張棟華， 馬浩陽， 李 瑾， 高會(huì)旺， 唐洪杰, 3， 李正炎??

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；3.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100)

河口作為海洋與陸地之間的生態(tài)交錯(cuò)帶，陸海相互作用強(qiáng)烈，生態(tài)系統(tǒng)敏感。然而，隨著沿海城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，入海污染物數(shù)量居高不下，導(dǎo)致中國多數(shù)河口生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)惡化[1-2]。其中，富營養(yǎng)化及其導(dǎo)致的赤潮等生態(tài)災(zāi)害已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)河口區(qū)的主要環(huán)境問題之一[3-7]，準(zhǔn)確、客觀評價(jià)河口區(qū)富營養(yǎng)化狀況，是區(qū)域海洋環(huán)境管理的重要內(nèi)容。

對于富營養(yǎng)化評價(jià)，中國正處于由僅考慮營養(yǎng)物壓力的第I代評價(jià)方法向綜合考慮營養(yǎng)物壓力和生態(tài)響應(yīng)的第II代富營養(yǎng)化綜合評價(jià)方法過渡的階段。第I代富營養(yǎng)化評價(jià)方法依據(jù)評價(jià)參數(shù)構(gòu)成的不同，可分為單因子法和綜合指數(shù)法兩大類，該方法側(cè)重評價(jià)調(diào)查海域富營養(yǎng)化的直接結(jié)果，特別是營養(yǎng)鹽濃度的改變，但是未考慮營養(yǎng)物質(zhì)輸入與水體生態(tài)環(huán)境響應(yīng)之間的相互關(guān)系[8-9]。第Ⅱ代富營養(yǎng)化評價(jià)方法則不僅關(guān)注于營養(yǎng)鹽輸入、濃度等壓力項(xiàng)，同時(shí)關(guān)注富營養(yǎng)化所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的變化。在第II代富營養(yǎng)化評價(jià)方法中，美國國家海洋與大氣管理局所開發(fā)的河口富營養(yǎng)化評價(jià)法(Assessment of Estuarine Trophic Status，ASSETS)是目前被認(rèn)為適用于河口生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化評價(jià)的代表性方法，其評價(jià)因子既包括營養(yǎng)鹽輸入等壓力項(xiàng)，也包括葉綠素a(Chl-a)、浮游植物種類和豐度、溶解氧等響應(yīng)項(xiàng)；其評價(jià)步驟一般首先根據(jù)鹽度不同將河口區(qū)劃分為感潮淡水區(qū)、河口混合區(qū)和海水區(qū)三類水域，然后根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)值對各類評價(jià)因子進(jìn)行賦分評判，進(jìn)而應(yīng)用評價(jià)因子組合矩陣標(biāo)準(zhǔn)判別表來確定目標(biāo)河口區(qū)水體富營養(yǎng)化狀況[10-13]。盡管ASSETS法已經(jīng)應(yīng)用于中國多個(gè)河口的富營養(yǎng)化評價(jià)[14-17]，但其評價(jià)指標(biāo)及閾值和權(quán)重的確定還主要參照美國等國外相關(guān)方法和標(biāo)準(zhǔn)。鑒于中國河口區(qū)所承受的富營養(yǎng)化壓力及其生態(tài)響應(yīng)與美國等地不同，需要根據(jù)中國河口區(qū)的實(shí)際狀況，選擇能反映中國河口富營養(yǎng)化壓力和響應(yīng)特征的評價(jià)指標(biāo)并確定相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

大遼河口位于渤海遼東灣灣頂，為典型的三角洲河口。大遼河承接遼寧省8個(gè)地級(jí)市所排放的污水，是遼東灣的主要入海河流。自1980年代以來，大遼河口的環(huán)境污染問題已經(jīng)開始引起人們關(guān)注，不少學(xué)者對該水域營養(yǎng)物質(zhì)的通量、時(shí)空分布和富營養(yǎng)化狀況等進(jìn)行了較為系統(tǒng)研究[18-22]，但評價(jià)方法側(cè)重于第Ⅰ代富營養(yǎng)化指數(shù)評價(jià)方法。大遼河口富營養(yǎng)化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，是“渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)”中綜合整治修復(fù)的重點(diǎn)水域之一。本文以大遼河口為研究對象，基于現(xiàn)場調(diào)查資料，參考美國ASSETS方法，選擇富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)，確定指標(biāo)閾值和權(quán)重，對比分析了2010年8月和2017年8月大遼河口富營養(yǎng)化狀況，探討人為活動(dòng)對該河口營養(yǎng)狀況變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域簡介

