長(zhǎng)江口無機(jī)氮和活性磷酸鹽水質(zhì)基準(zhǔn)研究*

武亞男 張昊飛 王 璐 李正炎，

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266100； 2. 國(guó)家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 上海 201206； 3. 自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201206； 4. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 北京 100012； 5. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100)

受淡水徑流和海洋潮汐共同作用影響， 河口作為咸淡水的“過濾器”， 鹽度變化劇烈， 生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜敏感(沈煥庭等， 2001； 陸健健， 2003)。氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量輸入容易造成河口及其鄰近海域富營(yíng)養(yǎng)化， 藻類大量繁殖， 破壞生態(tài)系統(tǒng)完整性(李俊龍等， 2015)。作為我國(guó)第一大河口， 長(zhǎng)江口緊鄰上海、浙江和江蘇三個(gè)重要經(jīng)濟(jì)區(qū)， 氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的污染持續(xù)加重， 近50 年來， 長(zhǎng)江口門區(qū)域可溶性無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen， DIN)的濃度升高了四倍以上， 可溶性活性磷酸鹽(soluble reactive phosphorus， SRP)升高了兩倍左右， 尤其在2000 年以后， 赤潮事件暴發(fā)頻率和面積顯著上升， 對(duì)生態(tài)安全、海水養(yǎng)殖業(yè)和人類健康都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅(劉錄三等， 2011a； 張璇， 2012； 于仁成等， 2017)。但目前我國(guó)尚沒有適用于河口環(huán)境的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)， 現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)和《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)難以滿足河口區(qū)的管理和保護(hù)(孟偉等， 2006)。因此， 制定符合我國(guó)區(qū)域特點(diǎn)的河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)十分必要， 這不僅是營(yíng)養(yǎng)物監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和管理的科學(xué)依據(jù)， 而且可以為營(yíng)養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論和方法(Wuet al， 2010)。

河口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)(nutrient criteria in estuarine waters)是指河口營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生不良或有害影響的最大閾值(USEPA， 1998)。美國(guó)系統(tǒng)地研究了河流、湖泊和水庫、河口和近岸海域以及濕地等生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的理論方法， 相繼頒布了不同環(huán)境類型的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南， 并對(duì)佛羅里達(dá)州19 個(gè)河口的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)進(jìn)行了初步研究， 在生態(tài)學(xué)分區(qū)的基礎(chǔ)上， 主要運(yùn)用頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型法對(duì)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值進(jìn)行推導(dǎo)和驗(yàn)證， 目前已經(jīng)形成比較成熟的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)體系(USEPA， 2000a， 2000b， 2001， 2008)。

在這些理論方法的基礎(chǔ)上， 我國(guó)學(xué)者也在探索河口營(yíng)養(yǎng)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)制定技術(shù)。我國(guó)河口眾多， 河口的分類和分區(qū)是營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定首先需要考慮的因素， 也是河口近岸海域環(huán)境管理的重要手段之一(鄭丙輝等， 2013)。營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制定過程中， 頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型是最常用的方法， 前者利用收集到的河口歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值， 后者通過建立營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)與響應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系來確定營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)閾值(霍守亮等， 2017)。本文以我國(guó)長(zhǎng)江口為研究對(duì)象， 根據(jù)河口內(nèi)部環(huán)境特征開展生態(tài)學(xué)分區(qū)， 在此基礎(chǔ)上， 運(yùn)用頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型對(duì)不同分區(qū)的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)基準(zhǔn)值進(jìn)行推導(dǎo)， 將赤潮優(yōu)勢(shì)藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)得到的生態(tài)響應(yīng)值作為參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

長(zhǎng)江口是中國(guó)的第一大河口， 位處東海和黃海的分界， 整體呈現(xiàn)三級(jí)分汊、四口入海的格局， 窄口端江面寬度5.8 公里， 寬口江面寬度90 公里， 其鄰近海域相對(duì)開闊， 水深變化較為明顯， 在123°E 以西的區(qū)域內(nèi)， 水深在60m 以內(nèi)， 而在123°E 以東的海域， 水深可達(dá)到90m (中國(guó)海灣志編纂委員會(huì)， 1998)。長(zhǎng)江口水域是長(zhǎng)江徑流和近岸海域多種暖流、水團(tuán)的交匯區(qū)， 氣象地形條件和生物化學(xué)特征都比較復(fù)雜(蘇紀(jì)蘭， 2001； Weiet al， 2007)。

