膠州灣營養鹽的長期變化及其生態效應

徐菡悅,王保棟*,辛 明,孫 霞,王宗興,陳 衎,謝琳萍,林春野

(1.自然資源部 第一海洋研究所海洋生態研究中心,山東 青島266061;2.自然資源部 海洋生態環境與工程重點實驗室,山東 青島266061;3.北京師范大學 環境學院,北京100875)

膠州灣位于黃海西部的山東半島南岸(120°04'～120°23'E,35°58'～36°18'N),面積約370.6 km2,平均水深7 m,是一個被高度城市化環繞的半封閉海灣[1]。入灣河流包括大沽河、海泊河、李村河、樓山河、白沙河、墨水河等。近年來入灣河流徑流量明顯下降,以大沽河為例,2007年大沽河的年均徑流量為7.9億m3,至2017年已降至1.79億m3[2]。河流徑流量的下降和河流硬化改造工程與營養鹽濃度的變化密不可分[1]。隨著環膠州灣區域經濟社會的快速發展,入灣陸源排污量(工農業廢水和城市生活污水)及海水養殖廢水排放量等迅速增加,膠州灣承受了巨大的環境壓力,進而引發了一系列生態環境效應,其中富營養化是膠州灣主要的生態環境問題之一。20世紀60年代至20世紀90年代膠州灣溶解無機氮(DIN)的年均濃度增加約7倍,溶解無機磷(DIP)的年均濃度增加約3倍[3];自20世紀90年代至21世紀初膠州灣營養鹽的年均濃度增速放緩[4]。有研究結果表明20世紀90年代至21世紀初膠州灣富營養化程度持續加重[5-7]。近十幾年,青島市市政府加大了對膠州灣的保護力度,膠州灣水質狀況有所改善,目前膠州灣水質狀況總體呈穩中向好的趨勢[8]。

我們基于2018—2019年現場調查資料及歷史資料,分析總結了改革開放40 a來膠州灣營養鹽的歷史變化趨勢及其生態效應,以期深化對膠州灣營養狀況演變進程的認識,為制定膠州灣生態環境保護政策和措施提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 現場調查

2018-04,2018-08,2018-10和2019-01對膠州灣進行了現場調查(站位布設見圖1)。營養鹽、Chla、浮游動物的采樣、保存及測定方法均按照《海洋監測規范》[9]執行。采用連續流動分析儀(德國SEAL 公司生產Qu AAtro39型)進行營養鹽濃度的測量,溶解無機氮(DIN)濃度為水體中溶解態亞硝酸氮、硝酸氮以及氨氮三者濃度之和。Chla樣品按《海洋調查規范》規定的萃取熒光法[10],用熒光光度計(美國Turner Designs公司生產10-AU 型)進行測定,計算Chla質量濃度。

圖1 膠州灣調查站位( )Fig.1 The map of Jiaozhou Bay showing survey stations( )

1.2 歷史資料來源

膠州灣的歷史資料甚多,我們選取具有高空間覆蓋率(＞80%)、高時間頻率(營養鹽每年至少包含3個季節航次,Chla和浮游動物生物量每年至少包括2個季節航次)的數據(表1)。赤潮數據從文獻[11]及海洋環境質量公報[8]中獲得,化肥施用量及工業廢水排放量從青島統計年鑒[2]中獲得。膠州灣的各項參數年均變化趨勢則用Origin軟件[12]計算的五年移動平均趨勢線來表示。

為了保證營養鹽數據的可比性,分別用手工法和Qu AAtro 39型連續流動分析儀對2018年航次的營養鹽樣品進行測定,測定值均在系統誤差允許范圍內,Q檢驗顯示在a=0.01的顯著性水平下,2個方法不存在系統誤差。

表1 膠州灣營養鹽及生物因子數據來源Table 1 Data sources of nutrients and biological variables in the Jiaozhou Bay

