膠州灣水體氮磷營養(yǎng)物基準研究?

徐夢琪，婁 琦，崔曉瑩，李正炎,2??

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

海灣處于陸地和海洋相互作用強烈的區(qū)域，其生態(tài)系統(tǒng)較為復雜，極易受到人類活動和陸源污染的影響[1]。由于海灣地區(qū)人口分布密集，且快速的城市化和工業(yè)化進程使世界上大多數(shù)沿海水域都面臨著巨大的環(huán)境壓力[2-3]。過量的人為營養(yǎng)物，如氮(N)和磷(P)，被排放到沿海水域，導致其出現(xiàn)水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化問題，從而引發(fā)有害藻華(Harmful algal blooms, HABs)等生態(tài)災(zāi)害[4]?！逗Ｋ|(zhì)標準》(GB 3097—1997)是為中國海域的環(huán)境監(jiān)測和風險評估制定的，然而，考慮到不同地區(qū)的自然特征差異，目前制定的海水營養(yǎng)物標準還不能為所有海域提供充分有效的保護。為了保護各海灣生態(tài)系統(tǒng)免受富營養(yǎng)化和HABs的有害影響，應(yīng)針對不同海灣等沿海水域制定特定的營養(yǎng)物基準，以開展相應(yīng)的營養(yǎng)物控制工作。海灣營養(yǎng)物基準定義為對海灣地區(qū)沒有不利或有害影響的環(huán)境營養(yǎng)物參數(shù)的最大劑量或濃度[5]。營養(yǎng)物基準的制定和實施對海灣生態(tài)系統(tǒng)的保護、恢復和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在營養(yǎng)物基準研究方面，美國在過去幾十年中發(fā)布了一系列針對不同水體包括河流、湖泊和水庫、河口和沿海海域以及濕地[6-9]的技術(shù)指導文件。參照條件法、機械建模和壓力-響應(yīng)模型是制定營養(yǎng)物基準的三種典型方法，由美國環(huán)境保護局(the United States Environmental Protection Agency, US EPA)推薦并廣泛運用[10-12]。除此之外，從水生態(tài)保護的角度，歐盟也制定了相應(yīng)的技術(shù)指南使各成員國相對統(tǒng)一地建立營養(yǎng)閾值控制富營養(yǎng)化[13-15]。相比之下，在過去十幾年中，中國在營養(yǎng)物基準研究方面也取得一些重要進展。但已有研究主要集中在湖泊和河口區(qū)域[16-19]，針對海灣等沿海水域的營養(yǎng)物基準研究仍然十分匱乏。

膠州灣被稱為青島的“母親灣”，面臨來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游、港口等各方面的環(huán)境壓力。隨著環(huán)灣地區(qū)高強度的人類開發(fā)活動，近幾十年來N、P等營養(yǎng)物不斷輸入，并呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，同時，由于灣內(nèi)相對較弱的水交換能力，造成了膠州灣水體污染和富營養(yǎng)化等問題[20-21]。近年來，膠州灣水體呈現(xiàn)明顯的“高N、低P、低硅(Si)”的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)，總氮(Total nitrogen, TN)和總磷(Total phosphorus, TP)的年輸入通量分別為6 945和160.6 t/a[22]，且目前膠州灣N/P值呈現(xiàn)快速上升趨勢，Si/N值則一直遠低于Redfield比值[23]。由于這些變化，海灣的葉綠素a(Chlorophylla, Chla)濃度以及浮游植物的生物量都在增加，嚴重威脅著膠州灣的生態(tài)系統(tǒng)安全[22, 24]。目前，膠州灣的營養(yǎng)物基準尚未建立，這在一定程度上影響了膠州灣及其陸域營養(yǎng)物控制的科學性和富營養(yǎng)化風險評估。本文根據(jù)2014—2017年的膠州灣現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用頻數(shù)分布法、分類回歸樹模型以及非參數(shù)拐點分析等方法推導出營養(yǎng)物基準候選值，并基于赤潮敏感藻生態(tài)響應(yīng)，通過室內(nèi)多藻種實驗進一步開展營養(yǎng)物基準校驗，最終提出膠州灣水體的營養(yǎng)物基準推薦值。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

