遼東灣營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值的研究與確定

朱韻潔， 朱曉艷， 林英姿， 許秋瑾， 雷坤

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院2.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院3.南京醫(yī)科大學(xué)全球健康中心

海水富營(yíng)養(yǎng)化尤其是近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)全球性的問(wèn)題，從1971年起，全球范圍內(nèi)陸續(xù)報(bào)道近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，如美國(guó)長(zhǎng)島[1]，歐洲的挪威、丹麥、瑞典、法國(guó)等國(guó)[2]以及澳大利亞的大堡礁[3]等。大量研究表明[4-7]，目前我國(guó)近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化狀況較為嚴(yán)重，《2019年中國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)近岸海域主要超標(biāo)污染物為無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽。

研究確定營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)(nutrient criteria)值是近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化控制的基礎(chǔ)，美國(guó)及歐盟等在該領(lǐng)域的研究起步較早。美國(guó)于1976年發(fā)布了第一部國(guó)家水質(zhì)基準(zhǔn)，1998年制定《區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)國(guó)家戰(zhàn)略》[8]，之后美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)分別在2000年、2001年和2008年針對(duì)河流[9]、湖泊[10]、河口及近岸海域[11]、濕地[12]等不同水體的富營(yíng)養(yǎng)化特點(diǎn)，頒布營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)制定指南，推動(dòng)各州營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)制定。為推動(dòng)建立統(tǒng)一的生態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，歐盟于2000年發(fā)布水框架指令(WFD)，確立各成員國(guó)區(qū)域背景值；于2008年頒布海洋戰(zhàn)略框架指令(MSFD)[13]，2010年頒布MFSD的具體實(shí)施指標(biāo)與方法標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)各成員國(guó)的海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)立法[14]；于2018年發(fā)布《建立營(yíng)養(yǎng)鹽濃度以支持良好生態(tài)狀態(tài)的最佳實(shí)踐》，為歐盟各國(guó)營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)的制定提供理論指導(dǎo)[15]。我國(guó)張瑞卿等[16-17]分別對(duì)淡水和海水中有毒污染物水質(zhì)基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，霍守亮等[18]對(duì)淡水營(yíng)養(yǎng)鹽水質(zhì)基準(zhǔn)進(jìn)行了研究。但我國(guó)在海水營(yíng)養(yǎng)鹽水質(zhì)基準(zhǔn)方面的研究起步較晚，較近的有2012年王菊英[19]以遼河口為例對(duì)近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽水質(zhì)基準(zhǔn)建立方法的研究。王司玉等[20-22]分別對(duì)小清河口、渤海及長(zhǎng)江口進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值的研究。

遼東灣是我國(guó)渤海三大海灣之一，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，遼東灣海域頻繁出現(xiàn)赤潮，并呈現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、面積大的特點(diǎn)[23]。《2019年中國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，遼東灣是我國(guó)重度富營(yíng)養(yǎng)化海域之一，急需加強(qiáng)其近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)、評(píng)估和控制。筆者以遼東灣為例，采用頻數(shù)分析法推導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值，并應(yīng)用1974年國(guó)家海洋局渤海專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查的數(shù)據(jù)作為參照狀態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)，最終確定了遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和DO的推薦基準(zhǔn)值，以期為遼東灣海域富營(yíng)養(yǎng)化控制及生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)，同時(shí)為我國(guó)近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)的制定提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼東灣西起河北省大清河口，東至遼東半島南端老鐵山角連線(xiàn)以北的渤海海域，是我國(guó)緯度最高的海灣，海域面積約3.3萬(wàn)km2，屬于半封閉海灣，海水自?xún)裟芰^弱[24-25]。遼東灣自西向東依次有六股河、小凌河、大凌河、雙臺(tái)子河、遼河等15條入海河流，其每年攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)入遼東灣[24]。同時(shí)，沿岸養(yǎng)殖場(chǎng)、海水浴場(chǎng)、港口產(chǎn)生的污染物直接排入遼東灣，為遼東灣藻類(lèi)生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)[26]。2000—2015年，遼東灣西部秦皇島附近海域、止錨灣海域、葫蘆島附近海域、大連溫坨島北部海域以及遼東灣東部和中部海域赤潮累積面積分別達(dá)12 662、400、250、217、110、100 km2[27]。

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

遼東灣2014—2017年海水水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站網(wǎng)站上公布的近岸海域水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中2014—2015年共有19個(gè)采樣點(diǎn)，2016—2017年共有35個(gè)采樣點(diǎn)。采用1974年國(guó)家海洋局渤海專(zhuān)項(xiàng)污染調(diào)查中14個(gè)采樣點(diǎn)的溶解氧(DO)和溶解無(wú)機(jī)氮濃度數(shù)據(jù)用于校驗(yàn)。