2 結果與討論

2.1 2018—2019年膠州灣營養鹽濃度及分布特征

2018—2019年膠州灣現場調查的數據中膠州灣表層海水中溶解態營養鹽的含量及空間分布特點表明膠州灣表層海水春季cDIN范圍為2.500～12.360μmol L-1,均值為5.430μmol L-1,cDIP范圍為0.065～0.970 μmol L-1,均值為0.260μmol L-1;夏季cDIN范圍為2.140～13.860μmol L-1,均值為4.070μmol L-1,cDIP范圍為0.130～2.000μmol L-1,均值為0.170μmol L-1;秋季cDIN范圍為9.680～43.210μmol L-1,均值為25.360μmol L-1,cDIP范圍為0.450～2.000μmol L-1,均值為0.970μmol L-1;冬季cDIN范圍為1.070～13.980μmol L-1,均值為6.000μmol L-1;cDIP范圍為0.130～0.420μmol L-1,均值為0.260 μmol L-1;膠州灣表層海水中營養鹽的空間分布特征(以cDIN為例見圖2)較為相似,高值點多出現在東北部的Q17站位、西部的Q2站位,低值點多出現在灣口Q14,Q18,Q19站位。具體分布特征:1)灣東北部為營養鹽最高值區,灣北部和西部次之,灣口區最低;2)營養鹽濃度等值線均分別從灣東北部、北部和西部向灣中央及灣口遞減。主要原因是陸源輸入與膠州灣內環流共同控制:陸源輸入的主要來源為徑流輸入,灣東北部河流眾多,且河流下游多為工業廢水及城市生活污水的主要排污通道[4],而灣西北部有徑流量最大的大沽河匯入,因此營養鹽濃度較高,此外沿岸排污及沿海養殖區的排放也是導致灣東北和西部營養鹽濃度較高的重要陸源輸入;膠州灣北部大部分海域存在多個環流場且流速均小于10 cm s-1,污染物難以擴散,自凈能力較弱[19];而灣口及灣中央營養鹽濃度較低,則是灣內與灣外較低營養鹽水交換的結果。

圖2 2018—2019年膠州灣表層DIN 濃度(μmol L-1)平面分布Fig.2 Horizontal distributions of DIN concentration(μmol L-1)in the surface water of Jiaozhou Bay in 2018—2019

2.2 近40 a營養鹽的季節變化

分析表明近40 a膠州灣營養鹽濃度的季節變化較大,且不同年份季節變化規律不盡相同(圖3)。冬、春季膠州灣營養鹽濃度的年際變化幅度較小,而夏、秋季則變化幅度較大。夏、秋季出現營養鹽濃度高值的頻率較高,冬、春季節則相反,這可能是陸源輸入量和浮游植物生長的季節變化所致。冬、春季降雨量較少,營養鹽隨淡水的輸入量相應較小,同時冬末春初正值浮游植物生長發育的高峰期,浮游植物的生長消耗水體中大量的營養鹽[14],從而導致冬、春季膠州灣內營養鹽含量較低;夏季降水量最大,陸源輸入帶來豐富的營養鹽,盡管夏季(8月)浮游植物的數量較多,但陸源輸入量可能遠高于浮游植物消耗,因此夏季營養鹽出現高值的概率較高;秋季膠州灣浮游植物生物量一般處于低谷期,灣內營養鹽濃度延續了夏季的高值。膠州灣DIP的季節變化特征與DIN 的基本一致,在此不再贅述。

圖3 近40 a膠州灣表層DIN 濃度季節變化圖Fig.3 Seasonal variations of DIN concentration in the surface water of Jiaozhou Bay in the past 40 years

2.3 營養鹽濃度及其結構的長期變化

近40 a來膠州灣海水中營養鹽年均濃度的變化,大致以2008年為分界節點,總體呈現出先上升后下降的變化趨勢,但不同營養鹽略有差異(圖4)。膠州灣cDIN由20世紀80年代初期的4μmol L-1快速增大到2008年的30μmol L-1,增加了6.4倍;cDIN自2008年至今呈波動下降趨勢,尤其是2015年之后下降速率加快,目前cDIN已降至10μmol L-1左右,略高于國家一類海水水質標準[20]。

圖4 近40 a來膠州灣營養鹽年均濃度的變化(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.4 The changes of annual mean concentrations of nutrients in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

