渤海灣西南部近岸海域環境狀況及其時空變化

王以斌， 尹曉斐， 張晶晶， 吳文濤, 3, 劉軍， 臧家業

(1. 自然資源部第一海洋研究所， 山東 青島 266061； 2. 魯東大學濱海生態高等研究院， 山東 煙臺 264025； 3. 中國海洋大學化學化工學院， 山東 青島 266100)

0 引言

渤海灣位于渤海西部， 是典型的半封閉海灣， 被河北、 天津和山東環繞， 海水交換能力弱、 自凈能力差、 環境承載力弱， 但環渤海灣地區卻是我國海洋開發利用的重點區域之一[1]. 2002—2015年間， 天津和河北的海洋開發利用強度位居全國前列[2]， 海域開發利用承載力均屬超高等級[3]. 同時， 沿岸城市的陸源污染不斷增加[4]， 渤海灣海洋生態環境已呈現嚴重污染的狀況[5]， 富營養化現象突出、 赤潮災害頻發[5-7]， 顯著影響和制約了區域社會經濟與海洋生態環境的協調發展[8]. 當前， 摸清重點海灣的海洋環境狀況和污染現狀， 以環境數據為支撐， 提出切實可行的環境整治、 保護和修復措施， 推進近岸海域生態環境的質量改善與修復， 是強化海洋生態文明建設的迫切需要， 也是陸海統籌對海洋生態管理的明確要求[9].

鑒于此， 本研究通過對2014年在渤海灣西南部近岸海域進行的調查數據的分析， 研究該海域主要海洋水環境要素的時空分布和變化， 評價營養狀態水平和有機污染狀況， 探討水環境參數之間的相關性. 結合文獻分析海域的海洋環境質量狀況及變化趨勢, 旨在全面了解該海域的海洋環境及其污染現狀， 為海洋開發利用決策和海洋生態環境修復策略提供依據， 為管理部門開展陸海統籌和以生態系統為基礎的海洋環境管理提供科學支持.

1 研究區域與方法

1.1 海域范圍

2014年2月至11月間開展了春、 夏、 秋、 冬4個季節航次的調查. 調查海域面積約1 250 km2， 西北至滄州南排河口， 東南至濱州套爾河口(東經117°42′48″～118°15′7″， 北緯38°15′3″～ 38°33′49″)， 共設27個調查站位， 其中冬季22個調查站(見圖1). 調查海域中部是滄州黃驊港， 港區中有港口碼頭、 濱海熱電廠、 鋼鐵企業和化工企業等； 南側為濱州港， 北側外圍緊鄰天津港南港區. 毗鄰的陸域部分主要為鹽田和海水養殖場， 河流主要有南排河、 宣惠河-漳衛新河-大口河和套爾河.

1.2 研究要素與研究方法

1.2.1 調查要素及調查分析方法

調查要素包括水溫(θ)、 鹽度、 pH值、 溶解氧(DO)、 化學需氧量(COD)、 無機氮(DIN)、 活性磷酸鹽(DIP)、 活性硅酸鹽(SiO3-Si)、 懸浮物(SS)、 葉綠素a(Chl-a)和石油類(Oil)等. 樣品的采集、 處理及分析方法均參照《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)[10]和《海洋監測規范》(GB 17378—2007)[11]進行. 對主要水環境參數(鹽度、 DO、 COD、 DIN、 DIP、 Oil和Chl-a)進行空間分布特征和時空變化研究.

1.2.2海洋水環境質量評價方法

采用單因子污染指數評價法[12]， 參照以《海水水質標準(GB 3097—1997)》[13]對主要水環境要素進行評價.

1.2.3富營養化評價方法

采用富營養化指數法[14]和營養狀態質量指數法[15]評估海域的富營養化程度和營養狀態水平； 采用氮磷比值法[16]計算潛在富營養化； 采用有機污染綜合指數法[16]評價該海域的有機污染狀況.

1.2.4數據分析與處理

本研究的水環境要素數據處理使用Excel 2007軟件， 數據的季節均值以算術平均值±標準偏差(Mean±SD)表示； 水環境要素的時空分布圖采用Surfer 11軟件繪制， 各要素之間的相關性分析通過SPSS 18.0軟件進行.

2 結果與分析討論

2.1 海洋水環境狀況

主要水環境參數的調查統計結果見表1， 空間分布情況見圖2、 3.

