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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 4: 52 - 60

DOI: https://doi.org/10.11978/2017078

Orginal Article

Assessment of eutrophication status by using the Pressure-Status-Response Model in Xiangshan Bay, China

  • XU Guofeng ,
  • CUI Yongping ,
  • LIU Lian
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  • Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo, State Oceanic Administration, Ningbo 315012, China
Corresponding author: LIU Lian. E-mail:

Received date: 2017-07-07

  Request revised date: 2017-09-08

  Online published: 2018-07-16

Supported by

National Marine Special Founds for Public Welfare Project (201105010-14);Shanghai Committee of Science and Technology Research Plan Project (12231203401);Marine Environmental Resources to Repair the Special Subsidy Funds of 2014 (Ningbo Ocean [2014] 46)

Copyright

热带海洋学报编辑部
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Abstract

Due to its unique geographical position and marine functional zoning, Xiangshan Bay (XSB) has suffered severe eutrophication for many years. Nutrients-based indices have been widely used to assess eutrophication status; however, they cannot comprehensively reflect the true state, and the actual eutrophication status of the bay remains unclear. According to the assessment of eutrophication framework and with the consideration of practical situation in XSB, we modified the assessment framework and optimized partial indices to make the assessment method more suitable for XSB. Using this new assessment framework and field monitoring data from 2001 to 2015, we analyzed the eutrophication pressure and the grade of overall eutrophic conditions, including using chlorophyll as primary symptom and using dissolved oxygen in the bottom layer and red-tide occurrence as secondary symptoms, and predicted the eutrophication trend by taking into consideration of the coastal zone management policy for comprehensive water cleaning activities, and drainage control of total amount of pollutants. The results showed that the integrated eutrophic grade, the eutrophication pressure and the degree of eutrophication status and its response were all at moderate level, based on a scheme of five categories: Superior, Superior-Moderate, Moderate, Moderate-Poor, and Poor. Our results showed that the comprehensive assessment of eutrophication status would remain at the moderate level in next several years. The results reflect the overall degree of eutrophication in the Bay, which is more in accordance with reality. Thus, these results will be helpful for making better new regulations and management plans of eutrophication in XSB.

Key words： Xiangshan Bay; Pressure-Status-Response; eutrophication; forecast

Cite this article

XU Guofeng , CUI Yongping , LIU Lian . Assessment of eutrophication status by using the Pressure-Status-Response Model in Xiangshan Bay, China[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(4) : 52 -60 . DOI: 10.11978/2017078

沿海经济的飞速发展, 化肥农药的过度使用, 生活污水的过量排放给近岸海域环境造成巨大压力, 最直接表现为营养盐浓度严重超标, 赤潮、绿潮频发, 给水产养殖业带来诸多不良影响(钱宏林 等, 1999; 徐兆礼 等, 2009), 如1992年8月香港东部水域赤潮造成养殖鱼类大面积死亡, 2008年江苏近岸海域浒苔大面积爆发引起生态灾害等。然而高浓度营养盐并不一定导致严重的富营养化症状, 以营养盐为主要指标的富营养状态指数法(邹景忠 等, 1983)、潜在性富营养化评价法(张树洪, 1993; 雷坤 等, 2007)、神经网络法(陈鸣渊 等, 2007)等都不能完整综合的表征近岸海域富营养状况。随着对富营养化研究的不断深入, 国际上很多海洋机构在近岸海域尝试应用基于“压力-状态-响应”(PSR)的多参数模型来评价水体富营养化, 其结论综合性、可比性较高(Ferreira et al, 2007; Garmendia et al, 2012)。应用较广的有巴黎-奥斯陆综合评价法(OSPAR Commission, 2003), 河口营养状况评价法(Bricker et al, 2003)。近年来, 我国学者(王保栋, 2005; 屠建波 等, 2006; 吴迪 等, 2010; 王保栋 等, 2012; 蒋荣根 等, 2014)参考欧美的研究, 结合河口环境监测特点, 对部分参数、指标进行改良, 产生基于富营养化症状的第二代评价体系。目前, 第二代富营养化评价体系并未普及, 关于象山港海域水体富营养化的报道还是以基于营养盐的第一代评价体系为主(郑云龙 等, 2000; 张丽旭 等, 2008; 刘俊峰 等, 2012b)。本文收集2001年—2015年象山港监测数据, 基于“压力-状态-响应”框架, 对部分指标参数进行优化, 研究象山港水体富营养化压力程度, 分析水体富营养化初级和次级症状, 预测营养盐入海通量响应三个方面的情况, 综合评价象山港富营养状态, 以获取对富营养现状的全新认识。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

