鹽城近岸海域水質(zhì)分布特征及富營養(yǎng)化研究

許海華 ,丁言者 ,李麗花 ,張煜珩 ,曹呈娟 ,陳中偉 ,杭凌霄,朱旭宇

(1.國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 南通 226002;2.上海海洋大學(xué) 上海 201100)

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,大量的工業(yè)廢水以及生活污水的排放導(dǎo)致近岸海域水質(zhì)不斷惡化,近海生態(tài)環(huán)境面臨水體污染和富營養(yǎng)化等眾多問題[1-2]。海水營養(yǎng)鹽輸入以及輸出的不平衡會(huì)引起水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動(dòng)的不平衡,最終導(dǎo)致生態(tài)結(jié)構(gòu)以及海洋功能發(fā)生改變,近海海洋資源的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重影響,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此,海水質(zhì)量是海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性循環(huán)的重要保障。鹽城位于江蘇沿海中部,是江蘇沿海面積最大、海岸線最長的城市,也是擁有“國家濕地生態(tài)旅游城市”之稱的海濱城市[4]。近年來,隨著江蘇經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鹽城近岸海域生態(tài)環(huán)境加劇惡化的問題逐漸凸顯。

目前針對(duì)鹽城近岸海域營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子分布及變化特征的研究較為缺乏[5]。本研究通過對(duì)鹽城近岸海域資料的分析,系統(tǒng)研究鹽城近岸海域水質(zhì)環(huán)境因子的分布特征及變化規(guī)律。通過富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)及有機(jī)污染評(píng)價(jià)分析污染因子的成因,對(duì)全面把握鹽城近岸海域水質(zhì)狀況有重要意義。在了解污染源狀況和潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,本研究旨在保護(hù)鹽城近岸海域生態(tài)環(huán)境以及防止海洋生態(tài)環(huán)境污染,同時(shí)為鹽城海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和管理以及海洋生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 樣品采集與處理

在鹽城近岸海域布置21 個(gè)水質(zhì)調(diào)查站位,于2018年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)現(xiàn)場采集水樣,研究海域覆蓋整個(gè)鹽城海域(圖1)。

圖1 調(diào)查站位Fig.1 Sample stations

樣品采集、儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)劝凑铡逗Ｑ蟊O(jiān)測規(guī)范》(GB 17378-2007)[6]和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763-2007)[7]進(jìn)行,水質(zhì)參數(shù)測定分析按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378-2007)[6]進(jìn)行。

1.2 數(shù)據(jù)處理

富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)采用有機(jī)污染指數(shù)(Q)和富營養(yǎng)化指數(shù)(E)相結(jié)合的方法[8-11]。富營養(yǎng)化指數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:COD、DIN 和DIP分別為溶解無機(jī)氮、化學(xué)需氧量、溶解磷酸鹽的濃度。

海水水質(zhì)富營養(yǎng)化水平的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:E≤1.0,水體處于貧營養(yǎng)狀態(tài);1.0

有機(jī)污染指數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:CODi、DINi、DIPi、DOi分別為化學(xué)需氧量(高錳酸鉀法)、無機(jī)氮、活性磷酸鹽以及溶解氧的實(shí)測值;CODs、DINs、DIPs、DOs分別為相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,采用一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

運(yùn)用SPSS 20.0軟件對(duì)環(huán)境理化因子進(jìn)行K-W非參數(shù)檢驗(yàn)、聚類分析、Spearman相關(guān)性分析。運(yùn)用Surfer 12.0和ArcGis 10.2軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子

鹽城近岸海域各環(huán)境因子的季節(jié)性變化如表1所示。

表1 鹽城近岸海域各環(huán)境因子的季節(jié)性變化Table 1 Seasonal changes of environmental factors in the coastal waters of Yancheng

可以看出,pH 值、DO、COD、石油類、葉綠素a、總氮、總磷和營養(yǎng)鹽均存在季節(jié)性差異(K-W檢驗(yàn),P<0.05),鹽度的季節(jié)性變化不大。其中,pH 值、DO、COD、活性硅酸鹽濃度秋季最高、夏季最低,石油類濃度夏季最高、春季最低,葉綠素a濃度夏季最高、秋季最低,總氮、總磷和無機(jī)氮濃度春季最高、夏季最低,活性磷酸鹽濃度春季最高、秋季最低。

