河北省近岸海域氮磷变化及其影响因素分析

赵 乐,韩丽君,刘兰红,魏 君,韩 雪,赵 峥,蓝文陆

1.河北省生态环境监测中心,河北 石家庄 050030

2.广西海洋环境监测中心站,广西 北海 536000

河口-近海系统位于沿海经济带,是海陆相互作用最为活跃、对流域自然变化和人类活动响应最为敏感、与近岸环境变化联系最为密切的区域。近几十年来,随着工农业的发展,近海生态系统受到人为活动的影响日益显著[1-5]。 陆源中的氮和磷通过河流输入、入海排污、大气沉降等多种途径进入海洋,通过改变海水中营养盐的含量和结构,促进或抑制着浮游植物的生长和繁殖,进而影响到海区生态系统的稳定[6-10]。 近年来,为推进近岸海域污染防治和打好渤海综合治理攻坚战,通过加强陆域污染控制与治理、实施海洋污染源清理与整治等举措,河北省近岸海域海水主要污染物氮磷浓度下降明显,水质呈现好转趋势,但仍存在反弹风险。 关注河北省近岸海域海水中氮和磷的变化趋势及影响因素,不仅可以反映出陆源污染治理的进展和成效,亦可指征海域生态环境状况演变趋势。

本文通过统计分析2011—2018 年河北省近岸海域海水中的氮磷含量、水质富营养化状况变化趋势,结合入海河流、降水常规监测数据,分析海水中氮磷变化趋势与陆源污染治理举措的响应机制,以期为近岸海域污染防治和渤海综合治理提供基础资料和理论参考。

1 实验方法

1.1 研究区域与点位布设

研究区域为河北省近岸海域,所布设点位包含13 个海水水质监测点位、12 个主要河流入海监测断面、6 个沿海三市(秦皇岛、唐山、沧州)降水监测点位。 研究区域及点位设置如图1所示。

图1 研究区域及点位设置示意图Fig.1 Study area and sampling stations

1.2 样品采集与分析

1.3 数据处理与分析

1.3.1 水质富营养化状况评价方法

按照《近岸海域环境监测规范》[14](HJ 442—2008)对海水水质富营养化状况进行评价。 富营养化指数的计算公式如下:

式中:E 为富营养化指数,无量纲;COD 为化学需氧量,mg/L;DIP 为活性磷酸盐,mg/L;DIN 为无机氮,mg/L。 水质富营养化等级划分见表1。

表1 水质富营养化等级划分Table 1 Water quality eutrophication grade classification

1.3.2 降水中氮磷浓度的计算

降水中氮和磷的平均浓度计算公式如下:

式中:n 为降水次数;i 为某次降水事件;C 为营养盐的浓度,μmol/L;CVWM为降水量加权平均浓度,μmol/L;Q 为降水量,mm。

2 实验结果

2.1 海水氮磷浓度的年际变化

河北省近岸海域海水中的首要污染物是DIN,其次是DIP。 海水中DIN 和DIP 平均浓度的年际变化趋势如图2 所示。 从图2 可以看出,河北省近岸海域海水中DIN 的平均浓度在2011—2014 年、2015—2017 年呈阶段性上升趋势,2018 年大幅下降。 其中:沧州市近岸海域海水DIN 浓度水平远高于秦皇岛市和唐山市,大部分年份的均值均高于第二类海水水质标准限值(0.30 mg/L),对河北省近岸海域海水DIN 浓度均值和变化趋势的贡献最大;秦皇岛市和唐山市近岸海域海水DIN 浓度水平大致相当,历年均值均低于第一类海水水质标准限值(0.20 mg/L),自2014 年起基本保持逐年下降趋势。

河北省近岸海域海水中DIP 的平均浓度在2011—2013 年无明显变化,2014 年突然升高,随后开始逐年下降。 沿海三市海水中DIP 的浓度水平大致相当,历年均值均低于第二类海水水质标准限值(0.030 mg/L)。 除沧州市在2012 年、2017 年出现异常高值外,秦皇岛市和唐山市DIP浓度的变化趋势与全省均值的变化趋势基本一致。

图2 河北省近岸海域海水中氮磷含量的年际变化Fig.2 The annual variation of average N and P concentration in seawater in the coastal waters of Hebei Province

