近30a来长江口海域生态环境状况变化趋势分析

杨 颖, 徐 韧

(国家海洋局 东海环境监测中心, 上海 200137)

长江口是我国最大的河口, 具有独特的河口生态系统。长江口及邻近海域也是东海区重点监测区域之一。近年来, 长江流域及长三角区域经济发展迅速、人口相对集中, 特别是大量污染物质经长江径流进入长江口及邻近海域, 加上过度捕捞、海上倾废、海洋运输及大型工程等所造成的污染和影响, 导致长江口及其近岸海域环境压力逐年加大, 对海域生态环境造成影响。对长江口及邻近海域生态环境研究众多[1-12],对海域生态环境的热点问题——海域富营养化状况、营养盐结构变化、赤潮状况、环境变化趋势以及环境要素与径流、悬沙的相关关系进行研究探索。上述研究一般基于特定航次、季节调查数据, 或短时间序列数据分析, 本文对近30a长江口及邻近海域环境及污染状况进行统计, 在较长时间序列上分析了长江口及邻近海域环境演变趋势, 并初步探讨了趋势变化成因及环境要素间的相关性, 为长江口区环境保护与管理、环境规划编制以及区域重大项目开发等提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文中数据主要引用了国家海洋局东海环境监测中心历年长江口海域趋势性监测、长江口生态监控区专项监测, 以及上海海洋污染基线调查项目等丰水期(7月～9月)监测数据。限于各监测指标数据引用源略有不同, 数据统计年份也不完全相同。本文中监测范围为长江口及口外海域, 30°30′N～31°45′N,121°30′E～123°00′E 海域, 面积约 1.4 万 km2(图 1)。其中 1984年～1997年在本区域内监测站位较少(20～30个), 但可均匀覆盖； 1998年～2003年在本监测区域内站位较多, 选取了与图 1中站位相近的进行统计； 2004年～2014年站位布设与图1一致。各站位数据采用了表层、中层和底层的平均值。

图1 长江口海域监测区域与站位示意图Fig.1 The monitoring area and spots in Changjiang estuary

1.2 方法与标准

监测方法按照《海洋监测规范》(GB17378)和《海洋调查规范》(GB/T12763)中的相关方法执行。水质评价采用单项标准指数评价法, 评价标准采用《海水水质标准》(GB3097-1997)。生物生态指标采用种类数、物种优势度、多样性指数等进行评价。

2 生态环境要素变化趋势分析

2.1 水环境状况

选择水环境中的营养指标(无机氮、活性磷酸盐、硅酸盐)和污染指标(CODMn、铜、铅、镉、总汞)来分析水环境变化状况。

2.1.1 无机氮

图2a为1984～2014年长江口及邻近海域丰水期无机氮的变化趋势图。近 30a来无机氮总体上处于明显的上升趋势。其中 1987～1989年 3年之间出现了第1个明显跃升, 无机氮浓度由低于0.1 mg/L跃升到0.8 mg/L左右； 1990～2003年基本在较高水平上波动,13年平均值为0.82 mg/L, 1997年和2001年上、下波动幅度较大； 2003～2005年出现了第2个跃升, 无机氮浓度由0.8 mg/L左右跃升到1.2 mg/L； 2005～2014年一直在高位震荡, 10年平均值为1.25 mg/L。

2.1.2 活性磷酸盐

图2b为1985～2014年长江口及邻近海域丰水期活性磷酸盐的年际变化趋势。近 30a来活性磷酸盐含量呈现上升趋势。与无机氮的变化趋势相类似的,在 1987～1989年和 2003～2005年间出现两次跃升现象, 其中第一次跃升幅度大于第二次跃升幅度。与无机氮的变化趋势不同的是, 在 1990～2003年间, 活性磷酸盐仍然呈上升趋势, 但上升幅度较缓慢, 13年平均值为 0.023 mg/L。2004～2014年总体在高位震荡,10年平均值为 0.045 mg/L, 2014年降幅较大, 与2004年相当。