膠州灣(35°97′N—36°18′N, 120°04′E—120°23′E，見圖1)是一個典型的半封閉型海灣，位于山東半島南部，平均水深7 m，最大水深64 m，出現(xiàn)在灣口附近，面積約360 km2。膠州灣三面被青島、紅島和黃島環(huán)繞，且有6條主要河流匯入膠州灣，為其帶來大量的點源和非點源營養(yǎng)物，顯著影響了膠州灣的生態(tài)環(huán)境[21]。自1990年以來，膠州灣內(nèi)赤潮頻發(fā)，記錄次數(shù)超過30次，這對青島市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展造成了威脅[25-26]。

本研究中使用的膠州灣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來自中國海洋大學未公開的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心的水質(zhì)監(jiān)測報告?，F(xiàn)場調(diào)查在2014—2017年的3—10月進行，采樣站點共22個(見圖1)，監(jiān)測指標包括鹽度(S)、pH、溶解無機氮(Dissolved inorganic nitrogen, DIN)、活性磷酸鹽(Soluble reactive phosphorus, SRP)、TN、TP、氨氮(NH3-N)、溶解氧(Dissolved oxygen, DO)和Chla。所有監(jiān)測指標的樣品采集、保存、運輸、預處理方法、化學分析和記錄規(guī)范均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378.4—2007)等相關(guān)標準進行。

圖1 膠州灣研究區(qū)域及采樣點位置

2 研究方法

2.1 營養(yǎng)物基準指標篩選

一般來說，營養(yǎng)狀態(tài)變量涉及營養(yǎng)物指標和生物指標。營養(yǎng)物指標，如DIN、SRP、TN和TP，屬于壓力變量，能夠表征水體的富營養(yǎng)化狀況；藻類對營養(yǎng)物質(zhì)的變化很敏感并能做出直接的反應(yīng)，藻類生物量(例如Chla)和DO等生物指標則屬于響應(yīng)變量，反映了營養(yǎng)物與生物初級生產(chǎn)力的關(guān)系[16]。

本研究結(jié)合膠州灣2014—2017年3—10月的調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用相關(guān)性分析(Correlation analysis, CA)和主成分分析(Principal component analysis, PCA)，綜合考慮我國海水水質(zhì)評價的主要監(jiān)測指標類別，進行膠州灣營養(yǎng)物基準指標的篩選。其中，CA是分析連續(xù)變量之間線性相關(guān)程度，根據(jù)變量數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗，計算皮爾森相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient)評估相關(guān)性。運用CA確定變量之間的相關(guān)性后進行PCA。PCA在盡量保證原信息量不丟失的基礎(chǔ)上，按照方差最大化的原則，通過某種線性投影使所投影的維度上數(shù)據(jù)信息量最大，轉(zhuǎn)換后的變量為主成分。CA和PCA均運用SPSS 26軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2.2 營養(yǎng)物基準推導方法

2.2.1 頻數(shù)分布法 頻數(shù)分布法是確定水體參照狀態(tài)時常用的統(tǒng)計分析方法，并在國內(nèi)外研究中廣泛應(yīng)用于制定特定營養(yǎng)狀態(tài)的營養(yǎng)物基準。頻數(shù)分布圖用于分析DIN、SRP、TN、TP、Chla和DO監(jiān)測指標數(shù)據(jù)的正態(tài)性，如果數(shù)據(jù)不呈現(xiàn)正態(tài)分布，則采用ln進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。分析營養(yǎng)狀態(tài)變量的頻數(shù)分布曲線時，如果沿海水域受到富營養(yǎng)化的損害程度較小，通常提出將所有采樣點數(shù)據(jù)頻數(shù)分布曲線的下25%或參照點數(shù)據(jù)頻數(shù)分布曲線的上25%作為營養(yǎng)物基準值。如果大多數(shù)采樣點的水體環(huán)境因富營養(yǎng)化而嚴重退化，則應(yīng)選擇將監(jiān)測數(shù)據(jù)頻數(shù)分布曲線的上5%或下5%作為營養(yǎng)物基準值[6, 8]。頻數(shù)分布法的分析及作圖均使用SPSS 26軟件進行處理。