象山港位于宁波市东南部, 穿山半岛与象山半岛之间, 东临大目洋, 地理坐标121º25′E— 122º03′E、29º24´N—29º48′N, 是一个东北—西南走向的狭长形半封闭港湾, 港域狭长, 水深10~15m, 是多种经济水产资源的集中分布区, 又是浙江省乃至全国重要的海水增养殖基地和泥蚶苗种产区, 尽管有潮汐作用, 但其海水交换能力弱, 环境容量较小(李乃芳 等, 1986)。据2015年宁波市海洋环境公报显示, 象山港海域水质主要受过量无机氮和活性磷酸盐的影响而劣于四类海水水质标准; 沉积环境良好; 浮游植物、浮游动物和底栖生物多样性较高(宁波市海洋与渔业局, 2016)。

1.2 数据来源

本文用于富营养化评价的相关数据来自2001年—2015年象山港海域常年监测的12个站位(图1)。主要包括: 溶解氧、化学需氧量、营养盐、叶绿素a等数据。监测与分析方法均参照海洋监测规范(GB17378.4-2007)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 等, 2008)和海洋调查规范(GB/T12763.4- 2007)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 等, 2008)进行。
Fig. 1 Study area and sampling sites in Xiangshan Bay

图1 象山港水体富营养化研究区域及站位

在富营养化评价中, 除溶解氧采用底层数据外, 其他数据均为各层数据的平均值。赤潮的发生次数、面积和持续时间等资料来自历年宁波市海洋环境公报。

1.3 评价模型

本文引用“压力-状态-响应”为框架的第二代水体富营养化评价体系(Xiao et al, 2007), 包括富营养化压力指标、富营养化初级和次级症状指标、富营养化响应三大指标。其中压力、状态、响应各指标均分为高、中高、中、中低、低5个等级, 分别赋1分、2分、3分、4分、5分。最后对压力、状态、响应评价结果采用矩阵法确定其富营养化程度。
1.3.1 水体富营养化压力
富营养化的主要原因是水中营养盐含量增加, 本文通过改良后的营养状态指数计算水体富营养化压力程度。在邹景忠等(1983)营养状态指数公式P=CCOD×CDIP×CDIN×106/4500中, 4500是特定海域化学需氧量和营养盐单项基准值的乘积, 不同海域基准值不同, 式中: P为水体富营养化压力指数, CCOD、CDIN、CDIP为化学需氧量(COD)、无机氮(DIN)、活性磷酸盐(DIP)质量浓度值(单位: mg•L-1)。根据现有海水水质标准GB3097-1997 (国家环境保护局, 2004), 象山港为劣四类海水水质, 不能满足任何功能区水质保护的要求, 对生态保护等基本功能的发挥产生一定的影响。但事实上, 目前象山港海洋功能总体较好, 评价结论与实际存在明显差异(黄秀清 等, 2015)。为此, 在象山港生态环境评价的基础上, 通过对水体富营养化压力指标中无机氮和活性磷酸盐基准值进行调整, 使其尽量适合象山港实际。营养盐状态指数公式调整如下(陈彬 等, 2002; 张景平 等, 2009; 蒋荣根 等, 2014):
P=(CCOD×CDIN×CDIP)/(C′COD×C′DIN×C′DIP)
式中: C′COD、C′DIN、C′DIP为化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐基准值(单位: mg•L-1)。其中, CCOD、CDIN、CDIP来源于象山港历年的实测值; COD基准值参考海水水质标准(国家环境保护局, 2004)中的一类评价标准; 营养盐基准值赋值主要参照黄秀清等(2015), 因为其基准值的确定是基于象山港营养盐质量浓度长时间序列变化推导而得, 具有研究区域的特异性, 因此, C′COD、C′DIN、C′DIP取值分别为2.0mg•L-1、0.5mg•L-1、0.023mg•L-1。一般认为, 当营养盐状态指数值小于0.4时为贫营养化、大于1.0时为富营养化, 0.4~1.0时为中营养化(蒋荣根 等, 2014)(表1)。
Tab. 1 Assessment of eutrophic pressure