2.2 海水氮磷比值变化及富营养化状况

河北省近岸海域海水氮磷比(N/P)年际变化如图3 所示。 从图3 可以看出,河北省近岸海域海水2011—2015 年各年度N/P 无明显变化,2016—2018 年则呈明显上升趋势。 其中:秦皇岛市和唐山市近岸海域海水N/P 大致相当,2011—2018 年无明显变化;沧州市近岸海域海水N/P 最高,且整体呈逐年上升趋势。

根据公式(1)计算河北省近岸海域海水富营养化指数,结果如图3 所示。 图3 显示:2011—2017 年,河北省近岸海域富营养化指数保持在1.29 ～1.54,无明显变化;2018 年,富营养化指数大幅降低。

根据表1 所示等级划分标准判定各海区富营养化状况,结果如图4 所示。 图4 显示,河北省近岸海域水质富营养化状况以贫营养和轻度富营养为主,中度富营养和重富营养海域主要位于沧州市。 2011—2015 年,河北省近岸海域贫营养化比例逐年下降;2016—2018 年,贫营养化比例逐年上升,特别是2018 年富营养化状况改善明显,已无中度和重富营养状况出现。

2.3 入海河流和降水氮磷浓度的年际变化

沿海三市主要入海河流氮磷年际变化趋势如图5 所示。 在河流常规监测中,除-N 和TP作为地表水水质评价必测指标,其长时间序列数据比较齐全外,其余各项指标均存在监测数据不全问题,因此,本文重点讨论河流中的-N 和TP。 从图5 可以看出,2011—2015 年,河北省入海河流-N 浓度虽有波动,但整体上无明显变化,2016—2018 年逐年下降;2011—2015 年,入海河流中的TP 总体呈轻微上升趋势,2016—2018年则逐年下降。 其中:唐山市入海河流-N 和TP 浓度最低,近年来均保持相对稳定,-N 浓度呈现轻微下降,TP 浓度则略有上升;秦皇岛市入海河流-N 和TP 浓度分别维持在0.347 ～3.300 mg/L 和0.114 ～0.350 mg/L,-N 浓度在2011—2018 年逐年下降,TP 浓度在2011—2015 年明显上升,2016—2018 年显著下降;沧州市入海河流-N 和TP 浓度均较高,在2011—2015 年上下波动幅度较大,2016—2018 年均呈显著下降趋势。

图3 河北省近岸海域海水中N/P 和富营养化指数的年际变化Fig.3 Interannual variation of N/P and eutrophication index in seawater in the coastal waters of Hebei Province

图4 河北省近岸海域富营养化状况的年际变化Fig.4 Interannual variation of eutrophication in the coastal waters of Hebei Province

图5 河北省沿海城市入海河流中氮磷含量的年际变化Fig.5 Interannual variation of N and P concentration in rivers entering the sea in coastal cities of Hebei Province

图6 河北省沿海城市降水中氮磷含量的年际变化Fig.6 Interannual variation of N and P concentration of rain water in coastal cities of Hebei Province

3 分析与讨论

3.1 海水氮磷浓度变化的影响因素

结合同年份河流及降水中氮磷浓度的监测结果,研究海水氮磷浓度与河流、降水输入的相关性,结果如表2 所示。

表2 海水、入海河流、沿海城市降水中氮磷组分的相关性分析Table 2 Pearson correlation coefficients (r) for N and P in the sea,river entering the sea,rain water in coastal cities

3.2 海水营养盐结构变化对海洋生态系统的影响

研究表明,海水中的营养盐是浮游植物生长的物质基础,浮游植物生长过程中对生源要素的吸收利用是按一定比例进行的[19],海域内的营养盐含量和结构发生变化会对浮游植物的生长及群落结构产生一定影响。 营养盐的缺乏会限制浮游植物的生长和繁殖,过高或者结构失衡则会影响浮游植物种群结构的稳定,甚至引发赤潮灾害,进而影响海洋渔业资源[9-10,20]。

