中國(guó)主要河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征及差異分析

李俊龍,鄭丙輝,張鈴松,金小偉,胡序朋,劉 方,邵君波(.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 0002；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京0002；.浙江省舟山海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江 舟山 6000)

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中國(guó)主要河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征及差異分析

李俊龍1,2,鄭丙輝2*,張鈴松1,2,金小偉1,胡序朋3,劉 方1,邵君波3(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012；3.浙江省舟山海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江 舟山 316000)

摘要：針對(duì)我國(guó)65個(gè)沿海河口海灣,基于自然地理數(shù)據(jù)及2007～2012年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用箱須圖法、聚類分析、相關(guān)性分析和主成分分析等方法,探討河口海灣間富營(yíng)養(yǎng)化特征、差異性及主要原因.結(jié)果表明,大型河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)值相對(duì)較高,但河口海灣間富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)指標(biāo)值存在一定差異.DIN、P O43--P和COD是河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征的第1主成分,DO和Chl-a是第2主成分,鹽度、水深、潮差和面積等是第3主成分,河口海灣水體Chl-a濃度與TN入海量(P<0.01)、DIN(P<0.01)、PO43--P(P<0.05)、流量(P<0.01)、溫度(P<0.05)呈顯著性正相關(guān),同時(shí)與潮差(P<0.05)和鹽度(P<0.01)和DO(P<0.01)呈顯著性負(fù)相關(guān).表明營(yíng)養(yǎng)鹽入海量增多是引起河口海灣一系列富營(yíng)養(yǎng)化癥狀的主要因素,但河口海灣自然屬性會(huì)調(diào)節(jié)其富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),造成系統(tǒng)間響應(yīng)特征的差異.潮差小于2.5m的河口海灣,其營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化效率明顯高于潮差大于2.5m的河口海灣.說明河口海灣潮差可通過改變水體滯留時(shí)間、垂直混合和光照條件等,調(diào)節(jié)浮游植物生物量對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的敏感性.此外,與外海的水體交換,海洋生物的捕食,及其他形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的供給等作用,也會(huì)影響河口海灣水體Chl-a的水平.人類活動(dòng)帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入,以及河口海灣特有的自然屬性,共同決定了其富營(yíng)養(yǎng)化特征的差異和程度.

關(guān)鍵詞：河口海灣；富營(yíng)養(yǎng)化；差異分析；敏感性

? 責(zé)任作者, 研究員, zhengbh@craes.org.cn

近20年來,我國(guó)營(yíng)養(yǎng)鹽入海通量持續(xù)升高,沿岸海域特別是河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重,其導(dǎo)致一系列的生態(tài)系統(tǒng)異常響應(yīng),包括赤潮頻發(fā)、底層水體缺氧、沉水植物消亡、營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)與利用效率加快等.整個(gè)河口海灣生態(tài)系統(tǒng),也會(huì)伴隨著富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展,呈現(xiàn)生物多樣性下降、生物群落結(jié)構(gòu)趨于單一和生態(tài)系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定等現(xiàn)象[1].河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)生,通常與水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高有關(guān)[2-3],同時(shí)葉綠素a(Chl-a)、水生植物(包括高等水生植物和浮游植物)的初級(jí)生產(chǎn)力等生物學(xué)或生態(tài)學(xué)指標(biāo),可直接反映富營(yíng)養(yǎng)化程度[4-6].但即使在相同營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷條件下,由于河口海灣地理、水文和環(huán)境等獨(dú)特屬性,不同河口海灣間的初級(jí)生產(chǎn)力響應(yīng)指標(biāo)(生物量和Chl-a濃度)也存在明顯差異,生態(tài)系統(tǒng)甚至?xí)霈F(xiàn)優(yōu)勢(shì)種群的變化[7].已有研究發(fā)現(xiàn),美國(guó)Chesapeake灣的浮游植物似乎比Delaware灣和Hudson河口能夠吸收更多的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷[8].無論在冬季還是夏季,排入大量氮肥的法國(guó)Brest灣和Morlaix灣的Chl-a濃度都沒有明顯變化[9].在我國(guó),盡管長(zhǎng)江口具有較高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,但是由于表層水體透明度較差等因素影響,導(dǎo)致其浮游植物生長(zhǎng)受到抑制,生物量達(dá)不到與營(yíng)養(yǎng)鹽相應(yīng)的水平,反而在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低的外海區(qū)經(jīng)常暴發(fā)大規(guī)模赤潮[10].近些年,秦皇島北戴河毗鄰海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度并不異常,卻連續(xù)暴發(fā)微藻赤潮.造成這些現(xiàn)象異化的原因,主要是河口海灣間營(yíng)養(yǎng)鹽的利用效率存在差異,通常與河口海灣的流量、水深、面積、溫度和渾濁度等地理和環(huán)境因素有關(guān)[11].如在煙臺(tái)四十里灣發(fā)現(xiàn),大量降水和高溫成為浮游植物快速生長(zhǎng)的觸發(fā)條件[12].美國(guó)Maine灣西南部海域的潮汐作用增強(qiáng)了水體混合,使海灣內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游植物濃度升高[13].這些河口海灣劇烈變化的化學(xué)和生態(tài)特征,使人們認(rèn)識(shí)河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化問題更加困難,其中浮游植物生物量、生長(zhǎng)的控制和調(diào)節(jié)因素始終是研究的焦點(diǎn).