大遼河流域水系全長94 km，流域面積近2 000 km2，流經(jīng)沈陽、撫順、鞍山、本溪、遼陽、鐵嶺、營口、盤錦等8個(gè)地級(jí)市，至遼寧省營口市入渤海[23]。大遼河口平均徑流量約占遼東灣入海徑流量的55%，是遼東灣海域的主要入海河流。本論文研究區(qū)域?yàn)榇筮|河河口段，上至三岔河，下至河口低潮線以下約10 km的近海海域范圍，區(qū)域內(nèi)有完整的河口灣海域、灘涂和濱海濕地，分布有大面積的蘆葦、堿蓬以及其他多種動(dòng)植物資源。

1.2 調(diào)查方法和資料來源

大遼河口現(xiàn)場采樣站位如圖1所示。調(diào)查時(shí)間分別為2010年8月和2017年8月，分別采集表層和底層水體、表層沉積物、浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物樣品。其中，水樣調(diào)查指標(biāo)包括溫度、鹽度、透明度(SD)、溶解氧(DO)、氨態(tài)氮(NH4-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、溶解無機(jī)磷(DIP)、化學(xué)耗氧量(CODMn)，溶解無機(jī)氮(DIN)為NH4-N、NO2-N和NO3-N之和；沉積物調(diào)查參數(shù)為總有機(jī)碳(TOCsed)；生物樣品調(diào)查參數(shù)包括Chl-a、浮游植物種類和豐度、浮游動(dòng)物種類和豐度以及底棲動(dòng)物種類和豐度。樣品現(xiàn)場采集和分析均參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》或《海洋調(diào)查規(guī)范》；Chl-a、浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物參數(shù)的采集及測定根據(jù)《海洋生物生態(tài)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》和《近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(HJ442-2008)等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.3 富營養(yǎng)化綜合評價(jià)

富營養(yǎng)化綜合評價(jià)參照美國ASSETS方法和流程，主要包括評價(jià)指標(biāo)選取、閾值和權(quán)重確定、綜合評價(jià)賦值等[14-16]。

圖1 大遼河口采樣站位圖Fig. 1 Sampling stations in the Daliao River Estuary

1.3.1 評價(jià)指標(biāo)選取和閾值確定 根據(jù)ASSETS方法，優(yōu)先選取DIN、DIP作為壓力項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)由于大遼河口水體有機(jī)物污染較為嚴(yán)重[22-24]，且有機(jī)態(tài)氮、磷具有較高的生物可利用性[25]，因此，本文增加CODMn作為富營養(yǎng)化評價(jià)的壓力項(xiàng)指標(biāo)；初級(jí)癥狀指標(biāo)選取Chla、浮游植物密度、浮游植物多樣性指數(shù)；次級(jí)癥狀指標(biāo)則選取底層水體溶解氧(DOb)、SD、TOCsed、浮游動(dòng)物密度、底棲動(dòng)物密度。借鑒美國ASSETS中的分級(jí)數(shù)量，依據(jù)中國相關(guān)水體、沉積物和生物生態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合大遼河口歷史資料[26-28]，確定各指標(biāo)的分級(jí)閾值，如表1所示。需要指出的是，浮游植物、浮游動(dòng)物及底棲生物等指標(biāo)由于缺乏大遼河口的參照背景值，本文以大遼河口鄰近的雙臺(tái)子河的專屬背景值作為參考基準(zhǔn)。

表1 單個(gè)站位的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standards for the evaluation indexes

續(xù)表1

1.3.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定 由于ASSETS方法中富營養(yǎng)化評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定具有地域性差異，因此參考美國ASSETS方法，同時(shí)結(jié)合大遼河口的歷史調(diào)查數(shù)據(jù)[26-27]，設(shè)計(jì)專家打分表[29-31]，邀請50多名河口生態(tài)環(huán)境專家，經(jīng)多輪專家打分，統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)對大遼河口富營養(yǎng)化的影響程度，最終確定了評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，見表2。

表2 河口富營養(yǎng)化綜合評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重的分配Table 2 Evaluation indexes and their weights

