近30a來長江口海域生態環境狀況變化趨勢分析

楊 穎, 徐 韌

(國家海洋局 東海環境監測中心, 上海 200137)

長江口是我國最大的河口, 具有獨特的河口生態系統。長江口及鄰近海域也是東海區重點監測區域之一。近年來, 長江流域及長三角區域經濟發展迅速、人口相對集中, 特別是大量污染物質經長江徑流進入長江口及鄰近海域, 加上過度捕撈、海上傾廢、海洋運輸及大型工程等所造成的污染和影響, 導致長江口及其近岸海域環境壓力逐年加大, 對海域生態環境造成影響。對長江口及鄰近海域生態環境研究眾多[1-12],對海域生態環境的熱點問題——海域富營養化狀況、營養鹽結構變化、赤潮狀況、環境變化趨勢以及環境要素與徑流、懸沙的相關關系進行研究探索。上述研究一般基于特定航次、季節調查數據, 或短時間序列數據分析, 本文對近30a長江口及鄰近海域環境及污染狀況進行統計, 在較長時間序列上分析了長江口及鄰近海域環境演變趨勢, 并初步探討了趨勢變化成因及環境要素間的相關性, 為長江口區環境保護與管理、環境規劃編制以及區域重大項目開發等提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文中數據主要引用了國家海洋局東海環境監測中心歷年長江口海域趨勢性監測、長江口生態監控區專項監測, 以及上海海洋污染基線調查項目等豐水期(7月～9月)監測數據。限于各監測指標數據引用源略有不同, 數據統計年份也不完全相同。本文中監測范圍為長江口及口外海域, 30°30′N～31°45′N,121°30′E～123°00′E 海域, 面積約 1.4 萬 km2(圖 1)。其中 1984年～1997年在本區域內監測站位較少(20～30個), 但可均勻覆蓋； 1998年～2003年在本監測區域內站位較多, 選取了與圖 1中站位相近的進行統計； 2004年～2014年站位布設與圖1一致。各站位數據采用了表層、中層和底層的平均值。

圖1 長江口海域監測區域與站位示意圖Fig.1 The monitoring area and spots in Changjiang estuary

1.2 方法與標準

監測方法按照《海洋監測規范》(GB17378)和《海洋調查規范》(GB/T12763)中的相關方法執行。水質評價采用單項標準指數評價法, 評價標準采用《海水水質標準》(GB3097-1997)。生物生態指標采用種類數、物種優勢度、多樣性指數等進行評價。

2 生態環境要素變化趨勢分析

2.1 水環境狀況

選擇水環境中的營養指標(無機氮、活性磷酸鹽、硅酸鹽)和污染指標(CODMn、銅、鉛、鎘、總汞)來分析水環境變化狀況。

2.1.1 無機氮

圖2a為1984～2014年長江口及鄰近海域豐水期無機氮的變化趨勢圖。近 30a來無機氮總體上處于明顯的上升趨勢。其中 1987～1989年 3年之間出現了第1個明顯躍升, 無機氮濃度由低于0.1 mg/L躍升到0.8 mg/L左右； 1990～2003年基本在較高水平上波動,13年平均值為0.82 mg/L, 1997年和2001年上、下波動幅度較大； 2003～2005年出現了第2個躍升, 無機氮濃度由0.8 mg/L左右躍升到1.2 mg/L； 2005～2014年一直在高位震蕩, 10年平均值為1.25 mg/L。

2.1.2 活性磷酸鹽

圖2b為1985～2014年長江口及鄰近海域豐水期活性磷酸鹽的年際變化趨勢。近 30a來活性磷酸鹽含量呈現上升趨勢。與無機氮的變化趨勢相類似的,在 1987～1989年和 2003～2005年間出現兩次躍升現象, 其中第一次躍升幅度大于第二次躍升幅度。與無機氮的變化趨勢不同的是, 在 1990～2003年間, 活性磷酸鹽仍然呈上升趨勢, 但上升幅度較緩慢, 13年平均值為 0.023 mg/L。2004～2014年總體在高位震蕩,10年平均值為 0.045 mg/L, 2014年降幅較大, 與2004年相當。

