蔣榮根 賀 青 鄺偉明 暨衛(wèi)東

(國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005)

廈門是中國東南沿海重要港口風景城市之一。隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人口數(shù)量的急劇增加,工農(nóng)業(yè)及生活廢水的排放給廈門周邊海域的環(huán)境造成了巨大壓力,該海域的富營養(yǎng)化狀況和赤潮問題日趨突出(林輝等,2002,2008)。因此掌握廈門灣海域水體的富營養(yǎng)化狀況,對于保護廈門海域生態(tài)質(zhì)量環(huán)境,更科學合理地開發(fā)利用該海域資源,促進海灣型城市建設具有重要意義。

隨著對富營養(yǎng)化研究水平的不斷提高以及為滿足現(xiàn)代海岸帶綜合管理的需求,基于富營養(yǎng)化癥狀的第二代評價體系應運而生,并已成為國際評價水體富營養(yǎng)化的主流(王保棟,2005)。第二代富營養(yǎng)化評價方法綜合多項指標,比較全面地論述了水體富營養(yǎng)化的致害因素,其結(jié)果綜合性、可比性和精確度均較高(Brickeret al,2003;Nobreet al,2005;Ferreiraet al,2007,2011;Garmendiaet al,2012)。國內(nèi)已有學者運用第二代富營養(yǎng)化評價的科學理念研究了我國沿岸海域水體富營養(yǎng)化狀況,屠建波等(2006)應用歐盟“綜合評價法”研究了長江口及其鄰近海域富營養(yǎng)化狀況,認為其屬于“問題海域”;吳迪等(2010)研究表明 2004—2006年間雙臺子河口生態(tài)監(jiān)控區(qū)均未處于富營養(yǎng)化狀態(tài);王保棟等(2012)研究表明 2010年長江口海域富營養(yǎng)化狀況級別為“劣”。但目前關于廈門灣海域水體富營養(yǎng)化問題的研究報道仍處于以水體營養(yǎng)鹽為主體的第一代評價體系(暨衛(wèi)東等,1996;鄭愛榕,2000;林輝等,2002;林輝等,2008),僅通過富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)法、模糊綜合評價法等公式計算水體富營養(yǎng)化程度,尚未有運用第二代富營養(yǎng)化評價體系研究廈門海域水體富營養(yǎng)化狀況的相關報道。因此,本文根據(jù)廈門灣海域的實際調(diào)查狀況,以2003—2012年廈門海域長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎,基于壓力–狀態(tài)–響應(PSR)模型,通過研究廈門海域水體富營養(yǎng)化壓力程度、分析當前水體富營養(yǎng)化初級癥狀和次級癥狀水平以及預測未來幾年內(nèi)營養(yǎng)鹽入海通量響應趨勢三方面內(nèi)容綜合評價該海域水體富營養(yǎng)化狀況,以期獲得對該海域富營養(yǎng)化狀況的新認識,為預防、控制和減輕廈門海域水體污染損害與海洋生態(tài)環(huán)境災害提供新的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域概況

廈門灣海域總面積約為 390km2,周邊地形復雜,四周山巒屏障岸線曲折,海岸主要由基巖岬角海岸組成,海岸線總長約262km,其中水深大于10m的深水岸線達 43km。該海域分為灣內(nèi)和灣外兩部分,灣內(nèi)包括九龍江河口區(qū)、西海域和同安灣,灣外包括南部海域、東部海域和大嶝海域。廈門海域潮汐形態(tài)屬于正規(guī)半日潮,平均潮差 3.96m;潮流屬往復流,漲潮時流向灣內(nèi),退潮時流向灣外。

