王以斌， 尹曉斐， 張晶晶， 吳文濤, 3, 劉軍， 臧家業(yè)

(1. 自然資源部第一海洋研究所， 山東 青島 266061； 2. 魯東大學(xué)濱海生態(tài)高等研究院， 山東 煙臺(tái) 264025； 3. 中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)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(huán)繞， 海水交換能力弱、 自凈能力差、 環(huán)境承載力弱， 但環(huán)渤海灣地區(qū)卻是我國海洋開發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域之一[1]. 2002—2015年間， 天津和河北的海洋開發(fā)利用強(qiáng)度位居全國前列[2]， 海域開發(fā)利用承載力均屬超高等級(jí)[3]. 同時(shí)， 沿岸城市的陸源污染不斷增加[4]， 渤海灣海洋生態(tài)環(huán)境已呈現(xiàn)嚴(yán)重污染的狀況[5]， 富營養(yǎng)化現(xiàn)象突出、 赤潮災(zāi)害頻發(fā)[5-7]， 顯著影響和制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與海洋生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[8]. 當(dāng)前， 摸清重點(diǎn)海灣的海洋環(huán)境狀況和污染現(xiàn)狀， 以環(huán)境數(shù)據(jù)為支撐， 提出切實(shí)可行的環(huán)境整治、 保護(hù)和修復(fù)措施， 推進(jìn)近岸海域生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量改善與修復(fù)， 是強(qiáng)化海洋生態(tài)文明建設(shè)的迫切需要， 也是陸海統(tǒng)籌對(duì)海洋生態(tài)管理的明確要求[9].

鑒于此， 本研究通過對(duì)2014年在渤海灣西南部近岸海域進(jìn)行的調(diào)查數(shù)據(jù)的分析， 研究該海域主要海洋水環(huán)境要素的時(shí)空分布和變化， 評(píng)價(jià)營養(yǎng)狀態(tài)水平和有機(jī)污染狀況， 探討水環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性. 結(jié)合文獻(xiàn)分析海域的海洋環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢, 旨在全面了解該海域的海洋環(huán)境及其污染現(xiàn)狀， 為海洋開發(fā)利用決策和海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)策略提供依據(jù)， 為管理部門開展陸海統(tǒng)籌和以生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的海洋環(huán)境管理提供科學(xué)支持.

1 研究區(qū)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(gè)季節(jié)航次的調(diào)查. 調(diào)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(jīng)117°42′48″～118°15′7″， 北緯38°15′3″～ 38°33′49″)， 共設(shè)27個(gè)調(diào)查站位， 其中冬季22個(gè)調(diào)查站(見圖1). 調(diào)查海域中部是滄州黃驊港， 港區(qū)中有港口碼頭、 濱海熱電廠、 鋼鐵企業(yè)和化工企業(yè)等； 南側(cè)為濱州港， 北側(cè)外圍緊鄰天津港南港區(qū). 毗鄰的陸域部分主要為鹽田和海水養(yǎng)殖場， 河流主要有南排河、 宣惠河-漳衛(wèi)新河-大口河和套爾河.

1.2 研究要素與研究方法

1.2.1 調(diào)查要素及調(diào)查分析方法

調(diào)查要素包括水溫(θ)、 鹽度、 pH值、 溶解氧(DO)、 化學(xué)需氧量(COD)、 無機(jī)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(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763—2007)[10]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)[11]進(jìn)行. 對(duì)主要水環(huán)境參數(shù)(鹽度、 DO、 COD、 DIN、 DIP、 Oil和Chl-a)進(jìn)行空間分布特征和時(shí)空變化研究.

1.2.2海洋水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法[12]， 參照以《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)》[13]對(duì)主要水環(huán)境要素進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.2.3富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

采用富營養(yǎng)化指數(shù)法[14]和營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)法[15]評(píng)估海域的富營養(yǎng)化程度和營養(yǎng)狀態(tài)水平； 采用氮磷比值法[16]計(jì)算潛在富營養(yǎng)化； 采用有機(jī)污染綜合指數(shù)法[16]評(píng)價(jià)該海域的有機(jī)污染狀況.

