長江口及鄰近海域富營養化趨勢分析及與環境因子關系

尹艷娥，沈新強，蔣玫，袁琪，平仙隱，徐亞巖，韓金娣，王云龍

中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090

近岸海域氮和磷的質量濃度普遍偏高, 以及由此而帶來的富營養化是中國沿岸海域最突出的環境問題之一, 而海域富營養化又是導致有害赤潮發生的主要因素之一，赤潮對生態環境和人類健康都造成了巨大的破壞，不但打破了海域生態系統的平衡，還給水產養殖業造成了巨大的損失，引起國內外的廣泛關注（ZHU等，2014）。氮、磷是海洋浮游植物生長、繁殖必不可少的營養要素, 在生物活動中起著重要作用, 其在水環境中的分布變化在一定程度上控制著海洋生態系統中的初級生產過程,是海洋初級生產力的主要限制因素。化學需氧量(COD)用來衡量有機物對水體污染總體程度的一個綜合性指標，COD過高則是水體中有大量有機物的標志,在微生物降解有機物過程中，水中溶解氧減少,水體變的渾濁，透明度降低，散發出惡臭味, 破壞水體的生態平衡（蔡曉明，2001）。

長江將大量營養物質從陸地帶入長江口海域，加上黑潮、臺灣暖流等水團的影響，使得長江口海域的生態環境趨于復雜化、多樣化（陸賽應等，1996）。長江口附近的杭州灣和舟山群島海域，由于受長江和錢塘江徑流影響，使該水域溫、鹽度變化大，營養鹽類豐富，餌料生物基礎雄厚，與長江口一起成為我國重要的傳統漁場。30多年來，人類活動的增加，長江口無機氮含量數倍增加，水域富營養化日趨嚴重，長江口海區赤潮增多；長江口海域漁業環境質量正呈逐步下降趨勢，勢必也會影響到杭州灣和舟山群島海域的漁業環境質量。目前，關于長江口富營養化變化趨勢的報道較多（高利利等，2010；王奎等，2013）。但將杭州灣、舟山群島海域納入長江口海域，并且采用不同評價方法對比分析長江口及其鄰近海域的富營養化趨勢，及與環境因子間關系的研究報道尚有待補充。本文在2007-2009年春、夏兩季對長江口及其鄰近海域調查資料的基礎上，采用三種評價方法研究了長江口及其鄰近海域富營養化水平的趨勢性和季節性、富營養化級別的分析及其導致富營養化的主要限制因素，同時也研究了環境因子與富營養化之間的關系。以期為長江口富營養化的研究作進一步補充，并為長江口及其鄰近海域的管理和修復提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 站位設置及樣品采集

2007-2009年春季( 5月)和夏季( 8月) 在長江口附 近 水 域 ( 北 緯 30°00′-31°15′， 東 經121°49.2′-122°30.0′)，設置了20個采樣站位進行水質調查，1-6站位為長江口，7-11站位為杭州灣，12-2站位為舟山漁場，具體調查站位分布見圖1。現場使用不銹鋼顛倒采水器依據站位水深進行采集，水深小于10 m，采集表層水樣，大于10 m采集表、底層水樣。現場海水鹽度參數應用YSI(美國YSI公司出品)多參數分析儀現場測定。水樣采集后水樣經0.45 μm的微孔濾膜過濾，冷凍保存于250ml塑料采樣瓶中, 帶回實驗室分析。檢測參數包括亞硝酸鹽(NO2--N)、硝酸鹽(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)、磷酸鹽(PO43--P)、化學需氧量(COD)。亞硝酸鹽采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽采用鋅鎘還原法，磷酸鹽采用磷鉬藍反光光度法，化學需氧量采用堿性高錳酸鉀法測定。均嚴格遵照《海洋監測規范》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會，2008）的相關規定要求進行測定。

圖1 采樣站位分布Fig.1 Location of sampling stations

1.3 富營養化評價及分析

1.3.1 富營養指數法

目前廣泛應用于中國近岸海域富營養化現狀評價的方法為富營養指數(E)法（鄒景忠等，1983）,其計算公式為：

式中，COD、DIN、DIP分別為化學需氧量、無機氮、無機磷, 其單位均以mg·L-1表示，當該指數E>1時, 則表示水體已呈富營養化狀態，E值越大，水體富營養化程度越嚴重。

