2013年春夏季萊州灣海水環境要素特征和富營養化評估

徐艷東，魏 瀟，李佳蕙，吳興偉，馬元慶，孫 偉

1.山東省海洋資源與環境研究院，山東省海洋生態修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006 2.中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東 青島 266100

2013年春夏季萊州灣海水環境要素特征和富營養化評估

徐艷東1,2，魏 瀟1，李佳蕙1，吳興偉1，馬元慶1，孫 偉1

1.山東省海洋資源與環境研究院，山東省海洋生態修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006 2.中國海洋大學環境科學與工程學院, 山東 青島 266100

根據2013年5(春季)、8月(夏季)萊州灣海水環境要素的調查資料，采用富營養化指數、潛在性富營養化評價模式和灰色聚類分析方法研究環境要素特征和評估海水富營養化狀況。結果表明，無機氮是萊州灣水質的主要污染要素，春夏季的N/P平均值分別為100.76、117.84，潛在性富營養化評價模式結果表明，春夏季各站位的營養級均只包括ⅣP、ⅥP兩類，磷限制為萊州灣的營養鹽結構特征；富營養化指數評價結果表明，春季和夏季E>1站位比例分別為65%、20%；灰色聚類分析結果表明，春季Ⅱ級、Ⅲ級的站位比例分別為95%、5%，夏季Ⅱ、Ⅲ級的站位比例分別為70%、25%，Ⅱ級中的部分站位具有較大潛在富營養化風險。

富營養化；環境要素；灰色聚類分析；氮磷比；萊州灣

萊州灣位于山東半島西北部、渤海南部，是渤海的三大海灣之一，是中國典型的半封閉性陸架海灣，灣內水深較淺，周邊分布有黃河、小清河、膠萊河等10余條河流，是黃渤海漁業生物的主要產卵場、棲息地和多種漁業的傳統漁場[1-2]。但隨著周邊地區經濟的快速發展，萊州灣生態環境遭到破壞，海水氮磷比失衡現象較為明顯，赤潮時有發生[3]。目前，關于萊州灣富營養化狀況已有不少報道[4-9]，但主要局限于2010年之前的調查研究，對近年來萊州灣海水環境要素的系統調查和基于潛在性富營養化評價模式和灰色聚類分析富營養化的研究未見報道。本文以萊州灣2013年春夏季2個航次海水中氮磷營養鹽及相關環境要素的調查數據為基礎，采用富營養化指數、潛在性富營養化評價模式、灰色聚類分析方法研究環境要素特征和評估海水富營養化狀況，為掌握該海域海水富營養化形成機理和控制營養鹽的總量、指導海水營養鹽監測方案優化和指標篩選提供技術支撐，對保護及修復脆弱的萊州灣海洋生態環境具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 采樣站位、樣品采集和分析方法

山東省海洋資源與環境研究院在萊州灣布設20個站位，2013年萊州灣水質采樣站位見圖1。

圖1 2013年萊州灣水質采樣站位

2013年5月(春季)、8月(夏季)開展了兩個航次的現場調查，指標主要為溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、氨氮(NH3-N)、活性磷酸鹽(PO4-P)、葉綠素a(Chl-a)等。Chl-a只采集表層水樣，其他指標在采樣水深大于10 m時采集表、底層水樣。樣品采集、貯存和運輸按照《海洋監測規范》第3部分：樣品采集、貯存和運輸[10]的方法進行。海水分析樣品的制備、消化和分析均按《海洋監測規范》(GB 17378.4—2007)第4部分海水分析[11]的方法進行。采樣過程中同時采集現場空白樣和

現場平行樣，實驗室分析采用平行樣、加標回收樣、質控樣分析等進行質量控制，以保證監測數據的可靠性。

1.2 數據分析和評價方法

1.2.1 數據處理

采用EXCEL、SPSS 20.0進行數據處理和顯著性分析。取表、底層樣品的平均濃度代表該站位的實測濃度。各營養鹽濃度季節間均值差異的顯著性檢驗采用配對樣本t檢驗方法，P<0.05表示差異顯著[12]。富營養化空間分布圖的繪制采用Surfer 8.0軟件。

1.2.2 富營養化指數

富營養化指數是目前國內最常用的一種富營養化評價方法，其計算公式[13]為：

(1)