1.2.2營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)指標(biāo)選擇

營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)制定的指標(biāo)應(yīng)不僅僅限于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，理論上應(yīng)包括用于解釋近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化原因和結(jié)果的所有變量，一般包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chla)、水體透明度(SD)、DO 5個(gè)基本指標(biāo)[11]。由于我國(guó)近海海域TN、TP濃度的歷史數(shù)據(jù)缺乏，因此采用溶解無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽分別代替TN與TP。國(guó)際上SD、Chla為營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)制定中的基本指標(biāo)，但由于本研究收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中沒(méi)有SD、Chla，因此，采用溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽、DO作為營(yíng)養(yǎng)鹽及其響應(yīng)指標(biāo)。

1.2.3營(yíng)養(yǎng)鹽水質(zhì)基準(zhǔn)制定方法

目前常用的營(yíng)養(yǎng)鹽水質(zhì)基準(zhǔn)制定方法有頻數(shù)分析法、參照狀態(tài)法[10-11]、沉積物歷史反演法、預(yù)測(cè)或外推模型法[28]等。由于遼東灣是一個(gè)半封閉的海灣，受入海河流泥沙量大的影響，沉積物狀態(tài)相對(duì)不穩(wěn)定，難以應(yīng)用沉積物反演法[29]?？紤]到遼東灣水質(zhì)數(shù)據(jù)的收集情況，參考美國(guó)及歐盟關(guān)于近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽制定方法，選擇采用頻數(shù)分析法推算遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和DO的推薦水質(zhì)基準(zhǔn)值。

頻數(shù)分析法是假設(shè)研究區(qū)域中至少存在一些水質(zhì)良好的水體或同一水體多個(gè)采樣點(diǎn)多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中至少有一些屬于良好水質(zhì)。在整個(gè)區(qū)域中進(jìn)行同類(lèi)水體或同一水體多個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集和采集，做出相應(yīng)的水質(zhì)頻數(shù)分布曲線(xiàn)圖，取營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)頻數(shù)分布曲線(xiàn)的上或下第25個(gè)百分點(diǎn)(累積頻數(shù)為75%或25%對(duì)應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，下同)或其他合適的百分點(diǎn)作為基準(zhǔn)值[30]。

依據(jù)已有研究，當(dāng)在生態(tài)區(qū)域中存在沒(méi)有受人類(lèi)干擾或干擾很小的水體或水體歷史上水質(zhì)很好，且有調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用時(shí)間參照狀態(tài)法[8,31]。具體可應(yīng)用各指標(biāo)值的頻數(shù)分布曲線(xiàn)的中值表達(dá)受“最低影響”的參照狀態(tài)。依據(jù)遼東灣流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及污染狀況，參考1974年渤海專(zhuān)項(xiàng)污染調(diào)查的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)參照點(diǎn)的溶解無(wú)機(jī)氮、DO濃度的測(cè)定值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制頻數(shù)分布曲線(xiàn)圖，取相應(yīng)指標(biāo)的頻數(shù)分布曲線(xiàn)的中值作為參照狀態(tài)，用于校驗(yàn)推薦基準(zhǔn)值是否合理。

1.2.4數(shù)據(jù)分析方法

利用SPSS 25軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及繪制水質(zhì)頻數(shù)分布曲線(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 頻數(shù)分析法

對(duì)遼東灣2014—2017年的溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和DO濃度進(jìn)行水質(zhì)頻數(shù)分布綜合分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，按下第25個(gè)百分點(diǎn)提出推薦基準(zhǔn)值(表1)，溶解無(wú)機(jī)氮的推薦基準(zhǔn)值為0.11 mg/L，活性磷酸鹽為0.004 mg/L。DO推薦基準(zhǔn)值應(yīng)選取上第25個(gè)百分點(diǎn)，為8.80 mg/L。若按上或下第5個(gè)百分點(diǎn)作為推薦基準(zhǔn)值，則溶解無(wú)機(jī)氮的推薦基準(zhǔn)值是0.05 mg/L，活性磷酸鹽為0.002 mg/L，DO為9.61 mg/L。

圖1 2014—2017年遼東灣近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽頻數(shù)分布曲線(xiàn)Fig.1 Curve of frequency distribution of nutrients in the inshore area Liaodong Bay from 2014 to 2017

表1 遼東灣近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of frequency distribution of nutrient concentration in the inshore area of Liaodong Bay mg/L

2.2 參照狀態(tài)法

根據(jù)1974年國(guó)家海洋局渤海專(zhuān)項(xiàng)污染調(diào)查數(shù)據(jù)，繪制遼東灣近岸海域1974年?duì)I養(yǎng)鹽頻數(shù)分布曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知，1974年遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮濃度為0.008～0.083 mg/L，基本不存在水質(zhì)污染,取頻數(shù)分布曲線(xiàn)中值作為參照狀態(tài)，遼東灣參照狀態(tài)的溶解無(wú)機(jī)氮基準(zhǔn)值為0.053 mg/L。由圖2(b)可知，1974年遼東灣DO濃度為4.16～8.12 mg/L，取頻數(shù)分布曲線(xiàn)中值作為參照狀態(tài)，則遼東灣參照狀態(tài)的DO基準(zhǔn)值為6.29 mg/L。