我國(guó)學(xué)者將長(zhǎng)江口的范圍劃定為自江陰(120.26°E)到水下三角洲前緣(123°E)， 按普理查德理論來看， 長(zhǎng)江口上緣應(yīng)為徐六涇(121°E)， 所以本研究的研究區(qū)域定為30°30′—32°00′N， 121°00′—123°00′E(沈煥庭等， 2003)。研究數(shù)據(jù)主要來源于原國(guó)家海洋局海洋環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)。長(zhǎng)江口鹽度空間分布分析主要基于2016和2017 年33 個(gè)采樣點(diǎn)的表底層數(shù)據(jù)(圖3)； 分區(qū)檢驗(yàn)運(yùn)用2018 年3 月、5 月、8 月和10 月96 個(gè)站位的調(diào)查數(shù)據(jù)， 調(diào)查指標(biāo)包括水溫、pH、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總有機(jī)碳(TOC)等； 營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)研究運(yùn)用了2016—2017 年DIN、SRP、pH、DO、懸浮物(SS)、葉綠素a(chla)和鹽度(S)數(shù)據(jù)； 基準(zhǔn)推導(dǎo)采用2015—2018 年春夏秋各季節(jié)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站位覆蓋了長(zhǎng)江口的咸淡水混合區(qū)， 所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)的樣品采集、預(yù)處理、分析與鑒定均按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.4-2007)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。

1.2 河口生態(tài)分區(qū)

河口生態(tài)分區(qū)的出發(fā)點(diǎn)是河口生態(tài)系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的敏感性， 河口區(qū)域的鹽度和地理形態(tài)特征是影響其敏感性的主要自然因素(Liuet al， 2018)。地理形態(tài)特征是流體動(dòng)力學(xué)和混合因素的產(chǎn)物， 鹽度是生物地球化學(xué)過程的主要控制參數(shù)， 因此， 這些因素被認(rèn)為是河口生態(tài)分區(qū)的主要因素(劉錄三等， 2011b)。另外， 基于每個(gè)采樣點(diǎn)的鹽度值， 運(yùn)用Surfer 中的內(nèi)插法對(duì)離散數(shù)據(jù)格網(wǎng)化獲得鹽度變化的空間模式。在此基礎(chǔ)上， 運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)， 對(duì)水體多參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)之間的差異顯著性檢驗(yàn)， 以驗(yàn)證分區(qū)的合理性。

1.3 營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)研究

結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)， 運(yùn)用相關(guān)性分析(correlation analysis， CA)、主成分分析(principal component analysis， PCA)以及線性回歸分析(linear regression analysis， LRA)等方法進(jìn)行分析。相關(guān)性分析是研究?jī)蓛芍笜?biāo)的相關(guān)性， 通常用Pearson 相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)相關(guān)性； 主成分分析是通過正交變換將一組可能存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量， 轉(zhuǎn)換后的這組變量叫主成分， 以此來實(shí)現(xiàn)降維的效果； 線性回歸是利用線性回歸方程的最小平方函數(shù)對(duì)一個(gè)或多個(gè)自變量和因變量之間關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析。通過以上方法來分析與營(yíng)養(yǎng)狀況顯著相關(guān)的因子， 進(jìn)而確定長(zhǎng)江口水體營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)。

1.4 基準(zhǔn)推導(dǎo)方法

頻數(shù)分布法是對(duì)營(yíng)養(yǎng)物數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 基準(zhǔn)值的得出是基于區(qū)域內(nèi)生境狀況的判斷， 生境狀況有完好、部分退化和完全退化三類。參照點(diǎn)一般選取區(qū)域內(nèi)受人類活動(dòng)損害最小且對(duì)該水體或鄰近水體的生物學(xué)完整性具有代表性的點(diǎn)位， 以此來衡量區(qū)域內(nèi)相對(duì)未受干擾的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(USEPA， 1998)。將營(yíng)養(yǎng)物數(shù)據(jù)按從小到大的順序分別排列， 對(duì)于生境狀況完好的區(qū)域， 選擇所有參照點(diǎn)數(shù)據(jù)分布曲線的中值作為基準(zhǔn)值； 對(duì)于生境部分退化， 但參照點(diǎn)數(shù)量充足(大于等于所有觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量的10%)的區(qū)域， 取參照點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的上25%數(shù)值作為基準(zhǔn)值； 對(duì)于生境部分退化， 參照點(diǎn)不足(小于所有觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量的10%)的區(qū)域， 取所有觀測(cè)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下25%數(shù)值作為基準(zhǔn)值， 需要指出的是， 對(duì)于原始數(shù)據(jù)大多處于退化狀態(tài)， 可選取5%作為基準(zhǔn)值； 而生境完全退化的區(qū)域， 不能使用頻數(shù)分布法(圖1)。

