春、夏季杭州灣北部近岸水域水化學及營養狀況評價

張丹，孫振中，張玉平

春、夏季杭州灣北部近岸水域水化學及營養狀況評價

張丹，孫振中，張玉平

(上海市水產研究所漁業檢驗監測中心，上海200433)

為了解杭州灣北部近岸水域水化學狀況及其污染程度，利用2011—2015年間對杭州灣北部近岸水域春、夏季9個水化學因子的調查結果，分析了該水域水化因子的變化特征、相關性及氮磷營養鹽結構特征，并采用潛在性富營養化法和有機污染指數法，進行了該水域潛在性富營養化程度及污染狀況的評價。結果表明:調查期間，杭州灣北部近岸水域，2011—2015年春、夏季pH平均值分別為8.05±0.11和7.96±0.27；春、夏季DO平均值分別為 (8.13±0.33)、 (7.42±0.31)mg/L，DO飽和度均在88%以上；受潮汐、徑流和降水影響，鹽度波動范圍較大，春、夏季鹽度平均值分別為11.67±5.60和12.06±3.28；春、夏季CODMn平均值均小于3 mg/L，符合 《海水水質標準》二類水質標準；總氨氮 (TAN)、NO－2－N 含量均維持在較低狀態，符合 《漁業水質標準》及經濟魚蝦類生長安全濃度的要求；三態氮含量依次為NO－3－N＞TAN＞－N，－N占DIN的69%～97%；pH與氮磷營養鹽均為負相關，氮、磷間均呈正相關；潛在性富營養化法計算結果表明，2011—2014年春季，調查水域營養級均為ⅥP，2014年夏季—2015年，N/P值明顯下降，營養級過渡到ⅤP，調查水域受磷限制富營養化程度有所降低；采用海水水質一類標準評價，5年所有站位有機污染指數A值均大于4，達到嚴重污染程度。研究表明，杭州灣北部近岸水域有機污染嚴重，亟待有效控制與科學管理。

杭州灣北部近岸水域；水化學因子；潛在性富營養化評價；有機污染評價

杭州灣位于浙江省東北部、上海市南部，為強潮汐性海灣，呈喇叭型，灣口寬約95 km，面積約5200 km2，灣內潮汐主要以往復流形式運移，江河攜帶的不同陸源污染物質，隨著各異水團在杭州灣內匯集，不斷地進行著物質交換、沉淀富集、稀釋擴散等一系列活動[1－2]。地處河口區的杭州灣北部近岸水域，緊鄰上海市南翼，橫跨上海市金山區、奉賢區和浦東新區南部，共擁有海岸線105.74 km，約占全市江海大陸岸線的60%，該水域緊鄰杭州灣北部，自2000年以來人類開發活動明顯增強，圍海造田、引水養殖、海岸工程和濱海旅游業等產業迅速發展，使得該區域水環境及生態環境發生巨大變化[3]。近年來，已有學者對該水域的水環境及生態環境進行了多方面的調查和研究，涉及杭州灣沿岸水域水化學狀況的調查與分析[4－5]、富營養化評價[6－7]和海洋生物群落狀況[8－10]等的研究。然而，有關杭州灣北部近岸水域水化學動態及營養狀況評價的研究尚未見報道。為此，本研究中利用農業部項目水環境定點調查數據，探討了2011—2015年間杭州灣北部近岸水域春、夏季水化學因子的變化規律和相關性及氮磷營養鹽結構特征，并采用潛在性富營養化法和有機污染指數法對該水域水質進行了評價，旨在為該水域營養狀況研究、水環境保護與管理以及水產養殖生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區域及站位布設

2011—2015年每年5月和8月，在杭州灣北部近岸水域 (121°10′～121°58′E、 30°38′～30°54′N) 布設3個監測點， 分別為金山嘴 (121°21′56″E、30°43′37″N)、 奉賢海灣 (121°30′36″E、 30°48′21″N)和蘆潮港(121°51′08″E、 30°51′01″N)(圖1)。 這 3個監測點周圍均有河道匯入，同時也是人類活動較為集中區域，可以較真實地反映該水域水質現狀。

