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海南东寨港红树林湿地污染监测与评价研究

杨玉楠 刘晶 MyatThiri

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海南东寨港红树林湿地污染监测与评价研究

    作者简介: 杨玉楠(1967-), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士, 副教授, 研究方向为环境生物技术, E-mail:yangyn@buaa.edu.cn;
  • 基金项目: 国家公益性行业专项项目(201504413);GEF海南湿地保护体系项目
  • 中图分类号: X835

Monitoring and evaluation of mangrove wetland pollution in Dongzhai harbor of Hainan

  • 摘要: 近年来海南东寨港红树林湿地生态环境受到严重污染,加之从2012年来以有孔团水虱为主的海洋污损动物在保护区内大面积爆发,使红树林遭受严重破坏。因此对海南东寨港红树林湿地进行污染监测、污染源分析及生态系统健康诊断、评估、预警是非常必要的。本文在对东寨港红树林湿地连续5 a监测和污染调查的基础上,采用单因子污染指数法、内梅罗指数法和综合营养状态指数法评价海南东寨港红树林自然保护区的污染状况和变化特征,探究其主要污染因子及其成因,并根据评价结果对红树林湿地生态系统的恢复提出相应对策与建议。研究结果显示在近5 a的时间里海南东寨港红树林湿地经历了从2013年—2015年污染程度逐渐减轻,到2016年—2017年污染情况再次严重的过程。根据三种污染评价方法得出近两年塔市、山尾村、三江镇区域水质污染和富营养化情况最严重,水体污染以有机质和氮污染为主。相关管理部门应加强监管并采取相应措施,控制高位池养虾数量,实施退塘还林及虾塘养殖废水处理等措施,尽快使海南东寨港红树林生态系统得以恢复。
  • 图 1  海南东寨港采样点分布

    Figure 1.  Distribution map of sampling points in Dongzhai

    图 2  2013年—2017年东寨港污染指标年平均监测值

    Figure 2.  Annual average monitoring value of pollution indicators in Dongzhai harbor from 2013 to 2017

    图 3  单因子污染指数评价结果

    Figure 3.  Evaluation results of single factor pollution indexp

    图 4  2013年—2017年东寨港红树林区域内梅罗指数变化图

    Figure 4.  Map of Nemero index changes in mangrove area of Dongzhai harbor from 2013 to 2017

    图 5  2013年—2017年东寨港红树林区域综合营养状态指数变化

    Figure 5.  Map of comprehensive trophic level index changes in mangrove area of Dongzhai harbor from 2013 to 2017

    表 1  东寨港采样点位置

    Table 1.  Sampling points location of Dongzhai harbor

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    表 2  内梅罗指数评价结果

    Table 2.  Evaluation results of Nemero index

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    表 3  综合营养状态指数评价结果

    Table 3.  Evaluation results of comprehensive trophic level index

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-06
  • 录用日期:  2019-02-22
  • 刊出日期:  2020-06-01

海南东寨港红树林湿地污染监测与评价研究

    作者简介:杨玉楠(1967-), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士, 副教授, 研究方向为环境生物技术, E-mail:yangyn@buaa.edu.cn
  • 1. 北京航空航天大学 空间与环境学院, 北京 100191
  • 2. 缅甸教育部 生物技术研究系, Mandalay Kyauk Se 15011
基金项目: 国家公益性行业专项项目(201504413);GEF海南湿地保护体系项目

摘要: 近年来海南东寨港红树林湿地生态环境受到严重污染,加之从2012年来以有孔团水虱为主的海洋污损动物在保护区内大面积爆发,使红树林遭受严重破坏。因此对海南东寨港红树林湿地进行污染监测、污染源分析及生态系统健康诊断、评估、预警是非常必要的。本文在对东寨港红树林湿地连续5 a监测和污染调查的基础上,采用单因子污染指数法、内梅罗指数法和综合营养状态指数法评价海南东寨港红树林自然保护区的污染状况和变化特征,探究其主要污染因子及其成因,并根据评价结果对红树林湿地生态系统的恢复提出相应对策与建议。研究结果显示在近5 a的时间里海南东寨港红树林湿地经历了从2013年—2015年污染程度逐渐减轻,到2016年—2017年污染情况再次严重的过程。根据三种污染评价方法得出近两年塔市、山尾村、三江镇区域水质污染和富营养化情况最严重,水体污染以有机质和氮污染为主。相关管理部门应加强监管并采取相应措施,控制高位池养虾数量,实施退塘还林及虾塘养殖废水处理等措施,尽快使海南东寨港红树林生态系统得以恢复。

