長江口及其鄰近海域生態環境綜合評價

范海梅,蔣曉山,*,紀煥紅,劉鵬霞,胡茂桂,秦玉濤

1 國家海洋局東海環境監測中心,上海 201206 2 中國科學院地理科學與資源研究所,資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京 100101

長江口及其鄰近海域位于長江徑流與潮流,淡水與咸水相互作用的區域,存在各種不同的水系交匯的混合水域的特征,是典型的河口生態區。地貌形態上,長江口三級分叉、四口入海,包括南支、北支、南港、北港、南槽和北槽。長江口是一個復雜而又特殊的自然綜合體,它對流域的自然變化和人為作用響應最敏感,與近岸海域環境變化密切相連。河口地區是人類活動最為頻繁、環境變化影響最為深遠的地區,對于河口環境變化及其自適應的認識,是水資源可持續利用、人工控制和合理開發的科學依據[1- 3]。沿海經濟的迅速發展,人口的增加,城市化水平的提高,使得長江口地區在經歷自然變化的同時,更為顯著地受到人類活動的深刻影響,長江口區域正面臨著生態環境的嚴峻挑戰和巨大壓力。正是河口區域的自然屬性和人文特征,使得長江口區域成為各方面研究的熱門區域[4]。

許多國家都曾對河口、海灣以及近岸海域環境進行過調查研究[5- 10]。美國和西非沿岸、印度洋、北海、亞得里亞海、日本海、泰國灣等近岸海域的類似調查顯示,氮、磷等的營養物質在近岸海域水體中逐漸增多,且比例正發生變化。富營養的環境引起了浮游植物密度的增長、水體透明度的降低、某些藻類的過度增殖、深海魚類和生物群落多樣性的大規模變化,這一情況遍布整個世界的近岸海域。受長江入海和陸源污染源的影響,長江口及其鄰近海域營養鹽物質輸入和分布特征變化是主要特征[11- 14]。陳吉余和陳沈良[4]給出了上海海域水質的趨勢,指出河口攔門沙附近水質也呈顯著的惡化趨勢,硝酸鹽氮含量近20年增加近4倍;無機氮和活性磷酸鹽年增長率約在5%[15]。據2000—2017年中國海洋環境質量公報顯示,自徐六涇以下均屬劣四類水質,其中,水質評價依據中華人民共和國國家標準《海水水質標準》(GB3097—1997)。長江口及其鄰近海域20世紀80年代基本無富營養化,20世紀80年代末20世紀90年代初輕度富營養化,20世紀90年代中后期為中度富營養化,21世紀以來基本處于中度或重度富營養化[15- 17]。浮游植物群落結構在1984—2010年間不斷變化,甲藻和硅藻比例也在變化,這與長江排海營養鹽比例的變化相一致,無機氮與活性磷酸鹽比值呈下降趨勢,硅酸鹽排放量也不斷下降[18- 21]。

海洋環境評價從單一指標評價(包括水質、沉積物等)發展到海洋生態環境綜合評價。廣泛應用的河口生態環境綜合評價模型包括：歐盟的“生態狀況評價綜合方法”、美國“沿岸海域狀況綜合評價方法[1]”、美國的河口營養狀況評價[2- 3]、歐盟的綜合評價法[5]等。生態環境質量綜合評價模型均屬多參數評價體系,能夠比較全面地評估河口、沿岸海域的生態環境質量和富營養化狀況,反映了對河口和沿岸海域生態環境問題的認識水平和科學研究水平現狀。但是,評價背景值的選擇以及評價指標的權重等難點問題需要不斷探索。自20世紀80年代,國內對海洋環境評價方法進行了不斷探索和研究,從單因子評價方法(沉積物評價依據中華人民共和國國家標準《海洋沉積物質量》(GB18668—2002))發展到綜合評價方法,從水體的富營養化評價、沉積物生態風險評價、生物多樣性指數法評價,發展到對海洋生態環境的綜合評價[22- 24]。目前,海洋功能區環境質量綜合指數法、海水增養殖區環境綜合風險指數等的綜合評價方法在國家海洋局發布的《2015年中國海洋環境質量公報》中進行了示范應用。

