滄州黃驊港水質特征及營養狀態分析

劉龍 褚芹芹 王全穎 謝潤超 杜雨蒙 張建樂

摘要：根據2011～2018年河北省海洋生態環境監測數據，研究滄州黃驊港海域水質要素變化特征及其海水自凈能力，運用單因子標準指數法、營養指數法、有機污染評價指數法及PSR框架富營養化綜合評價法評價海域營養狀態。研究發現，海域水體中DIN濃度總體呈現逐漸降低的特征;活性磷酸鹽濃度大體呈現先升高后降低的特征，且已成為浮游植物生長的限制因素。結果表明，黃驊港海域具有較強的海水自凈能力。四種評價模式均表明海域富營養化水平表現出先由中營養狀態發展為富營養狀態，后又恢復為中營養狀態的趨勢。

關鍵詞：黃驊港;水質特征;自凈能力;富營養化

Abstract：According to the monitoring data of marine ecological environment in Hebei Province from 2011 to 2018， the change characteristics of water quality elements and self purification capacity of the sea-area of Huanghua port in Cangzhou were studied， and the nutritional status of the sea-area was evaluated by single factor standard index method， nutritional index method， organic pollution evaluation index method and PSR framework eutrophication comprehensive evaluation method.It is found that the concentration of DIN in sea water decreased gradually， and the concentration of active phosphate increased first and then decreased， which had becomed the limiting factor of phytoplankton growth. The results showed that Huanghua port had a strong self purification ability.And the four evaluation models showed that the eutrophication level of the sea-area showed the trend of developed from the medium nutrition state to the eutrophication state， and then returned to the medium nutrition state.

Key words：Huanghua port;Water quality characteristics;Self purification capacity;Eutrophication

滄州渤海新區黃驊港位于環渤海中心地帶，東臨渤海，南接山東，北靠京津，依托于京津冀協同發展、環渤海合作發展、“一帶一路”開放發展等重大國家戰略，開發利用海洋已成為渤海新區發展的基礎。隨著渤海新區港口經濟的快速發展，導致陸源污染物排放量日益增加，加之黃驊港海域自身水體與外界交換能力較差[1]，黃驊港海域的生態環境發生了較大的變化。為了了解海洋開發對該海域環境產生的影響程度，發現污染問題，分析潛在危害，有效保護海洋環境和生態資源。所以，本文利用2011～2018年河北省海洋生態環境監測數據，分析了滄州黃驊港海域海水化學要素變化特征，研究了該海域海水自凈能力，評價了該海域營養狀態水平及有機污染狀態，為實現海洋生態環境保護與經濟發展的相融共生提供科學的理論依據。

1 樣品采集與分析

1.1 調查站位

2011～2018年度共對滄州黃驊港海域進行了8個航次調查取樣。其中，2011年8月、2012年6月、2013年7月調查取樣站位如圖1所示，分別布設13個監測站位;2014年8月、2015年8月、2016年6月、2017年5月、2018年6月調查取樣站位如圖2所示，分別布設18個監測站位。

1.2 采集與分析

水文項目包括水溫和透明度;水質項目包括硝酸鹽（NO3-N）、亞硝酸鹽（NO2-N）、氨氮（NH4-N）、活性磷酸鹽（PO43--P）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）和葉綠素a，水質樣品均為表層樣;沉積物項目包括總有機碳（TOC）;生物項目包括浮游植物、浮游動物和底棲生物。除水溫和透明度為現場測量外，水質、沉積物和生物等項目采樣、保存及分析均按《海洋調查規范》（GB12763-2007）[2]和《海洋監測規范》（GB17378-2007）[3]進行。

2 結果與討論

2.1 海水化學要素變化特征

2011～2018年滄州黃驊港海域海水主要化學要素的濃度范圍及平均值見表1。海水中無機氮（DIN）、活性磷酸鹽、葉綠素a、DO和COD濃度平均值范圍分別介于11.61～30.72μmol·L-1、0.09～0.81μmol·L-1、0.99～6.38μg·L-1、7.56～9.75mg·L-1、1.13～1.54mg·L-1之間。其中，DIN、活性磷酸鹽和葉綠素a濃度平均值變化幅度較大（如圖3所示），其高值分別出現在2012、2016和2017年，低值分別出現在2018、2018和2013年，高值分別是低值的2.6、9.0和6.4倍。由圖3可看出，DIN濃度平均值基本上呈現出逐漸降低的特征，活性磷酸鹽濃度平均值大體上呈現出先升高后降低的特征，而作為表征浮游植物生物量的葉綠素a濃度平均值變化特征較為復雜。2011～2015年，葉綠素a與DIN變化特征較為一致，表明這一時期內，浮游植物的生長與繁殖主要受DIN濃度影響;2016～2018年，葉綠素a則與活性磷酸鹽變化特征較為同步，這表明浮游植物生長與繁殖的影響因素發生了變化，限制因素由DIN變為活性磷酸鹽。另外，從表1看，DO和COD濃度平均值總體變化不大。