1.3.2 潛在性富營養化法

郭衛東等（1998）認為水體只有得到適量的磷（對磷限制水體而言）或氮（對氮限制水體而言）的補充，使N /P的比值接近Redfield值，這部分氮或磷對富營養化的貢獻才能真正體現出來，這種現象稱為潛在性富營養化。并以此概念為基礎，參照我國海水水質標準，同時兼顧氮、磷含量極其比值，提出了分類分級的潛在性富營養化評價模式，劃分原則見表1，其中DIN表示無機氮，PO43--P表示活性磷酸鹽中的磷。

表1 營養級劃分標準Table 1 Classification of nutrient levels

1.3.3 有機污染指數法

從污染角度考慮，劉彬昌（劉彬昌，1993）提出了有機污染指數（A）法，計算公式如下：

其中，CODi、DINi、DIPi和DOi為各站位實測值（mg·L-1）；CODs、DINs、DIPs和DOs為標準值，在本文中采用一類海水水質標準，CODs為2 mg·L-1、DINs為0.20 mg·L-1、DIPs為0.015 mg·L-1和DOs為5 mg·L-1。有機污染指數A< 0污染程度級別為0級，表明水質清潔；04污染程度級別為5級，表明水質嚴重污染。

1.4 數據處理與統計

富營養指數分布圖采用surfer8.0軟件進行空間插值并生成等值線圖；使用Excel對富營養指數和有機污染物與環境因子之間的關系進行分析。

2 結果與討論

2.1 長江口及其鄰近海域富營養化評價及時空分布

2.1.1 富營養化水平的趨勢性和季節性變化

依據富營養指數法，對2007-2009年長江口及鄰近海域富營養化趨勢進行了分析統計（表2），為了更加直觀地了解富營養化的分布情況，對其時空分布特征作了進一步分析（圖2）。

表2 長江口及附近水域富營養指數法評價結果Table 2 Statistics result for Eutrophication index of Changjiang Estuar and adjacent sea

從表2可以清楚地看出，富營養化比例最低達到了70.0%，說明長江口及鄰近海域富營養化覆蓋面較廣，富營養化程度比較嚴重。在春季，長江口及鄰近海域的富營養化指數所占比例從77.0%上升到89.8%；在夏季最低達到89.3%，最高到100.0%；春、夏兩季基本上處于逐年增加趨勢，說明富營養化覆蓋面越來越大，水域受富營養化的程度也越來越嚴重，富營養化趨勢越來越明顯。近年來研究的長江口及鄰近海域營養鹽的歷年變化趨勢與分析也指出，歷年DIN與PO43--P質量濃度呈現持續增高的趨勢（陳慧敏等，2011）。進一步對比2007-2009年春夏兩季的分析結果還可以看出，每年的夏季富營養化比例都不低于春季。另外，在春季E值的標準偏差為4.26，在夏季為14.63，說明各個站位的富營養化程度在春季時變化較小，在夏季時較大。這可能是因為隨著農業發展與沿岸化工廠的建立，夏季進入主汛期后, 長江徑流量增加, 使得來自陸源輸入的DIN、PO43--P和COD含量增加，含量變化波動也較大，致使富營養化比例和富營養化程度增加。

2007-2009年春季時，長江口及附近水域富營養指數平面分布呈由近岸向遠海逐漸遞減的趨勢，梯度分布明顯（圖2a）。指數最高值區出現在西部近岸方向，處于杭州灣近岸水域，此水域的等值線也最密集，也就是說富營養指數變化的幅度最大，富營養化情況也較嚴重。而隨著遠離近岸逐漸向外海，在東部遠海方向，處于舟山漁場附近時等值線逐漸稀疏，說明此水域富營養指數變化幅度不大，富營養化情況相對較輕。長江口附近的等值線相對較密集，富營養化程度優于杭州灣的。在夏季時，長江口及鄰近海域富營養指數平面分布與春季時類似，南北方向伸展并向東擴散、衰減，梯度分布明顯（圖2b）。但是在夏季長江口和杭州灣兩個水域的富營養指數的等值線都比較密集，而且等值線數值大于春季的，說明夏季的富營養化情況較為嚴重。

圖2 2007-2009年長江口及鄰近海域富營養指數平面分布（3年平均）Fig.2 Distribution patterns of eutrophication index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009

表3 長江口及附近水域潛在性富營養化評價結果Table 3 Statistics result for potential eutrophication of Changjiang Estuar and adjacent sea