本文基于前人對長江口及其鄰近海域的分區和評價,結合生態紅線的劃分(2017年上海市海洋局發布《上海市海洋生態紅線劃定方案》)、排污密集區分布等,劃分了綜合評價單元,建立了三類三級評價指標體系和評價模型,給出長江河口區域生態環境分布特征和趨勢分析。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究區域位于30°30′—32°00′N, 121°00′—123°20′E范圍之內,監測站位大約70個(圖1)。收集了1984—2015年長江口及其鄰近海域活性磷酸鹽(PO4-P)、無機氮(DIN,無機氮是氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽之和)的表層和底層的數據。評價部分主要應用了2011—2015年的數據,包括水質環境、沉積物環境(本文引用表層沉積物數據)和生物生態3個方面,水質環境指標包括無機氮(DIN: Dissolved inorganic nitrogen)、活性磷酸鹽(PO4-P)、銅(Cu)、砷(As)、石油類;沉積物環境指標包括粒度、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、汞(Hg)、砷(As)、滴滴涕(DDT)、多氯聯苯(PCBs)和石油類;生物生態指標包括浮游植物、浮游動物和底棲生物的多樣性指數。

圖1 研究區域和主要監測站位分布Fig.1 Study area and location of main sample sites

1.2 水質要素處理方法

利用水體的重金屬污染指數法,對銅(Cu)、砷(As)兩種元素的污染水平進行評價。計算公式如下：

1.3 沉積物要素處理方法

1.3.1重金屬風險指數

表1 沉積物中重金屬生態風險評價背景值及其毒性系數

1.3.2有機化學物指數

利用沉積物中滴滴涕(DDT)和多氯聯苯(PCBs)的持久性有機污染水平進行評價。計算公式如下：

1.4 生物多樣性指數

生物多樣性指數計算公式：

式中,H′為Shannon-Weiver種類多樣性指數,S為樣品中的種類總數,Pi為第i種的個體數(ni)與總個體數(N)的比值。

1.5 評價指標體系和模型

構建長江口及其鄰近海域生態環境三級評價指標體系,選擇典型指標進行生態環境綜合評價,具體指標見表2。

表2 海域生態環境綜合評價指標體系

根據以下模型計算環境綜合評價指數,確定海洋生態環境綜合狀況。評價模型如下：

Ei為第i區綜合指數;Wi為第i區水質環境指數,用無機氮濃度賦值(Nwi)、活性磷酸鹽濃度賦值(Pwi)、重金屬污染指數賦值(Mwi)、石油類濃度賦值(Owi)進行表征;即：

Wi=(Nwi+Pwi+Mwi+Owi)/4

Si為第i區沉積物環境指數,用沉積物的重金屬風險指數賦值(RIsi)、有機化學物指數賦值(AIsi)、石油類含量賦值(OIsi)進行表征,并根據沉積物類型進行矯正,各個評價單元的矯正系數k在綜合分區中給出;即：

Si=k×(RIsi+AIsi+OIsi)/3

Bi為第i區生物生態指數,用浮游植物的生物多樣性指數賦值(Hbi)、浮游動物的生物多樣性指數賦值(Zbi)和底棲生物的生物多樣性指數賦值(Mbi)進行表征;即：

Bi=(Hbi+Zbi+Mbi)/3

2 結果分析

2.1 評價單元的劃分

評價單元劃分的不確定性一方面源于海洋生態環境的周期動態變化,另外一方面由于樣點數據不足以支撐對生態環境的全面描述。為了更準確的刻畫長江口及其鄰近海域水質環境、沉積物環境、生物生態等的變異特性,借鑒了已有的分區研究結果,例如,基于自然地理特征對長江口水域進行了分區[9],基于關鍵要素和梯度法對關鍵要素的過渡區進行了劃分[24],基于營養鹽聚類分析確定了春、夏、秋3個季節長江口環境分區,基于海域表層沉積物類型的分布特征的分區[26]。現有的分區研究基本是基于地理、水質、沉積物等分布特征進行的較大范圍的分區,而沒有考慮主要敏感功能區(濕地保護區等)、生態紅線區、排污區以及工程密集區等的分布特點。另外,已有的分區是根據某次監測要素的指標數據進行的,對監測數據的偶然性和規律性考慮不足。本文在已有研究結果的基礎上,考慮海洋環境功能區、紅線保護區和管理需求等,對研究海域進行更細致的評價單元的劃分,并對各個評價單元進行綜合分區評價。

