連云港近岸海域2011~2016年環(huán)境變化研究

王以斌,劉 軍,邵 帥,張愛軍,陳金鳳,周德山,臧家業(yè)*,郭佩芳

連云港近岸海域2011~2016年環(huán)境變化研究

王以斌1,2,劉 軍2,邵 帥3,張愛軍2,陳金鳳4,周德山3,臧家業(yè)2*,郭佩芳1*

(1.中國海洋大學(xué),海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100；2.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061；3.連云港市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,江蘇 連云港 222000；4.青島海華生物醫(yī)藥技術(shù)有限公司,山東 青島 266555)

依據(jù)2011年2月~2016年1月在連云港近岸海域進(jìn)行的19個季節(jié)航次海洋環(huán)境綜合調(diào)查結(jié)果,分析探討了該海域主要海水要素的季節(jié)變化趨勢和相關(guān)性,結(jié)合歷史資料闡述和評價了海域的營養(yǎng)狀態(tài)水平、環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢,對存在的環(huán)境問題進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:研究海域水質(zhì)狀況總體良好;水質(zhì)評價結(jié)果顯示無機(jī)氮(DIN)是海域內(nèi)最主要的環(huán)境污染因子,且DIN含量近年來有逐漸增加的趨勢,年均值已經(jīng)超過二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);此外其他環(huán)境污染因子是活性磷酸鹽(DIP)、化學(xué)需氧量(COD)和油類.調(diào)查期間研究海域處于富營養(yǎng)化狀態(tài),潛在富營養(yǎng)化分析顯示氮磷比值(N/P)有逐漸增加的趨勢;絕大多數(shù)季節(jié)的有機(jī)污染狀況為輕度污染狀態(tài).研究結(jié)論對科學(xué)、系統(tǒng)的認(rèn)識和評估連云港近海生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及預(yù)測未來生態(tài)環(huán)境變化趨勢具有重要的參考價值,對連云港近海海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值.

連云港海域；海洋環(huán)境長期變化；水質(zhì)現(xiàn)狀評價；富營養(yǎng)化；陸海統(tǒng)籌

近年來,我國近海的海洋生態(tài)環(huán)境已遭到嚴(yán)重威脅和破壞,近岸海域生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)脆弱不堪,海洋污染、海水酸化、富營養(yǎng)化等問題突出[1-4].為了保護(hù)海洋健康和維持其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,需構(gòu)建基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋管理機(jī)制[5-7].“陸海統(tǒng)籌”的國家重大戰(zhàn)略對海洋資源和生態(tài)環(huán)境的管理、利用、保護(hù)與修復(fù)等也提出了更高的要求[8].

通過長期、連續(xù)的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)研究海洋生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,客觀評價和分析海洋工程對生態(tài)環(huán)境的影響,并以此為基礎(chǔ)提出生態(tài)修復(fù)和管理的建議措施,是海洋生態(tài)管理和海洋環(huán)境保護(hù)的重要方式和行之有效的方法,也是科學(xué)決策和有效解決海洋生態(tài)環(huán)境問題的基礎(chǔ)[3].然而多年來,國內(nèi)對于海洋工程生態(tài)環(huán)境影響的研究大多采用短期監(jiān)測和工程前分析預(yù)測的方式進(jìn)行.這種只針對單個項目某一年度內(nèi)幾個季節(jié)數(shù)據(jù)的分析難免存在一定的局限性和偶然性,不能完整和全面的反映區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境特征及變化趨勢,以及解釋這些變化的因果關(guān)系[9];且由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和海洋工程對海洋環(huán)境影響的滯后性,以及多個海洋工程的累積疊加效應(yīng)等,如何全面客觀地研究海洋工程對海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響已成為一個重要課題.從對海洋生態(tài)環(huán)境某時段的研究轉(zhuǎn)向生態(tài)系統(tǒng)長期連續(xù)變化規(guī)律的研究,從單純海洋水體的研究轉(zhuǎn)向陸海相互作用的完整性研究,并提出陸海統(tǒng)籌管理的措施是當(dāng)前新形勢下海洋管理的迫切需求.

連云港近岸海域既有濱海核電廠,又有港口航運和大規(guī)模海水養(yǎng)殖活動,并且均持續(xù)了較長一段時間,是研究多種海洋開發(fā)利用活動對海洋生態(tài)環(huán)境長期影響的良好研究海域.近年來連云港眾多海洋工程已從多方面影響和改變了周邊的海洋生態(tài)環(huán)境[10-11],近海的生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀[12-13].因此,有必要對連云港近岸海域的海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和長期以來的變化進(jìn)行科學(xué)和系統(tǒng)的研究,為預(yù)測海洋生態(tài)環(huán)境的發(fā)展趨勢和深入分析海洋開發(fā)利用活動對海洋生態(tài)環(huán)境的影響提供最全面的海洋環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