2.1.3 硅酸鹽

圖2c為2002～2014年長江口及鄰近海域豐水期硅酸鹽平均含量的年際變化趨勢。2002～2014年, 長江口水中硅酸鹽平均含量總體呈現降低的趨勢, 其中與2002年、2003年相比, 2004年水體中硅酸鹽驟降45%, 2004～2014年, 硅酸鹽含量比較平穩。

2.1.4 CODMn

圖2d為1993～2014年長江口及鄰近海域豐水期化學需氧量年際變化圖, 除個別年份 CODMn含量較高(1999年)和較低(1995年)外, 大多數年份穩定在0.6～1.6 mg/L之間, 均符合第一類海水水質標準(＜2mg/L)。CODMn用來表征水體中有機污染物水平,20a的連續監測數據表明, CODMn含量一直較穩定,含量處于較低水平。

2.1.5 銅、鉛、鎘、汞

圖2e～2h為長江口及鄰近海域豐水期銅、鉛、鎘、汞的年際變化圖。

銅(圖 2e)的變化趨勢可以基本分為 3個時段,1987～1997 年, 10 年 的平均值在 2.2 μg/L 上下波動；1999～2004 年略有升高, 平均值為 3.2 μg/L； 2005～2014年近10年間, 銅的平均含量有所下降, 平均值為1.8 μg/L。監測年份銅的平均含量均符合第一類海水水質標準(＜5 μg/L), 總體質量良好, 變化趨勢趨于下降。

鉛(圖 2f)的變化趨勢總體趨于下降, 少數年份的鉛平均含量符合第一類海水水質標準(＜1μg/L),大部分年份符合第二類海水水質標準(＜5 μg/L)。

鎘(圖 2g)的變化趨勢總體趨于下降, 監測年份鎘的平均含量均符合第一類海水水質標準(＜1 μg/L),總體質量良好, 除1991、1993和1999年外, 其余年份均低于0.1 μg/L。

汞(圖 2h)的變化趨勢為波動中略有上升, 但最高值出現在1991年。約54%的監測年份汞的平均含量符合第一類海水水質標準(＜50 ng/L), 其余年份汞的平均含量符合第二類海水水質標準(＜200 ng/L)。

2.2 營養鹽結構

營養鹽結構是宏觀上不同營養鹽之間的組成比例, 即水體中氮、磷、硅的相對量。研究營養鹽結構、探討浮游植物初級生產過程中的營養鹽限制因子對了解海洋生態環境起著重要的作用[13]。

近 30a來, 長江口海域豐水期 N/P比值范圍為42.03～107.79, 均遠大于 Redfield比值(一般為 16),N/P比值總體呈下降趨勢(圖3), 1987～2000年N/P比值總體高于 2000年以后。1997年豐水期達到最高,2001年為最低, 但也均超過40, N/P比值一直處于失衡狀態。

Si/N(Redfield比值為 1)比值范圍為 0.47～2.09,與 N/P變化趨勢基本相同, 也呈現較明顯下降趨勢(圖 4), 與硅酸鹽含量持續降低和無機氮含量緩慢上升的趨勢相關。崔彥萍等[14]研究也發現, 在三峽水庫三期蓄水前后, Si/N由平均2.1下降為0.53, 其2010～2011年 3個季度的監測結果均低于 Redfield比值,主要與硅酸鹽減少有很大關系。近10a來, Si/N總體仍處于較適宜的范圍, 未來若無機氮仍持續上升,或硅酸鹽持續下降, 則會出現硅限制。

圖2 長江口海域各監測因子平均含量年際變化Fig.2 Monitoring factors'concentration variation trend in Changjiang estuary water

圖3 長江口海域水質N/P比值的年際變化Fig .3 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

圖4 長江口海域水質Si/N比值的年際變化Fig .4 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

