小清河口氮磷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定?

王司玉， 隋修國(guó)， 李正炎，2??

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100; 2. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

水質(zhì)基準(zhǔn)是制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)，也是水環(huán)境保護(hù)和管理的重要組成部分[1]。目前，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家和組織已具備有相對(duì)完善的水質(zhì)基準(zhǔn)文件和管理體系[2-8]，而中國(guó)關(guān)于水質(zhì)基準(zhǔn)的研究起步較晚，近十余年來(lái)才開始進(jìn)行系統(tǒng)研究。2017年，生態(tài)環(huán)境部根據(jù)我國(guó)水環(huán)境區(qū)系特征頒布了《湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)指南》(HJ 838—2017)，但有關(guān)我國(guó)河口區(qū)域的水質(zhì)基準(zhǔn)文件仍在積極探索中。

河口是河流和海洋之間的生態(tài)交錯(cuò)區(qū)，由于其生態(tài)系統(tǒng)脆弱性，河口對(duì)營(yíng)養(yǎng)物比較敏感，導(dǎo)致許多河口呈現(xiàn)明顯富營(yíng)養(yǎng)化特征[9]。河口富營(yíng)養(yǎng)化已成為困擾許多國(guó)家的環(huán)境問(wèn)題[10-11]，不僅影響水域的生物完整性，還可能通過(guò)有害藻類和病原體暴發(fā)等方式危害公共健康[12]。因此，盡快制定符合我國(guó)國(guó)情的河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)尤為重要。

近年來(lái)，小清河氮磷營(yíng)養(yǎng)物污染嚴(yán)重[13-14]，研究表明小清河口營(yíng)養(yǎng)物輸入是引起萊州灣富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的主要原因之一[15-16]。本文根據(jù)小清河口的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬研究，分別采用頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型法推導(dǎo)出了小清河口總氮(TN)、總磷(TP)、溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)和活性磷酸鹽(SRP)的基準(zhǔn)值，旨在為我國(guó)河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定提供技術(shù)方法參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

小清河發(fā)源于山東省濟(jì)南市，于濰坊壽光市境內(nèi)的羊口鎮(zhèn)以東注入萊州灣，全長(zhǎng)233 km，流域面積約10 336 km2，流經(jīng)濟(jì)南市、淄博市、濱州市、東營(yíng)市和濰坊市五個(gè)地級(jí)市，感潮段位置為從石村(具體位置見圖1)到入?？冢L(zhǎng)約70 km。本文數(shù)據(jù)來(lái)源于2009—2017年山東入海河流監(jiān)測(cè)資料和中國(guó)海洋大學(xué)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)間為2018年5、8、10、12月及2019年5、8月，調(diào)查時(shí)間涵蓋小清河口枯水期、豐水期和平水期，采樣站位共11個(gè)(見圖1)。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件的局限性，本文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均布設(shè)在小清河入?？诟浇虼吮疚谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅代表小清河口入?？诟浇|(zhì)狀況，各指標(biāo)具體監(jiān)測(cè)方法見表1。本文根據(jù)美國(guó)環(huán)保署發(fā)布的《河口近岸水體營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南》[12]和我國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)指南》(HJ 838—2017)確定了TN、TP、DIN、SRP為營(yíng)養(yǎng)物壓力指標(biāo)，浮游藻生物量為營(yíng)養(yǎng)物響應(yīng)指標(biāo)。

圖1 小清河口采樣站位圖

表1 水文和水質(zhì)各指標(biāo)分析方法

2 研究方法

2.1 頻數(shù)分布法

頻數(shù)分布法適用于未受人類影響或受影響較小的研究區(qū)域，參照狀態(tài)可尋，參照點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)物監(jiān)測(cè)資料充足。選取營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的上或下第25個(gè)百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)值為推薦基準(zhǔn)值，對(duì)受污染嚴(yán)重的區(qū)域，則選取上或下第5個(gè)百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)值為推薦基準(zhǔn)值，以期能恢復(fù)到受污染之前的自然狀態(tài)[12, 22-24]。由于近幾年小清河口受污染較嚴(yán)重，本文選取了營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下第5個(gè)百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)值作為小清河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。