English Abstract

  • 红树林是指生长在热带及亚热带地区,海洋与陆地相连的潮间带中木本植物群落总称,主要包括常绿灌木和乔木群落[1-2]。红树林是陆地与海洋过渡的生态关键区,具有独特的水文特征以及生物地球化学和生态功能,有净化海水,防汛、防浪、抵抗风暴等功能,是重要的首道沿海天然物理屏障,同时也为人类生产和生活提供了众多生态系统的产品和服务,如为沿海居民提供了大量建筑材料,食品,燃料和医药等原材料,还作为许多珍稀鱼类、无脊椎动物以及鸟类的栖息和繁殖场所,对生物多样性起到巨大的保护作用[3-4]。因此,红树林对海岸带生态系统平衡起着重要作用。

    尽管人们非常清楚红树林湿地生态系统的重要性,但在过去的半个世纪里,由于人类活动的影响红树林已经成为全球最受威胁的地区之一。土地使用的竞争压力导致了大量红树林遭到砍伐和退化[5]。在全世界范围内,沿海地区水产养殖、农业、盐业生产以及基础建设发展等活动使红树林大面积消失[6]。同时,全球气候变化是红树林面临的另一个威胁因素,二氧化碳(CO2)浓度增加、温度升高、海平面上升、风暴强度和频率增加等自然环境变化因素都威胁到红树林的生存[6-8]

    海南地处热带,岛上红树林种类较多、分布和保存面积也较大[9]。其中,海南东寨港红树林自然保护区位于海口市美兰区东北部的东寨港,绵延50 km,是我国第一批列入国际重要湿地名录的保护区之一[10]。但是,近年来由于东寨港红树林自然保护区周边居民进行鱼虾禽畜养殖、毁林伐树等基础建设以及无规划无秩序的旅游业开发,使得水域环境污染、红树面积急剧下降,红树林湿地生态功能急剧衰减,已使红树林成为高脆弱性的生态系统,严重威胁着人类的生存与发展[11-12]。孙艳伟等人的研究数据显示从1999年—2013年,东寨港红树林面积由1709.4 ha减少至1679.5 ha,年均减少2.1 ha[13]。因此对海南东寨港红树林自然保护区的污染监测、污染来源分析及生态系统健康诊断、评估和预警是非常必要的。本文在对海南东寨港红树林湿地连续5 a监测和调查的基础上,探究保护区主要污染因子及其成因,并根据评价结果对红树林湿地生态系统的恢复提出相应对策与建议,以期为东寨港红树林自然保护区的恢复与管理提供数据与资料支撑。

    • 海南东寨港国家级自然保护区(19°51′N—20°01′N,110°32′E—110°37′E)位于海南省东北部,是我国建立的第一个以红树林为主要保护对象的国家级自然保护区,保护区总面积为3337.6 ha,红树林面积1679.5 ha(2013年)[13]。该地气候类型为热带季风性气候,年平均气温在23.3 ℃~23.8 ℃,极端最高温度为38.9 ℃,极端最低温度为2.6 ℃,年平均降水量为1676.4 mm[14]

      东寨港自然保护区中有红树植物17科27种,群落类型有红海榄(Rhizophora stylosa)群落、海榄雌(Avicennia marina)群落、无瓣(Sonneratia apetala)海桑+海桑(Sonneratia caseolaris)群落、秋茄(Kandelia candel)群落、海莲(Bruguiera sexangyla)群落及角果木(Ceriops tagal)群落6种,红树林群落演替序列是:海榄雌群落(先锋群落,前沿向海带)→红海榄群落→海莲群落→角果木群落[14-16]

      根据东寨港地形地貌、自然保护区内红树林分布位置以及红树林周边人为污染源分布情况,将水样采样点主要设置在塔市红树林区域、石路村红树林区域、后排村红树林区域、山尾村红树林区域,演丰镇红树林区域、道学村红树林区域、三江镇区域,具体监测采样的地理位置如表 1图 1所示。