1.3.3 評價(jià)等級(jí)劃分和賦分 根據(jù)大遼河口的歷史達(dá)標(biāo)情況，將遼河口富營養(yǎng)化等級(jí)劃分為優(yōu)、良、中、差、劣五類，并根據(jù)不同指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)的賦分，賦分結(jié)果如表3所示。

表3 河口區(qū)單個(gè)指標(biāo)區(qū)域性分級(jí)賦分表Table 3 Regional classification score table of single index

根據(jù)《中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》記載，2010年渤海共發(fā)生赤潮7次，累計(jì)面積3 560 km2，赤潮發(fā)生項(xiàng)的評價(jià)得分為2分；2017年，渤海共發(fā)生赤潮12次，累計(jì)面積342 km2，赤潮發(fā)生項(xiàng)的評價(jià)得分為4分[14-16]。需要說明的是，由于未收集到針對大遼河口和遼東灣的赤潮發(fā)生情況信息，這里以渤海整個(gè)海域的赤潮發(fā)生情況來分析。

將以上各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的賦分結(jié)果進(jìn)行加和，得到調(diào)查區(qū)域富營養(yǎng)化評價(jià)的總得分(P總)，根據(jù)P總分值所處的區(qū)間范圍確定調(diào)查區(qū)域的營養(yǎng)等級(jí)(見表4)，并依此提出生態(tài)環(huán)境治理措施建議。

表4 富營養(yǎng)化評價(jià)分級(jí)表Table 4 The classifications of estuary eutrophication

2 結(jié)果和討論

2.1 大遼河口富營養(yǎng)化壓力項(xiàng)指標(biāo)時(shí)空分布

河口區(qū)主要污染物來源于陸源，從淡水端到海水端，污染物濃度受陸源輸入和海水稀釋的影響，往往與鹽度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性[32]。大遼河口調(diào)查數(shù)據(jù)表明，盡管2010年夏季和2017年夏季調(diào)查海域的外邊界與岸線間的距離基本一致，但由于2010年8月該區(qū)域受到洪水影響[37]，從河口到調(diào)查區(qū)域的外邊界，鹽度由0.2僅增大到12.5左右，而2017年8月調(diào)查區(qū)域的鹽度由河口到外邊界增大到31.1。同時(shí)，受洪水所攜帶的大量陸源污染物的影響，2010年8月的DIN、DIP、CODMn濃度從河口端到入海端濃度差異很??；而2017年8月DIN、DIP、CODMn濃度均隨鹽度升高而逐漸降低(見圖3(a))，反映了河口區(qū)淡水和海水混合交換作用對營養(yǎng)物質(zhì)分布的影響，淡水中高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)被海水稀釋后濃度逐漸降低。兩年的壓力項(xiàng)指標(biāo)相比，2010年8月DIN、DIP和COD的平均值分別達(dá)到2.07、0.042和3.43 mg/L，分別是2017年8月均值的4.1、2.2和1.7倍。歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，自1990年代以來，DIN、DIP已成為大遼河口和遼東灣的主要污染物[27]，且到本世紀(jì)前10年有加重趨勢[18，35]，污染物來源主要與徑流量、降雨量和生活污水及工農(nóng)業(yè)廢水的排放有關(guān)[36]。

根據(jù)2010年8月和2017年8月大遼河口營養(yǎng)壓力項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照表1中評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，可得到DIN、DIP、CODMn分類結(jié)果，其分布情況如圖3所示。

整體而言，從2010年8月到2017年8月，壓力項(xiàng)各指標(biāo)所反映的大遼河口水質(zhì)狀況有所好轉(zhuǎn)。對于DIN，2010年8月從淡水端到海水端大遼河調(diào)查區(qū)域均為Ⅲ類水質(zhì)，而到2017年8月后，從淡水端到海水端分別呈Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ類水質(zhì)；對于DIP，2010年8月整體呈Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì)，2017年8月整個(gè)河口區(qū)水質(zhì)狀態(tài)為Ⅰ類；對于CODMn，2010年8月基本維持在Ⅱ類，2017年8月淡水端為Ⅱ類，海水端則為Ⅰ類水質(zhì)。

(a～d：2010-08；e～h：2017-08)

