长江口、杭州湾海域营养盐分布特征及分析

生态环境 2006, 15(2): 276-283 Ecology and Environment E-mail: editor@
基金项目：上海市科委科研计划项目（042512031）；上海市教委重点项目（05ZZ13） 作者简介：王 芳（1979－），女，硕士，主要从事海洋环境研究。

E-mail: kangjc@ 收稿日期：2005-11-08
春秋季长江口及其邻近海域营养盐污染研究
王 芳1, 2，康建成2, 1，周尚哲1，郑琰明1, 2，徐韧3，孙瑞文3，吴 涛2
1. 华南师范大学地理科学学院，广东 广州 510631；
2. 上海师范大学城市生态与环境研究中心，上海 200234;
3. 国家海洋局东海环境监测中心，上海 200137
摘要：依据东海环境监测中心两个航次的资料和美国国家海洋大气管理局（NOAA ）相关资料，开发Matlab 计算机数值分析和图形显示技术，对长江口及其邻近海域的营养盐污染状况进行分析和探讨。

结果表明：海域总体营养盐超标严重；氮、磷污染物的来源主要为径流携带入海，磷还受外海流系高质量浓度磷输入的影响；营养盐污染特征显示，表、底层营养盐均自入海口向外围、由近岸向远岸迅速递减，秋季冲淡水将污染物向外海携带，污染区也相应向外海推移；营养盐结构显示，该区w (N)/w (P)比值最高达到了405，无机氮异常丰富，海域浮游植物生长的限制因子存在时空变化。

分析得到营养盐污染特征与长江河口锋位置及冲淡水流向的关系密切，可以考虑由长江河口锋位置及冲淡水流向来确定污染物的聚集位置和扩展方向。

关键词：长江口；海洋环境；营养盐污染
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）02-0276-08
海洋环境的污染是指人类直接或间接把物质或能量引入海洋环境，其中包括河口湾，以致造成或可能造成损害生物资源和海洋生物、危害人类健康、妨碍包括捕鱼和海洋的其他正当用途在内的各种海洋活动、损坏海水使用质量和减损环境优美等有害影响[1]。

长江口及其邻近海域营养盐质量浓度是东海甚至中国沿海最高的海域之一[2]。

本文通过对长江口及其邻近海域包括长江口外浅海区和杭州湾北部海域以及部分长江口河段(图1)营养盐质量浓度实测资料的分析，探讨了春、秋季海域营养
盐污染状况，从时间和空间差异入手，分析营养盐污染物质的来源、海域营养盐的污染特征和影响因素，探讨导致赤潮发生的重要原因：营养盐结构状况及其对浮游植物的限制，以及污染物分布与长江河口锋位置和冲淡水流向的关系，为研究海域有针对性地进行环境质量控制和改善提供科学依据。

本区属东亚季风气候，降水时空分布不均，主要集中在夏季，冬季降水偏少，形成了入海径流的季节变化。

长江、钱塘江、黄埔江等巨大径流挟带丰富的营养盐污染物在研究海域西部汇入。

黄海冷水团、黑潮西支流、高温高盐的台湾暖流等外海流系，以及季节性的苏北沿岸流、闽浙沿岸流等低盐、
高营养盐的沿岸流系[3]
影响海域东部。

这里是河流与海洋两种不同体系之间的 “界面”，生态环境敏感脆弱。

由河流带来的含高营养盐的冲淡水向外海扩展，在冲淡水与海水的交汇处形成锋区[4]，锋区作为一个动力屏障，阻挡了溶解物质等的向外扩散，形成了营养盐污染物的辐聚区。

在本区出现的富营养化加剧、赤潮频发、生态失衡等一系列环境问题与之关系密切[3, 5-8]。

1 研究区营养盐污染背景状况
本文中的营养盐污染物主要讨论氮和磷。

氮和磷在长江口及其邻近海域超标程度排首位，是本区最主要的污染物，其中可溶无机氮和总磷已达严重
污染程度，总氮和活性磷酸盐达重污染程度①。

长江口及其邻近海域无机氮和磷酸盐质量浓度多年
①国家海洋局东海环境监测中心.上海市海洋污染基线调查报告,2000.
图1 1998年研究区及测点位置：o 春季测点；+秋季测点
Fig. 1 The study area and sampling stations in 1998:
o stations in spring; + stations in autumn
王芳等：春秋季长江口及其邻近海域营养盐污染研究277
居高不下[2]。

据中国海洋环境质量公报[2]，除2001年该海域无机氮质量浓度为各沿海省市海域第2位外，1999至2005年均居第1位；2004、2005年的统计数据显示其质量浓度远高于居次位的浙江海域；磷酸盐质量浓度除在1999年居第3位外，2000至2004年均居次位，而到2005年上海海域的磷酸盐质量浓度攀升为第1位，高于其它海域含量28%以上；从1992年至今，杭州湾水域无机氮、磷酸盐和长江口水域无机氮的超标率一直为100%；长江口水域磷酸盐的超标率在1992年不足50%，其后迅速增加到1996年至今的100%。

