遼東灣營養鹽基準值的研究與確定

朱韻潔， 朱曉艷， 林英姿， 許秋瑾， 雷坤

1.中國環境科學研究院2.吉林建筑大學市政與環境工程學院3.南京醫科大學全球健康中心

海水富營養化尤其是近岸海域富營養化是一個全球性的問題，從1971年起，全球范圍內陸續報道近岸海域富營養化問題，如美國長島[1]，歐洲的挪威、丹麥、瑞典、法國等國[2]以及澳大利亞的大堡礁[3]等。大量研究表明[4-7]，目前我國近岸海域富營養化狀況較為嚴重，《2019年中國海洋生態環境狀況公報》顯示，我國近岸海域主要超標污染物為無機氮和活性磷酸鹽。

研究確定營養鹽基準(nutrient criteria)值是近岸海域富營養化控制的基礎，美國及歐盟等在該領域的研究起步較早。美國于1976年發布了第一部國家水質基準，1998年制定《區域營養鹽基準國家戰略》[8]，之后美國國家環境保護局(US EPA)分別在2000年、2001年和2008年針對河流[9]、湖泊[10]、河口及近岸海域[11]、濕地[12]等不同水體的富營養化特點，頒布營養鹽基準制定指南，推動各州營養鹽基準制定。為推動建立統一的生態評價標準和方法，歐盟于2000年發布水框架指令(WFD)，確立各成員國區域背景值；于2008年頒布海洋戰略框架指令(MSFD)[13]，2010年頒布MFSD的具體實施指標與方法標準，指導各成員國的海洋生態環境保護立法[14]；于2018年發布《建立營養鹽濃度以支持良好生態狀態的最佳實踐》，為歐盟各國營養鹽基準的制定提供理論指導[15]。我國張瑞卿等[16-17]分別對淡水和海水中有毒污染物水質基準進行了研究，霍守亮等[18]對淡水營養鹽水質基準進行了研究。但我國在海水營養鹽水質基準方面的研究起步較晚，較近的有2012年王菊英[19]以遼河口為例對近岸海域營養鹽水質基準建立方法的研究。王司玉等[20-22]分別對小清河口、渤海及長江口進行了營養鹽基準值的研究。

遼東灣是我國渤海三大海灣之一，自20世紀80年代以來，遼東灣海域頻繁出現赤潮，并呈現持續時間長、范圍廣、面積大的特點[23]?！?019年中國海洋生態環境狀況公報》顯示，遼東灣是我國重度富營養化海域之一，急需加強其近岸海域營養鹽監測、評估和控制。筆者以遼東灣為例，采用頻數分析法推導營養鹽基準值，并應用1974年國家海洋局渤海專項調查的數據作為參照狀態進行校驗，最終確定了遼東灣溶解無機氮、活性磷酸鹽和DO的推薦基準值，以期為遼東灣海域富營養化控制及生態保護提供依據，同時為我國近岸海域營養鹽基準的制定提供借鑒。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

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以北的渤海海域，是我國緯度最高的海灣，海域面積約3.3萬km2，屬于半封閉海灣，海水自凈能力較弱[24-25]。遼東灣自西向東依次有六股河、小凌河、大凌河、雙臺子河、遼河等15條入海河流，其每年攜帶大量營養物質入遼東灣[24]。同時，沿岸養殖場、海水浴場、港口產生的污染物直接排入遼東灣，為遼東灣藻類生長提供了充足的營養[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12 662、400、250、217、110、100 km2[27]。

1.2 研究方法

1.2.1數據來源

遼東灣2014—2017年海水水環境質量監測數據來源于中國環境監測總站網站上公布的近岸海域水質數據，其中2014—2015年共有19個采樣點，2016—2017年共有35個采樣點。采用1974年國家海洋局渤海專項污染調查中14個采樣點的溶解氧(DO)和溶解無機氮濃度數據用于校驗。

1.2.2營養鹽基準指標選擇

營養鹽基準制定的指標應不僅僅限于營養物質，理論上應包括用于解釋近岸海域富營養化原因和結果的所有變量，一般包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chla)、水體透明度(SD)、DO 5個基本指標[11]。由于我國近海海域TN、TP濃度的歷史數據缺乏，因此采用溶解無機氮和活性磷酸鹽分別代替TN與TP。國際上SD、Chla為營養鹽基準制定中的基本指標，但由于本研究收集的監測數據中沒有SD、Chla，因此，采用溶解無機氮、活性磷酸鹽、DO作為營養鹽及其響應指標。

1.2.3營養鹽水質基準制定方法

目前常用的營養鹽水質基準制定方法有頻數分析法、參照狀態法[10-11]、沉積物歷史反演法、預測或外推模型法[28]等。由于遼東灣是一個半封閉的海灣，受入海河流泥沙量大的影響，沉積物狀態相對不穩定，難以應用沉積物反演法[29]?？紤]到遼東灣水質數據的收集情況，參考美國及歐盟關于近岸海域營養鹽制定方法，選擇采用頻數分析法推算遼東灣溶解無機氮、活性磷酸鹽和DO的推薦水質基準值。