2.2.2 壓力響應(yīng)模型 當無法確定受富營養(yǎng)化影響最小的地點及其歷史數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的監(jiān)測指標數(shù)據(jù)來分析養(yǎng)分濃度和初級生產(chǎn)力之間的壓力響應(yīng)關(guān)系，通過建立壓力-響應(yīng)模型來推導營養(yǎng)物基準值[10]。該模型能夠定量描述營養(yǎng)物壓力變量與生物響應(yīng)變量之間的關(guān)系，尤其適用于受人為活動影響明顯水域的營養(yǎng)物基準。為了探索壓力變量和響應(yīng)變量之間復雜的非線性關(guān)系，分類回歸樹模型(Classified and regression tree, CART)和非參數(shù)拐點分析法(Nonparametric changepoint analysis, nCPA)是兩種常見的的壓力-響應(yīng)模型方法[19, 27]，本研究基于膠州灣2014—2017年3—10月的調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用CART模型和nCPA兩種方法分析并進行膠州灣營養(yǎng)物基準候選值的推導。

CART模型可以揭示一系列響應(yīng)和壓力變量之間可能存在的非線性關(guān)系[28]。CART模型通過基于基尼系數(shù)的二叉樹結(jié)構(gòu)對壓力變量進行分類，壓力變量的每一次分類都是根據(jù)其最佳分類值來完成，分組后按照響應(yīng)變量的最大降低目標變量的分布或變異性將其分成兩個獨立的節(jié)點。重復這個分類過程，直到不能進行節(jié)點分類并形成終節(jié)點為止[30]。通常，分類回歸樹的第一個根節(jié)點是最重要的壓力指標，對響應(yīng)變量有顯著影響。

nCPA法是一種估計二元關(guān)系中變化點位置的方法，為營養(yǎng)物基準提供了自然候選值。從操作上來講，將響應(yīng)變量沿著壓力梯度排序，并將拐點定義為兩組響應(yīng)變量之間差異達到最大值的點[10, 30]。此外，使用隨機自舉抽樣和90%的置信區(qū)間來定義拐點位置的不確定性。CART模型和nCPA兩種方法能夠消除設(shè)置基準值的主觀偏差，一般來說，CART模型和nCPA這兩種方法得到的基準值可以相互驗證，以提高確定營養(yǎng)物基準的準確性[19]。CART模型和nCPA法均使用R語言(R64 3.5.1)軟件進行數(shù)據(jù)處理及作圖。

2.3 營養(yǎng)物基準值驗證方法

不同于單種浮游藻的驗證實驗，本研究考慮了浮游藻的種間競爭，更好地模擬膠州灣的水生態(tài)環(huán)境，從種群的角度推導生態(tài)響應(yīng)值進行營養(yǎng)物基準值的驗證。根據(jù)營養(yǎng)物水平與藻類生長之間的壓力響應(yīng)關(guān)系，通過混合藻種實驗驗證上述營養(yǎng)物基準候選值。驗證過程包括實驗數(shù)據(jù)的獲取、壓力響應(yīng)模型的建立和生態(tài)響應(yīng)值的計算。

2.3.1 混合藻種實驗 近年來，中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)和旋鏈角毛藻(Chaetoceroscurvisetus)一直是膠州灣的常見優(yōu)勢藻種，同樣也是主要的赤潮藻種。膠州灣最常暴發(fā)雙相型赤潮，S.costatum也最易與其他藻種同發(fā)赤潮[31-32]。S.costatum、C.curvisetus是常見的廣溫廣鹽藻種，在夏季易引發(fā)赤潮，對于這些廣泛分布的赤潮藻種，應(yīng)該重視其形成赤潮的潛在風險。除此之外，有研究表明[22-33]，引發(fā)膠州灣赤潮的浮游藻中，甲藻的比例明顯增高，并且值得注意的是，塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)曾于夏季在膠州灣出現(xiàn)過[34]。由于A.tamarense為有毒赤潮藻，需要對其加強監(jiān)測。因此，結(jié)合室內(nèi)可培養(yǎng)情況，混合藻種實驗選擇S.costatum、C.curvisetus和A.tamarense為研究對象。

