九龍江河口區主要污染物時空變化特征

郭洲華,王 翠,顏 利,王金坑 (國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

九龍江河口區主要污染物時空變化特征

郭洲華,王 翠,顏 利,王金坑*(國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

根據九龍江河口區近30年的歷史監測資料和2010年2個航次的現場調查資料,分析了該海域表層海水中無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、化學耗氧量(COD)和石油類濃度的年際變化特征和平面分布變化特征,并應用富營養狀態指數(EI)對海水水質進行評價與分析.結果表明,近30年,DIN、DIP年均濃度持續上升,COD年均濃度呈“W”狀小幅波動趨勢,石油類年均濃度先緩慢增加再降低;DIN濃度平面分布呈由西至東遞減的特征,不同年份的DIP濃度平面分布有所差別,而COD和石油類濃度平面分布呈由灣內、西海域向灣外遞減的趨勢;海水 EI呈不斷加速升高的趨勢,海水水質富營養化程度急劇惡化;受九龍江徑流影響,高富營養化海域主要分布在九龍江北、中、南港和南溪入海口附近.所得的主要污染物濃度年際變化特征和平面分布變化特征等將為實施入海污染物總量控制奠定堅實基礎.

主要污染物；年均濃度；時空變化；富營養化；九龍江河口區

福建第二大河流九龍江位于閩西南地區,流經龍巖、漳州,注入廈門灣;河口區海端以北為亞鈴狀、半封閉的廈門西海域,如圖1.近年來,隨著社會經濟的快速發展,流域與海岸帶高強度的人類活動使得九龍江上游工業點源與農業面源污染問題日益突出[1-2],河口區生態環境受到不斷干擾和破壞[3],導致海水自凈能力減弱、污染負荷增大[4-5]、海洋生態災害頻發[6-7],亟需開展入海污染物總量控制.而認識海域主要污染物濃度的年際變化特征和平面分布變化特征是實施入海污染物總量控制的堅實基礎.早在20世紀50年代,陳再生等[8]首次完成了九龍江口化學要素調查,隨后陸續開展了一系列海洋環境質量監測[9-11].林輝等[12]與陳寶紅等[13]均討論了近幾年廈門海域氮、磷等要素的年際變化;張元標等[14]則研究了廈門西海域近 20年的營養鹽含量年際變化.但眾多研究常局限于分析廈門海域水質的短期年際變化,對整個九龍江河口區污染物含量,尤其是其平面分布特征長期變化趨勢的系統研究則尚未見報道.

本文在搜集九龍江河口區歷史監測資料和進行現場調查的基礎上,系統分析了海水中主要污染物濃度、海水水質富營養狀態指數近30年的年際變化特征和平面分布變化特征,為實施入海污染物總量控制奠定堅實的基礎.

1 資料與方法

1.1 資料搜集

年際變化資料以國家海洋局第三海洋研究所在九龍江河口區的監測資料為主,輔以歷史文獻數據,主要包括福建省海岸帶和海涂資源綜合調查[15]、廈門市海島資源綜合調查[16]、廈門海岸帶綜合管理[17]、中國海灣志[18]、福建省海洋研究所[19]、蔡清海[20]、莊萬金等[21]、商少凌等[22]、暨衛東等[23]、周玉琴[24]、張曉萍等[25]、高山等[5]、林輝等[12,26]等.平面分布數據來源于廈門港灣海洋環境綜合調查[9]、廈門海域環境污染狀況調查[10]、廈門海域環境規劃研究[11]、廈門嵩嶼火電廠海洋環境調查[27-28]、廈門灣港口總體布局規劃戰略環境影響報告書[29].

1.2 現場調查

本項目于2010年8、10月進行了海上現場調查,站位布設如圖1所示.調查項目包括化學耗氧量(COD)、無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、石油類等17項.現場采樣、監測和實驗室分析均依據《海洋調查規范》(GB12763-2007)[30]、《海洋監測規范》(GB17378-2007)[31]的相關方法進行.

2 結果與討論

2.1 DIN與DIP

2.1.1 DIN與DIP濃度年際變化特征 九龍江河口區海水中DIN年均濃度變化如圖2所示.20世紀80年代至今,DIN年均濃度總體呈現持續升高的趨勢.具體而言,20世紀80年代,DIN年均濃度在《海水水質標準》(GB3097-1997)[32]第一類海水水質標準上限0.20mg/L上下小幅變動.20世紀90年代中前期, DIN年均濃度緩慢上升,最高值為 0.40mg/L,均為第三類海水水質.20世紀90年代末至21世紀初,DIN年均濃度總體上較之前增加,最高達 0.59mg/L,已達到或超過第四類海水水質標準.2005年至今, DIN年均濃度明顯上升,2010年達到最高,為 1.03mg/L,大幅超過第四類海水水質標準.陳寶紅等[13]也指出2003～2008年九龍江河口區海水中的無機氮年均含量均呈上升趨勢;與20世紀90年代相比,近幾年的無機氮年均含量增加了1.4～2.5倍.