本文基于2011年2月~2016年1月在連云港近岸海域進(jìn)行的19個季節(jié)航次綜合性海洋調(diào)查數(shù)據(jù),分析了主要海洋水質(zhì)要素的季節(jié)變化特征,探討了水質(zhì)要素之間的相關(guān)性,結(jié)合歷史資料闡明了研究海域的海洋環(huán)境現(xiàn)狀和變化趨勢,揭示了海洋環(huán)境變化的主要控制要素及過程.評價了海域的營養(yǎng)狀態(tài)水平和有機(jī)污染狀況,對存在的環(huán)境問題進(jìn)行了分析.研究結(jié)論對科學(xué)、系統(tǒng)的認(rèn)識和評估連云港近海生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及預(yù)測未來的變化趨勢具有重要的意義,對連云港近海海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值.

1 材料和方法

1.1 研究海域

1本文研究范圍位于海州灣南側(cè)的連云港中部海域,為連云港港區(qū)、田灣核電站和徐圩港區(qū)之間約100km2的近岸海域(東經(jīng)119°27.8′~119°34.2′,北緯34°40.5′~34°45.1′),共布設(shè)15個調(diào)查站位,見圖1(a),在2011年2月~2016年1月間進(jìn)行了19個季節(jié)航次的海洋環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查.調(diào)查期間研究海域內(nèi)主要建設(shè)的海洋工程為田灣核電站、連云港港區(qū)、連云港跨海大橋、連云港徐圩港區(qū),此外有大規(guī)模的、幾乎遍布研究海域的紫菜養(yǎng)殖區(qū).2009年12月和2016年12月的研究海域開發(fā)利用現(xiàn)狀見圖1(b)和圖1 (c).

1.2 環(huán)境調(diào)查要素及研究方法

1.2.1 海水水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查 調(diào)查研究要素包括水溫(T)、鹽度、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、無機(jī)氮(DIN,硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽)、活性磷酸鹽(DIP)、葉綠素(Chl-)、懸浮物(SS)和油類(Oil)等.樣品的采集、處理及分析方法均參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T12763.4-2007)[14]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378.4-2007)[15]進(jìn)行.對主要水質(zhì)要素進(jìn)行時空變化趨勢研究.

圖1 調(diào)查研究海域范圍及海域開發(fā)利用現(xiàn)狀變化示意圖

1.2.2 海水水質(zhì)質(zhì)量評價 (一)水質(zhì)評價:以《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)中的二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對海水的COD、BOD、DO、DIN、DIP、Oil等要素進(jìn)行評價,分析該海域的主要污染因子,評價方法采用目前通用的單因子污染指數(shù)評價法[16].

標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計算公式:

P=C/S(1)

式中:P為污染物點的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);C為污染物點的實測濃度,mg/L;S為污染物點的標(biāo)準(zhǔn)濃度,mg/L.

DO的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)為:

DOi,j=|DO-DO|/ (DO– DO) DO3DO(2)

DOi,j=10-9DO/ DODO(3)

其中:

DO=468/ (31.6+) (4)

式中:DOi,j為DO的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);DO為點DO值, mg/L;DO為飽和DO濃度,mg/L;為水溫,℃;DO為DO水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),mg/L.

(二)富營養(yǎng)化評價:使用富營養(yǎng)化指數(shù)法()[17]和營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法(NQI)[18]評價海域的富營養(yǎng)化程度和營養(yǎng)狀態(tài)水平.

=COD×DIP×DIN×106/4500 (5)

式中:為富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù);COD為化學(xué)需氧量,mg/L;DIN為無機(jī)氮質(zhì)量濃度,mg/L;DIP為活性磷酸鹽質(zhì)量濃度,mg/L.當(dāng)31時即為富營養(yǎng)化.其中1￡￡3為輕度富營養(yǎng)化,3<￡9為中度富營養(yǎng)化,>9為重度富營養(yǎng)化.

NQI=COD/′COD+DIN/′DIN+DIP/′DIP+Chl-/Chl-′ (6)

式中:COD、DIN、DIP和Chl-分別為海水CODMn、DIN、DIP和Chl-的實測濃度;′COD、′DIN、′DIP、Chl-′分別為3.0,0.3,0.03mg/L和5mg/m3.當(dāng)NQI￡2時,營養(yǎng)等級為Ⅰ級,為貧營養(yǎng)化狀態(tài); 23時,營養(yǎng)等級為Ⅲ級,為富營養(yǎng)化狀態(tài).

(三)有機(jī)污染評價:采用有機(jī)污染綜合指數(shù)法()[19]評價該海域的有機(jī)污染狀況.

