黄河营养盐输送与河口近海生态健康研究进展

顾家伟

摘要：详细梳理了近年来黄河营养盐研究成果，总结来水来沙条件改变背景下营养盐输送规律以及与流域建坝的响应关系。结果表明：受黄河上中游植树造林、沿线引黄灌溉和大规模建坝活动影响，黄河入海水沙减少；受黄河流域人类活动影响，黄河N、P、Si营养盐输入发生了显著变化，主要表现为水体DIN逐渐升高，而DIP、DSi含量保持在较低水平，导致入海营养盐比例DIN/DIP和DIN/DSi显著升高，部分水体出现磷限制，从而进一步诱发了河口藻类生态结构改变和赤潮爆发，海洋初级生产力受到限制，并威胁渤海产鱼量。在此基础上提出今后研究应特别关注的领域为：小浪底水库营养盐蓄积与输送研究、新背景下河口近海营养盐扩散规律研究和河口近海生态响应研究。

关键词：营养盐；生态环境；水沙输送；黄河

中图分类号：TV882.1； TV213.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.017

世界大河是陆源物质与能量输移至海洋系统的重要传送带川，据估计全球河流每年由此进入海洋的陆源物质约为200亿t，其中营养盐（N、P、Si）、陆源无机碎屑和有机质等是维持海洋生态系统的重要物质基础。然而，这种自然的陆—海物质传送带很容易受到日益加剧的人类活动的影响，特别是易受到人为排放污染物和大型水利设施建设的干扰，其中流域建坝导致的入海输沙量减少和营养物质结构的改变，已经对下游河口地区及邻近海域生态环境产生了显著负面影响。

黄河是我国第二大河，目前全流域修建了186座大中型水库，总库容约为633亿m3，2001年小浪底水库建成后，人为调水调沙使得原有水沙条件发生改变，对下游河口三角洲及渤海的水文地貌、生态效应影响深远。另外，自20世纪中叶以来，黄河流域人口激增，人类活动导致N、P等营养盐排放增加，由此诱发的河口和邻近海域一系列生态环境问题引起了相关学者的广泛关注。近10a来，相关研究积累了众多文献资料，内容涉及黄河水沙、黄河三角洲、河口和渤海海域生态响应等。鉴于此，笔者详细梳理了近年来黄河营养盐研究成果，总结了来水来沙条件改变背景下营养盐输送规律以及与流域建坝的响应关系，并在此基础上提出今后研究应特别关注的领域。

1 黄河水沙和营养盐输送

1.1 近50a来黄河水沙输送规律

自20世纪60年代开始，黄河年入海泥沙量从最高的20亿t，逐渐降至2亿t。2001年小浪底水库建成后，人为调水调沙使得入海泥沙有一定恢复，目前大致维持在0.3亿t/a。与此同时，黄河入海水量减少，两者构成了较好的线性关系。受上游来水减少影响，20世纪70年代黄河下游开始出现断流现象，进入90年代，黄河断流愈演愈烈，整个90年代利津站以下断流天数累计897d，有的年份断流天数甚至占全年的一半以上，这直接导致了90年代入海水量和沙量只有20世纪50年代的27.4%和31.9%。2001-2002年黄河入海年径流量仅维持在42亿m3左右，2001年后随着调水调沙工作的开展，下游断流现象消失，入海径流量有所回升，2015年恢复到150亿m3，但仍远远低于20世纪70年代的高峰期。

黄河入海水沙的减少除了与上中游植树造林和沿线引黄灌溉有一定关系外，还与流域兴起的大规模建坝活动有关。研究表明，黄河泥沙主要产自中上游（其产沙量占黄河泥沙总量>90%），其流经黄土高原后，才真正成为“黄”河。然而，受上中游水库建设、水土保持、引水引沙等影响，黄河进入下游的水沙量逐年减少。其中，上游的刘家峡和龙羊峡水库，平均每年分别截留泥沙0.53亿、0.16亿t，影响有限，而位于中游下段的三门峡和小浪底水库平均每年分别截留泥沙1.45亿t （1960-2007年）、2.23亿t（2000-2009年），这使得进入下游的泥沙量进一步减少。虽然小浪底水库每年调水调沙（蓄清排浊，调水调沙期间输沙量占入海泥沙总量的50%），但是人造洪峰输沙杯水车薪，下游河道出现轻微冲刷现象，入海泥沙出现粗化趋势。

