胶州湾营养盐的长期变化及其生态效应

徐菡悦,王保栋*,辛 明,孙 霞,王宗兴,陈 衎,谢琳萍,林春野

(1.自然资源部 第一海洋研究所海洋生态研究中心,山东 青岛266061;2.自然资源部 海洋生态环境与工程重点实验室,山东 青岛266061;3.北京师范大学 环境学院,北京100875)

胶州湾位于黄海西部的山东半岛南岸(120°04'～120°23'E,35°58'～36°18'N),面积约370.6 km2,平均水深7 m,是一个被高度城市化环绕的半封闭海湾[1]。入湾河流包括大沽河、海泊河、李村河、楼山河、白沙河、墨水河等。近年来入湾河流径流量明显下降,以大沽河为例,2007年大沽河的年均径流量为7.9亿m3,至2017年已降至1.79亿m3[2]。河流径流量的下降和河流硬化改造工程与营养盐浓度的变化密不可分[1]。随着环胶州湾区域经济社会的快速发展,入湾陆源排污量(工农业废水和城市生活污水)及海水养殖废水排放量等迅速增加,胶州湾承受了巨大的环境压力,进而引发了一系列生态环境效应,其中富营养化是胶州湾主要的生态环境问题之一。20世纪60年代至20世纪90年代胶州湾溶解无机氮(DIN)的年均浓度增加约7倍,溶解无机磷(DIP)的年均浓度增加约3倍[3];自20世纪90年代至21世纪初胶州湾营养盐的年均浓度增速放缓[4]。有研究结果表明20世纪90年代至21世纪初胶州湾富营养化程度持续加重[5-7]。近十几年,青岛市市政府加大了对胶州湾的保护力度,胶州湾水质状况有所改善,目前胶州湾水质状况总体呈稳中向好的趋势[8]。

我们基于2018—2019年现场调查资料及历史资料,分析总结了改革开放40 a来胶州湾营养盐的历史变化趋势及其生态效应,以期深化对胶州湾营养状况演变进程的认识,为制定胶州湾生态环境保护政策和措施提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 现场调查

2018-04,2018-08,2018-10和2019-01对胶州湾进行了现场调查(站位布设见图1)。营养盐、Chla、浮游动物的采样、保存及测定方法均按照《海洋监测规范》[9]执行。采用连续流动分析仪(德国SEAL 公司生产Qu AAtro39型)进行营养盐浓度的测量,溶解无机氮(DIN)浓度为水体中溶解态亚硝酸氮、硝酸氮以及氨氮三者浓度之和。Chla样品按《海洋调查规范》规定的萃取荧光法[10],用荧光光度计(美国Turner Designs公司生产10-AU 型)进行测定,计算Chla质量浓度。

图1 胶州湾调查站位( )Fig.1 The map of Jiaozhou Bay showing survey stations( )

1.2 历史资料来源

胶州湾的历史资料甚多,我们选取具有高空间覆盖率(＞80%)、高时间频率(营养盐每年至少包含3个季节航次,Chla和浮游动物生物量每年至少包括2个季节航次)的数据(表1)。赤潮数据从文献[11]及海洋环境质量公报[8]中获得,化肥施用量及工业废水排放量从青岛统计年鉴[2]中获得。胶州湾的各项参数年均变化趋势则用Origin软件[12]计算的五年移动平均趋势线来表示。

为了保证营养盐数据的可比性,分别用手工法和Qu AAtro 39型连续流动分析仪对2018年航次的营养盐样品进行测定,测定值均在系统误差允许范围内,Q检验显示在a=0.01的显著性水平下,2个方法不存在系统误差。

表1 胶州湾营养盐及生物因子数据来源Table 1 Data sources of nutrients and biological variables in the Jiaozhou Bay

