遼河口近岸海域水體營養物推薦基準值的制定方法

胡瑩瑩,王菊英,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國家海洋環境監測中心,國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室,遼寧 大連 116023)

遼河口近岸海域水體營養物推薦基準值的制定方法

胡瑩瑩,王菊英*,張志鋒,宗虎民,陳淑梅 (國家海洋環境監測中心,國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室,遼寧 大連 116023)

確定水質參照狀態是近岸海域營養物及其響應指標基準制定的關鍵,基于現場觀測數據分析確定參照狀態并提出推薦基準值是一種重要的方法.以遼河口近岸海域為例,根據1995年～1999年和2003年～2009年的數據分析,主要應用頻數分析法確定了參照狀態,并結合1976年的數據分析,提出了該海域營養物(溶解無機氮、總氮、活性磷酸鹽、總磷)及響應指標(葉綠素、溶解氧)的推薦基準值.分析顯示,遼河口近岸海域營養物溶解無機氮、總氮、活性磷酸鹽和總磷的推薦基準值分別為0.11, 0.19, 0.006, 0.032mg/L;響應指標葉綠素、溶解氧的推薦基準值分別為0.0009, 6.14mg/L.

營養物基準；參照狀態；推薦基準值；遼河口近岸海域

大量營養鹽入海導致的河口和沿岸海域的富營養化問題已成為困擾世界沿海國家的主要環境問題之一[1-3].中國近海海域多是封閉和半封閉的陸架淺海,容易受到人類活動的影響而出現富營養化問題,尤其是河口和海灣的富營養化問題更為嚴重[4-6].營養物基準的制定和應用是為防止富營養化而提出的一種措施,亦是開展河口營養物監測、評估和管理的基礎[7].

在營養物基準制定過程中,建立參照狀態至關重要.參照狀態應為某水體或相似水體受到影響最小的、接近自然狀態點位的監測數據綜合表征結果[8].近岸海域水體基本上都受到了人類開發活動的影響,很難得到自然本底值.因此需要通過特定的方法幫助建立參照狀態,提出推薦基準值.目前,應用較多的是基于現場觀測數據分析的方法.基于現場觀測數據分析的方法確定參照狀態時,需根據水體的污染現狀及變化趨勢,判斷參照點是否存在、生態系統退化是否嚴重等情況,采用不同的方法來確定參照狀態[8].

美國、歐盟等在營養物及其響應指標的海水水質基準方面起步較早,積累了大量的經驗.我國在湖泊的營養物水質基準方面開展了一些工作

[9],而在河口和近岸海域方面尚未有系統的研究.作者在國內外研究基礎上,采用基于現場觀測數據分析,確定近岸海域營養物推薦基準值的方法,建立了遼河口近岸海域營養物的參照狀態,提出了推薦基準值.旨在為我國近岸海域營養物基準、標準的研究與制訂提供理論和方法借鑒.

1 基礎數據與研究方法

1.1 研究區域及數據來源

數據來源于國家海洋局海洋環境監測數據,采樣站位共20個站位,分布于大遼河和雙臺子河口近岸海域(圖1).所用數據主要為系統性、完整性較好的1995年～1999年和2003年～2009年的海水環境質量監測數據.每年5月、8月和10月采樣3次,個別年份增加了3月份監測數據.另外采用了20世紀70年代國家海洋局進行的渤海專項溶解氧和溶解無機氮的調查數據用于輔助說明,其中溶解氧為 18個站位的數據,溶解無機氮為7個站位的數據.

圖1 研究區域及站位分布示意Fig.1 Area and stations of study

1.2 研究方法

根據遼河流域的社會經濟發展以及污染狀況,判定遼河流域近岸海域未受影響的參照點難以找到,因此受營養物影響程度較小的部分地域被認為具備“參照狀態的環境質量”,可作為參照點. 采用參照點或觀測點指標頻數分布曲線法確定推薦基準值.具體方法如下:在數據充足的情況下,取參照點營養物指標頻數分布曲線的上第25個百分點(或其他合適的百分點)(累積頻數為75%對應的水質數據,即 Percentile 75%,下同)對應值(對于溶解氧、透明度等指標)或所有觀測點營養物指標頻數分布曲線的下第 25個百分點(累積頻數為 25%對應的水質數據,即 Percentile 25%,下同)(或其他合適的百分點)對應值(對于TN、TP、Chla等指標)作為參照狀態.

