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  • ISSN 1007-6336
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春季青岛鳌山湾沿岸海水水质状况分析与评价

张锗 任宏伟 牟亮 胡玉斌

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春季青岛鳌山湾沿岸海水水质状况分析与评价

    作者简介: 张 锗(1998-),男,河北邢台人,硕士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:1837972726@qq.com;
    通讯作者: 胡玉斌,副研究员,主要从事海洋化学研究,E-mail:yubinhu@sdu.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41806094);山东大学青年学者未来计划项目(2018WLJH43);山东大学基本科研业务费专项资金项目(2017TB005)
  • 中图分类号: P734;X824

Assessment on the water quality of coastal seawater in the Aoshan bay, Qingdao in spring

  • 摘要: 本文根据2019年春季的调查资料,运用污染指数评价法对鳌山湾沿岸的海水环境质量进行评价,分别使用相对和绝对限制法确定营养盐限制因子,采用营养状态质量指数法和富营养化指数法评价其营养现状,并分析化学需氧量与浊度的相关性。结果表明:(1)春季鳌山湾沿岸海水属Ⅰ类水质,化学需氧量、溶解无机氮和溶解无机磷污染程度较低;(2)鳌山湾沿岸海水出现硅限制和磷限制现象,无氮限制现象;(3)鳌山湾沿岸未出现富营养化现象;(4)鳌山湾沿岸海水的化学需氧量与浊度呈显著正相关性。
  • 图 1  调查区域和站位分布

    Figure 1.  Studying area and sampling stations

    图 2  春季鳌山湾沿岸海水COD与浊度相关性分析

    Figure 2.  Correlation analysis of COD and turbidity in the nearshore seawater of the Aoshan bay in spring

    表 1  沿岸水质监测指标及分析方法

    Table 1.  The investigated parameters and analytical method of the coastal seawater

    监测指标分析方法检出限/
    mg·L−1
    精密度
    (相对标准偏差)/(%)
    pH玻璃电极法0.1
    盐度电导率法0.3
    浊度分光光度法0.7
    COD碱性高锰酸钾法1.2
    Chl a分光光度法5.2
    NH4-N靛酚蓝分光光度法0.0125.7
    NO3-N萘乙二胺分光光度法0.0011.0
    NO2-N萘乙二胺分光光度法0.0013.2
    DIP磷钼蓝分光光度法0.0044.0
    DISi硅钼蓝分光光度法0.0022.4
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    表 2  COD、DIN和DIP污染指数

    Table 2.  The pollution index of COD, DIN and DIP

    站位St(COD)St(DIN)St(DIP)
    A0.210.130.14
    B0.330.140.13
    C0.310.350.22
    D0.570.330.24
    E0.470.320.29
    F0.390.270.28
    G0.490.120.19
    H0.220.130.13
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    表 3  春季鳌山湾沿岸水质监测数据

    Table 3.  The investigated data of water quality in the coastal seawater of the Aoshan bay in spring

    站位水温/℃盐度pH25浊度/ NTUChl a/μg·L−1CODDINDIPDISi
    mg·L−1
    A12.032.468.0724.22.630.630.0400.0040.034
    B18.032.608.01100.33.160.990.0410.0040.043
    C19.031.448.0331.75.020.940.1060.0070.290
    D16.533.048.00298.72.011.720.1000.0070.223
    E19.533.227.97374.73.071.400.0970.0090.245
    F17.032.638.0293.32.291.180.0820.0080.087
    G14.032.528.09202.31.681.470.0350.0060.063
    H13.532.418.119.82.040.650.0400.0040.049
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    表 4  春季鳌山湾沿岸海域营养盐DIN、 DIP和DISi浓度及其比值

    Table 4.  The content of DIN, DIP and DISi and their ratios in the coastal seawater of the Aoshan bay in spring

    站位DINDIPDISiN/PSi/PSi/N限制因子
    μmol·L−1
    A2.880.131.2121.569.050.42Si
    B2.940.121.5523.8812.570.53Si
    C7.490.2210.3534.7748.001.38P
    D7.150.247.9630.2333.671.11P
    E6.940.288.7425.0131.481.26P
    F5.840.273.1221.8711.700.53
    G2.480.182.2513.4012.170.91
    H2.840.121.7623.0614.260.62Si
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    表 5  营养状态质量指数法和富营养化指数法评价结果

    Table 5.  The evaluation results from nutrient state quality index and eutrophication index

