辽河口近岸海域水体营养物推荐基准值的制定方法

胡莹莹,王菊英,张志锋,宗虎民,陈淑梅 (国家海洋环境监测中心,国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室,辽宁 大连 116023)

辽河口近岸海域水体营养物推荐基准值的制定方法

胡莹莹,王菊英*,张志锋,宗虎民,陈淑梅 (国家海洋环境监测中心,国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室,辽宁 大连 116023)

确定水质参照状态是近岸海域营养物及其响应指标基准制定的关键,基于现场观测数据分析确定参照状态并提出推荐基准值是一种重要的方法.以辽河口近岸海域为例,根据1995年～1999年和2003年～2009年的数据分析,主要应用频数分析法确定了参照状态,并结合1976年的数据分析,提出了该海域营养物(溶解无机氮、总氮、活性磷酸盐、总磷)及响应指标(叶绿素、溶解氧)的推荐基准值.分析显示,辽河口近岸海域营养物溶解无机氮、总氮、活性磷酸盐和总磷的推荐基准值分别为0.11, 0.19, 0.006, 0.032mg/L;响应指标叶绿素、溶解氧的推荐基准值分别为0.0009, 6.14mg/L.

营养物基准；参照状态；推荐基准值；辽河口近岸海域

大量营养盐入海导致的河口和沿岸海域的富营养化问题已成为困扰世界沿海国家的主要环境问题之一[1-3].中国近海海域多是封闭和半封闭的陆架浅海,容易受到人类活动的影响而出现富营养化问题,尤其是河口和海湾的富营养化问题更为严重[4-6].营养物基准的制定和应用是为防止富营养化而提出的一种措施,亦是开展河口营养物监测、评估和管理的基础[7].

在营养物基准制定过程中,建立参照状态至关重要.参照状态应为某水体或相似水体受到影响最小的、接近自然状态点位的监测数据综合表征结果[8].近岸海域水体基本上都受到了人类开发活动的影响,很难得到自然本底值.因此需要通过特定的方法帮助建立参照状态,提出推荐基准值.目前,应用较多的是基于现场观测数据分析的方法.基于现场观测数据分析的方法确定参照状态时,需根据水体的污染现状及变化趋势,判断参照点是否存在、生态系统退化是否严重等情况,采用不同的方法来确定参照状态[8].

美国、欧盟等在营养物及其响应指标的海水水质基准方面起步较早,积累了大量的经验.我国在湖泊的营养物水质基准方面开展了一些工作

[9],而在河口和近岸海域方面尚未有系统的研究.作者在国内外研究基础上,采用基于现场观测数据分析,确定近岸海域营养物推荐基准值的方法,建立了辽河口近岸海域营养物的参照状态,提出了推荐基准值.旨在为我国近岸海域营养物基准、标准的研究与制订提供理论和方法借鉴.

1 基础数据与研究方法

1.1 研究区域及数据来源

数据来源于国家海洋局海洋环境监测数据,采样站位共20个站位,分布于大辽河和双台子河口近岸海域(图1).所用数据主要为系统性、完整性较好的1995年～1999年和2003年～2009年的海水环境质量监测数据.每年5月、8月和10月采样3次,个别年份增加了3月份监测数据.另外采用了20世纪70年代国家海洋局进行的渤海专项溶解氧和溶解无机氮的调查数据用于辅助说明,其中溶解氧为 18个站位的数据,溶解无机氮为7个站位的数据.

图1 研究区域及站位分布示意Fig.1 Area and stations of study

1.2 研究方法

根据辽河流域的社会经济发展以及污染状况,判定辽河流域近岸海域未受影响的参照点难以找到,因此受营养物影响程度较小的部分地域被认为具备“参照状态的环境质量”,可作为参照点. 采用参照点或观测点指标频数分布曲线法确定推荐基准值.具体方法如下:在数据充足的情况下,取参照点营养物指标频数分布曲线的上第25个百分点(或其他合适的百分点)(累积频数为75%对应的水质数据,即 Percentile 75%,下同)对应值(对于溶解氧、透明度等指标)或所有观测点营养物指标频数分布曲线的下第 25个百分点(累积频数为 25%对应的水质数据,即 Percentile 25%,下同)(或其他合适的百分点)对应值(对于TN、TP、Chla等指标)作为参照状态.

