黃河營養(yǎng)鹽輸送與河口近海生態(tài)健康研究進展

顧家偉

摘要：詳細梳理了近年來黃河營養(yǎng)鹽研究成果，總結(jié)來水來沙條件改變背景下營養(yǎng)鹽輸送規(guī)律以及與流域建壩的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：受黃河上中游植樹造林、沿線引黃灌溉和大規(guī)模建壩活動影響，黃河入海水沙減少；受黃河流域人類活動影響，黃河N、P、Si營養(yǎng)鹽輸入發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)為水體DIN逐漸升高，而DIP、DSi含量保持在較低水平，導(dǎo)致入海營養(yǎng)鹽比例DIN/DIP和DIN/DSi顯著升高，部分水體出現(xiàn)磷限制，從而進一步誘發(fā)了河口藻類生態(tài)結(jié)構(gòu)改變和赤潮爆發(fā)，海洋初級生產(chǎn)力受到限制，并威脅渤海產(chǎn)魚量。在此基礎(chǔ)上提出今后研究應(yīng)特別關(guān)注的領(lǐng)域為：小浪底水庫營養(yǎng)鹽蓄積與輸送研究、新背景下河口近海營養(yǎng)鹽擴散規(guī)律研究和河口近海生態(tài)響應(yīng)研究。

關(guān)鍵詞：營養(yǎng)鹽；生態(tài)環(huán)境；水沙輸送；黃河

中圖分類號：TV882.1； TV213.2 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.017

世界大河是陸源物質(zhì)與能量輸移至海洋系統(tǒng)的重要傳送帶川，據(jù)估計全球河流每年由此進入海洋的陸源物質(zhì)約為200億t，其中營養(yǎng)鹽（N、P、Si）、陸源無機碎屑和有機質(zhì)等是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，這種自然的陸—海物質(zhì)傳送帶很容易受到日益加劇的人類活動的影響，特別是易受到人為排放污染物和大型水利設(shè)施建設(shè)的干擾，其中流域建壩導(dǎo)致的入海輸沙量減少和營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，已經(jīng)對下游河口地區(qū)及鄰近海域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了顯著負面影響。

黃河是我國第二大河，目前全流域修建了186座大中型水庫，總庫容約為633億m3，2001年小浪底水庫建成后，人為調(diào)水調(diào)沙使得原有水沙條件發(fā)生改變，對下游河口三角洲及渤海的水文地貌、生態(tài)效應(yīng)影響深遠。另外，自20世紀(jì)中葉以來，黃河流域人口激增，人類活動導(dǎo)致N、P等營養(yǎng)鹽排放增加，由此誘發(fā)的河口和鄰近海域一系列生態(tài)環(huán)境問題引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。近10a來，相關(guān)研究積累了眾多文獻資料，內(nèi)容涉及黃河水沙、黃河三角洲、河口和渤海海域生態(tài)響應(yīng)等。鑒于此，筆者詳細梳理了近年來黃河營養(yǎng)鹽研究成果，總結(jié)了來水來沙條件改變背景下營養(yǎng)鹽輸送規(guī)律以及與流域建壩的響應(yīng)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出今后研究應(yīng)特別關(guān)注的領(lǐng)域。

1 黃河水沙和營養(yǎng)鹽輸送

1.1 近50a來黃河水沙輸送規(guī)律

自20世紀(jì)60年代開始，黃河年入海泥沙量從最高的20億t，逐漸降至2億t。2001年小浪底水庫建成后，人為調(diào)水調(diào)沙使得入海泥沙有一定恢復(fù)，目前大致維持在0.3億t/a。與此同時，黃河入海水量減少，兩者構(gòu)成了較好的線性關(guān)系。受上游來水減少影響，20世紀(jì)70年代黃河下游開始出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，進入90年代，黃河斷流愈演愈烈，整個90年代利津站以下斷流天數(shù)累計897d，有的年份斷流天數(shù)甚至占全年的一半以上，這直接導(dǎo)致了90年代入海水量和沙量只有20世紀(jì)50年代的27.4%和31.9%。2001-2002年黃河入海年徑流量僅維持在42億m3左右，2001年后隨著調(diào)水調(diào)沙工作的開展，下游斷流現(xiàn)象消失，入海徑流量有所回升，2015年恢復(fù)到150億m3，但仍遠遠低于20世紀(jì)70年代的高峰期。