    站位NQIE
    A0.750.02
    B0.910.03
    C1.390.15
    D1.350.28
    E1.390.26
    F1.170.18
    G0.960.06
    H0.680.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-06
  • 录用日期:  2020-12-03
  • 刊出日期:  2021-08-20

春季青岛鳌山湾沿岸海水水质状况分析与评价

    作者简介:张 锗(1998-),男,河北邢台人,硕士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:1837972726@qq.com
    通讯作者: 胡玉斌,副研究员,主要从事海洋化学研究,E-mail:yubinhu@sdu.edu.cn
  • 山东大学 海洋研究院,山东 青岛 266237
基金项目: 国家自然科学基金项目(41806094);山东大学青年学者未来计划项目(2018WLJH43);山东大学基本科研业务费专项资金项目(2017TB005)

摘要: 本文根据2019年春季的调查资料,运用污染指数评价法对鳌山湾沿岸的海水环境质量进行评价,分别使用相对和绝对限制法确定营养盐限制因子,采用营养状态质量指数法和富营养化指数法评价其营养现状,并分析化学需氧量与浊度的相关性。结果表明:(1)春季鳌山湾沿岸海水属Ⅰ类水质,化学需氧量、溶解无机氮和溶解无机磷污染程度较低;(2)鳌山湾沿岸海水出现硅限制和磷限制现象,无氮限制现象;(3)鳌山湾沿岸未出现富营养化现象;(4)鳌山湾沿岸海水的化学需氧量与浊度呈显著正相关性。

English Abstract

  • 近年来,随着我国海岸带和海洋资源的利用开发,大量污染物质的排放导致沿岸海水环境质量不断下降[1]。山东半岛南部近岸海域属于黄海,诸多海湾分布于此,如青岛的胶州湾、唐岛湾和鳌山湾等。目前关于青岛海湾的水质状况调查主要集中于胶州湾[2],沿岸生活污水和工业废水的排放给该湾带来了一系列环境问题。张学庆等[3]指出胶州湾的主要污染因子是氮,海湾东北部呈现带状污染,污染程度较为严重。但目前关于鳌山湾水质状况的认知还相对有限。

    鳌山湾又称北湾,位于青岛市即墨区东部,湾内面积约120 km2,最大水深为14 m,湾口宽度约11 km,与黄海中部相通。鳌山湾面向东南,呈“C”字形,是一个半封闭型养殖海湾,养殖区域多分布在水交换较差的内湾和沿岸,养殖废水中的饵料和鱼类排泄物等造成水体的“二次倍增污染”[4]。相关研究表明[5-6],海水养殖过程可能对环境造成严重的有机污染,有机物在降解过程中释放硝酸盐、磷酸盐等营养盐,可能导致养殖海域富营养化程度加重。以往研究[7-8]主要关注鳌山湾湾内,侧重于对湾内营养结构与状况的分析,而人类活动和高密集的养殖生产区多分布于鳌山湾沿岸,有关该湾沿岸水体环境质量、营养结构与状况的研究基本空白。因此,本研究对鳌山湾沿岸海水水质污染状况、营养盐结构和富营养化水平这3个方面的环境质量进行评价,探索该湾沿岸海水受人类活动影响的程度。

    • 本次调查时间为2019年4月18日至19日,共设8个站位,均在鳌山湾沿岸,覆盖了港口码头、养殖区以及生活区,调查范围及站位分布如图1所示。其中,站位A、G和H位于湾口,靠近码头与港口(鳌山码头、钓鱼嘴码头和女岛港);站位B、C、D和F均位于生活区附近(靠近七沟村、海泉湾、人工岛和黑子村);站位E位于湾顶的大桥滩附近,北侧为大桥盐场。海泉湾和大桥滩存在河流输入现象,如水泊河、抬头河及其支流等。

      图  1  调查区域和站位分布

      Figure 1.  Studying area and sampling stations

    • 水样取自沿岸表层,采集和保存按《海洋监测规范−海水分析》(GB 17378.4-2007)[9]中规定的相关方法进行。水质测定指标包括水温(现场测定)、pH25(修正到25 ℃下的pH)、盐度、浊度、化学需氧量(COD)、叶绿素(Chl a)、溶解无机氮(DIN,为NO3-N、NO2-N、NH4-N之和)、溶解无机磷(DIP)和溶解无机硅(DISi),各指标的具体分析方法见表1。其中,水样的化学需氧量(COD)于24 h内测定完成,为总COD(包括溶解性COD和非溶解性COD),营养盐待测水样经0.45 μm滤膜(Millipore Express, PES Membrane)过滤保存,一个月内测定。其中,DIP、NO3-N和NO2-N待测水样于−20 ℃冷冻保存,DISi和NH4-N待测水样添加0.1%氯仿于4 ℃冷藏保存。