結合海洋生態紅線區和重點排污口等,根據河口懸浮物環境特征、水團特征、水質環境特征、沉積物環境特征、生物生態等進行綜合的評價單元劃分。通過綜合分區得到的每個子區域,都是具有一定的生態環境特征或者特別功能特征(重點排污口、紅線保護區等),因此,每個子區域的獨一無二的屬性,影響或決定了各個子區域的站位布局、綜合評價和管理需求。重點排污區、紅線區等都需要增加監測力度、管理措施,為達到控制污染、保護環境的目的而積累成果。

2.1.1營養鹽基準值

長江口及其鄰近海域的富營養化嚴重。1988年是無機氮和活性磷酸鹽含量快速增長的轉折年(圖2和圖3),之后無機氮和活性磷酸鹽含量呈波動上升趨勢,可見,營養鹽的發展變化是從快速增長,到緩慢波動增長的,這與總體水質變化趨勢相一致,也說明了營養鹽是該海域水質環境最重要的代表性污染物。該海域營養鹽輸入主要以水平輸運為主,長江徑流攜帶入海、沿岸的污水排放占絕大部分。長江口及其鄰近海域無機氮含量的快速增長與人類活動的影響有關,長江沿江流域的化肥施用量不斷增長,其中氮肥從20世紀60年代的每年幾十萬噸,增長到20世紀80年代的400×104—500×104t/a,氮肥用量的快速增長直接或間接地導致了水體中硝酸鹽含量的增加,而生活污水排放量的逐年增加也是氮營養鹽含量增加的主要原因之一。

根據1984—2015年長江口及其鄰近海域營養鹽數據,對無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(PO4-P)的表、底層年均變化趨勢進行分析評價,發現：無機氮和活性磷酸鹽具有線性上升趨勢,1988年是營養鹽含量的快速增長的起始年,之后持續攀升,因此,活性磷酸鹽和無機氮的基準年確定為1987年,1984—1987年營養鹽要素的平均值為基準值(表3)。2000年以來,無機氮主要處于高位震蕩狀態,而活性磷酸鹽則直線上升。無機氮表、底含量相差較大,活性磷酸鹽表、底含量差別相對較小。

表3 長江口及其鄰近海域海水營養鹽的基準值

圖2 1984—2015年研究區域無機氮年均含量變化趨勢Fig.2 Trend of annual mean DIN from 1984 to 2015 in study area

圖3 1984—2015年研究區域活性磷酸鹽年均含量變化趨勢Fig.3 Trend of annual mean PO4-P from 1984 to 2015 in study area

2.1.2營養鹽分區閾值

根據頻數分析法,應用2000—2015年長江口及其鄰近海域所有站位、所有月份、表底層監測數據(無機氮和活性磷酸鹽的樣本量均為3397個)頻數分布,繪制頻數分布曲線圖(圖4—圖6)。由頻數分布曲線圖也可以發現,活性磷酸鹽在水體中的濃度變化(時間和空間)分布,是單一峰的正態曲線,并且標準差比較小(0.0178),說明活性磷酸鹽的濃度分布曲線比較陡峭,其值集中的分布在均值(0.0410)兩側。無機氮在水體中的濃度值曲線為兩個正態分布曲線,均值較小分布曲線體現了底層水體的分布狀況,另一個正態分布曲線體現了表層水體的分布狀況;比較兩者的均值和標準差發現,底層水體分布曲線的均小于表層的,說明表層水體無機氮的分布變化范圍比較大,同時受長江淡水和海水的影響顯著。

圖4 2000—2015年研究區域活性磷酸鹽頻數分布曲線 Fig.4 Frequency distribution of PO4-P from 2000 to 2015 in study area