頻數分析法是假設研究區域中至少存在一些水質良好的水體或同一水體多個采樣點多年監測數據中至少有一些屬于良好水質。在整個區域中進行同類水體或同一水體多個采樣點的數據收集和采集，做出相應的水質頻數分布曲線圖，取營養物指標頻數分布曲線的上或下第25個百分點(累積頻數為75%或25%對應的水質數據，下同)或其他合適的百分點作為基準值[30]。

依據已有研究，當在生態區域中存在沒有受人類干擾或干擾很小的水體或水體歷史上水質很好，且有調查和監測數據時，可采用時間參照狀態法[8,31]。具體可應用各指標值的頻數分布曲線的中值表達受“最低影響”的參照狀態。依據遼東灣流域的社會經濟發展以及污染狀況，參考1974年渤海專項污染調查的相關監測數據，對參照點的溶解無機氮、DO濃度的測定值進行統計分析，繪制頻數分布曲線圖，取相應指標的頻數分布曲線的中值作為參照狀態，用于校驗推薦基準值是否合理。

1.2.4數據分析方法

利用SPSS 25軟件進行統計分析及繪制水質頻數分布曲線。

2 結果

2.1 頻數分析法

對遼東灣2014—2017年的溶解無機氮、活性磷酸鹽和DO濃度進行水質頻數分布綜合分析，結果如圖1所示。由圖1可知，按下第25個百分點提出推薦基準值(表1)，溶解無機氮的推薦基準值為0.11 mg/L，活性磷酸鹽為0.004 mg/L。DO推薦基準值應選取上第25個百分點，為8.80 mg/L。若按上或下第5個百分點作為推薦基準值，則溶解無機氮的推薦基準值是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養鹽頻數分布曲線Fig.1 Curve of frequency distribution of nutrients in the inshore area Liaodong Bay from 2014 to 2017

表1 遼東灣近岸海域營養鹽濃度頻數分布統計Table 1 Statistics of frequency distribution of nutrient concentration in the inshore area of Liaodong Bay mg/L

2.2 參照狀態法

根據1974年國家海洋局渤海專項污染調查數據，繪制遼東灣近岸海域1974年營養鹽頻數分布曲線，結果如圖2所示。由圖2(a)可知，1974年遼東灣溶解無機氮濃度為0.008～0.083 mg/L，基本不存在水質污染,取頻數分布曲線中值作為參照狀態，遼東灣參照狀態的溶解無機氮基準值為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，取頻數分布曲線中值作為參照狀態，則遼東灣參照狀態的DO基準值為6.29 mg/L。

圖2 遼東灣近岸海域1974年營養鹽頻數分布曲線Fig.2 Curve of frequency distribution of nutrients in the inshor area of Liaodong Bay in 1974

3 討論

營養鹽基準值是指環境中營養狀態參數對所研究區域不產生不良或者有害影響的最大劑量(無作用劑量)或濃度[32]。利用頻數分析法推導提出基準值時，通常采用上或下第25個百分點[11]，本研究根據此原則提出遼東灣溶解無機氮的推薦基準值為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個百分點和來自代表性取樣分布的下第25個百分點只是一般建議[33-34]，如果多數采樣點水質受到了較大的污染，則應選取上或下第5個百分點[11,35]。由于收集數據的時段為2014—2017年，自20世紀80年代以來遼東灣污染日趨嚴重，近年來入遼東灣河流水質雖經過治理有所好轉，但入海河流攜帶的污染物濃度遠高于近岸海域，使遼東灣近岸海域富營養化程度仍較為嚴重[36-37]，因此，選取上或下第5個百分點作為推薦基準值更為合理，此時溶解無機氮的推薦基準值為0.05 mg/L，活性磷酸鹽為0.002 mg/L，DO為9.61 mg/L。

利用1974年數據作為參照狀態分析得到的遼東灣溶解無機氮基準值為0.053 mg/L，對比頻數分析法下第5個百分點的推薦基準值(0.050 mg/L)，二者基本一致，因此確定遼東灣溶解無機氮的基準值為0.050 mg/L。利用1974年數據作為參照狀態分析得到的DO的基準值為6.29 mg/L，而用頻數分析法得到的基準值為9.61 mg/L，二者相差比較大?？紤]到GB 3097—1997《海水水質標準》中DO濃度的第一類水質標準限值為6.0 mg/L，因此確定DO的基準值為6.29 mg/L。

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

表2 遼東灣河口及其他近岸海域營養鹽基準值比較Table 2 Nutrient criteria value in the estuary of Liaodong Bay and other inshore areas mg/L

(續表2)

4 結論

(1) 根據2014—2017年遼東灣海水環境質量監測數據，采用頻數分析法推導出遼東灣近岸海域營養鹽溶解無機氮、活性磷酸鹽及其響應指標DO的基準值分別為0.050、0.002 和9.61 mg/L。應用1974年國家海洋局渤海專項污染調查數據作為參照狀態進行校驗，遼東灣參照狀態的溶解無機氮基準值為0.053 mg/L，參照狀態的DO基準值為6.29 mg/L。

(2) 對比頻數分析法和參照狀態法的結果，結合GB 3097—1997第一類海水水質標準，最終確定遼東灣溶解無機氮、活性磷酸鹽和DO的推薦基準值分別為0.05、0.002和6.29 mg/L。