滄州黃驊港水質(zhì)特征及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

劉龍 褚芹芹 王全穎 謝潤(rùn)超 杜雨蒙 張建樂(lè)

摘要：根據(jù)2011～2018年河北省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究滄州黃驊港海域水質(zhì)要素變化特征及其海水自凈能力，運(yùn)用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法、有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法及PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)海域營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，海域水體中DIN濃度總體呈現(xiàn)逐漸降低的特征;活性磷酸鹽濃度大體呈現(xiàn)先升高后降低的特征，且已成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因素。結(jié)果表明，黃驊港海域具有較強(qiáng)的海水自凈能力。四種評(píng)價(jià)模式均表明海域富營(yíng)養(yǎng)化水平表現(xiàn)出先由中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)展為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，后又恢復(fù)為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：黃驊港;水質(zhì)特征;自凈能力;富營(yíng)養(yǎng)化

Abstract：According to the monitoring data of marine ecological environment in Hebei Province from 2011 to 2018， the change characteristics of water quality elements and self purification capacity of the sea-area of Huanghua port in Cangzhou were studied， and the nutritional status of the sea-area was evaluated by single factor standard index method， nutritional index method， organic pollution evaluation index method and PSR framework eutrophication comprehensive evaluation method.It is found that the concentration of DIN in sea water decreased gradually， and the concentration of active phosphate increased first and then decreased， which had becomed the limiting factor of phytoplankton growth. The results showed that Huanghua port had a strong self purification ability.And the four evaluation models showed that the eutrophication level of the sea-area showed the trend of developed from the medium nutrition state to the eutrophication state， and then returned to the medium nutrition state.

Key words：Huanghua port;Water quality characteristics;Self purification capacity;Eutrophication

滄州渤海新區(qū)黃驊港位于環(huán)渤海中心地帶，東臨渤海，南接山東，北靠京津，依托于京津冀協(xié)同發(fā)展、環(huán)渤海合作發(fā)展、“一帶一路”開放發(fā)展等重大國(guó)家戰(zhàn)略，開發(fā)利用海洋已成為渤海新區(qū)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著渤海新區(qū)港口經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致陸源污染物排放量日益增加，加之黃驊港海域自身水體與外界交換能力較差[1]，黃驊港海域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變化。為了了解海洋開發(fā)對(duì)該海域環(huán)境產(chǎn)生的影響程度，發(fā)現(xiàn)污染問(wèn)題，分析潛在危害，有效保護(hù)海洋環(huán)境和生態(tài)資源。所以，本文利用2011～2018年河北省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了滄州黃驊港海域海水化學(xué)要素變化特征，研究了該海域海水自凈能力，評(píng)價(jià)了該海域營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平及有機(jī)污染狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相融共生提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 樣品采集與分析

1.1 調(diào)查站位

2011～2018年度共對(duì)滄州黃驊港海域進(jìn)行了8個(gè)航次調(diào)查取樣。其中，2011年8月、2012年6月、2013年7月調(diào)查取樣站位如圖1所示，分別布設(shè)13個(gè)監(jiān)測(cè)站位;2014年8月、2015年8月、2016年6月、2017年5月、2018年6月調(diào)查取樣站位如圖2所示，分別布設(shè)18個(gè)監(jiān)測(cè)站位。

1.2 采集與分析

水文項(xiàng)目包括水溫和透明度;水質(zhì)項(xiàng)目包括硝酸鹽（NO3-N）、亞硝酸鹽（NO2-N）、氨氮（NH4-N）、活性磷酸鹽（PO43--P）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）和葉綠素a，水質(zhì)樣品均為表層樣;沉積物項(xiàng)目包括總有機(jī)碳（TOC）;生物項(xiàng)目包括浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲生物。除水溫和透明度為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量外，水質(zhì)、沉積物和生物等項(xiàng)目采樣、保存及分析均按《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB12763-2007）[2]和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB17378-2007）[3]進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 海水化學(xué)要素變化特征