表1 渤海灣西南部近海主要水環境要素調查結果

2.1.1水溫

研究海域的水溫季節變化明顯， 平均水溫為夏季>春季>秋季>冬季. 冬季水溫最低， 各站位水溫在1.82～8.90 ℃之間， 變化幅度最大； 春季各站范圍為17.87～24.43 ℃， 變化幅度次之； 夏季水溫最高， 各站在26.62～28.10 ℃之間， 站位間變化幅度最小； 秋季各站范圍為11.33～14.66 ℃， 差距相對較小. 冬春季氣溫低、 溫差大， 受光照影響水溫變化幅度大， 夏季環境溫度高、 溫差小， 水溫的變化幅度最小.

2.1.2鹽度

海水鹽度的季節變化差距不大， 從季節變化看， 夏、 秋季的鹽度相對較高， 而冬、 春季較低， 并沒有像其他海域一樣夏季鹽度為四季最低， 這或因調查年度的夏季降水較少或匯入海洋的淡水較少. 由圖2(a)可知： 冬、 夏、 秋三季的鹽度高值區均位于黃驊港以北海域， 而春季則相反， 鹽度高值區位于黃驊港以南的近岸河口. 其原因可能是春季陸域鹽田濃鹽水排放至河流中， 然后輸入到海洋中， 使得高值區位于近岸河口附近. 此外, 海域北側沿岸眾多的海水淡化工程可能對于區域的海水鹽度也有明顯的作用[17]， 張海波等[18]研究顯示渤海灣西部海域相對于北部和灣口海域在夏季屬于高溫高鹽度區域.

2.1.3 DO值

DO值的季節變化較大， 冬季最高， 為(11.32±1.21)mg·L-1， 夏季最低， 為(7.67±1.10)mg·L-1， 春秋季相差不大， 年均值為(8.82±1.60)mg·L-1. 如圖2(b)所示， 冬、 春、 夏季主要的低值區位于大口河河口區域， 同時， 冬、 夏季的高值區位于黃驊港北側海域， 春季則是位于南側的濱州海域. 春季和夏季在北側的河北和天津近海形成明顯的低氧區， 氧質量濃度在7.0 mg·L-1以下. 秋季整個研究海域的DO值差距相對較小， 沒有特別明顯的高值區和低值區.

2.1.4 COD值

COD值在四季間存在一定差異， 冬季最高， 為(2.86±0.79)mg·L-1； 春、 夏、 秋三季較低， 其中秋季最低， 為(1.59±0.47)mg·L-1， 年均值為(1.95±0.75)mg·L-1. 如圖2(c)所示， 空間分布上， 夏、 秋、 冬三季的高值區位于北側的滄州近海， 春季位于黃驊港航道附近， 此外冬季在港區南側還有一個高值區， 最高值超過了4.0 mg·L-1.

圖2 渤海灣西南部近海鹽度、 DO值和COD值的空間分布

2.1.5 DIN值

DIN值季節差異較大， 秋季最高， 為(0.51±0.19)mg·L-1， 春季最低， 為(0.16±0.07)mg·L-1， 不足秋季均值的1/3， 冬、 夏季相差不大； 此外DIN年均值為(0.31±0.19)mg·L-1， 已超過海水水質二類標準值. 如圖3(a)所示， 夏、 秋、 冬三季的主要高值區位于大口河入?？诟浇?， 且含量較外圍海域明顯較高， 這表明陸源河流攜帶含氮污染物的輸入對于海洋環境的影響十分顯著. 春季的高值區分布在研究海域的南北兩側， 中間的黃驊港航道附近為低值區. 除了陸源輸入的影響， 海洋環境中的DIN值與海洋生物的利用、 繁殖、 攝食等活動有關， 春季的DIN值在四季中最低， 表明春季海域內海洋生物的快速增殖生長消耗了部分氮源.

2.1.6 DIP值

DIP值的季節變化較大， 秋季最高， 為(10±10)μg·L-1， 冬季次之， 為(7±2)μg·L-1； 春季最低， 僅為(2±2)μg·L-1. DIP的季節均值趨勢與DIN值相似， 均為春季最低， 秋季最高， 春季的氮磷質量濃度分別約為秋季的1/3和1/5， 表明春季由于海域內海洋生物的快速增長， 消耗了大量的氮磷營養鹽. 從圖3(b)空間分布看， 冬、 夏、 秋季均在大口河河口和港口北側海域形成明顯的高值區， 春季在海域南側有一個高值區.

2.1.7 Chl-a

Chl-a的季節均值為冬季最高， 春季次之， 分別為(3.95±4.20) μg·L-1和(3.03±3.07) μg·L-1， 夏、 秋季相對較低. 由圖3(c)可知： Chl-a的季節空間分布規律并不一致， 秋、 冬季主要在黃驊港北側形成明顯的高值區， 春季在港區南側的大口河河口形成明顯高值區， 且冬、 春季在高值區的Chl-a量明顯較高. Chl-a的空間分布表明近岸排放的含氮污染物對于浮游植物的生長具有明顯的促進作用.