圖5 2000—2015年研究區域表層無機氮頻數分布曲線 Fig.5 Frequency distribution of surface DIN from 2000 to 2015 in study area

圖6 2000—2015年研究區域底層無機氮頻數分布曲線 Fig.6 Frequency distribution of bottom DIN from 2000 to 2015 in study area

參照美國國家環境保護局推薦的方法[6],分別取第25百分點和75百分點作為目前營養鹽分級的參照狀態,得到2000年后無機氮和活性磷酸鹽的分級閾值(表4)。活性磷酸鹽表底數據頻數分布曲線的第25百分點和75百分點的值分別為0.0289和0.0530,作為活性磷酸鹽分區閾值;無機氮表層數據頻數分布曲線的第25百分點和75百分點的值分別為1.15和1.82,底層數據頻數分布曲線的第25百分點和75百分點的值分別為0.195和0.339,選擇底層曲線的第75百分點和表層曲線的第25百分點的值分別為0.339和1.15,作為無機氮分區閾值。

2.1.3營養鹽分區

利用無機氮分區閾值,根據2015年8月份無機氮分布特征進行分區,總體上整個監測區域分為口內區、過渡區和口外區(圖7)。

表4 基于營養鹽要素頻數分布的分級閾值

圖7 2015年8月無機氮表底層分布特征(實線：表層;虛線：底層)Fig.7 Distribution of DIN on August 2015 (solid lines: surface; dash lines: bottom)

利用活性磷酸鹽分區閾值,根據2015年8月份活性磷酸鹽分布特征進行分區,總體上整個監測區域分為口內區、過渡區和口外區(圖8)。

圖8 2015年8月活性磷酸鹽表底層分布特征(實線：表層;虛線：底層)Fig.8 Distribution of PO4-P on August 2015 (solid lines: surface; dash lines: bottom)

水體環境的營養鹽的分布特征相似,基本表現為從口內區域向口外區域逐漸減少,偶爾沿岸局部區域出現高值。水體環境中重金屬污染指數和石油類分布規律性較差,區域特征不明顯,在航道、排污口、港口碼頭偶爾會出現高值。因此,根據水體物質的分布規律進行分區的決定要素是無機氮和活性磷酸鹽。

2.1.4綜合分區

沉積物重金屬風險指數、有機化學物指數等主要分布特征為沿岸排污口區域、口門、港口工程區或近海區域偶爾間斷會出現高值或者低值,整個區域沒有明顯規律;而沉積物類型分布從口內到口外的變化規律明顯[26]。

浮游植物和浮游動物種類的組成和生態類型混雜,群落結構呈現多種結構復合的特征,其單一性群落特征不明顯。浮游植物組成中以近岸低鹽性類群、河口半咸水類群和淡水類群為主,還有外海高鹽類群和海洋廣布性類群,浮游植物分布受溫、鹽影響明顯,具有較明顯的區域特征。浮游動物種類組成大致可分為五大群落：淡水生態群落、半咸水河口生態群落、低鹽近岸生態群落、溫帶外海高鹽生態群落和熱帶高溫高鹽生態群落。

海洋生態紅線制度是指為維護海洋生態健康與生態安全,將重要海洋生態功能區、生態敏感區和生態脆弱區劃定為重點管控區域并實施嚴格分類管控的底線約束制度,旨在對具有重要保護價值和生態價值的海域實施分類指導、分區管理和分級保護。上海市海洋生態紅線區包括自然保護區、飲用水水源保護區、特別保護海島、重要濱海濕地、重要漁業海域、整治修復岸線、自然岸線等。

水團特征、水體營養鹽分布、沉積物類型、生物生態組成等水體基本屬性是評價單元劃分的基礎,然后結合生態紅線區、污染源分布、海洋工程區等具有開發管理屬性的分區,具體劃分8個評價單元(表5、表6、圖9)。

