膠州灣東北部養殖海區環境質量狀況及分析

趙增霞, 王 芳 劉 群, 張光濤

(1.中國海洋大學, 山東 青島 266003; 2.中國科學院海洋研究所 膠州灣生態系統研究站, 山東 青島266071)

膠州灣東北部養殖海區環境質量狀況及分析

趙增霞1,2, 王 芳1, 劉 群2, 張光濤2

(1.中國海洋大學, 山東 青島 266003; 2.中國科學院海洋研究所 膠州灣生態系統研究站, 山東 青島266071)

基于2006年2月、5月、8月、11月膠州灣東北部養殖海區現場調查結果, 采用單因子指數、富營養化指數、有機污染指數對環境狀況進行了分析評價。結果表明： 該海域主要受到無機 N、P污染; COD在夏、秋季符合一類, 但在冬、春季只達到國家二類海水水質標準; DO全部符合國家一類海水水質標準。通過站位間的比較發現, 東北部滄口水域環境質量最差, 全年處于富營養化狀態, 有機污染介于輕度到嚴重污染之間。紅島附近水質較好, 不存在有機污染, 只有春、秋季達到富營養化水平。研究結果顯示該海域主要受陸源污染, 且與現有污水處理不能有效去除無機N、P營養鹽有關。

膠州灣; 養殖海區; 海水水質評價; 富營養化; 有機污染

膠州灣是青島市形成和發展的搖籃, 是青島的“母親灣”。但伴隨著城市化的進程和沿岸經濟的迅猛發展, 膠州灣海域面積不斷縮小, 納潮量降低, 海水污染嚴重, 生物多樣性面臨危機, 自然和生態環境受到很大影響。已有研究表明東北部海域是膠州灣富營養化最嚴重的區域[1,2]。海泊河、李村河和婁山河帶來的大量工業廢水和生活污水, 加上養殖活動自身產生的影響, 使得該海域赤潮和漁業污染事故時有發生。然而, 不同的河流由于流經區域和徑流量的差異, 所攜帶的污染物也各不相同, 豐水期和枯水期水質和影響范圍也有所不同[3]。由于膠州灣東北部養殖區面積較小, 以往的研究多數忽略了環境參數的地理差異。膠州灣生態站在該海域的監測在該海區加密了調查站位, 分別在李村河口、女姑口和紅島外設置了采樣點, 旨在通過主要環境指標的季節和地理變化, 了解膠州灣海水增養殖區的海洋環境質量狀況及其與主要人類活動影響的關系, 為海水養殖業的可持續發展和該海域生態環境保護提供科學數據支持。

1 調查與方法

1.1 站位和采樣時間

調查資料取自膠州灣常規監測站中代表東北部水域的1號、2號和3號站(圖1), 于2006年2月、5月、8月、11月采集樣品。采樣方法按《海洋監測規范》的方法進行。

圖1 膠州灣東北部養殖海區監測站位分布Fig. 1 Monitoring stations in the northeast mariculture zones, Jiaozhou Bay

1.2 分析項目和方法

測定項目有：水溫、pH值、鹽度、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、硝酸鹽(NO3-N)、活性磷酸鹽(PO4-P), 無機氮(DIN)含量為上述 3種氮化物含量之和, 無機磷(DIP)含量用PO4-P含量表示。各項營養鹽均為荷蘭產SKALAR流動分析儀上分析; pH值、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD) 按《海洋監測規范》的方法分析。水溫和鹽度由CTD測得。

2 評價方法和標準

2.1 評價方法

2.1.1 單因子質量指數評價法[4]

式中,Si為單因子的污染指數;Ci為某污染因子的實測質量濃度;Cio為某污染因子的評價標準。根據溶解氧的特點, 采用萘墨羅(Nemerow)的指數公式計算溶解氧污染指數, 評價公式為：

式中,Si溶解氧的污染指數;Ci為溶解氧的實測值;Cio為溶解氧的評價標準;Cim為本次調查中溶解氧的最大值。

以單因子污染指數 1.0作為該因子是否對環境產生污染的基本分界線, 小于1.0為水域未受該因子污染; 大于1.0表明水域已受到該因子污染。

2.1.2 營養指數法

營養水平評價公式[5]：

式中,E為營養水平指數, COD為化學需氧量(mg/L);DIN為無機氮質量濃度(mg/L); DIP為無機磷質量濃度(mg/L)。

如E值大于1時, 即為富營養化,E值越高, 富營養化程度越嚴重。

2.1.3 有機污染評價指數法[6]