表1 水体富营养化压力(P)评价

序号 等级 压力范围 赋值
1 高 P>1.0 1
2 中高 0.8<P≤1.0 2
3 中 0.6<P≤0.8 3
4 中低 0.4<P≤0.6 4
5 低 P≤0.4 5
1.3.2 水体富营养化状态
富营养化状态反映了海域富营养化产生致害程度, 分为初级和次级症状, 两个层次反映了富营养过程的不同阶段和严重程度。初级症状指富营养化引起水中藻类加速繁殖; 次级症状是指藻类暴发增长, 死亡后有机体下沉降解消耗底层溶解氧, 底栖生物生存受到威胁。根据象山港海域初级、次级生产力特征, 初级症状选择叶绿素a (chl a)作为评价指标, 次级症状选择底层溶解氧和赤潮发生状况作为评价指标。
叶绿素a是海洋初级生产力的重要指标, 反映水中浮游植物的生物量, 其分布范围过广或浓度过高是富营养化初级症状的表征现象(蒋荣根 等, 2014)。为了避免海域监测过程中出现的某些异常值, 使评价结果更能反映海域的富营养状况, 采用90%累积百分数所对应的浓度值作为评价值(吴在兴 等, 2014)。国际上一般将叶绿素a浓度低于5μg•L-1作为水体富营养化状况最优的参考阈值(Bricker et al, 2003), 浓度高于20μg•L-1作为河口和近岸发生赤潮的临界值(吴迪 等, 2010)。本文初步设定叶绿素a评价标准见表2。
Tab. 2 Assessment using chlorophyll a as the primary symptom

表2 叶绿素a初级症状评判标准

序号 质量浓度/(μg•L-1) 出现频率/% 等级 赋值
1 >20 f>80 高 1
2 60<f≤80 中高 2
3 40<f≤60 中 3
4 20<f≤40 中低 4
5 f≤20 低 5
6 5<chl a≤20 f>80 中高 2
7 40<f≤80 中 3
8 f≤40 中低 4
9 ≤5 f>60 中低 4
10 f≤60 低 5

注: 出现频率指浓度值达到90%累积百分数所对应的站位数所占比例

底层溶解氧对水生生物的影响较为明显。目前国内外富营养化评价方法中均已将底层溶解氧作为富营养化评价指标(Bricker et al, 2003; 屠建波 等, 2006; 蒋荣根 等, 2014)。底层溶解氧的取值需要与其他研究一致, 并排除溶解氧的异常值, 采用10%累计百分数所对应的质量浓度值作为评价值(吴在兴 等, 2014)。通常认为底层溶解氧质量浓度低于5mg•L-1时, 底栖生物生存会受到威胁; 低于2mg•L-1时底栖生物和鱼类会发生死亡(王保栋 等, 2012)。为与其他研究一致, 选用2mg•L-1和5mg•L-1分别作为最低和最高浓度阈值。初步设定底层溶解氧评价标准见表3。
Tab. 3 Assessment criteria by using dissolved oxygen in the bottom layer as a secondary symptom

表3 底层溶解氧次级症状评价标准

序号 质量浓度/(mg•L-1) 出现频率/% 等级 赋值
1 ≤2 f>80 高 1
2 60<f≤80 中高 2
3 40<f≤60 中 3
4 20<f≤40 中低 4
5 f≤20 低 5
6 2<DO≤5 f>80 中高 2
7 40<f≤80 中 3
8 f≤40 中低 4
9 >5 — 低 5

