膠州灣營養(yǎng)鹽的長期變化及其生態(tài)效應

徐菡悅,王保棟*,辛 明,孫 霞,王宗興,陳 衎,謝琳萍,林春野

(1.自然資源部 第一海洋研究所海洋生態(tài)研究中心,山東 青島266061;2.自然資源部 海洋生態(tài)環(huán)境與工程重點實驗室,山東 青島266061;3.北京師范大學 環(huán)境學院,北京100875)

膠州灣位于黃海西部的山東半島南岸(120°04'～120°23'E,35°58'～36°18'N),面積約370.6 km2,平均水深7 m,是一個被高度城市化環(huán)繞的半封閉海灣[1]。入灣河流包括大沽河、海泊河、李村河、樓山河、白沙河、墨水河等。近年來入灣河流徑流量明顯下降,以大沽河為例,2007年大沽河的年均徑流量為7.9億m3,至2017年已降至1.79億m3[2]。河流徑流量的下降和河流硬化改造工程與營養(yǎng)鹽濃度的變化密不可分[1]。隨著環(huán)膠州灣區(qū)域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,入灣陸源排污量(工農(nóng)業(yè)廢水和城市生活污水)及海水養(yǎng)殖廢水排放量等迅速增加,膠州灣承受了巨大的環(huán)境壓力,進而引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境效應,其中富營養(yǎng)化是膠州灣主要的生態(tài)環(huán)境問題之一。20世紀60年代至20世紀90年代膠州灣溶解無機氮(DIN)的年均濃度增加約7倍,溶解無機磷(DIP)的年均濃度增加約3倍[3];自20世紀90年代至21世紀初膠州灣營養(yǎng)鹽的年均濃度增速放緩[4]。有研究結(jié)果表明20世紀90年代至21世紀初膠州灣富營養(yǎng)化程度持續(xù)加重[5-7]。近十幾年,青島市市政府加大了對膠州灣的保護力度,膠州灣水質(zhì)狀況有所改善,目前膠州灣水質(zhì)狀況總體呈穩(wěn)中向好的趨勢[8]。

我們基于2018—2019年現(xiàn)場調(diào)查資料及歷史資料,分析總結(jié)了改革開放40 a來膠州灣營養(yǎng)鹽的歷史變化趨勢及其生態(tài)效應,以期深化對膠州灣營養(yǎng)狀況演變進程的認識,為制定膠州灣生態(tài)環(huán)境保護政策和措施提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 現(xiàn)場調(diào)查

2018-04,2018-08,2018-10和2019-01對膠州灣進行了現(xiàn)場調(diào)查(站位布設見圖1)。營養(yǎng)鹽、Chla、浮游動物的采樣、保存及測定方法均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[9]執(zhí)行。采用連續(xù)流動分析儀(德國SEAL 公司生產(chǎn)Qu AAtro39型)進行營養(yǎng)鹽濃度的測量,溶解無機氮(DIN)濃度為水體中溶解態(tài)亞硝酸氮、硝酸氮以及氨氮三者濃度之和。Chla樣品按《海洋調(diào)查規(guī)范》規(guī)定的萃取熒光法[10],用熒光光度計(美國Turner Designs公司生產(chǎn)10-AU 型)進行測定,計算Chla質(zhì)量濃度。

圖1 膠州灣調(diào)查站位( )Fig.1 The map of Jiaozhou Bay showing survey stations( )

1.2 歷史資料來源

膠州灣的歷史資料甚多,我們選取具有高空間覆蓋率(＞80%)、高時間頻率(營養(yǎng)鹽每年至少包含3個季節(jié)航次,Chla和浮游動物生物量每年至少包括2個季節(jié)航次)的數(shù)據(jù)(表1)。赤潮數(shù)據(jù)從文獻[11]及海洋環(huán)境質(zhì)量公報[8]中獲得,化肥施用量及工業(yè)廢水排放量從青島統(tǒng)計年鑒[2]中獲得。膠州灣的各項參數(shù)年均變化趨勢則用Origin軟件[12]計算的五年移動平均趨勢線來表示。