2 结果与讨论

2.1 2018—2019年胶州湾营养盐浓度及分布特征

2018—2019年胶州湾现场调查的数据中胶州湾表层海水中溶解态营养盐的含量及空间分布特点表明胶州湾表层海水春季cDIN范围为2.500～12.360μmol L-1,均值为5.430μmol L-1,cDIP范围为0.065～0.970 μmol L-1,均值为0.260μmol L-1;夏季cDIN范围为2.140～13.860μmol L-1,均值为4.070μmol L-1,cDIP范围为0.130～2.000μmol L-1,均值为0.170μmol L-1;秋季cDIN范围为9.680～43.210μmol L-1,均值为25.360μmol L-1,cDIP范围为0.450～2.000μmol L-1,均值为0.970μmol L-1;冬季cDIN范围为1.070～13.980μmol L-1,均值为6.000μmol L-1;cDIP范围为0.130～0.420μmol L-1,均值为0.260 μmol L-1;胶州湾表层海水中营养盐的空间分布特征(以cDIN为例见图2)较为相似,高值点多出现在东北部的Q17站位、西部的Q2站位,低值点多出现在湾口Q14,Q18,Q19站位。具体分布特征:1)湾东北部为营养盐最高值区,湾北部和西部次之,湾口区最低;2)营养盐浓度等值线均分别从湾东北部、北部和西部向湾中央及湾口递减。主要原因是陆源输入与胶州湾内环流共同控制:陆源输入的主要来源为径流输入,湾东北部河流众多,且河流下游多为工业废水及城市生活污水的主要排污通道[4],而湾西北部有径流量最大的大沽河汇入,因此营养盐浓度较高,此外沿岸排污及沿海养殖区的排放也是导致湾东北和西部营养盐浓度较高的重要陆源输入;胶州湾北部大部分海域存在多个环流场且流速均小于10 cm s-1,污染物难以扩散,自净能力较弱[19];而湾口及湾中央营养盐浓度较低,则是湾内与湾外较低营养盐水交换的结果。

图2 2018—2019年胶州湾表层DIN 浓度(μmol L-1)平面分布Fig.2 Horizontal distributions of DIN concentration(μmol L-1)in the surface water of Jiaozhou Bay in 2018—2019

2.2 近40 a营养盐的季节变化

分析表明近40 a胶州湾营养盐浓度的季节变化较大,且不同年份季节变化规律不尽相同(图3)。冬、春季胶州湾营养盐浓度的年际变化幅度较小,而夏、秋季则变化幅度较大。夏、秋季出现营养盐浓度高值的频率较高,冬、春季节则相反,这可能是陆源输入量和浮游植物生长的季节变化所致。冬、春季降雨量较少,营养盐随淡水的输入量相应较小,同时冬末春初正值浮游植物生长发育的高峰期,浮游植物的生长消耗水体中大量的营养盐[14],从而导致冬、春季胶州湾内营养盐含量较低;夏季降水量最大,陆源输入带来丰富的营养盐,尽管夏季(8月)浮游植物的数量较多,但陆源输入量可能远高于浮游植物消耗,因此夏季营养盐出现高值的概率较高;秋季胶州湾浮游植物生物量一般处于低谷期,湾内营养盐浓度延续了夏季的高值。胶州湾DIP的季节变化特征与DIN 的基本一致,在此不再赘述。

图3 近40 a胶州湾表层DIN 浓度季节变化图Fig.3 Seasonal variations of DIN concentration in the surface water of Jiaozhou Bay in the past 40 years

2.3 营养盐浓度及其结构的长期变化

近40 a来胶州湾海水中营养盐年均浓度的变化,大致以2008年为分界节点,总体呈现出先上升后下降的变化趋势,但不同营养盐略有差异(图4)。胶州湾cDIN由20世纪80年代初期的4μmol L-1快速增大到2008年的30μmol L-1,增加了6.4倍;cDIN自2008年至今呈波动下降趋势,尤其是2015年之后下降速率加快,目前cDIN已降至10μmol L-1左右,略高于国家一类海水水质标准[20]。

图4 近40 a来胶州湾营养盐年均浓度的变化(图中趋势线为五年移动平均趋势线)Fig.4 The changes of annual mean concentrations of nutrients in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

