山东近岸海域营养盐分布特征及富营养化和有机污染评价

李 斌，衣秋蔚，刘增东，孔 茹，王敏玲

（山东省烟台生态环境监测中心，山东 烟台 264000）

0 引言

近岸海域，指与大陆、岛屿、群岛等海岸相毗连，《中华人民共和国临海与毗连区法》规定的临海外部界限向陆一侧的海域，近岸海域为沿岸低潮线向海12海里以内的海域[1]。山东近岸海域为渤海、黄海部分海域，总面积约4.7×104km2。山东近岸海域长期受人类活动影响，黄河、小清河携带大量营养物质注入，成为渔业生物的主要产卵场[2]，当前对山东近岸海域富营养化研究多集中于典型海域[3-6]，对整个海域的研究[7]并未涉及到有机污染。因此，本文依据2019年3个航次海洋生态环境质量183个站位调查资料，全面研究该海域营养盐分布特征和水质状况，详细评价该海域富营养化水平和有机污染状况，旨在更好掌握该海域生态环境质量状况，为生态环境保护决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查站位

利用2019年山东近岸海域183个站位5月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）3期生态环境质量调查资料，调查站位分布见图1。

图1 山东近岸海域调查站位分布示意图

1.2 调查项目与分析方法

调查项目包括溶解氧（DO）、硝酸盐氮（NO3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、氨氮（NH3-N）、活性磷酸盐（PO4-P）、化学需氧量（COD）指标。样品采集、贮存和运输按照《GB 17378.3-2007海洋监测规范》[8]第3部分进行，样品分析按照《GB 17378.4-2007海洋监测规范》第4部分进行。溶解无机氮（DIN）浓度为NO3-N、NO2-N、NH3-N浓度之和。

1.3 评价方法

目前，已有多种评价海水富营养化的方法，但是，富营养化评价尚无通用的评价标准和体系[9]。国内海水富营养化评价一般采用单因子指数法、综合指数法、模糊数学综合评价法、人工神经网络法和多元统计分析方法[10]；国外主要是以富营养化症状为基础兼顾生态系统所受压力和响应趋势的评价方法，如美国的ASSETS[11]和欧盟的OSPARCOMPP[12]。

本文采用单因子指数法[13]、富营养化指数法[14]和有机污染指数法[15]评价该海域水质及富营养化和有机污染状况。

1.3.1 单因子指数

单因子指数是将某种项目实测浓度与该项目的评价标准进行比较以确定水质类别的方法。

式中：PIi—某站位监测项目i的污染指数；Ci—某站位监测项目i的实测浓度；Si—该项目i的评价标准。

PIi≤1，即达到评价标准。评价标准采用《GB 3097-1997海水水质标准》[16]，计算样品超标率时，统一采用二类海水水质标准[14]。

1.3.2 水体富营养化指数

水体富营养化指数（E）采用式（2）评价。

式中：E—水体富营养化指数；CODi、DINi、PO4-Pi—第i站位化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐的实测质量浓度，单位mg/L。

按照富营养化标准[14]（表1）评价其富营养化程度。

表1 水质富营养化等级划分指标

1.3.3 海水有机污染状况评价

海水有机污染指数（A）采取式（3）进行计算。

式中：A—海水有机污染指数；CODi、DINi、PO4-Pi、DOi—第i站位化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐和溶解氧的实测质量浓度，单位mg/L；CODs、DINs、PO4-Ps、DOs—化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐和溶解氧的第一类海水水质标准，其值分别为2 mg/L、0.2 mg/L、0.015 mg/L和6.0 mg/L。

按照有机污染分级标准[15]（表2）评价其有机污染程度。

表2 有机污染评价分级标准

2 结果与讨论

2.1 单因子指数评价

2.1.1 溶解无机氮

海水中溶解无机氮（DIN）是过滤态的硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮的总和，是海洋生物繁殖、生长所必需的营养物质，与海洋初级生产力有着密切关系[17]。自然环境下，海水中的溶解无机氮含量远远达不到引起海洋生物受危害的程度[18]，然而，陆源排污量逐年增加，导致近岸海域DIN质量浓度逐渐增高，进而导致近岸海域生态环境恶化，所以，DIN 成为近岸海域主要污染物[19]。