另外,根据辽河流域的社会经济发展以及污染状况,收集到20世纪70年代的部分监测数据,作为生态环境状况良好的状态,参照点各指标值的频数分布曲线中值可以较好地表达受“最低影响”的参照状态.对参照点的总氮(TN)、总磷(TP)、溶解无机氮、活性磷酸盐、叶绿素 a(Chla)、溶解氧(DO)、透明度(SD)及其他指标的测定值进行统计分析,绘制频数分布图,取相应指标的频数分布曲线的中值作为参照状态. 由于此部分监测数据较少,其结果仅用作推荐基准值确定是否合理的辅助说明.

1.3 营养物指标选择

在实践中出于管理的需求,制定基准的指标也可不仅仅限于营养物质.按照美国的做法[8],理论上应包括用于解释近岸海域富营养化原因和结果的所有变量,一般来说,5个指标为基准的基本变量,即TN、TP、Chla、SD或藻类浊度、DO.由于TN、TP的历史数据较缺乏,可能导致最后的结果不确定性较大,因此增加了溶解无机氮和活性磷酸盐两个指标.国际上透明度为营养物基准制定中的基本变量,但由于本研究所收集的监测数据中透明度数据较少,未选取透明度作为制定基准的指标.本次研究中确定了溶解无机氮、活性磷酸盐、TN、TP、Chla和DO作为营养物及其响应指标.

1.4 数据分析方法

利用 origin软件的数据分析功能进行统计分析和制作水质频数分布图.

2 结果与分析

对 1995年～1999年和 2003年～2009年的TN、TP、溶解无机氮、活性磷酸盐、Chla和DO数据进行了水质频数分布综合分析,绘制的频数分布曲线结果见图2.

在利用频数分析法建立参照状态的过程中,考虑是运用所有能收集到的数据,而且自20世纪90年代以来,辽河流域经济发展速度快,水污染日趋严重,因此采用1995年～1999年和2003年～2009年监测数据的水质频数分布曲线的下第25个百分点作为参照状态提出推荐基准值(表1),TN为0.68 mg/L;TP为0.056mg/L;溶解无机氮为 0.15mg/L;活性磷酸盐为 0.025mg/L,Chla为0.0015mg/L,DO为6.14mg/L.

观测的实际分布和对该区域水质变化的认识也是选择阈值点的重要决定因素.虽然从1996年至今,经过这些年的整治,辽河流域水质有所好转,但部分地段污染状况仍令人堪忧,污染物入海量居高不下,其邻近海域受到较大的营养物质污染[10].在这种情况下,考虑选取水质频数分布曲线的上或下第5个百分点(累积频数为95%或5%对应的水质数据,即 Percentile 95%或 5%,下同),以期恢复到以前大概的自然条件,按此原则,TN、TP、溶解无机氮、活性磷酸盐和Chla选取下第5个百分点(表 1),参照状态分别为 0.19,0.032, 0.11,0.006,0.0009mg/L.

图2 辽河口近岸海域营养物频数分布曲线Fig.2 Frequency distribution curves of nutrients in Liaohe estuary

20世纪70年代国家海洋局对辽河流域近岸 海域水质进行了渤海专项调查,结果显示,当时溶解无机氮的浓度分别在 0.06～0.20mg/L之间,基本上不存在水质污染,若取中间值,那么参照状态的溶解无机氮为0.11mg/L.经过比较分析,发现频数法下第 5个百分点的参照状态值与利用年代的数据进行分析得到的参照状态值是一样的.而DO的浓度中值为6.34mg/L,采用1995年～1999年和2003年～2009年监测数据的水质频数分布曲线的下第25个百分点得到的推荐基准值基本一致.综合考虑我国的海水水质标准[11]以及辽河流域近岸海域营养物的实际情况,本研究确定TN的参考状态值以频数法为准,确定的推荐基准值TN为0.19 mg/L;TP为0.032mg/L;溶解无机氮为0.11mg/L;活性磷酸盐为0.006mg/L,Chla为0.0009mg/L,DO为6.14mg/L.

表1 辽河口近岸海域营养物浓度频数分布统计(mg/L)Table 1 Frenquency distribution results of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

表2 辽河口近岸海域营养物参照状态推荐基准值(mg/L)Table 2 Recommended criteria of nutrients in Liaohe estuary (mg/L)

3 讨论

本研究根据国内外对指标选取的研究成果以及所获取数据的情况,选取了TN、TP、Chla、DO、溶解无机氮和活性磷酸盐为指标.根据区域生态环境受损程度判定营养盐的历史变化趋势,从而确定参照状态.然后,对参考水体的营养物水平进行统计分析,根据营养物频数分布曲线设定相应的推荐基准值.对本研究中确定的辽河流域的营养物及其响应指标的推荐基准值与GB3097-1997《海水水质标准》[11]中的标准值进行了比较,本研究推导的溶解无极氮和活性磷酸盐的推荐基准值与标准中的值相比均略低,DO则基本一致,如果考虑到社会经济发展的需要,目前的海水水质标准中的营养物的标准可适用于辽河流域的评价.