1.2.4數(shù)據(jù)分析與處理

本研究的水環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)處理使用Excel 2007軟件， 數(shù)據(jù)的季節(jié)均值以算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(Mean±SD)表示； 水環(huán)境要素的時(shí)空分布圖采用Surfer 11軟件繪制， 各要素之間的相關(guān)性分析通過SPSS 18.0軟件進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析討論

2.1 海洋水環(huán)境狀況

主要水環(huán)境參數(shù)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)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(huán)境要素調(diào)查結(jié)果

2.1.1水溫

研究海域的水溫季節(jié)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??； 秋季各站范圍為11.33～14.66 ℃， 差距相對(duì)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(huán)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(jié)變化差距不大， 從季節(jié)變化看， 夏、 秋季的鹽度相對(duì)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(diào)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(qū)均位于黃驊港以北海域， 而春季則相反， 鹽度高值區(qū)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(qū)位于近岸河口附近. 此外, 海域北側(cè)沿岸眾多的海水淡化工程可能對(duì)于區(qū)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(duì)于北部和灣口海域在夏季屬于高溫高鹽度區(qū)域.

2.1.3 DO值

DO值的季節(jié)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(qū)位于大口河河口區(qū)域， 同時(shí)， 冬、 夏季的高值區(qū)位于黃驊港北側(cè)海域， 春季則是位于南側(cè)的濱州海域. 春季和夏季在北側(cè)的河北和天津近海形成明顯的低氧區(qū)， 氧質(zhì)量濃度在7.0 mg·L-1以下. 秋季整個(gè)研究海域的DO值差距相對(duì)較小， 沒有特別明顯的高值區(qū)和低值區(qū).

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(qū)位于北側(cè)的滄州近海， 春季位于黃驊港航道附近， 此外冬季在港區(qū)南側(cè)還有一個(gè)高值區(qū)， 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(jié)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(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)值. 如圖3(a)所示， 夏、 秋、 冬三季的主要高值區(qū)位于大口河入海口附近， 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(duì)于海洋環(huán)境的影響十分顯著. 春季的高值區(qū)分布在研究海域的南北兩側(cè)， 中間的黃驊港航道附近為低值區(qū). 除了陸源輸入的影響， 海洋環(huán)境中的DIN值與海洋生物的利用、 繁殖、 攝食等活動(dòng)有關(guān)， 春季的DIN值在四季中最低， 表明春季海域內(nèi)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(jié)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(jié)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(zhì)量濃度分別約為秋季的1/3和1/5， 表明春季由于海域內(nèi)海洋生物的快速增長， 消耗了大量的氮磷營養(yǎng)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(cè)海域形成明顯的高值區(qū)， 春季在海域南側(cè)有一個(gè)高值區(qū).

2.1.7 Chl-a

Chl-a的季節(jié)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(duì)較低. 由圖3(c)可知： Chl-a的季節(jié)空間分布規(guī)律并不一致， 秋、 冬季主要在黃驊港北側(cè)形成明顯的高值區(qū)， 春季在港區(qū)南側(cè)的大口河河口形成明顯高值區(qū)， 且冬、 春季在高值區(qū)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(duì)于浮游植物的生長具有明顯的促進(jìn)作用.

2.1.8石油類

海水中石油類的季節(jié)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(qū)位于黃驊港的港口航道附近以及靠近天津南港區(qū)附近的海域， 顯然， 港口航運(yùn)業(yè)對(duì)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(huán)境的營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

2.2.1 富營養(yǎng)化指數(shù)和營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)

營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)和富營養(yǎng)化指數(shù)(E)反映了海域內(nèi)COD、 DIN、 DIP和Chl-a之間的關(guān)聯(lián)， 兩種評(píng)價(jià)的結(jié)果見圖4(a)、 (b).

NQI評(píng)價(jià)顯示： 冬季研究海域大部分處于中等營養(yǎng)化狀態(tài)(NQI>2)， 其中河北近岸海域NQI>3， 為富營養(yǎng)化狀態(tài). 春夏季大部分海域?yàn)樨殸I養(yǎng)化狀態(tài)， 大口河河口附近為富營養(yǎng)化區(qū)域， 另有部分區(qū)域?yàn)橹械葼I養(yǎng)化區(qū)域. 秋季大部分海域處于中等營養(yǎng)化以上程度， 約一半海域達(dá)到富營養(yǎng)化程度， 最嚴(yán)重的區(qū)域位于大口河河口； 此外， 秋季河北近岸海域已達(dá)到富營養(yǎng)化程度， 與冬季的富營養(yǎng)化區(qū)域基本一致.