1.2 黄河营养盐输送与流域建坝

黄河流域营养盐包括自然来源（流域岩石风化与侵蚀、大气干湿沉降）和人为来源（化肥施用、污水排放、含磷洗涤剂等）两部分，且后者的贡献远大于前者的。黄河流域人口超过1亿人，面对粮食压力，自20世纪70年代开始化肥施用量大幅增加，导致N、P输入量猛增，其中中游地区（如关中平原等）作为重要的粮食产区是黄河流域最重要的营养盐输入源区。

1980-2012年，黄河下游水体DIN（溶解无机氮）浓度较高，其中2000年以前呈显著上升趋势，其后保持在一个相对较高的水平上，见图1（a）。黄河水体中DIN以NO3-为主（占95%以上），NO2-和NH4+浓度较低，对DIN的贡献率不足3%，DIN浓度沿程增加趋势明显。研究发现黄河N通量与流域人口成正比关系，（见图1（d）），与氮肥的施用量成较好的线性关系（见图1（e）），这也表明，迫于生存压力，人类活动输入（农业活动和工业污水排放等）是黄河水体中N的主要来源。1990-2005年黄河流域污水排放量从32.60亿m3/a增至43.53亿m3/a，大约增长了33.5%，其中工业废水31.99亿m3，占73.5%左右。

与N不同，黄河水体DIP（溶解无机磷）浓度在20世纪80年代较高，随后开始有所降低，虽然幅度并不大，但下降趋势明显，见图1（b）。按常理，20世纪70年代黄河流域农业生产开始施用磷肥，同时入海水量逐渐下降，水体中的DIP浓度升高才符合预期。这种推理在其他很多世界大河都得到了驗证，例如长江、尼罗河等，但是黄河水体中DIP浓度却小幅下降，并基本维持在相对较低的水平上。导致这种现象的原因与黄河水体P的赋存形态以及黄河独特的水文特征有很大关系。黄河水体中P主要以磷酸盐形式存在，包括PP（颗粒态，占总磷比重>85%）、DIP（溶解无机态）和DOP（溶解有机态），后两者所占比例较小。水体中的P主要吸附于泥沙颗粒（见图1（f）），而黄河含沙量高，吸附能力强，虽然人类活动输人了一部分P，但其大部分被泥沙吸附并以固态形式存在，从而水体中的DIP浓度长期保持在较低水平。Fan H.等研究表明，枯水季水体中DIN浓度较高，而洪水季DIP浓度较高，主要原因可能是，枯水季水量少，DIN浓度相对升高，而洪水季流域侵蚀强，磷酸盐输入较多。

黄河水体中DSi（溶解硅）浓度在20世纪80年代较高（约为400μmol/L），进入90年代开始下降，不足历史同期水平的一半，2000年以后维持在一个相对稳定的水平上，见图1（c）。总体上看，近30a来黄河DSi浓度的下降趋势十分明显。在世界范围内，近几十年来大河入海DSi浓度降低的案例并不少见，多数学者将其归因于流域筑坝导致的滞留作用（水体中颗粒物对DSi的吸附作用很小，除生物利用外不易转化，但水库藻类繁殖与死亡可以对DSi产生吸收和蓄积作用）。例如，多瑙河铁门大坝建成后，黑海DSi入海通量减少了近80%；1970年埃及阿斯旺大坝建成后，尼罗河下游DSi浓度降低了200μmol/L，入海通量减少了95%。与N、P不同，流域人类活动（农业活动和污水排放等）在很大程度上弥补水库对N、P营养盐的滞留，而Si主要来源于土壤及基岩中硅酸盐和铝硅酸盐的化学风化，其在河流系统中的浓度主要由流域风化强度控制。另外，黄河泥沙主要产自上中游，近几十年黄河流域累计库容逐渐增加，不可否认流域建坝对黄河入海S1的拦截效应是存在的，但其效果可能受到一定限制，主要原因是黄河水体混浊，透明度低，在很大程度上限制了藻类生长，水库对DSi的滞留作用相对有限。笔者认为更重要的原因是，近些年黄河流域降水减少以及水土保持工程减弱了流域侵蚀强度，从而减少了Si的跨区域输送。马永星等研究表明，自1986年后黄河泥沙的减少导致河流DSi浓度降低了34%。

总体上，N、P、Si营养盐的来源和人类活动（水土保持、流域建坝等）是影响其最终入海通量的两大因素，而N、P、Si在黄河中的赋存形态存在很大差异，因此流域建坝对各营养盐的拦截效应表现不同。黄河水体中N主要来自于流域污染物排放，赋存形态以溶解态为主，水库拦截效应有限，近30a来DIN浓度逐渐增高；P虽然部分来自污染物排放，但主要吸附于泥沙颗粒上，DIP浓度长期保持在较低水平；Si基本来源于自然源，人类建坝对其有一定影响，但主要受控于流域侵蚀。总之，黄河水体中的N主要来源于人类活动排放，而P、Si主要受流域泥沙侵蚀强度控制，这也是近30a来水体中N浓度逐渐升高，而P、Si浓度下降的主要原因。