壓力-響應(yīng)模型通過構(gòu)建原因變量(TN、TP、DIN、SRP 等)與響應(yīng)變量(chla、DO、TOC、透明度等)之間的關(guān)系模型來確定營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。Chla是反映藻類生物量最常用的指標(biāo)， DO 是生態(tài)健康和棲息地功能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)， 受水體擾動(dòng)、光強(qiáng)和溫度、浮游植物及大型動(dòng)植物的種類和生物量等因素影響， 本 研究將兩者作為響應(yīng)指標(biāo)以建立壓力-響應(yīng)模型(USEPA， 2010； 李薇， 2014)。

Chla和DO 含量與營(yíng)養(yǎng)物濃度之間的關(guān)系比較細(xì)微， 而分類回歸樹(classification and regression tree， CART)是解決響應(yīng)變量和原因變量之間非線性、分層及高階關(guān)系的有效方法， 并能測(cè)定導(dǎo)致生態(tài)發(fā)生變化的數(shù)字化數(shù)值(De'Athet al， 2000)。分類回歸樹是一種非參數(shù)模擬方法， 其通過構(gòu)建一個(gè)二元遞歸函數(shù)， 將由自變量定義的因變量劃分為盡可能同質(zhì)的類別， 每一次劃分都由自變量的一次最佳劃分值來完成， 分組后響應(yīng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大降幅或變異性被分成兩個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)， 重復(fù)此過程， 直到形成一組按照某種標(biāo)準(zhǔn)使節(jié)點(diǎn)無法再分的終節(jié)點(diǎn)。本研究采用CART 模型來揭示原因指標(biāo)與響應(yīng)變量之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系， 從而確定營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。長(zhǎng)江口3—10 月份有發(fā)生赤潮的歷史記錄， 所以對(duì)2016—2018 年3—10月的數(shù)據(jù)進(jìn)行CART 分析(劉錄三等， 2011a)。

以上的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)、頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)法和分區(qū)檢驗(yàn)(One-way ANOVA)的分析和作圖在SPSS 24.0 和Origin 9.2 軟件中進(jìn)行， 運(yùn)用R 語言(R x64 3.5.1)實(shí)現(xiàn)CART 的建立。

1.5 生態(tài)響應(yīng)值推導(dǎo)方法

1.5.1 研究方法 本校驗(yàn)試驗(yàn)以中肋骨條藻(Skeletonema costatum)和東海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)為研究藻種。中助骨條藻屬于溫帶和熱帶海洋硅藻類， 有廣溫廣鹽的特征， 雖然無毒， 但增殖速率很快， 春夏秋季均是其繁殖高峰期(王江濤等， 2012； 中華人民共和國(guó)自然資源部， 1989—2019)。中肋骨條藻是長(zhǎng)江口的赤潮種之一， 溫度25°C 左右和 鹽度14—20 條件下最常見， 是口門區(qū)赤潮的主要優(yōu)勢(shì)藻(李照， 2018)。東海原甲藻屬溫帶甲藻類， 最適溫度為20°C 左右， 最適鹽度為25—34， 是我國(guó)長(zhǎng)江口及其鄰近海域發(fā)生赤潮事件的關(guān)鍵種， 與中肋骨條藻相比， 東海原甲藻赤潮面積更大， 主要在口外區(qū)出現(xiàn)， 持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)， 會(huì)導(dǎo)致爆發(fā)海域的大面積低氧現(xiàn)象， 對(duì)其海洋生物和區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極其不良的影響(陳翰林等， 2006； 張清春， 2011； 戴鑫烽等， 2014； 黃備等， 2014 )。

根據(jù)長(zhǎng)江口現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 設(shè)置合適的氮磷濃度， 以S-logistic 1 模型擬合浮游藻生長(zhǎng)曲線， 具體形式如下：

式中，Bt代表t時(shí)浮游藻的生物量(cells/mL)，Bf代表終止生物量， 即浮游藻生長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的生物量(cells/mL)， k 為S-logistic 1 模型參數(shù)，t為培養(yǎng)時(shí)間(d)，t0是拐點(diǎn)處的培養(yǎng)時(shí)間， 即Bt=Bf/2 時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。

營(yíng)養(yǎng)物敏感性是指水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物濃度和結(jié)構(gòu)變化響應(yīng)的敏感程度， 用生態(tài)學(xué)指標(biāo)的數(shù)值隨營(yíng)養(yǎng)物濃度變化而變化的規(guī)律來確定(張遠(yuǎn)等， 2006)。本研究中浮游藻終止生物量隨營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的變化規(guī)律基本呈“S”形， 也采用 S-logistic 1 來擬合， 具體形式見公式(2)， 生態(tài)響應(yīng)值的計(jì)算方法如圖2。