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已對(duì)不同區(qū)域湖泊和水庫的富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)及驅(qū)動(dòng)要素差異性進(jìn)行了探索[14-16],然而對(duì)于全國(guó)大尺度河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域差異,相關(guān)研究資料還較少.我國(guó)約有200多個(gè)河口海灣,其環(huán)境條件多樣,具有獨(dú)特的循環(huán)、復(fù)雜地形、大尺度水平和垂直梯度,以及河海邊界迥異的時(shí)空動(dòng)力學(xué)等特性[17].隨著近些年資源破壞和環(huán)境污染,這些河口海灣中的很多已處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).在入海營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷持續(xù)高壓的背景下,河口海灣赤潮、綠潮等環(huán)境問題早已超越局部和“點(diǎn)源”的范圍,大時(shí)空尺度的富營(yíng)養(yǎng)化問題越來越受到關(guān)注.因此,以我國(guó)大尺度空間范圍的河口海灣為對(duì)象,研究自然和人為因素對(duì)其富營(yíng)養(yǎng)化特別是Chl-a的影響方向與作用強(qiáng)度,比較其富營(yíng)養(yǎng)化特征及差異性,有助于認(rèn)識(shí)我國(guó)河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化特征.

1 材料與方法

1.1 資料來源

結(jié)合全國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的入海河流監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,將流入同一河口海灣的多個(gè)河流斷面通量進(jìn)行歸并.進(jìn)一步剔除入海徑流量極小、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和物理特征資料不完整的部分河口海灣,最終確定65個(gè)河口海灣作為研究對(duì)象,見表1.河口海灣水質(zhì)、入海河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來自全國(guó)沿海74個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站101個(gè)入?？跀嗝妗?60個(gè)沿岸點(diǎn)位2007～2012年的監(jiān)測(cè)結(jié)果,見表2.入海河流徑流量主要引用各地水文站結(jié)果,部分為環(huán)境監(jiān)測(cè)站同步實(shí)測(cè)結(jié)果.采樣、分析和評(píng)價(jià)時(shí)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[18-19].海灣的深度、面積等數(shù)據(jù)引自《中國(guó)海灣志》[17],其他部分河口范圍和面積根據(jù)下述方法確定:河長(zhǎng)400km以上的大徑流入海河口,根據(jù)淡鹽水混合及環(huán)流特征,通過Kriging插值生成鹽度等值線,以鹽度30‰確定海陸分界線;河長(zhǎng)400km以下的小徑流入海河口,根據(jù)幾何形態(tài)法和地貌沉積法[20]確定海陸分界線.河口面積以國(guó)家測(cè)繪局認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)化1:10萬電子地圖為底圖,WGS_1984_ARC_System_Zone_01為坐標(biāo)系統(tǒng),在ArcMap10.0中劃定河口范圍,通過Calculate Geometry計(jì)算獲得.