2.2 指標分級與賦值評價

指標分級和賦值評價是指標體系模型的難點之一,海域生態環境的周期性和趨勢性變化既是分級評價的基礎,又是評價的結果,因此,為了準確的確定研究海域環境指標體系的特征,本文參考了前人的相關研究成果。鄭丙輝基于多年營養鹽數據在分區的基礎上進行了長江口區域基準值的研究[27],本文借鑒其研究方法并豐富了數據源,進一步研究了水體中無機氮、活性磷酸鹽等水質要素的分級與賦值。基于長江口及毗鄰海域沉積物生態環境質量評價和潛在生態風險評價,給出了沉積物質量指標的分級與賦值[28- 29]。在長江口海域環境指標閾值的研究方法和相關成果的基礎上,本文根據長江口及其鄰近海域多年監測數據和環境特征,確定各個評價指標的標準值范圍及其對應的評價指數,具體見表7。

表5 長江口及其鄰近海域各分區的環境特征

“Sz I”代表subzone I,“Sz Ⅱ”代表subzone Ⅱ,...,“Sz VIII”代表subzone VIII

表6 各分區重點污染源、生態紅線分布以及管理目標*

*本表中未出現具體排污口名稱或生態紅線區名稱,“—”表示分區內不存在

圖9 綜合分區Fig.9 Comprehensive subzones

根據綜合評價指標體系模型,計算獲得綜合指數Ei在1—4之間,數值越大代表環境越好,具體水質環境指數、沉積物環境指數、生物生態指數、綜合評價指數分級及其環境特征見表8。

表7 海域生態環境綜合評價指標標準與賦值

表8 海域生態環境綜合評價中目標層的分級與評價

2.3 水質環境、沉積物環境、生物生態評價

2.3.1水質環境評價

2012—2015年水質環境評價發現(表9),水質總體有改善向好的趨勢,其中口外區域的趨勢較明顯。空間分布表現為從口內區域向口外區域逐漸變好：口內區域除了Ⅴ區(杭州灣北部)在2012年出現水質環境評級為差和Ⅲ區(北港)在2014年水質環境評級為較好,其他區域和年份評級均為一般;口外區域除了Ⅵ區(過渡區)在2012年和2013年出現評級一般,其他區域和年份評級均為較好。

綜合多年的比較,各區域從差到好的排序為：Ⅴ區<Ⅰ區<Ⅳ區<Ⅱ區<Ⅲ區<Ⅵ區<Ⅶ區<Ⅷ區。研究區域海水水質主要受長江陸源入海污染物的影響,使得該區域呈顯著的富營養化狀態。但是,上海市沿岸的排污影響也不容忽視,尤其是杭州灣北部、南槽、北槽是人類活動強度較大區域,同時又是重要濱海濕地和自然岸線的保護區域。

表9 2012—2015年水質環境指數及其評價結果

2.3.2沉積物環境評價

2012—2015年沉積物環境評價發現(表10),沉積物環境穩定,Ⅲ區、Ⅳ區(北港、南港、南槽、北槽)略有向好趨勢。各分區之間比較,從差到好為：首先Ⅳ區(南港、南槽和北槽)最差;其次是Ⅵ區、Ⅷ區(過渡區和近海區域);然后是Ⅴ區、Ⅶ區(杭州灣北部和北支外區域);Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區(南支、北支和北港)最好。與水質區域分布特征不同,南支、北支和北港的沉積物質量好于口外區域。南港、南槽和北槽和杭州灣北部是碼頭、排污口、工程分布集中,有機化學物指數、重金屬風險指數、石油類均為沉積物質量污染因素。

從4年沉積物環境評價發現,北支和北支外區域受持久性化合物污染較嚴重;南槽、北槽和口外區域石油類明顯高于其他區域;重金屬風險指數北支低于其他區域。研究區域沉積物重金屬風險指數排序：汞>鎘>鉛>砷>銅>鉻>鋅。

表10 2012—2015年沉積物環境指數及其評價結果

“*”表示未檢出

2.3.3生物生態評價

2012—2015年生物生態評價發現(表11),口內區域生物生態略有趨好,口外區域變化不明顯。各區域之間比較結果為：Ⅵ區、Ⅶ區、Ⅷ區(口外區域)最好;Ⅰ區(北支)其次;其他區域較差。生物生態與水質環境的區域特征相似。