DIP變化趨勢與DIN 有所不同,其變化大致可分為3個階段:第1階段為波動下降期,自20世紀80年代初期至20世紀90年代末期cDIP呈波動下降趨勢,但下降幅度較小;第2階段為自20世紀90年代末期到2015年的快速增長期,cDIP從0.4μmol L-1大幅度增加至1.4μmol L-1,不到10 a的時間內增加了2.5倍;第3 階段為快速下降期,其時間節點與DIN相同,cDIP呈現出大幅下降的趨勢,目前cDIP已降至0.2μmol L-1,基本符合國家一類海水水質標準[20]。膠州灣cDSi在2000 年以前略呈下降趨勢,與同期DIP的變化趨勢相似。2000 年后,膠州灣cDSi的變化趨勢與DIN 和DIP大致相似。

圖5 近40 a膠州灣營養鹽比值變化圖(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.5 The changes of nutrients ratio in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

各種營養鹽濃度的不同步變化導致膠州灣營養鹽比值的巨大變化。近40 a來膠州灣N/P比值總體呈上升趨勢(圖5),其變化可分為3個階段。第1階段為20世紀80年代初期到20世紀90年代末,N/P 比值呈波動上升趨勢,從20世紀80年代初的8左右增大到20世紀90年代末的35,20 a間增加了3.4倍;第2階段為2000—2010年,N/P比值呈現下降趨勢,主要是由于這10 a膠州灣DIP較DIN 濃度增速更大。2010年以來膠州灣N/P比值快速增加,目前在80左右波動,已達Redfield比值的5倍之高。膠州灣Si/P比值,2010年以前基本保持在10上下波動,2010年以來則呈快速上升趨勢,目前維持在40左右,已遠超Redfield比值。Si/N 比值20世紀90年代中期至21世紀初期一直維持在0.3左右波動,近10 a則在0.5左右波動,較之前略有升高,但一直遠低于Redfield比值。

2.4 與營養鹽相關的生物因子的年均變化

Chla的含量是評價浮游植物生物量和動態變化的主要指標[21]。自20世紀80年代至今的30 a間,膠州灣Chla質量濃度基本圍繞在3μg L-1波動,最低值出現在2006年,高值出現在1997,1998,2008年,沒有明顯的升高或者降低的趨勢(圖6)。2010年左右膠州灣Chla濃度較前30 a略高,但此后則呈下降趨勢。膠州灣浮游動物生物量,在1995年以前在100 mg m-3上下波動,但在2000年左右快速上升,峰值超過400 mg m-3,比1995年以前增加約3倍[18],目前膠州灣浮游動物平均生物量保持在350 mg m-3左右。

對近40 a來膠州灣內赤潮進行統計分析表明,1990—2000年膠州灣海域赤潮發生頻次為9次,2001—2010年為7次,但2010年以來膠州灣內未發生赤潮事件[8]。

圖6 近40 a膠州灣Chl a 和浮游動物生物量年均變化(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.6 The changes of annual mean chlorophyll a and zooplankton biomass in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

3 討 論

3.1 影響膠州灣營養鹽長期變化的因素

對歷史資料與現場調查數據的分析表明,近40 a來膠州灣營養鹽的水平和結構都發生了顯著變化,主要營養鹽濃度整體呈現出先上升后下降的趨勢,營養鹽比值基本也呈不斷上升的趨勢。作為一個被高度城市化環繞的海灣,膠州灣營養鹽的變化與人類活動密切相關。我們認為導致膠州灣營養鹽變化的原因主要有2個方面:1)入海營養鹽排放量的變化;2)圍填海活動導致膠州灣的面積變化所造成的自凈能力的變化。