式中：E為富營養化指數，CCOD、CDIN、CDIP分別為COD、無機氮(DIN)、無機磷(DIP)的濃度，單位均為mg/L，其中DIP采用PO4-P計算。當E≥1時，表明水體呈現富營養化，E值越大，富營養化程度越嚴重。

1.2.3 潛在性富營養化評價模式

REDFIELD[14]研究表明，浮游植物吸收氮磷摩爾比通常為16∶1(即Redfield值)，浮游植物一般都按Redfield值來攝取營養鹽，必然導致有一部分氮(對磷限制水體而言)或磷(對氮限制水體而言)相對過剩。郭衛東等[15]認為水體只有得到適量的氮(對磷限制水體而言)或磷(對氮限制水體而言)的補充，讓氮磷比(N/P)的值接近Redfield值，才能使這部分氮或磷對富營養化的貢獻體現出來，這種現象被稱為潛在性富營養化。郭衛東等以此概念為基礎，提出了潛在性富營養化評價模式，具體劃分原則和富營養化分級見表1。

表1 潛在性富營養化評價模式營養級的劃分原則

注：“—”表示該營養級的判定不受該指標限制。

1.2.4 灰色聚類分析

灰色聚類分析應用灰色系統理論的思想和方法，根據關聯矩陣或灰數的白化權函數將一些調查指標或監測對象聚集成若干個可定義的類別，既能反映系統的灰色性，又能體現各指標的綜合作用[16]，可較客觀呈現海水富營養化狀況，已被運用到水體富營養化的評價中[17-22]。本文選取DO、COD、Chl-a、DIN、PO4-P 5個指標作為評價海水富營養化的聚類指標，采用均值法對這5個指標實測值和評價標準的灰類值進行數據的無量綱處理，白化函數、聚類權和聚類系數的確定及構造聚類向量判定各聚類對象等級的方法和公式，參見文獻[22]。5個指標的評價標準和富營養化的等級劃分主要參照《海水水質標準》(GB 3097—1997)[23]和已有研究中對膠州灣富營養化程度的分級標準及方法[17，22]，灰色聚類分析的評價標準和等級如表2所示。最后依據最大隸屬度原則，即調查站位的富營養化等級為其最大聚類系數所對應的灰類。

表2 灰色聚類分析的評價標準和等級

2 結果和討論

2.1 富營養化指數計算結果與分析

富營養化指數計算結果和空間分布狀況(圖2)分析表明，該海域E值區間為0.18～3.10，平均值為1.13。春季E值范圍為0.43～3.00，有13個站位(占65%)E>1，主要分布于萊州灣西側和南側海域，其中最大值出現在萊州灣西南側的P18站位；夏季E值區間為0.18～3.10，4個站位(占20%)的E>1，主要位于萊州灣西北側海域，其中最大值出現在黃河口外側的P2站位；春夏季對比結果表明，春季富營養化的范圍大于夏季。

圖2 富營養化指數的空間分布

根據式(1)可知，E值的大小受COD、DIN、PO4-P濃度高低的影響。調查結果表明，COD春季的濃度范圍為1.59～1.98 mg/L，平均值為1.72 mg/L；夏季的濃度范圍為0.770～1.77 mg/L，平均值為1.30 mg/L；DIN春季的濃度范圍為0.220～0.612 mg/L，平均值為0.404 mg/L；夏季的濃度范圍為0.207～0.624 mg/L，平均值為0.360 mg/L。PO4-P春季濃度范圍為0.005 02～0.012 4 mg/L，平均值為0.008 96 mg/L；夏季的濃度范圍為0.003 77～0.014 6 mg/L，平均值為0.007 35 mg/L。與標準GB 3097—1997[23]對比結果表明，PO4-P、COD春夏季各站位均符合一類海水水質標準。DIN春季劣于二類的站位比例達四分之三, 一半站位為四類和劣四類(符合二、三、四類及劣四類的站位比例分別為25%、25%、20%、30%)；夏季劣于二類的站位比例也達七成, 三成站位達四類、劣四類(符合二、三、四類及劣四類標準的站位比例分別為30%、40%、20%、10%)。可見，DIN是調查海域的主要污染要素。春季劣四類區域分布在萊州灣西南部和黃河口鄰近海域，夏季分布在黃河口鄰近海域。60%的站位PO4-P濃度春季高于夏季，75%的站位DIN濃度春季略高于夏季，95%的站位COD濃度春季高于夏季。配對t檢驗結果表明，PO4-P、COD濃度春季和夏季存在顯著差異，而DIN春季和夏季不存在顯著差異。究其原因，一方面是夏季水溫較春季高，浮游植物生長旺盛，氮磷營養物質被大量消耗[24]。調查結果顯示，春季和夏季Chl-a的平均濃度分別為1.31、4.37 mg/m3；另外，可能與降雨有關，2013年山東省平均降雨量5月(104.3 mm)較歷年同期偏多122.9%[25]，而8月(80.1 mm)則較歷年同期偏少47.6%[26]。此外，大氣的氮沉降也是海洋中氮的重要來源[27]。