=COD/CODs+N/Ns+P/Ps-DO/DOs(7)

式中:為有機(jī)污染指數(shù);COD、N、P、DO分別為COD、DIN、DIP和DO的實測值;CODs、Ns、Ps、DOs為相應(yīng)的一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值,分別為2.0,0.2, 0.015和6.0mg/L.當(dāng)<0,良好;0<<1,較好;1<<2,開始受污染;2<<3,輕度污染;3<<4,中度污染;4<<5,嚴(yán)重污染.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 水質(zhì)要素數(shù)據(jù)處理使用Excel軟件,季節(jié)均值數(shù)據(jù)均以算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(Mean±SD)表示,采用Origin2017軟件繪制水質(zhì)要素季節(jié)變化圖,采用surfer11軟件繪制現(xiàn)狀變化示意圖;通過SPSS18.0軟件進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果

2011年2月~2016年1月,研究海域海水的主要水質(zhì)要素含量季節(jié)均值變化趨勢見圖2(a)~(d).

2.1.1 鹽度 如圖2(a)所示,研究海域鹽度季節(jié)均值的范圍為(26.93±0.99)‰~(32.25±0.17)‰,季節(jié)性差異變化明顯.調(diào)查期間夏季表層海水中鹽度值較低,除2011年夏季的鹽度均值為(30.28±0.60)‰,超過30‰外,其他4個年份夏季的鹽度均在28.50‰以下,最低值為(26.93±0.99)‰.而冬、春季節(jié)海水的鹽度相對較高,基本都在29.00‰以上,最高達(dá)到(32.25± 0.17)‰.秋季的海水鹽度處于一個相對中間的水平,略高于夏季,而低于冬春季.研究海域位于黃海的中部海州灣南側(cè),入海的河流少,僅有2條徑流量并不大的燒香河和排淡河,且二者的入海流量受河口處閘口的人為控制,因此鹽度的分布與變化主要取決于降水和黃海暖流高鹽水的消長情況.夏季時降水豐富,陸域淡水的輸入較多,因此鹽度為全年最低.2014年8~9月該區(qū)域持續(xù)降水,遠(yuǎn)超過其他年份的同期平均降水量[20],因此海水鹽度出現(xiàn)整個調(diào)查期間的最低值;冬春季由于降水較少,天氣寒冷干燥,加之黃海暖流的高鹽水體北上增強效應(yīng),使得海水表層的鹽度達(dá)到較高水平.

2.1.2 DO 由圖2(a)可知,研究海域的DO具有明顯的季節(jié)性規(guī)律,呈現(xiàn)冬季高夏季低的規(guī)律.冬季海水中DO含量較高,處于富氧的狀態(tài),其中在2011年2月達(dá)到(12.07±0.37)mg/L,為整個研究時段內(nèi)的最高值;冬季DO含量最低為2016年1月(10.35±0.32) mg/L,且與2014和2015年冬季的平均含量非常接近.研究海域夏季的DO含量較低,處于相對低氧的狀態(tài),最低為2013年的(5.69±0.35)mg/L,最高為2012年的(6.60±0.60)mg/L,夏季的DO最高值約為冬季最高值的一半.春季和秋季DO含量基本在8.00mg/L上下浮動.本海域DO的調(diào)查結(jié)果和變化規(guī)律與北溫帶海水中DO含量受溫度控制,冬季高夏季低的變化特征是一致的,也與其他學(xué)者對研究海域DO的研究結(jié)論是一致的[21].此外,海水低氧的最關(guān)鍵的原因是水體富營養(yǎng)化[22].

2.1.3 COD和BOD5由圖2(b)可知,COD和BOD5的變化趨勢存在較明顯的協(xié)同性,季節(jié)性變化規(guī)律不明顯.2013年之前,COD和BOD5含量的季節(jié)間變化幅度較大,并且2012年11月之前COD含量季節(jié)均值較之后的季節(jié)均值高的多.從變化趨勢看,2011年11月之后研究海域內(nèi)COD和BOD5含量無增加的趨勢,相對穩(wěn)定.COD均值的最高出現(xiàn)在2012年8月,達(dá)到(3.78±1.24)mg/L;最低值為(1.18±0.40)mg/L,出現(xiàn)在2011年5月. BOD5同樣在2012年8月達(dá)到最高值(2.51±0.97)mg/L;最低值出現(xiàn)在2011年11月,為(0.55±0.26)mg/L.而在2013年之后,二者含量季節(jié)均值的變化幅度較小,COD季節(jié)均值最高為(2.02± 0.84)mg/L,最低為(1.08±0.10)mg/L;BOD5季節(jié)均值最高為(1.63±0.95)mg/L,最低為(0.54±0.42)mg/L.

