夏季江苏射阳河口附近海域富营养化特征*

王紫玄,韩 雪,周 凯,赵爱博,梁晓红

(江苏省海涂研究中心,江苏 南京 210013)

0 引言

富营养化是指通过地表径流、大气沉降等自然过程,以及农药化肥使用、化石燃料使用等人类活动,引起水体中营养盐增多,导致水域营养状况发生变化的过程[1-3]。富营养化可能导致有毒有害藻类暴发性增长、水体缺氧和低氧、鱼类等生物死亡、生态系统结构改变、功能退化等后果发生,严重时会引发一系列海洋生态灾害,给沿海城市的经济、社会、生态等造成影响[4-7]。

射阳县位于江苏省沿海中部,是江苏省海域面积最大的县份,其沿海属典型的粉砂淤泥质平原海岸。射阳河是里下河地区最大的排水入海干道,也是苏北发展河海联运的黄金水道[8]。射阳河口位于江苏海岸演变的节点处,是侵蚀海岸和淤长海岸的交替地带[9]。在潮汐作用下,射阳河口以南至南通市启东县吕四港之间的海岸外围分布着世界上规模最大的辐射沙脊群,其沿海滩涂资源十分丰富,为射阳海岸带提供了生态价值和经济价值。随着近年来港口的发展,射阳河口近岸海域营养盐含量持续升高,造成该海域富营养化愈发严重[10],有害藻华灾害呈现出加剧态势[11-12],浒苔绿潮灾害在2021年更是达到近六年以来最大规模[13]。目前射阳河口近岸海域的研究主要聚焦于海岸动力地貌调查[14-15],有关射阳河口富营养化的研究仍较为缺乏。因此,科学地开展射阳河口附近海域富营养化调查,及时获取该片海域相关监测数据,为查明射阳河口污染来源提供数据支撑,对保护该区域河口生态环境和维护生态平衡,实现海洋环境的健康稳定发展具有重要意义。

本研究通过采样分析2021年夏季江苏射阳河口附近海域的监测数据,对该海域的水质进行了综合评价,分析了营养盐含量、空间分布、氮磷比例、水体富营养化程度和分布范围,同时,对历年射阳河口附近海域与其他入海河口附近海域的营养盐、化学需氧量和富营养化状况等进行了对比研究,为该海域的富营养化治理等提供数据基础和理论参考,为江苏省海洋生态预警监测的高效发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查时间和站位设置

2021年8月小潮期,在射阳河口附近海域布设12个站位,具体站位见图1。现场采样按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)和《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)要求进行。

图1 采样站位图Fig.1 Location of sampling stations

1.2 调查要素及方法

调查海域水深1.8～16.6 m,采集表层水样进行海水水质调查。调查要素包括化学需氧量(COD)、活性磷酸盐(DIP)、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮。采样方法参照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)和《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)进行。

营养盐样品使用紫外分光光度计测定,其中氨氮使用次溴酸盐氧化法测定,亚硝酸盐使用萘乙二胺分光光度法测定,硝酸盐以锌-镉还原法测定。溶解无机氮(DIN)为亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氨氮的总和。DIP使用磷钼蓝法测定,COD使用碱性高锰酸钾法测定。采用ArcGIS 10.8软件绘制站位图、营养盐、氮磷比值和富营养化指数的空间分布图。

1.3 数据分析

1.3.1 富营养化指数评价方法 参照文献[16]和[17],采用富营养化指数(E)评价海域的富营养化状态,计算公式为

式中:ρ(COD)为化学需氧量质量浓度,mg/L;ρ(DIN)为溶解无机氮质量浓度,mg/L;ρ(DIP)为活性磷酸盐质量浓度,mg/L。

当E≥1时,海域被认定为富营养化状态,富营养化水平划分为三个等级:1≤E≤3为轻度富营养化;39为重度富营养化。

1.3.2 潜在性富营养化评价模式 为更好地了解水体营养盐结构及其对藻类生长的影响,采用郭卫东等[18]提出的潜在性富营养化评价模式,以DIN和DIP作为主要参数进行分析,氮磷比为氮和磷的物质的量之比。具体评价方法见表1。

表1 潜在性富营养化评价模式营养级的划分原则Table 1 Criteria for dividing nutritional levels of potential eutrophication assessment models

2 结果与分析

2.1 海水营养盐和COD分布状况与评价

射阳河口附近海域营养盐和COD分布状况如图2所示。

a 氨氮

b 亚硝酸盐氮

c 硝酸盐氮

d DIN

e DIP

f COD图2 射阳河口附近海域营养盐和COD分布状况Fig.2 Distribution of nutrient and COD in the nearshore of Sheyang Estuary

