福建省近岸海域環境因子分布特征及富營養化評價

劉麗華, 賀 琦, 蘭景權, 田永強, 張江龍, 張亞爽, 許文鋒

福建省近岸海域環境因子分布特征及富營養化評價

劉麗華, 賀 琦, 蘭景權, 田永強, 張江龍, 張亞爽, 許文鋒

(福建省廈門環境監測中心站 廈門 361102)

本研究于2019年春、夏、秋季對福建省閩西南近岸海域海水營養鹽和葉綠素等環境因子進行調查采樣, 分析其時空分布特征, 同時應用有機污染指數法和富營養化指數法2種評價方法對該海域海水富營養化水平進行評價對比, 采用主成分分析法探討環境因子對該海域富營養化狀態的影響。結果顯示, 有機污染指數和富營養化指數的時空分布特征基本一致, 季節上表現為春季>秋季>夏季; 空間上呈各河入海口向遠岸海域逐漸降低的趨勢, 內灣附近海域污染最嚴重; 調查海域海水富營養化的主要影響因子是總氮和無機氮, 且與鹽度、pH和溶解氧呈顯著的負相關, 說明陸源徑流對該海域海水的富營養化水平起著重要的調控作用。

近岸海域; 富營養化; 評價; 主成分分析

近岸海域的初級生產在全球物質循環中占有顯著的地位。海水中的營養鹽是海洋生物生長所必需的, 它們在控制海洋初級生產力和海洋植物的生長等方面起著重要的作用[1]。初級生產受活性磷酸鹽(DIP)、可溶性無機氮(DIN)和可溶性硅酸鹽(DSi)含量及比例的影響, 且和碳循環緊密相關[2-5]。營養鹽含量過高, 會造成海水富營養化、赤潮等問題, 已成為威脅沿海生態平衡的主要因素之一, 影響海水質量和海域的使用, 造成巨大的經濟損失; 而營養鹽含量過低, 又會限制海洋植物的生長[6-7]。近年來, 海域富營養化問題一直成為人們的研究熱點, 尤其在城市化水平高、人口密集、生活污水與工農業廢水排放量大以及過度水產養殖的近岸海域, 富營養化問題越發嚴重[8-9]。

福建海域地處我國東南沿海, 臺灣海峽西岸, 北起福鼎市沙埕港, 與浙江海域相接, 南至詔安灣, 與廣東海域相連。福建海域十分遼闊, 沿岸0～20 m深的海域面積達8 959.6 km2, 大陸岸線總長3 324 km, 直線長度535 km, 岸線曲折率為1∶5.7, 居全國首位。隨著海西經濟發展的加快, 濱海旅游、臨海工業、近海養殖、港口建設等海洋開發活動獲得了空前的發展, 給近岸海域的環境質量帶來了不利的影響, 大量污染物通過地表徑流等途徑直接或間接排入大海, 水體N、P含量與日俱增, 部分海灣富營養化嚴重[10-11], 赤潮時有發生。近岸海域營養鹽的時空分布特征和營養結構不僅直接影響海洋生物生產力和生物多樣性的變動, 而且能夠直接反映海域受人類影響的富營養化程度[5], 是評價海域環境質量的關鍵指標。目前, 對福建省近岸海域營養鹽和物理因子分布及變化特征的研究多是針對海域內局部海灣或多為較早的歷史資料, 對整個福建省近岸海域的研究相對較少, 特別是應用因子分析法研究其環境影響因素的報道較為缺乏。

本研究通過對2019年福建省閩西南近岸海域的水環境進行調查, 分析了福建省閩西南近岸海域水質環境因子現狀及富營養化程度, 探討其營養鹽的時空分布特點, 并在此基礎上應用主成分分析法對其環境影響因素進行分析, 得出影響海水富營養化的主要影響因子, 為控制調查海域富營養化, 水環境保護與管理及對策研究提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 調查時間和區域