2.1.3 硅酸盐

图2c为2002～2014年长江口及邻近海域丰水期硅酸盐平均含量的年际变化趋势。2002～2014年, 长江口水中硅酸盐平均含量总体呈现降低的趋势, 其中与2002年、2003年相比, 2004年水体中硅酸盐骤降45%, 2004～2014年, 硅酸盐含量比较平稳。

2.1.4 CODMn

图2d为1993～2014年长江口及邻近海域丰水期化学需氧量年际变化图, 除个别年份 CODMn含量较高(1999年)和较低(1995年)外, 大多数年份稳定在0.6～1.6 mg/L之间, 均符合第一类海水水质标准(＜2mg/L)。CODMn用来表征水体中有机污染物水平,20a的连续监测数据表明, CODMn含量一直较稳定,含量处于较低水平。

2.1.5 铜、铅、镉、汞

图2e～2h为长江口及邻近海域丰水期铜、铅、镉、汞的年际变化图。

铜(图 2e)的变化趋势可以基本分为 3个时段,1987～1997 年, 10 年 的平均值在 2.2 μg/L 上下波动；1999～2004 年略有升高, 平均值为 3.2 μg/L； 2005～2014年近10年间, 铜的平均含量有所下降, 平均值为1.8 μg/L。监测年份铜的平均含量均符合第一类海水水质标准(＜5 μg/L), 总体质量良好, 变化趋势趋于下降。

铅(图 2f)的变化趋势总体趋于下降, 少数年份的铅平均含量符合第一类海水水质标准(＜1μg/L),大部分年份符合第二类海水水质标准(＜5 μg/L)。

镉(图 2g)的变化趋势总体趋于下降, 监测年份镉的平均含量均符合第一类海水水质标准(＜1 μg/L),总体质量良好, 除1991、1993和1999年外, 其余年份均低于0.1 μg/L。

汞(图 2h)的变化趋势为波动中略有上升, 但最高值出现在1991年。约54%的监测年份汞的平均含量符合第一类海水水质标准(＜50 ng/L), 其余年份汞的平均含量符合第二类海水水质标准(＜200 ng/L)。

2.2 营养盐结构

营养盐结构是宏观上不同营养盐之间的组成比例, 即水体中氮、磷、硅的相对量。研究营养盐结构、探讨浮游植物初级生产过程中的营养盐限制因子对了解海洋生态环境起着重要的作用[13]。

近 30a来, 长江口海域丰水期 N/P比值范围为42.03～107.79, 均远大于 Redfield比值(一般为 16),N/P比值总体呈下降趋势(图3), 1987～2000年N/P比值总体高于 2000年以后。1997年丰水期达到最高,2001年为最低, 但也均超过40, N/P比值一直处于失衡状态。

Si/N(Redfield比值为 1)比值范围为 0.47～2.09,与 N/P变化趋势基本相同, 也呈现较明显下降趋势(图 4), 与硅酸盐含量持续降低和无机氮含量缓慢上升的趋势相关。崔彦萍等[14]研究也发现, 在三峡水库三期蓄水前后, Si/N由平均2.1下降为0.53, 其2010～2011年 3个季度的监测结果均低于 Redfield比值,主要与硅酸盐减少有很大关系。近10a来, Si/N总体仍处于较适宜的范围, 未来若无机氮仍持续上升,或硅酸盐持续下降, 则会出现硅限制。

图2 长江口海域各监测因子平均含量年际变化Fig.2 Monitoring factors'concentration variation trend in Changjiang estuary water

图3 长江口海域水质N/P比值的年际变化Fig .3 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

图4 长江口海域水质Si/N比值的年际变化Fig .4 The N/P ratio variation trend in Changjiang estuary water