圖2 連云港近岸海域2011~2016年各水質(zhì)要素的季節(jié)變化

2.1.4 DIN和DIP 如圖2(c)所示,DIN季節(jié)均值最高為(0.49±0.11)mg/L,最低為(0.12±0.04)mg/L.從變化趨勢看,春季的含量相對較低,總體上有逐漸增加的趨勢,但并不明顯.2012年11月~2015年2月期間DIN的含量相對穩(wěn)定,而2011年2月~2012年8月和2015年5月~2016年1月這2個時間區(qū)間內(nèi)DIN的含量變化波動非常劇烈.DIP的季節(jié)平均含量的最高值為(0.045±0.009)mg/L,出現(xiàn)在2011年11月;最低值為(0.008±0.003)mg/L,出現(xiàn)在2011年5月.總體看DIP季節(jié)變化的趨勢不明顯,除2011年11月和2014年2月這2個季節(jié)含量較高外,其余季節(jié)基本維持在0.02mg/L上下波動.分季節(jié)時間段的趨勢分析顯示,2014年5月之前,DIP的含量波動范圍大,之后則趨于平緩.

2.1.5 Chl-海水中Chl-的含量受到光照、水溫和營養(yǎng)鹽含量等諸多因素的影響,當(dāng)溫度和營養(yǎng)鹽含量升高時,浮游植物生長旺盛,Chl-含量也隨之升高,反之則含量較低.由圖2(d)可知,研究海域Chl-的含量季節(jié)變化明顯,波動較大,含量均值范圍在(0.06±0.07)μg/L~(4.35±2.07)μg/L之間;其中夏季和春季的Chl-含量較高,明顯高于秋冬季節(jié);秋冬季節(jié)的Chl-含量偏低.春夏季節(jié)Chl-含量較高是由于溫度升高后浮游植物大量增殖所致.

2.1.6 油類 如圖2(d)所示,油類含量在2011年8月最高,為(0.045±0.026)mg/L,在2012年2月、2015年8月和2015年11月油類的含量相對較高,其他季節(jié)相差不大,油類季節(jié)均值的最低值為(0.007±0.002) mg/L,總體看油類含量處于略有增加的趨勢.研究海域內(nèi)由于有港口航道,船舶運輸頻繁,調(diào)查期間田灣核電的取水口工程、連云港港口防波堤建設(shè)、徐圩港區(qū)的吹填作業(yè)和連云港跨海大橋的建設(shè)等海洋工程的海上施工活動非常頻繁;同時海域內(nèi)的漁船及養(yǎng)殖船舶密集船舶油污廢水排放時有發(fā)生,以上因素造成海域內(nèi)油類的分布不均勻,因此海水中油類的含量存在較大的區(qū)域和季節(jié)性差異,并且分布規(guī)律不均勻.

2.2 海水水質(zhì)評價

進(jìn)入21世紀(jì)以來,研究海域所在的連云港近岸海域海洋開發(fā)利用活動日益頻繁.2009年12月之前,該海域主要的海洋工程為連云港港區(qū)和田灣核電,另外海域內(nèi)分布有大量紫菜養(yǎng)殖區(qū)(圖1);至2016年12月,該海域的海洋工程建成有連云港港區(qū)的新建和擴(kuò)建工程、田灣核電的取排水口擴(kuò)建工程、徐圩港區(qū)的新建工程、連云港跨海大橋的新建工程,此外,依然有大量的紫菜養(yǎng)殖區(qū).綜合看,該海域海洋開發(fā)利用活動有3大類,一類是圍填海和港口運輸,其影響在于海洋工程建設(shè)的圍填海施工和港口船舶航運,港口的圍填海已經(jīng)明顯改變了海域的水動力環(huán)境;二類是核電廠的溫排水,主要涉及到溫升對生物的影響;三類就是海水養(yǎng)殖活動,既能夠?qū)Ｓ虻臓I養(yǎng)鹽等進(jìn)行吸收以凈化水質(zhì),同時大量的紫菜養(yǎng)殖對于水動力條件是一種阻礙,進(jìn)一步阻礙了該區(qū)域海水與外界的交換作用.

2.2.1 海水水質(zhì)質(zhì)量評價 本海域的海洋開發(fā)利用活動已經(jīng)明顯的改變了海域環(huán)境現(xiàn)狀.本文統(tǒng)一根據(jù)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的二類標(biāo)準(zhǔn)對整個研究海域內(nèi)的主要海水水質(zhì)因子進(jìn)行總體評價,對各個季節(jié)的主要污染因子進(jìn)行分析.從各個水質(zhì)要素季節(jié)均值的評價結(jié)果看,DIN是本海域最主要的環(huán)境污染因子,19個季節(jié)的均值結(jié)果中有13個季節(jié)的DIN均值超過二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),占68.4%;其次是DIP,有2個季節(jié)的均值超標(biāo); COD有1個季節(jié)的均值超標(biāo),其他要素的季節(jié)均值未超過二類標(biāo)準(zhǔn).