2.1.2 受磷限制富營養化的變化趨勢及其影響

采用潛在性富營養化法將長江口及其鄰近海域的N/P及所占各個營養級別百分比進行了分析評價，結果如表3所示。

由表3可以看出，長江口及鄰近海域的營養級主要集中在III級（富營養）和V P級（磷中等限制潛在性富營養），說明富營養化程度較高，這與富營養指數法的評價結果相吻合；另外，通過分析還發現，長江口在春、夏2季，潛在性富營養化級別所占比例逐漸向后移，即受磷限制性富營養化程度越來越高。2007年春季，長江口水域IV P所占比例為16.7%，2008年增加到V P 50.0%，2009年增加到V P 66.7%，VI P為33.3%；夏季時，長江口水域從2007年V P和VI P所占比例都為0分別增加到33.3%和16.7%，2009年V P增加到66.7%，說明長江口受磷限制富營養化程度越來越高，這將對浮游植物生命活動造成一定影響。磷中等限制潛在性富營養的增加，說明富營養化水體中氮的含量大大超過磷的含量，N/P比值不平衡。一般來說, 沿岸和較封閉水域易發生磷限制富營養。營養鹽是浮游植物生命活動的物質基礎, 浮游植物能夠大量的消耗營養鹽（郝林華等，2012）。而且浮游植物按一定比例(Redfield比值)攝取營養物質維持自身的物質和能量代謝（Jasmin等，2012；Ayataa等，2013）。偏離Redfield比值會造成營養結構失調，使得浮游生物的種群結構改變, 甚至引發赤潮發生(高生泉等，2004)；N/P比值對藻類的競爭抑制參數也能夠產生顯著影響，只有適宜的N/P比值才會形成一個良好的水域環境。近年來研究發現（張靜等，2010；呂振波等，2010；屠建波等，2012），我國近海主要河口、海灣水體中N/P比值幾乎都偏離Redfield 比值，而且隨著季節的變化波動也比較大。由表3還看出，3年的春夏季均偏離Redfield 比值較大，N/P比值從9.1到50.9，營養鹽比例明顯不協調，致使某類浮游生物的生長較快。這可能是因為受長江沖淡水的影響，無機氮的量遠大于磷酸鹽的量；另外，王保棟等人（王保棟等，2002）認為在長江口羽狀鋒區(鹽度為20-27的區域)浮游植物大量攝取磷酸鹽，那么這樣也會致使磷酸鹽的質量濃度大大降低，使得N/P比值偏離Redfield比值。

2.1.3 污染級別趨勢分析

有機污染指數法將水質劃分從0級到5級，2007-2009年春、夏2季長江口及鄰近海域污染程度的百分比如表4所示，分布情況見圖3。

與富營養指數法和潛在性富營養化法分析統計結果一致，水體的富營養化程度較高（表4）。從A值分析，2007-2009年水體中0級未出現，也就是說無水質清潔水； 2007年春季長江口出現16.7%的1級水質，即水質較好情況極少；受有機污染的級別在3級比例比較少，即受輕度污染的情況較少；水體受有機污染級別在5級的比例較大，水質處于嚴重污染情況較多。長江口春、夏2季5級的比例從2007年的50.0%分別上升到2009年的83.3%和100.0%；杭州灣春、夏2季5級的比例分別從2007年的60.0%和80.0上升到100.0%；舟山漁場春、夏2季5級的比例分別從2007年22.2%和66.7上升到66.7%和77.7%。說明長江口及鄰近海域受輕度污染的水體比例正逐年下降，而受中污染和重污染的比例逐年上升，而且夏季有機污染百分比大于春季。表明長江口及鄰近海域營養鹽含量豐富、污染十分嚴重（高利利等，2010）。另外，春季有機污染的標準偏差為1.45，夏季為2.49。說明各個站位的有機污染程度在春季時變化較小，在夏季時較大。這可能是因為，在夏季主汛期后, 長江徑流量的增加, 導致氮、磷和化學需氧量含量的變化較大所致。

表4 長江口及附近水域有機污染指數評價結果Table 4 Statistics result for organic pollution index of Changjiang Estuar and adjacent sea

圖3 2007-2009年長江口及鄰近海域有機污染指數平面分布（3年平均）Fig.3 Distribution patterns of organic pollution index of Changjiang Estuar and the adjacent sea in 2007-2009

3年來春、夏2季長江口有機污染指數達5級的占50%以上，杭州灣60%以上，舟山漁場20%以上，杭州灣受污染情況最為嚴重，長江口次之，舟山漁場最小。這可能是因為隨著工業化，杭州灣沿岸大量的陸源污染物進入，而且杭州灣所設置的5個站位處于半封閉位置，減弱了水體交換能力，延長了水體交換時間。在長江口雖然也攜帶大量的陸源污染物，但由于春夏長江沖淡水影響，起到了稀釋作用，而且向東南方向沖出后，很快左轉至東北方向，使得本調查水域內長江口的污染物含量得不到足夠供給，而低于杭州灣。舟山漁場無陸源徑流，輸入性污染物少，因而水域有機污染指數最低。