圖1 杭州灣北部近岸水域采樣站位分布圖Fig.1 Sampling sites along the north bank of Hangzhou Bay

1.2 方法

1.2.1 監測指標及測定 監測指標包括pH、鹽度 (S)、溶解氧 (DO)、總氨氮 (TAN)、亞硝酸鹽氮 (－N)、硝酸鹽氮 (－N)、 可溶性活性磷酸鹽 (DIP)和化學需氧量 (CODMn)。其中，前四項指標用WTW便攜式分析儀現場測定，其他指標參照 《海洋監測規范》 (GB/T 17378.4－2007)[11]進行測定。用靛酚藍分光光度法測定TAN含量，用萘乙二胺分光光度法測定－N 含量，用鎘柱還原法測定－N含量，用磷鉬藍分光光度法測定DIP含量，用堿性高錳酸鉀法測定CODMn含量。樣品采集、貯存和運輸參照 《海洋監測規范 (GB/T 17378.3－2007) 》[12]進行。

1.2.2 水質評價

(1)潛在性富營養化評價法。參照郭衛東等[13]提出的潛在性富營養化評價模式評價近岸河口和海洋水域的營養狀況。選用DIN(無機氮，即三態氮之和)、DIP、N/P(無機氮與可溶性活性磷的質量比)為評價指標，評價標準見表1。

表1 潛在性富營養化評價標準[13]Tab.1 Classification of potential eutrophication levels[13]

(2)有機污染評價法。采用有機污染指數法進行水質污染評價[14]，計算公式如下:

其中:CODi、 DINi、 DIPi和DOi分別為每年春、 夏季各站位的實測值 (mg/L)；CODs、DINs、DIPs、DOs為 《海水水質標準 (GB 3097－1997)》 一類水質標準[15]。污染評價分級見表2。

1.3 數據處理

水化指標的測定結果以樣品3次測定的平均值表示；相關性分析采用Pearson相關系數法；3個及以上組別間顯著性差異檢驗采用單因素方差分析(One－way ANOVA)，兩組數據間顯著性差異分析采用獨立樣本T檢驗。試驗數據采用Excel及SPSS 19.0軟件進行統計、繪圖、檢驗和分析。

表2 有機污染指數法水質污染評價分級表[14]Tab.2 Classification of organic pollution index[14]

2 結果與分析

2.1 調查區域水化因子的變化分析

2011—2015年杭州灣北部近岸水域pH變化情況如圖2－A所示。從整體上看，春、夏季pH變化范圍分別為7.72～8.19和7.07～8.50，平均值分別為8.05±0.11和7.96±0.27，兩者無顯著性差異(P＞0.05)；pH最大值與最小值均出現在夏季，這與夏季水溫高、光照強、水域存在較強而復雜的有機物氧化分解、微生物活動及浮游植物光合作用有關。經單因素方差分析，在2011—2015年的5個春季間pH均無顯著性差異 (P＞0.05)；僅2011年夏季與2012年夏季、2011年春季與夏季間pH存在顯著性差異 (p＜0.05)。