2011～2018年滄州黃驊港海域海水主要化學(xué)要素的濃度范圍及平均值見(jiàn)表1。海水中無(wú)機(jī)氮（DIN）、活性磷酸鹽、葉綠素a、DO和COD濃度平均值范圍分別介于11.61～30.72μmol·L-1、0.09～0.81μmol·L-1、0.99～6.38μg·L-1、7.56～9.75mg·L-1、1.13～1.54mg·L-1之間。其中，DIN、活性磷酸鹽和葉綠素a濃度平均值變化幅度較大（如圖3所示），其高值分別出現(xiàn)在2012、2016和2017年，低值分別出現(xiàn)在2018、2018和2013年，高值分別是低值的2.6、9.0和6.4倍。由圖3可看出，DIN濃度平均值基本上呈現(xiàn)出逐漸降低的特征，活性磷酸鹽濃度平均值大體上呈現(xiàn)出先升高后降低的特征，而作為表征浮游植物生物量的葉綠素a濃度平均值變化特征較為復(fù)雜。2011～2015年，葉綠素a與DIN變化特征較為一致，表明這一時(shí)期內(nèi)，浮游植物的生長(zhǎng)與繁殖主要受DIN濃度影響;2016～2018年，葉綠素a則與活性磷酸鹽變化特征較為同步，這表明浮游植物生長(zhǎng)與繁殖的影響因素發(fā)生了變化，限制因素由DIN變?yōu)榛钚粤姿猁}。另外，從表1看，DO和COD濃度平均值總體變化不大。

2.2 海水自凈能力分析

海洋生態(tài)系統(tǒng)一般具有海洋自凈能力，穩(wěn)定的水文環(huán)境和生物要素，利于形成相對(duì)平衡的海洋生態(tài)系統(tǒng)。但當(dāng)海水受到污染且超過(guò)海水自凈能力時(shí)，就會(huì)打破生態(tài)系統(tǒng)的平衡，進(jìn)而威脅海洋生物的生存繁衍[4]。海水化學(xué)凈化過(guò)程中，微生物會(huì)將含氮有機(jī)物分解為易于浮游植物吸收的無(wú)機(jī)氮，然后不同形態(tài)的無(wú)機(jī)氮之間也會(huì)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，因此，分析水體中不同形態(tài)無(wú)機(jī)氮的含量比例對(duì)了解海水自凈能力尤為重要[5]。另外，由于水體中的DO在海洋化學(xué)凈化過(guò)程中起到舉足輕重的作用，所以DO含量也可以在一定程度上反映海水自凈能力。

表2給出了2011～2018年滄州黃驊港海域不同形態(tài)氮含量比例。氮循環(huán)中，雖然NH4+為含氮有機(jī)物的初級(jí)氧化產(chǎn)物，但其在8個(gè)航次調(diào)查中所占DIN比例并不高，最高也僅為2013年的27.2%;作為三態(tài)氮形態(tài)轉(zhuǎn)換的中間產(chǎn)物NO2-，占比最小，平均值為9.6%;海域水體中DIN主要存在形式為NO3-，所占百分比均在60%以上，這表明水體中初級(jí)氧化產(chǎn)物NH4+能夠較快轉(zhuǎn)換成宜于浮游植物吸收的NO3-。水體中DO含量越高，海水自凈能力越強(qiáng);反之則會(huì)導(dǎo)致水體惡化[6]。從表1可看出，水體氧化劑DO濃度平均值明顯高于一類海水標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明水體處于富氧環(huán)境，這也為三態(tài)氮形態(tài)轉(zhuǎn)換提供了有利條件。另外，結(jié)合可反映水體有機(jī)污染程度的COD數(shù)據(jù)來(lái)看，海水中COD濃度值均位于一類海水范圍內(nèi)，表明水體中微生物可以將有機(jī)污染物進(jìn)行有效的降解，使水體處于低有機(jī)污染狀態(tài)。綜上所述，滄州黃驊港海域具有較強(qiáng)的化學(xué)凈化能力。

2.3 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析

日益嚴(yán)重的海域富營(yíng)養(yǎng)化正威脅著海洋生態(tài)環(huán)境和人類健康，有效評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，分析富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)為海域富營(yíng)養(yǎng)化的控制提供更加科學(xué)的理論基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模式已有多種[7-10]，為了得到更加符合海域?qū)嶋H狀況的結(jié)果，多數(shù)學(xué)者會(huì)采用多種評(píng)價(jià)模式進(jìn)行綜合分析[11-13]。吳敏蘭[11]運(yùn)用指數(shù)綜合壓力法、壓力—狀態(tài)—響應(yīng)法和聚類分析法等模式評(píng)價(jià)了北部灣北部海域，表明海灣營(yíng)養(yǎng)鹽壓力增大，營(yíng)養(yǎng)水平為中等。彭云輝等[12]運(yùn)用隸屬度法和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)法等模式評(píng)價(jià)了珠江河口海域，表明該海域接近富營(yíng)養(yǎng)水平，可能會(huì)發(fā)生赤潮。為了更加客觀的對(duì)滄州黃驊港海域進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分析，本文采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法、有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法及PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法等模式評(píng)價(jià)。