研究海域营养盐的主要来源是径流携带的污染物及上海市的近岸排污，其中，长江营养盐入海量在该海域营养盐入海总量中居主要地位。

同时，长江营养盐不同月份、不同营养盐的入海通量存在巨大差异[9]。

与其他河流比较，长江的污染物入海量也高出许多[2]。

近年来，由于沿江人类活动加强和人口增加等原因，长江营养盐的入海通量维持在高值[2]，如磷酸盐入海量情况为：2002年至2004年分别为31482、70030、46658 t。

如此大量的营养盐入海，必会对研究海域的营养盐污染状况产生重大影响。

2 资料与数据处理
2.1 资料与方法
本文资料来源于国家海洋局东海环境监测中心1998年春季和秋季两个现场观测航次，时间为：1998年5月21日—29日和9月16日—10月14日的资料，采样点分布区域（图1）为：30°~31°51.4′N、123°E以西的海域及潮间带。

以及美国国家海洋大气管理局（NOAA：National Oceanic and Atmospheric Administration）在上海近海的观测资料和全球硝酸盐和磷酸盐多年统计月平均值数据库。

东海环境监测中心1998年资料的调查方法：采用Qcc10-2A型球阀式采水器进行样品的采集；采样点随水深的差异而不同：水深小于10 m，采表层（0~1 m）；水深大于等于10 m、小于25 m，采表、底层（距底1~2 m）；水深大于25 m，采表层、10 m层、底层。

水质监测项目有：硝酸盐（NO3-_N：锌镉还原法）、亚硝酸盐（NO2-_N：萘乙二胺分光光度法）、氨氮（NH4+_N：次溴酸盐氧化法）、活性磷酸盐（PO43-_P：磷钼兰分光光度法）、总氮（TN：碱性过硫酸氧化法）、总磷（TP：过硫酸钾消化法）。

本文主要讨论DIN（可溶无机氮：NO3-_N、NH4+_N、NO2-_N三者质量浓度值的和）、NO3-_N、NH4+_N、TN、PO43-_P、TP的污染特征，由于NO2-_N属中间产物，不稳定、含量低、影响小，暂不讨论。

2.2 数据处理
利用Matlab计算机编程语言对数据进行分析，过程分3步。

①建立原始数据库：读入东海环境监测中心监测数据和NOAA营养盐原始监测数据，对监测数据进行质量控制和分析校正[10]，读入地形数据，建立原始数据库。

②建立区域标准数据库：对原始数据按等经、纬度水平内插和按等深度垂直内插，网格化数据；对处于河流入海口附近的东海监测中心数据，为排除陆域的影响，按采样点位置分为长江口北区、南区和杭州湾海区，采用分区插值再结合的方法，得到优化数据；经度和纬度均精确到30"；引入地形数据，去除陆域和海域地形影响，得到研究区标准数据库。

③图形可视化：以上述标准数据库为基础，利用Matlab语言开发计算机可视技术，得到平面可视图形；图中，营养盐质量浓度单位均为μg·L-1，图中的颜色是海域研究要素数量值大小的直观体现，深颜色代表要素高值区，即营养盐污染严重区。

3 结果与讨论
1998年长江流域爆发特大洪水，长江年径流量比常年高出30%[11]，从6月25日至8月底共65d 的洪水期，长江径流量为422 km3[12]，约占年径流量的1/3[11]，营养盐入海通量加大，例如硝酸盐入海通量约为常年的2倍[11]。

资料调查的两个时段春季（1998年5月）和秋季（1998年9月—10月），处于洪水爆发前后，可以反映洪水前后营养盐污染的时空差异以及营养盐结构的殊同。

3.1 营养盐污染特征
3.1.1 总体污染特征
海域氮、磷污染特征（图2和图3）为，①污染物超标严重，例如，DIN在研究海域最高达到了2431 μg·L-1，春、秋季表底层平均浓度均在1040 μg·L-1以上，其质量浓度远远大于国家《海水水质标准》（GB 3097—1997）[13]规定的500 μg·L-1的四类标准值；区域超标程度依次为长江口南岸、杭州湾北岸、长江口北岸、近海；尤其是长江口南岸白龙港附近，既是长江巨大径流和河口上溯潮流激烈交汇处[14]，又处于上海市南区排污口区域，成为各种营养盐的高污染区；部分在杭州湾南岸的测点数据显示该区污染也相当严重。

②表、底层各营养盐污染程度均自入海口向外围、由近岸向远岸迅速递减；由于受杭州湾高质量浓度营养盐海水的影响，研究海域南部等值线出现波折，污染也较严重；秋季表、底层营养盐污染差异加大，底层污染范围明显小于表层，且被限定在河口和近岸区，这是因为秋季入海径流增加、外海盐水楔入侵同时加强(此时北上的台湾暖流比较强劲，闽浙沿岸流也在盛行季
278 生态环境 第15卷第2期（2006年3月）
风的推动下北上[15]27-28
，垂向上营养盐来不及充分混合，底层受影响小；春季研究区各水团势力减弱，营养盐得以充分混合，污染范围扩大。