      监测指标分析方法检出限/
      mg·L−1
      精密度
      (相对标准偏差)/(%)
      pH玻璃电极法0.1
      盐度电导率法0.3
      浊度分光光度法0.7
      COD碱性高锰酸钾法1.2
      Chl a分光光度法5.2
      NH4-N靛酚蓝分光光度法0.0125.7
      NO3-N萘乙二胺分光光度法0.0011.0
      NO2-N萘乙二胺分光光度法0.0013.2
      DIP磷钼蓝分光光度法0.0044.0
      DISi硅钼蓝分光光度法0.0022.4

      表 1  沿岸水质监测指标及分析方法

      Table 1.  The investigated parameters and analytical method of the coastal seawater

    • DIN、DIP及COD是我国近海及养殖区的主要污染物监测指标。沿岸水质污染评价采用单因子污染指数法[10],计算公式如下:

      式中:St为第t类污染物的污染指数;Ct为第t类污染物的实测值,mg/L;C0为第t类污染物标准值,mg/L。当St≤1时,表明该站位水质符合该类海水水质标准;当St>1时,表明水质不符合该类海水水质标准,St值越大表示污染程度越重。

    • 浮游植物的生长离不开营养盐,营养盐浓度与结构的变化会影响海洋浮游植物的群落结构。N/P、Si/N和Si/P是评价营养盐结构的重要指标,过高或过低均可导致浮游植物的生长受到某一浓度相对较低元素的限制。本文运用相对限制法与绝对限制法进行潜在性限制评估,其中,相对限制法则:(1)如果N/P<10且Si/N>1,则为氮潜在限制;(2)如果N/P>22且Si/P>22,则为磷潜在限制;(3)如果Si/P<10且Si/N<1,则为硅潜在限制。绝对限制法则:浮游植物对于营养盐的吸收都会有最低阈值,营养盐氮、磷和硅的阈值分别为1 μmol/L、0.03 μmol/L和2 μmol/L[11]。若水体中某种营养盐的浓度达不到最低阈值,则该营养盐为限制因子。

    • 适量营养盐会促进浮游植物的生长,但过量营养盐则可能会导致海水富营养化[12]。本文分别运用营养状态质量指数法和富营养化指数法对鳌山湾沿岸海水富营养化程度进行评价。营养状态质量指数法是国内研究海水富营养化中使用较多的一种方法,适用于监测指标之间浓度相差不大(指标浓度无过高值或无过低值情况)的情况[13],计算公式为:

      式中:NQI为营养状态质量指数;CODrDINrDIPrChl ar分别为海水COD、DIN、DIP、Chl a的实测浓度(mg/L);CODsDINsDIPsChl as分别为海水COD、DIN、DIP、Chl a的标准值(mg/L)。当NQI≤2时,表明该水体为贫营养水平;当2<NQI<3时,为中等营养水平;当NQI≥3时,为富营养水平。

      富营养化指数法最早来源于日本,国内学者邹景忠等[14]在此基础上,结合我国海湾的实际水质状况,优化了原有公式,计算公式为:

      式中:E为富营养化指数;CCODCDINCDIP分别为海水COD、DIN、DIP实测浓度(mg/L)。当E<1时,水体为贫营养水平;当E≥1时,水体呈富营养化。E值越大,水体的富营养化程度越高。

    • COD、DIN和DIP的污染指数见表2,春季鳌山湾沿岸水质监测数据见表3。本次调查沿岸水体温度变化范围为12.0 ℃~19.5 ℃,平均值为16.2 ℃;盐度变化范围为31.44~33.22,平均值为32.54。受温泉河和大任河输入的影响,海泉湾附近盐度相对于其他站位略低,而人工岛和大桥滩附近受盐场的影响,盐度明显高于平均值。pH变化范围为7.97~8.11,平均值为8.08,各站位间的差异较小。

      站位St(COD)St(DIN)St(DIP)
      A0.210.130.14
      B0.330.140.13
      C0.310.350.22
      D0.570.330.24
      E0.470.320.29
      F0.390.270.28
      G0.490.120.19
      H0.220.130.13