1.2 數(shù)據(jù)資料來源

本文收集了2003年至2012年廈門灣海域監(jiān)測數(shù)據(jù),每年監(jiān)測頻率分為豐水期、平水期、枯水期,調(diào)查要素包括化學耗氧量(COD)、底層溶解氧(DO)、無機磷(DIP)、總無機氮(DIN)、葉綠素a等,均來源于國家海洋局第三海洋研究所海洋化學與環(huán)境監(jiān)測技術實驗室對廈門灣海域長期監(jiān)測資料累積。本文選取常年監(jiān)測的25個站位作為分析站位(如圖1),監(jiān)測方法與分析方法均參照 GB17378.4—2007海洋監(jiān)測規(guī)范(國家質(zhì)量技術監(jiān)督局,2007a)和 GB/T12763.4—2007海洋調(diào)查規(guī)范(國家質(zhì)量技術監(jiān)督局,2007b),數(shù)據(jù)質(zhì)量高、完整性好,通過數(shù)據(jù)整理、質(zhì)量控制與分析,便于應用到水體富營養(yǎng)化模型計算與評價。

圖1 廈門灣水體富營養(yǎng)化研究海域Fig.1 The area of study on eutrophication in the Xiamen Bay

2 評價方法與標準

本文水體富營養(yǎng)化評價體系參照美國第二代水體富營養(yǎng)化評價方法(Brickeret al,2003,2007;Xiaoet al,2007),以“壓力–狀態(tài)–響應”框架為評價體系,富營養(yǎng)化程度各核心指標從最優(yōu)到最劣分為低、中低、中、中高和高5個不同級別,并分別對其賦為5分、4分、3分、2分和 1分。各項指標評價標準的確定主要結(jié)合國內(nèi)外近岸海域富營養(yǎng)化評價標準(Brickeret al,2003,2007;王保棟等,2012)、GB3097—1997海水水質(zhì)標準(國家環(huán)境保護局,1997)、GB/T12763.9—2007海洋生態(tài)調(diào)查指南(國家質(zhì)量技術監(jiān)督局,2007c),并根據(jù)廈門海域相關研究報道及現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)作出適當調(diào)整,使其盡量適合廈門海域?qū)嶋H狀況并做到各等級之間等間距,以減少不同等級之間因間距不均所帶來的等級隸屬誤差。最后采用矩陣法綜合權衡上述三部分評價結(jié)果確定該海域水體富營養(yǎng)化程度。

2.1 水體富營養(yǎng)化壓力

富營養(yǎng)化的根本原因在于水體營養(yǎng)鹽含量增加,本文擬通過改良后的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式計算水體富營養(yǎng)化壓力程度。許多學者研究認為:在所有海區(qū)中均完全照搬營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式是不科學的,主要是因為原公式中分母 4500是特定海區(qū) COD、DIN和DIP三者富營養(yǎng)單項閾值的乘積,而在不同海區(qū),這三者的閾值是不相同的,因而對營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式進行調(diào)整(陳彬等,2002;張景平等,2009),如公式(1)。

其中,P代表水體富營養(yǎng)化壓力指數(shù)值,COD、DIN、DIP分別代表水體化學耗氧量、總無機氮、無機磷(單位:mg/L),COD′、DIN′、DIP′分別代表化學耗氧量、總無機氮和無機磷的閾值。廈門灣海域富氮缺磷(林昱等,1999),根據(jù)廈門海域環(huán)境監(jiān)測獲取的水質(zhì)參數(shù)的含量水平,結(jié)合我國海水水質(zhì)標準中第二類水質(zhì)限定值,并參考美國近岸水質(zhì)狀況評價標準(United States Environmental Protection Agency,2012),取COD′值 為 3mg/L,DIN′值 為 0.3mg/L,DIP′值 為0.03mg/L作為廈門海域COD、DIN、DIP閾值。一般認為,當營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值大于1.0時水體呈富營養(yǎng)化;當營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值低于0.4時水體呈貧營養(yǎng)化;當營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值介于0.4—1.0時水體呈現(xiàn)中營養(yǎng)化,這里根據(jù)以上閾值并對其進行劃分擬作為富營養(yǎng)化壓力范圍,如表1。

表1 水體富營養(yǎng)化壓力(P)評價標準Tab.1 Assessment criteria for classification of eutrophic pressure

2.2 水體富營養(yǎng)化狀態(tài)