圖2 生態(tài)響應(yīng)值的計(jì)算方法 Fig.2 Calculation method of ecological response value

1.5.2 浮游藻的培養(yǎng) 浮游藻的培養(yǎng)采用人工海水(石巖峻， 2004)， 將其置于2L 的錐形瓶中， 中肋骨條藻的培養(yǎng)海水鹽度調(diào)至20， 東海原甲藻鹽度為30， 以分別接近兩分區(qū)的實(shí)際海水鹽度和最適生長(zhǎng)鹽度， 高壓蒸汽滅菌(121°C， 0.1MPa) 30min 后自然冷卻， 并充分振蕩， 以恢復(fù)原有的溶解氣體量。兩藻種的實(shí)驗(yàn)均分兩組進(jìn)行， 分別加入NaNO3和NaH2PO4以設(shè)置氮磷的濃度， 氮組固定磷的濃度， 磷組固定氮的濃度， 每個(gè)濃度水平設(shè)置三個(gè)平行樣。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)初始將生長(zhǎng)良好的指數(shù)期藻液置于 1 0 0 m L 離心管中， 于1700r/min 的速度下離心10min， 去除上清液保留下 層藻液， 以盡量減少藻液中殘留的營(yíng)養(yǎng)鹽。中肋骨條藻和東海原甲藻的相應(yīng)培養(yǎng)濃度如表1， 其他的營(yíng)養(yǎng)液均按照f/2 配方加入(Rytheret al， 1962； Guillard， 1975)。培養(yǎng)瓶置于GXZ 恒溫培養(yǎng)箱， 設(shè)置中肋骨條藻 培 養(yǎng) 溫 度 為 25°C， 東 海 原 甲 藻 20°C， 光 強(qiáng)3000—5000lx， 光暗比12︰12， 每天定時(shí)搖動(dòng)三次， 保持氣體的溶解量， 防止浮游藻聚集。每天同一時(shí)間， 用BD Accuri C6 Plus 流式細(xì)胞儀測(cè)定浮游藻量， 指標(biāo)下降時(shí)結(jié)束。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)江口生態(tài)分區(qū)

利用插值法， 得出表層和底層的鹽度空間格局(圖3)。從鹽度分布來看， 與底層相比， 表層沖淡水向外海擴(kuò)展較遠(yuǎn)， 且不同年份鹽度梯度變化差異較大；而底層鹽度在不同年份的空間格局非常相似， 河口攔門沙附近梯度變化最劇烈。根據(jù)沉積物特點(diǎn)來看， 口門攔門沙附近10m 等深線以內(nèi)的區(qū)域， 沖積灘特征明顯， 主要為粗顆粒沙， 而口外區(qū)10—60m 等深線的區(qū)域， 沉積物較細(xì)(陳沈良等， 2009)。而沉積物分布特征可以反映水動(dòng)力條件、地貌類型以及泥沙來源等因素的影響， 所以是長(zhǎng)江口生態(tài)分區(qū)的重要參考因素(陳沈良等， 2009)。在分析以上因素的基礎(chǔ)上， 同時(shí)考慮行政管理的便利性， 前哨海岸、佘山和雞骨礁為幾個(gè)標(biāo)志性位置點(diǎn)， 所以將其的弧形連線作為分區(qū)的界限。

表1 浮游藻氮組和磷組的培養(yǎng)濃度(μmol/L) Tab.1 Culture concentration of phytoplankton for nitrogen group and phosphorus group

圖3 長(zhǎng)江口不同年份鹽度分布 Fig.3 Saltine distribution of Changjiang (Yangtze) River estuary in different years

圖4 長(zhǎng)江口分區(qū)結(jié)果 Fig.4 Preliminary results of classifications on Changjiang River estuary

根據(jù)以上結(jié)果， 將長(zhǎng)江口分為兩個(gè)區(qū)域： I 區(qū)(口門區(qū))和II 區(qū)(口外區(qū))(圖4)。I 區(qū)西起徐六涇， 此為冬季鹽水入侵鋒所及位置， 河口分汊的重要節(jié)點(diǎn)； 東至 江蘇啟東前哨海岸、佘山(31°25.3′N， 122°14.4′E)和雞骨礁(31°12′N， 122°19′E)大致呈弧形的連接分界線。I區(qū)屬于咸淡水過渡區(qū)， 鹽度為7.78±7.88(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)， 90%的采樣點(diǎn)鹽度值在20 以內(nèi)， 此區(qū)域分布于長(zhǎng)江口最大渾濁帶， 透明度較低， 強(qiáng)烈受淡水徑流的影響， 陸源污染物隨長(zhǎng)江流域直接排入此區(qū)域， 營(yíng)養(yǎng)物污染嚴(yán)重。II 區(qū)西起分界線， 東至123°E 河口鋒前沿附近， 鹽度為28.76±4.44， 90%的采樣點(diǎn)鹽度值在33 以內(nèi)， 鹽度變化相對(duì)較小， 此區(qū)域表層會(huì)受沖淡水的影響小， 而底層主要為鹽度大于30 的咸水， 受海水沖刷和自凈作用， 營(yíng)養(yǎng)物濃度較低。