為了更準(zhǔn)確的分析每個季節(jié)污染因子的超標(biāo)情況,對各季節(jié)的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了單獨評價,結(jié)果顯示:COD、BOD5、DIP、DIN和油類均有不同程度的超標(biāo),其中DIP和DIN是最主要的超標(biāo)因子.DIN在19個季節(jié)中有16個季節(jié)存在超標(biāo)情況,其中站位超標(biāo)率最高為100%,2016年1月15個站位的結(jié)果全部超過二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);此外有10個季節(jié)的超標(biāo)站位超過10個,即站位超標(biāo)率在66.7%以上.同樣,DIP在19個季節(jié)中有15個季節(jié)存在超標(biāo),最嚴(yán)重的為15個站位全部超標(biāo),但DIP僅有一季(2011年11月)超標(biāo)站位數(shù)量超過10個站(超標(biāo)率66.7%),另有一季為8個站超標(biāo),其余季節(jié)的超標(biāo)站位數(shù)均在5個站及以下.COD有7個季節(jié)存在超標(biāo)現(xiàn)象,超標(biāo)率最高的為80.0%(2012年8月).BOD5有4個季節(jié)存在超標(biāo)情況,站位超標(biāo)率最高為26.7%.油類同樣有4個季節(jié)存在超標(biāo)情況,站位超標(biāo)率最高為26.7%.

通過對上述數(shù)據(jù)季節(jié)均值和單個季節(jié)結(jié)果的評價顯示:該海域最主要的污染因子是DIN,此外是DIP和COD等,這一結(jié)果與該海域其他類似研究的結(jié)論[12-13,21-25]是一致的.

2.2.2 海水營養(yǎng)狀況評價 當(dāng)前,世界各國近岸海域最突出的環(huán)境問題就是水體的富營養(yǎng)化[6,26],氮、磷等營養(yǎng)鹽的輸入對于近岸海域的富營養(yǎng)化產(chǎn)生了極大的推動[2],我國近20年來營養(yǎng)鹽入海通量的持續(xù)升高已經(jīng)造成近岸海域的嚴(yán)重富營養(yǎng)化以及赤潮、低氧等一系列的生態(tài)問題[27].姜晟等[28]研究顯示江蘇沿海富營養(yǎng)化的主要來源于入海河流和排海污染源的輸入,趙建華等[29]的研究也顯示海州灣的營養(yǎng)鹽主要來自于陸域河流和污水處理廠排污等污染源.富營養(yǎng)化指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)這2個評價方法反映了海域內(nèi)COD、DIN、DIP和Chl-相互之間的關(guān)聯(lián),利用其對該海域海水的富營養(yǎng)化狀況評價的結(jié)果如圖3(a)所示.

富營養(yǎng)化指數(shù)()顯示:研究海域在2011~2016年間,除2011年和2014年春季外,其他季節(jié)海水均已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)(31),并且2011年8月~2012年2月間、2014年2月、2015年8月和2016年1月均達(dá)到了中度富營養(yǎng)化水平(>3).從富營養(yǎng)化的季節(jié)規(guī)律看,調(diào)查期間研究海域在夏季和冬季的富營養(yǎng)化程度相對較高,春季的富營養(yǎng)化程度較低.

營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)顯示:除2011年5月(春季)的NQI<2外,其他季節(jié)的NQI均大于2,即達(dá)到了中等營養(yǎng)化狀態(tài),并且在19個季節(jié)中有10個季節(jié)的NQI接近或大于3,說明該海域目前已經(jīng)處于富營養(yǎng)化狀態(tài).綜合和NQI的分析, 2011~2016年間研究海域處于富營養(yǎng)化狀態(tài),且夏季的富營養(yǎng)化水平相對較高.李亞麗等[29]研究顯示,研究海域所在的連云港近海2012年5月~2013年2月間已處于富營養(yǎng)化狀態(tài),且屬于富營養(yǎng)化程度較嚴(yán)重的區(qū)域.前期對連云港海域2009~2010年的研究[23]顯示:該海域的季節(jié)性富營養(yǎng)化明顯,近海海域內(nèi)春、夏季均為富營養(yǎng)化狀態(tài).姜晟等[28]研究顯示2010年連云港近海已有43%的海水監(jiān)測點位為富營養(yǎng)化狀態(tài).同時研究海域是赤潮和滸苔綠潮高發(fā)的海域[31-32],應(yīng)加強日常的監(jiān)測,警惕海水富營養(yǎng)化所引起的潛在生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生.

有機(jī)污染指數(shù)()的評價結(jié)果顯示研究海域已經(jīng)處于有機(jī)污染狀態(tài)(1<<2),僅有一個季節(jié)處于良好的狀態(tài)(2011年5月);絕大多數(shù)季節(jié)處于輕度污染狀態(tài)(>2),并且有2個季節(jié)(2011年8月和2011年11月)達(dá)到了嚴(yán)重污染的狀態(tài),另外有3個季節(jié)為中度污染.從季節(jié)的變化趨勢看,2011年8月~2012年2月期間,污染較為嚴(yán)重,三個季節(jié)都在中度污染水平以上,其后至2015年5月基本處于輕度污染的水平,并且在2015年2月和5月有機(jī)污染程度有所緩解,但在2015年8月后,有機(jī)污染程度又有所加重.有機(jī)污染指數(shù)在整個調(diào)查期間的季節(jié)變化趨勢與富營養(yǎng)化指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相似,均是在2011年8月~2012年2月期間較為嚴(yán)重,說明有機(jī)污染與富營養(yǎng)化之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,相關(guān)性的分析顯示富營養(yǎng)化指數(shù)與有機(jī)污染指數(shù)之間存在顯著的正相關(guān).

