Assessment of nutrient pollution and eutrophication in Hangzhou Bay and its adjacent waters in summer
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摘要:
基于2022年夏季对杭州湾及其邻近海域的生态环境调查数据，采用单因子污染指数法、营养盐结构和限制性分析与富营养化状态指数法分别对该区表层营养盐和有机污染特征进行系统研究，对其富营养化状况进行系统评价，并通过Pearson相关性统计分析初步探讨了营养盐污染对浮游植物生长的影响以及水域富营养化的控制因素。结果表明，该区氮（N）、磷（P）污染较为严重，溶解无机氮（DIN）和溶解无机磷（DIP）含量超过国家第Ⅲ类海水水质标准的站位数量占比分别为55%和80%；海水表层N/P和Si/P比值失衡，分别有20%和5%的站位水体浮游植物生长存在P和Si潜在限制。调查区叶绿素a （Chl a）含量主要受水体透明度的影响，呈现东部高于西部、湾外高于湾内的空间分布特征；其中，湾外东部水域Chl a含量较高，表明藻类细胞密度较大，存在暴发赤潮的风险。化学耗氧量（COD）的调查结果表明，该区总体有机污染并不显著，95%的站位符合国家第Ⅲ类水质标准。富营养化评价结果表明，该区90%的站位处于富营养化状态，其中40%的站位为重度富营养化；富营养化因子对E值的贡献排序为COD＞DIN＞DIP。初步研究表明，杭州湾及其邻近海域存在N、P营养盐污染，水体的富营养化问题值得关注并有待开展后续研究。
Abstract:Based on the ecological environment survey data of Hangzhou Bay and its adjacent waters in summer 2022, by using the single factor pollution index method, nutrient structure and limitation analysis, and eutrophication status index method, the characteristics of surface nutrient and organic pollution in the bay were systematically studied, and the eutrophication status was evaluated. Through the Pearson correlation statistical analysis, the impact of nutrient pollution on the growth of phytoplankton and the control factors of eutrophication in water bodies were preliminarily explored. Results indicate that the pollution of nitrogen (N) and phosphorus (P) nutrients in the region was relatively severe. 55% and 80% of the stations in which dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) content exceeded China's national Class III seawater quality benchmarks, respectively. The N/P and Si/P ratios of surface seawater were imbalanced, and 20% and 5% of the stations showed potential limitations of P and Si on the growth of phytoplankton, respectively The chlorophyll a (Chl a) content was mainly affected by the transparency of the water body, showing a spatial distribution characteristic: higher in the east than in the west, and higher outside the bay than inside the bay. The Chl a content in the eastern waters outside the bay was relatively high, indicating a high density of algae cells and a risk of red tide outbreaks. The survey results of chemical oxygen demand (COD) indicate that the overall organic pollution in the area is not significant, and 95% of the stations could meet China’s national Class Ⅲ water quality benchmarks. Results of the eutrophication assessment indicate that 90% of the stations in the area were in eutrophication state (40% were severely eutrophicated). The order of contribution to the eutrophication was COD>DIN>DIP. Preliminary studies have shown that N and P nutrient pollution still exists in the Hangzhou Bay and its adjacent waters, and the eutrophication of water bodies deserves attention and further research is needed.
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Key words:
- Hangzhou Bay /
- nutrients /
- eutrophication /
- phytoplankton /
- influencing factor
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表 1 营养盐限制评价标准
Table 1. Assesment criteria of nutrient limitation
绝对限制 阈值评价标准 潜在限制 比值评价标准 N绝对限制 DIN＜1 μmol/L N潜在限制 DIN/P＜10，Si/DIN＞1 P绝对限制 P＜0.03 μmol/L P潜在限制 DIN/P＞22，Si/P＞22 Si绝对限制 Si＜2 μmol/L（硅藻） Si潜在限制 Si/P＜10，Si/DIN＜1 