富營養(yǎng)化狀態(tài)評價基于水體營養(yǎng)鹽含量增加引起的不同階段癥狀,分為初級癥狀和次級癥狀兩個層次。初級癥狀是指水體富營養(yǎng)化直接引起的藻類加速生長和繁殖;次級癥狀是指藻類大量繁殖,經(jīng)過優(yōu)勝劣汰競爭進而引起的赤潮暴發(fā),然后,在大量藻類死亡后有機體下沉降解消耗底層溶解氧,底棲生物生存受到威脅等情況(Brickeret al,2007;Xiaoet al,2007)。根據(jù)廈門灣海域初級、次級生產(chǎn)力特征,選擇葉綠素a作為初級癥狀評價指標,底層溶解氧和赤潮發(fā)生狀況作為次級癥狀評價指標。

2.2.1 葉綠素a葉綠素a是海洋初級生產(chǎn)力的重要指標,可以反映水體中浮游植物的生物量,葉綠素a濃度過高或分布范圍過廣是富營養(yǎng)化初級階段癥狀的表征現(xiàn)象。采用廈門灣海域水體浮游植物旺盛期(如夏季)葉綠素a最大濃度及其出現(xiàn)頻率評價初級癥狀水平。為避免因異常值引起的誤判,提高評價的可靠性,采用統(tǒng)計方法求出累積百分數(shù) 90%對應值作為葉綠素a濃度值。國際上一般將葉綠素a濃度低于5μg/L作為水體富營養(yǎng)化狀況最優(yōu)的參考閾值(Brickeret al,2003;Brickeret al,2007);根據(jù)對廈門同安灣及廈門島周邊海域的研究表明:當葉綠素a濃度高于 10μg/L時可能會發(fā)生赤潮現(xiàn)象;當葉綠素a濃度大于 15μg/L時廈門同安灣易發(fā)生赤潮(蔡勵勛,2008;湯榮坤等,2009;陳朝華等,2011)。暫擬葉綠素a的評價標準如表2。

表2 葉綠素a評價標準Tab.2 Criteria of assessment on chlorophyll a

2.2.2 底層溶解氧 底層溶解氧含量對水體生物的生存十分重要,目前國內(nèi)外富營養(yǎng)化評價方法中均已將底層溶解氧作為富營養(yǎng)化評價指標。運用統(tǒng)計方法求出累積百分數(shù) 10%對應值作為底層溶解氧濃度值并結(jié)合其出現(xiàn)頻率進行評價。一般認為底層溶解氧濃度低于5mg/L時,底棲生物生存會受到脅迫;底層溶解氧濃度低于 2mg/L時底棲生物和魚類會發(fā)生死亡(王保棟等,2012)。為與國際一致,本文選用2mg/L和5mg/L分別作為最低和最高濃度閾值。暫擬底層溶解氧具體評價標準如表3。

2.2.3 赤潮 港灣赤潮是一種海域內(nèi)的生態(tài)失衡現(xiàn)象。赤潮的發(fā)生不但會導致海洋生物種群結(jié)構發(fā)生變化,而且許多赤潮生物釋放的有害毒素會導致海洋動物中毒死亡或生長繁殖受到影響,甚至會伴隨著食物鏈的富集威脅到人類健康。目前赤潮發(fā)生狀況已被作為評價指標之一,在觀測到赤潮發(fā)生的情況下,根據(jù)其發(fā)生的持續(xù)時間和發(fā)生頻率進行評價,赤潮相關分級部分參考美國富營養(yǎng)化評價中的分級標準(Brickeret al,2003)及國內(nèi)學者相關研究(王保棟等,2012),其具體評價標準見表4。