2.3 生物生態狀況

選擇浮游植物、浮游動物指標表述長江口生態系統中生物生態要素的變化趨勢。

2.3.1 浮游植物

自20世紀80年代起, 浮游植物密度年際變化波動較大。總體趨勢呈現先下降后上升的特點。1984～2009年總體處于下降趨勢, 2009年之后波動上升(圖5)。近30a年來長江口區浮游植物群落結構不斷演變,種類組成趨向簡單, 種類個體數量分布不均勻, 少數優勢種類(如中肋骨條藻)在環境條件合適時易大量增殖形成赤潮。群落結構中硅藻為浮游植物中主要類群, 數量上占絕對優勢, 但多年來其所占比例呈緩慢下降趨勢, 甲藻種類所占比例緩慢增加。葉屬峰等[12]研究發現21世紀以來, 長江口及其鄰近海域赤潮生物種由20世紀80年代、90年代以中肋骨條藻等硅藻類赤潮為主的趨勢正在下降, 近岸赤潮生物逐漸由中型硅藻類向小型和微型甲藻類發展, 東海原甲藻、亞歷山大藻等甲藻赤潮發生頻率有所上升。2013年, 長江口及其鄰近海域共發現7起赤潮,其中有6起為甲藻赤潮。甲藻赤潮中有5起赤潮生物優勢種為東海原甲藻, 1起米氏凱倫藻[15]。

2.3.2 浮游動物

圖5 長江口海域浮游植物種類數、硅藻和甲藻比例變化Fig.5 Phytoplankton species, the variation trend of diatoms and pfiesteria ratios in Changjiang estuary

圖6 長江口海域浮游動物種類數和橈足類比例變化Fig.6 Zooplankton species and the variation trend of copepods ratio in Changjiang estuary

浮游動物種類、密度和生物量年際波動較大,1982～2014年, 浮游動物的種類數呈現先上升后下降的趨勢, 2008年種類數達到了186種, 為歷年最高,后逐漸下降。浮游動物群落結構相對穩定, 優勢種以橈足類為主, 但橈足類的種類數所占百分比近年來呈現緩慢下降的趨勢(圖 6)。2004年, 橈足類占浮游動物種類數的50%, 2005、2006年分別降至46%和42%, 2007年降至30%以下, 2008年因種類數、生物量和密度均較大幅度升高, 橈足類比例也有所反彈, 2009年之后一直在較低水平波動。橈足類是一類小型的甲殼動物, 體長不超過3 mm, 隸屬于節肢動物門、甲殼綱、橈足亞綱, 是浮游生物的主要組成類群之一, 種類豐富, 數量很大。橈足類具有很高的利用價值, 既可以作為魚類的優質餌料, 所有魚類的幼魚都以橈足類為食, 在水域食物鏈中起著重要的作用； 又可作為環境監測的重要指示生物類群, 可用于海洋水文的監測, 海洋浮游橈足類中有些種類是海流或水團的指標。橈足類在浮游動物中所占百分比的降低, 顯示浮游動物的群落結構正逐漸發生變化。

3 生態環境要素相關性分析

根據多年監測結果, 長江口及鄰近海域水體中的 CODMn、銅、鎘均符合第一類海水水質標準； 鉛和汞符合第二類海水水質標準； 無機氮和活性磷酸鹽含量較高, 大部分海域劣于第四類海水水質標準,水體富營養化程度較高, 營養鹽結構失衡。生態系統趨于脆弱, 浮游生物群落結構處于不斷變化狀態,浮游植物多樣性較差, 主要種類為硅藻, 其次為甲藻, 但甲藻種類組成比例呈現上升趨勢, 硅藻種類組成處于下降狀態； 浮游動物多樣性尚好, 以橈足類為主, 但橈足類的組成比例也呈下降趨勢。

根據水體環境因子及生態變化情況, 分析長江口海域海水中環境因子與長江入海徑流輸沙量,以及生態變化之間的相關性, 分析引起環境變化的原因。

3.1 入海徑流泥沙變化及與營養鹽、重金屬含量的相關性分析

長江徑流攜帶入海的大量泥沙在長江河口懸浮、沉積, 不但塑造了長江口各類岸灘地貌、潮間帶地貌、水下地形等形態, 是長江河口水體自凈能力的源泉, 也是維持整個長江口生態系統結構穩定的重要因素。分析長江口輸沙量的長期變化趨勢對分析長江口生態系統結構的穩定性具有重要意義。據統計[16], 上世紀 50年代至今, 長江徑流總量呈現波動變化, 沒有明顯的變化趨勢。1951～2000年, 長江平均輸沙量為 4.33 億t/a, 其中 20世紀 50～80年代的平均輸沙量為4.68 億t/a, 90年代則均值為3.52 億t/a,減少了約25.0%(圖7)。總體來看自1950至今長江輸沙量呈明顯的減低趨勢。