N/P:氮磷比值法主要用于計算潛在富營養(yǎng)化,揭示營養(yǎng)鹽對富營養(yǎng)化的限制[33-34].水體中的N/P比反映了水體的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu),大洋中N/P比一般接近16:1,即Redfield比值[35-36].當(dāng)陸域營養(yǎng)鹽輸入、海水富營養(yǎng)化等使得海洋中的N/P比值失衡時,便會導(dǎo)致浮游生物群落的演替,進(jìn)而可能會引發(fā)赤潮等生物災(zāi)害.本研究海域調(diào)查期間的N/P值在5.1~ 22.9之間,從圖3(b)中的變化趨勢看, 2011年11月(秋季)之前,N/P值在16以下,海域內(nèi)的營養(yǎng)狀況為P營養(yǎng)鹽比例較高,之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹營養(yǎng)鹽相對比例較高,N/P值有逐漸增加的趨勢.張艾芹等[37]研究顯示本海域所在的海州灣和連云港近海營養(yǎng)等級基本為磷中等限制潛在性富營養(yǎng).

綜合各參數(shù)的季節(jié)變化趨勢顯示2011年8月~2012年2月期間,為本海域水質(zhì)相對惡劣的時段,各水質(zhì)參數(shù)異常高,包括了COD、DIN、DIP和油類,DIN甚至超過了四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).富營養(yǎng)化評價指數(shù)和均顯示處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài),同時有機(jī)污染為中度污染到嚴(yán)重污染程度.分析其原因可能是期間連云港港口旗臺作業(yè)區(qū)進(jìn)行吹填作業(yè),田灣核電的取水明渠工程也在施工,徐圩港區(qū)也開始圍填海工程,大量的泥沙入海,使得各項水質(zhì)參數(shù)產(chǎn)生了明顯的變化.

2.3 研究海域海洋水環(huán)境現(xiàn)狀的變化

連云港海域是研究海洋工程等開發(fā)利用活動對海洋生態(tài)環(huán)境長期影響的良好研究對象.近年來,海洋學(xué)者不斷對連云港的近海海洋環(huán)境進(jìn)行研究,本文對比了其他學(xué)者對研究海域的相關(guān)研究結(jié)果(表1).田慧娟等[21]對連云港連島附近海域海水水質(zhì)的研究顯示:氮、磷污染物是近岸海域的主要污染物.1996~2000年連島附近海域DIN的含量均值為0.19mg/L,2001~2005年均值上升到0.24mg/L,達(dá)到二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),在2003和2005年的峰值更是超過了0.40mg/L,超過了三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).李貴林等[25]研究表明2006~2010年連云港近海的DIN年均值在0.17~0.20mg/L之間,2008年最高達(dá)到0.20mg/L.王敏等[24]對連島東側(cè)海域2008年和2009年的研究顯示水質(zhì)主要污染物是COD和DIN,2008年DIN含量均值為0.35mg/L,已經(jīng)超過了二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).本文前期對連云港近海2009~2010年的研究[23]顯示:該海域水質(zhì)質(zhì)量評價總體較好,DIN和DIP是主要的環(huán)境污染因子,本文研究海域內(nèi)DIN年平均值為0.19mg/L,DIP為0.020mg/L,含量較高區(qū)域主要分布于近岸海域;相關(guān)性分析顯示Chl-與營養(yǎng)鹽和COD呈現(xiàn)顯著正相關(guān);港口、核電工程等人類活動對近海水體的影響主要體現(xiàn)在泥沙的輸送方面.

表1 連云港近岸海域近年來主要海水水質(zhì)要素含量對比(mg/L)

注: 以上數(shù)據(jù)為各水質(zhì)要素的含量平均值.“NA”為文獻(xiàn)中無相應(yīng)數(shù)據(jù)或無法根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計算.2009-5~2010-1結(jié)果為與本研究相同海域內(nèi)站位調(diào)查結(jié)果的年平均值; 2011~2015年結(jié)果為本文中調(diào)查數(shù)據(jù)的年平均值.

