夏季江蘇射陽河口附近海域富營養化特征*

王紫玄,韓 雪,周 凱,趙愛博,梁曉紅

(江蘇省海涂研究中心,江蘇 南京 210013)

0 引言

富營養化是指通過地表徑流、大氣沉降等自然過程,以及農藥化肥使用、化石燃料使用等人類活動,引起水體中營養鹽增多,導致水域營養狀況發生變化的過程[1-3]。富營養化可能導致有毒有害藻類暴發性增長、水體缺氧和低氧、魚類等生物死亡、生態系統結構改變、功能退化等后果發生,嚴重時會引發一系列海洋生態災害,給沿海城市的經濟、社會、生態等造成影響[4-7]。

射陽縣位于江蘇省沿海中部,是江蘇省海域面積最大的縣份,其沿海屬典型的粉砂淤泥質平原海岸。射陽河是里下河地區最大的排水入海干道,也是蘇北發展河海聯運的黃金水道[8]。射陽河口位于江蘇海岸演變的節點處,是侵蝕海岸和淤長海岸的交替地帶[9]。在潮汐作用下,射陽河口以南至南通市啟東縣呂四港之間的海岸外圍分布著世界上規模最大的輻射沙脊群,其沿海灘涂資源十分豐富,為射陽海岸帶提供了生態價值和經濟價值。隨著近年來港口的發展,射陽河口近岸海域營養鹽含量持續升高,造成該海域富營養化愈發嚴重[10],有害藻華災害呈現出加劇態勢[11-12],滸苔綠潮災害在2021年更是達到近六年以來最大規模[13]。目前射陽河口近岸海域的研究主要聚焦于海岸動力地貌調查[14-15],有關射陽河口富營養化的研究仍較為缺乏。因此,科學地開展射陽河口附近海域富營養化調查,及時獲取該片海域相關監測數據,為查明射陽河口污染來源提供數據支撐,對保護該區域河口生態環境和維護生態平衡,實現海洋環境的健康穩定發展具有重要意義。

本研究通過采樣分析2021年夏季江蘇射陽河口附近海域的監測數據,對該海域的水質進行了綜合評價,分析了營養鹽含量、空間分布、氮磷比例、水體富營養化程度和分布范圍,同時,對歷年射陽河口附近海域與其他入海河口附近海域的營養鹽、化學需氧量和富營養化狀況等進行了對比研究,為該海域的富營養化治理等提供數據基礎和理論參考,為江蘇省海洋生態預警監測的高效發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查時間和站位設置

2021年8月小潮期,在射陽河口附近海域布設12個站位,具體站位見圖1?，F場采樣按照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)和《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)要求進行。

圖1 采樣站位圖Fig.1 Location of sampling stations

1.2 調查要素及方法

調查海域水深1.8～16.6 m,采集表層水樣進行海水水質調查。調查要素包括化學需氧量(COD)、活性磷酸鹽(DIP)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮。采樣方法參照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)和《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)進行。

營養鹽樣品使用紫外分光光度計測定,其中氨氮使用次溴酸鹽氧化法測定,亞硝酸鹽使用萘乙二胺分光光度法測定,硝酸鹽以鋅-鎘還原法測定。溶解無機氮(DIN)為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氨氮的總和。DIP使用磷鉬藍法測定,COD使用堿性高錳酸鉀法測定。采用ArcGIS 10.8軟件繪制站位圖、營養鹽、氮磷比值和富營養化指數的空間分布圖。

1.3 數據分析

1.3.1 富營養化指數評價方法 參照文獻[16]和[17],采用富營養化指數(E)評價海域的富營養化狀態,計算公式為

式中:ρ(COD)為化學需氧量質量濃度,mg/L;ρ(DIN)為溶解無機氮質量濃度,mg/L;ρ(DIP)為活性磷酸鹽質量濃度,mg/L。

當E≥1時,海域被認定為富營養化狀態,富營養化水平劃分為三個等級:1≤E≤3為輕度富營養化;39為重度富營養化。

1.3.2 潛在性富營養化評價模式 為更好地了解水體營養鹽結構及其對藻類生長的影響,采用郭衛東等[18]提出的潛在性富營養化評價模式,以DIN和DIP作為主要參數進行分析,氮磷比為氮和磷的物質的量之比。具體評價方法見表1。

表1 潛在性富營養化評價模式營養級的劃分原則Table 1 Criteria for dividing nutritional levels of potential eutrophication assessment models

2 結果與分析

2.1 海水營養鹽和COD分布狀況與評價

射陽河口附近海域營養鹽和COD分布狀況如圖2所示。

a 氨氮

b 亞硝酸鹽氮

c 硝酸鹽氮

d DIN

e DIP

f COD圖2 射陽河口附近海域營養鹽和COD分布狀況Fig.2 Distribution of nutrient and COD in the nearshore of Sheyang Estuary