調查區域設在福建省閩西南近岸海域(117°2192′～ 119°2197′E, 23°5722′～24°5900′N), 共設置107個調查站位(圖1)。根據《2019年全國海洋生態環境監測工作實施方案》的統一部署, 分別于2019年4月(春季)、2019年8月(夏季)以及 2019年10月(秋季)三個季度進行采樣調查。每期采樣118個, 采集3期, 共354個樣品。樣品采集、儲存與運輸等按照《海洋監測規范》(GB17378—2007)和《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)等要求進行。對各站位進行分層取樣, 在水深小于10 m取表層水樣, 在大于10 m且小于25 m取表層和與底層水樣, 在水深大于25 m取表層、10 m層與底層水樣。調查結果均采用水柱平均值, 計算方法按照下列公式(1)與(2)進行。

1.2 調查因子

水質因子調查: 本次調查的海水水質因子分別為水溫()、pH、總懸浮顆粒物(TSP)、鹽度()、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、溶解磷酸鹽(DIP)、溶解無機氮(DIN)、化學需氧量 (CODMn)、葉綠素(Chl-)等11個因子, 其中DIN為NH4+-N、NO2–-N、NO3–-N之和。分析方法依據《海洋監測規范》(GB17378-2007)進行。

1.3 水質評價

富營養化評價采用有機污染指數()和富營養化指數()相結合的方法[12-14]。

圖1 采樣點分布圖

有機污染指數法[15-17]是根據DIN、DIP、COD以及DO等指標污染指數之和判斷水質污染情況[15-17]的一種評價方法。

其中,為有機污染指數;COD、DIN、DIP、DO分別為化學需氧量、溶解無機氮、溶解磷酸鹽、溶解氧的實測濃度;COD、DIN、DIP、DO為調查海域相應功能區執行國家海水水質標準。水質有機污染指數等級劃分如表1所示。本研究調查海域所采用的國家水質標準按照《2019年全國海洋生態環境監測工作實施方案》中要求的功能區類型執行。

表1 水質有機污染指數等級劃分

富營養化指數計算公式如下:

=COD×DIN×DIP×106/4 500, (4)

式中,COD、DIN、DIP分別為溶解無機氮、化學需氧量、溶解磷酸鹽的濃度, 單位為mg/L。水質富營養化指數等級劃分如表2所示。

1.4 數據處理

數據的統計分析采用Excel 2017; 主成分分析采用SPSS 21.0統計軟件, 首先對原始數據進行標準化處理, 再運用SPSS 21.0統計軟件對數據進行降維分析[18-20], 同時采用SPSS 21.0統計軟件進行數據多重比較分析。

表2 富營養化指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 福建省閩西南近岸海域水質現狀

2.1.1 各環境因子季節性變化

各環境因子的季節性變化情況如表3所示。溶解氧濃度的季節變化較顯著, 春秋季較高且波動大, 夏季較低。pH值、鹽度和化學需氧量濃度季節變化不大, pH值3個季節的均值都在7.86～7.91間; 化學需氧量春秋季一致, 夏季略低, 但夏季波動較大。營養鹽的季節波動較大, 總氮、溶解磷酸鹽、總磷和溶解無機氮的最高值與最低值之比分別為91.6 mg·L–1, 209 mg·L–1, 41.5 mg·L–1和492.5 mg·L–1。由于南方秋季溫度仍然較高, 在25 ℃左右很適合浮游植物生產, 因此秋季葉綠素濃度較高, 隨著溫度下降, 浮游植物生長下降, 春季的葉綠素逐漸下降, 至夏季溫度上升, 浮游植物生長加快使其葉綠素有所回升達到最大值13 μg·L–1, 各站位葉綠素濃度在夏季波動最大。

2.1.2 各環境因子空間分布變化

各評價因子空間分布趨勢如圖2—圖4所示。pH值和懸浮物空間分布基本呈明顯的由近岸向離岸海域遞增趨勢。溶解氧春季呈與岸線垂直的塊狀分布, 總體水平分布較為均一。溶解無機氮在春夏秋季分布趨勢較為相似, 都是在灣內濃度較高, 春季在九龍江入海口出現高值中心, 夏季在漳江、九龍江和晉江入海口呈現多中心斑塊狀分布, 秋季高值中心轉移至晉江入海口。化學需氧量在春季從北向南逐漸遞減, 呈多中心分布, 最高值中心出現在泉州海域范圍內, 夏季則呈由近岸向離岸海域遞減再遞增的趨勢, 在晉江入海口出現高值中心, 而秋季高值中心轉移到古雷半島附近海域。溶解磷酸鹽三季分布趨勢基本相似, 均在詔安灣近岸海域有高值中心。總磷與總氮的空間變化趨勢較為類似, 總氮在各個港灣都呈現較高的濃度值, 在夏秋尤為明顯, 總磷三季均在詔安灣近岸海域出現高值中心, 與活性磷酸鹽分布趨勢相似。春季Chl-含量高值區位于廈門海域中部和泉州近岸海域, 夏季和秋季Chl-含量分布相類似, 均表現為近岸高、離岸低的分布趨勢。

