小清河口氮磷营养物基准制定❋

王司玉， 隋修国， 李正炎，2❋❋

(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

水质基准是制定水质标准的科学依据，也是水环境保护和管理的重要组成部分[1]。目前，世界上许多发达国家和组织已具备有相对完善的水质基准文件和管理体系[2-8]，而中国关于水质基准的研究起步较晚，近十余年来才开始进行系统研究。2017年，生态环境部根据我国水环境区系特征颁布了《湖泊营养物基准制定技术指南》(HJ 838—2017)，但有关我国河口区域的水质基准文件仍在积极探索中。

河口是河流和海洋之间的生态交错区，由于其生态系统脆弱性，河口对营养物比较敏感，导致许多河口呈现明显富营养化特征[9]。河口富营养化已成为困扰许多国家的环境问题[10-11]，不仅影响水域的生物完整性，还可能通过有害藻类和病原体暴发等方式危害公共健康[12]。因此，尽快制定符合我国国情的河口营养物基准尤为重要。

近年来，小清河氮磷营养物污染严重[13-14]，研究表明小清河口营养物输入是引起莱州湾富营养化问题的主要原因之一[15-16]。本文根据小清河口的现场调查数据，结合实验室模拟研究，分别采用频数分布法和压力-响应模型法推导出了小清河口总氮(TN)、总磷(TP)、溶解无机氮(DIN)和活性磷酸盐(SRP)的基准值，旨在为我国河口营养物基准的制定提供技术方法参考。

1 研究区域和数据来源

小清河发源于山东省济南市，于潍坊寿光市境内的羊口镇以东注入莱州湾，全长233 km，流域面积约10 336 km2，流经济南市、淄博市、滨州市、东营市和潍坊市五个地级市，感潮段位置为从石村(具体位置见图1)到入海口，全长约70 km。本文数据来源于2009—2017年山东入海河流监测资料和中国海洋大学现场调查数据，现场调查时间为2018年5、8、10、12月及2019年5、8月，调查时间涵盖小清河口枯水期、丰水期和平水期，采样站位共11个(见图1)。由于现场监测条件的局限性，本文监测站点均布设在小清河入海口附近，因此本文监测数据仅代表小清河口入海口附近水质状况，各指标具体监测方法见表1。本文根据美国环保署发布的《河口近岸水体营养物基准技术指南》[12]和我国生态环境部发布的《湖泊营养物基准制定技术指南》(HJ 838—2017)确定了TN、TP、DIN、SRP为营养物压力指标，浮游藻生物量为营养物响应指标。

图1 小清河口采样站位图

表1 水文和水质各指标分析方法

2 研究方法

2.1 频数分布法

频数分布法适用于未受人类影响或受影响较小的研究区域，参照状态可寻，参照点营养物监测资料充足。选取营养物指标频数分布曲线的上或下第25个百分点对应值为推荐基准值，对受污染严重的区域，则选取上或下第5个百分点对应值为推荐基准值，以期能恢复到受污染之前的自然状态[12, 22-24]。由于近几年小清河口受污染较严重，本文选取了营养物指标频数分布曲线的下第5个百分点对应值作为小清河口营养物基准值。

2.2 压力-响应模型法

2.2.1 压力-响应模型的建立 压力-响应模型是根据历史数据和现状观测数据，针对水域特点，构建概念模型来表征营养物的生态响应，从而表达压力变量和响应变量之间的关系，进而推导营养物的基准值[25]。该模型已在国内外推导营养物基准方面得到了广泛应用[25-27]，中国生态环境部2017年颁布的《湖泊营养物基准制定技术指南》(HJ 838—2017)中也采纳了此方法。

浮游藻生长一般经历延缓期、指数生长期、稳定期三个时期，因此其生长曲线通常呈现“S”型[28]，常见的“S”型生长模型主要有Logistic、Sgompertz、Brody、Bertalanffy等[28-30]，R2检验是评价模型拟合优度的常用方法，R2越接近于1，代表模型拟合效果越好[28,29]。本文根据拟合效果，选取S-logistic2模型(R2>0.95)来描述浮游藻的生长情况，具体形式如下：

式中：Bt为t时刻(d)浮游藻的生物量(mL-1)；Bf为终止生物量(mL-1)；B0为浮游藻初始生物量(mL-1)；μmax为浮游藻最大生长速率(mL-1·d-1)；t为培养时间(d)；参数Bf为浮游藻的最大生物量，其值基本不受浮游藻的初始量B0和其生理状态影响[29,30]。

推导河口营养物基准值过程中，需要考虑水生态系统(主要是浮游植物)对营养物的敏感性，即水生态系统对营养物变化的敏感程度。本文中此项指标以浮游植物生物量随营养物浓度变化的增量来表示[12,29,28]。根据已有研究[31-32]，本文选取三种莱州湾河口近岸常见赤潮藻，中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)、赤潮异弯藻(Heterosigmaakashiwo)和微型原甲藻(Prorocentrumminimum)为研究对象，藻种均购买于上海光语生物科技有限公司。