混合藻種實驗進行前，將指數(shù)生長期的S.costatum、C.curvisetus和A.tamarense分別于1 700、2 000和1 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10、10和5 min，去除上清液并保留下層藻液，然后用鹽度為30±1的滅菌人工海水進行沖洗再離心2次，從而減少藻液中殘存的營養(yǎng)鹽。根據(jù)膠州灣水體中DIN和SRP的環(huán)境濃度水平，加入NaNO3和NaH2PO4以設(shè)置8個不同N、P濃度的實驗組(見表1)，其它營養(yǎng)物按照f/2培養(yǎng)基的配方加入滅菌后的人工海水。將離心后的三種藻液以初始密度約為1×104cells/mL置于培養(yǎng)基中共培養(yǎng)。實驗分為兩組，即固定P濃度的N組和固定N濃度的P組，并為每個濃度水平設(shè)置三個平行樣。為了使藻在生長過程中有充足的N(P)源，固定N組中N濃度及固定P組中P濃度高于實際監(jiān)測濃度。不同N(P)濃度梯度則主要依據(jù)膠州灣現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)中DIN和SRP的濃度范圍，同時考慮到曲線擬合的相關(guān)要求進行設(shè)置。將錐形瓶置于恒溫光照培養(yǎng)箱(GXZ-280B，寧波江南儀器廠)中培養(yǎng)，溫度為20 ℃，光照強度為3 000～5 000 Lx，光/暗循環(huán)時間為12 h∶12 h。為防止藻類聚集，錐形瓶每天定時搖動三次。并于每天的同一時間，取1 mL藻液于取樣管中，在顯微鏡下用血細胞計數(shù)板進行中肋骨條藻和旋鏈角毛藻的細胞密度計數(shù)，用浮游動物計數(shù)框進行塔瑪亞歷山大藻的計數(shù)。

表1 實驗組中的N和P濃度

2.3.2 數(shù)據(jù)分析 藻類生長曲線通常呈S形，并可以用各種模型進行擬合，擬合模型包括Logistic、Bertalanffy、Mitscherlich和Brody[35]。在這些模型中，S型生長曲線被最廣泛地用來描述生物生長過程。因此，本研究采用Logistic模型來擬合三種藻的指數(shù)生長階段。S-logistic2(1)和S-logistic3(2)分別適用于固定P組和固定N組的生長曲線擬合，具體公式如下：

(1)

(2)

式中：Bt是t時的浮游植物生物量(cells/mL)；B0是初始浮游植物生物量(cells/mL)；Bf是終止生物量(cells/mL)；代表浮游植物種群的最大密度；R是浮游植物的種群增長率(cells·mL-1·d-1)；t是培養(yǎng)時間(d)；b和k是模型參數(shù)。

隨著營養(yǎng)物濃度的變化，Bf的形狀大致與S型曲線相同，并且可以用Boltzmann模型來擬合。曲線的拐點x0是Bf的突變點，可用于確定生態(tài)響應(yīng)值。Boltzmann方程(3)表示如下：

(3)

式中：a,b和c為模型參數(shù)；x為營養(yǎng)物濃度(mg/L)。

在此混合藻種實驗中，固定N(P)實驗組設(shè)置為8個濃度梯度，每個濃度水平設(shè)有三個平行樣。培養(yǎng)7天后，將每個濃度梯度的每個平行樣的藻密度值作為一組。根據(jù)各組的實驗測量數(shù)據(jù)(t,Bt)，通過Logistic擬合生長曲線得出Bf值。然后，進行Bootstrap隨機抽樣，從每個濃度梯度中隨機抽取Bf值，8個濃度梯度提取的Bf值形成一組數(shù)據(jù)，總計38組數(shù)據(jù)。此外，從38組數(shù)據(jù)中隨機抽取200組(x,Bf)數(shù)據(jù)，并利用Boltzmann模型進行擬合，得到200個x0值。將200個x0值的中值作為生態(tài)響應(yīng)值，并使用95%的置信區(qū)間來表示平均響應(yīng)值的不確定性。在獲得各藻種的響應(yīng)值后，選擇最低值作為混合藻種實驗的生態(tài)響應(yīng)值，以代表最敏感藻種的響應(yīng)。使用Matlab 2019b和OriginPro2021軟件進行Bootstrap隨機抽樣和模型擬合。

3 結(jié)果

3.1 營養(yǎng)物基準指標的選擇

從各監(jiān)測指標的相關(guān)性系數(shù)矩陣和顯著性檢驗結(jié)果(見表2)中可以直觀地看到，各監(jiān)測指標之間是具有明顯相關(guān)性的。其次，表3是PCA結(jié)果，包括各成分的特征值、成分貢獻率和累積貢獻率。成分1、2、3的特征值分別為2.997、1.748、1.124，均大于1且其累積貢獻率達到73.361%，因此提取前三個成分為主成分。此外，通過各因子旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣(見表4)來分析與各主成分密切相關(guān)的監(jiān)測指標信息。