表3 各因子季節變化趨勢

注: 采用Duncan多重比較分析, 顯著水平0.05, 同行中無相同英文字母的數值間差異顯著, 凡有一個相同字母的數值間差異不顯著

圖2 pH、溫度、鹽度和總懸浮顆粒物的空間分布

圖3 溶解氧、溶解無機氮和總氮的空間分布

2.2 有機污染指數和富營養化指數的時空分布

2.2.1 有機污染指數值的時空分布特征

經計算, 調查海域有機污染指數春季范圍為–1.86～ 7.95, 平均值為0.82; 夏季范圍為–2.06～13.62, 平均值為0.81; 秋季范圍為–1.74～7.99, 平均值為0.82。根據有機污染指數的劃分原則, 所有調查點位的有機污染指數均低于1, 表現為較好。由圖5可知, 有機污染指數時空分別特征較為相似, 整體呈現灣內向灣外遞減的趨勢, 且在詔安灣附近有機污染指數明顯較高(深綠色區域), 達到嚴重污染等級(>4), 表明該區域水體的污染程度十分嚴重, 且其春季在內灣出現較多的高值中心,

2.2.2 富營養化指數值的時空分布特征

經分析, 研究海域富營養化指數春季范圍為0.01～ 27.61, 平均值為1.13, 夏季范圍為0.00～62.57, 平均值為0.73; 秋季范圍為0.00～53.95, 平均值為0.99。對照營養狀況指數的分級標準, 調查海域富營養化指數春季>秋季>夏季, 但均處于輕度富營養化狀態。由圖5可知, 春季廈門灣內和晉江灣內富營養化程度較高, 夏季高值中心轉移至漳州灣和詔安灣內; 秋季分布較勻一, 沒有明顯的高值中心; 空間分布特征呈現內灣高, 遠岸低的變化趨勢。

圖4 化學需氧量、溶解磷酸鹽、總磷、葉綠素a的空間分布

圖5 有機污染指數Q和富營養化指數E時空分布

圖5表明, 富營養化指數和有機污染指數空間分布特征相類似, 均是內灣附近海域污染最嚴重, 其變化趨勢呈各河入海口向灣外逐漸降低。離岸越遠, 陸源輸入營養鹽越少, 海洋植物生長受到限制, 光合作用減弱, 溶解氧含氧量也隨之降低, 反之則相反, 與實際情況較符合。

2.3 富營養化指數的季節變化特征及影響因素分析

本調查應用主成分分析法分析了各季節pＨ、水溫、鹽度、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、溶解磷酸鹽(DIP)、溶解無機氮(DIN)、總氮、總磷、懸浮物和葉綠素等環境因子對富營養化狀態的影響。統計結果顯示KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)統計量均大于0.6,巴特利球體檢驗概率為0.000, 表明可以采用主成分分析法對調查海域水質富營養化成因進行降維分析。

圖6(a)主成分分析結果表明, 春季前3個主成分累計貢獻率達67.785%, 可以代表富營養化相關指標的關鍵信息, 主成分1對總方差的貢獻率為37.85%; 旋轉因子載荷顯示, 在主成分1上溶解無機氮、總氮、溶解磷酸鹽、總磷和鹽度的載荷較大, 因子載荷均大于0.6。與富營養化同向且距離較近的因子有: 總氮、無機氮; 反向因子有: 鹽度和DO。即富營養化指數隨著總氮、無機氮變大而增大; 隨著鹽度和DO增大而減小。

圖6(b)主成分分析結果表明, 夏季前3個主成分累計貢獻率達79.138%, 可以代表富營養化相關指標的關鍵信息, 主成分1對總方差的貢獻率為49.72%; 旋轉因子載荷顯示, 在主成分1上溶解無機氮、總氮、溶解磷酸鹽、總磷和化學需氧量的載荷較大, 因子載荷均大于0.8。與富營養化同向且距離較近的因子有: 溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、化學需氧量和懸浮物; 反向因子有: 鹽度和pH。即富營養化指數隨著溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、化學需氧量和懸浮物增大而升高; 隨著pH和鹽度升高而降低。