      表 2  COD、DIN和DIP污染指数

      Table 2.  The pollution index of COD, DIN and DIP

      站位水温/℃盐度pH25浊度/ NTUChl a/μg·L−1CODDINDIPDISi
      mg·L−1
      A12.032.468.0724.22.630.630.0400.0040.034
      B18.032.608.01100.33.160.990.0410.0040.043
      C19.031.448.0331.75.020.940.1060.0070.290
      D16.533.048.00298.72.011.720.1000.0070.223
      E19.533.227.97374.73.071.400.0970.0090.245
      F17.032.638.0293.32.291.180.0820.0080.087
      G14.032.528.09202.31.681.470.0350.0060.063
      H13.532.418.119.82.040.650.0400.0040.049

      表 3  春季鳌山湾沿岸水质监测数据

      Table 3.  The investigated data of water quality in the coastal seawater of the Aoshan bay in spring

      沿岸营养盐浓度呈现出湾内高于湾口的特征。DIN浓度范围为0.035~0.106 mg/L,平均浓度为0.068 mg/L。DIP浓度范围为0.004~0.009 mg/L,平均浓度为0.006 mg/L。DISi浓度范围为0.034~0.290 mg/L,平均浓度为0.129 mg/L。靠近海泉湾、人工岛和大桥滩站位的营养盐浓度高,湾口鳌山码头和女岛港附近营养盐浓度相对较低。Chl a浓度范围为1.68~5.02 μg/L,平均浓度为2.74 μg/L。除海泉湾附近Chl a浓度相对较高外,其他站位附近Chl a 浓度相差不大。

      本研究调查站位虽全部位于沿岸,覆盖码头港口、生活区和养殖区,但DIN、DIP和COD的污染指数均小于1,符合Ⅰ类海水水质标准,这表明沿岸人类活动及养殖生产排放入湾的污染物质均未超过水体的环境容量。这也可能与水体具有一定的自净能力有关。

      本次调查集中在沿岸海域,营养盐氮、磷浓度湾内沿岸站位高于湾口沿岸站位,呈现出北高南低的特点。此现象与辛福言等[7]于1996年11月-1998年5月在鳌山湾湾内进行的调查结果一致,这可能与该湾水交换能力有关。由于鳌山湾水体交换能力一般[4],不利于湾内营养盐向外海运输和扩散,因此排入沿岸的营养盐在此处停留时间较长,进而造成营养盐在湾内富集。

    • 大洋中,营养盐之间的摩尔比例一般是恒定的,这一比值称为Redfield比值[15]。在沿岸浅海区,这一比值并不总是恒定的,营养盐比例不平衡,浮游植物的生长会受制于某一相对不足的营养盐,被称为营养盐限制。

      春季鳌山湾沿岸海域营养盐DIN、DIP和DISi浓度及其比值见表4。结果表明,沿岸水体N/P范围为13.40~34.77,平均值为24.22;Si/P范围为9.05~48.00,平均值为21.61;Si/N范围为0.42~1.38,平均值为0.85。根据相对与绝对限制法则,春季鳌山湾沿岸水体出现了磷限制和硅限制,所有站位均未出现氮限制。

      站位DINDIPDISiN/PSi/PSi/N限制因子
      μmol·L−1
      A2.880.131.2121.569.050.42Si
      B2.940.121.5523.8812.570.53Si
      C7.490.2210.3534.7748.001.38P
      D7.150.247.9630.2333.671.11P
      E6.940.288.7425.0131.481.26P
      F5.840.273.1221.8711.700.53
      G2.480.182.2513.4012.170.91
      H2.840.121.7623.0614.260.62Si

      表 4  春季鳌山湾沿岸海域营养盐DIN、 DIP和DISi浓度及其比值

      Table 4.  The content of DIN, DIP and DISi and their ratios in the coastal seawater of the Aoshan bay in spring

      绝大部分调查站位的水体N/P高于22,DIN浓度远高于浮游植物生长阈值,尤其在海泉湾、人工岛、大桥滩和黑子村附近,DIN浓度是其生长阈值的5倍以上。所有站位均未出现氮限制,这可能是由于在达到浮游植物生长的最低需求时,磷营养盐优先于氮营养盐被消耗。除此之外,海水中的氮营养盐还可以通过固氮作用进行补充[16]

      靠近海泉湾、人工岛和大桥滩的C站位、D站位和E站位出现磷限制,N/P和Si/P均大于22。靠近海泉湾的C站位浊度较低,Chl a浓度相对较高,出现磷限制的原因可能是浮游植物生长对磷酸盐的大量利用。靠近人工岛和大桥滩的D、E站位浊度较高,Chl a浓度较低,造成磷限制的可能原因是沿岸海水中悬浮颗粒物对磷酸盐产生的吸附作用[17]