表1　主要河口海灣名錄Table 1 List of main estuaries in China

1.2 數(shù)據(jù)處理和分析

(1)箱須圖法(Box and Whisker Plot)

箱須圖利用數(shù)據(jù)中的5個(gè)統(tǒng)計(jì)量:最小值、第25 百分位數(shù)、中位數(shù)、第75 百分位數(shù)與最大值,來反映一組或多組連續(xù)型定量數(shù)據(jù)的集中和離散趨勢(shì).其能客觀地反映水質(zhì)指標(biāo)變化情況和分布結(jié)構(gòu),并進(jìn)行多批數(shù)據(jù)的比較和分析[21].使用Origin 8.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)各河口海灣2007～ 2012年的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行箱須圖分析.

(2)聚類分析、相關(guān)性分析和主成分分析

聚類分析通過建立模糊相似矩陣,運(yùn)用相似系數(shù)法進(jìn)行標(biāo)定.性質(zhì)越接近的樣本,相似系數(shù)越接近于1或-1;彼此無關(guān)的樣本相似系數(shù)則接近于0[22].相關(guān)性分析通過計(jì)算河口海灣的Chl-a、面積、水深、潮差、流量、溫度、鹽度、溶解氧(DO)、溶解態(tài)無機(jī)氮(DIN)、懸浮物、活性磷酸鹽(PO43--P)和化學(xué)需氧量(COD)所對(duì)應(yīng)的偏相關(guān)系數(shù)并作顯著性檢驗(yàn),觀察Chl-a與其他指標(biāo)之間的關(guān)系.主成分分析法是在盡可能保留原有信息量的前提下,用較少的維度去描述原來的數(shù)據(jù)信息,通過降維以構(gòu)建少數(shù)幾組起主導(dǎo)作用、互不相關(guān)的主成分,從而避免由于指標(biāo)數(shù)據(jù)間錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)性而導(dǎo)致分析困難的問題.文中均采用SPSS17.0軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析、相關(guān)性分析和主成分分析[23].

表2　65個(gè)河口海灣主要指標(biāo)范圍Table 2 Statistics parameters of main indicator in estuaries

(3)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)計(jì)算

富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)EI最早在日本使用,后由我國(guó)學(xué)者研究渤海灣富營(yíng)養(yǎng)化問題時(shí)進(jìn)行了修訂[24]:

式中:DIP代表PO43--P,當(dāng)EI≥1表示水體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),EI值越大表示富營(yíng)養(yǎng)化程度越嚴(yán)重.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于地理特性的河口海灣聚類分析

以65個(gè)河口海灣為對(duì)象,將面積、水深、潮差、流量、溫度和鹽度等6個(gè)指標(biāo)作為變量,利用R聚類進(jìn)行變量的降維處理,可以得到聚類分析樹形圖,見圖1.取標(biāo)尺為20,則所有河口海灣可分為兩類,其中遼東灣、渤海灣、萊州灣和長(zhǎng)江口作為第1類,從規(guī)模和水體物理特性上代表了我國(guó)大型河口海灣的特點(diǎn);第2類在標(biāo)尺為10的尺度上可再細(xì)分,杭州灣和珠江口作為一類,從規(guī)模和水體物理特性上代表了中型河口海灣的特點(diǎn),其他河口海灣則代表了我國(guó)小型河口海灣的特點(diǎn).為便于分析和比較,可將杭州灣和珠江口也納入大型河口海灣范疇.經(jīng)統(tǒng)計(jì),6個(gè)大型河口海灣平均面積約為其他小型河口海灣的50倍,平均水深超出約6m,平均潮差高出約3.4m,平均流量是小型河口海灣的43倍,平均水溫約低0.4 ℃,平均鹽度約低7.4 ‰,說明大型與小型河口海灣的地理和物理特征總體上存在較大差異.