2 黄河入海营养盐与河口生态健康

2.1 黄河营养盐比值变化

近30a来，黄河N、P和Si输入差异导致黄河下游水体营养盐比值出现很大变化，突出表现为逐渐升高的DIN/DIP和DIN/DSi，见图2。由于黄河下游DIN浓度显著升高而DIP变化不大，因此黄河下游DIN/DIP比值呈持续增长趋势，由20世纪80年代初的600左右增大至2004年的1417。DIN浓度的升高，也导致了DIN/DSi持续走高。王婷研究表明，Si/N由1985年的2.45下降至2004年的0.41，仅为原来的1/6。黄河流域20世纪八九十年代N的增加量高达10.1万t，氮肥输入量的大幅增加是下游营养盐比值变化的主要原因。此外，在季节变化上，Fan H.等研究显示，枯水季水体中DIN浓度较高，而洪水季水体中DIP浓度较高，这也导致枯水季水体中DIN/DIP比值更高。另外，由于近30a来P、Si均保持下降趋势，因此DSi/DIP比值变化不明显，见图2（c）。

2.2 营养盐失衡与河口近海生态健康

河口近海营养盐结构的平衡对于浮游植物的生长、物种组成及生态系统健康与稳定非常重要。浮游植物生长的最适营养元素摩尔比（Redfield值）N：P：Si为16：1：16，偏离该比值将会限制浮游植物的初级生产力，从而改变浮游植物的组成结构，威胁海洋生态健康。

黄河是渤海最大的入海河流，每年向渤海输送大量营养盐。然而，近30a来黄河入海营养盐输入比例发生了显著变化，表现为N：P和N：Si逐渐升高，已经明显超过国内外营养盐限制标准。Zhang Z.F.等研究表明，2004-2009年渤海的N：P超过Red-field值的3～5倍，磷限制十分显著，这可能对黄河口的生态环境和近海藻类生物繁殖产生严重的负面影响。

渤海作为一个半封闭性海区，水深较浅，光照足，和外海水体交换受到一定限制，黄河水量和沙量分别占入渤海总水量和沙量的60%和90%，因此渤海更容易受到黄河营养盐比例失衡导致的海洋富營养化等威胁。从1933年渤海第一次有害藻类爆发至2005年，渤海海区的赤潮发生频率逐渐增大，范围也在逐渐扩大。Wu Z.X.等对1999-2009年渤海赤潮的统计分析发现，赤潮主要发生在黄河入海口和天津港海区，共鉴别出13种藻类，其中以球形棕囊藻（P.glo-bosa）为主。Wu Z.X.等研究还发现，有毒藻类在2003-2006年频繁出现，较几十年前的藻类毒性更强。Cao C.H.等发现了一些新的藻类，这些藻类在20世纪80年代没有出现过，其中很多是有毒藻类。例如，和大量出现的P.globosa不同，泰晤士旋鞘藻（Eucampia zodiacus）在2007年之前从来没有在渤海被发现过，这种藻类第一次在2007年11月被发现，其细胞较其他藻类（如圆筛藻Coscinodiscus sp.）小，因此可以在早冬时节受“光限制”的渤海水体中吸收更多阳光和营养物质。

渤海赤潮发生频率在2005年之后呈下降趋势，这主要与水体浊度、悬沙中黏土含量、水体中磷含量有关。水体浊度通过影响光的透射率进而影响藻类繁殖，2000年8月渤海的表层和底层悬沙含量分别为3～9mg/L和10～20mg/L，2006年8月则分别增加到了20～50mg/L和100～200mg/L。悬沙中黏土（含量45%～55%）通过絮凝作用，促使藻类沉降。渤海的磷限制也在一定程度上抑制了藻类爆发。然而，值得注意的是，虽然赤潮发生频率有所下降，但范围仍然在扩大。据统计，2006-2009年赤潮范围从2400km2增加到了4700km2。如此次数少但规模大的赤潮事件的爆发，强烈地消耗了大部分渤海营养盐，同时也降低了小规模赤潮发生的可能性。