研究表明膠州灣DIN 和DIP 排海總量以陸源為主,占比可高達93%和98%;大氣沉降分別占6%和1%,海水養殖廢水排放僅占1%～2%[4]。對膠州灣陸源排海通量進行分析發現,從20世紀80年代初膠州灣DIP和DIN 的陸源入海通量呈不斷增加的趨勢,DIN 的陸源入海通量在2009年前后達到峰值12 701.6 t/a,之后呈下降趨勢;DIP的入海通量在2005年前后達到峰值740 t a-1之后,呈下降趨勢[4,22-24]。膠州灣DIP和DIN 的入海通量的變化趨勢與膠州灣營養鹽變化趨勢基本一致,因此認為DIN 和DIP入海通量的變化是導致膠州灣氮磷營養鹽濃度變化的主要原因。DIN 和DIP入海通量的變化主要是受陸源輸入量變化影響。河流是膠州灣營養鹽陸源輸入的主要途徑,在匯入膠州灣的眾多河流中,除了大沽河外,其他河流已無基本徑流[4]。20世紀80年代大沽河的年均徑流量為5.26億m3;20世紀90年代略有下降,約為4.08億m3;2007—2008年大沽河的年均徑流量較高,達7億m3;此后大沽河的年均徑流量總體呈下降趨勢,2016年大沽河的年均徑流量已降至0.8億m3,與膠州灣DIP和DIN 入海通量的變化趨勢基本一致[2]。據調查顯示膠州灣陸源輸入中排海工業廢水量約占污水排海總量的10%,城市生活污水約占15%,農業污水約占75%[22]。隨著青島市城市化進程的加快,工業廢水的排放量有明顯的變化。20世紀80年代,青島工業廢水排放量年均值約為8 784×104t,20世紀90年代已增加到12 925×104t,21世紀以來青島工業廢水排放量持續增加[2];從2006年起青島開始推進陸源污染物減排工作,2007年青島市確立了“環灣保護,擁灣發展”的城市發展新戰略,陸續實施了大規模河道綜合整治,建設城鎮污水處理廠。在多項環保措施的實施后青島工業廢水的排放量明顯下降,截至2017年青島工業廢水排放量已降至5 613×104t[2]。農業廢水中DIN 和DIP的貢獻主要來自于化肥,青島市的化肥施用量呈現先上升后下降的趨勢。20世紀80年代青島市農業化肥的施用量折純后年均值約為16×104t,20世紀90年代已增加到288 450 t,到2007年達到峰值338 145 t,之后呈現明顯下降趨勢,到2017年已降至278 251 t[2]。由此可見工業廢水排放量和農業化肥施用量可能是導致氮磷營養鹽通量變化的重要原因。海洋中的硅酸鹽主要來自河流,因此徑流量的變化對Si的影響較大。研究表明膠州灣的硅酸鹽濃度與降水量(圖7)之間呈現很好的相關性[25],說明降水量和徑流量是膠州灣硅酸鹽濃度變化的主要控制因素。

圖7 青島年均降水量Fig.7 The changes of annual mean precipitation in Qingdao

圍填海活動導致膠州灣的面積變化對其自凈能力造成一定的影響,進而影響膠州灣營養鹽濃度變化。從20世紀80年代的圍建養殖池塘和港口開發、臨港工業建設,導致膠州灣海域面積銳減。膠州灣的海域面積從1977年的423 km2降至本世紀初的367 km2,到2010年更是達到了歷史低值,僅為346.3 km2,累計減小面積約占改革開放前膠州灣總面積的20%[26]。海域面積的縮小會導致膠州灣納潮量的減少、并進而降低灣內外水體的交換率,從而降低了污染物的稀釋擴散能力[27]。間接導致膠州灣營養鹽濃度的增加。2010年以來,青島市啟動膠州灣海洋生態綜合整治行動,嚴格規范用海項目,實施退池還海等措施[26]。截至2017年膠州灣的海域面積已恢復至370.6 km2[8]。膠州灣海域面積的恢復對此期間膠州灣營養鹽濃度的下降有一定貢獻。

3.2 膠州灣營養鹽限制狀況

營養鹽比例的變化會影響浮游植物的種類組成和生長。對于浮游植物生長的營養鹽限制的研究方法通常采用氮、磷、硅的濃度以及三者之間摩爾比值進行判斷[28]。我們依據Justic等[29]提出的營養鹽評價標準對膠州灣的營養鹽限制狀況進行判別,具體評價標準:當Si/P 比值＞22且DIN/P比值＞22時為“磷限制”;當Si/DIN 比值＞1且N/P比值＜10時為“氮限制”;當Si/P比值＜10且Si/DIN 比值＜1時為“硅限制”。