為了保證營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的可比性,分別用手工法和Qu AAtro 39型連續(xù)流動分析儀對2018年航次的營養(yǎng)鹽樣品進行測定,測定值均在系統(tǒng)誤差允許范圍內(nèi),Q檢驗顯示在a=0.01的顯著性水平下,2個方法不存在系統(tǒng)誤差。

表1 膠州灣營養(yǎng)鹽及生物因子數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources of nutrients and biological variables in the Jiaozhou Bay

2 結(jié)果與討論

2.1 2018—2019年膠州灣營養(yǎng)鹽濃度及分布特征

2018—2019年膠州灣現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)據(jù)中膠州灣表層海水中溶解態(tài)營養(yǎng)鹽的含量及空間分布特點表明膠州灣表層海水春季cDIN范圍為2.500～12.360μmol L-1,均值為5.430μmol L-1,cDIP范圍為0.065～0.970 μmol L-1,均值為0.260μmol L-1;夏季cDIN范圍為2.140～13.860μmol L-1,均值為4.070μmol L-1,cDIP范圍為0.130～2.000μmol L-1,均值為0.170μmol L-1;秋季cDIN范圍為9.680～43.210μmol L-1,均值為25.360μmol L-1,cDIP范圍為0.450～2.000μmol L-1,均值為0.970μmol L-1;冬季cDIN范圍為1.070～13.980μmol L-1,均值為6.000μmol L-1;cDIP范圍為0.130～0.420μmol L-1,均值為0.260 μmol L-1;膠州灣表層海水中營養(yǎng)鹽的空間分布特征(以cDIN為例見圖2)較為相似,高值點多出現(xiàn)在東北部的Q17站位、西部的Q2站位,低值點多出現(xiàn)在灣口Q14,Q18,Q19站位。具體分布特征:1)灣東北部為營養(yǎng)鹽最高值區(qū),灣北部和西部次之,灣口區(qū)最低;2)營養(yǎng)鹽濃度等值線均分別從灣東北部、北部和西部向灣中央及灣口遞減。主要原因是陸源輸入與膠州灣內(nèi)環(huán)流共同控制:陸源輸入的主要來源為徑流輸入,灣東北部河流眾多,且河流下游多為工業(yè)廢水及城市生活污水的主要排污通道[4],而灣西北部有徑流量最大的大沽河匯入,因此營養(yǎng)鹽濃度較高,此外沿岸排污及沿海養(yǎng)殖區(qū)的排放也是導致灣東北和西部營養(yǎng)鹽濃度較高的重要陸源輸入;膠州灣北部大部分海域存在多個環(huán)流場且流速均小于10 cm s-1,污染物難以擴散,自凈能力較弱[19];而灣口及灣中央營養(yǎng)鹽濃度較低,則是灣內(nèi)與灣外較低營養(yǎng)鹽水交換的結(jié)果。

圖2 2018—2019年膠州灣表層DIN 濃度(μmol L-1)平面分布Fig.2 Horizontal distributions of DIN concentration(μmol L-1)in the surface water of Jiaozhou Bay in 2018—2019