2.2 壓力-響應(yīng)模型法

2.2.1 壓力-響應(yīng)模型的建立 壓力-響應(yīng)模型是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)水域特點(diǎn)，構(gòu)建概念模型來(lái)表征營(yíng)養(yǎng)物的生態(tài)響應(yīng)，從而表達(dá)壓力變量和響應(yīng)變量之間的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)物的基準(zhǔn)值[25]。該模型已在國(guó)內(nèi)外推導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)方面得到了廣泛應(yīng)用[25-27]，中國(guó)生態(tài)環(huán)境部2017年頒布的《湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)指南》(HJ 838—2017)中也采納了此方法。

浮游藻生長(zhǎng)一般經(jīng)歷延緩期、指數(shù)生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期三個(gè)時(shí)期，因此其生長(zhǎng)曲線通常呈現(xiàn)“S”型[28]，常見的“S”型生長(zhǎng)模型主要有Logistic、Sgompertz、Brody、Bertalanffy等[28-30]，R2檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)模型擬合優(yōu)度的常用方法，R2越接近于1，代表模型擬合效果越好[28,29]。本文根據(jù)擬合效果，選取S-logistic2模型(R2>0.95)來(lái)描述浮游藻的生長(zhǎng)情況，具體形式如下：

式中：Bt為t時(shí)刻(d)浮游藻的生物量(mL-1)；Bf為終止生物量(mL-1)；B0為浮游藻初始生物量(mL-1)；μmax為浮游藻最大生長(zhǎng)速率(mL-1·d-1)；t為培養(yǎng)時(shí)間(d)；參數(shù)Bf為浮游藻的最大生物量，其值基本不受浮游藻的初始量B0和其生理狀態(tài)影響[29,30]。

推導(dǎo)河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值過(guò)程中，需要考慮水生態(tài)系統(tǒng)(主要是浮游植物)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的敏感性，即水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物變化的敏感程度。本文中此項(xiàng)指標(biāo)以浮游植物生物量隨營(yíng)養(yǎng)物濃度變化的增量來(lái)表示[12,29,28]。根據(jù)已有研究[31-32]，本文選取三種萊州灣河口近岸常見赤潮藻，中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)、赤潮異彎藻(Heterosigmaakashiwo)和微型原甲藻(Prorocentrumminimum)為研究對(duì)象，藻種均購(gòu)買于上海光語(yǔ)生物科技有限公司。

根據(jù)受試藻類生長(zhǎng)情況，將每種藻類生長(zhǎng)數(shù)據(jù)分別代入Logistic、Sgompertz、Boltzmann和Hill1模型中進(jìn)行擬合，依據(jù)模型擬合的決定系數(shù)(R2)、均方根(RMSE)、殘差平方和(SSE)以及 K-S 檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合專業(yè)判斷，分別確定了三種浮游藻在不同營(yíng)養(yǎng)物濃度條件下最優(yōu)擬合模型(見表2)，取曲線的拐點(diǎn)x0為營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)基準(zhǔn)值。

Sgompertz模型公式為：

Bf=ae-e(-k(x-x0))，

Boltzmann模型公式為：

Hill1模型公式為：

式中：a、b、和c是方程參數(shù)；x為營(yíng)養(yǎng)物濃度(mg/L)。

表2 各藻種在不同營(yíng)養(yǎng)物濃度條件下的最優(yōu)擬合模型

2.2.2 浮游藻的培養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)采用人工海水培養(yǎng)浮游藻，鹽度為29±1,人工海水放入1 L錐形瓶中，在120 ℃高壓滅菌鍋中消毒30 min自然冷卻后使用。培養(yǎng)液50 mL置于150 mL錐形瓶中放入光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為20 ℃，光照強(qiáng)度為3 000～5 000 Lux，光暗比為12L∶12D。營(yíng)養(yǎng)鹽濃度梯度設(shè)置為7或8組(包括對(duì)照組)，每組設(shè)置3個(gè)平行樣本。每天搖晃培養(yǎng)瓶3～4次，防止浮游藻聚集。