注: 出现频率指浓度值达到10%累积百分数所对应的站位数所占比例; —表示在底层溶解氧质量浓度>5mg•L-1的情况下, 不再进行出现频率划分

赤潮是一种复杂的生态异常现象, 发生的原因也比较复杂, 关于赤潮成因至今尚无定论, 但普遍认为和海水中高浓度营养盐、海水理化因子及赤潮生物量等指标有关。赤潮的发生不但导致海洋生物群落发生变化, 赤潮生物释放的有害物质或生物毒素也会影响海洋生物的生长和繁殖, 甚至随着食物链的富集影响到人类健康(蒋荣根 等, 2014)。目前赤潮已列为评价水体富营养化指标之一。在发现赤潮时, 根据其发生的持续时间和出现频率进行评价, 赤潮评价标准参考国外富营养化评价中的分级标准(Bricker et al, 2003)及国内学者相关研究(王保栋 等, 2012), 具有通用性, 评价标准见表4。
Tab. 4 Assessment criteria by taking red tide incidence as a secondary symptom

表4 赤潮次级症状指标评价标准

序号 持续时间 出现频率 等级 赋值
1 持续1月以上 周期性 高 1
2 持续2月以上 偶发性 高 1
3 持续1月之内 周期性 中高 2
4 持续2月之内 偶发性 中高 2
5 持续2周之内 周期性 中 3
6 累计1月之内 偶发性 中 3
7 持续1周之内 周期性 中低 4
8 累计2周之内 偶发性 中低 4
9 持续3天之内 周期性 低 5
10 累计1周之内 偶发性 低 5

注: 周期性主要指季节性, 偶发性指随机性

1.3.3 水体富营养化响应
富营养化评价能让管理者全面掌握富营养化的程度和范围, 在管理和消除富营养化问题上能优化资源配置, 控制和减轻海域水体污染损害与海洋生态环境灾害。因此, 预测海域水体未来几年内的富营养化响应情况尤为重要。富营养化响应主要是当环境中营养物质大量输入使生态系统中藻类在适宜条件下大量增殖而做出的反应, 本文主要以营养盐入海通量的变化情况来体现其胁迫作用, 最后确定富营养化响应状况, 其评价见表5。
Tab. 5 The criteria of assessments in terms of responses to eutrophication

表5 富营养化响应评价

序号 等级 变化趋势 赋值
1 高 高度恶化 1
2 中高 略有恶化 2
3 中 维持不变 3
4 中低 略有改善 4
5 低 显著改善 5

注: 维持不变指入海通量的年变化率在10%以内; 略有恶化与略有改善指入海通量的年变化率在10%~40%; 高度恶化和显著改善指入海通量的年变化率在40%以上

1.3.4 最终评价
美国河口营养状况评价方法已在国内部分港湾、河口综合评价中使用(王保栋 等, 2012; 蒋荣根 等, 2014; 吴在兴 等, 2014), 其具有普适性, 故本文采用人类压力、河口营养状态和生态响应组成的矩阵, 权衡三部分评价结果, 得到象山港海域的综合富营养化评价结果(表6)。将评价结果分为优、良、中、差和劣5种程度等级。优级须满足响应趋势不再恶化, 良级则仅需保证状态等级为低或中低, 中级主要是中或低等级富营养化状态与压力及响应趋势的众多组合; 差级和劣级则包括压力与状态的一系列不良状况。
Tab. 6 The assessment matrix for classifying overall eutrophic grade

表6 水体富营养化评价划分矩阵表

指标 排列组合 最终等级
P 555444 优5%
S 555555
R 543543
P 555555544444333333 良19%
S 554444455444555444
R 215432121543543543
P 555554444444333333322222222211 中32%
S 333334433333554433344444333233
R 215432154321212154354321543554
P 44444333333322222211111 差24%
S 22222332222233222233322
R 54321215432121432132154
P 333332222211111111 劣19%
S 111111111122211111
R 543215432132154321