2.1.8石油類

海水中石油類的季節均值變化較大， 春季含量最高， 均值為(23±10)μg·L-1， 夏季最低， 均值為(5±2)μg·L-1. 如圖3(d)所示， 主要高值區位于黃驊港的港口航道附近以及靠近天津南港區附近的海域， 顯然， 港口航運業對該海域的石油類污染影響明顯.

圖3 渤海灣西南部近海DIN、 DIP、 Oil和Chl-a的空間分布

2.2 水環境的營養狀態評價

2.2.1 富營養化指數和營養狀態指數評價

營養狀態質量指數(NQI)和富營養化指數(E)反映了海域內COD、 DIN、 DIP和Chl-a之間的關聯， 兩種評價的結果見圖4(a)、 (b).

NQI評價顯示： 冬季研究海域大部分處于中等營養化狀態(NQI>2)， 其中河北近岸海域NQI>3， 為富營養化狀態. 春夏季大部分海域為貧營養化狀態， 大口河河口附近為富營養化區域， 另有部分區域為中等營養化區域. 秋季大部分海域處于中等營養化以上程度， 約一半海域達到富營養化程度， 最嚴重的區域位于大口河河口； 此外， 秋季河北近岸海域已達到富營養化程度， 與冬季的富營養化區域基本一致.

E評價顯示： 秋、 冬季富營養化較為嚴重， 大部分海域已呈富營養化(E>1)， 夏季主要在大口河河口區域呈現富營養化， 且已達中度富營養化(E>3)， 春季均未呈現富營養化. 從空間分布看， 富營養化程度較高的區域位于大口河河口. 富營養化與溶解氧的空間分布特征基本一致的， 印證了沿海富營養化和污染物的增加是造成低氧的重要因素[19].

兩種指數評價的結果均顯示研究海域在秋、 冬季的富營養化程度較高， 大部分海域處于富營養化狀態； 從空間分布看， 富營養化最嚴重的區域位于大口河河口附近海域， 表明河流所攜帶的陸源污染物輸入對于海域富營養化的顯著影響

2.2.2氮磷比

海域的氮磷比(N/P)值反映水體的營養鹽結構， 揭示了海域營養鹽對富營養化的潛在限制[16]. N/P失衡會直接導致浮游生物群落的演替， 進而引發赤潮等生物災害， 甚至導致整個生態系統的變化[20]. 調查期間N/P的四季均值在45.2～226.9之間， 已遠超Redfield比值(16∶1)， 根據潛在性富營養化的評價標準[21]， 海域的營養級為“磷限制潛在性富營養”. 由圖4(c)可知， 夏、 秋和冬季的高值區位于黃驊港附近， 春季則在北側靠近天津港附近有顯著高值區.

2.2.3有機污染指數評價

如圖4(d)所示： 冬、 春、 夏的有機污染指數(A)較低， 均值在2以下， 處于正常營養水平[16]； 但在秋季，A的均值已>2， 為輕度有機污染狀態. 從空間分布看， 冬季近岸海域均為輕度污染狀態(2

綜合富營養化和有機污染評價的結果， 研究海域在秋季污染程度最重， 大部分的海域處于富營養化和有機污染狀態； 主要的污染區域位于大口河河口及附近海域， 呈現出近岸高離岸低的特征， 表明了陸源污染對于海洋環境的顯著影響.

圖4 渤海灣西南部近海表層海水的富營養化指數(NQI、 E、 N/P 和 A)

2.3 水環境質量評價

根據評價結果， 研究海域最主要的水質污染要素是DIN， 在四季均有不同程度的站位超標； 秋季最嚴重， 93%的站位DIN超過二類海水水質標準， 其中67%的站位超過三類標準， 44%的站位超過四類標準， 同時， DIN秋季均值也超過四類標準. 其次是冬季， 50%的站位超過二類標準， 9%的站位超過三類標準， 但滿足四類標準. 此外， 夏季有26%的站位超過二類標準， 11%的站位超過三類標準， 滿足四類標準. 春季的情況最好， 僅有7%的站位DIN超過二類標準但滿足三類標準.

此外， COD在冬季有32%的站位超過二類標準， 有14%的站位超過三類標準但滿足四類標準； 夏季有4%的站位超過二類標準滿足三類標準. 石油類在春季和DIP在秋季分別有4%的站位超二類標準， 其他季節沒有超標.