从DIN营养结构看,硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮变异系数分别为35.96%,78.29%,57.77%,说明各站位亚硝酸盐氮浓度差异最为显著,其次为氨氮、硝酸盐氮(见图2a,b,c)。DIN平均质量浓度为0.757 mg/L,以第二类标准为基准限,平均超标倍数为2.52,DIN浓度最高值是最低值的8.31倍。DIN主要组分为硝酸盐氮,各站位硝酸盐氮平均浓度占DIN浓度的85.75%,硝酸盐氮高值出现在近岸4号站位和远岸6号站位,质量浓度分别达1.000和1.200 mg/L;氨氮和亚硝酸盐氮平均浓度分别占DIN浓度的9.73%和3.61%,氨氮最高值为0.180 mg/L,亚硝酸盐氮最高值0.140 mg/L(见表2)。从平面分布看,DIN浓度较高的站位主要分布在河流入海的南北两侧,并向南和向北递减(见图2d)。调查海域DIN浓度超过第三类海水水质标准的站位比例为83.33%,超过第四类海水水质标准的站位比例为75.00%,说明射阳河口附近海域水质受氮污染较为严重。

表2 射阳河口附近海域海水营养盐和COD统计Table 2 Results of seawater nutrients and COD in the nearshore of Sheyang Estuary

调查海域活性磷酸盐浓度在各站位差异不大,从南至北无明显变化(见图2e),平均质量浓度为0.022 mg/L,最大值0.031 mg/L(见表2),出现在2号站位,最小值出现在9号站位,以第二类标准为基准限,平均超标倍数为0.73。结果表明,活性磷酸盐浓度符合第一类、第二/三类海水水质标准的站位比例91.67%,符合第四类海水水质标准的站位比例8.33%。因此,该海域也存在磷酸盐污染。

调查海域COD质量浓度较低,范围在1.0～4.2 mg/L,最高值是最低值的4.2倍,平均质量浓度为1.7 mg/L(见表2)。评价结果显示,射阳河口附近海域COD浓度符合第一类海水水质标准的站位比例达75.00%,符合第二/三类海水水质标准的站位比例达91.67%(见图2f),整体情况良好,与艾洋漪等[19]2015年、廖名稳等[20]2018年在附近海域调查结果相近。在河流入海口处(4号站位)COD浓度出现最高值,达4.2 mg/L,调查海域COD分布情况与活性磷酸盐相似,COD污染来源可能主要为陆地输入、海水养殖和港口输入等。

2.2 氮磷比分布状况

依据Redfield等提出的浮游植物生长化学计量和可能的营养盐限制因素参考值[21-23](见表3),对射阳河口营养盐限制状况进行了判断。

表3 营养盐限制因素判定参考值Table 3 Criteria of nutrient stoichiometric limitation

由营养盐潜在性限制分析发现,调查海域DIN质量浓度均值为54.06 μmol/L,活性磷酸盐均值为0.70 μmol/L,氮磷比范围为14.30～218.19,平均为87.75,除10号站位氮磷比小于16(浮游植物生长所需最低阈值,Redfield比值16∶1)以外,其余站位氮磷比均大于22(见图3),最高可达Redfield比值的13.6倍,可见调查海域N与P营养盐比例整体处于严重失衡状态。

图3 射阳河口附近海域氮磷比分布状况Fig.3 Distribution of N, P ratio in the nearshore of Sheyang Estuary

2.3 富营养化指数评价及分布状况

调查海域12个站位的富营养化指数E均大于1,即全部为富营养化状态(见图4)。各站位富营养指数介于1.26～29.61,平均值为7.02,其中处于轻度(1≤E≤3)和中度(39,说明该两处站位处于重度富营养化水平。整体来看,射阳河口的富营养化水平呈现近岸高、离岸低的特点。据此判断射阳河口附近海域水体富营养化的可能原因是受陆源输入、港口输入的影响较大。

图4 射阳河口附近海域富营养化指数分布状况Fig.4 Distribution of eutrophication index in the nearshore of Sheyang Estuary

潜在富营养化评价模式评价结果表明,该区域表层水体的潜在富营养状态比较单一,83.33%的站位处于“磷限制潜在性富营养”状态。据以往研究[24-26]发现,夏季江苏近岸海域广泛且长期处于磷潜在限制状态,本次射阳河口调查结果与之相符。从营养盐污染分布来看,射阳河口的河流入海口处具有高浓度营养盐,普遍由近岸向外扩散,由此可以认为,导致调查海域出现富营养化状态的可能原因是陆源排污;同时,江苏夏季雨水偏多,地表径流量在夏季达一年中最大值[26],降雨后污染物随冲刷或射阳河闸不定期开放进入河流也可能导致调查海域出现富营养化状态。