表2 各指標的相關(guān)系數(shù)矩陣與顯著性檢驗結(jié)果

表3 特征值、成分貢獻率與累積貢獻率

表4 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

PCA結(jié)果顯示，DIN、SRP、TN和TP為第一主成分相關(guān)的指標，第二主成分相關(guān)指標為Chla和S，pH和DO則為第三主成分相關(guān)指標。DIN和SRP通常用于評估富營養(yǎng)化狀況，考慮我國《海水水質(zhì)標準》(GB 3097—1997)中的主要監(jiān)測指標類別，將DIN和SRP選為主要的營養(yǎng)物指標，TN、TP為輔助性營養(yǎng)物指標。除此之外，由于S與DIN、SRP、TN和TP的相關(guān)性較弱，且pH容易受藻類生長、海水擾動等作用影響而產(chǎn)生較大波動，因此不考慮將S和pH作為營養(yǎng)物基準的指標。而CA結(jié)果表明DO與DIN和SRP密切相關(guān)，且DO是生態(tài)健康的重要指標，同時也是水體營養(yǎng)狀況的早期預警指標。除此之外，Chla含量表明浮游植物的生物量，是HABs最具代表性的響應(yīng)指標[36-37]。隨著營養(yǎng)物濃度的升高，浮游植物密度增加，DO含量減少。因此，DIN、SRP、TN和TP被選為壓力變量，Chla和DO被選為響應(yīng)變量。

3.2 頻數(shù)分布法

我國《海水水質(zhì)標準》(GB3097—1997)將水質(zhì)分為四類，通過對膠州灣的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)76.7%采樣點的DIN和98.3%采樣點的SRP屬于前三類水質(zhì)，同時考慮到膠州灣整體的富營養(yǎng)化狀況，本研究基于膠州灣2014—2017年3—10月的調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇將所有采樣點數(shù)據(jù)的頻數(shù)分布曲線的下25%來推導膠州灣營養(yǎng)物基準的候選值。頻數(shù)分布曲線及其統(tǒng)計值如圖2和表5所示，DIN、TN、SRP和TP的營養(yǎng)物基準候選值分別為0.152、0.394、0.003 5、0.008 9 mg/L(見圖2和表5)。

圖2 膠州灣營養(yǎng)狀態(tài)指標的頻數(shù)分布曲線

表5 膠州灣營養(yǎng)狀態(tài)指標的頻數(shù)分布統(tǒng)計結(jié)果

3.3 分類回歸樹模型

以Chla和DO為響應(yīng)變量，DIN、SRP、TN和TP為壓力變量，使用CART模型建立壓力響應(yīng)關(guān)系，選擇CART根節(jié)點的養(yǎng)分濃度作為膠州灣營養(yǎng)物基準候選值，并將DIN和TN的結(jié)果保留三位有效數(shù)字，以Chla和DO為響應(yīng)變量的CART分析結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。從圖3中可以看出，SRP是影響Chla和DO濃度變化的最首要且最重要的壓力變量，這與目前膠州灣存在的P限制現(xiàn)象相符合。以Chla為響應(yīng)變量，得出DIN、TN、SRP和TP的營養(yǎng)物基準候選值分別為0.257、0.410、0.003 2和0.009 8 mg/L(見圖4)；將DO作為響應(yīng)變量，計算出DIN、TN、SRP和TP的營養(yǎng)物基準候選值分別為0.235、0.885、0.010 9和0.035 5 mg/L(見圖5)。

(箱圖是根據(jù)分類數(shù)據(jù)中Chl a和DO的平均濃度升序排列，表示每個終端節(jié)點上Chl a和DO的濃度分布。The boxplots represent the concentration distributions of Chl a and DO at each terminal nodes, arranged according to the average Chl a and DO concentrations in the classified data in an ascending order.)

(箱圖是根據(jù)分類數(shù)據(jù)中Chl a的平均濃度升序排列，表示每個終端節(jié)點上Chl a的濃度分布。The boxplots represent the concentration distributions of Chl a at each terminal nodes, arranged according to the average Chl a concentrations in the classified data in an ascending order.)

(箱圖是根據(jù)分類數(shù)據(jù)中DO的平均濃度升序排列，表示每個終端節(jié)點上DO的濃度分布。The boxplots represent the concentration distributions of DO at each terminal nodes, arranged according to the average DO concentrations in the classified data in an ascending order.)