注: P表示压力, S表示状态, R表示响应

2 结果与讨论

2.1 富营养化压力评价

根据公式(1)评价象山港海域富营养化压力程度, 历年象山港海域富营养化压力程度变化情况见图2, 总体上呈波动攀升趋势, 平均压力指数范围在0.27~1.01之间, 均值为0.62, 属于中等富营养化压力等级。主要原因有: 1) 象山港为半封闭港湾, 与外界水体交换周期长, 污染物净化能力较弱; 2) 近年来象山港海岸工程的加快建设(电厂、大桥等)及周边人口密度的增高, 环境压力增大; 3) 受长江口高营养盐含量水体流入的影响。
Fig. 2 Eutrophication pressure in Xiangshan Bay between 2001 and 2015

图2 2001年—2015年间象山港水体富营养化压力变化

按调整后压力状态指数计算, 从2005年开始, 象山港局部区域存在富营养化, 整体上为中营养化现象, 情况略好于张丽旭(2008)、刘俊峰(2012a)等研究, 原因主要是对部分参数进行调整, 能更好地反映象山港营养化状况。另外也印证了张丽旭等(2011)提出的象山港海域使用第一代富营养化评价模型存在问题的说法。象山港作为半封闭系统, 污染物的一大主要来源是口门外的污染物输入, 其他来源为陆域及养殖等。但随着浙江省“五水共治”的推出及象山港污染物总量减排目标考核工作的持续开展, 2015年象山港水体富营养化压力略有下降。

2.2 富营养化状态评价

通过对2001年—2015年象山港叶绿素a监测资料进行统计分析, 其质量浓度出现次数与累积百分数见图3。结果表明, 象山港叶绿素a累积百分数90%所对应的浓度值为8.7μg•L-1, 叶绿素a浓度超出8.7μg•L-1站位的出现频率为12%, 虽然河口和近岸发生赤潮的临界值为定为20μg•L-1, 但有文献报道, 叶绿素a浓度高于10μg•L-1时可能发生赤潮, 高于15μg•L-1易发生赤潮(蔡励勋, 2008; 汤荣坤 等, 2010)。历年象山港叶绿素a浓度高于10μg•L-1发生频率虽然较少, 但仍存在引发赤潮的外部条件, 而整体上象山港叶绿素a浓度90%发生频率低于10μg•L-1, 与刘子琳(1998), 王菲菲(2013)报道的象山港叶绿素a分布特征相符。参照表2评价标准, 其评价等级为中低级。
Fig. 3 Frequency and the cumulative curve of the chlorophyll a concentration in Xiangshan Bay from 2001 to 2015

图3 2001年—2015年象山港叶绿素a浓度频次分布与累计曲线
黑色虚线表示累积百分数达90%时对应的叶绿素a浓度值

通过对2001年—2015年象山港底层溶解氧监测资料进行统计分析, 其质量浓度出现次数与累积百分数见图4。结果表明, 象山港底层溶解氧累积百分数10%所对应的浓度值为5.16mg•L-1, 底层溶解氧质量浓度低于5.16mg•L-1站位的出现频率为2%, 参照表3评价标准, 其评价等级为低级。
Fig. 4 Frequency and cumulative curve of dissolved oxygen concentration in the bottom layer of Xiangshan Bay from 2001 to 2015