圖1　河口海灣聚類分析Fig.1 The clustering analysis of estuaries

2.2 河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)比較

圖2的EI指數(shù)顯示,大型河口海灣中,渤海灣、長(zhǎng)江口、杭州灣和珠江口富營(yíng)養(yǎng)化水平較高,EI指數(shù)遠(yuǎn)大于1.0;小型河口海灣中,欽州灣、閩江口、膠州灣、溫州灣、北排河口、大遼河口、福清灣、海河口、遼河口和泉州灣等EI指數(shù)>1.0,富營(yíng)養(yǎng)化水平明顯高于其他河口海灣.圖3中,河口海灣的DIN濃度超標(biāo)最多,有21個(gè)超出《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》25]Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(0.450mg/L);PO43--P濃度超標(biāo)其次,有10個(gè)超出《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(0.030mg/L); OD濃度超標(biāo)最少,所有河口海灣均達(dá)到《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(3.0mg/L).相比較而言,大型河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)總體高于小型河口海灣,DIN、PO43--P和COD平均濃度分別高了184.0％,80.1％ 和34.9％.其中,長(zhǎng)江口、杭州灣和珠江口DIN濃度明顯較高,平均濃度分別達(dá)到1.713,0.776和 0.905mg/L;杭州灣PO43--P濃度最高,平均濃度達(dá)到0.050mg/L.小型河口海灣中,海河口DIN濃度最高,平均濃度達(dá)到0.884mg/L;福清灣PO43--P濃度最高,平均濃度達(dá)到0.035mg/L.

圖2　2007～2012年65個(gè)河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的變化Fig.2 The variation characteristics of eutrophication index in the estuaries from 2007 to 2012　橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表1中河口海灣序號(hào);水平線代表EI=1.0,超過1.0即為富營(yíng)養(yǎng)化;垂直線左側(cè)為大型河口海灣,右側(cè)為小型河口海灣

圖3　2007～2012年65個(gè)河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)DIN、PO43--P、COD的變化Fig.3 The variation characteristics of DIN, PO43--P and COD in the estuaries from 2007 to 2012　水平線代表海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類濃度;垂直線含義同上

2.3 河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)指標(biāo)比較

由圖4可見,大型河口海灣Chl-a濃度水平明顯高于小型,前者平均濃度高出后者123.0％;而DO濃度水平大型河口海灣略低于小型,前者平均濃度低于后者2.0％.這與河口海灣狀態(tài)指標(biāo)DIN、PO43--P和COD反映的富營(yíng)養(yǎng)化水平相一致,河口海灣營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平越高,將引起浮游植物生物量增多,其生物碎屑沉降后,進(jìn)一步降解導(dǎo)致底層水體溶解氧濃度降低.同時(shí)注意到,雖然長(zhǎng)江口、杭州灣的Chl-a平均濃度分別達(dá)到10.870, 13.388μg/ L;DO平均濃度分別達(dá)到7.465, 7.860mg/L,但是與其EI指數(shù)所反映的富營(yíng)養(yǎng)化水平并不匹配.反而是EI指數(shù)較低的渤海灣和珠江口Chl-a濃度相對(duì)更高,分別為18.283, 17.600μg/L;DO濃度更低,分別為7.598, 6.061mg/L.這種現(xiàn)象也存在于其他河口海灣,例如膠州灣和乳山灣的EI指數(shù)在小型河口海灣中并非最高,但Chl-a平均濃度分別達(dá)到26.257, 16.363μg/L;DO平均濃度分別為8.302, 7.948mg/L.同時(shí),部分河口海灣懸浮物含量與Chl-a等指標(biāo)的變化呈現(xiàn)相反趨勢(shì),如杭州灣、大遼河口和遼河口Chl-a濃度較低,其懸浮物含量明顯高于其他河口海灣,分別達(dá)到692.2,305.8, 515.1mg/L,說明懸浮物對(duì)浮游植物吸收利用營(yíng)養(yǎng)鹽起到一定程度的抑制作用.