討論了長江徑流 2002～2012年輸沙量與營養鹽含量的相關性(取 0.1置信水平, r＞0.582時, 表明檢驗的兩者之間具有顯著性相關性), 發現無機氮、磷酸鹽與徑流輸沙量無顯著相關, 無機氮與輸沙量的相關系數 r=0.557, 為弱相關, 磷酸鹽與輸沙量的相關系數 r=0.152, 為不相關。與氮、磷表現不同, 輸沙量與水體硅酸鹽的含量呈現顯著正相關(圖 8), 相關系數 r=0.748, 即海域水體硅酸鹽的減少與徑流輸沙量減少有關。表明硅酸鹽、無機氮和磷酸鹽在長江口海域有不同的來源, 硅酸鹽主要與徑流含沙量有關, 無機氮和活性磷酸鹽的來源應與面源污染、排污以及海域的營養鹽再生有關。余力華等[17]研究發現, 無機氮濃度的增加, 與農田無機氮肥施用和流失以及污水排放有關, 1962～1998年間無機氮肥使用量與長江大通站無機氮輸送通量的變化趨勢一致。

統計重金屬(銅、鉛、鎘、總汞)與徑流輸沙量的相關性, 發現銅、鉛、鎘和總汞的相關系數r分別為0.447、0.026、0.083和-0.356。結果表明, 海域水體中銅的含量與輸沙量具有弱相關性, 部分銅來源于地表徑流；鉛與鎘的含量與輸沙量無相關性； 總汞與輸沙量呈現一定的負相關性, 即輸沙量減少, 海域總汞含量有一定上升, 可能與懸浮泥沙減少, 水體自凈能力減弱有關。

3.2 硅酸鹽含量與浮游植物種類組成的相關性分析

圖7 長江(大通站)多年徑流量與輸沙量Fig.7 The flow and sediment discharge to Changjiang estuary

圖8 長江口海域水體硅酸鹽含量與徑流輸沙量相關性分析Fig.8 The relativity between silicate and discharge of landslide in Changjiang estuary water

圖9 長江口海域水體硅酸鹽含量與硅藻比例的相關性分析Fig.9 The relativity between silicate and diatoms in Changjiang estuary water

討論了水體硅酸鹽含量與硅藻所占浮游植物百分比的相關性(取 0.1置信水平, r＞0.582時, 表明檢驗的兩者之間具有顯著性相關性), 發現硅酸鹽含量的變化對硅藻的種類組成比例有一定的影響(圖 9),硅酸鹽含量與硅藻比例的相關系數 r=0.639, 具有顯著相關性, 即硅藻在浮游植物中所占比例的減少,與海域硅酸鹽含量下降有一定的關系。孫凌等[18]研究了在圍隔水體中硅對富營養化水體浮游藻類群落生長及演替的影響, 結果表明, 隨著硅酸鹽濃度的增加, 硅藻的生物量提高, 其種類所占比例明顯增加。楊東方等[19]研究表明, Si的限制會使浮游植物的藻類結構從硅藻類轉為非硅藻類； 在氮、磷過剩與硅缺少的環境下, 改變了水體中營養鹽結構, 改變了食物鏈基礎。多年監測發現, 長江口海域赤潮以硅藻赤潮為主逐漸過渡到以甲藻赤潮為主也進一步驗證了這一相關性。

4 小結

根據歷年監測結果, 近30a來, 長江口海域無機氮和活性磷酸鹽含量不斷升高, 由20世紀80年代的一類水體逐漸變成劣四類水體。受水體含沙量下降的影響, 海域硅酸鹽含量明顯下降。水體中營養鹽比例發生變化。CODMn含量和重金屬(銅、鉛、鎘、汞)總體穩定, 在一定范圍內上下波動。近30a來長江口區域浮游植物群落結構不穩定, 硅藻比例有所下降,甲藻比例逐漸上升。浮游動物密度和生物量年際波動較大, 群落結構相對比較穩定, 但其結構也趨向簡單化, 優勢種以橈足類為主, 但橈足類的組成比例有下降趨勢。

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