采樣水域鹽度變化情況如圖2－B所示，杭州灣北部近岸水域春季鹽度最高值 (27.1)為最低值 (4.8)的5.7倍，夏季鹽度的波動范圍也較大(6.4～16.8)。這種狀況符合河口水域鹽度變化范圍大的特點[16－18]。杭州灣北部近岸水域地理環境特殊，既有多條徑流輸入，又有強烈的潮汐作用，不同季節兩者變化較大的交匯作用導致其鹽度變化較大；另一方面，5月、8月同是杭州灣地區主要的降雨季節，鹽度受降雨量影響明顯。2011年春季與夏季、2011年春季與其余年份春季鹽度均存在顯著性差異 (p＜0.05)，這可能是因2011年1—5月長江中下游地區降水異常偏少，部分區域出現嚴重旱情導致[19]；而2011年6月長江中下游地區降水量較常年同期明顯偏多，導致長江流域發生旱澇急轉[20]，杭州灣鹽度受徑流水量影響也隨之明顯降低。臧維玲等[5]研究表明，杭州灣河口區潮間帶淡水平衡不穩定，不同年份各月降水徑流量差異較大，同時海洋環流各年情況不同，所以，水域表面鹽度年變化每年均不盡相同，極值出現時間也不穩定?？梢?，河口區鹽度變化非常復雜。因此，當地養殖業應密切關注所用海水鹽度的復雜變化，以免影響生產。

圖2 2011—2015年春、夏季杭州灣北部近岸水域水化因子隨年份的變化Fig.2 Annual changes in water chemical factors in north Hangzhou Bay in spring and summer from 2011 to 2015

調查水域DO含量變化情況如圖2－C所示，2011—2015年杭州灣北部近岸水域，春、夏季溶解氧飽和度范圍分別為88.7%～101.4%和89.8%～109.3%，春、夏季 DO含量分別為7.66～8.73、6.92～8.50 mg/L， 平均值分別為 (8.13±0.33)、(7.42±0.31)mg/L?？梢?，杭州灣含氧量豐富，有利于水中物質轉化和水生生物生存繁衍。除2011年春季與夏季DO含量差異不顯著外 (P＞0.05)，其余年份春季DO含量明顯高于同年夏季(p＜0.05)，這可能是由于5月份水溫較8月份低，水體中的溶解氧含量隨氧氣在水中的溶解度增大而升高。盧勇等[21]也發現，杭州灣近岸水域春季溶解氧飽和度高于夏季。楊慶宵等[22]在黃海、東海以及石曉勇等[23]在長江口也均發現類似現象。

調查水域CODMn變化情況如圖2－D所示，杭州灣北部近岸水域，春、夏季CODMn變化范圍分別為0.20～3.20、1.17～3.07 mg/L，平均值分別為(1.53±0.79)、 (1.84±0.50)mg/L。 除 2012年春季外，2014年春季CODMn含量顯著低于其余年份春季 (p＜0.05)；2015年春季CODMn含量顯著高于其余年份春季 (p＜0.05)；除2011年及2014年的春季與夏季CODMn含量存在顯著性差異外 (p＜0.05)，其余年份內春、夏季間CODMn含量無顯著性差異 (P＞0.05)。CODMn常被作為衡量有機物對水體污染程度的綜合指標[7]，5年內在杭州灣北部近岸水域CODMn平均值均小于3 mg/L，符合 《海水水質標準》[15]二類標準。

2.2 氮磷營養鹽的變化特征

2011—2015年，杭州灣北部近岸水域，春、夏季DIN濃度范圍分別為0.63～3.37、1.17～2.55 mg/L， 平均值分別為 (1.88±0.66)、 (1.77±0.33)mg/L，季節間無顯著性差異 (P＞0.05)。春、夏季DIP濃度范圍分別為0.03～0.11、0.02～0.12 mg/L， 平均值分別為 (0.05±0.02)、 (0.05±0.03)mg/L，5年間春、夏季DIN含量隨年份的變化圖略。

圖3 杭州灣北部近岸水域不同形態氮的年際變化Fig.3 Temporal changes in levels of dfferent nitrogen forms in the waters in north Hangzhou Bay

2.3 水化因子的相關性分析

對9個水化因子進行雙側Pearson相關性分析，結果見表3。從相關性系數可見，pH與氮磷營養鹽均呈負相關，其中與DIP呈顯著負相關 (p＜0.05)。這可能是因為水域中浮游植物進行光合作用，吸收水體中氮磷營養鹽，同時消耗水體中的CO2導致pH升高所致[27]。

表3 杭州灣北部近岸水域水化因子間的相關系數Tab.3 Correlation coefficients of water chemical factors in the waters in north Hangzhou Bay