從圖3更直觀的分析出有機污染的時空分布情況。污染程度從西向東、從北向南逐漸降低。其中1和2號站位于長江口南支, 長江攜帶的大量污染物質在此入海，造成2個站點污染程度較為嚴重；而7、8和9號位于杭州灣北岸附近，因此，E值和A值也較高, 說明長江口及鄰近海域主要受陸源污染的影響。相關學者也研究了春秋季長江口及鄰近海域營養鹽污染情況，結果表明長江口南岸白龍港附近，成為各種營養鹽的高污染區；區域超標程度較嚴重為長江口南岸和杭州灣北岸（王芳等，2006），這與本研究的結論顯然一致。

圖4 2007-2009年春、夏季富營養指數與鹽度、pH值和溶解氧的關系Fig.4 Relationship between eutrophication index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007-2009

圖5 2007-2009年春、夏季有機污染指數與鹽度、pH值和溶解氧的關系Fig.5 Relationship between organic pollution index and salinity, pH and DO in spring and summer 2007- 2009

2.2 富營養和有機污染指數與環境因子的關系

富營養指數和有機污染指數時空變化特征是各種外部環境因子綜合作用的結果。為了探討長江口海區富營養指數和有機污染指數空間分布主要影響因素，對相關環境因子（包括鹽度、pH值和溶解氧(DO)）與其相關性進行分析，分析結果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，春、夏2季富營養指數與鹽度的相關性最大（春季R2=0.563，夏季R2=0.730），次之為pH值（春季R2=0.361，夏季R2=0.140）；相關性最差為溶解氧（春季R2= 0.006，夏季R2=0.009）。春、夏2季有機污染指數同樣也與鹽度的相關性最大，pH值次之，溶解氧最差（圖5）。河口系統中污染物主要通過3種方式輸入：陸源流入、大氣擴散與沉降和生物固定，春、夏2季富營養指數與鹽度有較顯著負相關性，這說明富營養化主要是由于沿岸入海河流所引起，主要受徑流量以及與外海海流的物理混合過程影響，這與相關學者提到的營養鹽和鹽度呈顯著的負相關關系，說明咸淡水的混合作用對營養鹽的空間分布有顯著影響的研究結果一致（高學魯和宋金明，2007）；此論文還提到浮游植物對營養鹽的空間分布也有重要影響，但從相關系數來看，浮游植物的影響要弱于咸淡水混合作用的影響（高學魯和宋金明，2007）。浮游植物與溶解氧和pH有著密切的關系，因此，富營養化的判斷與溶解氧、pH的關系復雜, 需要與其它環境因子綜合分析。

3 結論

1）通過富營養指數法，潛在性富營養化法和有機污染指數法分別對2007-2009年長江口及鄰近海域的富營養化進行分析。通過富營養指數法分析，該水域的富營養化程度最低達到了70.0%，富營養化程度很高，在春、夏2季基本上處于逐年增加趨勢；通過潛在性富營養化法分析，該水域的營養級主要集中在III級（富營養）和V P級（磷中等限制潛在性富營養），富營養化水體中氮的含量大大超過磷的含量，N/P比值從9.1到50.9 ，營養鹽比例明顯不協調；另外，受磷限制性富營養化程度越來越高，對浮游植物生命活動造成一定影響。從有機污染指數法分析，該水域主要處于5級水質，受輕度污染的水體比例正逐年下降，而受中污染和重污染的比例逐年上升；杭州灣受污染比例最為嚴重，長江口次之，舟山漁場最小。3種方法分別從不同層面對長江口及鄰近海域的污染程度及趨勢進行了分析。

2）從富營養指數平面分布圖來看，2007-2009年春、夏2季長江口及附近水域富營養指數平面分布呈由近岸向遠海逐漸遞減的趨勢，梯度分布明顯。機污染指數平面分布與富營養指數平面分布類似，從西向東、從北向南污染程度逐漸降低。

3）長江口及鄰近海域富營養指數與環境因子的相關分析表明, 富營養指數與鹽度相關性最大，說明富營養化主要受徑流量以及與外海海流的物理混合過程影響。富營養指數與鹽度、溶解氧、pH的關系復雜不呈線性相關。

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