綜合表1結(jié)果,連云港近岸海域主要的水質(zhì)污染因子是DIN,并且其含量近年來有逐步增加的趨勢,其原因與陸域氮磷營養(yǎng)鹽的持續(xù)輸入有關(guān),當(dāng)?shù)睾Ｑ笾鞴懿块T對入海河流和排污口的監(jiān)測顯示陸域污染源中氮磷等的輸入對海洋環(huán)境的影響是非常明顯的.從整個海洋大環(huán)境中DIN的含量變化趨勢看,整個中國近海的DIN都在不斷增加,該海域也不可避免.其他兩個污染因子COD和DIP的含量相對維持穩(wěn)定,增加趨勢不明顯;油類由于受到海域內(nèi)港口船舶航運、漁業(yè)捕撈和海水養(yǎng)殖活動等的影響,含量出現(xiàn)波動劇烈的情況,也是合理的.

本研究海域位于連云港海域的中部,以東西連島為界與海州灣相鄰,連云港近海的主要污染物來源于入海河流和排海污染源的輸入[28],《連云港市海洋環(huán)境質(zhì)量公告》的監(jiān)測結(jié)果顯示:2011~2016年各監(jiān)控河流及排污口污染物超標(biāo)率在90%~100%之間,主要污染物為COD、氨氮和磷[39].本研究海域所在的連云港中部海域陸源排污口和入海河流相對較少,僅有2條徑流量較小,并且受閘口控制排海時間和流量的河流(燒香河與排淡河,見圖1),因此,在受陸域污染源干擾方面相對少于北側(cè)的海州灣海域.研究區(qū)域北側(cè)的海州灣海域內(nèi)陸域河流及排污口污染源的輸入使得海洋環(huán)境中的DIN含量增加明顯,李飛等[40]研究顯示:海州灣保護(hù)區(qū)海域2006年8月、2009年12月和2011年3月的COD含量分別為2.24,2.49和1.29mg/L;DIN含量分別為0.90,0.63和0.58mg/L; DIP分別為0.080,0.025和0.054mg/L.趙建華等[29]研究顯示海州灣海域2009年冬季的DIN含量為0.54mg/L,DIP為0.020mg/L.以上研究顯示海州灣內(nèi)DIN的含量已經(jīng)超過四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),而相鄰的本研究區(qū)域DIN的含量僅有灣內(nèi)海域的50%左右.相對于受陸域污染源干擾嚴(yán)重的海州灣海域,本海域的水質(zhì)質(zhì)量明顯較好.

綜上所述,連云港近岸海域的海洋水環(huán)境現(xiàn)狀仍處于良好的狀態(tài),然而幾種主要的污染物水平仍在不斷增加,富營養(yǎng)化程度也在不斷提高,應(yīng)警惕海水富營養(yǎng)化所引起的潛在生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生.這也表明必須進(jìn)行持續(xù)的海洋環(huán)境監(jiān)測以監(jiān)控海洋環(huán)境的變化,同時加強陸源污染物排海管控工作以維持、保護(hù)和改善海洋生態(tài)環(huán)境.

2.4 環(huán)境要素之間的關(guān)系

采用SPSS 18.0對各個航次的環(huán)境要素做相關(guān)性分析.如表2中所示,T在控制海水各環(huán)境要素的變化中具有重要的作用.海水中DO受T的調(diào)控最明顯,一般近海水體DO主要來源于海-氣交換[41],冬季低DO含量高,夏季的升高降低了DO的飽和度,使得夏季DO的含量普遍較低.由本文的數(shù)據(jù)也可以看出夏季的DO均值約為冬季均值的一半.鹽度和呈顯著負(fù)相關(guān),也符合調(diào)查結(jié)果中夏季海水鹽度較低,冬春季節(jié)鹽度高的特征;鹽度和DO的正相關(guān)性關(guān)系也從側(cè)面顯示了隨著季節(jié)變化,的變化對于DO的影響,夏季的鹽度一般較低,此時的DO同樣會出現(xiàn)低氧.Chl-含量與的顯著正相關(guān)表明水溫的升高能夠促進(jìn)水體中浮游植物的生長,同時與DO負(fù)相關(guān)顯示DO還受浮游植物生長的影響,進(jìn)一步證實了海-氣交換是影響水體DO的主要因素[41],浮游植物光合作用的產(chǎn)氧量對水體DO的補充貢獻(xiàn)相對有限.COD與Chl-的顯著正相關(guān)主要反映了水體有機(jī)質(zhì)的氧消耗.鹽度與營養(yǎng)鹽和富營養(yǎng)化的結(jié)果呈負(fù)相關(guān),反映了陸源的輸入對海水營養(yǎng)鹽的影響,這也是營養(yǎng)鹽呈近岸高離岸低分布的主要原因.氮磷營養(yǎng)鹽之間的顯著正相關(guān)反映了其分布和來源的一致性.懸浮物主要與海域內(nèi)的氮磷營養(yǎng)鹽存在正相關(guān)性,表明海洋工程建設(shè)等海洋開發(fā)利用活動對海域水體的影響主要存在于泥沙的輸送,使得懸浮物增加導(dǎo)致所吸附的DIN釋放,進(jìn)一步增加了海域內(nèi)的DIN含量,這一結(jié)果與前期對本海域2009~2010年調(diào)查研究的結(jié)論是一致的[23].研究結(jié)果顯示陸域輸入對海洋環(huán)境具有明顯的影響,這也是采用陸海統(tǒng)籌的方式來通過陸海聯(lián)動,協(xié)調(diào)治理和修復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境的原因.