2.2 近40 a營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化

分析表明近40 a膠州灣營養(yǎng)鹽濃度的季節(jié)變化較大,且不同年份季節(jié)變化規(guī)律不盡相同(圖3)。冬、春季膠州灣營養(yǎng)鹽濃度的年際變化幅度較小,而夏、秋季則變化幅度較大。夏、秋季出現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度高值的頻率較高,冬、春季節(jié)則相反,這可能是陸源輸入量和浮游植物生長的季節(jié)變化所致。冬、春季降雨量較少,營養(yǎng)鹽隨淡水的輸入量相應較小,同時冬末春初正值浮游植物生長發(fā)育的高峰期,浮游植物的生長消耗水體中大量的營養(yǎng)鹽[14],從而導致冬、春季膠州灣內(nèi)營養(yǎng)鹽含量較低;夏季降水量最大,陸源輸入帶來豐富的營養(yǎng)鹽,盡管夏季(8月)浮游植物的數(shù)量較多,但陸源輸入量可能遠高于浮游植物消耗,因此夏季營養(yǎng)鹽出現(xiàn)高值的概率較高;秋季膠州灣浮游植物生物量一般處于低谷期,灣內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度延續(xù)了夏季的高值。膠州灣DIP的季節(jié)變化特征與DIN 的基本一致,在此不再贅述。

圖3 近40 a膠州灣表層DIN 濃度季節(jié)變化圖Fig.3 Seasonal variations of DIN concentration in the surface water of Jiaozhou Bay in the past 40 years

2.3 營養(yǎng)鹽濃度及其結(jié)構的長期變化

近40 a來膠州灣海水中營養(yǎng)鹽年均濃度的變化,大致以2008年為分界節(jié)點,總體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,但不同營養(yǎng)鹽略有差異(圖4)。膠州灣cDIN由20世紀80年代初期的4μmol L-1快速增大到2008年的30μmol L-1,增加了6.4倍;cDIN自2008年至今呈波動下降趨勢,尤其是2015年之后下降速率加快,目前cDIN已降至10μmol L-1左右,略高于國家一類海水水質(zhì)標準[20]。

圖4 近40 a來膠州灣營養(yǎng)鹽年均濃度的變化(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.4 The changes of annual mean concentrations of nutrients in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

DIP變化趨勢與DIN 有所不同,其變化大致可分為3個階段:第1階段為波動下降期,自20世紀80年代初期至20世紀90年代末期cDIP呈波動下降趨勢,但下降幅度較小;第2階段為自20世紀90年代末期到2015年的快速增長期,cDIP從0.4μmol L-1大幅度增加至1.4μmol L-1,不到10 a的時間內(nèi)增加了2.5倍;第3 階段為快速下降期,其時間節(jié)點與DIN相同,cDIP呈現(xiàn)出大幅下降的趨勢,目前cDIP已降至0.2μmol L-1,基本符合國家一類海水水質(zhì)標準[20]。膠州灣cDSi在2000 年以前略呈下降趨勢,與同期DIP的變化趨勢相似。2000 年后,膠州灣cDSi的變化趨勢與DIN 和DIP大致相似。

圖5 近40 a膠州灣營養(yǎng)鹽比值變化圖(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.5 The changes of nutrients ratio in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

各種營養(yǎng)鹽濃度的不同步變化導致膠州灣營養(yǎng)鹽比值的巨大變化。近40 a來膠州灣N/P比值總體呈上升趨勢(圖5),其變化可分為3個階段。第1階段為20世紀80年代初期到20世紀90年代末,N/P 比值呈波動上升趨勢,從20世紀80年代初的8左右增大到20世紀90年代末的35,20 a間增加了3.4倍;第2階段為2000—2010年,N/P比值呈現(xiàn)下降趨勢,主要是由于這10 a膠州灣DIP較DIN 濃度增速更大。2010年以來膠州灣N/P比值快速增加,目前在80左右波動,已達Redfield比值的5倍之高。膠州灣Si/P比值,2010年以前基本保持在10上下波動,2010年以來則呈快速上升趨勢,目前維持在40左右,已遠超Redfield比值。Si/N 比值20世紀90年代中期至21世紀初期一直維持在0.3左右波動,近10 a則在0.5左右波動,較之前略有升高,但一直遠低于Redfield比值。