圖4　2007～2012年65個(gè)河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化響應(yīng)指標(biāo)Chl-a、DO和懸浮物(SS)的變化Fig.4 The variation characteristics of Chl-a, DO and suspended substance (SS) in the estuaries from 2007 to 2012　(a)中水平線代表Chl-a濃度為5 μg/L; (b)中水平線代表海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類濃度;垂直線含義同上

3 討論

3.1 影響河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化程度的主要因素

2007～2012年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)河口海灣的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)水平和富營(yíng)養(yǎng)化程度表現(xiàn)出較明顯的多樣性.這一方面受沿岸開發(fā)強(qiáng)度、污染源輸入規(guī)模、管理模式等人為因素的影響;另一方面可能與河口海灣自身的地貌形態(tài)、水動(dòng)力條件、水交換周期等自然因素有關(guān)[26].河口海灣是流域物質(zhì)的歸宿,流域人類活動(dòng)導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境變化通常在河口海灣表現(xiàn)出來.比較發(fā)現(xiàn),我國(guó)大型河口海灣DIN,PO43--P和COD等富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)明顯高于小型,主要因?yàn)榍罢邔?duì)流域污染物的受納量遠(yuǎn)高于后者.近些年,我國(guó)環(huán)渤海、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲等地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速,入海流域成為陸源污染物排海的主要通道.根據(jù)2007～2012年各污染物入海量年均值的統(tǒng)計(jì),排入大型河口海灣的TN、總磷(TP)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)入海量,分別達(dá)到2.13×106,2.08× 105,2.5×106t/a,占到65個(gè)河口海灣入?？偭康?4.2％、90.8％和76.0％,見圖5.人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量營(yíng)養(yǎng)鹽通過流域進(jìn)入海域,為河口海灣水體浮游植物生長(zhǎng)提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ),從而成為富營(yíng)養(yǎng)化程度加重的根源.

圖5　2007～2012年65個(gè)河口海灣入海斷面TN、TP和CODMn排海量的年均值Fig.5 The annual average value of TN, TP and CODMnin the 65estuaries from 2007 to 2012 The vertical line represents as before　垂直線含義同上

表3　河口海灣各指標(biāo)主成分貢獻(xiàn)率Table 3 The principal component contribution rate of each indicator

人為因素和自然因素通常協(xié)同作用,進(jìn)而影響河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程.除污染物入海量外,河口海灣的自然屬性也是影響其生態(tài)狀況的重要因素,并能很大程度上調(diào)節(jié)部分河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化特征,造成系統(tǒng)間的差異.河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,Bartlett球度檢驗(yàn)相伴概率為0,小于顯著性水平0.05.表4主成分分析顯示,前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)65.709％,能夠代表河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)指標(biāo)的大部分信息.圖5主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷表明,在第1主成分中,DIN、PO43--P和COD值較大;在第2主成分中,DO和Chl-a值較大;而第3主成分中,鹽度、水深、潮差和面積的值較大.3個(gè)主成分相互獨(dú)立,揭示了不同的富營(yíng)養(yǎng)化影響因素:第1主成分的貢獻(xiàn)率為34.653％,是河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)影響因素,代表了水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平;第2主成分的貢獻(xiàn)率為18.847％,是河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的重要影響因素,代表了藻類的生長(zhǎng)狀況及對(duì)水質(zhì)的間接影響;第3主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到12.209％,是河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的較重要影響因素,代表了河口海灣物理屬性對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化過程的作用.總之,人為因素是造成河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的主因,但也不能忽視自然因素對(duì)河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化過程的影響.

圖6　河口海灣各指標(biāo)旋轉(zhuǎn)因子載荷Fig.6 The load chart of each indicator in the estuary