表3 底層溶解氧評價標準Tab.3 Criteria of assessment on dissolved oxygen at sea bottom

表4 赤潮發(fā)生狀況評價標準Tab.4 Criteria of assessment on red-tide incidence

2.3 水體富營養(yǎng)化響應

水體富營養(yǎng)化評價的主要意義在于向環(huán)境管理部門提供有效管理和改善水體環(huán)境質(zhì)量的相關依據(jù),為達到實時性管理和針對性整治的目的,預測評價海域水體未來幾年內(nèi)的富營養(yǎng)化響應趨勢必不可少。本文擬結(jié)合廈門海域周邊人口增長狀況,經(jīng)濟發(fā)展趨勢,污染物排放等相關因素分析預測營養(yǎng)鹽入海通量變化趨勢,富營養(yǎng)化響應趨勢評價如表5(Brickeret al,2003)。

2.4 確定富營養(yǎng)化最終級別

運用矩陣模型綜合權衡上述三部分評價結(jié)果,給出優(yōu)、良、中、差和劣5種水體富營養(yǎng)化程度等級。理論上講,在3類指標及每類指標5種不同等級的前提下,存在 125(53)個不同組合,但其中存在 31種不符合實際情況的組合,因而將其剔除(見表6)(Brickeret al,2003)。水體富營養(yǎng)程度優(yōu)級必須滿足響應趨勢不再惡化,良級則僅需保證狀態(tài)等級為低或中低,中級主要是中或中低等級富營養(yǎng)化狀態(tài)與壓力及響應趨勢的眾多組合;差級和劣級則包括壓力與狀態(tài)的一系列不良狀況,即使相應的響應趨勢會發(fā)生改善。

表5 水體富營養(yǎng)化響應評價標準Tab.5 Criteria of assessment on response to eutrophication

表6 水體富營養(yǎng)化程度劃分矩陣表Tab.6 The assessment matrix for classification of overall eutrophic grade

3 評價結(jié)果與分析

3.1 富營養(yǎng)化壓力評價

根據(jù)上述富營養(yǎng)化壓力公式(1),對廈門灣海域分區(qū)域評價分析水體富營養(yǎng)化壓力程度,有助于針對性管理和區(qū)域性改善水體質(zhì)量。廈門灣海域富營養(yǎng)化壓力程度計算結(jié)果及年際變化趨勢如圖2。

圖2 廈門海域水體富營養(yǎng)化壓力及年際變化趨勢Fig.2 Pressures and trends of eutrophication in Xiamen coastal waters

由圖2可見,2003—2012年廈門各海域富營養(yǎng)化壓力狀況隨年際變化呈現(xiàn)不同程度的變化趨勢。其中,九龍江口水體富營養(yǎng)化壓力狀況最為惡劣,總體呈上升趨勢,富營養(yǎng)化壓力指數(shù)值介于 0.29—4.12之間,平均值為 1.54,富營養(yǎng)化壓力等級為高,其主要原因是受到九龍江上游超負荷營養(yǎng)鹽徑流的影響,九龍江上游人口密度大、養(yǎng)殖業(yè)較多以及污染物排放量較大;西海域水體富營養(yǎng)化壓力呈現(xiàn)先上升再下降之勢,其壓力值介于在0.43—1.68之間,平均值為1.11,富營養(yǎng)化壓力等級為高,主要原因一方面是西海域處于灣內(nèi)半封閉型區(qū)域,與外界水體交換動力很差,污染物停留時間長,另一方面是西海域周邊人口密度較高,環(huán)境壓力較大,且受九龍江高營養(yǎng)鹽含量水體流入影響;同安灣海域與西海域地理環(huán)境相似,處于半封閉型區(qū)域,其水體富營養(yǎng)化壓力指數(shù)介于 0.13—1.29之間,總體均值為 0.65,總體等級為中高;南部海域與外海水交換能力相對較強,受污染程度略低,為中等級富營養(yǎng)化壓力;東部海域和大嶝海域水體與外海水體交換條件良好,水體停留時間較短,周邊人口密度較小,受污染程度低,水體富營養(yǎng)化壓力等級為低。廈門海域富營養(yǎng)化壓力值介于0.01—4.12之間,總體均值為 0.68,富營養(yǎng)化壓力等級為中高。灣外與灣內(nèi)富營養(yǎng)化壓力差異較大,這主要受地理環(huán)境因素、水動力條件、人口因素以及九龍江徑流等多方面因素影響。西海域、東部海域和南部海域富營養(yǎng)化壓力趨勢均呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,這可能與近幾年來廈門海域周邊環(huán)境整治有關,在一定程度上減緩了水體營養(yǎng)鹽惡化趨勢。同安灣海域富營養(yǎng)化壓力則呈平緩上升趨勢,尤其在 2010年后達到高等級,這可能是因為該海域雖然經(jīng)過整治與改善,但水體表征的響應速度較慢。大嶝海域富營養(yǎng)化壓力雖然處于低等級,但其呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