黃河入海水沙的減少除了與上中游植樹造林和沿線引黃灌溉有一定關(guān)系外，還與流域興起的大規(guī)模建壩活動有關(guān)。研究表明，黃河泥沙主要產(chǎn)自中上游（其產(chǎn)沙量占黃河泥沙總量>90%），其流經(jīng)黃土高原后，才真正成為“黃”河。然而，受上中游水庫建設(shè)、水土保持、引水引沙等影響，黃河進入下游的水沙量逐年減少。其中，上游的劉家峽和龍羊峽水庫，平均每年分別截留泥沙0.53億、0.16億t，影響有限，而位于中游下段的三門峽和小浪底水庫平均每年分別截留泥沙1.45億t （1960-2007年）、2.23億t（2000-2009年），這使得進入下游的泥沙量進一步減少。雖然小浪底水庫每年調(diào)水調(diào)沙（蓄清排濁，調(diào)水調(diào)沙期間輸沙量占入海泥沙總量的50%），但是人造洪峰輸沙杯水車薪，下游河道出現(xiàn)輕微沖刷現(xiàn)象，入海泥沙出現(xiàn)粗化趨勢。

1.2 黃河營養(yǎng)鹽輸送與流域建壩

黃河流域營養(yǎng)鹽包括自然來源（流域巖石風(fēng)化與侵蝕、大氣干濕沉降）和人為來源（化肥施用、污水排放、含磷洗滌劑等）兩部分，且后者的貢獻遠大于前者的。黃河流域人口超過1億人，面對糧食壓力，自20世紀(jì)70年代開始化肥施用量大幅增加，導(dǎo)致N、P輸入量猛增，其中中游地區(qū)（如關(guān)中平原等）作為重要的糧食產(chǎn)區(qū)是黃河流域最重要的營養(yǎng)鹽輸入源區(qū)。

1980-2012年，黃河下游水體DIN（溶解無機氮）濃度較高，其中2000年以前呈顯著上升趨勢，其后保持在一個相對較高的水平上，見圖1（a）。黃河水體中DIN以NO3-為主（占95%以上），NO2-和NH4+濃度較低，對DIN的貢獻率不足3%，DIN濃度沿程增加趨勢明顯。研究發(fā)現(xiàn)黃河N通量與流域人口成正比關(guān)系，（見圖1（d）），與氮肥的施用量成較好的線性關(guān)系（見圖1（e）），這也表明，迫于生存壓力，人類活動輸入（農(nóng)業(yè)活動和工業(yè)污水排放等）是黃河水體中N的主要來源。1990-2005年黃河流域污水排放量從32.60億m3/a增至43.53億m3/a，大約增長了33.5%，其中工業(yè)廢水31.99億m3，占73.5%左右。

與N不同，黃河水體DIP（溶解無機磷）濃度在20世紀(jì)80年代較高，隨后開始有所降低，雖然幅度并不大，但下降趨勢明顯，見圖1（b）。按常理，20世紀(jì)70年代黃河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開始施用磷肥，同時入海水量逐漸下降，水體中的DIP濃度升高才符合預(yù)期。這種推理在其他很多世界大河都得到了驗證，例如長江、尼羅河等，但是黃河水體中DIP濃度卻小幅下降，并基本維持在相對較低的水平上。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因與黃河水體P的賦存形態(tài)以及黃河獨特的水文特征有很大關(guān)系。黃河水體中P主要以磷酸鹽形式存在，包括PP（顆粒態(tài)，占總磷比重>85%）、DIP（溶解無機態(tài)）和DOP（溶解有機態(tài)），后兩者所占比例較小。水體中的P主要吸附于泥沙顆粒（見圖1（f）），而黃河含沙量高，吸附能力強，雖然人類活動輸人了一部分P，但其大部分被泥沙吸附并以固態(tài)形式存在，從而水體中的DIP濃度長期保持在較低水平。Fan H.等研究表明，枯水季水體中DIN濃度較高，而洪水季DIP濃度較高，主要原因可能是，枯水季水量少，DIN濃度相對升高，而洪水季流域侵蝕強，磷酸鹽輸入較多。