3.4 非參數(shù)拐點分析法

以DO為響應(yīng)變量，DIN、SRP、TN和TP為壓力變量，使用nCPA方法建立壓力響應(yīng)關(guān)系。將DIN、SRP、TN和TP的拐點作為這些變量對DO的突變點，并將DIN和TN的結(jié)果保留三位有效數(shù)字。nCPA的結(jié)果顯示(見圖6)，DIN、TN、SRP和TP的營養(yǎng)物基準候選值分別為0.235、0.885、0.010 9和0.035 5 mg/L。由于Chla數(shù)據(jù)不足，未對該響應(yīng)變量進行nCPA分析。

(折線表示響應(yīng)變量在拐點處的階梯變化，虛線表示拐點90%的置信區(qū)間，圓圈表示樣本數(shù)據(jù)。The broken line shows the stepped variation of the response variable at the changepoint, the vertical dashed lines show the 90% confidence intervals of the changepoint, and the circles represent sample data.)

3.5 混合藻種實驗

C.curvisetus和A.tamarense的生長曲線與總生物量有很大不同，但S.costatum的生長曲線與總生物量相似(見圖7、8)。在固定N和P組中，S.costatum為優(yōu)勢種，占總生物量的大部分，且由于營養(yǎng)物質(zhì)豐富，S.costatum和總生物量在0～3 d和0～4 d階段的生長曲線基本呈S形，因此，選擇固N組0～3 d和固P組0～4 d的階段進行Bf值的擬合。S.costatum的DIN和SRP生態(tài)響應(yīng)值分別為0.521和0.044 6 mg/L，總生物量的DIN和SRP生態(tài)響應(yīng)值分別為0.642和0.047 4 mg/L(見表6)。因此，對DIN和SRP最敏感藻種的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.521和0.044 6 mg/L。根據(jù)膠州灣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，SRP∶TP和DIN∶TN比值的平均值分別為0.315和0.519，TN和TP的生態(tài)響應(yīng)值則分別為1.004和0.142 mg/L。

圖7 固N組中肋骨條藻、旋鏈角毛藻、塔瑪亞歷山大藻和總生物量的生長曲線

圖8 固P組中肋骨條藻、旋鏈角毛藻、塔瑪亞歷山大藻和總生物量的生長曲線

表6 DIN和SRP的生態(tài)響應(yīng)值

3.6 營養(yǎng)物基準推薦值

通過頻數(shù)分布法、分類回歸樹模型和非參數(shù)拐點分析法得出的營養(yǎng)物基準候選值和通過混合藻種實驗計算出的生態(tài)響應(yīng)值如表7所示。鑒于對膠州灣現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，76.7%采樣點的DIN和98.3%采樣點的SRP屬于前三類水質(zhì)，綜合考慮膠州灣目前的水質(zhì)狀況和富營養(yǎng)化水平，選擇所有方法得出的基準最低值作為膠州灣的營養(yǎng)物基準推薦值，以此對膠州灣的營養(yǎng)物控制和評價提出更高的標準和要求。因此，本研究建議膠州灣的DIN、TN、SRP和TP營養(yǎng)物基準值分別為0.152、0.394、0.003 2和0.008 9 mg/L。

表7 不同方法推導的營養(yǎng)物基準候選值

4 討論

由于野外調(diào)查和室內(nèi)實驗的環(huán)境條件不同，營養(yǎng)物基準候選值與生態(tài)響應(yīng)值相差較大(見表7)。沿海地區(qū)N、P的濃度會受陸源輸入、S、水停留時間、海水交換、沉積特征、海洋環(huán)流和大氣沉降等的影響[38-39]。因此，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的營養(yǎng)物基準候選值也會受到上述因素的影響。基于營養(yǎng)物壓力指標和生物響應(yīng)指標之間的關(guān)系，混合藻種驗證實驗?zāi)M了浮游藻最佳生長條件，為藻類生長提供了固定的溫度、S和光照條件。然而，實驗室無法完全模擬出海灣自然環(huán)境中的水文狀況和生物環(huán)境，使得營養(yǎng)物質(zhì)的濃度和組成結(jié)構(gòu)是影響生態(tài)響應(yīng)值的主要因素。膠州灣目前呈現(xiàn)高N、低P的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)，因此，本研究提出的DIN和SRP營養(yǎng)物基準推薦值的N/P值相應(yīng)較高。為了避免過高的N/P值可能會導致生態(tài)系統(tǒng)失衡的結(jié)果，在后續(xù)的研究中，需要進一步進行現(xiàn)場微宇宙實驗，綜合考慮水文條件、浮游動物等膠州灣自然生態(tài)環(huán)境條件的影響，來驗證理論推導方法得出的營養(yǎng)物基準候選值，同時結(jié)合較為適合的N/P值進行營養(yǎng)物基準候選值的校正，在實現(xiàn)有效控制膠州灣N、P濃度的前提下，進一步保證膠州灣生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。