有機污染評價公式為：

式中,A為有機污染評價指數, COD為水體的化學需氧量的實測質量濃度, DIN為溶解態無機氮的實測質量濃度, DIP為溶解態無機磷的實測質量濃度, DO為溶解氧的實測質量濃度, CODo, DINo, DIPo和DOo分別為水體的上述各項指標的評價標準。有機污染水平評價分級見表1。

2.2 評價標準

水質評價采用《海水水質標準(GB3097-1997)》中的第二類海水水質標準, 各評價參數的標準值見表2。

表1 有機污染水平評價分級Tab. 1 Classification of organic pollution assessment

表2 水質評價標準Tab. 2 Assessment standards of water quality

3 結果

3.1 膠州灣東北部海區的環境要素以及營養鹽的水平分布現狀

膠州灣東北部養殖海區水質監測結果見表3。由表3可知, 鹽度季度變化不明顯, 每一個月份的站位間變化較顯著。2、3號站由于靠近李村和婁山河口,鹽度在4個月份均低于1號站。該海域水溫的地理變化大體與鹽度負相關, 但趨勢不如鹽度明顯。冬季表層水溫 2.45～3.10℃, 紅島外水溫最低, 李村河口水溫最高。平均溫度為 15.4℃(2.3～28.9℃), 鹽度為30.5(29.3～31.3), pH 為 8.2(8.00～8.42), DO 平均質量濃度為8.9mg/L(6.03～12.47 mg/L), COD平均質量濃度為 1.8 mg/L(0.95～3.03 mg/L)。

主要營養鹽質量濃度大多隨鹽度升高而降低,說明其補充與陸源淡水輸入有關。3號站位的營養鹽質量濃度在絕大多數情況下, 明顯高于1、2號站。N、P營養鹽的增加引起的生態效應在不同的河口近岸海域是不一樣的, 膠州灣營養鹽的增加其主要原因和人類活動密切相關, 東北部水域營養鹽的變化尤甚。

磷在 2月份最低, 8、11月份較高, 尤其是在 3號站。硝酸鹽和亞硝酸鹽在全年的變化不明顯, 但是氨鹽在8月份有一個顯著的低值。

3.2 水質評價結果

DIN和DIP的污染指數在4個調查月份都是在3號站最高, 而DO和COD則略有不同。從時間序列上看, COD和DO的單因子指數全年基本上沒有超過1(除5月份2號站表層), 表明此海域未受該因子沾污,COD值夏秋季符合海水水質一類標準, 冬春季符合二類標準; DO值均符合海水水質一類標準。DIP單因子指數3個站位冬季2月狀況良好, 未受沾污, 其余月份大部分指數接近1或超過1, 受DIP污染比較嚴重。該海域全年受DIN污染更加嚴重, 污染指數大部分遠遠超過1或接近1。從點位圖看, 1號站除5月份受無機氮無機磷沾污外, 其他月份各項因子均未受沾污。2號站和3號站N、P單因子受污染比較嚴重, 位于東北部滄口水域的3號站尤為嚴重(表4)。

表3 膠州灣東北部養殖海區水質監測數據Tab. 3 Monitoring data of seawater quality in the northeast mariculture waters, Jiaozhou Bay

表4 膠州灣海水增養殖區海水單因子質量評價Tab. 4 Single factor assessment of water quality in mariculture zones, Jiaozhou Bay

調查海域多數情況下都呈富營養化水平, 但是1號站在2、8月份都在1以下, 即沒有達到富營養化水平。另外, 從有機污染指數評價來看, 除了1號站在2、8月份為良好, 1號站在11月份和2號站在2月份也達到較好的水平(表5)。

4 討論

入海徑流攜帶的陸源污染物一直被認為是造成膠州灣東北部養殖海域富營養化最主要的原因。通過站位間的比較, 這一點再次在本研究中得到驗證。在80年代末就發現有機質和營養鹽嚴重污染區均集中在灣東部的海泊河、李村河和婁山河等河口鄰近海域[6,7]。本次調查的營養鹽和 COD質量濃度遠高于全灣的表層平均值。營養鹽在60到80年代間升高了數倍的水平, 90年代又有增加(表6)[7,8]。本實驗結果表明, 膠州灣東北部水域 PO4-P季度平均質量濃度比90年代全灣表層平均質量濃度增加了3.5倍;NO3-N季度平均質量濃度增加了6.4倍; NO2-N增加了5.7倍; NH4-N增加了1.7倍; DIN增加了2.8倍;COD質量濃度雖然有所增加, 但遠不及無機 N、P的增長速度, 其季度平均質量濃度比90年代僅增加了0.5倍。根據同一站位的比較, 60年代3號站NH4-N測得最高質量濃度為 5.8 μmol/L, 80年代為 34.6 μmol/L, 而本實驗中作者測得 3號站年平均質量濃度為 39.2 μmol/L。