首先對(duì)兩個(gè)分區(qū)水體表層的水溫、pH、DO、COD、TOC 和TN 等進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)， 篩選出方差齊性的數(shù)據(jù)， 然后進(jìn)行單因素方差分析， 各指標(biāo)具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2。結(jié)果顯示， 兩個(gè)分區(qū)之間各個(gè)參數(shù)的差異顯著性水平均小于0.01， 差異性顯著， 說明該分區(qū)基本合理。

2.2 營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)篩選

通過主成分分析， 得出指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)、主成分特征值及累積貢獻(xiàn)率(表4)。根據(jù)主成分分析的基本要求， 發(fā)現(xiàn)前三個(gè)主成分的特征值大于1， 且累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.703%， 所以提取三個(gè)主成分， 從而達(dá)到數(shù)據(jù)降維的目的。為了對(duì)各主成分相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析， 將每個(gè)主成分與各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 得出旋轉(zhuǎn)后的成分與原始指標(biāo)變量的因子載荷矩陣(表5)。

表2 2018 年長(zhǎng)江口不同分區(qū)水體表層各指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)值 Tab.2 Basic statistics values of surface indicators in different segments of Changjiang River estuary in 2018

表3 長(zhǎng)江口各指標(biāo)因子之間的相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)結(jié)果 Tab.3 Correlation coefficients and significance test results of various index factors in Changjiang River estuary

其中第一個(gè)主成分的特征值和貢獻(xiàn)率最大， 其包含的信息最多。從因子載荷矩陣來看， 與第一主成分關(guān)系密切的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有三個(gè)， 分別是DIN、SRP 和鹽度。它反映了兩方面的信息， 一方面是營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)， 河口區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽含量是富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)； 另一方面是鹽度， 鹽度是河口生態(tài)分區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)之一， 它在一定程度上反映了河口區(qū)域的本底狀況， 是生物地球化學(xué)過程的主要控制參數(shù)(劉錄三等， 2011b)。所以將第一主成分定義為營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)分區(qū)指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。

表4 特征值及主成分貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率 Tab.4 Eigenvalue， principal component contribution rate and cumulative contribution rate

表5 旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣 Tab.5 Rotated component matrix

對(duì)長(zhǎng)江口各指標(biāo)因子間進(jìn)行兩兩相關(guān)性分析， 并對(duì)其進(jìn)行雙尾顯著性檢驗(yàn)(表3)。相關(guān)關(guān)系表明， DIN、SRP、DO 和SS 與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)， 且與DO和SS 相比， DIN 和SRP 與鹽度的相關(guān)性較強(qiáng)， 而pH與鹽度呈顯著正相關(guān)， chla與鹽度相關(guān)性不顯著。從線性回歸圖中可以看出， 隨著鹽度的增加， DIN 和SRP 濃度均逐漸降低， 與SRP 相比， DIN 表現(xiàn)出更好的保守性， 在該地區(qū)的其他研究中也觀察到了類似的相關(guān)性(張平， 2001； 辛明， 2014)(圖5)。

圖5 長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與鹽度的相關(guān)關(guān)系 Fig.5 Relationship between nutrient concentrations and salinity in Changjiang River estuary

2.3 基準(zhǔn)值推導(dǎo)