2.3 生物生态状况

选择浮游植物、浮游动物指标表述长江口生态系统中生物生态要素的变化趋势。

2.3.1 浮游植物

自20世纪80年代起, 浮游植物密度年际变化波动较大。总体趋势呈现先下降后上升的特点。1984～2009年总体处于下降趋势, 2009年之后波动上升(图5)。近30a年来长江口区浮游植物群落结构不断演变,种类组成趋向简单, 种类个体数量分布不均匀, 少数优势种类(如中肋骨条藻)在环境条件合适时易大量增殖形成赤潮。群落结构中硅藻为浮游植物中主要类群, 数量上占绝对优势, 但多年来其所占比例呈缓慢下降趋势, 甲藻种类所占比例缓慢增加。叶属峰等[12]研究发现21世纪以来, 长江口及其邻近海域赤潮生物种由20世纪80年代、90年代以中肋骨条藻等硅藻类赤潮为主的趋势正在下降, 近岸赤潮生物逐渐由中型硅藻类向小型和微型甲藻类发展, 东海原甲藻、亚历山大藻等甲藻赤潮发生频率有所上升。2013年, 长江口及其邻近海域共发现7起赤潮,其中有6起为甲藻赤潮。甲藻赤潮中有5起赤潮生物优势种为东海原甲藻, 1起米氏凯伦藻[15]。

2.3.2 浮游动物

图5 长江口海域浮游植物种类数、硅藻和甲藻比例变化Fig.5 Phytoplankton species, the variation trend of diatoms and pfiesteria ratios in Changjiang estuary

图6 长江口海域浮游动物种类数和桡足类比例变化Fig.6 Zooplankton species and the variation trend of copepods ratio in Changjiang estuary

浮游动物种类、密度和生物量年际波动较大,1982～2014年, 浮游动物的种类数呈现先上升后下降的趋势, 2008年种类数达到了186种, 为历年最高,后逐渐下降。浮游动物群落结构相对稳定, 优势种以桡足类为主, 但桡足类的种类数所占百分比近年来呈现缓慢下降的趋势(图 6)。2004年, 桡足类占浮游动物种类数的50%, 2005、2006年分别降至46%和42%, 2007年降至30%以下, 2008年因种类数、生物量和密度均较大幅度升高, 桡足类比例也有所反弹, 2009年之后一直在较低水平波动。桡足类是一类小型的甲壳动物, 体长不超过3 mm, 隶属于节肢动物门、甲壳纲、桡足亚纲, 是浮游生物的主要组成类群之一, 种类丰富, 数量很大。桡足类具有很高的利用价值, 既可以作为鱼类的优质饵料, 所有鱼类的幼鱼都以桡足类为食, 在水域食物链中起着重要的作用； 又可作为环境监测的重要指示生物类群, 可用于海洋水文的监测, 海洋浮游桡足类中有些种类是海流或水团的指标。桡足类在浮游动物中所占百分比的降低, 显示浮游动物的群落结构正逐渐发生变化。

3 生态环境要素相关性分析

根据多年监测结果, 长江口及邻近海域水体中的 CODMn、铜、镉均符合第一类海水水质标准； 铅和汞符合第二类海水水质标准； 无机氮和活性磷酸盐含量较高, 大部分海域劣于第四类海水水质标准,水体富营养化程度较高, 营养盐结构失衡。生态系统趋于脆弱, 浮游生物群落结构处于不断变化状态,浮游植物多样性较差, 主要种类为硅藻, 其次为甲藻, 但甲藻种类组成比例呈现上升趋势, 硅藻种类组成处于下降状态； 浮游动物多样性尚好, 以桡足类为主, 但桡足类的组成比例也呈下降趋势。

根据水体环境因子及生态变化情况, 分析长江口海域海水中环境因子与长江入海径流输沙量,以及生态变化之间的相关性, 分析引起环境变化的原因。

3.1 入海径流泥沙变化及与营养盐、重金属含量的相关性分析

长江径流携带入海的大量泥沙在长江河口悬浮、沉积, 不但塑造了长江口各类岸滩地貌、潮间带地貌、水下地形等形态, 是长江河口水体自净能力的源泉, 也是维持整个长江口生态系统结构稳定的重要因素。分析长江口输沙量的长期变化趋势对分析长江口生态系统结构的稳定性具有重要意义。据统计[16], 上世纪 50年代至今, 长江径流总量呈现波动变化, 没有明显的变化趋势。1951～2000年, 长江平均输沙量为 4.33 亿t/a, 其中 20世纪 50～80年代的平均输沙量为4.68 亿t/a, 90年代则均值为3.52 亿t/a,减少了约25.0%(图7)。总体来看自1950至今长江输沙量呈明显的减低趋势。