3.2 影響河口海灣水體Chl-a濃度的主要因素

表4中,Chl-a濃度與面積、水深、潮差、流量、溫度、鹽度、DO、DIN、懸浮物、PO43--P、COD等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),Chl-a與部分指標(biāo)間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,其中與流量(P<0.01)、溫度(P<0.05)、DIN(P<0.01)、PO43--P(P<0.05) 和TN入海量(P<0.01)呈顯著性正相關(guān),而與潮差(P<0.05)、鹽度(P<0.01)和DO(P<0.01)呈顯著性負(fù)相關(guān).這反映了Chl-a濃度主要與河口海灣水體的物理和化學(xué)等影響因素有關(guān),營(yíng)養(yǎng)鹽尤其是氮入海量的增多是河口海灣浮游植物生物量顯著升高的根源.在富營(yíng)養(yǎng)化過程中,營(yíng)養(yǎng)鹽輸入量的增加能夠造成一系列復(fù)雜的響應(yīng)特征.首先是引發(fā)浮游植物的過度生長(zhǎng),甚至可能暴發(fā)有毒和有害赤潮等嚴(yán)重的環(huán)境問題.隨后,藻類死亡碎屑和有機(jī)物會(huì)大量向水體底層轉(zhuǎn)移,從而增加底棲動(dòng)植物的食物和養(yǎng)分.同時(shí),由于沉降到底層的有機(jī)物分解以及底棲動(dòng)物的繁殖和生長(zhǎng),也會(huì)消耗大量的DO.當(dāng)河口海灣區(qū)域垂直對(duì)流弱和水交換不良時(shí),底層水體DO的消耗量會(huì)超過供應(yīng)量,從而造成DO濃度的降低.Chl-a與鹽度呈顯著性負(fù)相關(guān),主要是因?yàn)镃hl-a與鹽度的空間分布特征密切相關(guān).河口海灣水體Chl-a隨水體鹽度分布狀況相反,通常是近岸濃度高而遠(yuǎn)岸濃度低,因此近岸浮游植物生物量一般也高于遠(yuǎn)岸海域.

表4　河口海灣Chl-a與物理屬性、環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 The correlation coefficient matrix of Chl-a, physical attributes and environmental factors

Chl-a濃度與河口海灣潮差呈顯著負(fù)相關(guān),表明潮差是影響浮游植物生物量的重要因素.當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽入海量一定時(shí),河口海灣水體滯留時(shí)間越長(zhǎng),浮游植物生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化利用效率越高[27].采用潮差等于2.5m對(duì)河口海灣進(jìn)行分類發(fā)現(xiàn),盡管其Chl-a和營(yíng)養(yǎng)鹽都呈顯著性正相關(guān),且與COD和懸浮物不存在顯著性關(guān)系,但是河口海灣間的富營(yíng)養(yǎng)化特征存在一定差異,見圖7.當(dāng)潮差<2.5m時(shí),Chl-a與DIN、PO43--P的線性關(guān)系分別為y = 3.89 + 9.57x (R = 0.774,P<0.01)和y = 2.40+ 324.5x(R = 0.638, P<0.01);當(dāng)潮差>2.5m時(shí),Chl-a 與DIN、PO43--P的線性關(guān)系分別為y = 3.20 + 3.67x (R = 0.586, P<0.01)和y = 2.85 + 92.6x (R = 0.480, P<0.01).前者比后者表現(xiàn)出更強(qiáng)的敏感性,其營(yíng)養(yǎng)鹽利用效率更高.這與潮汐作用對(duì)浮游植物生長(zhǎng)過程影響有關(guān).潮汐產(chǎn)生的機(jī)械能是水體垂直混合改變光照條件的重要驅(qū)動(dòng)力,而很多河口海灣水體的垂直混合時(shí)間只有5h[28],明顯少于浮游植物的裂殖時(shí)間及細(xì)胞生理調(diào)節(jié)時(shí)間,光照條件的波動(dòng)比細(xì)胞生理調(diào)整速度更快[29].潮差較大的河口海灣,垂直混合作用時(shí)間較短,其浮游植物細(xì)胞主要反映了光照波動(dòng)狀態(tài),并反饋影響了浮游植物的生物量和物種組成.當(dāng)潮差變小時(shí),水體透明度變大,能提高原光限制性浮游植物的營(yíng)養(yǎng)鹽利用效率,使Chl-a濃度持續(xù)升高[30].此外,水柱分層作用對(duì)水底邊界層的完整性也很重要[31].大潮期時(shí),潮差較大的河口海灣混合過程愈發(fā)增強(qiáng),減少了藻類在透光層的滯留時(shí)間,導(dǎo)致光合作用及Chl-a濃度降低.因此,伴隨潮汐混合的增強(qiáng)及分層作用的減弱,潮差較大的河口海灣浮游植物生物量往往出現(xiàn)減少的現(xiàn)象.另外,潮汐作用還可通過影響懸浮泥沙的輸運(yùn)和累積,調(diào)整水柱中的光可利用性,對(duì)浮游植物動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響.通常,潮汐驅(qū)動(dòng)的再懸浮作用被認(rèn)為是控制河口海灣懸浮顆粒物變化的主要機(jī)制[32].半日周期漲、落潮流的泥沙侵蝕和輸運(yùn)作用,對(duì)于潮差較大河口海灣是相當(dāng)重要的,其最大渾濁帶是一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展過程.相比而言,潮差較小河口海灣的最大渾濁帶則主要與河流汛期情況有關(guān),其泥沙負(fù)荷往往比大型河口海灣系統(tǒng)低一個(gè)量級(jí)[33].因此,在長(zhǎng)江口和杭州灣等渾濁區(qū),盡管水體可利用營(yíng)養(yǎng)鹽濃度達(dá)到一定水平,但由于泥沙引起大時(shí)空尺度水體渾濁,限制了水體的真光層,所以阻礙了藻類生物量達(dá)到其最大潛力值. 4