表5 膠州灣海水增養殖區營養水平和有機污染評價指數Tab. 5 Indices of the nutrient levels and organic pollution assessments in mariculture zones, Jiaozhou Bay

由于陸源輸入強度和水體交換與自凈能力的變化, 造成無機營養鹽在近岸的富集尤為嚴重。在本研究中, 1號站的營養鹽和COD污染狀況要明顯好于3號站, 2號站則介于兩者之間。1號站在2、8月浮游植物高峰期各項營養鹽指標幾乎都好于表 6中全灣表層的平均水平, 說明浮游植物的生長消耗是克服富營養化、凈化水體重要的因素。早在60年代, 刁煥祥[9,10]就指出, 在膠州灣東北沿岸, 不但由于咸淡水交混, 而且由于大陸水及城市排水帶來一定的營養鹽, 因而浮游植物通常比較豐富。豐富的浮游植物使沿岸營養鹽受到消耗, 因而沿岸NO3-N、NO2-N及PO4-P等含量降低, 從而使整個膠州灣趨于均勻。但是 NH4-N的含量卻增加, 雨水和沿岸污水、浮游動物的排泄和有機物分解是其來源之一; 三態氮的氨化及硝化作用沒有充分進行, 沒有達到熱力學平衡狀態是其二。從鄰近海域浮游植物和底棲動物的組成上看, 該地區生態系統結構并為發生根本性變化[11,12],只是浮游植物和初級生產者并不能全部利用過剩的營養鹽。這將是今后進行生態保護重要的指標和著眼點。

表6 膠州灣表層海水中營養鹽含量Tab. 6 Concentrations of nutrients in surface waters in Jiaozhou Bay

從生態保護的角度, 人們更加關心長期的變化趨勢。根據在3號站上的連續調查, 主要營養鹽質量濃度在 1991～2004年大體保持了升高的趨勢, 但年際的波動比較劇烈[13]。也有研究認為, 從全灣的情況看, 營養鹽等污染主要發生在 80、90年代, 此后增長的趨勢并不明顯。尤其是進入21世紀以來, DIN、DIP和石油烴污染范圍都有縮小的趨勢。COD絕對值雖然沒有減小, 也有從東北向西部海域轉移的趨勢[2]。從作者的結果看, 盡管無機N、P污染范圍有所縮小, 單因子質量評價顯示在紅島附近只有 5月份達到污染水平, 2、8月份綜合的營養指數也降到1以下, 但是在滄口水域的質量濃度水平仍然顯著高于90年代的水平。同時, 在污染物組成和營養鹽組分的一些變化也值得今后進一步關注。

首先, 無機污染的威脅相對于有機污染有增加的趨勢。作者參考 90年代以及2000年以后膠州灣全灣平均值和2006年東北部養殖海區的平均值做一比對(表 7), 從 90年代到 2006年, 膠州灣東北部養殖海區的溫度、鹽度、DO、PH和COD均比以往全灣平均值高, 鹽度低于全灣平均值。溫度、鹽度和pH由于受到水團性質和調查時間的影響, 很難判斷具體的變化趨勢, 但是溶解氧質量濃度的升高則充分說明該地區水體保持了較好的自凈能力。同時,COD質量濃度增加的程度也遠小于無機N、P質量濃度的升高。其次, 無機污染中不同組分增加的趨勢也各不相同。從表6中可以看出, 東北部養殖海區的無機N營養鹽質量濃度與90年代全灣表層的平均質量濃度相比, NO3-N、NO2-N和PO4-P的增長速度顯著高于 NH4-N。異養細菌的數量也是在河口和近岸地區比較多[14], 而異養浮游細菌礦化有機質可以產生營養鹽。其中的相關關系值得進一步深入探討和研究。

表7 膠州灣東北部養殖海域與全灣各環境要素比較Tab. 7 Comparison of environmental factors between the northeast mariculture waters and the overall average in the Jiaozhou Bay

從上面的討論可以看出, 盡管該地區水體仍然保持了一定的自凈能力, 但是控制陸源輸入是保持水體環境質量的重中之重。進入 21世紀, 尤其是2008年奧運會前夕, 青島市周邊污水處理的力度顯著加強, 污水處理率達到 70%, 污染的強度得到初步的控制。但是, 污水處理過程中對不同組分的去除效率也不盡相同, 作者仍然應該關注近岸的污染問題, 尤其是從生態系統的角度看到營養鹽的變化。另外, 除了生活和工業污水, 地表徑流造成的農業施肥流失也會給近海生態系統造成影響, 主要是無機N、P。總之, 應該看到, 該海域的富營養化并沒有顯著減輕, 同時污染物種類和營養鹽組分上的變化,以及是否會引起生態系統的級聯反應也值得今后重點關注。