表2 連云港近岸海域2011~2016年間主要水質(zhì)要素之間的相關(guān)關(guān)系

注: **表示顯著性水平為0.01;*表示顯著性水平為0.05;=100.顯著正相關(guān)背景色為 ;顯著負(fù)相關(guān)背景色為 .

3 結(jié)論

3.1 連云港近岸海域在2011年2月~2016年1月期間,總體上水質(zhì)狀況良好;DIN是海域內(nèi)最主要的環(huán)境污染因子,與歷史資料相比DIN含量近年來有逐步增加的趨勢;DIN、DIP、COD、BOD5和油類在不同季節(jié)均有不同程度超過二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況,與相鄰的海州灣海域相比本研究海域內(nèi)DIN含量相對較低,但年均值已經(jīng)超過二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

3.2 調(diào)查期間研究海域的營養(yǎng)狀態(tài)處于富營養(yǎng)化狀態(tài),且夏季的富營養(yǎng)化水平相對較高;N/P值有逐漸增加的趨勢;研究海域已經(jīng)處于有機(jī)污染狀態(tài),調(diào)查期間絕大多數(shù)季節(jié)為輕度污染狀態(tài).2011年8月~2012年2月期間為水質(zhì)相對惡劣時期,各水質(zhì)指標(biāo)均較高,研究海域為中度富營養(yǎng)化和中度有機(jī)污染到嚴(yán)重污染程度.

3.3 水質(zhì)要素相關(guān)性分析顯示DO受水溫的影響最明顯,與水溫呈顯著負(fù)相關(guān),此外與鹽度呈顯著正相關(guān);Chl-與COD和營養(yǎng)鹽呈顯著正相關(guān),與DO呈顯著負(fù)相關(guān);鹽度與營養(yǎng)鹽和富營養(yǎng)化的負(fù)相關(guān)反映了陸源水及營養(yǎng)物質(zhì)輸入對近海水體的影響.環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和評價結(jié)果、環(huán)境要素的時空變化趨勢結(jié)論以及環(huán)境要素之間的相關(guān)性分析結(jié)論顯示日益增強的人類活動對近岸海域海洋環(huán)境的顯著影響.

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2011~2016 marine environment temporal variations research in the Lianyungang coastal area.

Wang Yi-bin1,2, Liu Jun2, Shao Shuai3, Zhang Ai-jun2, CHEN Jin-feng4, Zhou De-shan3, Zang Jia-ye2*, Guo Pei-fang1*

(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China；3.Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center of Lianyungang, Lianyungang 222000, China；4.Qingdao Haihua Biomedicine Technology Co., Ltd, Qingdao 266555, China)., 2019,39(8)：3430~3440

Lianyungang is a coastal city in Jiangsu Province, China. With a city population near five million, human activities can have a proficient impact on the coastal environment. Ongoing surveillance and control measures would benefit the preservation of the marine flora and fauna of the habitat, which is the key for sustainable development. Here the data were collected from the coastal area of the city from February 2011 to January 2016, to evaluate the current environmental statues and to identify issues from the region throughout all four seasons. The evaluated outcome indicated that the aquatic coastal environment of the city, overall, was in fit conditions during the five-year period. With the average annual value of DIN exceeded the Class II seawater quality standard and in a trend of gradual increase. Further investigation and surveillance measures were warranted. Other environmental pollution factors identified during this investigation were DIP, COD and oils. Note that the study area has reached the state of eutrophication during the period this study is conducted, for which the potential eutrophication status showed that the N/P value has gradually increased. Furthermore, the evaluation has identified a mild organic pollution level throughout most seasons.To conclude, the present environmental situation of Lianyungang coastal area ecological environment remains in fit conditions. However, the elevating levels of several pollutants and eutrophication indicate the necessity for continual surveillance to maintain the sustainable ecological environment in Lianyungang. This study has great significance because they contribute to an assessment on the status of ecology and environment and ecological environmental change in Lianyungang coastal area. The results have important meaning in sustainable development and practical application value.

Lianyungang coastal area；long temporal variations of marine environment；water quality assessment；eutrophication；land-sea coordination

X55,P76

A

1000-6923(2019)08-3430-11

王以斌(1983-),男,山東濰坊人,助理研究員,博士研究生,主要研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境與海洋生物學(xué).發(fā)表論文40余篇.

2019-01-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(41806097);山東省重點研發(fā)計劃資助項目(2018GHY115039);山東省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(ZR2017QD008);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2017Q10)

* 責(zé)任作者, 郭佩芳, 教授, pfguo@ouc.edu.cn; 臧家業(yè), 研究員, zjy@fio.org.cn