表11 2012—2015年生物生態指數及其評價結果

2.4 生態環境綜合評價

2012—2015年通過指標體系方法(表12),對水質環境、沉積物環境和生物生態評價發現,總體上,研究海域的生態環境有所改善。各分區生態環境綜合排序為：Ⅳ區<Ⅴ區<Ⅲ區<Ⅰ區<Ⅱ區<Ⅵ區<Ⅷ區<Ⅶ區。

Ⅳ區、Ⅴ區(南港、南槽、北槽和杭州灣北部)從水質環境、沉積物環境和生物生態3個方面均是污染嚴重的區域;而Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區(南支、北支和北港)沉積物環境明顯好于Ⅳ區、Ⅴ區(南港、南槽、北槽和杭州灣北部),因此,雖然整個口內區域的水質環境差異不明顯,但是綜合考慮時,Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區(南支、北支和北港)表現出了優勢。而口外區域Ⅵ區、Ⅶ區、Ⅷ區的水質環境、生物生態是所有區域中較好。

比較不同的年份,總體有向好趨勢。口外區域的年度變化為：2015年綜合環境最好,其次是2013年較好,2014年較差,2012年綜合環境最差。口內區域則表現為：2014年和2015年綜合環境持平最好,其次是2013年,2012年也是最差的。

表12 2012—2015年生態環境綜合指數及其評價結果

3 討論

(1)綜合分區與環境變化及海域功能劃分相輔相成

研究海域水體中的無機氮和活性磷酸鹽主要來源于長江徑流,從20世紀80年代起,長江排海通量的年增長率和研究海域年均濃度增長率之間具有顯著的相關性[15]。營養鹽物質濃度分布特征受徑流和潮流動力交換的影響,體現了河口區此消彼長的動力過程。綜合分區隨著徑流與潮流的動力過程而變化的,從而產生環境特征的季節年度變化。在長江河口區域典型的口內區(淡水區)、過渡區(最大渾濁帶區)和口外區(咸水區)的基礎上,還要考慮環境變化、海域功能特性、紅線劃分等多方面的因素,實現研究區域評價單元的動態劃分,可見,分區與評價相輔相成。

(2)評價模型中指標及其權重、分級標準與評價等問題有待深入探索

本文建立了基于三級三類評價指標體系的綜合評價模型,包括水質環境指標、沉積物環境指標、生物生態指標。但是,針對特定的海洋功能區選擇具有代表性的評價指標、指標權重,相應的指標分級標準的劃分和綜合指數等級評價等,均為綜合評價模型中涉及到的重點問題,需要繼續深入分析探索。

(3)通過生態環境評價發現環境保護管理問題

南港、南槽、北槽、杭州灣北部區域生態環境比較差,除了陸源入海污染物的影響外,沿岸人類活動開發強度較大使之成為生態環境的敏感脆弱區。2015年來,在全國污染防治行動計劃的指導下,上海市非常重視海洋生態環境保護與陸海統籌建設,實施了強化入河入海排污口監督,提標改造排放工程,削減養殖總量,優化養殖布局等一系列環保措施。研究海域的生態環境綜合狀況隨時間向好趨勢明顯,2015年以后該海域生態環境質量必然呈波動式趨好態勢,繼續跟蹤趨勢性監測評價,更有助于海洋環境保護和資源環境的可持續發展。

4 結論

長江口及其鄰近海域無機氮和活性磷酸鹽的基準年是1987年,基準值分別是0.0705 mg/L和0.000751 mg/L;無機氮的分區閾值為0.339 mg/L和1.15 mg/L,活性磷酸鹽的分區閾值為0.0289 mg/L和0.0530 mg/L。結合生態環境分布特征和生態紅線區,將長江口及其鄰近海域劃分為8個評價單元,利用評價模型進行區域生態環境評價,生態環境由差向好的區域變化特征為：Ⅳ區<Ⅴ區<Ⅲ區<Ⅰ區<Ⅱ區<Ⅵ區<Ⅷ區<Ⅶ區;隨時間向好趨勢明顯。

致謝：國家海洋局東海環境監測中心工作人員幫助現場采樣、實驗室分析及數據處理，特此致謝。