      表 1  东寨港采样点位置

      Table 1.  Sampling points location of Dongzhai harbor

      图  1  海南东寨港采样点分布

      Figure 1.  Distribution map of sampling points in Dongzhai

    • 从2013年至2017年,连续5 a对东寨港水质进行基本污染指标的监测,主要监测的指标包括高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、氨氮(AN)、总磷(TP)。对东寨港红树林地区存在的虾塘污染,利用卫星图片和实地走访考察的方法估算东寨港红树林保护区主要污染源——高位池虾塘的面积,同时实地调查当地农户进行养殖活动时所使用的消毒剂、解毒剂等养殖剂的种类和成分。此外,与海南东寨港国家级自然保护区管理局相关工作人员进行长期交流与讨论,充分了解保护政策落实情况,为红树林湿地的综合管理和决策分析提供支持。

      水样的采集和保藏,严格按照水质采样方案设计技术规定(HJ495—2009)和水质采样样品的保存和管理技术规定(HJ493—2009)操作,对采样点的表层水进行采集,从距水体表面20~40 cm深处采样550 mL,采集的样品用滤筛过滤混入的杂质并标明编号,同时测定水深。在温度为2 ℃~5 ℃中冷藏,以供检测时使用。采样时间为东寨港大潮时期,采样频率为每年干湿两季各采一次,每个采样点涨潮和落潮各采一次。

      水样测定方法CODMn(高锰酸盐指数法)、AN(纳氏试剂分光光度法)、TN(MultiN/C2100分析仪测定)、TP(钼酸铵分光光度法)。每个采样点涨潮和落潮监测值通过横向不同地点对比和纵向不同时间对比,在连续5 a监测中并未观察到涨潮落潮监测值有明显规律性变化且每次在同一地点采样的高潮和低潮监测值相差均不高于10%,推测可能原因为海南东寨港虾塘养殖采用高位池高密度精养方式,不同养殖户分管虾塘的养殖方法和排水时间不同。因此,为使数据的呈现更加整体和直观,本文采用各区域监测结果的平均值进行评价。

    • 采用单因子污染指数评价法,将水体中污染物的实测浓度与该污染物的国家环境标准值进行比较,以确定污染类别。单因子污染指数越大,表示监测点受该污染物的污染程度越高。具体表达式如下:

      式中:Pi, j为污染物i的监测值在j采样点上的污染指数,即超标倍数; Ci, j为污染物i在第j采样点上的监测浓度,mg/L; Si为污染物i的环境质量标准值,mg/L。单因子的各项评价指标值为全年各采样点监测值的平均值。

      采用内梅罗指数计算法,特别考虑到污染最严重的因子,在加权计算的过程中避免了权系数中主观因素的影响。具体表达式如下

      式中:PIjj采样点上的水污染指数,mg/L;Si为污染物i的环境质量标准值,mg/L;Ci, j为污染物i在第j采样点上的监测浓度,mg/L;n为检测指标的项目总数。

      采用综合营养状态指数计算法,进一步判断出东寨港红树林周边的受污染状况和富营养情况。具体表达式如下:

      式中:TLI(Σ)为受污染地区综合营养状态指数;wj为第j种污染监测指标营养指数的相关权重,CODMn、TN和TP权重分别为0.33、0.33、0.34;TLIj为第j种参数的营养状态指数,TLITP=10(9.436+1.624 lnTP),TLITN=10(5.453+1.694 lnTN),TLICODMn=10(0.109+2.661 lnCODMn);m为检测指标的项目总数。

    • 通过对海南东寨港红树林区域连续5 a的污染指标监测,从图 2中可看出,CODMn、TP、TN、AN的监测值波动明显,总体呈现2013年—2015年监测值逐渐减小,2016年—2017年监测值逐渐升高趋势。其中TP监测值与CODMn、TN和AN监测值相比较为稳定,且含量较低均在0.20 mg/L以下。CODMn监测值地区差异明显,但含量总体偏高。TN和AN监测值在2017年陡然升高且大部分区域如塔市、石路村、山尾村等监测含量明显高于2013年。在七个监测区域中,塔市、山尾村和三江镇近2 a的污染物含量最高,2017年塔市是污染最严重的区域,CODMn、TN、AN监测最高值分别为37.38、1.82、1.08 mg/L,三江镇污染物含量较为恒定,CODMn监测值一直在22.00 mg/L之上,山尾村TN、AN监测最高值分别为1.47、0.78 mg/L。