表層水溫、鹽度、無機(jī)氮和活性磷酸鹽的空間分布如圖2至圖5所示。

圖2 表層水溫分布Fig.2 Change of surface temperature

圖3 表層鹽度分布Fig.3 Change of surface salinity

圖4 表層無機(jī)氮分布Fig.4 Change of surface DIN

圖5 表層活性磷酸鹽分布Fig.5 Change of surface DIP

鹽度大體呈近岸低、遠(yuǎn)岸高的分布特征,且由北向南遞增;河口區(qū)域附近鹽度明顯降低,輻射沙洲區(qū)域鹽度因水體交換不明顯而低于其他區(qū)域。pH 值大體呈近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布特征;輻射沙洲區(qū)域pH 值變化較大,河口區(qū)域pH 值變化較明顯。溶解氧濃度呈遠(yuǎn)岸低、近岸高以及北部低、南部高的分布特征。石油類濃度呈北部高、南部低的分布特征,河口區(qū)域石油類濃度變化較大。化學(xué)需氧量濃度呈近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布特征,北部河口區(qū)域化學(xué)需氧量濃度由于淡水輸入而變化較大。無機(jī)氮濃度大體呈近岸高、遠(yuǎn)岸低以及北部高、南部低的分布特征?；钚粤姿猁}濃度大體呈近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布特征。

2.2 有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)和富營養(yǎng)化指數(shù)評(píng)價(jià)

受無機(jī)氮、活性磷酸鹽超標(biāo)的影響,鹽城近岸海域春、夏、秋季都有不同程度的有機(jī)污染,有機(jī)污染指數(shù)平均值為5.41,屬于嚴(yán)重有機(jī)污染,有機(jī)污染程度春季最高,其次為秋季,夏季最低。春季有機(jī)污染指數(shù)平均值達(dá)7.23,屬于嚴(yán)重有機(jī)污染,位于斗龍港南側(cè)輻射沙洲區(qū)域的12號(hào)站位出現(xiàn)最大值達(dá)9.83;秋季有機(jī)污染指數(shù)平均值為4.87,屬于重度有機(jī)污染;鹽城近岸海域有33條入海河流,夏季豐水期受河流入海淡水沖刷及降水的影響,有機(jī)污染指數(shù)平均值為4.14(圖6)。

鹽城近岸海域富營養(yǎng)化指數(shù)平均值為2.14,整體屬于中度富營養(yǎng)狀態(tài),部分海域?qū)儆谥囟雀粻I養(yǎng)狀態(tài)。其中,春季富營養(yǎng)化最嚴(yán)重,夏、秋季屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài),斗龍港南側(cè)和輻射沙洲北部區(qū)域的富營養(yǎng)化較嚴(yán)重。春季富營養(yǎng)化指數(shù)范圍為0.54～10.73,屬于重度富營養(yǎng)狀態(tài)的站位為1號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、12號(hào)、15號(hào)和17號(hào),均位于河口區(qū)域,其中最大值出現(xiàn)在斗龍港南側(cè)輻射沙洲區(qū)域的12號(hào)站位;夏季富營養(yǎng)化指數(shù)平均值為1.04,整體屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài),其中最大值4.75出現(xiàn)在灌河南側(cè)的1號(hào)站位;秋季富營養(yǎng)化指數(shù)平均值為1.58,屬于輕度富營養(yǎng)狀態(tài),高值站位為13號(hào)和15號(hào),其中最大值5.08出現(xiàn)在13號(hào)站位,達(dá)到重度富營養(yǎng)狀態(tài)(圖7)。

2.3 聚類分析

對(duì)無機(jī)氮、活性磷酸鹽進(jìn)行站點(diǎn)聚類分析,可以看出春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)各站點(diǎn)的聚類相似(圖8)。結(jié)合實(shí)際站位的地理位置,春、夏、秋季均大致可以分為2個(gè)大類,其中一類位于廢黃河三角洲區(qū)域,另一類位于輻射沙洲區(qū)域。分區(qū)結(jié)果表明春季入海河流輸入對(duì)鹽城近岸海域污染物的分布有強(qiáng)烈影響,輻射沙洲區(qū)域和水動(dòng)力情況也影響污染物的分布。

圖8 不同季節(jié)的聚類分析Fig.8 Clusters analysis of different season samples

3 討論

相關(guān)研究表明,物理過程形成的復(fù)雜水動(dòng)力條件帶來水化學(xué)環(huán)境的改變[12]。根據(jù)聚類結(jié)果,研究區(qū)域可以分為廢黃河三角洲區(qū)域和輻射沙洲區(qū)域2個(gè)部分,二者的水文動(dòng)力條件不同,對(duì)鹽城近岸海域水化學(xué)環(huán)境的時(shí)空分布產(chǎn)生重要影響。①現(xiàn)代廢黃河三角洲分布于南黃海海岸的北部,北接海州灣,南抵蘇北輻射沙洲,等深線幾乎與海岸線平行[13]。在潮(浪)向岸流動(dòng)和沖蝕、人工岸線堤壩修筑、河口開發(fā)利用以及陸源泥沙輸入等諸多因素的影響下,廢黃河三角洲的岸線侵蝕速度有所減緩,外部區(qū)域水深逐漸變大[14]。②鹽城沿海南部為蘇北輻射沙洲的北半部,蘇北輻射沙洲大致以東臺(tái)弶港為樞紐,呈褶扇狀向海輻射,脊、槽相間分布。鹽城南部沿海的淺灘沙體主要有條子泥、東沙和亮月沙[15],輻射沙洲沙脊之間主要是寬深的楔形潮汐主槽水道,各水道向海開敞,海水交換通暢[16]。

Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明,有機(jī)污染指數(shù)與鹽度呈負(fù)相關(guān),與活性磷酸鹽、溶解無機(jī)氮、總氮、總磷、活性硅酸鹽和富營養(yǎng)化指數(shù)呈正相關(guān)(P<0.05);富營養(yǎng)化指數(shù)與鹽度呈負(fù)相關(guān),與化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、溶解無機(jī)氮、總氮、活性硅酸鹽和有機(jī)污染指數(shù)呈正相關(guān)(P<0.05)。其中,鹽度與化學(xué)需氧量、營養(yǎng)鹽、富營養(yǎng)化指數(shù)存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),表明隨著鹽度降低,水體中的營養(yǎng)鹽濃度和富營養(yǎng)化程度升高。這與已有研究成果一致:李妙聰?shù)萚17]對(duì)樂清灣養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)的研究結(jié)果表明,氮、磷濃度的升高以及鹽度和pH 值的降低是導(dǎo)致該區(qū)域水體富營養(yǎng)化的主要原因;褚帆等[18]的研究表明鹽度對(duì)海域富營養(yǎng)化有重要影響。這主要是因?yàn)榈?、磷等營養(yǎng)鹽的來源主要為陸地,排入近海后隨著稀釋作用的加強(qiáng),高鹽度區(qū)域的污染物濃度會(huì)降低,因此鹽度和富營養(yǎng)化指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

鹽城近岸海域3個(gè)季節(jié)富營養(yǎng)化指數(shù)的空間分布均呈由近岸向離岸逐漸變小的趨勢,這種分布狀況與潮流和自然地形密切相關(guān),也與陸源輸入有關(guān)。通過2018年實(shí)地探勘發(fā)現(xiàn),鹽城近岸海域的入海污染源主要包括排澇泄洪口、排污河、入海河流、入海直排口、養(yǎng)殖排污口、污水處置工程排放口。其中,鹽城近岸北部地區(qū)的工業(yè)較發(fā)達(dá),建有濱海化工園區(qū)等;南部地區(qū)以養(yǎng)殖業(yè)和港口建設(shè)為主,養(yǎng)殖對(duì)象主要包括三疣梭子蟹、南美白對(duì)蝦和縊蟶,養(yǎng)殖區(qū)密度大且養(yǎng)殖飼料使用多,增加了鹽城近岸海域海洋環(huán)境的壓力。鹽城近岸海域從北至南共有33條主要入海河流,根據(jù)2018年鹽城生態(tài)環(huán)保部門提供的相關(guān)數(shù)據(jù),其中27條入海河流的年入海量達(dá)255.15億m3。

鹽城近岸海域富營養(yǎng)化指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù)的季節(jié)性變化一致,由大到小排列均為春季、秋季、夏季。由Spearman相關(guān)性分析可知,決定富營養(yǎng)化指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)是營養(yǎng)鹽。由表1可知,春季溶解無機(jī)氮和活性磷酸鹽濃度最高,且顯著高于夏、秋季,可能是因?yàn)樗疁剌^低,海洋生物活動(dòng)能力不強(qiáng),且海水中的營養(yǎng)鹽濃度隨著雨水沖刷而升高,從而明顯影響春季富營養(yǎng)化指數(shù)[19-20];夏季水溫升高,海洋生物迅速繁殖并消耗大量的營養(yǎng)鹽,導(dǎo)致夏季溶解無機(jī)氮濃度顯著低于其他季節(jié),從而影響富營養(yǎng)化指數(shù)和有機(jī)污染指數(shù);秋季化學(xué)需氧量濃度顯著高于其他季節(jié),且溶解無機(jī)氮濃度顯著高于夏季,可能是由于秋季為枯水期,降水量減少,廢水量占比提升,導(dǎo)致化學(xué)需氧量濃度提升,從而影響有機(jī)污染指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)均高于夏季[20]。

4 結(jié)語

本研究分析2018年春、夏、秋3個(gè)季節(jié)鹽城近岸海域的環(huán)境因子,主要得出4項(xiàng)結(jié)論。①環(huán)境因子的季節(jié)性變化顯著;②根據(jù)聚類分析,春、夏、秋季的環(huán)境因子分布大致可分為廢黃河三角洲區(qū)域和輻射沙洲區(qū)域2個(gè)部分,表明環(huán)境因子的分布存在時(shí)空差異;③鹽城近岸海域受活性磷酸鹽、溶解無機(jī)氮污染嚴(yán)重,有機(jī)污染指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)由大到小按季節(jié)排列均為春季、秋季、夏季;④陸源輸入對(duì)調(diào)查海域污染物的分布具有一定的影響。