黃河水體中DSi（溶解硅）濃度在20世紀(jì)80年代較高（約為400μmol/L），進入90年代開始下降，不足歷史同期水平的一半，2000年以后維持在一個相對穩(wěn)定的水平上，見圖1（c）?？傮w上看，近30a來黃河DSi濃度的下降趨勢十分明顯。在世界范圍內(nèi)，近幾十年來大河入海DSi濃度降低的案例并不少見，多數(shù)學(xué)者將其歸因于流域筑壩導(dǎo)致的滯留作用（水體中顆粒物對DSi的吸附作用很小，除生物利用外不易轉(zhuǎn)化，但水庫藻類繁殖與死亡可以對DSi產(chǎn)生吸收和蓄積作用）。例如，多瑙河鐵門大壩建成后，黑海DSi入海通量減少了近80%；1970年埃及阿斯旺大壩建成后，尼羅河下游DSi濃度降低了200μmol/L，入海通量減少了95%。與N、P不同，流域人類活動（農(nóng)業(yè)活動和污水排放等）在很大程度上彌補水庫對N、P營養(yǎng)鹽的滯留，而Si主要來源于土壤及基巖中硅酸鹽和鋁硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化，其在河流系統(tǒng)中的濃度主要由流域風(fēng)化強度控制。另外，黃河泥沙主要產(chǎn)自上中游，近幾十年黃河流域累計庫容逐漸增加，不可否認流域建壩對黃河入海S1的攔截效應(yīng)是存在的，但其效果可能受到一定限制，主要原因是黃河水體混濁，透明度低，在很大程度上限制了藻類生長，水庫對DSi的滯留作用相對有限。筆者認為更重要的原因是，近些年黃河流域降水減少以及水土保持工程減弱了流域侵蝕強度，從而減少了Si的跨區(qū)域輸送。馬永星等研究表明，自1986年后黃河泥沙的減少導(dǎo)致河流DSi濃度降低了34%。

總體上，N、P、Si營養(yǎng)鹽的來源和人類活動（水土保持、流域建壩等）是影響其最終入海通量的兩大因素，而N、P、Si在黃河中的賦存形態(tài)存在很大差異，因此流域建壩對各營養(yǎng)鹽的攔截效應(yīng)表現(xiàn)不同。黃河水體中N主要來自于流域污染物排放，賦存形態(tài)以溶解態(tài)為主，水庫攔截效應(yīng)有限，近30a來DIN濃度逐漸增高；P雖然部分來自污染物排放，但主要吸附于泥沙顆粒上，DIP濃度長期保持在較低水平；Si基本來源于自然源，人類建壩對其有一定影響，但主要受控于流域侵蝕?？傊?，黃河水體中的N主要來源于人類活動排放，而P、Si主要受流域泥沙侵蝕強度控制，這也是近30a來水體中N濃度逐漸升高，而P、Si濃度下降的主要原因。

2 黃河入海營養(yǎng)鹽與河口生態(tài)健康

2.1 黃河營養(yǎng)鹽比值變化

近30a來，黃河N、P和Si輸入差異導(dǎo)致黃河下游水體營養(yǎng)鹽比值出現(xiàn)很大變化，突出表現(xiàn)為逐漸升高的DIN/DIP和DIN/DSi，見圖2。由于黃河下游DIN濃度顯著升高而DIP變化不大，因此黃河下游DIN/DIP比值呈持續(xù)增長趨勢，由20世紀(jì)80年代初的600左右增大至2004年的1417。DIN濃度的升高，也導(dǎo)致了DIN/DSi持續(xù)走高。王婷研究表明，Si/N由1985年的2.45下降至2004年的0.41，僅為原來的1/6。黃河流域20世紀(jì)八九十年代N的增加量高達10.1萬t，氮肥輸入量的大幅增加是下游營養(yǎng)鹽比值變化的主要原因。此外，在季節(jié)變化上，F(xiàn)an H.等研究顯示，枯水季水體中DIN濃度較高，而洪水季水體中DIP濃度較高，這也導(dǎo)致枯水季水體中DIN/DIP比值更高。另外，由于近30a來P、Si均保持下降趨勢，因此DSi/DIP比值變化不明顯，見圖2（c）。

2.2 營養(yǎng)鹽失衡與河口近海生態(tài)健康

河口近海營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的平衡對于浮游植物的生長、物種組成及生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定非常重要。浮游植物生長的最適營養(yǎng)元素摩爾比（Redfield值）N：P：Si為16：1：16，偏離該比值將會限制浮游植物的初級生產(chǎn)力，從而改變浮游植物的組成結(jié)構(gòu)，威脅海洋生態(tài)健康。

黃河是渤海最大的入海河流，每年向渤海輸送大量營養(yǎng)鹽。然而，近30a來黃河入海營養(yǎng)鹽輸入比例發(fā)生了顯著變化，表現(xiàn)為N：P和N：Si逐漸升高，已經(jīng)明顯超過國內(nèi)外營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn)。Zhang Z.F.等研究表明，2004-2009年渤海的N：P超過Red-field值的3～5倍，磷限制十分顯著，這可能對黃河口的生態(tài)環(huán)境和近海藻類生物繁殖產(chǎn)生嚴(yán)重的負面影響。