實(shí)驗(yàn)共分為兩組，氮組實(shí)驗(yàn)固定磷濃度，磷組實(shí)驗(yàn)固定氮濃度，分別用NaNO3和NaH2PO4調(diào)節(jié)培養(yǎng)液氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。結(jié)合我國(guó)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997)[33]中DIN、SRP的標(biāo)準(zhǔn)值，以及不同氮磷濃度比對(duì)浮游藻生長(zhǎng)的影響[34-35]，本文室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的氮磷濃度設(shè)置見表3和4。其他營(yíng)養(yǎng)液按照f(shuō)/2培養(yǎng)基配方[36]加入。

2.2.3 浮游藻生物量測(cè)定 浮游藻生物量測(cè)定有多種方法[37-38]，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具體情況和操作條件，選擇使用流式細(xì)胞儀測(cè)定浮游藻生物量。

每天同一時(shí)間，每個(gè)樣品取1 mL培養(yǎng)液，用流式細(xì)胞儀測(cè)定1 mL培養(yǎng)液中浮游藻的生物量，每個(gè)樣本葉綠素a細(xì)胞含量均出現(xiàn)下降時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.2.4 生態(tài)學(xué)基準(zhǔn)值推導(dǎo) 本文室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)立7或8個(gè)氮(磷)營(yíng)養(yǎng)液濃度梯度，每個(gè)梯度設(shè)置3個(gè)平行樣。培養(yǎng)n天，每個(gè)梯度每個(gè)平行樣的所有數(shù)據(jù)設(shè)為一組，則每組有n個(gè)數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)參數(shù)Bf的值可通過(guò)S-logistic2模型擬合得到。通過(guò)Matlab數(shù)學(xué)軟件，運(yùn)用Bootstrap自助隨機(jī)抽樣方法[29,39]從每個(gè)梯度中隨機(jī)抽取Bf值，抽得的7或8組數(shù)據(jù)構(gòu)成一套數(shù)據(jù)，共可獲得37或38組數(shù)據(jù)。隨機(jī)抽取其中200組數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，可以獲得200個(gè)模型參數(shù)x0估計(jì)值。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)200個(gè)參數(shù)x0進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，將其數(shù)據(jù)分布的中位數(shù)作為營(yíng)養(yǎng)鹽生態(tài)基準(zhǔn)值，并將其97.5和2.5百分比值分別作為生態(tài)基準(zhǔn)的95%Bootstrap置信區(qū)間的上下限[29]。

表3 固定氮實(shí)驗(yàn)組中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度

表4 固定磷實(shí)驗(yàn)組中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度

3 結(jié)果與討論

3.1 頻數(shù)分布法

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和歷史資料得到的TN、TP、DIN、SRP數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)分布分析，用SPSS軟件做出各營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)的頻數(shù)分布直方圖(見圖2)。

對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)和歷史資料進(jìn)行頻數(shù)分析和正態(tài)分布曲線擬合，選取頻數(shù)分布曲線的5%、25%、75%、95%作為頻數(shù)分布的關(guān)鍵點(diǎn)，分析結(jié)果見表5。

圖2 小清河口營(yíng)養(yǎng)物頻數(shù)分布曲線

表5 小清河口營(yíng)養(yǎng)物頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)

研究表明，小清河流域營(yíng)養(yǎng)物污染嚴(yán)重[40-41]，因此本文選取各營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下第5個(gè)百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)值作為頻數(shù)分布法的基準(zhǔn)值，即TN為5.18 mg/L;TP為0.14 mg/L；DIN為3.33 mg/L；SRP為0.015 mg/L。