2.2 潛在性富營養化評價模式計算結果與分析

潛在性富營養化評價模式計算結果和富營養化程度分布狀況(圖3)分析表明，春季和夏季各站位的營養級均只包括磷限制中度營養(ⅣP)、磷限制潛在性富營養(ⅥP)兩類，未出現其他7類營養級別，這說明磷限制為萊州灣營養鹽結構的主要特征。其中，夏季磷限制潛在性富營養站位的比例略高于春季。春季的ⅣP、ⅥP站位比例分別為30%、70%，夏季的ⅣP、ⅥP站位比例分別為25%、75%。從分布上看，春夏季磷限制區域主要位于灣中部和東部。

圖3 潛在性富營養化評價模式結果站位分布圖

潛在性富營養化評價模式主要包括DIN、PO4-P濃度和N/P。調查結果表明，該海域春季的N/P的范圍為48.36～150.39，平均值為100.76，夏季N/P的范圍為48.05～205.26，平均值為117.84，兩個季節N/P的最小值均遠大于Redfield值，其中N/P>100的站位比例分別為50%(春)和65%(夏)，因此該海域的營養鹽結構為磷限制，夏季氮磷比失衡狀況比春季嚴重，各站位的N/P均大于30，依據潛在性富營養化評價模式的營養等級劃分標準，均呈現為磷限制，這時其等級只與DIN濃度和N/P有關。出現磷限制現象的主要原因，可能是化肥用量劇增但比例不當，地表水把未被利用的過量氮肥匯入河水，而磷酸鹽從河流徑流的補充有限，致使入海徑流氮磷比很高[15]，高氮磷比河水的注入必然會使河口及其鄰近海域水體中N/P升高。另外，也與大氣氮沉降[27]和水交換周期長有關。氮濃度過高和氮磷比失衡會引起浮游植物種群結構的改變或富營養化，甚至引發赤潮[28]。萊州灣2001年的浮游植物多樣性物種組成和多樣性指數較1989年均發生了很大變化[4]，1990—2010年期間，該海域共發生赤潮11次[3]。因此，應加強富營養化海域監測，特別關注營養鹽失衡嚴重區域，采取措施減少氮的排放并加大氮移除力度，改善營養鹽結構，避免富營養化和營養鹽結構失衡程度的加劇。

2.3 灰色聚類分析計算結果與分析

基于灰色聚類的評價結果(表3)和富營養化程度分布狀況(圖4)表明，春季有1個站位(P17，位于小清河口鄰近海域)Ⅲ級灰類的聚類系數最大，聚類結果為Ⅲ級，表明這個區域水體污染較重，為富營養水平。其余19個站位Ⅱ級灰類的聚類系數最大，聚類結果為Ⅱ級，表明這些區域水體受到一定的污染，為中度富營養水平，其中P2、P12、P18、P19 4個站位雖處于中度富營養水平，但這些站位的Ⅲ級灰類的聚類系數卻較大，均大于0.400，與Ⅱ級的灰類的聚類系數相差很小，表明這些區域具有潛在的富營養化風險，應加以關注。夏季有5個站位(P1、P2、P12、P16、P20，主要位于黃河口和小清河口鄰近海域及萊州灣東南部)Ⅲ級灰類的聚類系數最大，聚類結果為Ⅲ級，表明這個區域水體污染較重，為富營養水平；1個站位(P9)Ⅰ級灰類的聚類系數最大，聚類結果為Ⅰ級，表明這個區域海水質量較好，為貧營養水平；其余14個站位Ⅱ級灰類的聚類系數最大，聚類結果為Ⅱ級，表明這些區域水體受到一定的污染，為中度富營養水平，其中P4、P13、P18 3個站位雖處于中度富營養水平，但這些站位的Ⅲ級灰類的聚類系數也較大，均大于0.300，與Ⅱ級的灰類的聚類系數相差較小，表明這些區域具有潛在的富營養化風險，應加以關注。