2.4 水環境要素的相關性分析

渤海灣西南部近海主要水環境要素之間的相關關系如表2所示， 溫度在控制海水各環境要素的變化中具有重要的作用， 海水中DO受水溫的調控最明顯. 水溫與鹽度呈顯著正相關(p<0.01)， 與DO、 COD、 DIN、 活性磷酸鹽和活性硅酸鹽呈顯著負相關(p<0.01). 鹽度與DO、 COD和石油呈顯著負相關， 與DIN呈顯著正相關； DO與COD之間呈顯著正相關， 同時與Chl-a也呈顯著正相關. 氮、 磷、 硅營養鹽之間呈顯著正相關， 反映了其分布和來源的一致性； 同時營養鹽與懸浮物呈顯著正相關， 表明區域內的海洋開發利用活動和陸源持續輸入引起泥沙的輸送對海域水體有持續影響， 使得懸浮物增加導致吸附的營養鹽釋放， 增加了海域內的營養鹽含量； 結合污染物主要存在于河口區域的空間分布狀況， 說明大口河攜帶了大量的COD和營養鹽. 研究海域內水溫與鹽度呈顯著正相關， 表明研究區域內夏季淡水的輸入量并不突出； 有研究表明渤海沿岸的河流淡水輸入量在持續減少， 海水鹽度在相應的升高[22].

表2 渤海灣西南部近海主要水環境要素之間的相關關系

2.5 研究海域的污染狀況及時空變化趨勢

受大量生活污水和工農業廢水排放的影響， 環渤海灣入海河流污染嚴重， 近岸海域富營養化嚴重[22]； 研究海域已為DIN污染中風險海域， 北側天津近海為高風險[23]. 表3是自1982年以來研究海域主要污染要素的對比統計.

表3 渤海灣西南部近岸海域近年來海水主要污染要素對比

由表3可知， 1982—2003年間渤海灣的營養鹽結構發生了顯著變化， 海水處于嚴重的氮污染狀態[24, 30]， N/P由1982年的1.3大幅上升至1998年的24.8[30]； 營養鹽結構由“氮限制”轉向“磷限制”狀態[24]； 隨著陸源輸入中氮磷營養鹽差距不斷擴大， 渤海灣“磷限制”的趨勢將更加明顯[18]. 陳淑梅[25]和李志偉等[26]研究顯示2004和2006年河北省近岸海域由北向南污染逐漸加重， 滄州海域污染最嚴重， 主要污染物為DIN和Oil. 張學輝等[28]研究顯示2011年渤海灣南部海域污染嚴重， DIN值在8月份最高， 達1.21 mg·L-1， 5月份最低也有0.44 mg·L-1. Peng[31]研究表明2007—2012年間DIN是天津海域內的主要污染物， 城市、 港口和農業污染物是海域污染的主要來源. 張文亮等[32]研究表明渤海灣DIN總量已超過海洋環境容量， 須嚴格控制DIN的陸源入?？偭?

綜上所述， 日益增強的人類活動對渤海灣近岸海域環境影響顯著， DIN是最主要的污染物， 且污染程度較重， 氮磷比升高， 營養鹽結構已變為“磷限制”， 富營養化程度已經較高. 在區域污染程度上， 天津沿海污染較重， 滄州和濱州海域略好. 當前， 環渤海灣圍填海、 陸域工農業廢水、 濱海電廠溫排水、 海水淡化的濃鹽水排放等使得渤海灣海洋生態環境進一步惡化. 應當在陸海統籌機制下， 以海定陸， 以海洋承載力、 納污能力等指標為依據， 通過建立“多規合一”的空間規劃體系、 合理調整產業布局、 禁止非必要圍填海、 重點治理陸源排放， 控制陸源入海污染物總量、 加強海洋環境監測等具體措施的共同努力， 維持、 保護和改善渤海灣的海洋生態環境.

3 結語

渤海灣西南部近岸海域在2014年的水質狀況一般， DIN是主要的污染要素， 秋季DIN污染最嚴重， 44%的站位和均值超過四類海水水質標準. 氮磷比偏高， 營養鹽結構為“磷限制”. 富營養化季節性特征和區域性特征明顯； 秋季富營養化最嚴重， 大部分海域為富營養化和有機污染狀態. 主要海水水質要素的空間分布受陸源輸入的影響明顯， 氮、 磷、 硅營養鹽主要來自于陸源輸入. 研究表明, 渤海灣西南部海域DIN污染在加重， 氮磷比失衡， 富營養化趨勢明顯， 亟待通過“陸海統籌”和“以海定陸”等措施治理沿岸陸源排放， 修復已嚴重污染的海洋環境.