山東近岸海域營養(yǎng)鹽分布特征及富營養(yǎng)化和有機污染評價

李 斌，衣秋蔚，劉增東，孔 茹，王敏玲

（山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 煙臺 264000）

0 引言

近岸海域，指與大陸、島嶼、群島等海岸相毗連，《中華人民共和國臨海與毗連區(qū)法》規(guī)定的臨海外部界限向陸一側(cè)的海域，近岸海域為沿岸低潮線向海12海里以內(nèi)的海域[1]。山東近岸海域為渤海、黃海部分海域，總面積約4.7×104km2。山東近岸海域長期受人類活動影響，黃河、小清河攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)注入，成為漁業(yè)生物的主要產(chǎn)卵場[2]，當前對山東近岸海域富營養(yǎng)化研究多集中于典型海域[3-6]，對整個海域的研究[7]并未涉及到有機污染。因此，本文依據(jù)2019年3個航次海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量183個站位調(diào)查資料，全面研究該海域營養(yǎng)鹽分布特征和水質(zhì)狀況，詳細評價該海域富營養(yǎng)化水平和有機污染狀況，旨在更好掌握該海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，為生態(tài)環(huán)境保護決策提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查站位

利用2019年山東近岸海域183個站位5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）3期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量調(diào)查資料，調(diào)查站位分布見圖1。

圖1 山東近岸海域調(diào)查站位分布示意圖

1.2 調(diào)查項目與分析方法

調(diào)查項目包括溶解氧（DO）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、氨氮（NH3-N）、活性磷酸鹽（PO4-P）、化學需氧量（COD）指標。樣品采集、貯存和運輸按照《GB 17378.3-2007海洋監(jiān)測規(guī)范》[8]第3部分進行，樣品分析按照《GB 17378.4-2007海洋監(jiān)測規(guī)范》第4部分進行。溶解無機氮（DIN）濃度為NO3-N、NO2-N、NH3-N濃度之和。

1.3 評價方法

目前，已有多種評價海水富營養(yǎng)化的方法，但是，富營養(yǎng)化評價尚無通用的評價標準和體系[9]。國內(nèi)海水富營養(yǎng)化評價一般采用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學綜合評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和多元統(tǒng)計分析方法[10]；國外主要是以富營養(yǎng)化癥狀為基礎(chǔ)兼顧生態(tài)系統(tǒng)所受壓力和響應(yīng)趨勢的評價方法，如美國的ASSETS[11]和歐盟的OSPARCOMPP[12]。

本文采用單因子指數(shù)法[13]、富營養(yǎng)化指數(shù)法[14]和有機污染指數(shù)法[15]評價該海域水質(zhì)及富營養(yǎng)化和有機污染狀況。

1.3.1 單因子指數(shù)

單因子指數(shù)是將某種項目實測濃度與該項目的評價標準進行比較以確定水質(zhì)類別的方法。

式中：PIi—某站位監(jiān)測項目i的污染指數(shù)；Ci—某站位監(jiān)測項目i的實測濃度；Si—該項目i的評價標準。

PIi≤1，即達到評價標準。評價標準采用《GB 3097-1997海水水質(zhì)標準》[16]，計算樣品超標率時，統(tǒng)一采用二類海水水質(zhì)標準[14]。

1.3.2 水體富營養(yǎng)化指數(shù)

水體富營養(yǎng)化指數(shù)（E）采用式（2）評價。

式中：E—水體富營養(yǎng)化指數(shù)；CODi、DINi、PO4-Pi—第i站位化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽的實測質(zhì)量濃度，單位mg/L。

按照富營養(yǎng)化標準[14]（表1）評價其富營養(yǎng)化程度。

表1 水質(zhì)富營養(yǎng)化等級劃分指標

1.3.3 海水有機污染狀況評價

海水有機污染指數(shù)（A）采取式（3）進行計算。

式中：A—海水有機污染指數(shù)；CODi、DINi、PO4-Pi、DOi—第i站位化學需氧量、無機氮、活性磷酸鹽和溶解氧的實測質(zhì)量濃度，單位mg/L；CODs、DINs、PO4-Ps、DOs—化學需氧量、無機氮、活性磷酸鹽和溶解氧的第一類海水水質(zhì)標準，其值分別為2 mg/L、0.2 mg/L、0.015 mg/L和6.0 mg/L。

按照有機污染分級標準[15]（表2）評價其有機污染程度。

表2 有機污染評價分級標準

2 結(jié)果與討論

2.1 單因子指數(shù)評價

2.1.1 溶解無機氮

海水中溶解無機氮（DIN）是過濾態(tài)的硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮的總和，是海洋生物繁殖、生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，與海洋初級生產(chǎn)力有著密切關(guān)系[17]。自然環(huán)境下，海水中的溶解無機氮含量遠遠達不到引起海洋生物受危害的程度[18]，然而，陸源排污量逐年增加，導致近岸海域DIN質(zhì)量濃度逐漸增高，進而導致近岸海域生態(tài)環(huán)境惡化，所以，DIN 成為近岸海域主要污染物[19]。