2.3.1 頻數(shù)分布法 本研究中生境狀況的判斷運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的結(jié)果， 健康及以上等級(jí)為完好， 亞健康等級(jí)為部分退化， 不健康及以下等級(jí)為嚴(yán)重退化， 研究表明， 長(zhǎng)江口生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)， 即生境部分退化(周曉蔚等， 2011； 中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部， 2019)。參照點(diǎn)的選擇參考了生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果和歷史赤潮記錄。口門區(qū)接近海岸線， 工業(yè)、漁業(yè)和旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)， 較20 世紀(jì)90 年代初期， 區(qū)域內(nèi)生物多樣性明顯降低， 浮游生物物種密度年際間變幅較大， 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定， 且歷史記錄中佘山附近的水域發(fā)生過赤潮事件， 參照點(diǎn)難尋， 所以選取所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的下5%對(duì)應(yīng)值作為口門區(qū)的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值(周曉蔚等， 2011； 何彥龍等， 2019)?？谕鈪^(qū)雖離海岸較遠(yuǎn)， 但也受到來自長(zhǎng)江徑流污染物的影響， 營(yíng)養(yǎng)物結(jié)構(gòu)和水平發(fā)生了顯著變化， 此外還受水體層化、上升流加強(qiáng)、黑潮入侵等多種因素影響， 區(qū)域內(nèi)有大面積的赤潮現(xiàn)象， 選取沒有赤潮記錄以及處于微度和輕度脆弱等級(jí)的點(diǎn)位作為參照點(diǎn)， 將參照點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)頻數(shù)分布曲線的上25%對(duì)應(yīng)值作為口外區(qū)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值(劉錄三等， 2011a； 于仁成等， 2017)。利用SPSS 24 進(jìn)行頻數(shù)分析擬合， 繪制長(zhǎng)江口DIN 和SRP 的頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)表(表6)和頻數(shù)分布直方圖(圖6， 圖7)， 得到口門區(qū)DIN 和SRP 基準(zhǔn)值分別為0.614 和0.029mg/L； 口外區(qū)DIN和SRP 基準(zhǔn)值分別為0.300 和0.022mg/L。

2.3.2 壓力-響應(yīng)模型 運(yùn)用CART 法建立壓力-響應(yīng)模型， 將分類回歸樹的根節(jié)點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)濃度值作為基準(zhǔn)值。SRP 和DIN 濃度分別是影響區(qū)域內(nèi)chla和DO 濃度變化的首要原因變量， SRP 濃度值0.05705 和0.00845mg/L 分別為圖8 口門區(qū)和口外區(qū)分類回歸樹的根節(jié)點(diǎn)， DIN 濃度值0.6273 和0.2951mg/L 分別為圖9 口門區(qū)和口外區(qū)分類回歸樹的根節(jié)點(diǎn)， 保留三位小數(shù)， 得到口門區(qū)DIN 和SRP 的基準(zhǔn)值分別為0.627和0.057mg/L， 口外區(qū)DIN 和SRP 基準(zhǔn)值分別為0.295 和0.008mg/L。

表6 長(zhǎng)江口2015—2018 年DIN 和SRP 頻數(shù)分布法統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Tab.6 Statistical results of DIN and SRP by frequency distribution method in Changjiang River estuary during 2015—2018

圖6 口門區(qū)DIN 和SRP 頻數(shù)分布直方圖 Fig.6 Histogram of frequency distribution of DIN and SRP in the mouth area

圖7 口外區(qū)DIN 和SRP 頻數(shù)分布直方圖 Fig.7 Histogram of frequency distribution of DIN and SRP in the outside-mouth area

圖8 口門區(qū)(a)和口外區(qū)(b) DIN 和SRP 濃度值對(duì)chl a 濃度值劃分的分類回歸樹模型 Fig.8 The CART of values of chl a divided by DIN and SRP concentrations in the mouth area (a) and outside-mouth area (b)

2.3.3 基準(zhǔn)推薦值 為了盡量實(shí)現(xiàn)對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)， 選取頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型結(jié)果的低值作為基準(zhǔn)推薦值， 最終得出口門區(qū)DIN 和SRP的基準(zhǔn)推薦值分別為0.614 和0.029 mg/L， 口外區(qū)DIN 和SRP 的基準(zhǔn)推薦值分別為0.295 和0.008mg/L。與長(zhǎng)江口的其他研究相比， 本研究口門區(qū)和口外區(qū)的基準(zhǔn)推薦值均小于其結(jié)果， 這一方面是所選用數(shù)據(jù)不同的原因， 另一方面可能是由于頻數(shù)分布法的 運(yùn)用有差別， 這就需要建立更加完整的河口基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫， 探索系統(tǒng)的分類分區(qū)體系， 完善營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)推導(dǎo)方法(表7)( Yanget al， 2019)。

圖9 口門區(qū)(a)和口外區(qū)(b)DIN 和SRP 濃度值對(duì)DO 濃度值劃分的分類回歸樹模型 Fig.9 The CART of values of DO divided by DIN and SRP concentrations in the mouth area (a) and outside-mouth area (b)