2.2 海水自凈能力分析

海洋生態系統一般具有海洋自凈能力，穩定的水文環境和生物要素，利于形成相對平衡的海洋生態系統。但當海水受到污染且超過海水自凈能力時，就會打破生態系統的平衡，進而威脅海洋生物的生存繁衍[4]。海水化學凈化過程中，微生物會將含氮有機物分解為易于浮游植物吸收的無機氮，然后不同形態的無機氮之間也會進行相互轉化，因此，分析水體中不同形態無機氮的含量比例對了解海水自凈能力尤為重要[5]。另外，由于水體中的DO在海洋化學凈化過程中起到舉足輕重的作用，所以DO含量也可以在一定程度上反映海水自凈能力。

表2給出了2011～2018年滄州黃驊港海域不同形態氮含量比例。氮循環中，雖然NH4+為含氮有機物的初級氧化產物，但其在8個航次調查中所占DIN比例并不高，最高也僅為2013年的27.2%;作為三態氮形態轉換的中間產物NO2-，占比最小，平均值為9.6%;海域水體中DIN主要存在形式為NO3-，所占百分比均在60%以上，這表明水體中初級氧化產物NH4+能夠較快轉換成宜于浮游植物吸收的NO3-。水體中DO含量越高，海水自凈能力越強;反之則會導致水體惡化[6]。從表1可看出，水體氧化劑DO濃度平均值明顯高于一類海水標準，說明水體處于富氧環境，這也為三態氮形態轉換提供了有利條件。另外，結合可反映水體有機污染程度的COD數據來看，海水中COD濃度值均位于一類海水范圍內，表明水體中微生物可以將有機污染物進行有效的降解，使水體處于低有機污染狀態。綜上所述，滄州黃驊港海域具有較強的化學凈化能力。

2.3 營養狀態分析

日益嚴重的海域富營養化正威脅著海洋生態環境和人類健康，有效評價富營養化狀態，分析富營養化過程，預測其發展趨勢，將會為海域富營養化的控制提供更加科學的理論基礎。目前國內關于海域富營養化評價模式已有多種[7-10]，為了得到更加符合海域實際狀況的結果，多數學者會采用多種評價模式進行綜合分析[11-13]。吳敏蘭[11]運用指數綜合壓力法、壓力—狀態—響應法和聚類分析法等模式評價了北部灣北部海域，表明海灣營養鹽壓力增大，營養水平為中等。彭云輝等[12]運用隸屬度法和營養狀態指數評價法等模式評價了珠江河口海域，表明該海域接近富營養水平，可能會發生赤潮。為了更加客觀的對滄州黃驊港海域進行營養狀態分析，本文采用單因子標準指數法、營養指數法、有機污染評價指數法及PSR框架富營養化綜合評價法等模式評價。

2.3.1 單因子標準指數法

海水水質評價一般采用單因子標準指數法[14，15]，公式為：

式中Pi為i項污染因子的標準指數;Ci為i項污染因子的實測濃度;Cio為i項污染因子的評價標準。

水中溶解氧（DO）采用下式計算：

式中DOf為現場水溫及氯度條件下，水樣中氧的飽和含量（mg·L-1），DOf=468/（31.6+t）;DOs為溶解氧標準值;DO為溶解氧的測定值。

單因子指數小于或等于1，表明該站位水體沒有遭受該因子的污染，大于1表明遭受該因子污染，值愈大表明污染愈嚴重。

根據河北省海洋功能區劃[16]和監測站位分布情況，2011～2013年，海水水質執行二類海水水質標準;2014～2018年，海水水質執行三類海水水質標準，2011～2018年的各因子水質污染指數評價結果詳見表3。2011～2013年，滄州黃驊港海域水質全部為DIN超標，超標率分別為53.8%、100%和15.4%。2014～2018年，海域水質因子均高于或符合3類海水水質標準。由表3也可看出，2011～2018年各因子評價年際變化中，DIN雖在2011～2014年稍有起伏，但總體逐年向好;活性磷酸鹽雖未超標，但呈現出“V”字形變化趨勢;DO和COD基本無變化，均為一類海水標準。

2.3.2 營養指數法

鄒景忠等人[9]于1983年對渤海灣富營養化和赤潮問題研究中提出的營養指數法，目前在國內海域富營養化研究中廣泛應用。

營養指數法（E）公式為：

式中COD、DIN、DIP為海域水體中實測濃度，單位均為mg·L-1。

E<1，海域水體為貧營養狀態;E≥1，表明海域水體為富營養狀態，E值愈大表明富營養狀態程度愈嚴重。

從2011～2018年滄州黃驊港海域E值計算結果（表4）看，E值平均值范圍在0.15～2.31之間。根據E值平均值的變化規律，2011-2018年該海域富營養化水平先由貧營養狀態逐漸發展成富營養狀態，后又逐漸恢復到貧營養狀態。

2.3.3 有機污染評價指數法[9，15，17]