[1] 姚云, 沈志良. 膠州灣海水富營養化水平評價[J]. 海洋科學, 2004, 28(6)： 14-17

[2] 錢國棟, 漢紅燕, 劉靜, 等. 近30年膠州灣海水中主要化學污染物時空變化特征[J].中國海洋大學學報,2009, 39(4)： 781-786

[3] 李莉, 梁生康, 石曉勇, 等. 2007年環膠州灣入海河流污染狀況和污染物入海通量分析[J].環境科學與管理, 2009, 36(9)： 23-28

[4] 姚煒民, 陳雷. 樂清灣海水增養殖區環境質量狀況及分析[J]. 海洋通報, 2007, 26(4)： 116-120.

[5] 鄒景忠, 董麗萍, 秦保平．渤海灣富營養化與赤潮問題的初步探討[J]．海洋環境科學, 1983, 2(2)： 41-53.[6] 孫耀, 陳聚法．膠州灣海域營養狀況的化學指標分析[J]. 海洋環境科學, 1993, 12(3-4)： 25-31.

[7] 沈志良, 陸家平, 劉興俊．膠州灣水域的營養鹽[A].中國科學院海洋研究所. 海洋科學集刊[C]. 北京：科學出版社, 1994. 115-129.

[8] 沈志良. 膠州灣營養鹽結構的長期變化及其對生態環境的影響[J]. 海洋與湖沼, 2002, 33(3)： 322-331.

[9] 中國科學院海洋研究所水化學研究組.膠州灣海水中氮的地球化學(上) [J]. 海洋湖沼通報, 1982a, 3： 8-17.

[10] 中國科學院海洋研究所水化學研究組.膠州灣海水中氮的地球化學(續) [J]. 海洋湖沼通報, 1982b, 4：37-46.

[11] 張利永, 劉東艷, 孫軍, 等. 膠州灣女姑山水域夏季赤潮高發期浮游植物群落結構特征[J]. 中國海洋大學學報, 2004, 34(6)： 997～1 002.

[12] 李寶泉, 張寶琳, 劉丹運, 等.膠州灣女姑口潮間帶大型底棲動物群落生態學研究[J]. 海洋科學, 2006,3(10)： 15－19.

[13] 姚云, 沈志良. 膠州灣東北部營養鹽的季節和多年變化[J]. 水科學進展, 2007, 18(3)： 379－384.

[14] 趙三軍, 肖天, 李洪波, 等. 膠州灣異養細菌及大腸菌群的分布及對陸源污染的指示[J]. 海洋與湖沼,2005, 36(6)： 541-547.

Evaluation of environment quality in the northeast mariculture zone in Jiaozhou Bay

ZHAO Zeng-xia1,2, WANG Fang1, LIU Qun2, ZHANG Guang-tao2
(1. Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Jiaozhou Bay Marine Ecosystem Research Station, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

May., 26, 2009

mariculture waters; Jiaozhou Bay; seawater quality assessment; eutrophication; organic pollution appraisal

Based on seasonal investigation data from the northeast mariculture zone in Jiaozhou Bay, the quality of seawater was evaluated with single factor evaluation, eutrophication index and organic pollutants index. Seawater was seriously polluted by dissolved inorganic nitrogen and phosphorus all through the year. However, concentration of dissolved oxygen (DO) was found to be higher than the 1stclass concentration of Chinese National Seawater Standard throughout the year, while that of COD was higher than 1stclass concentration in summer and autumn but only higher than 2ndclass concentration in spring and winter. Seawater quality was worst near the Licun River estuary, where eutrophication was observed in all seasons and organic pollutants indices varied from slight to heavy pollution. No organic pollution was found near the Hongdao Island area, and eutrophication was observed only in spring and autumn. It was suggested that environment quality in this area was influenced mainly by land-source pollution, correlating to different removal efficiency of organic and inorganic materials during sewage treatment.

X820

A

1000-3096(2010)03-0006-05

2009-05-26;

2009-07-19

海洋公益項目(200805066)

趙增霞(1976-), 山東德州人, 在職碩士研究生, 研究方向：海洋環境生態學, 電話： 0532-82898546, E-mail： zxzhao@qdio.ac.cn; 張光濤, 通信作者, 主要從事海洋生態學研究, 電話： 0532-82898546,E-mail： gtzhang@qdio.ac.cn

(本文編輯： 梁德海)