另外,根據遼河流域的社會經濟發展以及污染狀況,收集到20世紀70年代的部分監測數據,作為生態環境狀況良好的狀態,參照點各指標值的頻數分布曲線中值可以較好地表達受“最低影響”的參照狀態.對參照點的總氮(TN)、總磷(TP)、溶解無機氮、活性磷酸鹽、葉綠素 a(Chla)、溶解氧(DO)、透明度(SD)及其他指標的測定值進行統計分析,繪制頻數分布圖,取相應指標的頻數分布曲線的中值作為參照狀態. 由于此部分監測數據較少,其結果僅用作推薦基準值確定是否合理的輔助說明.

1.3 營養物指標選擇

在實踐中出于管理的需求,制定基準的指標也可不僅僅限于營養物質.按照美國的做法[8],理論上應包括用于解釋近岸海域富營養化原因和結果的所有變量,一般來說,5個指標為基準的基本變量,即TN、TP、Chla、SD或藻類濁度、DO.由于TN、TP的歷史數據較缺乏,可能導致最后的結果不確定性較大,因此增加了溶解無機氮和活性磷酸鹽兩個指標.國際上透明度為營養物基準制定中的基本變量,但由于本研究所收集的監測數據中透明度數據較少,未選取透明度作為制定基準的指標.本次研究中確定了溶解無機氮、活性磷酸鹽、TN、TP、Chla和DO作為營養物及其響應指標.

1.4 數據分析方法

利用 origin軟件的數據分析功能進行統計分析和制作水質頻數分布圖.

2 結果與分析

對 1995年～1999年和 2003年～2009年的TN、TP、溶解無機氮、活性磷酸鹽、Chla和DO數據進行了水質頻數分布綜合分析,繪制的頻數分布曲線結果見圖2.

在利用頻數分析法建立參照狀態的過程中,考慮是運用所有能收集到的數據,而且自20世紀90年代以來,遼河流域經濟發展速度快,水污染日趨嚴重,因此采用1995年～1999年和2003年～2009年監測數據的水質頻數分布曲線的下第25個百分點作為參照狀態提出推薦基準值(表1),TN為0.68 mg/L;TP為0.056mg/L;溶解無機氮為 0.15mg/L;活性磷酸鹽為 0.025mg/L,Chla為0.0015mg/L,DO為6.14mg/L.

觀測的實際分布和對該區域水質變化的認識也是選擇閾值點的重要決定因素.雖然從1996年至今,經過這些年的整治,遼河流域水質有所好轉,但部分地段污染狀況仍令人堪憂,污染物入海量居高不下,其鄰近海域受到較大的營養物質污染[10].在這種情況下,考慮選取水質頻數分布曲線的上或下第5個百分點(累積頻數為95%或5%對應的水質數據,即 Percentile 95%或 5%,下同),以期恢復到以前大概的自然條件,按此原則,TN、TP、溶解無機氮、活性磷酸鹽和Chla選取下第5個百分點(表 1),參照狀態分別為 0.19,0.032, 0.11,0.006,0.0009mg/L.

圖2 遼河口近岸海域營養物頻數分布曲線Fig.2 Frequency distribution curves of nutrients in Liaohe estuary

20世紀70年代國家海洋局對遼河流域近岸 海域水質進行了渤海專項調查,結果顯示,當時溶解無機氮的濃度分別在 0.06～0.20mg/L之間,基本上不存在水質污染,若取中間值,那么參照狀態的溶解無機氮為0.11mg/L.經過比較分析,發現頻數法下第 5個百分點的參照狀態值與利用年代的數據進行分析得到的參照狀態值是一樣的.而DO的濃度中值為6.34mg/L,采用1995年～1999年和2003年～2009年監測數據的水質頻數分布曲線的下第25個百分點得到的推薦基準值基本一致.綜合考慮我國的海水水質標準[11]以及遼河流域近岸海域營養物的實際情況,本研究確定TN的參考狀態值以頻數法為準,確定的推薦基準值TN為0.19 mg/L;TP為0.032mg/L;溶解無機氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

表1 遼河口近岸海域營養物濃度頻數分布統計(mg/L)Table 1 Frenquency distribution results of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