对于营养物质而言,其背景浓度往往具有明显的区域特征,因此相应的海水营养物质水质标准的制定也应考虑其区域性.美国等发达国家在生态分区的基础上,制定了区域性的海水营养物质水质标准[8,12].因此,我国在考虑区域特征的基础上,制定营养物海水水质标准势在必行.水质基准是制定环境质量标准的科学依据,环境基准的研制虽然不能完全替代环境标准,但是是制定环境标准的支撑性基础工作,为环境标准的研制提供必需的科学依据[13-14].本研究以辽河流域为示范区域,探索了适合我国海洋环境监测历史和现状的推荐基准值的确定方法,并推导了营养物及其响应指标的推荐基准值,可为全国近岸海域区域性营养物推荐基准值的确定提供方法学借鉴.

4 结语

探讨了基于现场观测数据确定区域性近岸海域营养物及其响应指标的水质推荐基准值的方法;以辽河流域为示范区域,利用本海域历史调查数据采用基于现场观测数据方法确定了近岸海域的参照状态,提出推荐基准值分别为:TN为0.19mg/L;TP 为 0.032mg/L;溶解无机氮为0.11mg/L;活性磷酸盐为 0.006mg/L,Chla为0.0009mg/L,DO为6.14mg/L.

[1] OSPAR Commission. OSPAR integrated report 2003 on the eutrophication status [R]. London, U.K.: OSPAR, 2003.

[2] Clean coastal waters: understanding and reducing the effects of nutrient pollution [M]. Washingtoin DC: National Academy press, 2005.

[3] Bricker S, Longstaff B, Dennison W, et al. Effects of nutrient enrichment in the Nation’s Estuaries: A decade of change[EB/R]. NOAA coastal ocean program decision analysis series No. 26. national centers for coastal ocean science, silver Spring, MD. 2007. Online at: http://ccma.nos.noaa.gov/publications/eutroupdate/.

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[5] 国家海洋局.渤海海洋环境公报 [R] .北京, 2008.

[6] 国家海洋局.渤海海洋环境公报 [R]. 北京, 2009.

[7] 孟 伟,王丽婧,郑丙辉,等.河口区营养物基准制订方法 [J]. 生态学报, 2008,28(10):5133-5140.

[8] Office of water, USEPA. Nutrient criteria technical guidance manual, estuarine and coastal marine waters [R]. EPA-822-B-01-003, 2001.

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[13] 夏 青,陈艳卿,刘宪兵.水质基准与水质标准 [M]. 北京:标准出版社, 2004.

[14] 穆景利,王菊英,王 莹.海水水质基准的研究方法与我国海水水质基准的构建 [J]. 生态毒理学报, 2010,5(6):761-768.

Approach of nutrient criteria establishment and application in coastal area of Liaohe estuary.

HU Ying-ying, WANG Ju-ying*, ZHANG Zhi-feng,ZONG Hu-min, CHEN Shu-mei (Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas, State Oceanic Administration, National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：996～1000

In-situ observation based approach was important during enacting nutrients criteria in coastal area. Population distribution approach was introduced and applied to build the reference state and establish nutrients criteria on the case of Liaohe estuary. The data of 1995～1999 and 2003～2009 was analysised to build reference state and establish recommended nutrients criteria and data of 1976 was applied to validate the value. The recommended criteria value of DIN, TN, DIP, TP in coastal area of Liaohe estuary was 0.11, 0.19, 0.006 and 0.032mg/L, respectively, Chlorophyll-a and DO was 0.0009, 6.14mg/L, respectively.

nutrients criteria；reference state；recommended criteria；Liaohe estuary

X022

A

1000-6923(2011)06-0996-05

2010-10-18

国家海洋局海洋公益性行业科研专项(200805090);国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金(201015);国家“908”评价专项项目(908-02-04-02)

* 责任作者, 研究员, jywang@nmemc.gov.cn

胡莹莹(1977-),女,山东肥城人,助理研究员,博士,主要从事海洋环境化学及海洋环境质量评价工作.发表论文20余篇.