2019年5月，山东近岸海域DIN质量浓度范围0.030～0.836 mg/L，平均值为0.218 mg/L，超标站位42个，样品超标率23.0%； 8月，山东近岸海域DIN质量浓度范围0.024～1.959 mg/L，平均值为0.195 mg/L，超标站位25个，样品超标率13.7%；10月，山东近岸海域DIN质量浓度范围0.020～1.064 mg/L，平均值0.232 mg/L，超标站位42个，样品超标率23.0%。DIN质量浓度平面分布图见图2。

结果（图2）表明，DIN浓度分布呈现由西向东逐渐降低的趋势，北部海域高于南部海域，高值区域主要分布在莱州湾。

图2 2019年3个航次DIN质量浓度平面分布图

2.1.2 活性磷酸盐

海水中的活性磷酸盐（PO4-P）可被海洋植物、藻类和细菌所吸收用以生长繁殖，被认为是一种限制性营养盐。近岸海域由活性磷酸盐质量浓度偏高带来的富营养化是我国沿海海域突出的环境问题之一[20]。

2019年5月，山东近岸海域PO4-P质量浓度范围为0.0004～0.0186 mg/L，平均值为0.0047 mg/L，无超标站位；8月，山东近岸海域PO4-P质量浓度范围为0.0006～0.0308 mg/L，平均值为0.0044 mg/L，超标站位1个，超标率0.5%；10月，山东近岸海域PO4-P质量浓度范围为0.0005～0.0585 mg/L，平均值为0.0133 mg/L，超标站位5个，超标率2.7%。PO4-P质量浓度平面分布图见图3。

结果（图3）表明，PO4-P浓度分布较为均衡，无明显高值区域，存在个别超标站位。

图3 2019年3个航次PO4-P质量浓度平面分布图

2.1.3 化学需氧量

化学需氧量（COD）是衡量水中有机物质含量多少的指标，COD 越大，说明海水受有机物污染越严重[21]。

2019年5月，山东近岸海域COD质量浓度范围为0.45～1.80 mg/L，平均值为0.96 mg/L，无超标站位；8月，山东近岸海域COD质量浓度范围为0.40～2.00 mg/L，平均值为1.05 mg/L，无超标站位；10月，山东近岸海域COD质量浓度范围为0.26～1.77 mg/L，平均值为0.95 mg/L，无超标站位。COD质量浓度平面分布图见图4。

结果（图4）表明，COD浓度分布较为均衡，北部海域高于南部海域，全年均未出现超标站位。

图4 2019年3个航次COD质量浓度平面分布图

2.2 季节变化及原因分析

2.2.1 水质季节变化

DIN季节变化上，夏季DIN浓度最低，春季次之，秋季最高。春季一类海水站位101个，二类40个，三类12个，四类14个，劣四类16个；夏季一类海水站位136个，二类22个，三类6个，四类 3个，劣四类16个；秋季一类海水站位95个，二类46个，三类17个，四类9个，劣四类16个。

PO4-P季节变化上，夏季DIN浓度最低，春季次之，秋季最高，同DIN一致。春季一类海水站位177个，二、三类6个；夏季一类海水站位180个，二、三类2个，四类1个；秋季一类海水站位 112个，二、三类66个，四类4个，劣四类1个。

