河北省近岸海域氮磷變化及其影響因素分析

趙 樂,韓麗君,劉蘭紅,魏 君,韓 雪,趙 崢,藍文陸

1.河北省生態環境監測中心,河北 石家莊 050030

2.廣西海洋環境監測中心站,廣西 北海 536000

河口-近海系統位于沿海經濟帶,是海陸相互作用最為活躍、對流域自然變化和人類活動響應最為敏感、與近岸環境變化聯系最為密切的區域。近幾十年來,隨著工農業的發展,近海生態系統受到人為活動的影響日益顯著[1-5]。 陸源中的氮和磷通過河流輸入、入海排污、大氣沉降等多種途徑進入海洋,通過改變海水中營養鹽的含量和結構,促進或抑制著浮游植物的生長和繁殖,進而影響到海區生態系統的穩定[6-10]。 近年來,為推進近岸海域污染防治和打好渤海綜合治理攻堅戰,通過加強陸域污染控制與治理、實施海洋污染源清理與整治等舉措,河北省近岸海域海水主要污染物氮磷濃度下降明顯,水質呈現好轉趨勢,但仍存在反彈風險。 關注河北省近岸海域海水中氮和磷的變化趨勢及影響因素,不僅可以反映出陸源污染治理的進展和成效,亦可指征海域生態環境狀況演變趨勢。

本文通過統計分析2011—2018 年河北省近岸海域海水中的氮磷含量、水質富營養化狀況變化趨勢,結合入海河流、降水常規監測數據,分析海水中氮磷變化趨勢與陸源污染治理舉措的響應機制,以期為近岸海域污染防治和渤海綜合治理提供基礎資料和理論參考。

1 實驗方法

1.1 研究區域與點位布設

研究區域為河北省近岸海域,所布設點位包含13 個海水水質監測點位、12 個主要河流入海監測斷面、6 個沿海三市(秦皇島、唐山、滄州)降水監測點位。 研究區域及點位設置如圖1所示。

圖1 研究區域及點位設置示意圖Fig.1 Study area and sampling stations

1.2 樣品采集與分析

1.3 數據處理與分析

1.3.1 水質富營養化狀況評價方法

按照《近岸海域環境監測規范》[14](HJ 442—2008)對海水水質富營養化狀況進行評價。 富營養化指數的計算公式如下:

式中:E 為富營養化指數,無量綱;COD 為化學需氧量,mg/L;DIP 為活性磷酸鹽,mg/L;DIN 為無機氮,mg/L。 水質富營養化等級劃分見表1。

表1 水質富營養化等級劃分Table 1 Water quality eutrophication grade classification

1.3.2 降水中氮磷濃度的計算

降水中氮和磷的平均濃度計算公式如下:

式中:n 為降水次數;i 為某次降水事件;C 為營養鹽的濃度,μmol/L;CVWM為降水量加權平均濃度,μmol/L;Q 為降水量,mm。

2 實驗結果

2.1 海水氮磷濃度的年際變化

河北省近岸海域海水中的首要污染物是DIN,其次是DIP。 海水中DIN 和DIP 平均濃度的年際變化趨勢如圖2 所示。 從圖2 可以看出,河北省近岸海域海水中DIN 的平均濃度在2011—2014 年、2015—2017 年呈階段性上升趨勢,2018 年大幅下降。 其中:滄州市近岸海域海水DIN 濃度水平遠高于秦皇島市和唐山市,大部分年份的均值均高于第二類海水水質標準限值(0.30 mg/L),對河北省近岸海域海水DIN 濃度均值和變化趨勢的貢獻最大;秦皇島市和唐山市近岸海域海水DIN 濃度水平大致相當,歷年均值均低于第一類海水水質標準限值(0.20 mg/L),自2014 年起基本保持逐年下降趨勢。

河北省近岸海域海水中DIP 的平均濃度在2011—2013 年無明顯變化,2014 年突然升高,隨后開始逐年下降。 沿海三市海水中DIP 的濃度水平大致相當,歷年均值均低于第二類海水水質標準限值(0.030 mg/L)。 除滄州市在2012 年、2017 年出現異常高值外,秦皇島市和唐山市DIP濃度的變化趨勢與全省均值的變化趨勢基本一致。

圖2 河北省近岸海域海水中氮磷含量的年際變化Fig.2 The annual variation of average N and P concentration in seawater in the coastal waters of Hebei Province