2.3.1 單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法

海水水質(zhì)評(píng)價(jià)一般采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法[14，15]，公式為：

式中Pi為i項(xiàng)污染因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);Ci為i項(xiàng)污染因子的實(shí)測(cè)濃度;Cio為i項(xiàng)污染因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

水中溶解氧（DO）采用下式計(jì)算：

式中DOf為現(xiàn)場(chǎng)水溫及氯度條件下，水樣中氧的飽和含量（mg·L-1），DOf=468/（31.6+t）;DOs為溶解氧標(biāo)準(zhǔn)值;DO為溶解氧的測(cè)定值。

單因子指數(shù)小于或等于1，表明該站位水體沒(méi)有遭受該因子的污染，大于1表明遭受該因子污染，值愈大表明污染愈嚴(yán)重。

根據(jù)河北省海洋功能區(qū)劃[16]和監(jiān)測(cè)站位分布情況，2011～2013年，海水水質(zhì)執(zhí)行二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);2014～2018年，海水水質(zhì)執(zhí)行三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2011～2018年的各因子水質(zhì)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果詳見(jiàn)表3。2011～2013年，滄州黃驊港海域水質(zhì)全部為DIN超標(biāo)，超標(biāo)率分別為53.8%、100%和15.4%。2014～2018年，海域水質(zhì)因子均高于或符合3類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由表3也可看出，2011～2018年各因子評(píng)價(jià)年際變化中，DIN雖在2011～2014年稍有起伏，但總體逐年向好;活性磷酸鹽雖未超標(biāo)，但呈現(xiàn)出“V”字形變化趨勢(shì);DO和COD基本無(wú)變化，均為一類海水標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法

鄒景忠等人[9]于1983年對(duì)渤海灣富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮問(wèn)題研究中提出的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法，目前在國(guó)內(nèi)海域富營(yíng)養(yǎng)化研究中廣泛應(yīng)用。

營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法（E）公式為：

式中COD、DIN、DIP為海域水體中實(shí)測(cè)濃度，單位均為mg·L-1。

E<1，海域水體為貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);E≥1，表明海域水體為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，E值愈大表明富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)程度愈嚴(yán)重。

從2011～2018年滄州黃驊港海域E值計(jì)算結(jié)果（表4）看，E值平均值范圍在0.15～2.31之間。根據(jù)E值平均值的變化規(guī)律，2011-2018年該海域富營(yíng)養(yǎng)化水平先由貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)逐漸發(fā)展成富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，后又逐漸恢復(fù)到貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

2.3.3 有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法[9，15，17]

有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法（A）計(jì)算公式為：

海域有機(jī)污染評(píng)價(jià)（A）分級(jí)如下：A<0，良好;0≤A<1，較好;1≤A<2，受到污染;2≤A<3，輕度污染;3≤A<4，中度污染;A≥4，嚴(yán)重污染。

有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法相較于營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法，包含了水質(zhì)特征參數(shù)DO，能更加科學(xué)的反映海域富營(yíng)養(yǎng)化水平，2011～2018年有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。滄州黃驊港海域A值平均值范圍介于0.15～2.31之間。海域富營(yíng)養(yǎng)化水平年際變化中，有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果與營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)基本相同，也呈現(xiàn)出先由較好狀態(tài)逐步變化為受到污染狀態(tài)，后又逐步還原為較好狀態(tài)的規(guī)律。綜合表1和表3考慮，夏季滄州黃驊港海域富營(yíng)養(yǎng)化水平主要受水體中DIN和活性磷酸鹽要素的影響，COD和DO要素對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化水平影響有限。

2.3.4 PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法[18]

目前， 國(guó)內(nèi)近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法應(yīng)用最為廣泛的主要是以營(yíng)養(yǎng)鹽為主的第一代評(píng)價(jià)體系，如本文所用的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法（E）、有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法（A）以及其他的評(píng)價(jià)方法[19，20]等，這些以公式計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法未能全面地反映海域富營(yíng)養(yǎng)化水平。21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了以壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）指標(biāo)框架為基礎(chǔ)的第二代近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法[21-23]。根據(jù)航次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，本文采用吳迪等人建立的PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法[18]對(duì)滄州黃驊港海域富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行評(píng)價(jià)。

