鹽城近岸海域水質分布特征及富營養化研究

許海華 ,丁言者 ,李麗花 ,張煜珩 ,曹呈娟 ,陳中偉 ,杭凌霄,朱旭宇

(1.國家海洋局南通海洋環境監測中心站 南通 226002;2.上海海洋大學 上海 201100)

0 引言

隨著海洋經濟的迅猛發展,大量的工業廢水以及生活污水的排放導致近岸海域水質不斷惡化,近海生態環境面臨水體污染和富營養化等眾多問題[1-2]。海水營養鹽輸入以及輸出的不平衡會引起水生生態系統物質和能量流動的不平衡,最終導致生態結構以及海洋功能發生改變,近海海洋資源的可持續發展受到嚴重影響,造成巨大的經濟損失[3]。因此,海水質量是海洋生態環境系統良性循環的重要保障。鹽城位于江蘇沿海中部,是江蘇沿海面積最大、海岸線最長的城市,也是擁有“國家濕地生態旅游城市”之稱的海濱城市[4]。近年來,隨著江蘇經濟的快速發展,鹽城近岸海域生態環境加劇惡化的問題逐漸凸顯。

目前針對鹽城近岸海域營養鹽等環境因子分布及變化特征的研究較為缺乏[5]。本研究通過對鹽城近岸海域資料的分析,系統研究鹽城近岸海域水質環境因子的分布特征及變化規律。通過富營養化評價及有機污染評價分析污染因子的成因,對全面把握鹽城近岸海域水質狀況有重要意義。在了解污染源狀況和潛在生態環境風險的基礎上,本研究旨在保護鹽城近岸海域生態環境以及防止海洋生態環境污染,同時為鹽城海洋生態環境的保護和管理以及海洋生態修復提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 樣品采集與處理

在鹽城近岸海域布置21 個水質調查站位,于2018年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)現場采集水樣,研究海域覆蓋整個鹽城海域(圖1)。

圖1 調查站位Fig.1 Sample stations

樣品采集、儲存與運輸等按照《海洋監測規范》(GB 17378-2007)[6]和《海洋調查規范》(GB/T 12763-2007)[7]進行,水質參數測定分析按《海洋監測規范》(GB 17378-2007)[6]進行。

1.2 數據處理

富營養化評價采用有機污染指數(Q)和富營養化指數(E)相結合的方法[8-11]。富營養化指數的計算公式為:

式中:COD、DIN 和DIP分別為溶解無機氮、化學需氧量、溶解磷酸鹽的濃度。

海水水質富營養化水平的分級標準為:E≤1.0,水體處于貧營養狀態;1.0

有機污染指數的計算公式為:

式中:CODi、DINi、DIPi、DOi分別為化學需氧量(高錳酸鉀法)、無機氮、活性磷酸鹽以及溶解氧的實測值;CODs、DINs、DIPs、DOs分別為相應指標的標準值,采用一類海水水質標準。

運用SPSS 20.0軟件對環境理化因子進行K-W非參數檢驗、聚類分析、Spearman相關性分析。運用Surfer 12.0和ArcGis 10.2軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 環境因子

鹽城近岸海域各環境因子的季節性變化如表1所示。

表1 鹽城近岸海域各環境因子的季節性變化Table 1 Seasonal changes of environmental factors in the coastal waters of Yancheng

可以看出,pH 值、DO、COD、石油類、葉綠素a、總氮、總磷和營養鹽均存在季節性差異(K-W檢驗,P<0.05),鹽度的季節性變化不大。其中,pH 值、DO、COD、活性硅酸鹽濃度秋季最高、夏季最低,石油類濃度夏季最高、春季最低,葉綠素a濃度夏季最高、秋季最低,總氮、總磷和無機氮濃度春季最高、夏季最低,活性磷酸鹽濃度春季最高、秋季最低。