2.4 與營養(yǎng)鹽相關的生物因子的年均變化

Chla的含量是評價浮游植物生物量和動態(tài)變化的主要指標[21]。自20世紀80年代至今的30 a間,膠州灣Chla質(zhì)量濃度基本圍繞在3μg L-1波動,最低值出現(xiàn)在2006年,高值出現(xiàn)在1997,1998,2008年,沒有明顯的升高或者降低的趨勢(圖6)。2010年左右膠州灣Chla濃度較前30 a略高,但此后則呈下降趨勢。膠州灣浮游動物生物量,在1995年以前在100 mg m-3上下波動,但在2000年左右快速上升,峰值超過400 mg m-3,比1995年以前增加約3倍[18],目前膠州灣浮游動物平均生物量保持在350 mg m-3左右。

對近40 a來膠州灣內(nèi)赤潮進行統(tǒng)計分析表明,1990—2000年膠州灣海域赤潮發(fā)生頻次為9次,2001—2010年為7次,但2010年以來膠州灣內(nèi)未發(fā)生赤潮事件[8]。

圖6 近40 a膠州灣Chl a 和浮游動物生物量年均變化(圖中趨勢線為五年移動平均趨勢線)Fig.6 The changes of annual mean chlorophyll a and zooplankton biomass in Jiaozhou Bay in the past 40 years(the trend line in the figure is the 5-year moving average trend line)

3 討 論

3.1 影響膠州灣營養(yǎng)鹽長期變化的因素

對歷史資料與現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)的分析表明,近40 a來膠州灣營養(yǎng)鹽的水平和結(jié)構都發(fā)生了顯著變化,主要營養(yǎng)鹽濃度整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,營養(yǎng)鹽比值基本也呈不斷上升的趨勢。作為一個被高度城市化環(huán)繞的海灣,膠州灣營養(yǎng)鹽的變化與人類活動密切相關。我們認為導致膠州灣營養(yǎng)鹽變化的原因主要有2個方面:1)入海營養(yǎng)鹽排放量的變化;2)圍填?；顒訉е履z州灣的面積變化所造成的自凈能力的變化。

研究表明膠州灣DIN 和DIP 排海總量以陸源為主,占比可高達93%和98%;大氣沉降分別占6%和1%,海水養(yǎng)殖廢水排放僅占1%～2%[4]。對膠州灣陸源排海通量進行分析發(fā)現(xiàn),從20世紀80年代初膠州灣DIP和DIN 的陸源入海通量呈不斷增加的趨勢,DIN 的陸源入海通量在2009年前后達到峰值12 701.6 t/a,之后呈下降趨勢;DIP的入海通量在2005年前后達到峰值740 t a-1之后,呈下降趨勢[4,22-24]。膠州灣DIP和DIN 的入海通量的變化趨勢與膠州灣營養(yǎng)鹽變化趨勢基本一致,因此認為DIN 和DIP入海通量的變化是導致膠州灣氮磷營養(yǎng)鹽濃度變化的主要原因。DIN 和DIP入海通量的變化主要是受陸源輸入量變化影響。河流是膠州灣營養(yǎng)鹽陸源輸入的主要途徑,在匯入膠州灣的眾多河流中,除了大沽河外,其他河流已無基本徑流[4]。20世紀80年代大沽河的年均徑流量為5.26億m3;20世紀90年代略有下降,約為4.08億m3;2007—2008年大沽河的年均徑流量較高,達7億m3;此后大沽河的年均徑流量總體呈下降趨勢,2016年大沽河的年均徑流量已降至0.8億m3,與膠州灣DIP和DIN 入海通量的變化趨勢基本一致[2]。據(jù)調(diào)查顯示膠州灣陸源輸入中排海工業(yè)廢水量約占污水排?？偭康?0%,城市生活污水約占15%,農(nóng)業(yè)污水約占75%[22]。隨著青島市城市化進程的加快,工業(yè)廢水的排放量有明顯的變化。20世紀80年代,青島工業(yè)廢水排放量年均值約為8 784×104t,20世紀90年代已增加到12 925×104t,21世紀以來青島工業(yè)廢水排放量持續(xù)增加[2];從2006年起青島開始推進陸源污染物減排工作,2007年青島市確立了“環(huán)灣保護,擁灣發(fā)展”的城市發(fā)展新戰(zhàn)略,陸續(xù)實施了大規(guī)模河道綜合整治,建設城鎮(zhèn)污水處理廠。在多項環(huán)保措施的實施后青島工業(yè)廢水的排放量明顯下降,截至2017年青島工業(yè)廢水排放量已降至5 613×104t[2]。農(nóng)業(yè)廢水中DIN 和DIP的貢獻主要來自于化肥,青島市的化肥施用量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。20世紀80年代青島市農(nóng)業(yè)化肥的施用量折純后年均值約為16×104t,20世紀90年代已增加到288 450 t,到2007年達到峰值338 145 t,之后呈現(xiàn)明顯下降趨勢,到2017年已降至278 251 t[2]。由此可見工業(yè)廢水排放量和農(nóng)業(yè)化肥施用量可能是導致氮磷營養(yǎng)鹽通量變化的重要原因。海洋中的硅酸鹽主要來自河流,因此徑流量的變化對Si的影響較大。研究表明膠州灣的硅酸鹽濃度與降水量(圖7)之間呈現(xiàn)很好的相關性[25],說明降水量和徑流量是膠州灣硅酸鹽濃度變化的主要控制因素。