3.2 富營養(yǎng)化狀態(tài)評價

3.2.1 葉綠素a根據(jù) 2003—2012年監(jiān)測資料,對廈門海域葉綠素a含量進行累計統(tǒng)計分析,其濃度頻次分布與累計百分數(shù)如圖3。分析結(jié)果表明:廈門海域葉綠素a累積百分數(shù) 90%所對應的濃度值為7.5μg/L;葉綠素a濃度值達到或超出7.5μg/L站位的出現(xiàn)頻率為 9%,其分布主要集中于西海域和同安灣兩個海域。根據(jù)表2,廈門海域水體葉綠素a評價等級為中低級。

圖3 葉綠素a濃度分布頻次與累積曲線Fig.3 Frequency and the cumulative curve of the chlorophyll a values

3.2.2 底層溶解氧 根據(jù)2003—2012年監(jiān)測資料,對廈門海域底層溶解氧含量進行累計統(tǒng)計分析,其濃度分布頻率分布與累計百分數(shù)如圖4。分析結(jié)果表明:廈門海域底層溶解氧累積百分數(shù) 10%所對應的濃度值為 4.96mg/L;底層溶解氧濃度值低于4.96mg/L站位的出現(xiàn)頻率為8%,其分布集中于西海域,個別站位出現(xiàn)于同安灣海域。根據(jù)表3,廈門海域水體底層溶解氧評價等級為中低級。

圖4 底層溶解氧濃度頻次分布與累積曲線Fig.4 Frequency and the cumulative curve of bottom dissolved oxygen values

3.2.3 赤潮 根據(jù)廈門市海洋環(huán)境質(zhì)量公報(廈門市海洋與漁業(yè)局信息網(wǎng),2003—2012),在 2003—2012年間,廈門海域有記錄的赤潮發(fā)生次數(shù)為53起,赤潮每年發(fā)生情況如圖5a,其中2003年、2005年、2006年以及2007年是赤潮發(fā)生的高峰期,發(fā)生赤潮的次數(shù)較多。廈門海域赤潮發(fā)生季節(jié)分布如圖5b,夏季(6—8月)發(fā)生的次數(shù)較多,其他季節(jié)發(fā)生情況相對較少。每起赤潮暴發(fā)持續(xù)時間基本在2周之內(nèi),年際間呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化。根據(jù)表4中判定標準,廈門海域赤潮發(fā)生情況的評價等級為中級。

3.2.4 確定富營養(yǎng)化狀態(tài)結(jié)果 在2003—2012年間,廈門海域富營養(yǎng)化初級癥狀葉綠素a等級為中低級;次級癥狀底層溶解氧等級為中低級,赤潮發(fā)生狀況等級為中級;根據(jù)“一損俱損,預防為主”的原則,廈門海域富營養(yǎng)化狀態(tài)的評價等級為中級。