2.2 大遼河口富營養(yǎng)化響應(yīng)項(xiàng)指標(biāo)時(shí)空分布

從圖2(b～d)中可看出，2010年8月大遼河口的響應(yīng)項(xiàng)指標(biāo)，同樣由于受洪水影響，淡水端和海水端的濃度差異較小，均較高。2017年8月，大遼河口響應(yīng)項(xiàng)指標(biāo)隨鹽度的變化趨勢雖不呈保守性分布，但其分布也具有一定的規(guī)律性，從圖2(f～h)中可以發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)項(xiàng)各指標(biāo)均隨鹽度呈“兩端高中間低”的趨勢。其中，Chla、浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物指標(biāo)等生態(tài)指標(biāo)在河水端由于營養(yǎng)物質(zhì)豐富，有利于浮游生物的生長繁殖，因此浮游生物的生物量和多樣性均較高；而在混合區(qū)，由于河水中營養(yǎng)物質(zhì)的減少，水體透明度降低等原因，生物在此段多發(fā)生沉降或清除作用，生物量和多樣性指數(shù)較低；到海水端后，隨著河水與海水的完全混合，生物的生長條件得到改善，生物量又開始升高。

2010年8月和2017年8月大遼河口的初級(jí)癥狀指標(biāo)同樣可按照表1中評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，得到Chla、浮游植物密度和多樣性指數(shù)的分類結(jié)果，其分布圖如圖4所示。

圖3 大遼河口壓力項(xiàng)指標(biāo)水質(zhì)分類情況Fig. 3 Classifications of press indexes of the Daliao River Estuary

圖4 大遼河口初級(jí)癥狀指標(biāo)水質(zhì)分類情況Fig.4 Classifications of primary symptom indexes of the Daliao River Estuary

整體而言，從2010年8月—2017年8月，Chla兩年調(diào)查期間均屬于Ⅰ-Ⅱ類水平，呈現(xiàn)“兩端高中間低”的趨勢；浮游植物密度在兩年的調(diào)查期間均為Ⅲ類水平，情況未有明顯好轉(zhuǎn)；而浮游植物多樣性指數(shù)則呈明顯惡化的趨勢，由2010年8月的Ⅱ類水平變?yōu)棰箢愃?。由以上初?jí)癥狀指標(biāo)反映的水質(zhì)狀況可以看出，從2010—2017年，大遼河口的水質(zhì)狀況未見好轉(zhuǎn)趨勢。

2.3 大遼河口富營養(yǎng)化綜合狀況和變化趨勢

根據(jù)ASSETS富營養(yǎng)化評價(jià)方法的步驟，首先將調(diào)查區(qū)域按鹽度分為感潮淡水區(qū)(S<0.5)、混合區(qū)(0.5≤S≤25)和海水區(qū)(S>25)[33-34]，之后將各區(qū)壓力項(xiàng)和響應(yīng)項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值、評分加和，得到2010年8月和2017年8月大遼河口富營養(yǎng)化評價(jià)結(jié)果。

2010年8月，由于受洪水影響，調(diào)查區(qū)域鹽度最高為12.5，按照鹽度分區(qū)該年份調(diào)查區(qū)域可分為感潮淡水區(qū)和混合區(qū)兩個(gè)區(qū)域。通過富營養(yǎng)化綜合評價(jià)分析可得到兩個(gè)區(qū)域的富營養(yǎng)化得分分別為51和55分，即淡水區(qū)得分低于混合區(qū)。根據(jù)表4的劃分依據(jù)可知，兩個(gè)區(qū)域均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)(見圖5(a))，對于整個(gè)大遼河口而言，調(diào)查區(qū)域呈富營養(yǎng)化狀態(tài)(P總=47)。

圖5 大遼河口分區(qū)富營養(yǎng)化評價(jià)結(jié)果Fig.5 Results of regional eutrophication status in the Daliao River Estuary

2017年8月，可將大遼河口按鹽度劃分為三個(gè)區(qū)域(淡水區(qū)、混合區(qū)、海水區(qū))，通過富營養(yǎng)化綜合評價(jià)可知，三個(gè)區(qū)域的評價(jià)得分分別為44、52、73，可看出，淡水區(qū)富營養(yǎng)化評價(jià)得分低于海水區(qū)，說明富營養(yǎng)化狀況從淡水端至海水端逐漸減輕。同時(shí)，根據(jù)表4的劃分依據(jù)可知，淡水區(qū)和混合區(qū)為富營養(yǎng)化狀態(tài)，海水區(qū)則為中營養(yǎng)化狀態(tài)(見圖5(b))對于整個(gè)大遼河口而言，調(diào)查區(qū)域仍為富營養(yǎng)化狀態(tài)(P總=48)。