2019年5月，山東近岸海域DIN質(zhì)量濃度范圍0.030～0.836 mg/L，平均值為0.218 mg/L，超標站位42個，樣品超標率23.0%； 8月，山東近岸海域DIN質(zhì)量濃度范圍0.024～1.959 mg/L，平均值為0.195 mg/L，超標站位25個，樣品超標率13.7%；10月，山東近岸海域DIN質(zhì)量濃度范圍0.020～1.064 mg/L，平均值0.232 mg/L，超標站位42個，樣品超標率23.0%。DIN質(zhì)量濃度平面分布圖見圖2。

結(jié)果（圖2）表明，DIN濃度分布呈現(xiàn)由西向東逐漸降低的趨勢，北部海域高于南部海域，高值區(qū)域主要分布在萊州灣。

圖2 2019年3個航次DIN質(zhì)量濃度平面分布圖

2.1.2 活性磷酸鹽

海水中的活性磷酸鹽（PO4-P）可被海洋植物、藻類和細菌所吸收用以生長繁殖，被認為是一種限制性營養(yǎng)鹽。近岸海域由活性磷酸鹽質(zhì)量濃度偏高帶來的富營養(yǎng)化是我國沿海海域突出的環(huán)境問題之一[20]。

2019年5月，山東近岸海域PO4-P質(zhì)量濃度范圍為0.0004～0.0186 mg/L，平均值為0.0047 mg/L，無超標站位；8月，山東近岸海域PO4-P質(zhì)量濃度范圍為0.0006～0.0308 mg/L，平均值為0.0044 mg/L，超標站位1個，超標率0.5%；10月，山東近岸海域PO4-P質(zhì)量濃度范圍為0.0005～0.0585 mg/L，平均值為0.0133 mg/L，超標站位5個，超標率2.7%。PO4-P質(zhì)量濃度平面分布圖見圖3。

結(jié)果（圖3）表明，PO4-P濃度分布較為均衡，無明顯高值區(qū)域，存在個別超標站位。

圖3 2019年3個航次PO4-P質(zhì)量濃度平面分布圖

2.1.3 化學需氧量

化學需氧量（COD）是衡量水中有機物質(zhì)含量多少的指標，COD 越大，說明海水受有機物污染越嚴重[21]。

2019年5月，山東近岸海域COD質(zhì)量濃度范圍為0.45～1.80 mg/L，平均值為0.96 mg/L，無超標站位；8月，山東近岸海域COD質(zhì)量濃度范圍為0.40～2.00 mg/L，平均值為1.05 mg/L，無超標站位；10月，山東近岸海域COD質(zhì)量濃度范圍為0.26～1.77 mg/L，平均值為0.95 mg/L，無超標站位。COD質(zhì)量濃度平面分布圖見圖4。

結(jié)果（圖4）表明，COD濃度分布較為均衡，北部海域高于南部海域，全年均未出現(xiàn)超標站位。

圖4 2019年3個航次COD質(zhì)量濃度平面分布圖

2.2 季節(jié)變化及原因分析

2.2.1 水質(zhì)季節(jié)變化

DIN季節(jié)變化上，夏季DIN濃度最低，春季次之，秋季最高。春季一類海水站位101個，二類40個，三類12個，四類14個，劣四類16個；夏季一類海水站位136個，二類22個，三類6個，四類 3個，劣四類16個；秋季一類海水站位95個，二類46個，三類17個，四類9個，劣四類16個。

PO4-P季節(jié)變化上，夏季DIN濃度最低，春季次之，秋季最高，同DIN一致。春季一類海水站位177個，二、三類6個；夏季一類海水站位180個，二、三類2個，四類1個；秋季一類海水站位 112個，二、三類66個，四類4個，劣四類1個。

COD季節(jié)變化上，秋季最低，春季次之，夏季最高，但差異不明顯。春季一類海水站位 183個；夏季一類海水站位182個，二類1個；秋季一類海水站位183個。

各季節(jié)DIN、PO4-P和COD水質(zhì)類別見圖5。

圖5 各季節(jié)DIN、PO4-P和COD水質(zhì)類別圖

2.2.2 影響因素分析

影響海水營養(yǎng)鹽含量的因素較多，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，影響近岸海域營養(yǎng)鹽含量及變化的主要因素有浮游生物的生長消耗、沿岸徑流輸入、沉積物再懸浮釋放、大氣向海洋的氮沉降和水交換等[5]。山東近岸海域DIN和PO4-P呈現(xiàn)自春季至夏季先減小，后到秋季升高的趨勢。春夏季節(jié)，浮游植物和大型藻類生長旺盛吸收大量營養(yǎng)鹽，夏季海面風力較弱，海底沉積物再懸浮釋放作用小于風力較強的其他季節(jié)，雖然夏季大量降雨攜帶營養(yǎng)鹽的陸源排海量高于其他季節(jié)，但其夏季營養(yǎng)鹽的消耗量大于補充量，這些綜合因素是該海域夏季營養(yǎng)鹽 DIN 和PO4-P質(zhì)量濃度較低的主要原因[6]。秋季，大型藻類已經(jīng)收獲，養(yǎng)殖生物殘餌、代謝物、生物尸骸氧化分解和海水劇烈上下對流[22]，同時由于海面風力大于其他季節(jié)，海底沉積物再懸浮釋放作用增強和大氣沉降變大，營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度回升，可能是造成 DIN和PO4-P質(zhì)量濃度較高的主要原因[23]。COD作為衡量水中有機物質(zhì)含量多少的指標，同樣用于海水中，COD越大，說明海水受有機物污染越嚴重[16]，COD與浮游植物作用較小，陸源輸入為其主要影響因素，夏季為其全年最大降水量季節(jié)，受陸源排海有機污染物的影響，夏季COD含量高于其他季節(jié)。