2.3 生产力下降与渤海产鱼量减少

河流输入营养盐变化将直接影响河口和近海的初级生产力。Fan H.等研究显示，1984年黄河口叶绿素含量和初级生产力分别为3.56mg/m3和358mgC/（m2·d），在南部黄河支流入海处（神仙沟）分别为4.4mg/m，和498mgC/（m2·d），然而1998年叶绿素和初级生产力分别下降到2.8mg/m3和274mgC/（m2·d）。就整个渤海而言，叶绿素含量和初级生产力分别从1982-1983年的1.05mg/m3和312mgC/（m2·d），下降到了1992-1993年的0.61mg/m3和216mgC/（m2·d）。

海洋初级生产力下降直接影响生物种群的数量与结构。渤海鱼类种数从20世纪50年代的146种下降到了80年代的119种，进而下降到90年代的73种。此外，20世纪90年代的鱼类种群数量、密度和生物量分别较80年代下降38.7%、35.5%和46.0%。1998年莱州湾的捕鱼量仅为1959年的3.3%、1982年的7.3%和1993年的11.0%。就整个渤海看，单网捕鱼量从1959年的93kg下降到1982年的85.2kg，虽然在1992年有所恢复（104.3kg），但是至1998年下降到了3.7kg。此外，渤海也是重要的虾类繁殖基地。20世纪60年代至90年代，渤海捕虾量变化很大。其中，1973-1981年捕虾量较大，而1991-1998年捕虾量最小，这主要与70年代的过度捕捞、黄河营养盐输入比例失衡以及90年代黄河断流密切相关门

3 黄河营养盐研究展望

黄河流域人类活动日益加剧（拦河建坝、污水排放等），对流域水环境以及河口近海生态系统的平衡有着复杂而深远的影响。如何合理开发河流资源，更好地为流域经济社会发展和生态环境保护提供智力支撑，是环境工作者的责任。诚然，前人已经做了大量的研究工作，取得了很多成果，但是，为进一步深化对黄河流域人类活动以及河口环境响应机制的认识，笔者认为今后黄河营养盐研究可以重点关注以下几个方面。

（1）小浪底水库营养盐蓄积与输送研究。大坝拦截形成了阻断河流连续性的物理障碍，水库在水深、水动力条件、水体滞留时间、水团混合方式等方面，与自然河流状态相比发生了根本变化，而人为的调蓄则使水库的水量、泥沙、物质输送方式更加复杂化。因此，一定要弄清小浪底水库的蓄积效应，特别是N、P和Si在水库中沉积与转化以及与水沙的吸附和解吸关系。另外，水库实际上是一个类似人工湖泊的生态环境，这些营养盐会被水库藻类吸收与固化，而水体的滞留时间与水库运行模式又会影响藻类对营养盐的吸收效率，因此弄清这其中的生物地球化学机制尤为重要。

2002年至今已连续实施逾10a的黄河调水调沙对营养盐物质输送影响如何？已有研究表明，调水调沙已经改变了黄河营养盐输送的原有季节性规律（7-9月洪水季输送），变为更为平均的“月”输送，并且输送高峰较以前提早了2个月，输送量增加8～30倍。调水调沙不仅增加了营养盐输送量，而且可能会进一步加大渤海的营养盐不平衡态势。今后應加强这方面的研究，特别是监测调水调沙后渤海海域浮游生物生产力和组成结构的变化。

（2）新背景下河口近海营养盐扩散规律研究。人类活动与流域建坝改变了入海物质通量，河口近海的水体性质（温度、浊度、盐度、pH值等）可能随之发生变化。野外观测已经发现，渤海表层水温每年升高0.011～0.015℃，河口区舌状低盐区范围（盐度<2.20%）明显萎缩。渤海水体性质改变背景下，入海营养盐分布以及向邻近海域扩散方式会怎样变化？特别是通过渤海湾向黄海沿岸扩散如何响应？这些问题亟待解答。另外，营养盐赋存形式多样，并不是都能被藻类生物直接吸收，今后应重点监测与初级生产力密切相关的溶解无机态营养盐（即DIN、DIP、DSi）的分布与输送的变化规律。

（3）河口近海生态响应研究。黄河入海营养盐比例失衡，河口近海出现营养盐限制进而诱发赤潮等生态危机。赤潮爆发影响深远，有毒藻类中的毒素会在鱼类和贝类中蓄积，进而通过食物链传递到人体中，严重威胁近海鱼类和人体健康。因此加强近海藻类种群、数量和结构的变化监测，对维持河口一海洋生态系统健康和保障近海鱼类生产安全更具有现实意义。另外，在水产养殖区布局时，也应尽量远离有毒藻类爆发区。