根据受试藻类生长情况，将每种藻类生长数据分别代入Logistic、Sgompertz、Boltzmann和Hill1模型中进行拟合，依据模型拟合的决定系数(R2)、均方根(RMSE)、残差平方和(SSE)以及 K-S 检验结果，结合专业判断，分别确定了三种浮游藻在不同营养物浓度条件下最优拟合模型(见表2)，取曲线的拐点x0为营养物生态基准值。

Sgompertz模型公式为：

Bf=ae-e(-k(x-x0))，

Boltzmann模型公式为：

Hill1模型公式为：

式中：a、b、和c是方程参数；x为营养物浓度(mg/L)。

表2 各藻种在不同营养物浓度条件下的最优拟合模型

2.2.2 浮游藻的培养 实验采用人工海水培养浮游藻，盐度为29±1,人工海水放入1 L锥形瓶中，在120 ℃高压灭菌锅中消毒30 min自然冷却后使用。培养液50 mL置于150 mL锥形瓶中放入光照培养箱中培养，培养温度为20 ℃，光照强度为3 000～5 000 Lux，光暗比为12L∶12D。营养盐浓度梯度设置为7或8组(包括对照组)，每组设置3个平行样本。每天摇晃培养瓶3～4次，防止浮游藻聚集。

实验共分为两组，氮组实验固定磷浓度，磷组实验固定氮浓度，分别用NaNO3和NaH2PO4调节培养液氮磷营养盐浓度。结合我国《海水水质标准》(GB 3097—1997)[33]中DIN、SRP的标准值，以及不同氮磷浓度比对浮游藻生长的影响[34-35]，本文室内模拟实验的氮磷浓度设置见表3和4。其他营养液按照f/2培养基配方[36]加入。

2.2.3 浮游藻生物量测定 浮游藻生物量测定有多种方法[37-38]，本文根据实验室具体情况和操作条件，选择使用流式细胞仪测定浮游藻生物量。

每天同一时间，每个样品取1 mL培养液，用流式细胞仪测定1 mL培养液中浮游藻的生物量，每个样本叶绿素a细胞含量均出现下降时实验结束。

2.2.4 生态学基准值推导 本文室内模拟实验共设立7或8个氮(磷)营养液浓度梯度，每个梯度设置3个平行样。培养n天，每个梯度每个平行样的所有数据设为一组，则每组有n个数据。每组数据参数Bf的值可通过S-logistic2模型拟合得到。通过Matlab数学软件，运用Bootstrap自助随机抽样方法[29,39]从每个梯度中随机抽取Bf值，抽得的7或8组数据构成一套数据，共可获得37或38组数据。随机抽取其中200组数据进行参数估计，可以获得200个模型参数x0估计值。运用SPSS软件对200个参数x0进行分布统计，将其数据分布的中位数作为营养盐生态基准值，并将其97.5和2.5百分比值分别作为生态基准的95%Bootstrap置信区间的上下限[29]。

表3 固定氮实验组中的氮磷营养物浓度

表4 固定磷实验组中的氮磷营养物浓度

3 结果与讨论

3.1 频数分布法

对现场监测和历史资料得到的TN、TP、DIN、SRP数据进行频数分布分析，用SPSS软件做出各营养物指标的频数分布直方图(见图2)。

对所有现场调查数据和历史资料进行频数分析和正态分布曲线拟合，选取频数分布曲线的5%、25%、75%、95%作为频数分布的关键点，分析结果见表5。

图2 小清河口营养物频数分布曲线

表5 小清河口营养物频数分布统计

研究表明，小清河流域营养物污染严重[40-41]，因此本文选取各营养物指标频数分布曲线的下第5个百分点对应值作为频数分布法的基准值，即TN为5.18 mg/L;TP为0.14 mg/L；DIN为3.33 mg/L；SRP为0.015 mg/L。

由图2和表5可知，小清河口TN的平均值为10.96 mg/L,远大于我国地表水IV类标准(1.5 mg/L)[42]；DIN的平均值为5.23 mg/L,也远大于我国海水IV类标准(0.5 mg/L)[33]。由此可见，小清河口氮污染严重，因此频数分布法得出的TN、DIN基准值结果不合理，本文不推荐其作为小清河口TN和DIN的基准参考值。

3.2 压力-响应模型法

3.2.1 确定小清河口SRP/TP和DIN/TN的比值 浮游藻主要吸收溶解无机态的营养物，室内模拟实验所用的培养液中95%以上都是无机态营养物，因此室内培养方法进行模拟得到的是溶解无机氮(DIN)和活性磷酸盐(SRP)的基准值[29]。根据现场监测数据，得出15组DIN/TN和SRP/TP的比值，进而可以推导出小清河口受污染情况下TN、TP的基准值。