3.3 富營養(yǎng)化趨勢響應評價

廈門海域主要污染物來自九龍江及周邊沿岸陸源排污點,每年總無機氮入海通量及其年際變化率如圖6所示,2003—2012年間廈門總無機氮入海通量呈現(xiàn)“上升–降低–上升–下降”的上下波動之勢。根據(jù)全國第六次人口普查,廈門人口數(shù)量迅速增長,由2000年的205.31萬人增長到2010年的353.13萬人,平均年增長率達5.57%。廈門經(jīng)濟發(fā)展迅速,國內(nèi)生產(chǎn)總值由 2003年的 759.69億元增長到 2012年的2817.07億元(圖7),進入“十二五”時期以來,2011和2012年廈門GDP增長率分別為15.1%和12.1%,根據(jù)廈門市十二五規(guī)劃綱要,預期2015年比2010年翻一番以上。經(jīng)濟的迅猛發(fā)展必然消耗大量能源和原材料,導致污染物排放量增大;人口密度更為直觀地體現(xiàn)了人口數(shù)量與環(huán)境質(zhì)量的關系,人口密度影響環(huán)境的本質(zhì)是高密度人口通過高強度的經(jīng)濟活動和資源利用對環(huán)境施加更大壓力。但在加強廈門海域整治、污水處理廠建設、污水資源化、濕地修復和重建及重點流水水環(huán)境綜合整治和污染減排等政策的調(diào)控下,預計未來廢水排放量與處理削減量基本持平,結(jié)合2003—2012年總無機氮入海趨勢,未來一段時間內(nèi)營養(yǎng)鹽入海通量基本維持現(xiàn)狀,根據(jù)表5,廈門海域水體富營養(yǎng)化響應趨勢等級為中級,預計未來幾年內(nèi)該海域富營養(yǎng)化癥狀基本不會發(fā)生變化。

圖5 廈門海域不同季節(jié)(a)與年份(b)赤潮發(fā)生狀況Fig.5 Seasonal and annual variations of red tides in the Xiamen coastal waters

圖6 廈門海域DIN入海通量及年際變化Fig.6 Flux and annual change of DIN in Xiamen coastal waters

圖7 廈門市年際GDP及其增長趨勢Fig.7 GDP(gross domestic product)and its rising trend in Xiamen City from 2003 to 2012

3.4 富營養(yǎng)化狀況綜合評價結(jié)果

在 2003—2012年間,廈門海域水體富營養(yǎng)化壓力等級為中高級,富營養(yǎng)化狀態(tài)等級為中級,富營養(yǎng)化未來響應趨勢等級為中級,廈門海域水體富營養(yǎng)化的壓力–狀態(tài)–響應得分為 2–3–3,根據(jù)矩陣表6,廈門海域水體富營養(yǎng)化綜合評價等級為中級。

4 結(jié)論

(1)廈門海域水體富營養(yǎng)化壓力指數(shù)值為 0.68,處于中高等級。其中九龍江口區(qū)富營養(yǎng)化壓力值為1.54,呈明顯上升趨勢;西海域、東部海域和南部海域均呈現(xiàn)先上升再下降之勢;同安灣海域呈平緩上升趨勢,總體等級為中高;大嶝海域水體富營養(yǎng)化壓力最低。

(2)廈門海域富營養(yǎng)化初級階段指標葉綠素a濃度為7.5μg/L,出現(xiàn)頻率為 9%,初級癥狀等級為中低級;次級階段指標底層溶解氧濃度為4.96mg/L,出現(xiàn)頻率為 8%,其癥狀等級為中低級;歷年赤潮暴發(fā)持續(xù)時間在2周之內(nèi),呈季節(jié)性變化,其等級為中級。根據(jù)“一損俱損,預防為主”的原則,廈門海域水體富營養(yǎng)化狀態(tài)等級為中級。

(3)未來幾年內(nèi),廈門海域周邊營養(yǎng)鹽入海通量基本維持現(xiàn)狀,水體富營養(yǎng)化響應趨勢等級為中級,預計富營養(yǎng)化相關癥狀基本不會發(fā)生變化。

(4)廈門海域水體富營養(yǎng)化的壓力等級為中高,狀態(tài)和響應等級均為中等,其水體富營養(yǎng)化綜合狀況等級為中等。其中,西海域和九龍江口水體營養(yǎng)鹽壓力較大,控制九龍江上游及西海域周邊營養(yǎng)鹽入海通量尤為重要。

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