圖1 研究區域與采樣站位Fig.1 Sampling stations in the surveyed areas

圖2 1980～2010年九龍江河口區DIN濃度年際變化Fig.2 Annual variations of DIN from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

九龍江河口區海水中 DIP年均濃度變化如圖3.20世紀80年代至今,DIP年均濃度基本呈不斷上升的趨勢.具體而言,20世紀 80年代中前期,DIP年均濃度最高為 0.015mg/L,滿足第一類海水水質標準.20世紀80年代末至 90年代末, DIP年均濃度呈先小幅上升、再緩慢下降趨勢,最高為 0.025mg/L,屬第二類海水水質.21世紀初,DIP年均濃度明顯升高[14],2006年達到最高,為0.041mg/L,屬第四類海水水質;近幾年DIP年均濃度有所回落,但仍為第二、四類海水水質,此趨勢與陳寶紅等[13]的調查結果一致.

2.1.2 DIN與DIP濃度平面分布變化特征 九龍江河口區表層海水中DIN濃度的平面分布如圖4所示,其平面分布基本呈自河端向海端遞減的特征,可見其主要受河口沖淡水所控制,九龍江徑流輸入是河口區DIN的最主要來源[13];高值區主要分布在九龍江北溪、西溪和南溪入海口以及筼筜湖鄰近海域.20世紀80年代初期,表層海水中DIN濃度相對較低,受南溪徑流以及南岸漫流式泄水的影響[18],其平面分布呈現出由灣內到灣外、南岸到北岸遞減的趨勢.20世紀90年代初期表層海水中DIN分布特征與80年代初期相似,大致呈現出由西南向東北減的趨勢,但其濃度卻大幅增高,大部分海域DIN濃度超過第三類海水水質標準;此特征與文獻報道一致[16,18].21世紀初,由于廈門島沿岸的生活污水和九龍江兩岸工業區的工業污水排放量急劇增加[17],導致表層海水中DIN濃度繼續大幅增高,平面分布呈現出由河口灣內和西海域向灣外遞減的趨勢,高值區主要出現于九龍江北港鄰近海域,DIN濃度超過1.00mg/L.2010年DIN濃度平面分布特征與2001年類似,但水質持續惡化,北港附近海域DIN濃度高達2.50mg/L.

圖3 1980～2010年九龍江河口區DIP濃度年際變化Fig.3 Annual variations of DIP from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

圖4 1981、1992、2001及2010年10月九龍江河口區表層海水DIN濃度平面分布Fig.4 Spatial distribution of DIN in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1981, 1992, 2001 and 2010

九龍江河口區表層海水中DIP濃度的平面分布如圖5所示,其平面分布特征與DIN有所差異,九龍江徑流對其分布的直接影響并不十分突出.20世紀80年代初期,DIP濃度平面分布呈南岸高于北岸、自灣內和西海域向灣外遞減的規律,可能由河口南側深水道高磷水舌[33]以及西海域高磷水系[34]所致.但20世紀90年代初和21世紀初,DIP濃度分布較為均勻,溶解態無機磷并非由九龍江徑流直接補充輸入,可能因活性磷酸鹽在咸淡水混合過程中發生了明顯的轉移、再生和轉化,即”磷緩沖”機制[35-36].2010年DIP濃度平面分布特征與20世紀80年代基本相似,但濃度大幅升高,高值區主要出現在筼筜湖和南溪入海口鄰近海域,其濃度已超過第四類海水水質標準.可見,DIP平面分布主要受河口南側深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及”磷緩沖”機制影響,而依據單一調查資料所得出 DIP行為的結論具有很大的局限性.

圖5 1981、1992、2001及2010年10月九龍江河口區表層海水DIP濃度平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October. 1981, 1992, 2001 and 2010

2.2 COD

圖6 1980～2010年九龍江河口區COD年際變化Fig.6 Annual variations of COD from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.2.1 COD年際變化特征 九龍江河口區海水中COD年均濃度變化如圖6所示.20世紀80年代至今,COD年均濃度總體呈“W”狀小幅波動趨勢,均達到第一類海水水質標準.20世紀80年代中前期,COD年均濃度相對較高,在1.50mg/L左右;20世紀80年代末,COD年均濃度相對較低,此后緩慢上升,并在 90年代中期出現最大值,達到1.71mg/L,此趨勢與廈門ICM項目[17]的調查結果完全吻合.20世紀90年代末至21世紀初,COD年均濃度明顯回落.近幾年,COD年均濃度有所回升,但仍為第一類海水水質.