從DIN營養結構看,硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮變異系數分別為35.96%,78.29%,57.77%,說明各站位亞硝酸鹽氮濃度差異最為顯著,其次為氨氮、硝酸鹽氮(見圖2a,b,c)。DIN平均質量濃度為0.757 mg/L,以第二類標準為基準限,平均超標倍數為2.52,DIN濃度最高值是最低值的8.31倍。DIN主要組分為硝酸鹽氮,各站位硝酸鹽氮平均濃度占DIN濃度的85.75%,硝酸鹽氮高值出現在近岸4號站位和遠岸6號站位,質量濃度分別達1.000和1.200 mg/L;氨氮和亞硝酸鹽氮平均濃度分別占DIN濃度的9.73%和3.61%,氨氮最高值為0.180 mg/L,亞硝酸鹽氮最高值0.140 mg/L(見表2)。從平面分布看,DIN濃度較高的站位主要分布在河流入海的南北兩側,并向南和向北遞減(見圖2d)。調查海域DIN濃度超過第三類海水水質標準的站位比例為83.33%,超過第四類海水水質標準的站位比例為75.00%,說明射陽河口附近海域水質受氮污染較為嚴重。

表2 射陽河口附近海域海水營養鹽和COD統計Table 2 Results of seawater nutrients and COD in the nearshore of Sheyang Estuary

調查海域活性磷酸鹽濃度在各站位差異不大,從南至北無明顯變化(見圖2e),平均質量濃度為0.022 mg/L,最大值0.031 mg/L(見表2),出現在2號站位,最小值出現在9號站位,以第二類標準為基準限,平均超標倍數為0.73。結果表明,活性磷酸鹽濃度符合第一類、第二/三類海水水質標準的站位比例91.67%,符合第四類海水水質標準的站位比例8.33%。因此,該海域也存在磷酸鹽污染。

調查海域COD質量濃度較低,范圍在1.0～4.2 mg/L,最高值是最低值的4.2倍,平均質量濃度為1.7 mg/L(見表2)。評價結果顯示,射陽河口附近海域COD濃度符合第一類海水水質標準的站位比例達75.00%,符合第二/三類海水水質標準的站位比例達91.67%(見圖2f),整體情況良好,與艾洋漪等[19]2015年、廖名穩等[20]2018年在附近海域調查結果相近。在河流入?？谔?4號站位)COD濃度出現最高值,達4.2 mg/L,調查海域COD分布情況與活性磷酸鹽相似,COD污染來源可能主要為陸地輸入、海水養殖和港口輸入等。

2.2 氮磷比分布狀況

依據Redfield等提出的浮游植物生長化學計量和可能的營養鹽限制因素參考值[21-23](見表3),對射陽河口營養鹽限制狀況進行了判斷。

表3 營養鹽限制因素判定參考值Table 3 Criteria of nutrient stoichiometric limitation

由營養鹽潛在性限制分析發現,調查海域DIN質量濃度均值為54.06 μmol/L,活性磷酸鹽均值為0.70 μmol/L,氮磷比范圍為14.30～218.19,平均為87.75,除10號站位氮磷比小于16(浮游植物生長所需最低閾值,Redfield比值16∶1)以外,其余站位氮磷比均大于22(見圖3),最高可達Redfield比值的13.6倍,可見調查海域N與P營養鹽比例整體處于嚴重失衡狀態。

圖3 射陽河口附近海域氮磷比分布狀況Fig.3 Distribution of N, P ratio in the nearshore of Sheyang Estuary

2.3 富營養化指數評價及分布狀況

調查海域12個站位的富營養化指數E均大于1,即全部為富營養化狀態(見圖4)。各站位富營養指數介于1.26～29.61,平均值為7.02,其中處于輕度(1≤E≤3)和中度(39,說明該兩處站位處于重度富營養化水平。整體來看,射陽河口的富營養化水平呈現近岸高、離岸低的特點。據此判斷射陽河口附近海域水體富營養化的可能原因是受陸源輸入、港口輸入的影響較大。

圖4 射陽河口附近海域富營養化指數分布狀況Fig.4 Distribution of eutrophication index in the nearshore of Sheyang Estuary

潛在富營養化評價模式評價結果表明,該區域表層水體的潛在富營養狀態比較單一,83.33%的站位處于“磷限制潛在性富營養”狀態。據以往研究[24-26]發現,夏季江蘇近岸海域廣泛且長期處于磷潛在限制狀態,本次射陽河口調查結果與之相符。從營養鹽污染分布來看,射陽河口的河流入?？谔幘哂懈邼舛葼I養鹽,普遍由近岸向外擴散,由此可以認為,導致調查海域出現富營養化狀態的可能原因是陸源排污;同時,江蘇夏季雨水偏多,地表徑流量在夏季達一年中最大值[26],降雨后污染物隨沖刷或射陽河閘不定期開放進入河流也可能導致調查海域出現富營養化狀態。