由圖2和表5可知，小清河口TN的平均值為10.96 mg/L,遠(yuǎn)大于我國(guó)地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)(1.5 mg/L)[42]；DIN的平均值為5.23 mg/L,也遠(yuǎn)大于我國(guó)海水IV類標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L)[33]。由此可見，小清河口氮污染嚴(yán)重，因此頻數(shù)分布法得出的TN、DIN基準(zhǔn)值結(jié)果不合理，本文不推薦其作為小清河口TN和DIN的基準(zhǔn)參考值。

3.2 壓力-響應(yīng)模型法

3.2.1 確定小清河口SRP/TP和DIN/TN的比值 浮游藻主要吸收溶解無(wú)機(jī)態(tài)的營(yíng)養(yǎng)物，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)所用的培養(yǎng)液中95%以上都是無(wú)機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)物，因此室內(nèi)培養(yǎng)方法進(jìn)行模擬得到的是溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)和活性磷酸鹽(SRP)的基準(zhǔn)值[29]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出15組DIN/TN和SRP/TP的比值，進(jìn)而可以推導(dǎo)出小清河口受污染情況下TN、TP的基準(zhǔn)值。

由圖3可知，DIN/TN和SRP/TP的比值相對(duì)比較集中，DIN/TN比值基本在0.7左右，SRP/TP的比值基本在0.3左右。兩組比值的中位數(shù)和平均值都相差不大，說(shuō)明基本符合正態(tài)分布。本文取其中位數(shù)0.76和0.34分別作為小清河口DIN/TN和SRP/TP的比值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬得到的DIN和SRP的生態(tài)基準(zhǔn)值結(jié)果，可以推導(dǎo)出TN、TP的生態(tài)基準(zhǔn)值。

3.2.2 浮游藻生長(zhǎng)曲線 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出三種浮游藻在不同氮磷濃度下生物量與時(shí)間(t)的關(guān)系如圖4所示。結(jié)果可見，浮游藻的生長(zhǎng)曲線基本符合“S”型，當(dāng)SRP濃度固定在0.050 mg/L，DIN濃度在0～0.30 mg/L范圍內(nèi)變化時(shí)，浮游藻最終生物量隨DIN濃度增加而逐漸增大；DIN濃度在0.30～1.50 mg/L范圍內(nèi)變化時(shí)，浮游藻最終生物量隨DIN濃度增加不大。當(dāng)DIN濃度固定在2.00 mg/L，SRP濃度在0～0.15 mg/L范圍內(nèi)變化時(shí)，浮游藻最終生物量隨SRP濃度增加而不斷增大；SRP濃度在0.15～0.30 mg/L范圍內(nèi)變化時(shí)，浮游藻最終生物量隨SRP濃度增加也基本相差不大甚至有所下降，這可能是由于不同氮磷濃度比對(duì)浮游藻生長(zhǎng)的限制作用，由此也可以說(shuō)明浮游藻對(duì)水體中氮、磷的吸收不僅與其濃度有關(guān)，也與它們之間的比值有關(guān)。