對比大遼河口2010年8月和2017年8月富營養(yǎng)化綜合評價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)近10年內(nèi)大遼河口(尤其是海水區(qū))富營養(yǎng)化程度有所好轉(zhuǎn)，《中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》中的報(bào)道也顯示到2017年渤海海域的赤潮發(fā)生次數(shù)和面積相對2010年也明顯減少。這是由于近年來環(huán)保力度加大，特別是自2006年和2011年分別實(shí)施以COD和氨氮為考核指標(biāo)的陸源污染物總量減排計(jì)劃，由此排入大遼河的陸源污染物排放數(shù)量大幅減少。據(jù)《2015年遼寧省環(huán)境狀況公報(bào)》，2015年遼寧省COD和氨氮較2010年分別下降15.0%和14.4%；自2005年以后，隨著《遼寧省水污染防治工作方案》的深入實(shí)施，不僅陸源污染物總量減排力度進(jìn)一步增大，而且濱海濕地的保護(hù)和修復(fù)力度進(jìn)一步加強(qiáng)，大遼河口的濕地自凈能力增強(qiáng)，兩方面共同作用導(dǎo)致2017年夏季大遼河富營養(yǎng)化狀況較2010年8月有所改善。然而，2017年大遼河口浮游植物密度等富營養(yǎng)化初級(jí)癥狀指標(biāo)等并未較2010年8月好轉(zhuǎn)，且整體上仍呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，表明該河口赤潮等生態(tài)災(zāi)害發(fā)生仍然頻率較高，該海域仍需繼續(xù)強(qiáng)化實(shí)施陸源污染物總量減排措施和濕地修復(fù)等增容措施，以進(jìn)一步降低富營養(yǎng)化水平，降低赤潮等生態(tài)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

需要指出的是，由于2010年8月調(diào)查期間大遼河口突發(fā)洪水，使得大遼河口的徑流量由往常夏季的平均207 m3/s突增為1 987.6 m3/s，洪水?dāng)y帶大量的陸源污染物排入大遼河口，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)壓力指標(biāo)較其他年份夏季顯著升高。僅用2010年8月份1次的調(diào)查結(jié)果作為參照進(jìn)行比較，容易導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果有很大的不確定性。為客觀評價(jià)大遼河口的富營養(yǎng)化狀況，應(yīng)采用連續(xù)多年的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析其變化趨勢，同時(shí)，從評價(jià)參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取方面，應(yīng)采用在線監(jiān)測等技術(shù)手段，獲得長時(shí)間尺度的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以充分反映河口區(qū)這一陸海相互作用過程復(fù)雜多樣的變化特征。

3 結(jié)語

本文以美國第Ⅱ代河口富營養(yǎng)化綜合評價(jià)方法為基礎(chǔ)，根據(jù)大遼河口的實(shí)際情況進(jìn)行方法的修正和賦值，評價(jià)結(jié)果表明，2010年8月和2017年8月大遼河口整體上均處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，兩年份的評價(jià)結(jié)果均為淡水區(qū)的富營養(yǎng)化狀況較海水區(qū)嚴(yán)重。綜合分析表明，2010年8月大遼河受洪水所攜帶的大量陸源污染物影響，導(dǎo)致該河口人為壓力顯著增大，到2017年8月，隨著陸源污染物總量減排計(jì)劃和水污染防治方案的深入實(shí)施，COD、氨氮等陸源污染物的排放數(shù)量顯著減小，同時(shí)，濱海濕地修復(fù)力度的加強(qiáng)也有效削減了入海污染物的數(shù)量，由此使得2017年8月大遼河口的富營養(yǎng)化壓力有所降低，富營養(yǎng)化狀況有得到改善。然而，到2017年該河口整體上仍處于富營養(yǎng)狀態(tài)，因此需繼續(xù)強(qiáng)化陸源污染物總量減排措施和遼河口濕地修復(fù)等增容措施，以進(jìn)一步降低大遼河口的富營養(yǎng)化程度。