      以往的调查主要集中在湾内,相关研究[7-8]表明,20世纪末到21世纪初,鳌山湾湾内主要营养盐限制因子由氮变为磷,未出现硅限制。本研究中鳌山湾沿岸海水营养盐限制因子除磷外,还出现了硅限制的现象。硅的缺乏可能会导致浮游植物群落构成的动态变化,硅藻优势种可能会被取代,这从一定程度上反映出进行该湾沿岸海水营养盐结构分析的重要性。谢琳萍等[18]对2006-2007年4个季节的营养盐调查结果指出,山东半岛该区域附近海域春季Si/P较低,硅酸盐浓度低于其生长阈值,存在硅限制现象。本次调查出现硅限制的站位均位于湾口,与黄海相通。虽然Si/P绝大部分大于10,但位于湾口附近的鳌山码头、七沟村和女岛港沿岸的硅浓度低于其生长阈值,造成该调查海域为硅限制。

    • 营养状态质量指数法和富营养化指数法评价结果见表5。结果表明,沿岸NQI小于2,E小于1,湾内站位NQIE均高于湾口,未出现富营养化现象,这与丁喜桂等[8]对春季鳌山湾的调查结果一致。周斌等[19]于2006-2007年分4个季节对山东半岛南部沿岸海域进行了水质调查,运用主成分分析法与潜在性富营养化法对水体进行富营养化评价,结果表明,春季鳌山湾海水未发生水体富营养化,而冬季该湾富营养化程度较高,此现象可能与季节变化导致水体生物活动的差异有关。水体浮游生物量高峰一般出现在春季或夏季,入海的大量营养盐被生物体吸收利用,而冬季环境恶劣(特别是温度太低),浮游生物对于入海营养盐吸收量减少。这从一定程度上反映出水体富营养化的形成与季节变化有密切关系。

      站位NQIE
      A0.750.02
      B0.910.03
      C1.390.15
      D1.350.28
      E1.390.26
      F1.170.18
      G0.960.06
      H0.680.02

      表 5  营养状态质量指数法和富营养化指数法评价结果

      Table 5.  The evaluation results from nutrient state quality index and eutrophication index

    • COD是度量水体受有机物污染程度的重要指标之一。已有研究[20-21]表明,生活污水COD与浊度存在较为显著的相关性。依据这一关系,可根据测定的浊度来间接反映水体受有机物污染的程度。本研究采用碱性高锰酸钾法来测定海水COD,探讨鳌山湾海水COD与浊度之间的相关性。春季鳌山湾沿岸海水COD与浊度的相关性分析如图2所示,结果表明,海水COD与浊度呈显著相关性,相关系数为0.75,p值为0.006。邹建军等[22]研究表明,许多有机污染物质排入沿岸表层水体后逐步附着于悬浮颗粒。本次调查中浊度变化范围为9.8~374.7 NTU,平均值为141.9 NTU,大桥滩和人工岛附近浊度较高,而湾口鳌山码头和女岛港附近浊度较低。COD浓度范围为0.63~1.72 mg/L,平均浓度为1.12 mg/L。COD高值主要分布在湾顶附近,基本呈现出从湾顶到湾口降低的特征,这可能与湾顶沿岸海水中悬浮颗粒物对有机污染物质的较强吸附特性有关。该湾大量的养殖排泄废物和残留饵料等有可能吸附到沿岸悬浮颗粒物中,且湾内水体交换能力较弱,颗粒物上吸附的有机污染物质不能及时扩散稀释,进而造成湾顶COD值较高的现象。

      图  2  春季鳌山湾沿岸海水COD与浊度相关性分析

      Figure 2.  Correlation analysis of COD and turbidity in the nearshore seawater of the Aoshan bay in spring

    • (1)2019年春季青岛鳌山湾沿岸水体污染程度较低,水质良好。

      (2)沿岸部分站位出现硅限制和磷限制,但未发现氮限制。硅限制主要位于湾口,而磷限制出现在湾内。

      (3)营养状态质量指数法和富营养化指数法评价结果表明,鳌山湾沿岸水体NQI值小于2,E值小于1,湾内站位E值均高于湾口,均未达到富营养化水平。

      (4)该湾沿岸水体COD与浊度具有较为显著的相关性,呈现出由湾内到湾口逐渐降低的趋势。

参考文献 (22)

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