DIP变化趋势与DIN 有所不同,其变化大致可分为3个阶段:第1阶段为波动下降期,自20世纪80年代初期至20世纪90年代末期cDIP呈波动下降趋势,但下降幅度较小;第2阶段为自20世纪90年代末期到2015年的快速增长期,cDIP从0.4μmol L-1大幅度增加至1.4μmol L-1,不到10 a的时间内增加了2.5倍;第3 阶段为快速下降期,其时间节点与DIN相同,cDIP呈现出大幅下降的趋势,目前cDIP已降至0.2μmol L-1,基本符合国家一类海水水质标准[20]。胶州湾cDSi在2000 年以前略呈下降趋势,与同期DIP的变化趋势相似。2000 年后,胶州湾cDSi的变化趋势与DIN 和DIP大致相似。

图5 近40 a胶州湾营养盐比值变化图(图中趋势线为五年移动平均趋势线)Fig.5 The changes of nutrients ratio in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

各种营养盐浓度的不同步变化导致胶州湾营养盐比值的巨大变化。近40 a来胶州湾N/P比值总体呈上升趋势(图5),其变化可分为3个阶段。第1阶段为20世纪80年代初期到20世纪90年代末,N/P 比值呈波动上升趋势,从20世纪80年代初的8左右增大到20世纪90年代末的35,20 a间增加了3.4倍;第2阶段为2000—2010年,N/P比值呈现下降趋势,主要是由于这10 a胶州湾DIP较DIN 浓度增速更大。2010年以来胶州湾N/P比值快速增加,目前在80左右波动,已达Redfield比值的5倍之高。胶州湾Si/P比值,2010年以前基本保持在10上下波动,2010年以来则呈快速上升趋势,目前维持在40左右,已远超Redfield比值。Si/N 比值20世纪90年代中期至21世纪初期一直维持在0.3左右波动,近10 a则在0.5左右波动,较之前略有升高,但一直远低于Redfield比值。

2.4 与营养盐相关的生物因子的年均变化

Chla的含量是评价浮游植物生物量和动态变化的主要指标[21]。自20世纪80年代至今的30 a间,胶州湾Chla质量浓度基本围绕在3μg L-1波动,最低值出现在2006年,高值出现在1997,1998,2008年,没有明显的升高或者降低的趋势(图6)。2010年左右胶州湾Chla浓度较前30 a略高,但此后则呈下降趋势。胶州湾浮游动物生物量,在1995年以前在100 mg m-3上下波动,但在2000年左右快速上升,峰值超过400 mg m-3,比1995年以前增加约3倍[18],目前胶州湾浮游动物平均生物量保持在350 mg m-3左右。

对近40 a来胶州湾内赤潮进行统计分析表明,1990—2000年胶州湾海域赤潮发生频次为9次,2001—2010年为7次,但2010年以来胶州湾内未发生赤潮事件[8]。

图6 近40 a胶州湾Chl a 和浮游动物生物量年均变化(图中趋势线为五年移动平均趋势线)Fig.6 The changes of annual mean chlorophyll a and zooplankton biomass in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

3 讨 论

3.1 影响胶州湾营养盐长期变化的因素

对历史资料与现场调查数据的分析表明,近40 a来胶州湾营养盐的水平和结构都发生了显著变化,主要营养盐浓度整体呈现出先上升后下降的趋势,营养盐比值基本也呈不断上升的趋势。作为一个被高度城市化环绕的海湾,胶州湾营养盐的变化与人类活动密切相关。我们认为导致胶州湾营养盐变化的原因主要有2个方面:1)入海营养盐排放量的变化;2)围填海活动导致胶州湾的面积变化所造成的自净能力的变化。