圖7　不同潮差河口海灣Chl-a與DIN、PO43--P、COD和SS的關(guān)系Fig.7 The relationship between Chl-a, DIN, PO43--P and SS in different estuaries

3.3 影響河口海灣水體Chl-a濃度的其他因素

近海中的平流、對(duì)流以及上升流,能使河口海灣與外海水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的交換作用,從而引起營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a濃度明顯變化.臺(tái)灣暖流的Chl-a濃度相對(duì)較低,其次表層的營(yíng)養(yǎng)鹽不能在夏季真光層被浮游植物吸收利用,經(jīng)過強(qiáng)烈的垂直混合后,這些被保存的營(yíng)養(yǎng)鹽可能作為長(zhǎng)江口的重要補(bǔ)充[34].

部分河口海灣的Chl-a濃度還與海洋生物的捕食作用息息相關(guān),尤其是萊州灣、長(zhǎng)江口和杭州灣等潮差較大的河口海灣,潮間帶往往會(huì)成為Chl-a的匯和氨氮的源.當(dāng)漲潮時(shí),由于這些河口海灣底棲生物的捕食作用,水體Chl-a在此過程中產(chǎn)生了虧損,造成Chl-a濃度降低;而當(dāng)退潮時(shí),由于沉積物生物地球化學(xué)作用在此過程中釋放了氨氮,造成水體氨氮濃度升高[35-37].由此可見,潮間帶浮游植物生物量和營(yíng)養(yǎng)鹽吸收效率越高,越有利于營(yíng)養(yǎng)鹽保存和在沉積物中的積累,一定程度上能削弱河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化.

另外,某些河口海灣其他形態(tài)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)明顯影響Chl-a濃度.從河口海灣向外海輸運(yùn)過程中,DIN通過生物地球化學(xué)過程轉(zhuǎn)化為DON的速率,遠(yuǎn)大于DON轉(zhuǎn)化為DIN的速率[38].例如,我國(guó)珠江口外海以有機(jī)氮為主,其比例甚至能占到總氮的80％[39].這種現(xiàn)象在世界其他河口海灣也較常見,部分河口海灣有機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽成分占多數(shù),浮游植物的生長(zhǎng)似乎更依賴于循環(huán)性營(yíng)養(yǎng)鹽[40],同時(shí)也發(fā)現(xiàn)部分河口海灣的Chl-a與DSi之間顯著性正相關(guān),TN相比DIN能更好的解釋Chl-a濃度的變化[41-42].

影響河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化效率的原因是復(fù)雜的,要準(zhǔn)確解釋這種差異性,必須綜合考慮各種影響因素的協(xié)同作用.同時(shí),對(duì)于河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià),其指標(biāo)選擇、閾值類型及時(shí)空代表性非常重要.為構(gòu)建科學(xué)、合理的河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法,有必要在傳統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化效率差異的影響.