2.3 富營養(yǎng)化評價

根據(jù)式（2）計算海水富營養(yǎng)化指數(shù)（E），2019年5月，山東近岸海域E值范圍為0.004～3.60，其中176個站位E＜1；8月，山東近岸海域E值范圍為0.009～21.58，其中177個站位E＜1； 10月，山東近岸海域E值范圍為0.019～14.28，其中149個站位E＜1。出現(xiàn)富營養(yǎng)化站位見表3。

表3 2019年富營養(yǎng)化站位數(shù)量統(tǒng)計

2019年，山東近岸海域海水富營養(yǎng)化程度，秋季最高，夏季次之，春季最低，夏春季差別不明顯。其中，秋季28個站位輕度富營養(yǎng)化，5個站位中度富營養(yǎng)化，1個站位重度富營養(yǎng)化；夏季4個站位輕度富營養(yǎng)化，1個站位中度富營養(yǎng)化，1個站位重度富營養(yǎng)化；春季6個站位輕度富營養(yǎng)化，1個站位中度富營養(yǎng)化。

全年計，山東近岸海域出現(xiàn)富營養(yǎng)化站位 35個，其中，出現(xiàn)2次富營養(yǎng)化站位11個，3次全為富營養(yǎng)化站位1個；重度富營養(yǎng)化站位出現(xiàn)在膠州灣北端和萊州灣西南端，中度富營養(yǎng)化站位分布在萊州灣中西部，其余站位均為輕度富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化站位分布圖見圖6。

圖6 2019年富營養(yǎng)化站位分布圖

2.4 有機污染狀況分析

根據(jù)式（3）計算海水有機污染指數(shù)（A），按照有機污染分級標準（表2），統(tǒng)計各A值所屬站位數(shù)量，如表4。

表4 2019年有機污染站位數(shù)量統(tǒng)計

2019年，山東近岸海域海水有機污染程度，秋季最高，春季次之，夏季最低，夏春季差別不明顯。其中，秋季18個站位輕微污染，12個站位中度污染，4個站位重度污染；春季10個站位輕微污染，6個站位中度污染，1個站位重度污染；夏季9個站位輕微污染，3個站位中度污染，5個站位重度污染。

全年計，山東近岸海域有機污染輕微污染及以上站位39個，出現(xiàn)2次輕微污染及以上站位 8個，出現(xiàn)3次輕微污染及以上站位5個；重度有機污染站位全部包含重度富營養(yǎng)化站位，主要分布在膠州灣北端和萊州灣西部海域，與重度富營養(yǎng)化分布基本一致，有機污染輕微污染及以上站位分布見圖7。

圖7 2019年有機污染站位分布圖

通過圖6和圖7可看出，2019年山東近岸海域富營養(yǎng)化站位和有機污染站位主要分布于萊州灣、膠州灣、丁字灣，這與山東近岸海域主要污染物無機氮（圖2）高值區(qū)域分布基本一致。

通過單因子指數(shù)法、富營養(yǎng)化指數(shù)法和有機污染指數(shù)法3種方法分析評價山東近岸海域水環(huán)境質(zhì)量狀況，3種不同方法得出的結(jié)論趨于一致。

3 結(jié)論

（1）2019年山東近岸海域DIN質(zhì)量濃度呈現(xiàn)由西向東逐漸降低的趨勢，北部海域高于南部海域，高值區(qū)域主要分布在萊州灣；PO4-P質(zhì)量濃度分布較為均衡，無明顯高值區(qū)域；COD質(zhì)量濃度分布較為均衡，北部海域高于南部海域。

（2）2019年山東近岸海域營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度季節(jié)變化上，夏季最低，春季次之，秋季最高。COD質(zhì)量濃度季節(jié)變化上，秋季最低，春季次之，夏季最高，但差異不明顯。這些指標的季節(jié)變化規(guī)律與氣溫導致的海洋浮游生物生長消耗，降水導致的陸源排污影響以及風力導致的沉積物再懸浮釋放等影響存在密切關(guān)系。

（3）2019年山東近岸海域出現(xiàn)富營養(yǎng)化站位占總站位的19.1%，出現(xiàn)有機污染輕微污染及以上站位占總站位的21.3%，重度有機污染站位全部包含重度富營養(yǎng)化站位，富營養(yǎng)化站位和有機污染站位主要分布于萊州灣、膠州灣、丁字灣。