COD季节变化上，秋季最低，春季次之，夏季最高，但差异不明显。春季一类海水站位 183个；夏季一类海水站位182个，二类1个；秋季一类海水站位183个。

各季节DIN、PO4-P和COD水质类别见图5。

图5 各季节DIN、PO4-P和COD水质类别图

2.2.2 影响因素分析

影响海水营养盐含量的因素较多，经研究发现，影响近岸海域营养盐含量及变化的主要因素有浮游生物的生长消耗、沿岸径流输入、沉积物再悬浮释放、大气向海洋的氮沉降和水交换等[5]。山东近岸海域DIN和PO4-P呈现自春季至夏季先减小，后到秋季升高的趋势。春夏季节，浮游植物和大型藻类生长旺盛吸收大量营养盐，夏季海面风力较弱，海底沉积物再悬浮释放作用小于风力较强的其他季节，虽然夏季大量降雨携带营养盐的陆源排海量高于其他季节，但其夏季营养盐的消耗量大于补充量，这些综合因素是该海域夏季营养盐 DIN 和PO4-P质量浓度较低的主要原因[6]。秋季，大型藻类已经收获，养殖生物残饵、代谢物、生物尸骸氧化分解和海水剧烈上下对流[22]，同时由于海面风力大于其他季节，海底沉积物再悬浮释放作用增强和大气沉降变大，营养盐质量浓度回升，可能是造成 DIN和PO4-P质量浓度较高的主要原因[23]。COD作为衡量水中有机物质含量多少的指标，同样用于海水中，COD越大，说明海水受有机物污染越严重[16]，COD与浮游植物作用较小，陆源输入为其主要影响因素，夏季为其全年最大降水量季节，受陆源排海有机污染物的影响，夏季COD含量高于其他季节。

2.3 富营养化评价

根据式（2）计算海水富营养化指数（E），2019年5月，山东近岸海域E值范围为0.004～3.60，其中176个站位E＜1；8月，山东近岸海域E值范围为0.009～21.58，其中177个站位E＜1； 10月，山东近岸海域E值范围为0.019～14.28，其中149个站位E＜1。出现富营养化站位见表3。

表3 2019年富营养化站位数量统计

2019年，山东近岸海域海水富营养化程度，秋季最高，夏季次之，春季最低，夏春季差别不明显。其中，秋季28个站位轻度富营养化，5个站位中度富营养化，1个站位重度富营养化；夏季4个站位轻度富营养化，1个站位中度富营养化，1个站位重度富营养化；春季6个站位轻度富营养化，1个站位中度富营养化。

全年计，山东近岸海域出现富营养化站位 35个，其中，出现2次富营养化站位11个，3次全为富营养化站位1个；重度富营养化站位出现在胶州湾北端和莱州湾西南端，中度富营养化站位分布在莱州湾中西部，其余站位均为轻度富营养化，富营养化站位分布图见图6。

图6 2019年富营养化站位分布图

2.4 有机污染状况分析

根据式（3）计算海水有机污染指数（A），按照有机污染分级标准（表2），统计各A值所属站位数量，如表4。

表4 2019年有机污染站位数量统计

2019年，山东近岸海域海水有机污染程度，秋季最高，春季次之，夏季最低，夏春季差别不明显。其中，秋季18个站位轻微污染，12个站位中度污染，4个站位重度污染；春季10个站位轻微污染，6个站位中度污染，1个站位重度污染；夏季9个站位轻微污染，3个站位中度污染，5个站位重度污染。

全年计，山东近岸海域有机污染轻微污染及以上站位39个，出现2次轻微污染及以上站位 8个，出现3次轻微污染及以上站位5个；重度有机污染站位全部包含重度富营养化站位，主要分布在胶州湾北端和莱州湾西部海域，与重度富营养化分布基本一致，有机污染轻微污染及以上站位分布见图7。

图7 2019年有机污染站位分布图

通过图6和图7可看出，2019年山东近岸海域富营养化站位和有机污染站位主要分布于莱州湾、胶州湾、丁字湾，这与山东近岸海域主要污染物无机氮（图2）高值区域分布基本一致。

通过单因子指数法、富营养化指数法和有机污染指数法3种方法分析评价山东近岸海域水环境质量状况，3种不同方法得出的结论趋于一致。

3 结论

（1）2019年山东近岸海域DIN质量浓度呈现由西向东逐渐降低的趋势，北部海域高于南部海域，高值区域主要分布在莱州湾；PO4-P质量浓度分布较为均衡，无明显高值区域；COD质量浓度分布较为均衡，北部海域高于南部海域。

（2）2019年山东近岸海域营养盐质量浓度季节变化上，夏季最低，春季次之，秋季最高。COD质量浓度季节变化上，秋季最低，春季次之，夏季最高，但差异不明显。这些指标的季节变化规律与气温导致的海洋浮游生物生长消耗，降水导致的陆源排污影响以及风力导致的沉积物再悬浮释放等影响存在密切关系。

（3）2019年山东近岸海域出现富营养化站位占总站位的19.1%，出现有机污染轻微污染及以上站位占总站位的21.3%，重度有机污染站位全部包含重度富营养化站位，富营养化站位和有机污染站位主要分布于莱州湾、胶州湾、丁字湾。