      图  2  2013年—2017年东寨港污染指标年平均监测值

      Figure 2.  Annual average monitoring value of pollution indicators in Dongzhai harbor from 2013 to 2017

      通过连续5 a污染指标监测,在整理相关监测数据的基础上,根据三种污染评价方法,对近年来红树林保护区污染程度及其变化情况进行分析。以地表水水质Ⅲ类标准为基准,单因子污染指数评价结果表明水体CODMn超标最严重,通常超标2倍~4倍,在2017年的监测数据中塔市超标高达6倍。总磷单因子指数在2013年—2017年均小于1,表明研究区域总磷含量较低均符合标准。总氮、氨氮自2013年起至2015年的监测结果较好,基本都符合地表水质Ⅲ类标准,极少数采样点虽有超标现象但单因子指数也都在1.3以下。从2016年起水体中总氮与氨氮含量升高,到2017年氮污染仍有加重的趋势,总氮单因子指数年均值高达1.4。

      图  3  单因子污染指数评价结果

      Figure 3.  Evaluation results of single factor pollution indexp

      根据内梅罗指数计算出各监测点污染指数(表 2)并以此结果作出如图 4所示的东寨港红树林区域内梅罗指数变化图。相比单因子污染指数评价法,内梅罗指数法能够更加简明直观地反映所监测地区的综合水质状况,突出了污染最严重因子对水质的影响,同时在一定程度上兼顾了其他污染较轻的因子。由表 2图 4可知从2013年至2017年,红树林区域的污染情况呈现出从2013年污染严重到2015年明显减轻,自2016年污染又开始加重的总趋势。2013年东寨港呈严重污染区域高达75.2%,13个监测点的内梅罗污染指数均大于3.0呈重度污染,其中山尾村和演丰镇区域监测点污染最严重,内梅罗指数均大于4.0。2015年水质明显好转,有37.9%的区域呈中度污染,除塔市和三江镇外其余地区污染指数均小于2.0,为轻度污染。但2016年呈中度污染区域达54.6%,到2017年中度污染区域升至62.0%,塔市地区监测点污染指数均高于4.0,呈重度污染。

      表 2  内梅罗指数评价结果

      Table 2.  Evaluation results of Nemero index

      图  4  2013年—2017年东寨港红树林区域内梅罗指数变化图

      Figure 4.  Map of Nemero index changes in mangrove area of Dongzhai harbor from 2013 to 2017

      根据综合营养状态指数计算出各监测点富营养指数(表 3)并以此结果作出如图 5所示的东寨港红树林区域综合营养状态指数变化图。富营养化水体会导致河口和红树林湿地中的大型藻类和浮游生物的爆发性生长,为团水虱的爆发提供丰富食物从而导致红树林面临巨大的威胁。由表 3图 5可知,东寨港近5 a来的富营养化情况呈现出由严重到减轻再到近两年来有恶化的趋势,这一变化情况基本与图 4中的污染指数变化情况一致。2013年重度富营养化区域高达63.1%,除石路村和三江镇外其余区域监测点的富营养指数均高于70.0。2015年减轻至无重度富营养化区域,中度富营养化区域为37.9%,演丰镇区域监测点的富营养指数均小于等于50.0,呈中营养状态。但从2016年开始东寨港红树林区域水质的富营养化情况再次严重,到2017年中度富营养区为70.5%,塔市监测点富营养指数高达76.3, 呈重度富营养化。

      表 3  综合营养状态指数评价结果

      Table 3.  Evaluation results of comprehensive trophic level index

      图  5  2013年—2017年东寨港红树林区域综合营养状态指数变化

      Figure 5.  Map of comprehensive trophic level index changes in mangrove area of Dongzhai harbor from 2013 to 2017