表層水溫、鹽度、無機氮和活性磷酸鹽的空間分布如圖2至圖5所示。

圖2 表層水溫分布Fig.2 Change of surface temperature

圖3 表層鹽度分布Fig.3 Change of surface salinity

圖4 表層無機氮分布Fig.4 Change of surface DIN

圖5 表層活性磷酸鹽分布Fig.5 Change of surface DIP

鹽度大體呈近岸低、遠岸高的分布特征,且由北向南遞增;河口區域附近鹽度明顯降低,輻射沙洲區域鹽度因水體交換不明顯而低于其他區域。pH 值大體呈近岸高、遠岸低的分布特征;輻射沙洲區域pH 值變化較大,河口區域pH 值變化較明顯。溶解氧濃度呈遠岸低、近岸高以及北部低、南部高的分布特征。石油類濃度呈北部高、南部低的分布特征,河口區域石油類濃度變化較大。化學需氧量濃度呈近岸高、遠岸低的分布特征,北部河口區域化學需氧量濃度由于淡水輸入而變化較大。無機氮濃度大體呈近岸高、遠岸低以及北部高、南部低的分布特征。活性磷酸鹽濃度大體呈近岸高、遠岸低的分布特征。

2.2 有機污染指數評價和富營養化指數評價

受無機氮、活性磷酸鹽超標的影響,鹽城近岸海域春、夏、秋季都有不同程度的有機污染,有機污染指數平均值為5.41,屬于嚴重有機污染,有機污染程度春季最高,其次為秋季,夏季最低。春季有機污染指數平均值達7.23,屬于嚴重有機污染,位于斗龍港南側輻射沙洲區域的12號站位出現最大值達9.83;秋季有機污染指數平均值為4.87,屬于重度有機污染;鹽城近岸海域有33條入海河流,夏季豐水期受河流入海淡水沖刷及降水的影響,有機污染指數平均值為4.14(圖6)。

鹽城近岸海域富營養化指數平均值為2.14,整體屬于中度富營養狀態,部分海域屬于重度富營養狀態。其中,春季富營養化最嚴重,夏、秋季屬于輕度富營養狀態,斗龍港南側和輻射沙洲北部區域的富營養化較嚴重。春季富營養化指數范圍為0.54～10.73,屬于重度富營養狀態的站位為1號、5號、8號、12號、15號和17號,均位于河口區域,其中最大值出現在斗龍港南側輻射沙洲區域的12號站位;夏季富營養化指數平均值為1.04,整體屬于輕度富營養狀態,其中最大值4.75出現在灌河南側的1號站位;秋季富營養化指數平均值為1.58,屬于輕度富營養狀態,高值站位為13號和15號,其中最大值5.08出現在13號站位,達到重度富營養狀態(圖7)。

2.3 聚類分析

對無機氮、活性磷酸鹽進行站點聚類分析,可以看出春、夏、秋3 個季節各站點的聚類相似(圖8)。結合實際站位的地理位置,春、夏、秋季均大致可以分為2個大類,其中一類位于廢黃河三角洲區域,另一類位于輻射沙洲區域。分區結果表明春季入海河流輸入對鹽城近岸海域污染物的分布有強烈影響,輻射沙洲區域和水動力情況也影響污染物的分布。

圖8 不同季節的聚類分析Fig.8 Clusters analysis of different season samples

3 討論

相關研究表明,物理過程形成的復雜水動力條件帶來水化學環境的改變[12]。根據聚類結果,研究區域可以分為廢黃河三角洲區域和輻射沙洲區域2個部分,二者的水文動力條件不同,對鹽城近岸海域水化學環境的時空分布產生重要影響。①現代廢黃河三角洲分布于南黃海海岸的北部,北接海州灣,南抵蘇北輻射沙洲,等深線幾乎與海岸線平行[13]。在潮(浪)向岸流動和沖蝕、人工岸線堤壩修筑、河口開發利用以及陸源泥沙輸入等諸多因素的影響下,廢黃河三角洲的岸線侵蝕速度有所減緩,外部區域水深逐漸變大[14]。②鹽城沿海南部為蘇北輻射沙洲的北半部,蘇北輻射沙洲大致以東臺弶港為樞紐,呈褶扇狀向海輻射,脊、槽相間分布。鹽城南部沿海的淺灘沙體主要有條子泥、東沙和亮月沙[15],輻射沙洲沙脊之間主要是寬深的楔形潮汐主槽水道,各水道向海開敞,海水交換通暢[16]。