2.2.2 COD平面分布變化特征 九龍江河口區表層海水中COD濃度平面分布如圖7所示,其平面分布基本呈自河端向海端、灣內向灣外減少的趨勢.20世紀80年代初期,海水中COD濃度呈由西南向東北逐漸降低的趨勢,南溪入海口鄰近沿岸海域等值線較密集,高值區位于海門島以南沿岸海域,低值區位于灣口.20世紀90年代初期,COD濃度平面分布較為均勻,變幅較小,河口灣內在 1.50～2.00mg/L之間,西海域南部在 1.00～1.50mg/L之間.21世紀初,COD濃度有所降低,高值區仍出現在南溪入海口至海門島之間.2010年,COD濃度又明顯升高.沿岸生活、工業污水大量排放以及九龍江徑流輸入[17]加重了該海域的有機污染,導致其分布特征呈現由河口區灣內、西海域向灣外逐漸降低 的趨勢,高值區主要分布在九龍江北港附近.

圖7 1982、1992、2001及2010年10月九龍江河口區表層海水COD濃度平面分布Fig.7 Spatial distribution of COD in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1982, 1992, 2001 and 2010

2.3 石油類

2.3.1 石油類濃度年際變化特征 九龍江河口區海水中石油類年均濃度變化如圖8所示.20世紀80年代至今,石油類年均濃度總體上呈先緩慢增加、再降低的趨勢,均達到第一類海水水質標準.具體而言,20世紀80年代中期的石油類年均濃度約為10.0～15.0μg/L,遠低于第一類海水水質標準.隨后,石油類年均濃度開始緩慢增加[17],21世紀初升高至23.3μg/L.2003年之后,石油類年均濃度有所回落,維持在 8.9～19.5μg/L,也遠低于第一類海水水質標準.

2.3.2 石油類濃度平面分布變化特征 九龍江河口區石油類濃度平面分布如圖9所示,其平面分布表現出由河口灣內、西海域向灣外遞減的趨勢.20世紀80年代中期,石油類濃度平面分布呈由西向東遞減,整體上濃度較小,變幅不大.20世紀 90年代初期,表層海水石油類濃度有所上升,高值區出現在九龍江中港、南港和南溪入海口以及筼筜湖鄰近海域,低值區位于海門島北面和灣口.2004年,石油類濃度略微下降,基本呈現河口灣內＞西海域南部海區＞灣口的情形,海域的油污染源已由以九龍江徑流輸入和船舶排放為主轉變為以九龍江徑流輸入、城市污水和港口作業排放為主,并加強了對船舶和港口作業的管理[17,25],使海域油污染得到一定控制.2010年,石油類濃度整體上與2004年差別不大,高值區分布在九龍江北港和筼筜湖附近海域.

圖8 1980～2010年九龍江河口區石油類濃度年際變化Fig.8 Annual variations of petroleum hydrocarbon from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.4 海水水質富營養狀態評價及分析

2.4.1 海水水質富營養狀態指數年際變化特征 海水中的營養鹽是海洋生物生存的必要物質條件,但過量的營養鹽將導致海水富營養化,并能誘發赤潮,最終致使水質惡化.

圖9 1986、1992、2004及2010年8月九龍江河口區表層海水石油類濃度平面分布Fig.9 Spatial distribution of petroleum hydrocarbons in the surface water of Jiulongjiang Estuary in August 1986, 1992, 2004 and 2010

富營養狀態指數法以目標海域海水中 DIN和DIP濃度為基本環境要素、以COD表征海水富營養化的間接環境生態效應[37],富營養狀態指數EI采用下式進行計算:

式中:COD、DIN、DIP濃度單位均為mg/L; a是三者富營養化單項閾值之積,常取4500[37].

圖10 1980～2010年九龍江河口區海水水質富營養狀態指數年際變化Fig.10 Annual variations of EI from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

EI越大,營養水平越高,富營養化程度越嚴重;EI＜0.5時,貧營養;0.5≤EI＜1.0時,中營養; 1.0≤EI＜3.0時,富營養;EI≥3.0時,高富營養[38].

按式(1)對九龍江河口區各年份的富營養化狀態進行評價,結果見圖10.20世紀80年代,EI從0.8開始緩慢增加,但仍略低于 1.0,海水處于中營養狀態.20世紀90年代初,EI已超過2.0,海水已富營養化;到20世紀90年代末,EI高于3.0,海水呈高富營養狀態.21 世紀初至今,EI 大幅升高,絕大多數年份高于3.0,近些年更是超過5.0,2010年EI年均值達到11.7,為歷年最高,表明海水富營養化已加速加劇至十分嚴重的程度.由此可見,海水富營養狀態指數EI不斷加速升高,海水富營養化程度持續急劇惡化.