研究表明胶州湾DIN 和DIP 排海总量以陆源为主,占比可高达93%和98%;大气沉降分别占6%和1%,海水养殖废水排放仅占1%～2%[4]。对胶州湾陆源排海通量进行分析发现,从20世纪80年代初胶州湾DIP和DIN 的陆源入海通量呈不断增加的趋势,DIN 的陆源入海通量在2009年前后达到峰值12 701.6 t/a,之后呈下降趋势;DIP的入海通量在2005年前后达到峰值740 t a-1之后,呈下降趋势[4,22-24]。胶州湾DIP和DIN 的入海通量的变化趋势与胶州湾营养盐变化趋势基本一致,因此认为DIN 和DIP入海通量的变化是导致胶州湾氮磷营养盐浓度变化的主要原因。DIN 和DIP入海通量的变化主要是受陆源输入量变化影响。河流是胶州湾营养盐陆源输入的主要途径,在汇入胶州湾的众多河流中,除了大沽河外,其他河流已无基本径流[4]。20世纪80年代大沽河的年均径流量为5.26亿m3;20世纪90年代略有下降,约为4.08亿m3;2007—2008年大沽河的年均径流量较高,达7亿m3;此后大沽河的年均径流量总体呈下降趋势,2016年大沽河的年均径流量已降至0.8亿m3,与胶州湾DIP和DIN 入海通量的变化趋势基本一致[2]。据调查显示胶州湾陆源输入中排海工业废水量约占污水排海总量的10%,城市生活污水约占15%,农业污水约占75%[22]。随着青岛市城市化进程的加快,工业废水的排放量有明显的变化。20世纪80年代,青岛工业废水排放量年均值约为8 784×104t,20世纪90年代已增加到12 925×104t,21世纪以来青岛工业废水排放量持续增加[2];从2006年起青岛开始推进陆源污染物减排工作,2007年青岛市确立了“环湾保护,拥湾发展”的城市发展新战略,陆续实施了大规模河道综合整治,建设城镇污水处理厂。在多项环保措施的实施后青岛工业废水的排放量明显下降,截至2017年青岛工业废水排放量已降至5 613×104t[2]。农业废水中DIN 和DIP的贡献主要来自于化肥,青岛市的化肥施用量呈现先上升后下降的趋势。20世纪80年代青岛市农业化肥的施用量折纯后年均值约为16×104t,20世纪90年代已增加到288 450 t,到2007年达到峰值338 145 t,之后呈现明显下降趋势,到2017年已降至278 251 t[2]。由此可见工业废水排放量和农业化肥施用量可能是导致氮磷营养盐通量变化的重要原因。海洋中的硅酸盐主要来自河流,因此径流量的变化对Si的影响较大。研究表明胶州湾的硅酸盐浓度与降水量(图7)之间呈现很好的相关性[25],说明降水量和径流量是胶州湾硅酸盐浓度变化的主要控制因素。

图7 青岛年均降水量Fig.7 The changes of annual mean precipitation in Qingdao

围填海活动导致胶州湾的面积变化对其自净能力造成一定的影响,进而影响胶州湾营养盐浓度变化。从20世纪80年代的围建养殖池塘和港口开发、临港工业建设,导致胶州湾海域面积锐减。胶州湾的海域面积从1977年的423 km2降至本世纪初的367 km2,到2010年更是达到了历史低值,仅为346.3 km2,累计减小面积约占改革开放前胶州湾总面积的20%[26]。海域面积的缩小会导致胶州湾纳潮量的减少、并进而降低湾内外水体的交换率,从而降低了污染物的稀释扩散能力[27]。间接导致胶州湾营养盐浓度的增加。2010年以来,青岛市启动胶州湾海洋生态综合整治行动,严格规范用海项目,实施退池还海等措施[26]。截至2017年胶州湾的海域面积已恢复至370.6 km2[8]。胶州湾海域面积的恢复对此期间胶州湾营养盐浓度的下降有一定贡献。

3.2 胶州湾营养盐限制状况

营养盐比例的变化会影响浮游植物的种类组成和生长。对于浮游植物生长的营养盐限制的研究方法通常采用氮、磷、硅的浓度以及三者之间摩尔比值进行判断[28]。我们依据Justic等[29]提出的营养盐评价标准对胶州湾的营养盐限制状况进行判别,具体评价标准:当Si/P 比值＞22且DIN/P比值＞22时为“磷限制”;当Si/DIN 比值＞1且N/P比值＜10时为“氮限制”;当Si/P比值＜10且Si/DIN 比值＜1时为“硅限制”。