由图3可知，DIN/TN和SRP/TP的比值相对比较集中，DIN/TN比值基本在0.7左右，SRP/TP的比值基本在0.3左右。两组比值的中位数和平均值都相差不大，说明基本符合正态分布。本文取其中位数0.76和0.34分别作为小清河口DIN/TN和SRP/TP的比值，根据实验室模拟得到的DIN和SRP的生态基准值结果，可以推导出TN、TP的生态基准值。

3.2.2 浮游藻生长曲线 根据实验结果，得出三种浮游藻在不同氮磷浓度下生物量与时间(t)的关系如图4所示。结果可见，浮游藻的生长曲线基本符合“S”型，当SRP浓度固定在0.050 mg/L，DIN浓度在0～0.30 mg/L范围内变化时，浮游藻最终生物量随DIN浓度增加而逐渐增大；DIN浓度在0.30～1.50 mg/L范围内变化时，浮游藻最终生物量随DIN浓度增加不大。当DIN浓度固定在2.00 mg/L，SRP浓度在0～0.15 mg/L范围内变化时，浮游藻最终生物量随SRP浓度增加而不断增大；SRP浓度在0.15～0.30 mg/L范围内变化时，浮游藻最终生物量随SRP浓度增加也基本相差不大甚至有所下降，这可能是由于不同氮磷浓度比对浮游藻生长的限制作用，由此也可以说明浮游藻对水体中氮、磷的吸收不仅与其浓度有关，也与它们之间的比值有关。

图3 小清河口DIN/TN、SRP/TP的比值分布箱形图

图4 不同氮磷浓度条件下三种浮游藻生长曲线图

3.2.3 营养物基准推导 由表6和7可知，中肋骨条藻、赤潮异弯藻和微型原甲藻的DIN生态响应值分别为0.29、0.29和0.17 mg/L，SRP生态响应值分别为0.020、0.085和0.030 mg/L；本文选取最敏感的浮游藻生态响应值作为小清河口营养盐的基准推荐值，得到小清河口DIN的生态基准值为0.17 mg/L，SRP的生态基准值为0.020 mg/L。根据小清河口DIN/TN和SRP/TP的比值0.76和0.34，可以得到TN和TP的生态基准值分别为0.23和0.059 mg/L。本文的DIN推荐基准值接近海水水质I类标准值(0.2 mg/L)[33]，SRP基准值在海水水质I类(0.015 mg/L)和II类(0.03 mg/L)标准值之间[33]，TN基准值介于地表水环境质量I类(0.2 mg/L)和II类(0.5 mg/L)标准值之间[42]，TP基准值介于地表水环境质量I类(0.015 mg/L)和II类(0.1 mg/L)标准值之间[42]。

由于实验条件、实验材料等的局限性，本文仅选取莱州湾河口近岸常见的三种赤潮藻进行研究，而在自然环境中，浮游藻的生物量和多样性会随着营养物等环境因素发生复杂变化，因此后续的研究中可进一步运用包含多种浮游植物、浮游动物和鱼类等水生生物的微宇宙系统开展模拟试验，以更接近河口区域的真实环境。

表6 小清河口氮的生态基准值

表7 小清河口磷的生态基准值

3.3 不同研究方法所得结果比较

根据公开文献报道，国内不同河口的营养物基准值见表8。可见本文推导出的小清河口DIN、SRP、TN和TP的基准值与同样采用压力-响应模型法得到的大辽河口生态基准值比较接近；本文频数分布法推导出的SRP和TP基准值与同样采用此方法得到的辽河口推荐基准值也较为接近。但本文用压力-响应模型法推导出的DIN和TN的基准值比运用频数分布法得出的基准值低，原因可能是频数分布法是基于现场调查数据得出的结果，小清河口所在区域由于受污染比较严重，未受影响的参照点已难以找到，导致这些数据受人为活动影响比较大，因此本文采取压力-响应模型法推导出的结果作为小清河口营养物推荐基准值，即TN为0.23 mg/L、TP为0.059 mg/L、DIN为0.17 mg/L、SRP为0.020 mg/L。

表8 我国不同地区河口营养物推荐基准值的比较

4 结论

本文基于现场监测资料和室内-模拟实验，探讨了小清河口氮磷营养物基准，得出以下主要结论：

(1)小清河口水域富营养化严重，尤其是TN和DIN浓度较高，根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，TN属于IV类水质；根据《海水水质标准》(GB 3097—1997)，DIN也属于IV类水质。

(2)根据现场监测数据，利用频数分布法推导的小清河口TN、TP、DIN和SRP基准值分别为5.18、0.14、3.33和0.015 mg/L，由于小清河口氮污染严重，本文不推荐其作为营养物基准值。

(3)运用压力-响应模型法，通过建立小清河口营养物浓度与浮游藻生长之间的响应关系，得出小清河口TN、TP、DIN和SRP推荐基准值分别为0.23、0.059、0.17和0.020 mg/L。