度變化情況如圖2－B所示，杭州灣北部近岸水域春季鹽度最高值 (27.1)為最低值 (4.8)的5.7倍，夏季鹽度的波動范圍也較大(6.4～16.8)。這種狀況符合河口水域鹽度變化范圍大的特點(diǎn)[16－18]。杭州灣北部近岸水域地理環(huán)境特殊，既有多條徑流輸入，又有強(qiáng)烈的潮汐作用，不同季節(jié)兩者變化較大的交匯作用導(dǎo)致其鹽度變化較大；另一方面，5月、8月同是杭州灣地區(qū)主要的降雨季節(jié)，鹽度受降雨量影響明顯。2011年春季與夏季、2011年春季與其余年份春季鹽度均存在顯著性差異 (p＜0.05)，這可能是因2011年1—5月長江中下游地區(qū)降水異常偏少，部分區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重旱情導(dǎo)致[19]；而2011年6月長江中下游地區(qū)降水量較常年同期明顯偏多，導(dǎo)致長江流域發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)[20]，杭州灣鹽度受徑流水量影響也隨之明顯降低。臧維玲等[5]研究表明，杭州灣河口區(qū)潮間帶淡水平衡不穩(wěn)定，不同年份各月降水徑流量差異較大，同時海洋環(huán)流各年情況不同，所以，水域表面鹽度年變化每年均不盡相同，極值出現(xiàn)時間也不穩(wěn)定。可見，河口區(qū)鹽度變化非常復(fù)雜。因此，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)應(yīng)密切關(guān)注所用海水鹽度的復(fù)雜變化，以免影響生產(chǎn)。

圖2 2011—2015年春、夏季杭州灣北部近岸水域水化因子隨年份的變化Fig.2 Annual changes in water chemical factors in north Hangzhou Bay in spring and summer from 2011 to 2015

調(diào)查水域DO含量變化情況如圖2－C所示，2011—2015年杭州灣北部近岸水域，春、夏季溶解氧飽和度范圍分別為88.7%～101.4%和89.8%～109.3%，春、夏季 DO含量分別為7.66～8.73、6.92～8.50 mg/L， 平均值分別為 (8.13±0.33)、(7.42±0.31)mg/L?？梢?，杭州灣含氧量豐富，有利于水中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和水生生物生存繁衍。除2011年春季與夏季DO含量差異不顯著外 (P＞0.05)，其余年份春季DO含量明顯高于同年夏季(p＜0.05)，這可能是由于5月份水溫較8月份低，水體中的溶解氧含量隨氧氣在水中的溶解度增大而升高。盧勇等[21]也發(fā)現(xiàn)，杭州灣近岸水域春季溶解氧飽和度高于夏季。楊慶宵等[22]在黃海、東海以及石曉勇等[23]在長江口也均發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

調(diào)查水域CODMn變化情況如圖2－D所示，杭州灣北部近岸水域，春、夏季CODMn變化范圍分別為0.20～3.20、1.17～3.07 mg/L，平均值分別為(1.53±0.79)、 (1.84±0.50)mg/L。 除 2012年春季外，2014年春季CODMn含量顯著低于其余年份春季 (p＜0.05)；2015年春季CODMn含量顯著高于其余年份春季 (p＜0.05)；除2011年及2014年的春季與夏季CODMn含量存在顯著性差異外 (p＜0.05)，其余年份內(nèi)春、夏季間CODMn含量無顯著性差異 (P＞0.05)。CODMn常被作為衡量有機(jī)物對水體污染程度的綜合指標(biāo)[7]，5年內(nèi)在杭州灣北部近岸水域CODMn平均值均小于3 mg/L，符合 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]二類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 氮磷營養(yǎng)鹽的變化特征

2011—2015年，杭州灣北部近岸水域，春、夏季DIN濃度范圍分別為0.63～3.37、1.17～2.55 mg/L， 平均值分別為 (1.88±0.66)、 (1.77±0.33)mg/L，季節(jié)間無顯著性差異 (P＞0.05)。春、夏季DIP濃度范圍分別為0.03～0.11、0.02～0.12 mg/L， 平均值分別為 (0.05±0.02)、 (0.05±0.03)mg/L，5年間春、夏季DIN含量隨年份的變化圖略。

圖3 杭州灣北部近岸水域不同形態(tài)氮的年際變化Fig.3 Temporal changes in levels of dfferent nitrogen forms in the waters in north Hangzhou Bay

2.3 水化因子的相關(guān)性分析

對9個水化因子進(jìn)行雙側(cè)Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。從相關(guān)性系數(shù)可見，pH與氮磷營養(yǎng)鹽均呈負(fù)相關(guān)，其中與DIP呈顯著負(fù)相關(guān) (p＜0.05)。這可能是因?yàn)樗蛑懈∮沃参镞M(jìn)行光合作用，吸收水體中氮磷營養(yǎng)鹽，同時消耗水體中的CO2導(dǎo)致pH升高所致[27]。