圖3 小清河口DIN/TN、SRP/TP的比值分布箱形圖

圖4 不同氮磷濃度條件下三種浮游藻生長(zhǎng)曲線圖

3.2.3 營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)推導(dǎo) 由表6和7可知，中肋骨條藻、赤潮異彎藻和微型原甲藻的DIN生態(tài)響應(yīng)值分別為0.29、0.29和0.17 mg/L，SRP生態(tài)響應(yīng)值分別為0.020、0.085和0.030 mg/L；本文選取最敏感的浮游藻生態(tài)響應(yīng)值作為小清河口營(yíng)養(yǎng)鹽的基準(zhǔn)推薦值，得到小清河口DIN的生態(tài)基準(zhǔn)值為0.17 mg/L，SRP的生態(tài)基準(zhǔn)值為0.020 mg/L。根據(jù)小清河口DIN/TN和SRP/TP的比值0.76和0.34，可以得到TN和TP的生態(tài)基準(zhǔn)值分別為0.23和0.059 mg/L。本文的DIN推薦基準(zhǔn)值接近海水水質(zhì)I類標(biāo)準(zhǔn)值(0.2 mg/L)[33]，SRP基準(zhǔn)值在海水水質(zhì)I類(0.015 mg/L)和II類(0.03 mg/L)標(biāo)準(zhǔn)值之間[33]，TN基準(zhǔn)值介于地表水環(huán)境質(zhì)量I類(0.2 mg/L)和II類(0.5 mg/L)標(biāo)準(zhǔn)值之間[42]，TP基準(zhǔn)值介于地表水環(huán)境質(zhì)量I類(0.015 mg/L)和II類(0.1 mg/L)標(biāo)準(zhǔn)值之間[42]。

由于實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)材料等的局限性，本文僅選取萊州灣河口近岸常見的三種赤潮藻進(jìn)行研究，而在自然環(huán)境中，浮游藻的生物量和多樣性會(huì)隨著營(yíng)養(yǎng)物等環(huán)境因素發(fā)生復(fù)雜變化，因此后續(xù)的研究中可進(jìn)一步運(yùn)用包含多種浮游植物、浮游動(dòng)物和魚類等水生生物的微宇宙系統(tǒng)開展模擬試驗(yàn)，以更接近河口區(qū)域的真實(shí)環(huán)境。

表6 小清河口氮的生態(tài)基準(zhǔn)值

表7 小清河口磷的生態(tài)基準(zhǔn)值

3.3 不同研究方法所得結(jié)果比較

根據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)內(nèi)不同河口的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值見表8?？梢姳疚耐茖?dǎo)出的小清河口DIN、SRP、TN和TP的基準(zhǔn)值與同樣采用壓力-響應(yīng)模型法得到的大遼河口生態(tài)基準(zhǔn)值比較接近；本文頻數(shù)分布法推導(dǎo)出的SRP和TP基準(zhǔn)值與同樣采用此方法得到的遼河口推薦基準(zhǔn)值也較為接近。但本文用壓力-響應(yīng)模型法推導(dǎo)出的DIN和TN的基準(zhǔn)值比運(yùn)用頻數(shù)分布法得出的基準(zhǔn)值低，原因可能是頻數(shù)分布法是基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)得出的結(jié)果，小清河口所在區(qū)域由于受污染比較嚴(yán)重，未受影響的參照點(diǎn)已難以找到，導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)受人為活動(dòng)影響比較大，因此本文采取壓力-響應(yīng)模型法推導(dǎo)出的結(jié)果作為小清河口營(yíng)養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值，即TN為0.23 mg/L、TP為0.059 mg/L、DIN為0.17 mg/L、SRP為0.020 mg/L。

表8 我國(guó)不同地區(qū)河口營(yíng)養(yǎng)物推薦基準(zhǔn)值的比較

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料和室內(nèi)-模擬實(shí)驗(yàn)，探討了小清河口氮磷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，得出以下主要結(jié)論：

(1)小清河口水域富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，尤其是TN和DIN濃度較高，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，TN屬于IV類水質(zhì)；根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997)，DIN也屬于IV類水質(zhì)。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用頻數(shù)分布法推導(dǎo)的小清河口TN、TP、DIN和SRP基準(zhǔn)值分別為5.18、0.14、3.33和0.015 mg/L，由于小清河口氮污染嚴(yán)重，本文不推薦其作為營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。

(3)運(yùn)用壓力-響應(yīng)模型法，通過(guò)建立小清河口營(yíng)養(yǎng)物濃度與浮游藻生長(zhǎng)之間的響應(yīng)關(guān)系，得出小清河口TN、TP、DIN和SRP推薦基準(zhǔn)值分別為0.23、0.059、0.17和0.020 mg/L。