3 讨论

3.1 与其他河口历史调查数据比较

部分河口营养盐历史调查数据见表4。

表4 其他河口营养盐历史调查数据汇总及对比Table 4 Comparison of historical data of nutrients in other estuaries

通过比较五龙河口[27]、灌河口[28]、珠江口[29]和长江口[30-31]四个入海河口附近海域夏季期间的营养盐和COD浓度,发现上述河口附近海域无机氮平均质量浓度为0.224～2.130 mg/L,且绝大多数海域超过第四类海水水质标准;除长江口北侧海域,其他河口附近海域的活性磷酸盐浓度均超过第二/三类海水水质标准,长江口南支海域无机氮和活性磷酸盐平均浓度最高;COD均值为1.00～3.13 mg/L,基本未超标(除五龙河口附近海域),符合第一类海水水质标准,其中五龙河口处COD含量最高。2019年长江口北侧海域调查结果显示海水仅部分站位达到轻度富营养化水平,而五龙河口、珠江口和长江口南支海域的调查结果显示均为中、重度富营养化状态,其中五龙河口平均E值达20.80,长江口南支海域平均E值达53.86。可以看出,历年其他河口附近海域均处于富营养化水平,2019年调查的长江口南支海域富营养化情况最为严重。

比较发现,本次射阳河口附近海域调查中DIN平均浓度高于灌河口和长江口北侧附近海域,分别为1.60倍和3.38倍;活性磷酸盐平均浓度是长江口北侧附近海域的2倍,低于五龙河口、灌河口、珠江口和长江口南支海域,其中长江口南支海域活性磷酸盐平均浓度是射阳河口处的3.77倍;COD平均浓度低于五龙河口;富营养化指数最大值与五龙河口处最大值相近,平均值小于五龙河口和长江口南支海域,与珠江口富营养化指数最大值相近。由此可见,射阳河口附近海域存在较多含氮有机污染物,富营养化程度在四个比较河口附近海域中处于中等水平。

3.2 与射阳河口附近海域历史数据比较

分析2002—2020年射阳河口附近站位的历史数据(见图5)发现,随着时间的变化,DIN浓度为波动变化,整体呈下降趋势,DIP浓度无明显变化,COD浓度为波动变化,整体呈现递增趋势,说明近20年射阳河口附近海域水体污染愈发严重;相较于2020年,本次调查中的DIN浓度上升,COD浓度下降,DIP浓度持平。近年来射阳河口附近海域COD整体处于相对较低水平,而DIN水平出现上升趋势,超过近5年平均水平,表明该海域富营养化水平持续加重,其主要原因是DIN浓度不断增加。同时,研究海域氮、磷结构失衡,出现广泛的“磷限制潜在性富营养”情况,这无疑会对射阳河口生态环境中浮游植物群落结构等造成一定影响。从无机氮浓度从河口近岸处向离岸的南、北两侧扩散的趋势来看,射阳河口附近海域富营养化水平加剧的可能原因是河流输入,大量营养盐随夏季径流量增大而排放入海;另外,海水养殖业和港口的大规模发展也可能是导致该区域水体富营养化程度加剧的主要原因[10,32]。

图5 2002—2021年射阳河口附近海域监测站位DIN,DIP和COD浓度变化Fig.5 Changes of DIN, DIP and COD in the nearshore of Sheyang Estuary in 2002—2021

4 结论

江苏射阳河口附近海域水质主要超标要素是无机氮和活性磷酸盐,其中无机氮平均质量浓度为0.757 mg/L,劣于第四类海水水质标准的站位数量比例达75.00%;活性磷酸盐平均质量浓度为0.022 mg/L,符合第四类海水水质标准的站位数量比例为8.33%。

研究海域所有站位存在富营养化现象(其中66.7%站位处于中、重度富营养化水平),氮、磷营养盐结构失衡,表现为广泛的磷的潜在限制状态,以“磷限制潜在性富营养”为主。

与其他河口结果相比,射阳河口富营养化程度处于中等水平;与历年研究海域结果相比,该海域富营养化水平持续加重,生态状况仍急需改善;河流输入和农业、交通运输业不断发展很可能是造成该海域出现严重富营养化状态的原因。因此,需要加强对射阳河口生态系统预警监测,更全面和精细化地掌握射阳河口附近海域富营养化程度和生态威胁因素,为江苏省海洋生态预警监测工作和生态保护修复工作提供有效支撑。