2.2 海水氮磷比值變化及富營養化狀況

河北省近岸海域海水氮磷比(N/P)年際變化如圖3 所示。 從圖3 可以看出,河北省近岸海域海水2011—2015 年各年度N/P 無明顯變化,2016—2018 年則呈明顯上升趨勢。 其中:秦皇島市和唐山市近岸海域海水N/P 大致相當,2011—2018 年無明顯變化;滄州市近岸海域海水N/P 最高,且整體呈逐年上升趨勢。

根據公式(1)計算河北省近岸海域海水富營養化指數,結果如圖3 所示。 圖3 顯示:2011—2017 年,河北省近岸海域富營養化指數保持在1.29 ～1.54,無明顯變化;2018 年,富營養化指數大幅降低。

根據表1 所示等級劃分標準判定各海區富營養化狀況,結果如圖4 所示。 圖4 顯示,河北省近岸海域水質富營養化狀況以貧營養和輕度富營養為主,中度富營養和重富營養海域主要位于滄州市。 2011—2015 年,河北省近岸海域貧營養化比例逐年下降;2016—2018 年,貧營養化比例逐年上升,特別是2018 年富營養化狀況改善明顯,已無中度和重富營養狀況出現。

2.3 入海河流和降水氮磷濃度的年際變化

沿海三市主要入海河流氮磷年際變化趨勢如圖5 所示。 在河流常規監測中,除-N 和TP作為地表水水質評價必測指標,其長時間序列數據比較齊全外,其余各項指標均存在監測數據不全問題,因此,本文重點討論河流中的-N 和TP。 從圖5 可以看出,2011—2015 年,河北省入海河流-N 濃度雖有波動,但整體上無明顯變化,2016—2018 年逐年下降;2011—2015 年,入海河流中的TP 總體呈輕微上升趨勢,2016—2018年則逐年下降。 其中:唐山市入海河流-N 和TP 濃度最低,近年來均保持相對穩定,-N 濃度呈現輕微下降,TP 濃度則略有上升;秦皇島市入海河流-N 和TP 濃度分別維持在0.347 ～3.300 mg/L 和0.114 ～0.350 mg/L,-N 濃度在2011—2018 年逐年下降,TP 濃度在2011—2015 年明顯上升,2016—2018 年顯著下降;滄州市入海河流-N 和TP 濃度均較高,在2011—2015 年上下波動幅度較大,2016—2018 年均呈顯著下降趨勢。

圖3 河北省近岸海域海水中N/P 和富營養化指數的年際變化Fig.3 Interannual variation of N/P and eutrophication index in seawater in the coastal waters of Hebei Province

圖4 河北省近岸海域富營養化狀況的年際變化Fig.4 Interannual variation of eutrophication in the coastal waters of Hebei Province

圖5 河北省沿海城市入海河流中氮磷含量的年際變化Fig.5 Interannual variation of N and P concentration in rivers entering the sea in coastal cities of Hebei Province

圖6 河北省沿海城市降水中氮磷含量的年際變化Fig.6 Interannual variation of N and P concentration of rain water in coastal cities of Hebei Province

3 分析與討論

3.1 海水氮磷濃度變化的影響因素

結合同年份河流及降水中氮磷濃度的監測結果,研究海水氮磷濃度與河流、降水輸入的相關性,結果如表2 所示。

表2 海水、入海河流、沿海城市降水中氮磷組分的相關性分析Table 2 Pearson correlation coefficients (r) for N and P in the sea,river entering the sea,rain water in coastal cities

3.2 海水營養鹽結構變化對海洋生態系統的影響

研究表明,海水中的營養鹽是浮游植物生長的物質基礎,浮游植物生長過程中對生源要素的吸收利用是按一定比例進行的[19],海域內的營養鹽含量和結構發生變化會對浮游植物的生長及群落結構產生一定影響。 營養鹽的缺乏會限制浮游植物的生長和繁殖,過高或者結構失衡則會影響浮游植物種群結構的穩定,甚至引發赤潮災害,進而影響海洋漁業資源[9-10,20]。