2.4 潛在性富營養化評價

與湖泊水庫富營養化評價方法不同[29－30]，潛在性富營養化評價法是代表一種潛在的富營養化，其基本觀點是浮游植物按 Redfield比值[31](即N/P，原子比為16)攝取營養物質維持自身的物質和能量代謝[32－33]，相對過剩的營養鹽并不能被浮游植物吸收利用，只有在水體得到足夠的限制性氮或磷補充后，使N/P值接近Redfield比值，這部分過剩的磷或氮對水體富營養化的實質性貢獻才得以表現。本研究中，采用該評價方法對杭州灣北部近岸水域的潛在性富營養化狀態進行評價，計算結果見表4。從表4可見，被調查水域富營養化程度較高，營養級主要是ⅥP(磷限制潛在性富營養)和ⅤP(磷中等限制潛在性富營養)。2011—2014年春，調查水域N/P值嚴重高于Redfield比值，這可能是由于近岸水體相對較渾濁，泥沙等懸浮物較多，可溶性活性磷較易被吸附，導致可溶性活性磷含量降低，氮、磷比升高。2014年夏—2015年，營養級由磷限制過渡到磷中等限制，N/P值明顯下降，說明被調查水域受磷限制的富營養化程度有所好轉，這將有利于穩定浮游生物種群結構，逐步形成一個良好的區域水生態環境。

表4 杭州灣北部近岸水域潛在性富營養化評價結果Tab.4 Statistics of potential eutrophication in the waters in north Hangzhou Bay

近年來研究發現[7，34－35]，中國近海主要河口水域N/P值幾乎都偏離Redfield比值，并且以磷限制居多，隨季節的波動也較大。一方面是由于磷元素典型的沉積型循環以及被調查水域弱堿性的環境均限制了不溶性磷的轉化[36]，使磷元素在循環過程中，大部分成為不溶性磷沉積于水底，導致水體中可溶磷含量減少。另一方面是農業生產中氮磷化肥用量劇增但比例不當，氮肥過量而磷與鉀肥不足，地表水把未被利用的過量氮肥匯入河水帶入河口水域[13]，使磷酸鹽相對減小，N/P值增大。另外，河口區硝酸鹽的再生增補[37]作用進一步加大了該比值。

2.5 有機污染評價

根據海洋功能區劃，杭州灣北部近岸水域作為海洋漁業水域，采用 《海水水質標準》一類標準[15]進行有機污染評價。計算結果表明，調查水域污染指數A值為8.40～19.48，平均值為11.66±2.80，從圖4－A可以看出，5年內春、夏季監測點有機污染指數變化趨勢基本一致，5年內所有站位A值均高于4，按照表2的分級標準，均達到嚴重污染的程度，這與高利利等[38]、王芳等[39]的研究結論相一致。這是由于沿岸工業化發展迅速，陸源污染物大量地涌入，采樣站位靠近岸邊，同時杭州灣屬于往復流，存在海水滯留，水體交換能力相對較弱，污染物稀釋作用較差，導致該水域A值常年居高不下。

由圖4－B、C、D可知，調查期間，有機污染指數A與DIN的擬合度最大 (R2＝0.6069，n＝46，p＜0.01)， DIP 次之 (R2＝0.264， n＝46，p＜0.01)， CODMn最 差 (R2＝0.053， n＝46， P＞0.05)。有機污染指數A與氮磷營養鹽均存在極顯著正相關 (p＜0.01)，表明該水域的水質污染主要是由氮磷營養鹽所致?？梢?，控制氮磷營養鹽的輸入可有效改善該水域的水質現狀。

Butler[40]用近海海水進行生物培養試驗發現，只有當8＜N/p＜30時，浮游植物才不受氮或磷限制而正常生長。調查期間，杭州灣北部近岸水域春、夏季受氮磷限制的A值分別占總A值的92.8%和95.7%，這部分受氮、磷限制的A值未對海域的富營養化作出貢獻，只是以潛在形式積累于水體中。因此，建議評價水質狀況時，應考慮營養鹽的結構，方可使水質評價結果更有意義。