渤海作為一個半封閉性海區(qū)，水深較淺，光照足，和外海水體交換受到一定限制，黃河水量和沙量分別占入渤海總水量和沙量的60%和90%，因此渤海更容易受到黃河營養(yǎng)鹽比例失衡導(dǎo)致的海洋富營養(yǎng)化等威脅。從1933年渤海第一次有害藻類爆發(fā)至2005年，渤海海區(qū)的赤潮發(fā)生頻率逐漸增大，范圍也在逐漸擴大。Wu Z.X.等對1999-2009年渤海赤潮的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，赤潮主要發(fā)生在黃河入?？诤吞旖蚋酆^(qū)，共鑒別出13種藻類，其中以球形棕囊藻（P.glo-bosa）為主。Wu Z.X.等研究還發(fā)現(xiàn)，有毒藻類在2003-2006年頻繁出現(xiàn)，較幾十年前的藻類毒性更強。Cao C.H.等發(fā)現(xiàn)了一些新的藻類，這些藻類在20世紀(jì)80年代沒有出現(xiàn)過，其中很多是有毒藻類。例如，和大量出現(xiàn)的P.globosa不同，泰晤士旋鞘藻（Eucampia zodiacus）在2007年之前從來沒有在渤海被發(fā)現(xiàn)過，這種藻類第一次在2007年11月被發(fā)現(xiàn)，其細胞較其他藻類（如圓篩藻Coscinodiscus sp.）小，因此可以在早冬時節(jié)受“光限制”的渤海水體中吸收更多陽光和營養(yǎng)物質(zhì)。

渤海赤潮發(fā)生頻率在2005年之后呈下降趨勢，這主要與水體濁度、懸沙中黏土含量、水體中磷含量有關(guān)。水體濁度通過影響光的透射率進而影響藻類繁殖，2000年8月渤海的表層和底層懸沙含量分別為3～9mg/L和10～20mg/L，2006年8月則分別增加到了20～50mg/L和100～200mg/L。懸沙中黏土（含量45%～55%）通過絮凝作用，促使藻類沉降。渤海的磷限制也在一定程度上抑制了藻類爆發(fā)。然而，值得注意的是，雖然赤潮發(fā)生頻率有所下降，但范圍仍然在擴大。據(jù)統(tǒng)計，2006-2009年赤潮范圍從2400km2增加到了4700km2。如此次數(shù)少但規(guī)模大的赤潮事件的爆發(fā)，強烈地消耗了大部分渤海營養(yǎng)鹽，同時也降低了小規(guī)模赤潮發(fā)生的可能性。

2.3 生產(chǎn)力下降與渤海產(chǎn)魚量減少

河流輸入營養(yǎng)鹽變化將直接影響河口和近海的初級生產(chǎn)力。Fan H.等研究顯示，1984年黃河口葉綠素含量和初級生產(chǎn)力分別為3.56mg/m3和358mgC/（m2·d），在南部黃河支流入海處（神仙溝）分別為4.4mg/m，和498mgC/（m2·d），然而1998年葉綠素和初級生產(chǎn)力分別下降到2.8mg/m3和274mgC/（m2·d）。就整個渤海而言，葉綠素含量和初級生產(chǎn)力分別從1982-1983年的1.05mg/m3和312mgC/（m2·d），下降到了1992-1993年的0.61mg/m3和216mgC/（m2·d）。

海洋初級生產(chǎn)力下降直接影響生物種群的數(shù)量與結(jié)構(gòu)。渤海魚類種數(shù)從20世紀(jì)50年代的146種下降到了80年代的119種，進而下降到90年代的73種。此外，20世紀(jì)90年代的魚類種群數(shù)量、密度和生物量分別較80年代下降38.7%、35.5%和46.0%。1998年萊州灣的捕魚量僅為1959年的3.3%、1982年的7.3%和1993年的11.0%。就整個渤?？矗瑔尉W(wǎng)捕魚量從1959年的93kg下降到1982年的85.2kg，雖然在1992年有所恢復(fù)（104.3kg），但是至1998年下降到了3.7kg。此外，渤海也是重要的蝦類繁殖基地。20世紀(jì)60年代至90年代，渤海捕蝦量變化很大。其中，1973-1981年捕蝦量較大，而1991-1998年捕蝦量最小，這主要與70年代的過度捕撈、黃河營養(yǎng)鹽輸入比例失衡以及90年代黃河斷流密切相關(guān)門