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富营养化 非富营养化 轻度富营养化 中度富营养化 重度富营养化 E E＜1 1＜E≤3 3＜E≤9 E＞9
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表 3 调查区表层NO3-N、NO2-N、NH4-N、DIN、PO4-P、SiO3-Si数据统计
Table 3. Statistics of NO3-N, NO2-N, NH4-N, DIN, PO4-P, SiO3-Si in the study area
μmol/L 调查区 站位数 数据项 NO3-N NO2-N NH4-N DIN PO4-P SiO3-Si 调查区 20 变化范围 0.50～44.82 44.47～45.36 28.55～41.92 7.45～17.92 0.57～2.62 7.62～64.59 平均值±标准差 10.87±12.03 49.27±4.24 35.66±3.04 15.08±2.92 1.66±0.59 41.85±16.01 杭州湾内 8 变化范围 4.84～44.82 0.44～0.51 0.32～0.39 0.16～0.18 1.77～2.62 44.65～64.59 平均值±标准差 21.73±12.71 0.47±0.02 0.36±0.02 0.17±0.01 2.14±0.22 54.53±4.97 杭州湾外 12 变化范围 0.50～9.38 0.45～0.61 0.29～0.42 0.07～0.17 0.57～1.84 7.62～49.31 平均值±标准差 3.63±2.45 0.51±0.05 0.36±0.04 0.14±0.03 1.30±0.43 32.56±13.60
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表 4 调查区表层海水营养盐限制状况站位统计
Table 4. Station statistics of nutrient limitation of surface seawater in the study area
营养盐 限制状况 站位数量 百分比/% DIN 绝对限制 0 0 潜在限制 0 0 P 绝对限制 0 0 潜在限制 4 20 Si 绝对限制 0 0 潜在限制 1 5
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表 5 调查区表层海水COD单因子污染指数评价结果
Table 5. Assessment results of COD single factor pollution index of surface seawater in the study area
海水水质标准 Ⅰ类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类超Ⅳ类 站位占比/% 65 25 5 5 指数范围 0.31～0.81 0.69～0.80 0.80～1.07 - 均值±标准差 0.56±0.19 0.74±0.04 0.80±0.0 -
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表 6 调查区表层海水水质标准评估结果
Table 6. Assessment results of surface seawater quality standards in the study area
海 域 海水水质标准 DIN/% DIP/% COD/% 调查区
表层海水Ⅲ类 45 20 95 Ⅳ类 20 10 0 超Ⅳ类 35 70 5
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表 7 调查区表层海水COD、DIN和DIP对E值的贡献率
Table 7. Contribution rate of COD, DIN and DIP of surface seawater in the study area to E value
调查区 站位数 数据项 E值 ECOD/% EDIN/% EDIP/% 调查区 20 变化范围 0.50～44.82 44.47～45.36 28.55～41.92 7.45～17.92 平均值±标准差 10.87±12.03 49.27±4.24 35.66±3.04 15.08±2.92 杭州湾内 8 变化范围 4.84～44.82 44.47～51.46 32.06～38.53 16.16～17.92 平均值±标准差 21.73±12.71 47.29±2.15 35.81±2.04 16.89±0.69 杭州湾外 12 变化范围 0.50～9.38 0.45～0.61 0.29～0.42 0.07～0.17 平均值±标准差 3.63±2.45 50.58±4.84 35.55±3.64 13.86±3.23
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表 8 调查区营养盐、COD和E值历史调查数据汇总及对比
Table 8. Summary and comparison of historical data on nutrients, COD, and E values in the study area
汇总项 是否与调查区位置相同 调查时间 平均值 变化范围 数据来源 DIN/（μmol/L） 是 2001年夏季 68.77 10.71～501.14 文献[20] 是 2006年夏季 54.42 0.30～145.41 文献[17] 是 2015年夏季 97.14 34.29～155.7 文献[44] 是 2015年夏季 101.67 ﹣ 文献[22] 2022年夏季 29.72 8.07～52.06 本研究 PO4P/（μmol/L） 同上 2001年夏季 5.06 0.32～5.55 文献[20] 2006年夏季 1.01 0.03～1.94 文献[17] 2015年夏季 5.16 1.19～33.23 文献[44] 2015年夏季 1.6 ﹣ 文献[22] 2022年夏季 1.66 0.57～2.62 本研究 SiO3Si/（μmol/L） 同上 2001年夏季 ﹣ ﹣ 文献[20] 2006年夏季 41.89 1.11～96.27 文献[17] 2015年夏季 ﹣ ﹣ 文献[44] 2015年夏季 ﹣ ﹣ 文献[22] 2022年夏季 41.85 7.62～64.59 本研究 COD/（mg/L） 同上 2001年夏季 2.45 0.39～6.68 文献[20] 2006年夏季 ﹣ ﹣ 文献[17] 2015年夏季 1.87 0.56～3.18 文献[44] 2015年夏季 ﹣ ﹣ 文献[22] 2022年夏季 1.71 0.62～5.36 本研究 E值 同上 2001年夏季 21.7 5.90～90.00 文献[20] 2006年夏季 - - 文献[17] 2015年夏季 58.3 8.00～445.00 文献[44] 2015年夏季 - - 文献[22] 2022年夏季 10.87 0.50～44.82 本研究 注：“﹣”表示文献中未列出相关数据；历史调查区范围： 30°00′—31°00′N、121°00′—123°00′E[19]，29°30′—31°00′N、120°30′—122°30′ E[20]，30°12′—30°48′N、120°54′—122°00′ E[22]，29°54′—30°00′ N、121°00′—122°30′ E[44]。