表3 灰色聚類和富營養化指數評價結果

圖4 灰色聚類分析結果站位分布圖

灰色聚類分析選取了DO、COD、Chl-a、DIN、PO4-P作為評價富營養化的聚類指標，聚類結果受這5個指標影響。調查結果表明，DO春季的濃度范圍為8.88～10.16 mg/L，平均值為9.16 mg/L；夏季的濃度范圍為5.20～7.41 mg/L，平均值為6.54 mg/L。Chl-a春季的濃度范圍為0.764～2.13 mg/m3，平均值為1.31 mg/m3；夏季的濃度范圍為0.460～9.11 mg/m3，平均值為4.37 mg/m3。所有站位的DO春季均高于夏季，85%的站位Chl-a春季低于夏季，配對t檢驗結果表明，DO、Chl-a濃度春季和夏季存在顯著差異。這主要是由于夏季水溫較春季高，浮游植物生長旺盛有關。5個指標與灰色聚類分析的評價標準對比結果表明，各站位PO4-P濃度均低于Ⅰ級標準，因此其聚類權重較低；DO、COD的監測值低于Ⅰ級標準或介于Ⅰ～Ⅱ標準，其聚類權重次之；Chl-a、DIN的監測數值較大且變動范圍大，故其聚類權重高，是影響聚類結果的主要指標。由于DIN春夏季濃度不存在顯著差異，大部分站位的Chl-a濃度夏季高于春季，因此夏季富營養級站位數多于春季。

2.4 計算結果比較與討論

富營養化指數和灰色聚類分析結果相同之處是均篩選出春季萊州灣西南側呈富營養化、夏季西北側的黃河口富營養化。但依據海洋富營養化是海水中營養物質過度增加并導致生態系統有機質增多、低氧區形成、藻華暴發一些異常改變的過程[29]這一定義，富營養化應包括營養鹽的增加且還應包括生態系統的異常改變，因此其評價應包括相關的生態指標。但富營養化指數公式不含有生態指標，且當COD、PO4-P、DIN中某一指標很高或很低時，會影響計算結果的偏高或偏低，會掩蓋其他指標的影響，由于萊州灣具有DIN濃度高的特點，故萊州灣的富營養化指數計算結果會夸大氮營養鹽的作用[18,23]。灰類聚類分析通過白化數據的灰化處理，克服了評價標準邊界過于明確對評價結果的影響，既可較好體現富營養化程度的灰色性和調查數據的不確定性，又可反映單個指標或多個指標對于污染的貢獻，并可通過各個指標的聚類系數反映局部差異，能夠較客觀合理的對調查結果進行綜合性評價[18-23]，本研究中基于灰色聚類計算的富營養化結果不僅確定了富營養化站位，還篩選出存在較大潛在富營養風險的站位，并且灰色聚類分析較富營養化指數增加了可體現富營養化的水中氧濃度水平的DO和生態指標Chl-a等參與評價，因此灰色聚類分析較富營養化指數得出的結論更客觀。但這兩種方法均未考慮氮磷比，可能會忽略氮或磷限制表現出富營養化的潛在性，應結合營養鹽的氮磷比結構來確定富營養化水平更合理。

潛在性富營養化評價模式考慮了氮磷比，但也和富營養化指數一樣缺少體現富營養出現時底層缺氧、浮游植物大量繁殖等現象的指標，并且對萊州灣海域的評價結果為磷限制中度營養(ⅣP)和磷限制潛在性富營養(ⅥP)，結果均屬磷限制類，結論較粗，不符合海洋管理精細化的要求，由于萊州灣海域氮高磷低的特性，其評價結果可作為灰色聚類分析的補充。