3 討論

3.1 與其他河口歷史調查數據比較

部分河口營養鹽歷史調查數據見表4。

表4 其他河口營養鹽歷史調查數據匯總及對比Table 4 Comparison of historical data of nutrients in other estuaries

通過比較五龍河口[27]、灌河口[28]、珠江口[29]和長江口[30-31]四個入海河口附近海域夏季期間的營養鹽和COD濃度,發現上述河口附近海域無機氮平均質量濃度為0.224～2.130 mg/L,且絕大多數海域超過第四類海水水質標準;除長江口北側海域,其他河口附近海域的活性磷酸鹽濃度均超過第二/三類海水水質標準,長江口南支海域無機氮和活性磷酸鹽平均濃度最高;COD均值為1.00～3.13 mg/L,基本未超標(除五龍河口附近海域),符合第一類海水水質標準,其中五龍河口處COD含量最高。2019年長江口北側海域調查結果顯示海水僅部分站位達到輕度富營養化水平,而五龍河口、珠江口和長江口南支海域的調查結果顯示均為中、重度富營養化狀態,其中五龍河口平均E值達20.80,長江口南支海域平均E值達53.86?？梢钥闯?歷年其他河口附近海域均處于富營養化水平,2019年調查的長江口南支海域富營養化情況最為嚴重。

比較發現,本次射陽河口附近海域調查中DIN平均濃度高于灌河口和長江口北側附近海域,分別為1.60倍和3.38倍;活性磷酸鹽平均濃度是長江口北側附近海域的2倍,低于五龍河口、灌河口、珠江口和長江口南支海域,其中長江口南支海域活性磷酸鹽平均濃度是射陽河口處的3.77倍;COD平均濃度低于五龍河口;富營養化指數最大值與五龍河口處最大值相近,平均值小于五龍河口和長江口南支海域,與珠江口富營養化指數最大值相近。由此可見,射陽河口附近海域存在較多含氮有機污染物,富營養化程度在四個比較河口附近海域中處于中等水平。

3.2 與射陽河口附近海域歷史數據比較

分析2002—2020年射陽河口附近站位的歷史數據(見圖5)發現,隨著時間的變化,DIN濃度為波動變化,整體呈下降趨勢,DIP濃度無明顯變化,COD濃度為波動變化,整體呈現遞增趨勢,說明近20年射陽河口附近海域水體污染愈發嚴重;相較于2020年,本次調查中的DIN濃度上升,COD濃度下降,DIP濃度持平。近年來射陽河口附近海域COD整體處于相對較低水平,而DIN水平出現上升趨勢,超過近5年平均水平,表明該海域富營養化水平持續加重,其主要原因是DIN濃度不斷增加。同時,研究海域氮、磷結構失衡,出現廣泛的“磷限制潛在性富營養”情況,這無疑會對射陽河口生態環境中浮游植物群落結構等造成一定影響。從無機氮濃度從河口近岸處向離岸的南、北兩側擴散的趨勢來看,射陽河口附近海域富營養化水平加劇的可能原因是河流輸入,大量營養鹽隨夏季徑流量增大而排放入海;另外,海水養殖業和港口的大規模發展也可能是導致該區域水體富營養化程度加劇的主要原因[10,32]。

圖5 2002—2021年射陽河口附近海域監測站位DIN,DIP和COD濃度變化Fig.5 Changes of DIN, DIP and COD in the nearshore of Sheyang Estuary in 2002—2021

4 結論

江蘇射陽河口附近海域水質主要超標要素是無機氮和活性磷酸鹽,其中無機氮平均質量濃度為0.757 mg/L,劣于第四類海水水質標準的站位數量比例達75.00%;活性磷酸鹽平均質量濃度為0.022 mg/L,符合第四類海水水質標準的站位數量比例為8.33%。

研究海域所有站位存在富營養化現象(其中66.7%站位處于中、重度富營養化水平),氮、磷營養鹽結構失衡,表現為廣泛的磷的潛在限制狀態,以“磷限制潛在性富營養”為主。

與其他河口結果相比,射陽河口富營養化程度處于中等水平;與歷年研究海域結果相比,該海域富營養化水平持續加重,生態狀況仍急需改善;河流輸入和農業、交通運輸業不斷發展很可能是造成該海域出現嚴重富營養化狀態的原因。因此,需要加強對射陽河口生態系統預警監測,更全面和精細化地掌握射陽河口附近海域富營養化程度和生態威脅因素,為江蘇省海洋生態預警監測工作和生態保護修復工作提供有效支撐。