2015年靖海灣及五壘島灣海域表層海水化學(xué)要素時空分布特征及潛在富營養(yǎng)化評價

劉陽 李洪濤 于國慶 張龍飛

摘要：于2015年春季、夏季及秋季3個航次對威海南部靖海灣及五壘島灣海域進(jìn)行表層海水水質(zhì)調(diào)查并進(jìn)行了富營養(yǎng)化評價。結(jié)果表明：調(diào)查海域表層海水水質(zhì)符合二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，受磷限制影響;葉綠素-a春季航次（0.660 μg/L）含量偏低，夏季航次（0.808 mg/L）達(dá)到最高值;溶解氧春季航次（10.711 mg/L）高于夏季航次（8.940 mg/L）及秋季航次（8.678 mg/L），近岸區(qū)域出現(xiàn)低值區(qū);無機氮秋季航次（0.146 mg/L）最高，活性磷酸鹽（0.013 mg/L）及化學(xué)需氧量（1.316 mg/L）夏季航次最高，三者受外源河流輸入的影響呈現(xiàn)從近岸區(qū)域向外海逐漸降低的趨勢;活性硅酸鹽主要受海洋本底的影響;夏秋航次在靖海灣河流入?？趨^(qū)域出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：靖海灣及五壘島灣海域;表層海水;海水化學(xué)要素;富營養(yǎng)化

為了客觀評價靖海灣及五壘島灣海域海水化學(xué)要素水平及富營養(yǎng)化狀況[1-2]，于2015年春、夏及秋分別進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查，測定了表層海水中溶解氧（DO）、葉綠素-a、無機氮（DIN）、活性磷酸鹽磷（DIP）、活性硅酸鹽（DISi）、化學(xué)需氧量（COD）含量，并進(jìn)行了富營養(yǎng)化評價。

1調(diào)查方法與評價

1.1樣品采集與測定

2015年3月中旬（春季航次）、7月中旬（夏季航次）及10月中旬（秋季航次）分別于靖海灣及五壘島灣海域采集表層海水，共26個站位，站位設(shè)置如圖1所示。調(diào)查因子包括：水深、溫度、鹽度、pH、溶解氧（DO）、葉綠素-a、無機氮（DIN）（包含硝酸鹽、亞硝酸鹽及氨氮）、活性磷酸鹽（DIP）、活性硅酸鹽（DISi）及化學(xué)需氧量（COD）。為了探究調(diào)查海域污染主要來源，還對青龍河、昌陽河、黃壘河及母豬河等主要入海河流進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查因子包括徑流量、水深、COD及氨氮等。樣品的采集、存貯、運輸、預(yù)處理及測定參照《海洋調(diào)查規(guī)范》[3]進(jìn)行。

1.2評價方法

1.2.1單項污染指數(shù)法研究海域海水水質(zhì)參考《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，并采用單項污染指數(shù)法[4-5]進(jìn)行評價，公式如下：

Si，j=Ci，jCsi

式中：Si，j為水質(zhì)參數(shù)i（DIN、DIP、COD）在站位j的單項污染指數(shù)，Ci，j為水質(zhì)參數(shù)i在站位j的含量，Csi為海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)參數(shù)i的標(biāo)準(zhǔn)值。

DO的單項污染指數(shù)計算方法為：

SDO，j=DOf-DOjDOf-DOsDOj≥DOs

SDO，j=10-9DOjDOsDOj

DOf=468/（31.6+T）

其中DOf為海水溫度為T攝氏度時的飽和溶解氧濃度，DOj為站位j測定的溶解氧濃度，DOs為海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)值。

如果Si，j>1或者SDO，j>1，表明調(diào)查海域該水質(zhì)參數(shù)超出了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，存在污染情況。如果Si，j≤1及SDO，j≤1，表明調(diào)查海域該水質(zhì)參數(shù)可以滿足調(diào)查海域的功能需要。

1.2.2富營養(yǎng)化評價富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)[6-7]計算公式如下：

E=CCOD×CDIP×CDIN×1064 500

式中：E為富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)，CCOD、CDIP、CDIN分別為海水化學(xué)需要量（COD）、活性磷酸鹽磷（DIP）及無機氮（DIN）的測定值，單位為mg/L。其中01.00為富營養(yǎng)，E>2.00為高富營養(yǎng)。

2調(diào)查結(jié)果

2.1化學(xué)要素含量與單項污染指數(shù)