自2017 年以來,隨著河北省大氣、水、近岸海域污染防治行動的陸續推進,陸源-N、TN、TP、COD 入海總量降低,近岸海域海水中的氮磷的濃度大幅下降,但由于氮和磷減少量的差異較大,海水N/P 持續升高。 值得關注的是,作為地表水、海水和降水中的非水質評價和考核指標,在其他污染物濃度明顯降低的同時,河流和降水中-N 的濃度卻呈上升趨勢。 目前,河北省近岸海域海水和河流中的DIN 均以NO-3-N 為主。 在《近岸海域污染防治方案》和《渤海綜合治理攻堅行動計劃》的實施過程中,應警惕污染物控制力度的不同所導致的海水中生源要素結構的改變,及其引起的浮游植物群落乃至整個海洋生態系統的變化。 海水中氮、磷、硅等生源要素的比例對浮游藻類的增殖有重要影響。 有研究表明,一些頻繁暴發的大面積藻華都是某些對水體營養結構異常波動具有很強適應能力的浮游微藻導致的[21-22]。 河北省近岸海域水質富營養化狀況以貧營養和輕度富營養為主,中度富營養和重富營養主要發生在滄州市近岸海域。 秦皇島市近岸海域發生赤潮的次數和面積遠大于滄州市[10],而且秦皇島市近岸海域2018—2019 年監測數據顯示,在一類水質的情況下,部分海域仍有赤潮物種大量增殖的現象發生。 因此,在未來的海洋生態環境保護工作中,除了關注近岸海域海水水質是否改善、是否滿足考核要求外,還應考慮海水中營養結構的變化所引起的浮游植物群落變化、海洋生物種類變化等一系列因海洋生態系統的改變而帶來的新問題。

3.3 污染防治政策實施與海洋環境變化的響應關系

2013 年9 月10 日,《大氣污染防治行動計劃》正式實施。 作為京津冀地區大氣污染最重的區域,河北省立即啟動了相關實施方案和專項行動。 《2018 年河北省生態環境狀況公報》顯示,通過實施一系列的治理措施和考核激勵機制,河北省大氣環境質量明顯好轉。 從圖6 亦可以看出,自2014 年以來,秦皇島市和滄州市降水中-N的平均濃度呈明顯下降趨勢,唐山市降水中-N 的平均濃度下降明顯,-N 濃度的下降趨勢則相對遲緩。 2015 年4 月16 日,《水污染防治行動計劃》正式啟動,-N 和TP 成為地表水水質評價及考核指標。 河北省入海河流中的-N 和TP 整體呈下降趨勢,而唐山市主要入海河流中的TP 因一直低于地表水Ⅲ類水質標準(0.2 mg/L),未做重點控制,其濃度未降反升。

河流和降水中氮磷輸入量的減少,使河北省近岸海域海水中氮和磷的平均濃度自2016 年起有所下降,但在2017 年仍有部分地區出現高值。自2017 年《近岸海域污染防治方案》實施以來,河北省通過開展入海河流、入海排污口清查和整治,以及清理沿河水系畜禽養殖、推廣生態健康養殖、提升船舶港口防污能力、規范灘涂與近海海水養殖等一系列舉措,截至2019 年9 月,秦皇島市和唐山市畜禽養殖廢棄物資源化利用率超過了73%,唐山市和滄州市污水處理率超過了90%,全省共清理海上非法養殖面積3 000 畝(1 畝≈667 m2),有效減少了沿海三市陸源污染物的排放,減輕了海源污染。 2018 年以來,沿海三市海水中的氮磷濃度均呈現大幅下降。 由此表明,“陸海統籌、河海兼顧、上下聯動、協同共治”才能實現海洋生態環境質量的持續穩定改善,才能切實維護海洋生態安全。

4 結論及建議

1)2011—2018 年,河北省近岸海域海水中DIN 和DIP 的平均濃度均低于二類海水水質標準,超過二類標準限值的點位主要位于滄州市;海域富營養化狀況以貧營養和輕度富營養為主,中度富營養和重富營養區域主要位于滄州市。 河北省近岸海域海水中DIN 的平均濃度在2011—2014 年、2015—2017 年呈階段性上升趨勢,2018年大幅下降;DIP 的平均濃度在2011—2013 年無明顯波動,2014 年陡增,隨后開始逐年下降;海水N/P 在2011—2014 年無明顯變化,2015—2018年呈逐年上升趨勢。

2)近岸海域海水、入海河流、降水中的氮和磷表現出一定的相關性和協同性。 河北省大氣、水、近岸海域污染防治行動成效顯著,近岸海域海水中的氮磷濃度大幅下降。 由于氮和磷減少量的不均衡,海水N/P 持續升高,可能會引起潛在的海洋生態風險。

3)建議在“十四五”生態環境監測工作中,加大對海洋生物地球化學循環的基礎監測力度;盡快加強海洋生物監測能力建設,編實配強海洋生態環境監測隊伍;加強與水利、自然資源等部門的合作。 只有做到“陸海統籌、河海兼顧、上下聯動、協同共治”,才能實現海洋生態環境質量的持續穩定改善,切實維護海洋生態安全。