自2017 年以来,随着河北省大气、水、近岸海域污染防治行动的陆续推进,陆源-N、TN、TP、COD 入海总量降低,近岸海域海水中的氮磷的浓度大幅下降,但由于氮和磷减少量的差异较大,海水N/P 持续升高。 值得关注的是,作为地表水、海水和降水中的非水质评价和考核指标,在其他污染物浓度明显降低的同时,河流和降水中-N 的浓度却呈上升趋势。 目前,河北省近岸海域海水和河流中的DIN 均以NO-3-N 为主。 在《近岸海域污染防治方案》和《渤海综合治理攻坚行动计划》的实施过程中,应警惕污染物控制力度的不同所导致的海水中生源要素结构的改变,及其引起的浮游植物群落乃至整个海洋生态系统的变化。 海水中氮、磷、硅等生源要素的比例对浮游藻类的增殖有重要影响。 有研究表明,一些频繁暴发的大面积藻华都是某些对水体营养结构异常波动具有很强适应能力的浮游微藻导致的[21-22]。 河北省近岸海域水质富营养化状况以贫营养和轻度富营养为主,中度富营养和重富营养主要发生在沧州市近岸海域。 秦皇岛市近岸海域发生赤潮的次数和面积远大于沧州市[10],而且秦皇岛市近岸海域2018—2019 年监测数据显示,在一类水质的情况下,部分海域仍有赤潮物种大量增殖的现象发生。 因此,在未来的海洋生态环境保护工作中,除了关注近岸海域海水水质是否改善、是否满足考核要求外,还应考虑海水中营养结构的变化所引起的浮游植物群落变化、海洋生物种类变化等一系列因海洋生态系统的改变而带来的新问题。

3.3 污染防治政策实施与海洋环境变化的响应关系

2013 年9 月10 日,《大气污染防治行动计划》正式实施。 作为京津冀地区大气污染最重的区域,河北省立即启动了相关实施方案和专项行动。 《2018 年河北省生态环境状况公报》显示,通过实施一系列的治理措施和考核激励机制,河北省大气环境质量明显好转。 从图6 亦可以看出,自2014 年以来,秦皇岛市和沧州市降水中-N的平均浓度呈明显下降趋势,唐山市降水中-N 的平均浓度下降明显,-N 浓度的下降趋势则相对迟缓。 2015 年4 月16 日,《水污染防治行动计划》正式启动,-N 和TP 成为地表水水质评价及考核指标。 河北省入海河流中的-N 和TP 整体呈下降趋势,而唐山市主要入海河流中的TP 因一直低于地表水Ⅲ类水质标准(0.2 mg/L),未做重点控制,其浓度未降反升。

河流和降水中氮磷输入量的减少,使河北省近岸海域海水中氮和磷的平均浓度自2016 年起有所下降,但在2017 年仍有部分地区出现高值。自2017 年《近岸海域污染防治方案》实施以来,河北省通过开展入海河流、入海排污口清查和整治,以及清理沿河水系畜禽养殖、推广生态健康养殖、提升船舶港口防污能力、规范滩涂与近海海水养殖等一系列举措,截至2019 年9 月,秦皇岛市和唐山市畜禽养殖废弃物资源化利用率超过了73%,唐山市和沧州市污水处理率超过了90%,全省共清理海上非法养殖面积3 000 亩(1 亩≈667 m2),有效减少了沿海三市陆源污染物的排放,减轻了海源污染。 2018 年以来,沿海三市海水中的氮磷浓度均呈现大幅下降。 由此表明,“陆海统筹、河海兼顾、上下联动、协同共治”才能实现海洋生态环境质量的持续稳定改善,才能切实维护海洋生态安全。

4 结论及建议

1)2011—2018 年,河北省近岸海域海水中DIN 和DIP 的平均浓度均低于二类海水水质标准,超过二类标准限值的点位主要位于沧州市;海域富营养化状况以贫营养和轻度富营养为主,中度富营养和重富营养区域主要位于沧州市。 河北省近岸海域海水中DIN 的平均浓度在2011—2014 年、2015—2017 年呈阶段性上升趋势,2018年大幅下降;DIP 的平均浓度在2011—2013 年无明显波动,2014 年陡增,随后开始逐年下降;海水N/P 在2011—2014 年无明显变化,2015—2018年呈逐年上升趋势。

2)近岸海域海水、入海河流、降水中的氮和磷表现出一定的相关性和协同性。 河北省大气、水、近岸海域污染防治行动成效显著,近岸海域海水中的氮磷浓度大幅下降。 由于氮和磷减少量的不均衡,海水N/P 持续升高,可能会引起潜在的海洋生态风险。

3)建议在“十四五”生态环境监测工作中,加大对海洋生物地球化学循环的基础监测力度;尽快加强海洋生物监测能力建设,编实配强海洋生态环境监测队伍;加强与水利、自然资源等部门的合作。 只有做到“陆海统筹、河海兼顾、上下联动、协同共治”,才能实现海洋生态环境质量的持续稳定改善,切实维护海洋生态安全。