讨论了长江径流 2002～2012年输沙量与营养盐含量的相关性(取 0.1置信水平, r＞0.582时, 表明检验的两者之间具有显著性相关性), 发现无机氮、磷酸盐与径流输沙量无显著相关, 无机氮与输沙量的相关系数 r=0.557, 为弱相关, 磷酸盐与输沙量的相关系数 r=0.152, 为不相关。与氮、磷表现不同, 输沙量与水体硅酸盐的含量呈现显著正相关(图 8), 相关系数 r=0.748, 即海域水体硅酸盐的减少与径流输沙量减少有关。表明硅酸盐、无机氮和磷酸盐在长江口海域有不同的来源, 硅酸盐主要与径流含沙量有关, 无机氮和活性磷酸盐的来源应与面源污染、排污以及海域的营养盐再生有关。余力华等[17]研究发现, 无机氮浓度的增加, 与农田无机氮肥施用和流失以及污水排放有关, 1962～1998年间无机氮肥使用量与长江大通站无机氮输送通量的变化趋势一致。

统计重金属(铜、铅、镉、总汞)与径流输沙量的相关性, 发现铜、铅、镉和总汞的相关系数r分别为0.447、0.026、0.083和-0.356。结果表明, 海域水体中铜的含量与输沙量具有弱相关性, 部分铜来源于地表径流；铅与镉的含量与输沙量无相关性； 总汞与输沙量呈现一定的负相关性, 即输沙量减少, 海域总汞含量有一定上升, 可能与悬浮泥沙减少, 水体自净能力减弱有关。

3.2 硅酸盐含量与浮游植物种类组成的相关性分析

图7 长江(大通站)多年径流量与输沙量Fig.7 The flow and sediment discharge to Changjiang estuary

图8 长江口海域水体硅酸盐含量与径流输沙量相关性分析Fig.8 The relativity between silicate and discharge of landslide in Changjiang estuary water

图9 长江口海域水体硅酸盐含量与硅藻比例的相关性分析Fig.9 The relativity between silicate and diatoms in Changjiang estuary water

讨论了水体硅酸盐含量与硅藻所占浮游植物百分比的相关性(取 0.1置信水平, r＞0.582时, 表明检验的两者之间具有显著性相关性), 发现硅酸盐含量的变化对硅藻的种类组成比例有一定的影响(图 9),硅酸盐含量与硅藻比例的相关系数 r=0.639, 具有显著相关性, 即硅藻在浮游植物中所占比例的减少,与海域硅酸盐含量下降有一定的关系。孙凌等[18]研究了在围隔水体中硅对富营养化水体浮游藻类群落生长及演替的影响, 结果表明, 随着硅酸盐浓度的增加, 硅藻的生物量提高, 其种类所占比例明显增加。杨东方等[19]研究表明, Si的限制会使浮游植物的藻类结构从硅藻类转为非硅藻类； 在氮、磷过剩与硅缺少的环境下, 改变了水体中营养盐结构, 改变了食物链基础。多年监测发现, 长江口海域赤潮以硅藻赤潮为主逐渐过渡到以甲藻赤潮为主也进一步验证了这一相关性。

4 小结

根据历年监测结果, 近30a来, 长江口海域无机氮和活性磷酸盐含量不断升高, 由20世纪80年代的一类水体逐渐变成劣四类水体。受水体含沙量下降的影响, 海域硅酸盐含量明显下降。水体中营养盐比例发生变化。CODMn含量和重金属(铜、铅、镉、汞)总体稳定, 在一定范围内上下波动。近30a来长江口区域浮游植物群落结构不稳定, 硅藻比例有所下降,甲藻比例逐渐上升。浮游动物密度和生物量年际波动较大, 群落结构相对比较稳定, 但其结构也趋向简单化, 优势种以桡足类为主, 但桡足类的组成比例有下降趋势。

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