圖6 各季節環境因子對富營養化狀態影響因子載荷圖

圖6(c)主成分分析結果表明, 秋季前4個主成分累計貢獻率達78.331%, 可以代表富營養化相關指標的關鍵信息, 主成分1對總方差的貢獻率為44.56%; 旋轉因子載荷顯示, 在主成分1上溶解無機氮、總氮、溶解磷酸鹽和總磷的載荷較大, 因子載荷均大于0.8。與富營養化同向且距離較近的因子有: 溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、葉綠素和懸浮物; 反向因子有: 鹽度和pH。即富營養化指數隨著溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、葉綠素和懸浮物增大而升高; 隨著pH和鹽度升高而降低。

各季節富營養化指數值與各因子Spearman相關分析表明(表4), 3個季節值與溶解無機氮、總氮呈極顯著的正相關, 說明溶解無機氮、總氮含量對調查海域的富營養化狀況起關鍵性作用; 與溶解氧、鹽度、pH值呈負相關, 說明陸源入海排污和河口稀釋對調查海域富營養化影響極大。

3 討論

福建省閩西南近岸海域3個季節的富營養化指數的空間分布均呈從灣內向灣外, 由近岸向離岸逐漸變小的趨勢, 這種分布狀況與潮流和灣內自然地形密切相關, 也與陸源的輸入有關。福建省閩西南近岸海域的主要入海河流有晉江、九龍江、漳江和東溪, 這些流域的生活污水、養殖和工業廢水、垃圾等大量陸源污染物經各入海口進入海域后, 隨著海域的潮流運動不斷稀釋沖淡混合。

福建省閩西南近岸海域富營養化指數的季節變化特點為春季>秋季>夏季, 與有機污染指數評價結果一致。進一步分析得到決定富營養化指數大小的關鍵指標是溶解磷酸鹽、溶解無機氮和化學需氧量, 由表1數據來看, 春季調查海域化學需氧量和溶解無機氮具有較高的值, 主要是由于溫度降低, 海洋生物活動能力下降, 同時南方春季多雨, 將工農業中的面源和點源污染物隨著雨水沖刷進入海域, 造成溶解無機氮和化學需氧量的含量較高, 使得對春季富營養化指數的影響變得尤為明顯[21], 另外夏季溶解無機氮含量降低, 葉綠素含量升高, 表明調查海域由于夏季水溫升高、光照增強, 海洋植物迅速繁殖, 消耗大量的營養鹽, 導致夏季溶解無機氮含量低于春秋兩季。化學需氧量作為主要陸源排海污染物之一, 大都是自來處理率低、排量大的工農業廢水和生活污水, 其共同性質是混濁度大, 含有大量溶解性的有機質和懸浮物, 當污水排放量大時, 影響尤為明顯[22], 從秋季載荷圖中也可以看出富營養化指數與懸浮物存在明顯相關性, 秋季為枯水期, 降雨量減少, 廢水量所占比例增大, 使得秋季COD含量上升, 同時TSP中有機質的存在也使得COD濃度較高, 因此秋季富營養化指數值比夏季高。

表4 3個季節E值與各環境因子相關分析

注: **在0.01水平上顯著相關

主成分分析表明福建省閩西南近岸海域富營養化水平與鹽度和pH值呈顯著的負相關, 可能的主要原因是陸源徑流對海水有明顯的稀釋作用[23], 導致了鹽度與富營養化指數呈負相關[24]; pH在水體中主要受游離二氧化碳(CO2)和碳酸根離子(CO32–) 含量的調控, 而水體中二氧化碳的增減又是水中生物呼吸作用、有機質的氧化作用和植物光合作用的相對強弱決定的[23, 25], 因此在富營養化水體中, CO2含量增減主要受生物變化的調控。另外海水中的pH比淡水高, 富營養化水平與pH呈顯著的負相關說明海水中高濃度的COD、氮和磷可能來自陸源徑流的淡水, 此現象與李亞麗等[23]研究一致, 進一步說明福建省近岸海域富營養化水平主要受陸源徑流調控。