2.4 生態(tài)響應(yīng)值

根據(jù)公式(1)曲線擬合， 得到兩種赤潮敏感藻的生長(zhǎng)曲線圖(圖10， 11)。對(duì)于中肋骨條藻， 當(dāng)DIN 濃度固定為120μmol/L 時(shí)， 隨著SRP 濃度的增大， 浮游藻的最終生物量逐漸增加， 但增加變緩， 固定SRP 為3.0μmol/L 時(shí)， 隨著DIN 濃度的增大浮游藻的最終生物量也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。而對(duì)于東海原甲藻， 當(dāng)DIN 固定時(shí)為120μmol/L 時(shí)， 隨著SRP 濃度的增大， 浮游藻的最終生物量逐漸增加， 而當(dāng)固定SRP為2.0μmol/L時(shí)， DIN濃度在0—80μmol/L 的范圍內(nèi)變化時(shí)， 浮游藻的最終生物量逐漸增加， 但超過80μmol/L 時(shí)， 最終生物量開始下降， 這可能是由于東海原甲藻對(duì)磷酸鹽的吸收效率高， 氮磷比超過40 則生長(zhǎng)受限(張璇， 2012)。

表7 不同方法推導(dǎo)的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值與其他研究結(jié)果的比較 Tab.7 Nutrient criteria derived from various methods in comparison with other research results

圖10 中肋骨條藻氮組(a)和磷組(b)的生長(zhǎng)曲線擬合圖 Fig.10 Growth curves of Skeletonema costatum of nitrogen group (a) and phosphorus group (b)

運(yùn)用1.5.1 小節(jié)中生態(tài)響應(yīng)值的計(jì)算方法， 得到中肋骨條藻對(duì)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.535和0.025mg/L， 東海原甲藻對(duì)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.254 和0.043mg/L。分別將中肋骨條藻和東海原甲藻的響應(yīng)值作為I 區(qū)和II 區(qū)的生態(tài)響應(yīng)值， 得到長(zhǎng)江口I 區(qū)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.535 和0.025mg/L， II 區(qū)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.254 和0.043mg/L (表8)。

圖11 東海原甲藻氮組(a)和磷組(b)的生長(zhǎng)曲線擬合圖 Fig.11 Growth curves of Prorocentrum donghaiensis of nitrogen group (a) and phosphorus group (b)

表8 浮游藻對(duì)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值(單位： mg/L) Tab.8 Ecological response of phytoplankton to DIN and SRP (unit： mg/L)

3 討論

本研究對(duì)長(zhǎng)江口的生態(tài)分區(qū)結(jié)果符合連續(xù)性和便利性原則(Perillo， 1995)?？陂T區(qū)淡水和海水的混合過程非常強(qiáng)烈， 當(dāng)?shù)氐乃a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)集中在這一區(qū)域， 且來自地表徑流的污染物在此處排放入海， 所以， 對(duì)此區(qū)域水文和營(yíng)養(yǎng)物污染等方面的評(píng)估和管理非常關(guān)鍵(林曉娟， 2018)?？谕鈪^(qū)主要以海水為主， 雖然營(yíng)養(yǎng)物濃度較低， 但發(fā)生赤潮的風(fēng)險(xiǎn)仍然較大， 所以對(duì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的總量控制也很重要(劉錄三等， 2011a)。兩個(gè)分區(qū)的動(dòng)力學(xué)特征和地理特征有明顯不同， 同時(shí)與水行政管理部門對(duì)河海的劃界非常接近(張華明， 2009)。此外， 單因素方差分析的結(jié)果也表明， 兩個(gè)分區(qū)在多項(xiàng)指標(biāo)中都有顯著性差異， 這與河口中的生物、化學(xué)和物理過程密切相關(guān)， 由此說明此分區(qū)的合理性(Teleshet al， 2010)。然而， 河口區(qū)域的水質(zhì)和生物群落還會(huì)受河口的氣候、水域特征(例如土地利用)和人類活動(dòng)等多種因素的影響， 此研究初步實(shí)現(xiàn)了分區(qū)管理， 但對(duì)一些重點(diǎn)管控區(qū)域缺乏保護(hù)， 例如自然保護(hù)區(qū)、飲用水水源保護(hù)區(qū)、特別保護(hù)海島、重要漁業(yè)海域等， 這就需要在此基礎(chǔ)上根據(jù)其功能和海洋生態(tài)紅線等因素， 通過進(jìn)一步的生態(tài)分區(qū)或水體功能分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)制定來有效評(píng)估污染狀況并實(shí)施污染控制， 實(shí)現(xiàn)對(duì)河口的管理和保護(hù)(Elliottet al， 2002； 席北斗等， 2013)。