    • 由以上三种污染评价方法分析出的污染变化趋势基本相同,根据连续5 a的实地监测和走访调查,2013年东寨港红树林区域团水虱大量爆发,同时监测水体污染和富营养化程度最为严重,结合范航清等研究出团水虱致死红树林事件均位于人为干扰强烈区域、水体均为富营养化[17]和邱勇等研究出东寨港团水虱分布与水体中TN和TP有关的结果[18],表明团水虱的爆发跟水体中污染物含量有密切联系。2015年污染明显减轻原因是2014年海口市有关部门采取了一系列措施包括关停、搬迁禽畜养殖场,如养猪场和咸水鸭养殖场;拆除违规餐饮店;对排放的生活污水进行回收处理,建设村镇污水处理厂及配套管网;在保护区内进行退塘还林;在保护区周边农业用地修建防污设施,控制化肥、农药等造成的农业面源污染。

      但是随着东寨港团水虱爆发情况得以控制及监管力度的减弱,在利益驱动下保护区周围高位池虾养殖数量开始逐年增加。高位池虾塘位置紧邻红树林保护区边缘且是巨大的面源污染,因为虾养殖需要投入大量的人工饲料进行高密度养殖,而添加到虾塘的大量营养物质仅有少部分作为饲料转化为虾的生物量,更多的是作为颗粒或溶解性营养物质随养殖废水从高位池虾塘排水管道流入周边的潮沟然后进入到红树林中[19],其中大量氮和有机质等物质会引起红树林区域水体环境污染及富营养化,严重影响红树林生态系统平衡。同时虾养殖周期为每年2~3次,每次收虾后进行清塘时首先排放的是发黑恶臭的高浓度有机养殖废水,其中还包括养虾过程中产生的大量残饵及排泄物。随后排放的是包括双氧水、二氧化氯等消毒剂及碘液如聚维酮碘液和有机酸类物质如枸橼酸、羟基乙酸等解毒剂。这些物质的排放在短时间内叠加会对红树植株产生毒害作用,长期积累会造成红树林区域水体土壤条件恶化。因此近两年来东寨港红树林保护区污染情况和富营养化状况有不断加重的趋势,塔市、山尾村和三江镇地区的污染情况不断恶化,水体中有机质和氮污染尤为严重。同时,在东寨港红树林恢复过程中发现部分区域在长达5 a的时间里存在着红树持续退化的现象,如长宁河(110°34′E—110°35′E,19°56′N—19°57′N)周围分布着约41 ha虾塘,红树林退化面积从2013年2.49 ha增至2017年7.62 ha,该河流流经的山尾村区域在2017年水体呈中度污染和重度富营养化。

      因此,对东寨港红树林的管理和恢复工作需更加的整体化、规范化、严格化,应建立完整的红树林生态监测体系,及时掌握红树林湿地动态变化情况并分析原因。其治理措施应与我国的发展海南重大战略决策相协调,对生态环境脆弱敏感区域内居民逐步实施生态移民搬迁,严格保护海岸生态环境,在恢复原有海岸带的基础上,大力发展现代化海洋牧场以取代高位池虾养殖。实施退塘还林及虾塘养殖废水处理等措施,加快建立重点海域入海污染物总量控制制度,制定并实施海岸带保护与利用的综合规划。

    • 红树林湿地在沿海生态系统中属于高产的生态系统,尽管人们深知其重要性,但在过去的30 a里海南东寨港红树林湿地受到了严重的威胁,除去风暴、热带气旋等自然因素的干扰,水产养殖、农业、基础设施建设才是红树林流失的主要驱动因素。海南东寨港保护区水生态系统的首要污染因子为水体的有机污染,其次为氮污染。结合卫片解析和实地调查显示在沿海岸线1.5 km缓冲区范围内除去废弃不用虾塘,估算东寨港红树林保护区外围虾塘面积由2009年的1210 ha左右增加到2017年的1300 ha左右,大面积未经处理的虾塘养殖水排放给东寨港红树林湿地的生态环境带来巨大压力。在连续5 a的监测过程中,塔市地区的污染状况和水体富营养化情况最严重,山尾村和三江镇区域污染情况也比较突出。对比2013年数据,在东寨港呈严重污染区域达75.2%和重度富营养化区域达63.1%时,2012年—2013年团水虱出现了大面积爆发的情况。因此相关部门应对2016年—2017年水质污染逐年严重问题采取措施予以控制。

参考文献 (19)

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