另外, 主成分分析也發現福建省閩西南近岸海域富營養化水平與DO呈顯著的負相關, 海水中的DO主要來源于大氣的輸送和海洋植物的光合作用。對于近岸海域海水中DO的變化, 除受溫度、鹽度、生物因素和海水運動影響外, 由于降雨、河水的流入引起流速的變化使大量的氧氣溶解在水里, 從而影響海水中DO的變化。根據實際監測數據的平均值表明, 本研究DO含量由小到大順序依次是夏季(6.09)<秋季(6.60)<春季(7.17), 與夏季最小而冬季相對較大自然規律相一致, 此現象與李亞麗等[23]研究一致。因而, 富營養化指數與溶解氧之間的互作關系值得下一步繼續研究。

4 結論

1) 福建省閩西南近岸海域的有機污染指數季節變化不明顯(春季0.82、夏季0.81、秋季0.82), 所有調查點位的有機污染指數均低于1, 表現為較好; 空間分布整體呈現灣內向灣外遞減的趨勢。富營養化指數的季節變化特征為春季>秋季>夏季, 均處于輕度富營養化狀態; 空間分布呈從灣內向灣外, 由近岸向離岸逐漸變小的趨勢。富營養化指數和有機污染指數評價結果基本一致, 整體海域屬于輕度富營養化水平, 空間分布特征呈現內灣高, 遠岸低的變化趨勢。

2) 春季的主成分分析結果表明影響富營養化的主要正向因子為總氮、溶解無機氮, 反向因子有: 鹽度和DO; 夏季的主成分分析結果表明影響富營養化的主要正向因子為溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、化學需氧量和懸浮物; 反向因子有: 鹽度和pH; 秋季的主成分分析結果表明影響富營養化的主要正向因子為溶解磷酸鹽、總磷、總氮、溶解無機氮、葉綠素和懸浮物; 反向因子有: 鹽度和pH。這些分析結果表明調查海域富營養化水平主要受陸源排污和河口沖淡稀釋所控制。

3) 富營養指數值與各因子Spearman相關分析顯示調查海域海水富營養化的主要影響因素為總氮和溶解無機氮, 與鹽度、pH和溶解氧呈有顯著的負相關, 與主成分分析結果基本一致, 進一步表明陸源徑流對該海域海水的富營養化水平起著重要的調控作用。

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Distribution characteristics of environmental factors and eutrophication assessment in the Fujian coastal areas

LIU Li-hua, HE Qi, LAN Jing-quan, TIAN Yong-qiang, ZHANG Jiang-long,ZHANG Ya-shuang, XU Wen-feng

(Fujian Xiamen Environmental Monitoring Central Station, Xiamen 361102, China)

Spatial and temporal variations of nutrients and chlorophyll a (Chl-) in the coastal waters of Fujian coastal areas were studied based on three seasonal cruises during 2019. Both the organic pollution appraisal index () and the eutrophication index method () were used to evaluate the eutrophication of the seawater. At the same time, the principal component analysis (PCA) was adopted to investigate the effects of environmental factors on eutrophication in the sea area. Results showed that the spatial-temporal distribution ofandwere similar in the study area and showed a greater sequence of spring than that of autumn, which is greater than that of summer in the seasonal variation, decreasing gradually away from the shore. Waters at the inner part of the bay are the most polluted. The principal component analysis indicated that the TN and DIN were the main factors impacting the eutrophication of the seawater. Moreover, the eutrophication of the seawater showed a significant negative relationship with the salinity, pH, and DO, insinuating that the temporal and spatial distribution of the eutrophication index were regulated to a large extent by the runoff．

coastal water; eutrophication; assessment; principal component analysis

Jan. 5, 2021

P734

A

1000-3096(2021)12-0097-11

10.11759/hykx20210105001

2021-01-05;

2021-02-16

福建省環保科技項目(2021R004)

[Environmental Protection Technology Program of Fujian, No. 2021R004]

劉麗華(1982—), 博士, 女, 高級工程師, 主要從事近岸海域水環境研究, E-mail: hellolihua88@163.com; 許文鋒(1972—),通信作者, 教授級高工, 男, 主要從事海洋水文與工程, 地下水和土壤研究, E-mail: 591287517@qq.com

(本文編輯: 趙衛紅)