2.4.2 海水水質富營養狀態指數平面分布變化特征 九龍江河口區表層海水富營養狀態指數平面分布如圖11.20世紀80年代中期,海域EI基本呈由西海域南部海區向灣口逐漸降低的趨勢,幾乎整個海域EI＜0.5,處于貧營養狀態.20世紀90年代初期,海域EI顯著升高,全海域EI＞1.0,在九龍江中港、南港和南溪入海口附近海域出現EI＞3.0的高富營養海區,并由西向東逐漸降低,在海滄東部養殖區[5,17]EI仍大于2.0,在廈門島西岸以及灣口EI才降至2.0以下.21世紀初,海域整體富營養化程度較先前變化不大,全海域EI＞1.0,九龍江中港、南港和南溪入海口附近的高富營養海區拓展到海門島北面,九龍江北岸附近也出現一高富營養海區,且其東側有一EI＜2.0的海區.2010年,海域整體富營養化狀態急劇顯著惡化,全海域EI＞5.0,其平面分布呈由河口灣內、西海域南部向灣外遞減的趨勢;海門島以西等值線密集,富營養化程度異常嚴重.

圖11 1986、1992、2001及2010年10月九龍江河口區表層海水富營養狀態指數平面分布Fig.11 Spatial distribution of EI in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1986, 1992, 2001 and 2010

3 結論

3.1 20世紀80年代至今,九龍江河口區海水中DIN、DIP年均濃度持續上升,其中DIN濃度變化范圍為 0.17～1.03mg/L,DIP濃度變化范圍為0.018～0.041mg/L;COD年均濃度總體呈”W”狀小幅波動趨勢,濃度變化范圍為 0.56～1.71mg/L;石油類年均濃度先緩慢增加、再降低,濃度變化范圍為8.9～28.0μg/L.

3.2 DIN平面分布主要受河口沖淡水所控制,呈由西至東遞減趨勢,高值區主要分布在九龍江南港和南溪入海口附近;DIP平面分布與DIN有所差異,受河口南側深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及“磷緩沖”機制等因素影響,依據單一調查資料所得出 DIP行為的結論具有很大的局限性,其不同年份的平面分布有所差別,呈相對均勻分布或自南岸向北岸、灣內和西海域向灣外遞減的趨勢,高值區基本出現在南溪入海口和筼筜湖附近;COD和石油類濃度平面分布均呈由灣內、西海域南部向灣外遞減的趨勢,高值區位于九龍江北港、南港和南溪入海口以及筼筜湖附近.

3.3 近30年的海水富營養狀態指數EI呈不斷加速升高的趨勢,海水富營養化程度持續加速惡化.其中,20世紀80年代中期,整個海域的EI幾乎均小于0.5,海水處于貧營養化狀態;20世紀90年代至21世紀初,大部分海域的EI超過2.0,海水已迅速富營養化;2010年,整個海域的富營養狀態急劇顯著惡化,EI均超過 5.0.因九龍江徑流輸入的大量營養鹽和有機污染物等所致,高富營養化海域主要分布在九龍江北港、中港、南港和南溪入海口附近.

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Spatiotemporal variations of main pollutants in Jiulongjiang Estuary.

GUO Zhou-hua, WANG Cui, YAN Li, WANG Jin-keng*(Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China). China Environmental Science, 2012,32(4)：679～686

Based on the survey data, including 2 cruises in 2010, obtained from recent 30 years in Jiulongjiang Estuary, the annual variations and spatial distribution of DIN, DIP, COD and petroleum hydrocarbon were analyzed and eutrophication index (EI) were applied to assess the eutrophication conditions. The annual concentration of DIN and DIP tended to rise in recent 30 years while the petroleum hydrocarbon concentration increased slowly at first and then declined and COD fluctuate in small amplitude. DIN was higher in the west than the east of the estuary with variations of DIP annually while COD and petroleum hydrocarbon concentration were high in the inner estuary and lower in the western waters of Xiamen harbor and in the outer estuary. The increasing EI for 30 years indicates that the seawater quality was in a state of deteriorating. The most eutrophic areas were located in the north, middle and south part of Jiulongjiang Estuary and at the Nan Xi opening, which suggests that it was resulted from the great input of Jiulongjiang River. All data, annual variations of pollutants with their horizontal distribution, should lay a solid foundation for establishment of total amount control of pollutants to the sea.

important pollutants；annual concentration；spatiotemporal variations；eutrophication；Jiulongjiang Estuary

2011-07-18

國家海洋局海洋公益性行業科研專項經費項目(200805065);國家海洋局第三海洋研究所基本科研業務專項基金資助項目(海三科2011017)

* 責任作者, 研究員, xm2195331@126.com

X522

A

1000-6923(2012)04-0679-08

致謝：感謝唐森銘研究員對本文英文寫作的指導與幫助.

郭洲華(1987-),男,福建福安人,國家海洋局第三海洋研究所碩士研究生,主要從事環境規劃與評價研究.發表論文1篇.