圖7 青島年均降水量Fig.7 The changes of annual mean precipitation in Qingdao

圍填?；顒訉е履z州灣的面積變化對其自凈能力造成一定的影響,進而影響膠州灣營養(yǎng)鹽濃度變化。從20世紀80年代的圍建養(yǎng)殖池塘和港口開發(fā)、臨港工業(yè)建設,導致膠州灣海域面積銳減。膠州灣的海域面積從1977年的423 km2降至本世紀初的367 km2,到2010年更是達到了歷史低值,僅為346.3 km2,累計減小面積約占改革開放前膠州灣總面積的20%[26]。海域面積的縮小會導致膠州灣納潮量的減少、并進而降低灣內(nèi)外水體的交換率,從而降低了污染物的稀釋擴散能力[27]。間接導致膠州灣營養(yǎng)鹽濃度的增加。2010年以來,青島市啟動膠州灣海洋生態(tài)綜合整治行動,嚴格規(guī)范用海項目,實施退池還海等措施[26]。截至2017年膠州灣的海域面積已恢復至370.6 km2[8]。膠州灣海域面積的恢復對此期間膠州灣營養(yǎng)鹽濃度的下降有一定貢獻。

3.2 膠州灣營養(yǎng)鹽限制狀況

營養(yǎng)鹽比例的變化會影響浮游植物的種類組成和生長。對于浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制的研究方法通常采用氮、磷、硅的濃度以及三者之間摩爾比值進行判斷[28]。我們依據(jù)Justic等[29]提出的營養(yǎng)鹽評價標準對膠州灣的營養(yǎng)鹽限制狀況進行判別,具體評價標準:當Si/P 比值＞22且DIN/P比值＞22時為“磷限制”;當Si/DIN 比值＞1且N/P比值＜10時為“氮限制”;當Si/P比值＜10且Si/DIN 比值＜1時為“硅限制”。