圖4 杭州灣北部近岸水域有機污染指數評價結果Fig.4 Statistics of organic pollution index in the waters in north Hangzhou Bay

3 結論與建議

調查期間，杭州灣北部近岸水域富營養化程度較高，在2014年春季受磷限制富營養化情況略有好轉。采用海水一類標準評價結果表明，調查期間該水域各站位有機污染指數A值全部高于4，達到嚴重污染的程度。因此，本研究為杭州灣近岸水域治理與保護提供如下建議:

(1)嚴格控制陸源排放，加強污染治理。規范沿岸水產養殖及畜禽養殖密度，妥善處理養殖中產生的廢棄物；加強農用化肥使用管理，加快緩釋高效均衡農肥的研發；控制工業、生活污水中氮磷營養鹽及COD的排放。

(2)恢復和建立沿岸、沿海防護林及濕地凈化生態系統。濕地生態系統的建立能固土保水、凈化水質，并且具有生態調節、水文調節等功能，能有效改善沿海生態環境，對杭州灣水環境質量改善意義重大。

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Changes in chemical factors and pollution evaluation in coastal waters in north Hangzhou Bay in spring and summer

ZHANG Dan， SUN Zhen－zhong， ZHANG Yu－ping
(Fishery Inspection Monitoring Center， Shanghai Fisheries Research Institute， Shanghai 200433， China)

The changes in chemical factors and their correlation in spring and summer were analyzed by statistical method，and pollution evaluation was conducted in coastal waters in north Hangzhou Bay based on the investigation data including pH， salinity， temperature， and levels of dissolved oxygen， chemical oxygen demand， nitrate nitrogen， nitrite nitrogen， ammonia nitrogen， and reactive phosphate in north Hangzhou Bay from 2011 to 2015 in order to know the water quality and potential eutrophication and pollution in coastal waters in north Hangzhou Bay.The results showed that the average pH was 8.05±0.11 in spring and 7.96±0.27 in summer and that the average concentration of dissolved oxygen was(8.13±0.33)mg/L in spring and(7.42±0.31)mg/L in summer， with dissolved oxygen saturation of over 88%.Salinity was primarily affected by tides，runoff and rainfall and showed a large fluctuation range， with average salinity of 11.67±5.60 in spring and 12.06±3.28 in summer.The average concentration of CODMn(less than 3 mg/L)was consistent with the second group of criteria according to sea water quality standard，and the concentrations of total ammino nitrogenl(TAN)and－N were kept at a low level， meeting requirement for fish and shrimp and water quality standard for fisheries.During the whole survey，the descending order of three forms of nitrogen levels was expressed as－N＞TAN＞－N，－N accounting for 69%－97%in DIN.There was a negative correlation between pH value and levels of nutrients nitrogen and phosphorus，with positive correlation between nitrogen level and phosphorus level.The potential eutrophication analysis revealed that the eutrophication levels of the studied area were reduced from levelⅥP(spring from 2011 to 2014)to level VP(from summer of 2014 to 2015)， indicating that the P－limited eutrophication level was gradually weakened.According to the first class seawater quality standard，organic pollution index in the coastal waters in north Hangzhou Bay was over 4 during the survey period， indicating that the water quality has been seriously polluted， and that effective control and scientific management should be the ways and means to improve the water quality in the coastal waters in north Hangzhou Bay.

coastal waters in north Hangzhou Bay； water chemical factor； potential eutrophication evaluation； evaluation of pollution

X824

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.06.014

2095－1388(2017)06－0724－08

2017－06－19

農業部財政專項 (農財發 [2011]47)；公益性行業 (農業)科研專項 (201203065)

張丹 (1987—)，女，工程師。E－mail:zhangdan0554＠163.com