以上說明3種方法各有優劣，當前富營養化的評估應綜合運用這些方法，從不同需求獲取有價值的信息應用到海洋管理中。下一步需要研究提出一種計算結果更科學、結論更便于理解和應用的富營養化評估模型，以滿足日常海洋調查和監測的需要。

3 結論

1) 春夏季PO4-P、COD各站位均符合一類海水水質標準，DIN春夏季劣四類的站位比例分別為30%、10%，DIN是調查海域的主要污染要素，劣四類區域春季分布在萊州灣西南部和黃河口鄰近海域、夏季分布在黃河口鄰近海域。春夏兩季的N/P平均值分別為100.76、117.84，N/P>100的站位比例分別為50%、65%，因此萊州灣的營養鹽結構為磷限制，夏季氮磷比失衡狀況較春季更為嚴重。

2) 春夏季富營養化指數的平均值為1.13，春夏季E>1站位比例分別為65%、20%，E>1區域春季主要分布在萊州灣西側和南側、夏季主要分布在萊州灣西北側海域，春季富營養化的范圍大于夏季。灰色聚類分析結果表明，春季Ⅱ、Ⅲ級的站位比例分別為95%、5%，夏季Ⅱ、Ⅲ級的站位比例分別為70%、25%，Ⅱ級中的部分站位Ⅲ級灰類的聚類系數較大，具有較大潛在富營養化風險。富營養級(Ⅲ級)和潛在富營養化風險的區域春季主要位于萊州灣西部、夏季主要位于萊州灣西北部和萊州灣南部，夏季富營養化范圍大于春季。潛在性富營養化評價模式結果表明，春夏季各站位的營養級均只包括ⅣP、ⅥP兩類，春夏季磷限制區域主要位于萊州灣中部和東部。

3) 灰色聚類分析較富營養化指數得出的結論更客觀，潛在性富營養化評價模式的結果可作為灰色聚類分析的補充，需綜合運用這些方法評估海水富營養化，從不同需求獲取有價值的信息應用到海洋管理中。應加強富營養化海域監測，特別關注營養鹽失衡嚴重區域。

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Characteristics of Environment Parameters and Eutrophication Assessment of Seawater in Laizhou Bay in Spring and Summer, 2013

XU Yandong1, 2，WEI Xiao1，LI Jiahui1，WU Xingwei1，MA Yuanqing1，SUN Wei1

1.Shandong Marine Resource and Environment Research Institute, Shandong Provincial Key Laboratory of Restoration for Marine Ecology, Yantai 264006, China 2.College of Environment Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

Based on field data of environmental parameters of seawater in Laizhou Bay in May (on behalf of spring) and August (on behalf of summer) of 2013, their characteristics were investigated and eutrophication degree of seawater was successively assessed by eutrophication index, potential eutrophication assessment model (PEAM) and grey clustering analysis (GCA). The results revealed that dissolved inorganic nitrogen (DIN) is the principal contamination parameter for water quality of Laizhou Bay. Mean values ofN∶Pratio in spring and summer are 100.76 and 117.84, respectively. By means of potential eutrophication assessment model, we found that there are merely two levels of eutrophication, ⅣPand ⅥP, to which all the sampling sites in spring and summer have attained. Thus, the structure of nutrients is characterized by phosphorus-limitation in Laizhou Bay. As for the eutrophication index,Evalues exceed 1, the guideline, for 65% of all the sampling sites in spring and for 20% of them in summer. The results of grey clustering analysis showed that the proportions of mid-eutrophic (Ⅱ) and eutrophic (Ⅲ) stations are 95% and 5% respectively in spring while are 70% and 25% respectively in summer, and some mid-eutrophic (Ⅱ) ones have comparatively high potential risk of eutrophication.

eutrophication；environment parameters；grey clustering analysis；N/Pratio；Laizhou Bay

2015-05-11;

2015-07-22

國家海洋公益性行業專項經費項目(201105006, 201205001)；山東省科技發展計劃(2014GSF117030)

徐艷東(1980-),男,山東蒼山人,在讀博士,副研究員。

X824

A

1002-6002(2016)06- 0063- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.10