按照《山東省海洋功能區(qū)劃》（2011-2020）[8]及《威海市海洋功能區(qū)劃》（2013-2020）[9]相關(guān)規(guī)定，靖海灣及五壘島灣海域需要符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。3個航次表層海水DO、DIN、DIP、COD、葉綠素-a、DISi含量及單項污染指數(shù)如表1所示。3個航次DO含量為7.610～11.800 mg/L，符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（>6.000 mg/L）;DIN含量為0.024～0.227 mg/L，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.200～0.300 mg/L）;DIP含量為0.002～0.026 mg/L，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.015～0.030 mg/L）;COD含量為0.421～2.065 mg/L，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（<3.000 mg/L）;葉綠素-a含量為0.048～4.510 μg/L;DISi含量為0.151～ 0.788 mg/L。調(diào)查結(jié)果表明，靖海灣及五壘島灣海域表層海水DO、DIN、DIP及COD單項污染指數(shù)均小于1，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好。與李洪濤等[10]2013年在該海域的調(diào)查比較，DIN均低于2013年相應(yīng)調(diào)查航次（春季航次0.203 mg/L，夏季航次0.210 mg/L，秋季航次0.200 mg/L）;DIP春季航次低于2013年春季航次（0.010 mg/L），夏季航次及秋季航次與2013年調(diào)查相應(yīng)航次較為接近（夏季航次0.012 mg/L，秋季航次0.012 mg/L）;DO均高于2013年調(diào)查（春季航次6.940 mg/L，夏季航次7.180 mg/L，秋季航次6.950 mg/L）;COD春季航次及夏季航次略高于2013年調(diào)查相應(yīng)航次（春季航次0.940 mg/L，夏季航次1.260 mg/L），秋季航次略低于2013年秋季航次（1.400 mg/L）。表明調(diào)查海域表層海水水質(zhì)情況較2013年有所好轉(zhuǎn)，尤其是DIN有明顯降低。

2.2海水化學(xué)要素時空分布

2.2.1營養(yǎng)鹽分布海水中的無機氮（DIN）（由NO-3-N、NO-2-N及NH+4-N組成）及活性磷酸鹽（DIP）是海洋中重要營養(yǎng)鹽，是海洋浮游植物及大型海藻生長繁殖所必需的營養(yǎng)鹽，主要來源有海洋本底、陸源性徑流輸入及海洋生物排泄、死亡分解等[11]。DIN結(jié)果表明，調(diào)查海域表層海水符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中秋季航次DIN均值最高（0.146 mg/L），春季航次DIN均值最低（0.127 mg/L），3個季節(jié)平面分布均呈現(xiàn)從海岸線向外海逐漸降低的趨勢（圖2），河口海域含量明顯高于非河口地區(qū)，尤其是青龍河口區(qū)域;DIP分析表明，春季航次表層海水符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，夏季航次及秋季航次DIP濃度升高，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，平面分布也呈現(xiàn)從河口向外海逐漸降低的趨勢（圖3）。主要入海河流污染源分析發(fā)現(xiàn)，COD、氨氮及總磷輸入量在春季航次最低，夏季航次最高（表2），夏秋季節(jié)為河流豐水期，河流徑流攜帶大量的工農(nóng)業(yè)廢水和城市生活污水進(jìn)入調(diào)查海域，污染物輸入量季節(jié)變化趨勢與表層海水營養(yǎng)鹽及COD基本一致，表明調(diào)查海域的污染源主要來自于入海河流輸入。此外，DIN及DIP的變化還受到浮游植物、大型海藻及養(yǎng)殖生物生長的影響，春季浮游植物及大型海藻生長旺盛，消耗掉大量的營養(yǎng)鹽[12]，而秋季養(yǎng)殖生物生長旺盛，排泄物及死亡生物經(jīng)分解再生為DIN及DIP。

2.213活性硅酸鹽（DISi）是海洋浮游植物特別是硅藻類生長必需的營養(yǎng)鹽類之一[11]。靖海灣及五壘島灣海域DISi分析表明，調(diào)查海域DISi濃度（0.151～0.788 mg/L）相對其他海域較高（萊州灣0.317 mg/L，膠州灣0.197 mg/L）[2，11]。春季航次為江河徑流的枯水期，然而春季航次的DISi高于夏秋季節(jié)，說明該海域DISi主要來源為海洋本底，外源輸入較少。春季航次磷元素含量較低，限制了浮游植物的正常生長，因此活性硅酸鹽吸收不明顯，而夏秋季節(jié)，大量外源河水的輸入，營養(yǎng)鹽豐富，利于硅藻的大量繁殖，因此DISi含量有所降低（圖4）。

2.2.2葉綠素-a及溶解氧分布葉綠素-a是表征浮游植物現(xiàn)存生物量的重要指標(biāo)[13]。葉綠素-a濃度的高低受光輻射、溫度、透明度和營養(yǎng)鹽等多方面因素的影響。JUSTIC等[14]和DORTCH[15]等提出了一個系統(tǒng)評估營養(yǎng)鹽限制的標(biāo)準(zhǔn)：（1）若DISi/DIP>22和DIN/DIP>22（單位為摩爾濃度），則磷酸鹽為限制因素;（2）若DIN/DIP<10和DISi/DIN>1，則無機氮為限制因素;（3）若DISi/DIP<10和DISi/DIN<1，則無機硅為限制因素。數(shù)據(jù)分析表明，調(diào)查海域春季航次DISi/DIP=173，DISi/DIN=2，DIN/DIP=88;夏季航次DISi/DIP=48，DISi/DIN=2，DIN/DIP=29;秋季航次DISi/DIP=57，DISi/DIN=1，DIN/DIP=41。因此調(diào)查海域活性磷酸鹽為限制因素。郭衛(wèi)東等[7]認(rèn)為DIP濃度低于0.015 mg/L或者DIN低于0.200 mg/L時，浮游植物就不能正常繁殖，而調(diào)查海域春季航次DIP最高濃度為0.008 mg/L，因此春季航次浮游植物生長受到限制，導(dǎo)致葉綠素-a濃度偏低，夏季航次，隨著河流外源輸入的增加，磷元素含量上升，因此浮游植物開始大量生長繁殖，葉綠素-a濃度達(dá)到最高點，而秋季航次為養(yǎng)殖生物的快速生長期，大量的浮游植物被攝食，葉綠素-a的濃度降低（圖5）。