從表8可以看出，DIN和SRP的營養(yǎng)物基準值在不同的研究中差異較大，這可能是由于各個國家和地區(qū)沿海海域富營養(yǎng)化狀況的差異以及對營養(yǎng)物質(zhì)的敏感性不同造成的。此外，推導方法選擇的不同，也是導致營養(yǎng)物基準值存在一定差異的原因。因早期遼河口水質(zhì)狀況較為良好，除遼河口沿海地區(qū)外，膠州灣的DIN基準值低于其他沿海地區(qū)。而不同沿海地區(qū)的SRP基準值大約是膠州灣的2～9倍，這可能是與膠州灣在2010年以來存在的P限制現(xiàn)象有關(guān)[23]。本研究主要針對DIN和SRP指標，而TN和TP僅作為輔助性指標。在現(xiàn)行的《海水水質(zhì)標準》(GB3097—1997)中，水質(zhì)監(jiān)測和評價的營養(yǎng)物指標也主要針對DIN和SRP，而TN和TP主要作為淡水中的營養(yǎng)物基準指標。不同研究中TN和TP的營養(yǎng)物基準值如表9所示，由于不同國家和地區(qū)藻類對營養(yǎng)物質(zhì)的敏感性差異，除長江口外及舟山鄰海、佛羅里達群島外，膠州灣推薦的TN基準值低于表9中其它地區(qū)中營養(yǎng)物基準的范圍。而膠州灣推薦的TP基準值低于或在其他研究的范圍內(nèi)，但比斯坎灣除外。

表8 不同沿海地區(qū)DIN和SRP的參照條件或營養(yǎng)物基準

表9 不同國家和地區(qū)中TN和TP的營養(yǎng)物基準

此外，有研究表明膠州灣在20世紀70年代以前，受人為影響很小，N、P等營養(yǎng)物基本呈現(xiàn)背景值且較為穩(wěn)定，其中，SRP濃度在20世紀60年代約為0.005 4 mg/L。自20世紀80年代起，膠州灣DIN和SRP濃度呈現(xiàn)波動變化趨勢，目前膠州灣DIN濃度略高于國家Ⅰ類海水水質(zhì)標準，而SRP濃度基本符合國家Ⅰ類海水水質(zhì)標準[22-23]。本研究提出的DIN和SRP營養(yǎng)物基準推薦值均低于我國《海水水質(zhì)標準》(GB 3097—1997)的Ⅰ類。TN的營養(yǎng)物基準推薦值在我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的Ⅰ類和Ⅱ類范圍內(nèi)，TP的營養(yǎng)物基準推薦值低于地表水水質(zhì)的Ⅰ類?？傮w而言，本研究中建議的膠州灣DIN、TN、SRP和TP營養(yǎng)物基準值是相對合理可靠的，能對膠州灣實現(xiàn)有效保護。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)2014—2017年的膠州灣調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用相關(guān)性分析和主成分分析選擇DIN、SRP、TN和TP作為營養(yǎng)物指標即壓力變量，Chla和DO作為生物指標即響應(yīng)變量。

(2)運用頻數(shù)分布法、分類回歸樹模型以及非參數(shù)拐點分析三種方法推導出DIN、TN、SRP和TP營養(yǎng)物基準候選值，然后通過混合藻種實驗計算出生態(tài)響應(yīng)值開展進一步驗證，最終提出膠州灣DIN、TN、SRP和TP的營養(yǎng)物基準推薦值分別為0.152、0.394、0.003 2和0.008 9 mg/L。

(3)通過比較不同國家和地區(qū)的營養(yǎng)物基準研究，本研究中建議的DIN、TN、SRP和TP營養(yǎng)物基準值合理可靠，能夠為膠州灣的水質(zhì)監(jiān)測及評估等環(huán)境管理工作提供科學支撐。