3 黃河營養(yǎng)鹽研究展望

黃河流域人類活動日益加?。〝r河建壩、污水排放等），對流域水環(huán)境以及河口近海生態(tài)系統(tǒng)的平衡有著復(fù)雜而深遠的影響。如何合理開發(fā)河流資源，更好地為流域經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供智力支撐，是環(huán)境工作者的責(zé)任。誠然，前人已經(jīng)做了大量的研究工作，取得了很多成果，但是，為進一步深化對黃河流域人類活動以及河口環(huán)境響應(yīng)機制的認識，筆者認為今后黃河營養(yǎng)鹽研究可以重點關(guān)注以下幾個方面。

（1）小浪底水庫營養(yǎng)鹽蓄積與輸送研究。大壩攔截形成了阻斷河流連續(xù)性的物理障礙，水庫在水深、水動力條件、水體滯留時間、水團混合方式等方面，與自然河流狀態(tài)相比發(fā)生了根本變化，而人為的調(diào)蓄則使水庫的水量、泥沙、物質(zhì)輸送方式更加復(fù)雜化。因此，一定要弄清小浪底水庫的蓄積效應(yīng)，特別是N、P和Si在水庫中沉積與轉(zhuǎn)化以及與水沙的吸附和解吸關(guān)系。另外，水庫實際上是一個類似人工湖泊的生態(tài)環(huán)境，這些營養(yǎng)鹽會被水庫藻類吸收與固化，而水體的滯留時間與水庫運行模式又會影響藻類對營養(yǎng)鹽的吸收效率，因此弄清這其中的生物地球化學(xué)機制尤為重要。

2002年至今已連續(xù)實施逾10a的黃河調(diào)水調(diào)沙對營養(yǎng)鹽物質(zhì)輸送影響如何？已有研究表明，調(diào)水調(diào)沙已經(jīng)改變了黃河營養(yǎng)鹽輸送的原有季節(jié)性規(guī)律（7-9月洪水季輸送），變?yōu)楦鼮槠骄摹霸隆陛斔停⑶逸斔透叻遢^以前提早了2個月，輸送量增加8～30倍。調(diào)水調(diào)沙不僅增加了營養(yǎng)鹽輸送量，而且可能會進一步加大渤海的營養(yǎng)鹽不平衡態(tài)勢。今后應(yīng)加強這方面的研究，特別是監(jiān)測調(diào)水調(diào)沙后渤海海域浮游生物生產(chǎn)力和組成結(jié)構(gòu)的變化。

（2）新背景下河口近海營養(yǎng)鹽擴散規(guī)律研究。人類活動與流域建壩改變了入海物質(zhì)通量，河口近海的水體性質(zhì)（溫度、濁度、鹽度、pH值等）可能隨之發(fā)生變化。野外觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，渤海表層水溫每年升高0.011～0.015℃，河口區(qū)舌狀低鹽區(qū)范圍（鹽度<2.20%）明顯萎縮。渤海水體性質(zhì)改變背景下，入海營養(yǎng)鹽分布以及向鄰近海域擴散方式會怎樣變化？特別是通過渤海灣向黃海沿岸擴散如何響應(yīng)？這些問題亟待解答。另外，營養(yǎng)鹽賦存形式多樣，并不是都能被藻類生物直接吸收，今后應(yīng)重點監(jiān)測與初級生產(chǎn)力密切相關(guān)的溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽（即DIN、DIP、DSi）的分布與輸送的變化規(guī)律。

（3）河口近海生態(tài)響應(yīng)研究。黃河入海營養(yǎng)鹽比例失衡，河口近海出現(xiàn)營養(yǎng)鹽限制進而誘發(fā)赤潮等生態(tài)危機。赤潮爆發(fā)影響深遠，有毒藻類中的毒素會在魚類和貝類中蓄積，進而通過食物鏈傳遞到人體中，嚴(yán)重威脅近海魚類和人體健康。因此加強近海藻類種群、數(shù)量和結(jié)構(gòu)的變化監(jiān)測，對維持河口一海洋生態(tài)系統(tǒng)健康和保障近海魚類生產(chǎn)安全更具有現(xiàn)實意義。另外，在水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)布局時，也應(yīng)盡量遠離有毒藻類爆發(fā)區(qū)。