图4 2001年—2015年间象山港底层溶解氧浓度频次分布与累计曲线
黑色虚线表示累积百分数达10%时所对应的底层溶解氧的浓度值

温度、盐度及叶绿素a等要素是溶解氧含量的主要控制要素, 溶解氧与温度、盐度均呈显著负相关, 而与叶绿素a则呈一定程度的正相关(石晓勇 等, 2006)。象山港少受大陆沿岸流的影响(王玉衡 等, 1998), 底层溶解氧主要受叶绿素a及温排水的控制, 而叶绿素a累积百分数90%所对应的浓度值为8.7μg•L-1, 温排水主要影响为表层水体, 对底层水体溶解氧的影响较小(黄秀清 等, 2014), 因而海域的溶解氧含量较为丰富, 很少出现缺氧的情况。
根据2001年—2015年宁波市海洋环境公报, 象山港海域有记录的赤潮发生次数为28起, 赤潮发生情况如图5, 其中2006年和2010年是赤潮发生的高峰年, 发生赤潮的次数均达4起; 从季节变化上看, 夏季发生的次数最多, 秋季最少。每起赤潮暴发持续时间基本在2周之内, 年际间呈现一定的季节性变化。通过对历年赤潮发生时优势种的统计可知, 2006年以来, 象山港海域赤潮生物由原来的具刺原甲藻(Prorocentrum dentatum Stein)、红色裸甲藻(Gymnodinium sanguineum)等最适宜温度在18~22℃的甲藻类向最适宜温度在24~28℃的广温广盐藻种中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、近岸低盐暖温性藻种琼氏圆筛藻(Coscinodiscus jonesianus)、布氏双尾藻(Ditylum brightwellii)等硅藻类转变, 说明象山港两个电厂前沿海域已适宜暖水性藻种生长, 电厂的温排水已改变电厂前沿的水温环境; 同时, 象山港赤潮从常规的5月—9月提前到1月—3月发生, 赤潮的发生区域也从港口、港中转移到港底。处于象山港中部的乌沙山电厂和底部的国华电厂两个电厂温排水的叠加效应, 使电厂附近海域水温上升, 外加港底水交换能力差, 形成冬季或冬春之交港底区域水温高于其他区域。根据调查, 两个电厂前沿海域春季水温能达20℃, 特别是港底达20℃以上(何东海 等, 2009; 宁波海洋环境监测中心站, 2009)。象山港电厂的温排水在赤潮生物种类变化过程中充当了重要的角色(任敏, 2012)。参照表4评价标准, 象山港海域赤潮发生情况的评价等级为中级。
Fig. 5 Frequency of red-tide occurrence in Xiangshan Bay in each year between 2001 and 2015 and seasonal distribution over the study period

图5 2001年—2015年间象山港赤潮发生情况
a. 年份; b. 季节

通过对2001年—2015年象山港海域富营养化初级症状及次级症状分析, 其中初级症状叶绿素a等级为中低级, 次级症状底层溶解氧等级为低级, 赤潮发生状况等级为中级, 根据象山港环境保护规划, 采用“就高不就低”的原则, 最终确定象山港海域富营养化状态的评价等级为中级。赤潮发生与高营养盐有关, 根据上文分析, 营养盐压力处于中等富营养化等级, 在一定的外部条件下, 易引发赤潮, 其发生等级为中等, 而叶绿素a处于中低级症状等级, 其与海域溶解氧正相关, 很少出现底层缺氧现象, 故海域底层溶解氧等级处于低级症状水平。

2.3 富营养化响应评价

象山港主要污染物氮磷来自环象山港沿岸陆域排污及口门外的输入。根据黄秀清等(2008)研究, 将象山港划分为7个海区、21个汇水区, 汇水区面积1445km2, 年径流量达1.2×109m3。历年营养盐入海通量及年季变化情况见图6。整体上, 营养盐入海通量呈波动变化。随着环象山港产业带富集(宁波市人民政府, 2013), 势必带动人口密度的增大, 直观体现为对环境施加更大的压力, 但在象山港实施海域海岸带整治、五水共治、污染物总量控制及减排等政策的调控下, 预计未来污水排放量与削减量基本保持平衡, 结合历年营养盐入海通量变化情况, 未来几年内营养盐入海通量基本维持现状。参照表5, 象山港水体富营养化响应情况为中级, 富营养化症状基本不会发生变化。
Fig. 6 Yearly fluxes of nitrogen and phosphorous in Xiangshan Bay between 2001 and 2015

图6 2001年—2015年间象山港氮(a)、磷(b)营养盐入海通量及年际变化

3 富营养化综合评价结果

2001年—2015年间, 象山港水体富营养化压力等级为中级, 富营养化状态等级为中级, 富营养化响应等级为中级, 其压力-状态-响应得分为3-3-3, 参照表6组合矩阵, 最终确定象山港水体富营养化综合评价等级为中级。同时, 通过对未来富营养化响应的预测分析, 接下来几年内象山港富营养化综合评价等级基本维持在中等水平, 不会发生明显的变化情况。

The authors have declared that no competing interests exist.

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