膠州灣20世紀80年代初期處于“氮限制”狀態,1990—2000年則處于“硅限制”狀態,2001—2008年則基本不存在營養鹽限制;近10 a膠州灣處于“磷限制”狀態。主要營養鹽的不同步變化是導致膠州灣營養鹽限制發生變化的主要原因。1990—2000年氮、磷營養鹽濃度快速增加而硅酸鹽濃度保持穩定,這是導致該時期膠州灣海域處于“硅限制”狀態的主要原因;21世紀以來DIN 的增加幅度逐漸變緩,但DIP和DSi的增加更為顯著,這就使得膠州灣營養鹽比例嚴重失衡的問題得到一定緩解;2010年以來,膠州灣主要營養鹽濃度都有所下降,但DIP濃度下降最為顯著,因此膠州灣向潛在的“磷限制”狀態轉化。通過現場調查數據對當前膠州灣營養鹽“磷限制”狀況的季節變化進行分析,發現夏季“磷限制”狀況最為顯著。我們研究結果與其他學者對膠州灣營養鹽限制狀況的研究結果[4,14]基本一致。

3.3 膠州灣生物因子對營養鹽變化的響應

2008年以前膠州灣表層Chla質量濃度并沒有隨著營養鹽濃度的變化發生同樣的變化。Wang B D 和Wang Z L[30]通過對1980—2007年膠州灣營養鹽濃度及葉綠素質量濃度的長期變化及相關關系的分析發現,在此期間貝類的養殖可能是影響甚至控制膠州灣浮游植物生物量的重要原因。孫曉霞等[31]通過1984—2008年對膠州灣葉綠素和初級生產力的長期變化進行研究也認為膠州灣養殖貝類的濾食壓力對控制膠州灣葉綠素長期變化應起到重要作用。

2013-04青島市政府開展膠州灣非法網箱和筏式養殖設施的清理工作,截至2016年共恢復海域面積1 400公頃[8]。目前尚有一定面積的底播貝類養殖,但貝類濾食對膠州灣浮游植物生物量的控制作用也相應減小。由圖6可知2013年以來膠州灣Chla質量濃度并沒有增加,反而呈下降趨勢,這一方面可能是由于近幾年膠州灣DIP濃度大幅度減少,雖然DIP顯著下降出現在2005年左右,但是2014年膠州灣DIP濃度才降至高峰期前水平,之后仍呈下降趨勢,與Chla質量濃度下降時間基本一致,因此推測“磷限制”作用是導致膠州灣浮游植物生物量下降的重要原因;另一方面,浮游動物生物量的大幅度增加也加大了對浮游植物的攝食壓力。有研究表明浮游動物攝食在赤潮生消過程中起相當重要的作用[32]。因此推測2010年以來膠州灣未發生赤潮事件可能是由營養鹽濃度及浮游動植物共同控制的結果。

4 結 論

我們對2018—2019年現場調查數據與近40 a歷史資料的分析表明,近40 a來膠州灣的營養鹽發生了明顯變化,整體呈現出先上升后下降的趨勢。研究發現入海營養鹽排放量的變化(尤其是陸源輸入量的變化)和膠州灣海域面積的變化,可能是導致膠州灣營養鹽濃度變化的主要原因。20世紀90年代膠州營養鹽的結構由“氮限制”轉變為“硅限制”,21世紀初期逐步轉變為“磷限制”。不同營養鹽的不同步變化是導致膠州灣營養鹽限制發生變化的主要原因。膠州灣浮游植物生物量(以Chla計)并未像營養鹽那樣發生顯著變化,分析表明貝類養殖是影響控制膠州灣浮游植物生物量的重要因素,而近年來Chla質量濃度的下降趨勢可能是DIP濃度的減少和浮游動物生物量的大幅增加所致。總體來看,以20世紀10年代末期為拐點,膠州灣的富營養化狀況已向好的方向發展。