4 結(jié)論

4.1 流域人類活動(dòng)帶來的營(yíng)養(yǎng)鹽入海是造成河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素,而河口海灣的自然屬性也會(huì)很大程度上調(diào)節(jié)其富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).在河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征的3個(gè)主成分中,DIN、PO43--P和COD是最主要的,其次是DO和Chl-a,然后是鹽度、水深、潮差和面積等.

4.2 營(yíng)養(yǎng)鹽入海量增多是造成河口海灣一系列富營(yíng)養(yǎng)化癥狀的共性原因,但河口海灣間富營(yíng)養(yǎng)化的響應(yīng)特征存在差異.影響河口海灣水體Chl-a濃度的主要因素,除了與TN入海量(P< 0.01)、DIN (P<0.01)、PO43--P(P<0.05)、流量(P<0.01)、溫度(P<0.05)呈顯著性正相關(guān)外,同時(shí)還與潮差(P<0.05)和鹽度(P<0.01)和DO(P<0.01)呈顯著性負(fù)相關(guān).潮差小于2.5m的河口海灣,其營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化效率明顯高于潮差大于2.5m的河口海灣.說明河口海灣潮差可通過改變水體滯留時(shí)間、垂直混合和光照條件等,調(diào)節(jié)浮游植物生物量對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的敏感性.

4.3 此外,河口海灣與外海的水體交換,海洋生物的捕食,及其他形態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽的供給等作用,也會(huì)影響河口海灣富營(yíng)養(yǎng)化特征特別是水體Chl-a的濃度.要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)河口海灣的富營(yíng)養(yǎng)化程度,應(yīng)在傳統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法的基礎(chǔ)上,綜合考慮各種影響因素的差異和協(xié)同作用.

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Eutrophication characteristics and variation analysis of estuaries in China.

LI Jun-long1,2, ZHENG Bing-hui2*, ZHANG Ling-song1,2, JIN Xiao-wei1, HU Xu-peng3, LIU Fang1, SHAO Jun-bo3(1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Zhoushan Marine Ecological Environmental Monitoring Station, Zhoushan 316000, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：506～516

Abstract：Eutrophication characteristics and variations were analyzed using four main statistical methods of box-plot analysis, cluster analysis, correlation analysis and principal component analysis, which were conducted based on natural geographic data and water quality monitoring data of 65 estuaries from 2007 to 2012 years in China. The results showed there was significant difference in eutrophication response indicators between the large-scale estuaries and small-scale estuaries. The eutrophication states of large-scale estuaries were more serious. It was also showed DIN, PO43--P and COD were the first principal component of eutrophication characteristics, followed as DO and Chl-a for second, and Depth, Tidal and Area for third. In addition, there was significant positive correlation between the Chl-a and TN input (P<0.01), DIN (P<0.01), PO43--P (P<0.05), inflow (P<0.01) and temperature (P<0.05), while there was significant negative correlation between chlorophyll a and tidal (P<0.05), salinity (P<0.01) and DO (P<0.01) in estuaries. It indicated the increase in nutrient input was the main factor which resulted in eutrophication symptoms. However, eutrophication state would be adjusted by typological factors and lead to different response characteristics among estuaries. The nutrient conversion efficiencies of estuarine tidal below 2.5m were higher than the ones above 2.5m. It is implied the eutrophication susceptibility to nutrient load could be regulated by changing water residence time, vertical mixing and light conditions. Furthermore, the Chl-a concentration were also influenced by water exchange with offshore area,book=507,ebook=190biological predation and other nutrient forms supply in estuary. The differences and extent of eutrophication among estuaries were determined synthetically by nutrient inputs from human activities, as well as natural attributes of the estuary.

Key words：estuary；eutrophication；variation analysis；susceptibility

作者簡(jiǎn)介：李俊龍(1982-)男,山東平度人,工程師,博士,主要從事水環(huán)境科學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.

基金項(xiàng)目：國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201309008)

收稿日期：2015-07-10

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2015)02-0506-11