E評(píng)價(jià)顯示： 秋、 冬季富營養(yǎng)化較為嚴(yán)重， 大部分海域已呈富營養(yǎng)化(E>1)， 夏季主要在大口河河口區(qū)域呈現(xiàn)富營養(yǎng)化， 且已達(dá)中度富營養(yǎng)化(E>3)， 春季均未呈現(xiàn)富營養(yǎng)化. 從空間分布看， 富營養(yǎng)化程度較高的區(qū)域位于大口河河口. 富營養(yǎng)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(yǎng)化和污染物的增加是造成低氧的重要因素[19].

兩種指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果均顯示研究海域在秋、 冬季的富營養(yǎng)化程度較高， 大部分海域處于富營養(yǎng)化狀態(tài)； 從空間分布看， 富營養(yǎng)化最嚴(yán)重的區(qū)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(duì)于海域富營養(yǎng)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(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)， 揭示了海域營養(yǎng)鹽對(duì)富營養(yǎng)化的潛在限制[16]. N/P失衡會(huì)直接導(dǎo)致浮游生物群落的演替， 進(jìn)而引發(fā)赤潮等生物災(zāi)害， 甚至導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的變化[20]. 調(diào)查期間N/P的四季均值在45.2～226.9之間， 已遠(yuǎn)超Redfield比值(16∶1)， 根據(jù)潛在性富營養(yǎng)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21]， 海域的營養(yǎng)級(jí)為“磷限制潛在性富營養(yǎng)”. 由圖4(c)可知， 夏、 秋和冬季的高值區(qū)位于黃驊港附近， 春季則在北側(cè)靠近天津港附近有顯著高值區(qū).

2.2.3有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)

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

綜合富營養(yǎng)化和有機(jī)污染評(píng)價(jià)的結(jié)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(yǎng)化和有機(jī)污染狀態(tài)； 主要的污染區(qū)域位于大口河河口及附近海域， 呈現(xiàn)出近岸高離岸低的特征， 表明了陸源污染對(duì)于海洋環(huán)境的顯著影響.

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

2.3 水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果， 研究海域最主要的水質(zhì)污染要素是DIN， 在四季均有不同程度的站位超標(biāo)； 秋季最嚴(yán)重， 93%的站位DIN超過二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)， 其中67%的站位超過三類標(biāo)準(zhǔn)， 44%的站位超過四類標(biāo)準(zhǔn)， 同時(shí)， DIN秋季均值也超過四類標(biāo)準(zhǔn). 其次是冬季， 50%的站位超過二類標(biāo)準(zhǔn)， 9%的站位超過三類標(biāo)準(zhǔn)， 但滿足四類標(biāo)準(zhǔn). 此外， 夏季有26%的站位超過二類標(biāo)準(zhǔn)， 11%的站位超過三類標(biāo)準(zhǔn)， 滿足四類標(biāo)準(zhǔn). 春季的情況最好， 僅有7%的站位DIN超過二類標(biāo)準(zhǔn)但滿足三類標(biāo)準(zhǔn).