有機污染評價指數法（A）計算公式為：

海域有機污染評價（A）分級如下：A<0，良好;0≤A<1，較好;1≤A<2，受到污染;2≤A<3，輕度污染;3≤A<4，中度污染;A≥4，嚴重污染。

有機污染評價指數法相較于營養指數法，包含了水質特征參數DO，能更加科學的反映海域富營養化水平，2011～2018年有機污染評價指數評價結果見表5。滄州黃驊港海域A值平均值范圍介于0.15～2.31之間。海域富營養化水平年際變化中，有機污染評價指數法評價結果與營養指數法評價結果趨勢基本相同，也呈現出先由較好狀態逐步變化為受到污染狀態，后又逐步還原為較好狀態的規律。綜合表1和表3考慮，夏季滄州黃驊港海域富營養化水平主要受水體中DIN和活性磷酸鹽要素的影響，COD和DO要素對其富營養化水平影響有限。

2.3.4 PSR框架富營養化綜合評價法[18]

目前， 國內近岸海域富營養化評價方法應用最為廣泛的主要是以營養鹽為主的第一代評價體系，如本文所用的營養指數法（E）、有機污染評價指數法（A）以及其他的評價方法[19，20]等，這些以公式計算值為標準的評價方法未能全面地反映海域富營養化水平。21世紀以來，國內外許多學者提出了以壓力-狀態-響應（PSR）指標框架為基礎的第二代近岸海域富營養化評價方法[21-23]。根據航次監測數據現狀，本文采用吳迪等人建立的PSR框架富營養化綜合評價法[18]對滄州黃驊港海域富營養化進行評價。

該評價方法監測數據易得，數據處理較為科學，評價指標較為全面，評價標準比較適用于我國海域海灣現狀。評價方法指標及權重分配如下：營養物質壓力指標（權重分配0.35）包括水體中DIN濃度（0.15）、溶解無機磷濃度（0.10）和COD濃度（0.10）;富營養化初級癥狀指標包括水體中葉綠素a濃度（0.10）、浮游植物數量（0.10）和浮游植物多樣性指數（0.10）;富營養化次級癥狀包括浮游動物密度（0.05）、大型底棲動物密度（0.05）、水體透明度（0.05）、DO濃度（0.05）、沉積物總有機碳含量（0.05）;富營養化其他癥狀指標包括海域赤潮發生情況（0.10）。PSR框架富營養化綜合評價法按以下三步進行。

首先，對每個監測站位的數據進行單因子評價，評價標準見表6，其中浮游植物數量、浮游動物密度及大型底棲動物密度等生物評價背景值以《近岸海洋生態健康評價》[24]中區域專屬背景值為標準。浮游植物多樣性指數采用Shannon - Weaver公式計算：

式中H′為多樣性指數，s為樣品中的種類總數，Pi=ni/N（ni是第i個物種的個體數，N是全部物種的個體數）。

其次，對各評價指標的站位達標率進行海域區域性評級賦分，海域赤潮評級賦分采用赤潮發生狀況及發生面積兩項要素評價。海域區域性評價賦分標準見表7[18]。

最后，四類評價指標海域區域性評級賦分進行綜合，公式為：

式中P總為海域富營養化水平總分，Pi為第i個評價指標賦分，n為評價指標總個數。按照P總分值將海域富營養化水平分為四個等級：4≤P總≤5，貧營養;3≤P總<4，中營養;2≤P總<3，富營養;0

由于PSR框架富營養化綜合評價法綜合考慮了水質、沉積物、生物以及赤潮等多種評價參數，所以該評價方法能更全面、真實的反映海域富營養化水平。圖4為2011-2018年滄州黃驊港海域富營養化綜合評價結果，P總分值范圍位于2.60～3.95之間。從圖4可看出，P總分值有先降低后升高的變化規律，表明海域富營養化水平先由中營養狀態進展為富營養狀態，后又調整到中營養狀態，這與營養指數法和有機污染評價指數法評價結果一致。另外，從圖4也可看出，四類評價指標類別中，P總分值與營養物質壓力指標變化規律更為接近，說明2011～2018年水體中氮、磷營養鹽對滄州黃驊港海域富營養化水平貢獻較大。

3 結論

2011～2018年，滄州黃驊港海域水體中DIN濃度總體呈現出逐漸降低的特征;活性磷酸鹽濃度大體上呈現出先升高后降低的變化特征，且已成為浮游植物生長的限制因素。

滄州黃驊港海域具有較強的海水自凈能力，主要體現在水體中氮循環的特征以及較高的DO濃度上。

單因子標準指數法、營養指數法、有機污染評價指數法及PSR框架富營養化綜合評價法評價結果趨勢基本一致，2011～2018年滄州黃驊港海域富營養化水平先由中營養狀態發展為富營養狀態，后又恢復為中營養狀態。

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收稿日期：2020-04-18

作者簡介：劉龍（1987-），男，漢族，碩士，研究方向為海洋監測。