表2 遼河口近岸海域營養物參照狀態推薦基準值(mg/L)Table 2 Recommended criteria of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

3 討論

本研究根據國內外對指標選取的研究成果以及所獲取數據的情況,選取了TN、TP、Chla、DO、溶解無機氮和活性磷酸鹽為指標.根據區域生態環境受損程度判定營養鹽的歷史變化趨勢,從而確定參照狀態.然后,對參考水體的營養物水平進行統計分析,根據營養物頻數分布曲線設定相應的推薦基準值.對本研究中確定的遼河流域的營養物及其響應指標的推薦基準值與GB3097-1997《海水水質標準》[11]中的標準值進行了比較,本研究推導的溶解無極氮和活性磷酸鹽的推薦基準值與標準中的值相比均略低,DO則基本一致,如果考慮到社會經濟發展的需要,目前的海水水質標準中的營養物的標準可適用于遼河流域的評價.

對于營養物質而言,其背景濃度往往具有明顯的區域特征,因此相應的海水營養物質水質標準的制定也應考慮其區域性.美國等發達國家在生態分區的基礎上,制定了區域性的海水營養物質水質標準[8,12].因此,我國在考慮區域特征的基礎上,制定營養物海水水質標準勢在必行.水質基準是制定環境質量標準的科學依據,環境基準的研制雖然不能完全替代環境標準,但是是制定環境標準的支撐性基礎工作,為環境標準的研制提供必需的科學依據[13-14].本研究以遼河流域為示范區域,探索了適合我國海洋環境監測歷史和現狀的推薦基準值的確定方法,并推導了營養物及其響應指標的推薦基準值,可為全國近岸海域區域性營養物推薦基準值的確定提供方法學借鑒.

4 結語

探討了基于現場觀測數據確定區域性近岸海域營養物及其響應指標的水質推薦基準值的方法;以遼河流域為示范區域,利用本海域歷史調查數據采用基于現場觀測數據方法確定了近岸海域的參照狀態,提出推薦基準值分別為:TN為0.19mg/L;TP 為 0.032mg/L;溶解無機氮為0.11mg/L;活性磷酸鹽為 0.006mg/L,Chla為0.0009mg/L,DO為6.14mg/L.

[1] OSPAR Commission. OSPAR integrated report 2003 on the eutrophication status [R]. London, U.K.: OSPAR, 2003.

[2] Clean coastal waters: understanding and reducing the effects of nutrient pollution [M]. Washingtoin DC: National Academy press, 2005.

[3] Bricker S, Longstaff B, Dennison W, et al. Effects of nutrient enrichment in the Nation’s Estuaries: A decade of change[EB/R]. NOAA coastal ocean program decision analysis series No. 26. national centers for coastal ocean science, silver Spring, MD. 2007. Online at: http://ccma.nos.noaa.gov/publications/eutroupdate/.

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[5] 國家海洋局.渤海海洋環境公報 [R] .北京, 2008.

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Approach of nutrient criteria establishment and application in coastal area of Liaohe estuary.

HU Ying-ying, WANG Ju-ying*, ZHANG Zhi-feng,ZONG Hu-min, CHEN Shu-mei (Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas, State Oceanic Administration, National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：996～1000

In-situ observation based approach was important during enacting nutrients criteria in coastal area. Population distribution approach was introduced and applied to build the reference state and establish nutrients criteria on the case of Liaohe estuary. The data of 1995～1999 and 2003～2009 was analysised to build reference state and establish recommended nutrients criteria and data of 1976 was applied to validate the value. The recommended criteria value of DIN, TN, DIP, TP in coastal area of Liaohe estuary was 0.11, 0.19, 0.006 and 0.032mg/L, respectively, Chlorophyll-a and DO was 0.0009, 6.14mg/L, respectively.

nutrients criteria；reference state；recommended criteria；Liaohe estuary

X022

A

1000-6923(2011)06-0996-05

2010-10-18

國家海洋局海洋公益性行業科研專項(200805090);國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室開放基金(201015);國家“908”評價專項項目(908-02-04-02)

* 責任作者, 研究員, jywang@nmemc.gov.cn

胡瑩瑩(1977-),女,山東肥城人,助理研究員,博士,主要從事海洋環境化學及海洋環境質量評價工作.發表論文20余篇.