圖2 遼東灣近岸海域1974年?duì)I養(yǎng)鹽頻數(shù)分布曲線(xiàn)Fig.2 Curve of frequency distribution of nutrients in the inshor area of Liaodong Bay in 1974

3 討論

營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值是指環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)對(duì)所研究區(qū)域不產(chǎn)生不良或者有害影響的最大劑量(無(wú)作用劑量)或濃度[32]。利用頻數(shù)分析法推導(dǎo)提出基準(zhǔn)值時(shí)，通常采用上或下第25個(gè)百分點(diǎn)[11]，本研究根據(jù)此原則提出遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮的推薦基準(zhǔn)值為0.11 mg/L，活性磷酸鹽為0.004 mg/L，DO為8.8 mg/L。由于參考水體分布的上第25個(gè)百分點(diǎn)和來(lái)自代表性取樣分布的下第25個(gè)百分點(diǎn)只是一般建議[33-34]，如果多數(shù)采樣點(diǎn)水質(zhì)受到了較大的污染，則應(yīng)選取上或下第5個(gè)百分點(diǎn)[11,35]。由于收集數(shù)據(jù)的時(shí)段為2014—2017年，自20世紀(jì)80年代以來(lái)遼東灣污染日趨嚴(yán)重，近年來(lái)入遼東灣河流水質(zhì)雖經(jīng)過(guò)治理有所好轉(zhuǎn)，但入海河流攜帶的污染物濃度遠(yuǎn)高于近岸海域，使遼東灣近岸海域富營(yíng)養(yǎng)化程度仍較為嚴(yán)重[36-37]，因此，選取上或下第5個(gè)百分點(diǎn)作為推薦基準(zhǔn)值更為合理，此時(shí)溶解無(wú)機(jī)氮的推薦基準(zhǔn)值為0.05 mg/L，活性磷酸鹽為0.002 mg/L，DO為9.61 mg/L。

利用1974年數(shù)據(jù)作為參照狀態(tài)分析得到的遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮基準(zhǔn)值為0.053 mg/L，對(duì)比頻數(shù)分析法下第5個(gè)百分點(diǎn)的推薦基準(zhǔn)值(0.050 mg/L)，二者基本一致，因此確定遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮的基準(zhǔn)值為0.050 mg/L。利用1974年數(shù)據(jù)作為參照狀態(tài)分析得到的DO的基準(zhǔn)值為6.29 mg/L，而用頻數(shù)分析法得到的基準(zhǔn)值為9.61 mg/L，二者相差比較大?？紤]到GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中DO濃度的第一類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值為6.0 mg/L，因此確定DO的基準(zhǔn)值為6.29 mg/L。

王菊英等[19，38-40]對(duì)遼東灣中2個(gè)重要河口區(qū)域(遼河及大遼河河口區(qū))進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值的研究。本研究溶解無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽的結(jié)果與胡瑩瑩等[38]的研究結(jié)果接近，但明顯低于蘇靜等[39-40]的研究結(jié)果。主要原因是蘇靜等[39-40]的研究區(qū)域靠近河口，受陸域入海河流來(lái)水影響大，因此營(yíng)養(yǎng)鹽豐富，基準(zhǔn)值較高。本研究區(qū)域覆蓋遼東灣全海域，因此結(jié)果更接近于離河口較遠(yuǎn)的、受入海河流影響小的胡瑩瑩等[38]的研究結(jié)果。由遼東灣與其他海灣及河口區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值比較(表2)可知，各研究區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值差異顯著，其原因可能是各研究區(qū)域的水文條件、溫度、氣候等自然條件不盡相同以及受污染程度不同導(dǎo)致的。

表2 遼東灣河口及其他近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽基準(zhǔn)值比較Table 2 Nutrient criteria value in the estuary of Liaodong Bay and other inshore areas mg/L

(續(xù)表2)

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)2014—2017年遼東灣海水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用頻數(shù)分析法推導(dǎo)出遼東灣近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽及其響應(yīng)指標(biāo)DO的基準(zhǔn)值分別為0.050、0.002 和9.61 mg/L。應(yīng)用1974年國(guó)家海洋局渤海專(zhuān)項(xiàng)污染調(diào)查數(shù)據(jù)作為參照狀態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)，遼東灣參照狀態(tài)的溶解無(wú)機(jī)氮基準(zhǔn)值為0.053 mg/L，參照狀態(tài)的DO基準(zhǔn)值為6.29 mg/L。

(2) 對(duì)比頻數(shù)分析法和參照狀態(tài)法的結(jié)果，結(jié)合GB 3097—1997第一類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定遼東灣溶解無(wú)機(jī)氮、活性磷酸鹽和DO的推薦基準(zhǔn)值分別為0.05、0.002和6.29 mg/L。