表3 杭州灣北部近岸水域水化因子間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of water chemical factors in the waters in north Hangzhou Bay

2.4 潛在性富營養(yǎng)化評價

與湖泊水庫富營養(yǎng)化評價方法不同[29－30]，潛在性富營養(yǎng)化評價法是代表一種潛在的富營養(yǎng)化，其基本觀點(diǎn)是浮游植物按 Redfield比值[31](即N/P，原子比為16)攝取營養(yǎng)物質(zhì)維持自身的物質(zhì)和能量代謝[32－33]，相對過剩的營養(yǎng)鹽并不能被浮游植物吸收利用，只有在水體得到足夠的限制性氮或磷補(bǔ)充后，使N/P值接近Redfield比值，這部分過剩的磷或氮對水體富營養(yǎng)化的實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)才得以表現(xiàn)。本研究中，采用該評價方法對杭州灣北部近岸水域的潛在性富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價，計(jì)算結(jié)果見表4。從表4可見，被調(diào)查水域富營養(yǎng)化程度較高，營養(yǎng)級主要是ⅥP(磷限制潛在性富營養(yǎng))和ⅤP(磷中等限制潛在性富營養(yǎng))。2011—2014年春，調(diào)查水域N/P值嚴(yán)重高于Redfield比值，這可能是由于近岸水體相對較渾濁，泥沙等懸浮物較多，可溶性活性磷較易被吸附，導(dǎo)致可溶性活性磷含量降低，氮、磷比升高。2014年夏—2015年，營養(yǎng)級由磷限制過渡到磷中等限制，N/P值明顯下降，說明被調(diào)查水域受磷限制的富營養(yǎng)化程度有所好轉(zhuǎn)，這將有利于穩(wěn)定浮游生物種群結(jié)構(gòu)，逐步形成一個良好的區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。

表4 杭州灣北部近岸水域潛在性富營養(yǎng)化評價結(jié)果Tab.4 Statistics of potential eutrophication in the waters in north Hangzhou Bay

近年來研究發(fā)現(xiàn)[7，34－35]，中國近海主要河口水域N/P值幾乎都偏離Redfield比值，并且以磷限制居多，隨季節(jié)的波動也較大。一方面是由于磷元素典型的沉積型循環(huán)以及被調(diào)查水域弱堿性的環(huán)境均限制了不溶性磷的轉(zhuǎn)化[36]，使磷元素在循環(huán)過程中，大部分成為不溶性磷沉積于水底，導(dǎo)致水體中可溶磷含量減少。另一方面是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷化肥用量劇增但比例不當(dāng)，氮肥過量而磷與鉀肥不足，地表水把未被利用的過量氮肥匯入河水帶入河口水域[13]，使磷酸鹽相對減小，N/P值增大。另外，河口區(qū)硝酸鹽的再生增補(bǔ)[37]作用進(jìn)一步加大了該比值。

2.5 有機(jī)污染評價

根據(jù)海洋功能區(qū)劃，杭州灣北部近岸水域作為海洋漁業(yè)水域，采用 《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》一類標(biāo)準(zhǔn)[15]進(jìn)行有機(jī)污染評價。計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)查水域污染指數(shù)A值為8.40～19.48，平均值為11.66±2.80，從圖4－A可以看出，5年內(nèi)春、夏季監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)污染指數(shù)變化趨勢基本一致，5年內(nèi)所有站位A值均高于4，按照表2的分級標(biāo)準(zhǔn)，均達(dá)到嚴(yán)重污染的程度，這與高利利等[38]、王芳等[39]的研究結(jié)論相一致。這是由于沿岸工業(yè)化發(fā)展迅速，陸源污染物大量地涌入，采樣站位靠近岸邊，同時杭州灣屬于往復(fù)流，存在海水滯留，水體交換能力相對較弱，污染物稀釋作用較差，導(dǎo)致該水域A值常年居高不下。

由圖4－B、C、D可知，調(diào)查期間，有機(jī)污染指數(shù)A與DIN的擬合度最大 (R2＝0.6069，n＝46，p＜0.01)， DIP 次之 (R2＝0.264， n＝46，p＜0.01)， CODMn最 差 (R2＝0.053， n＝46， P＞0.05)。有機(jī)污染指數(shù)A與氮磷營養(yǎng)鹽均存在極顯著正相關(guān) (p＜0.01)，表明該水域的水質(zhì)污染主要是由氮磷營養(yǎng)鹽所致?？梢?，控制氮磷營養(yǎng)鹽的輸入可有效改善該水域的水質(zhì)現(xiàn)狀。