該評(píng)價(jià)方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)易得，數(shù)據(jù)處理較為科學(xué)，評(píng)價(jià)指標(biāo)較為全面，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較適用于我國(guó)海域海灣現(xiàn)狀。評(píng)價(jià)方法指標(biāo)及權(quán)重分配如下：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)壓力指標(biāo)（權(quán)重分配0.35）包括水體中DIN濃度（0.15）、溶解無(wú)機(jī)磷濃度（0.10）和COD濃度（0.10）;富營(yíng)養(yǎng)化初級(jí)癥狀指標(biāo)包括水體中葉綠素a濃度（0.10）、浮游植物數(shù)量（0.10）和浮游植物多樣性指數(shù)（0.10）;富營(yíng)養(yǎng)化次級(jí)癥狀包括浮游動(dòng)物密度（0.05）、大型底棲動(dòng)物密度（0.05）、水體透明度（0.05）、DO濃度（0.05）、沉積物總有機(jī)碳含量（0.05）;富營(yíng)養(yǎng)化其他癥狀指標(biāo)包括海域赤潮發(fā)生情況（0.10）。PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法按以下三步進(jìn)行。

首先，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)站位的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6，其中浮游植物數(shù)量、浮游動(dòng)物密度及大型底棲動(dòng)物密度等生物評(píng)價(jià)背景值以《近岸海洋生態(tài)健康評(píng)價(jià)》[24]中區(qū)域?qū)俦尘爸禐闃?biāo)準(zhǔn)。浮游植物多樣性指數(shù)采用Shannon - Weaver公式計(jì)算：

式中H′為多樣性指數(shù)，s為樣品中的種類總數(shù)，Pi=ni/N（ni是第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)，N是全部物種的個(gè)體數(shù)）。

其次，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的站位達(dá)標(biāo)率進(jìn)行海域區(qū)域性評(píng)級(jí)賦分，海域赤潮評(píng)級(jí)賦分采用赤潮發(fā)生狀況及發(fā)生面積兩項(xiàng)要素評(píng)價(jià)。海域區(qū)域性評(píng)價(jià)賦分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7[18]。

最后，四類評(píng)價(jià)指標(biāo)海域區(qū)域性評(píng)級(jí)賦分進(jìn)行綜合，公式為：

式中P總為海域富營(yíng)養(yǎng)化水平總分，Pi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)總個(gè)數(shù)。按照P總分值將海域富營(yíng)養(yǎng)化水平分為四個(gè)等級(jí)：4≤P總≤5，貧營(yíng)養(yǎng);3≤P總<4，中營(yíng)養(yǎng);2≤P總<3，富營(yíng)養(yǎng);0

由于PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法綜合考慮了水質(zhì)、沉積物、生物以及赤潮等多種評(píng)價(jià)參數(shù)，所以該評(píng)價(jià)方法能更全面、真實(shí)的反映海域富營(yíng)養(yǎng)化水平。圖4為2011-2018年滄州黃驊港海域富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，P總分值范圍位于2.60～3.95之間。從圖4可看出，P總分值有先降低后升高的變化規(guī)律，表明海域富營(yíng)養(yǎng)化水平先由中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)展為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，后又調(diào)整到中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，這與營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法和有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果一致。另外，從圖4也可看出，四類評(píng)價(jià)指標(biāo)類別中，P總分值與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)壓力指標(biāo)變化規(guī)律更為接近，說(shuō)明2011～2018年水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)滄州黃驊港海域富營(yíng)養(yǎng)化水平貢獻(xiàn)較大。

3 結(jié)論

2011～2018年，滄州黃驊港海域水體中DIN濃度總體呈現(xiàn)出逐漸降低的特征;活性磷酸鹽濃度大體上呈現(xiàn)出先升高后降低的變化特征，且已成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因素。

滄州黃驊港海域具有較強(qiáng)的海水自凈能力，主要體現(xiàn)在水體中氮循環(huán)的特征以及較高的DO濃度上。

單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法、有機(jī)污染評(píng)價(jià)指數(shù)法及PSR框架富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，2011～2018年滄州黃驊港海域富營(yíng)養(yǎng)化水平先由中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)展為富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，后又恢復(fù)為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-04-18

作者簡(jiǎn)介：劉龍（1987-），男，漢族，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測(cè)。