本研究主要關(guān)注DIN 和SRP， 而未對(duì)TN 和TP做相關(guān)分析， 這是由我國(guó)水環(huán)境管理的實(shí)際情況決定的， 現(xiàn)行的《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)中， 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中只要求DIN 和SRP， 造成TN 和TP數(shù)據(jù)缺失。本研究運(yùn)用了近幾年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值進(jìn)行推導(dǎo)， 還可以參考?xì)v史數(shù)據(jù)， 將未被開發(fā)的狀態(tài)作為參照狀態(tài)。20 世紀(jì)80 年代長(zhǎng)江口基本無富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象， 1984—2015 年間， 長(zhǎng)江口及其鄰近水域DIN 和SRP 濃度有線性上升趨勢(shì)， 1988 年是營(yíng)養(yǎng)鹽含量快速增長(zhǎng)的起始年， 因此， 將1984—1987 年?duì)I養(yǎng)鹽要素的平均值作為參考值， DIN 和SRP 的平均濃度值分別為0.0705 和0.0008mg/L (范海梅等， 2015， 2019)。可以發(fā)現(xiàn)， 本研究得到的基準(zhǔn)推薦值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此參考值， 說明近30 年來長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)物的排放已嚴(yán)重超標(biāo)， 要使水質(zhì)恢復(fù)到接近未受干擾的狀態(tài)需要大量的時(shí)間和努力， 如何把營(yíng)養(yǎng)物濃度控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶亲铌P(guān)鍵的問題， 需既能保證初級(jí)生產(chǎn)量以及漁業(yè)的正常發(fā)展， 又不發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡。另外一個(gè)值得關(guān)注的問題是營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)， 本研究中得到口門區(qū)和口外區(qū)的基準(zhǔn)推薦值氮磷比分別為46.82 和29.65， 與Redfield 比率16 相比， 明顯偏大， 特別是口門區(qū)， 將近是16 的3 倍(Redfield， 1960)。這與長(zhǎng)江口的氮通量大有關(guān)， 區(qū)域內(nèi)有較大程度的磷限制， 這與之前的研究一致(李磊等， 2010； 陳慧敏等， 2011)。

為了有效控制富營(yíng)養(yǎng)化， 需要考慮河口生態(tài)系統(tǒng)(尤其是浮游藻)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的敏感性， 而長(zhǎng)江口區(qū)域中肋骨條藻和東海原甲藻是對(duì)營(yíng)養(yǎng)物最敏感的赤潮藻類(張遠(yuǎn)等， 2006； 中華人民共和國(guó)自然資源部， 1989—2019)。本研究中， 生態(tài)響應(yīng)值是指區(qū)域內(nèi)赤潮優(yōu)勢(shì)藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度產(chǎn)生大量繁殖響應(yīng)的臨界值， 通過浮游藻生物量隨營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)濃度變化的“S”型曲線拐點(diǎn)值得到， 以防止河口區(qū)浮游藻的大量暴發(fā)。然而， 雖然單物種藻類培養(yǎng)可以初步得出生態(tài)響應(yīng)值， 但未考慮種間競(jìng)爭(zhēng)、浮游動(dòng)物等的影響， 所以需要進(jìn)一步進(jìn)行多種浮游藻的微宇宙群落試驗(yàn)， 以校驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。

我國(guó)對(duì)長(zhǎng)江口的研究相對(duì)完整， 本研究以長(zhǎng)江口為例探討了不同生態(tài)分區(qū)的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)基準(zhǔn)值， 然而， 為了實(shí)現(xiàn)河口及近岸的環(huán)境管理， 我們必須對(duì)河口區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和研究， 建立完整的河口基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫， 探索科學(xué)合理的河口分類和分區(qū)方法， 對(duì)多項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)進(jìn)行分析和推導(dǎo)， 以建立完整的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)體系， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)赤潮等有害事件的防控， 保證河口生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)鹽度分布、地形特點(diǎn)和行政管理的便利性， 將長(zhǎng)江口分為兩個(gè)生態(tài)區(qū)： I 區(qū)(口門區(qū))和II 區(qū)(口外區(qū))， 分區(qū)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩生態(tài)區(qū)各指標(biāo)差異性顯著， 分區(qū)基本合理。

(2) 基于主成分分析、相關(guān)性分析和線性回歸分析， 得出DIN 和SRP 是制定長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)， 而鹽度是其重要影響因素之一。DIN、SRP、DO 和SS 與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)， 與SRP 相比， DIN 表現(xiàn)出更好的保守性。

(3) 采用頻數(shù)分布法和壓力-響應(yīng)模型法得到口門區(qū)DIN 和SRP 基準(zhǔn)推薦值分別為0.614 和0.029mg/L， 口外區(qū)基準(zhǔn)推薦值分別為0.295 和0.008mg/L。

(4) 通過中肋骨條藻和東海原甲藻室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)， 得到口門區(qū)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.535 和0.025mg/L， 口外區(qū)DIN 和SRP 的生態(tài)響應(yīng)值分別為0.254 和0.043mg/L。