Butler[40]用近海海水進(jìn)行生物培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)8＜N/p＜30時，浮游植物才不受氮或磷限制而正常生長。調(diào)查期間，杭州灣北部近岸水域春、夏季受氮磷限制的A值分別占總A值的92.8%和95.7%，這部分受氮、磷限制的A值未對海域的富營養(yǎng)化作出貢獻(xiàn)，只是以潛在形式積累于水體中。因此，建議評價水質(zhì)狀況時，應(yīng)考慮營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)，方可使水質(zhì)評價結(jié)果更有意義。

圖4 杭州灣北部近岸水域有機(jī)污染指數(shù)評價結(jié)果Fig.4 Statistics of organic pollution index in the waters in north Hangzhou Bay

3 結(jié)論與建議

調(diào)查期間，杭州灣北部近岸水域富營養(yǎng)化程度較高，在2014年春季受磷限制富營養(yǎng)化情況略有好轉(zhuǎn)。采用海水一類標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果表明，調(diào)查期間該水域各站位有機(jī)污染指數(shù)A值全部高于4，達(dá)到嚴(yán)重污染的程度。因此，本研究為杭州灣近岸水域治理與保護(hù)提供如下建議:

(1)嚴(yán)格控制陸源排放，加強(qiáng)污染治理。規(guī)范沿岸水產(chǎn)養(yǎng)殖及畜禽養(yǎng)殖密度，妥善處理養(yǎng)殖中產(chǎn)生的廢棄物；加強(qiáng)農(nóng)用化肥使用管理，加快緩釋高效均衡農(nóng)肥的研發(fā)；控制工業(yè)、生活污水中氮磷營養(yǎng)鹽及COD的排放。

(2)恢復(fù)和建立沿岸、沿海防護(hù)林及濕地凈化生態(tài)系統(tǒng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)的建立能固土保水、凈化水質(zhì)，并且具有生態(tài)調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)等功能，能有效改善沿海生態(tài)環(huán)境，對杭州灣水環(huán)境質(zhì)量改善意義重大。

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Changes in chemical factors and pollution evaluation in coastal waters in north Hangzhou Bay in spring and summer

ZHANG Dan， SUN Zhen－zhong， ZHANG Yu－ping
(Fishery Inspection Monitoring Center， Shanghai Fisheries Research Institute， Shanghai 200433， China)

The changes in chemical factors and their correlation in spring and summer were analyzed by statistical method，and pollution evaluation was conducted in coastal waters in north Hangzhou Bay based on the investigation data including pH， salinity， temperature， and levels of dissolved oxygen， chemical oxygen demand， nitrate nitrogen， nitrite nitrogen， ammonia nitrogen， and reactive phosphate in north Hangzhou Bay from 2011 to 2015 in order to know the water quality and potential eutrophication and pollution in coastal waters in north Hangzhou Bay.The results showed that the average pH was 8.05±0.11 in spring and 7.96±0.27 in summer and that the average concentration of dissolved oxygen was(8.13±0.33)mg/L in spring and(7.42±0.31)mg/L in summer， with dissolved oxygen saturation of over 88%.Salinity was primarily affected by tides，runoff and rainfall and showed a large fluctuation range， with average salinity of 11.67±5.60 in spring and 12.06±3.28 in summer.The average concentration of CODMn(less than 3 mg/L)was consistent with the second group of criteria according to sea water quality standard，and the concentrations of total ammino nitrogenl(TAN)and－N were kept at a low level， meeting requirement for fish and shrimp and water quality standard for fisheries.During the whole survey，the descending order of three forms of nitrogen levels was expressed as－N＞TAN＞－N，－N accounting for 69%－97%in DIN.There was a negative correlation between pH value and levels of nutrients nitrogen and phosphorus，with positive correlation between nitrogen level and phosphorus level.The potential eutrophication analysis revealed that the eutrophication levels of the studied area were reduced from levelⅥP(spring from 2011 to 2014)to level VP(from summer of 2014 to 2015)， indicating that the P－limited eutrophication level was gradually weakened.According to the first class seawater quality standard，organic pollution index in the coastal waters in north Hangzhou Bay was over 4 during the survey period， indicating that the water quality has been seriously polluted， and that effective control and scientific management should be the ways and means to improve the water quality in the coastal waters in north Hangzhou Bay.

coastal waters in north Hangzhou Bay； water chemical factor； potential eutrophication evaluation； evaluation of pollution

X824

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.06.014

2095－1388(2017)06－0724－08

2017－06－19

農(nóng)業(yè)部財政專項(xiàng) (農(nóng)財發(fā) [2011]47)；公益性行業(yè) (農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng) (201203065)

張丹 (1987—)，女，工程師。E－mail:zhangdan0554＠163.com