Spearman相關性分析結果表明,有機污染指數與鹽度呈負相關,與活性磷酸鹽、溶解無機氮、總氮、總磷、活性硅酸鹽和富營養化指數呈正相關(P<0.05);富營養化指數與鹽度呈負相關,與化學需氧量、活性磷酸鹽、溶解無機氮、總氮、活性硅酸鹽和有機污染指數呈正相關(P<0.05)。其中,鹽度與化學需氧量、營養鹽、富營養化指數存在明顯的負相關關系(P<0.05),表明隨著鹽度降低,水體中的營養鹽濃度和富營養化程度升高。這與已有研究成果一致:李妙聰等[17]對樂清灣養殖區水質的研究結果表明,氮、磷濃度的升高以及鹽度和pH 值的降低是導致該區域水體富營養化的主要原因;褚帆等[18]的研究表明鹽度對海域富營養化有重要影響。這主要是因為氮、磷等營養鹽的來源主要為陸地,排入近海后隨著稀釋作用的加強,高鹽度區域的污染物濃度會降低,因此鹽度和富營養化指數呈負相關關系。

鹽城近岸海域3個季節富營養化指數的空間分布均呈由近岸向離岸逐漸變小的趨勢,這種分布狀況與潮流和自然地形密切相關,也與陸源輸入有關。通過2018年實地探勘發現,鹽城近岸海域的入海污染源主要包括排澇泄洪口、排污河、入海河流、入海直排口、養殖排污口、污水處置工程排放口。其中,鹽城近岸北部地區的工業較發達,建有濱海化工園區等;南部地區以養殖業和港口建設為主,養殖對象主要包括三疣梭子蟹、南美白對蝦和縊蟶,養殖區密度大且養殖飼料使用多,增加了鹽城近岸海域海洋環境的壓力。鹽城近岸海域從北至南共有33條主要入海河流,根據2018年鹽城生態環保部門提供的相關數據,其中27條入海河流的年入海量達255.15億m3。

鹽城近岸海域富營養化指數和有機污染指數的季節性變化一致,由大到小排列均為春季、秋季、夏季。由Spearman相關性分析可知,決定富營養化指數和有機污染指數的關鍵指標是營養鹽。由表1可知,春季溶解無機氮和活性磷酸鹽濃度最高,且顯著高于夏、秋季,可能是因為水溫較低,海洋生物活動能力不強,且海水中的營養鹽濃度隨著雨水沖刷而升高,從而明顯影響春季富營養化指數[19-20];夏季水溫升高,海洋生物迅速繁殖并消耗大量的營養鹽,導致夏季溶解無機氮濃度顯著低于其他季節,從而影響富營養化指數和有機污染指數;秋季化學需氧量濃度顯著高于其他季節,且溶解無機氮濃度顯著高于夏季,可能是由于秋季為枯水期,降水量減少,廢水量占比提升,導致化學需氧量濃度提升,從而影響有機污染指數和富營養化指數均高于夏季[20]。

4 結語

本研究分析2018年春、夏、秋3個季節鹽城近岸海域的環境因子,主要得出4項結論。①環境因子的季節性變化顯著;②根據聚類分析,春、夏、秋季的環境因子分布大致可分為廢黃河三角洲區域和輻射沙洲區域2個部分,表明環境因子的分布存在時空差異;③鹽城近岸海域受活性磷酸鹽、溶解無機氮污染嚴重,有機污染指數和富營養化指數由大到小按季節排列均為春季、秋季、夏季;④陸源輸入對調查海域污染物的分布具有一定的影響。