胶州湾20世纪80年代初期处于“氮限制”状态,1990—2000年则处于“硅限制”状态,2001—2008年则基本不存在营养盐限制;近10 a胶州湾处于“磷限制”状态。主要营养盐的不同步变化是导致胶州湾营养盐限制发生变化的主要原因。1990—2000年氮、磷营养盐浓度快速增加而硅酸盐浓度保持稳定,这是导致该时期胶州湾海域处于“硅限制”状态的主要原因;21世纪以来DIN 的增加幅度逐渐变缓,但DIP和DSi的增加更为显著,这就使得胶州湾营养盐比例严重失衡的问题得到一定缓解;2010年以来,胶州湾主要营养盐浓度都有所下降,但DIP浓度下降最为显著,因此胶州湾向潜在的“磷限制”状态转化。通过现场调查数据对当前胶州湾营养盐“磷限制”状况的季节变化进行分析,发现夏季“磷限制”状况最为显著。我们研究结果与其他学者对胶州湾营养盐限制状况的研究结果[4,14]基本一致。

3.3 胶州湾生物因子对营养盐变化的响应

2008年以前胶州湾表层Chla质量浓度并没有随着营养盐浓度的变化发生同样的变化。Wang B D 和Wang Z L[30]通过对1980—2007年胶州湾营养盐浓度及叶绿素质量浓度的长期变化及相关关系的分析发现,在此期间贝类的养殖可能是影响甚至控制胶州湾浮游植物生物量的重要原因。孙晓霞等[31]通过1984—2008年对胶州湾叶绿素和初级生产力的长期变化进行研究也认为胶州湾养殖贝类的滤食压力对控制胶州湾叶绿素长期变化应起到重要作用。

2013-04青岛市政府开展胶州湾非法网箱和筏式养殖设施的清理工作,截至2016年共恢复海域面积1 400公顷[8]。目前尚有一定面积的底播贝类养殖,但贝类滤食对胶州湾浮游植物生物量的控制作用也相应减小。由图6可知2013年以来胶州湾Chla质量浓度并没有增加,反而呈下降趋势,这一方面可能是由于近几年胶州湾DIP浓度大幅度减少,虽然DIP显著下降出现在2005年左右,但是2014年胶州湾DIP浓度才降至高峰期前水平,之后仍呈下降趋势,与Chla质量浓度下降时间基本一致,因此推测“磷限制”作用是导致胶州湾浮游植物生物量下降的重要原因;另一方面,浮游动物生物量的大幅度增加也加大了对浮游植物的摄食压力。有研究表明浮游动物摄食在赤潮生消过程中起相当重要的作用[32]。因此推测2010年以来胶州湾未发生赤潮事件可能是由营养盐浓度及浮游动植物共同控制的结果。

4 结 论

我们对2018—2019年现场调查数据与近40 a历史资料的分析表明,近40 a来胶州湾的营养盐发生了明显变化,整体呈现出先上升后下降的趋势。研究发现入海营养盐排放量的变化(尤其是陆源输入量的变化)和胶州湾海域面积的变化,可能是导致胶州湾营养盐浓度变化的主要原因。20世纪90年代胶州营养盐的结构由“氮限制”转变为“硅限制”,21世纪初期逐步转变为“磷限制”。不同营养盐的不同步变化是导致胶州湾营养盐限制发生变化的主要原因。胶州湾浮游植物生物量(以Chla计)并未像营养盐那样发生显著变化,分析表明贝类养殖是影响控制胶州湾浮游植物生物量的重要因素,而近年来Chla质量浓度的下降趋势可能是DIP浓度的减少和浮游动物生物量的大幅增加所致。总体来看,以20世纪10年代末期为拐点,胶州湾的富营养化状况已向好的方向发展。