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表 9 调查区西部叶绿素与环境参数、COD和营养盐的Pearson相关性分析结果
Table 9. Pearson correlation analysis of chlorophyll with environmental parameters, COD, and nutrients in the western study area
Chl a S T pH SPM ZSD COD PO4−P SiO3−Si DIN DIN/P Si/DIN Si/P Chl a 1 −0.643 −0.773* 0.056 0.675 0.222 0.888** 0.806* 0.732* 0.221 −0.588 0.413 −0.565 S 1 0.513 −0.111 −0.131 −0.740* −0.335 −0.898** −0.966** −0.401 0.484 −0.432 0.383 T 1 −0.106 −0.293 −0.005 −0.586 −0.535 −0.499 0.010 0.538 −0.452 0.368 pH 1 −0.017 −0.370 0.199 −0.175 0.150 −0.353 −0.062 0.462 0.639 SPM 1 −0.135 0.842** 0.362 0.337 −0.012 −0.371 0.271 −0.265 ZSD 1 −0.099 0.739* 0.680 0.512 −0.262 0.078 −0.507 COD 1 0.545 0.474 −0.100 −0.620 0.506 −0.424 PO4−P 1 0.901** 0.438 −0.582 0.349 −0.710* SiO3−Si 1 0.412 −0.473 0.435 −0.339 DIN 1 0.471 −0.638 −0.223 DIN/P 1 −0.886** 0.554 Si/DIN 1 −0.113 Si/P 1 注：**表示相关置信水平＜0.01；*表示相关置信水平＜0.05；其他为不相关。
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表 10 调查区东部叶绿素与环境参数、COD和营养盐的Pearson相关性分析结果
Table 10. Pearson correlation analysis results of chlorophyll, environmental parameters, COD, and nutrients in the eastern study area
Chl a S T pH SPM ZSD COD PO4−P SiO3−Si DIN DIN/P Si/DIN Si/P Chl a 1 0.438 −0.470 0.724** −0.455 0.620* 0.401 −0.431 −0.766** −0.653* −0.351 −0.440 −0.583* S 1 −0.904** 0.465 −0.206 0.545 −0.116 0.023 −0.611* −0.597* −0.618* −0.230 −0.817** T 1 −0.501 0.181 −0.612* −0.001 0.151 0.717** 0.785** 0.667* 0.188 0.826** pH 1 −0.479 0.700* −0.028 −0.719** −0.901** −0.744** −0.138 −0.421 −0.418 SPM 1 −0.723** 0.291 0.702* 0.587* 0.069 −0.404 0.801** 0.018 ZSD 1 −0.189 −0.656* −0.767** −0.578* −0.091 −0.431 −0.337 COD 1 0.281 −0.020 −0.222 −0.483 0.058 −0.399 PO4−P 1 0.693* 0.391 −0.399 0.498 −0.125 SiO3−Si 1 0.779** 0.248 0.584* 0.613* DIN 1 0.660* −0.017 0.678* DIN/P 1 −0.349 0.826** Si/DIN 1 0.224 Si/P 1 注：**表示相关置信水平＜0.01；*表示相关置信水平＜0.05；其他为不相关。
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表 11 调查区表层海水E值与环境因子、叶绿素、COD和营养盐的 Pearson相关性分析结果
Table 11. Pearson correlation analysis results between surface seawater E value and environmental factors, chlorophyll, COD, and nutrients in the study area
E S T pH SPM Chl a Chl b Chl c COD DIN PO4−P SiO3−Si DIN/P Si/DIN Si/P E 1 −0.194 −0.244 −0.407 0.487* −0.273 0.094 −0.023 0.326 0.686** 0.588** 0.639** 0.122 −0.081 0.102 S 1 0.259 −0.077 −0.194 −0.204 −0.140 −0.308 −0.238 −0.119 −0.078 −0.158 0.010 −0.208 −0.149 T 1 0.153 −0.505* −0.216 −0.276 −0.487* −0.624** −0.281 −0.533* −0.310 0.336 0.041 0.376 pH 1 −0.482* 0.637** −0.379 −0.114 −0.267 −0.788** −0.758** −0.845** −0.137 −0.176 −0.280 SPM 1 −0.120 0.193 0.022 0.831** 0.527* 0.696** 0.638** −0.142 0.189 −0.022 Chl a 1 −0.299 0.236 0.222 −0.480* −0.311 −0.571** −0.374 −0.314 −0.561* Chl b 1 0.761** 0.170 0.404 0.360 0.445* 0.209 0.172 0.318 Chl c 1 0.211 0.265 0.209 0.178 0.127 −0.169 0.048 COD 1 0.357 0.604** 0.468* −0.269 0.079 −0.193 DIN 1 0.765** 0.874** 0.423 −0.169 0.352 PO4−P 1 0.873** −0.220 0.198 −0.102 SiO3−Si 1 0.165 0.295 0.382 DIN/P 1 −0.400 0.807** Si/DIN 1 0.201 Si/P 1 注：**表示相关置信水平＜0.01；*表示相关置信水平＜0.05；其他为不相关。
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图(6)
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