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

2.4 水環(huán)境要素的相關(guān)性分析

渤海灣西南部近海主要水環(huán)境要素之間的相關(guān)關(guān)系如表2所示， 溫度在控制海水各環(huán)境要素的變化中具有重要的作用， 海水中DO受水溫的調(diào)控最明顯. 水溫與鹽度呈顯著正相關(guān)(p<0.01)， 與DO、 COD、 DIN、 活性磷酸鹽和活性硅酸鹽呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01). 鹽度與DO、 COD和石油呈顯著負(fù)相關(guān)， 與DIN呈顯著正相關(guān)； DO與COD之間呈顯著正相關(guān)， 同時(shí)與Chl-a也呈顯著正相關(guān). 氮、 磷、 硅營養(yǎng)鹽之間呈顯著正相關(guān)， 反映了其分布和來源的一致性； 同時(shí)營養(yǎng)鹽與懸浮物呈顯著正相關(guān)， 表明區(qū)域內(nèi)的海洋開發(fā)利用活動(dòng)和陸源持續(xù)輸入引起泥沙的輸送對(duì)海域水體有持續(xù)影響， 使得懸浮物增加導(dǎo)致吸附的營養(yǎng)鹽釋放， 增加了海域內(nèi)的營養(yǎng)鹽含量； 結(jié)合污染物主要存在于河口區(qū)域的空間分布狀況， 說明大口河攜帶了大量的COD和營養(yǎng)鹽. 研究海域內(nèi)水溫與鹽度呈顯著正相關(guān)， 表明研究區(qū)域內(nèi)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(xù)減少， 海水鹽度在相應(yīng)的升高[22].

表2 渤海灣西南部近海主要水環(huán)境要素之間的相關(guān)關(guān)系

2.5 研究海域的污染狀況及時(shí)空變化趨勢

受大量生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水排放的影響， 環(huán)渤海灣入海河流污染嚴(yán)重， 近岸海域富營養(yǎng)化嚴(yán)重[22]； 研究海域已為DIN污染中風(fēng)險(xiǎn)海域， 北側(cè)天津近海為高風(fēng)險(xiǎn)[23]. 表3是自1982年以來研究海域主要污染要素的對(duì)比統(tǒng)計(jì).

表3 渤海灣西南部近岸海域近年來海水主要污染要素對(duì)比

由表3可知， 1982—2003年間渤海灣的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化， 海水處于嚴(yán)重的氮污染狀態(tài)[24, 30]， N/P由1982年的1.3大幅上升至1998年的24.8[30]； 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)由“氮限制”轉(zhuǎn)向“磷限制”狀態(tài)[24]； 隨著陸源輸入中氮磷營養(yǎng)鹽差距不斷擴(kuò)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(yán)重， 主要污染物為DIN和Oil. 張學(xué)輝等[28]研究顯示2011年渤海灣南部海域污染嚴(yán)重， DIN值在8月份最高， 達(dá)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(nèi)的主要污染物， 城市、 港口和農(nóng)業(yè)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(huán)境容量， 須嚴(yán)格控制DIN的陸源入海總量.

綜上所述， 日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)對(duì)渤海灣近岸海域環(huán)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(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)已變?yōu)椤傲紫拗啤保?富營養(yǎng)化程度已經(jīng)較高. 在區(qū)域污染程度上， 天津沿海污染較重， 滄州和濱州海域略好. 當(dāng)前， 環(huán)渤海灣圍填海、 陸域工農(nóng)業(yè)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(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化. 應(yīng)當(dāng)在陸海統(tǒng)籌機(jī)制下， 以海定陸， 以海洋承載力、 納污能力等指標(biāo)為依據(jù)， 通過建立“多規(guī)合一”的空間規(guī)劃體系、 合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、 禁止非必要圍填海、 重點(diǎn)治理陸源排放， 控制陸源入海污染物總量、 加強(qiáng)海洋環(huán)境監(jiān)測等具體措施的共同努力， 維持、 保護(hù)和改善渤海灣的海洋生態(tài)環(huán)境.

3 結(jié)語

渤海灣西南部近岸海域在2014年的水質(zhì)狀況一般， DIN是主要的污染要素， 秋季DIN污染最嚴(yán)重， 44%的站位和均值超過四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 氮磷比偏高， 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)為“磷限制”. 富營養(yǎng)化季節(jié)性特征和區(qū)域性特征明顯； 秋季富營養(yǎng)化最嚴(yán)重， 大部分海域?yàn)楦粻I養(yǎng)化和有機(jī)污染狀態(tài). 主要海水水質(zhì)要素的空間分布受陸源輸入的影響明顯， 氮、 磷、 硅營養(yǎng)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(yǎng)化趨勢明顯， 亟待通過“陸海統(tǒng)籌”和“以海定陸”等措施治理沿岸陸源排放， 修復(fù)已嚴(yán)重污染的海洋環(huán)境.