膠州灣20世紀80年代初期處于“氮限制”狀態(tài),1990—2000年則處于“硅限制”狀態(tài),2001—2008年則基本不存在營養(yǎng)鹽限制;近10 a膠州灣處于“磷限制”狀態(tài)。主要營養(yǎng)鹽的不同步變化是導致膠州灣營養(yǎng)鹽限制發(fā)生變化的主要原因。1990—2000年氮、磷營養(yǎng)鹽濃度快速增加而硅酸鹽濃度保持穩(wěn)定,這是導致該時期膠州灣海域處于“硅限制”狀態(tài)的主要原因;21世紀以來DIN 的增加幅度逐漸變緩,但DIP和DSi的增加更為顯著,這就使得膠州灣營養(yǎng)鹽比例嚴重失衡的問題得到一定緩解;2010年以來,膠州灣主要營養(yǎng)鹽濃度都有所下降,但DIP濃度下降最為顯著,因此膠州灣向潛在的“磷限制”狀態(tài)轉(zhuǎn)化。通過現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對當前膠州灣營養(yǎng)鹽“磷限制”狀況的季節(jié)變化進行分析,發(fā)現(xiàn)夏季“磷限制”狀況最為顯著。我們研究結(jié)果與其他學者對膠州灣營養(yǎng)鹽限制狀況的研究結(jié)果[4,14]基本一致。

3.3 膠州灣生物因子對營養(yǎng)鹽變化的響應

2008年以前膠州灣表層Chla質(zhì)量濃度并沒有隨著營養(yǎng)鹽濃度的變化發(fā)生同樣的變化。Wang B D 和Wang Z L[30]通過對1980—2007年膠州灣營養(yǎng)鹽濃度及葉綠素質(zhì)量濃度的長期變化及相關關系的分析發(fā)現(xiàn),在此期間貝類的養(yǎng)殖可能是影響甚至控制膠州灣浮游植物生物量的重要原因。孫曉霞等[31]通過1984—2008年對膠州灣葉綠素和初級生產(chǎn)力的長期變化進行研究也認為膠州灣養(yǎng)殖貝類的濾食壓力對控制膠州灣葉綠素長期變化應起到重要作用。

2013-04青島市政府開展膠州灣非法網(wǎng)箱和筏式養(yǎng)殖設施的清理工作,截至2016年共恢復海域面積1 400公頃[8]。目前尚有一定面積的底播貝類養(yǎng)殖,但貝類濾食對膠州灣浮游植物生物量的控制作用也相應減小。由圖6可知2013年以來膠州灣Chla質(zhì)量濃度并沒有增加,反而呈下降趨勢,這一方面可能是由于近幾年膠州灣DIP濃度大幅度減少,雖然DIP顯著下降出現(xiàn)在2005年左右,但是2014年膠州灣DIP濃度才降至高峰期前水平,之后仍呈下降趨勢,與Chla質(zhì)量濃度下降時間基本一致,因此推測“磷限制”作用是導致膠州灣浮游植物生物量下降的重要原因;另一方面,浮游動物生物量的大幅度增加也加大了對浮游植物的攝食壓力。有研究表明浮游動物攝食在赤潮生消過程中起相當重要的作用[32]。因此推測2010年以來膠州灣未發(fā)生赤潮事件可能是由營養(yǎng)鹽濃度及浮游動植物共同控制的結(jié)果。

4 結(jié) 論

我們對2018—2019年現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)與近40 a歷史資料的分析表明,近40 a來膠州灣的營養(yǎng)鹽發(fā)生了明顯變化,整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)入海營養(yǎng)鹽排放量的變化(尤其是陸源輸入量的變化)和膠州灣海域面積的變化,可能是導致膠州灣營養(yǎng)鹽濃度變化的主要原因。20世紀90年代膠州營養(yǎng)鹽的結(jié)構由“氮限制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮柘拗啤?21世紀初期逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲紫拗啤薄２煌瑺I養(yǎng)鹽的不同步變化是導致膠州灣營養(yǎng)鹽限制發(fā)生變化的主要原因。膠州灣浮游植物生物量(以Chla計)并未像營養(yǎng)鹽那樣發(fā)生顯著變化,分析表明貝類養(yǎng)殖是影響控制膠州灣浮游植物生物量的重要因素,而近年來Chla質(zhì)量濃度的下降趨勢可能是DIP濃度的減少和浮游動物生物量的大幅增加所致?？傮w來看,以20世紀10年代末期為拐點,膠州灣的富營養(yǎng)化狀況已向好的方向發(fā)展。