DO數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，春季航次的DO含量為三個航次中最高的（10.711 mg/L），其次為夏季航次（8.940 mg/L），秋季航次最低（8.678 mg/L），這是因為夏秋季節(jié)為入海河流的豐水期，大量外源COD輸入（表3），有機物的降解過程消耗了浮游植物及大型海藻釋放的氧氣，導(dǎo)致夏秋季節(jié)DO的總體濃度偏低[16]。同樣春季航次中河口區(qū)域出現(xiàn)低值區(qū)也是因為河流COD的輸入引起的（圖6）。

2.2.3化學(xué)需氧量分布特征化學(xué)需氧量（COD）反映了調(diào)查海域的水質(zhì)有機污染情況。COD結(jié)果表明：夏季航次（1.316 mg/L）>秋季航次（1.175 mg/L）>春季航次（0.974 mg/L），這是因為夏季為外源入海河流豐水期，輸入大量的外源有機物（表2）。COD含量呈現(xiàn)從海岸線向外海逐漸降低的趨勢。尤其是在靖海灣，出現(xiàn)高值區(qū)域（圖7）。

2.3富營養(yǎng)化評價

海洋富營養(yǎng)化能使生態(tài)失去平衡，在一定條件下會造成赤潮發(fā)生[17]。靖海灣及五壘島灣海域富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)（E）分析表明春季航次所有站位E<1，夏季航次1、2、3、4、6站位E>1，秋季航次1、2、3站位E>1（表4），富營養(yǎng)化站位均位于靖海灣內(nèi)，且在青龍河入?？谔?，因此富營養(yǎng)來源主要為青龍河的外源輸入及養(yǎng)殖活動。調(diào)查海域的富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)從海岸向外海逐漸降低的趨勢（圖8）。

3結(jié)論

靖海灣及五壘島灣海域表層海水水質(zhì)良好，受磷元素限制，符合規(guī)定的功能需要。春季航次葉綠素-a濃度偏低，夏季航次出現(xiàn)最高值;溶解氧濃度春季航次高于夏秋季節(jié)，在近岸區(qū)域尤其是河口區(qū)域受COD輸入的影響出現(xiàn)低值區(qū);表層海水DIN、DIP及COD受河流外源輸入的影響平面分布均呈現(xiàn)從海岸線向外海逐漸降低的趨勢;調(diào)查海域DISi三個航次無明顯差異，海洋本底較高。同2013年調(diào)查比較，調(diào)查海域水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，尤其是DIN。

富營養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)分析表明，調(diào)查海域春季航次無富營養(yǎng)化出現(xiàn)，而夏秋季節(jié)在靖海灣河流入?？谔幊霈F(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。

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Spatial-temporal distribution of chemical parameters and eutrophication evaluation in surface water of Jinghai Bay and Wuleidao Bay in 2015

LIU Yang1，LI Hongtao2，YU Guoqing2，ZHANG Longfei2

（1. College of Marine Life Sciences， Ocean University of China， Qingdao 266003， China;2. Wendeng Marine Environmental Monitoring Station of the State Oceanic Administration， Weihai 264400， China;）

Abstract：The investigation was carried out in the spring， summer and autumn of 2015 to evaluate the surface water in Jinghai Bay and Wuleidao Bay. The analysis of samples found that the surface water of investigating area met the requirement of the second quality standard of sea water and was in the absence of inorganic phosphorus （DIP）. The concentration of chlorophyll a in spring was the lowest（0.660 mg/L）and the highest concentration was found in summer（0.808 mg/L）. The concentration of dissolved oxygen （DO） in spring （10.711 mg/L） was higher than summer（8.940 mg/L） and autumn（8.678 mg/L）. DO from the coast sites was lower than those from the open sea. Inorganic nitrogen （DIN） was higher in autumn（0.146 mg/L）than spring and summer， DIP （0.013 mg/L）and COD（1.316 mg/L）were higher in summer and they were all affected by external resource input， decreasing gradually from the coastal area to the open sea. The inorganic silicate （DISi） was mainly influenced by marine background. The analysis of eutrophication showed that eutrophication status appeared in the estuary area of Jinghai Bay in summer and autumn.

Key words：Jinghai Bay and Wuleidao Bay; surface water; chemical parameters; eutrophication