③春季径流量偏少[9]25，营养盐被限定在一定范围内，污染物质量浓度呈近岸高、远岸低，表层高、底层低的分布态势；秋季污染范围扩大，且分布变得比较复杂：表层营养盐随水流向两个方向扩展；近河口区污染物质量浓度普遍偏高。

④由于本区复杂的水动力条件如湍流的裹带等原因，NO 3-_N 、TP 等的高污染区在表层呈孤立水块分布，这种现象在同年夏季的研究中也有发现[11]。

3.1.2 氮的污染特征
NO 3-_N 与DIN 分布极其相似，与TN 分布也大体相同，污染特征如图2，表明海域TN 和DIN 主要受径流输入的NO 3-_N 影响。

DIN 、NO 3-_N 和TN 表层质量浓度普遍大于底层，显示其主要来自径流输入且具保守性：要素的质量浓度随着水体的扩展和混合过程而主要发生物理变化如稀释等。

结合1998年与NOAA 的数据可知本年高质量浓度的氮（DIN 质量浓度大于360 μg·L -1）仅在沿海出现，向外海递减迅速，这也表明研究区的氮的污染源主
要为陆源径流，其污染范围在近岸及浅海区，向外海扩散的可能性不大。

研究区DIN 质量浓度的季节变化可以反映该区的环境特征。

研究区DIN 质量浓度季节变化，春季高，秋季降低（图2）。

分析NOAA 全球硝酸盐多年统计月平均值数据库可知（由于同纬度大洋表层硝酸盐质量浓度很小，讨论的意义不大，所以
选取10 m 层数据为代表），同纬度大洋秋季NO 3-_
N 质量浓度普遍高于春季，由于研究区DIN 以
NO 3-_
N 为主且二者的分布特征基本相同，故可以认为1998年不同季节的DIN 质量浓度变化与海洋多年平均季节变化不对应。

NOAA 的数据还表明长江口外31° N 附近受冲淡水注入影响的海域，表层NO 3-_N 质量浓度的变化与研究海域的相同，并且由NO 3-_N 质量浓度指示的具有此类环境特征的区域在春季甚至可以延伸至距长江口200 km 的海域。

与长江入河口区营养盐多年平均质量浓度的季节变化[9]相比，DIN 质量浓度的季节变化与之相符。

可见，虽然研究海域是河流与海洋交汇的地区，兼具河口与海洋环境的双重特征，但是更偏于河口环境特征。

所以海洋对该区污染物的稀释和分解转
图2 长江口及其邻近海域1998年春季 (a 表层,b 底层)和秋季(c 表层,d 底层)可溶无机氮污染特征
Fig. 2 The Characteristic of DIN pollution in spring (a surf ace, b bottom) and autumn (c surface, d bottom) in 1998 round Y angtze Estuary
王芳等：春秋季长江口及其邻近海域营养盐污染研究279
化的程度和速率均有一定的限度，污染控制和治理存在难度。

NH4+_N的污染情况有所不同，见图4。

NH4+_N 在表层排污口附近如南区排污口附近海域存在高值区，春、秋季质量浓度最高值分别达到了780 μg·L-1和190 μg·L-1，反映上海市区大量生活污水的排入加剧了氨氮污染。

近河口区底层NH4+_N含量极低，春、秋季质量浓度在6.1~18.2 μg·L-1之间。

表底层浓度的差异说明NH4+_N污染源自近海的陆源排放，仅在表层部分区域出现高值，而河流本身NH4+_N污染程度很低。

可以认为沿江排放的NH4+_N，在径流携带入海过程中基本已迁移转化，污染程度较低。

出现的一个异常现象是秋季的长江口外浅海区附近NH4+_N质量浓度出现一高值区，而且NH4+_N的底层质量浓度大于表层，底层部分区域质量浓度达到了125 μg·L-1，比表层38 μg·L-1的质量浓度高得多。

通常认为NH4+_N来自单位、居民及牲畜饲养等的污水排放，但是此处距离污染源已经相当远，且高值区以西向陆方向NH4+_N的质量浓度并不高。

原因可能为：①水温高时本区生物生产量大，有机质在沉降过程中在水体的中底部分解释放NH4+_N，因而其质量浓度会出现高值[16]且高值区在下部；②NH4+_N具非保守性，即具有被悬浮颗粒物质吸附或包裹的非保守行为[17]，在水体的中底部，水体盐度升高，悬浮颗粒物释放NH4+_N，且释放速率随盐度增加而加大，导致该区水体下部成为NH4+_N质量浓度高值区[18]。

图3 长江口及其邻近海域1998年春季(a表层,b 底层)和秋季(c 表层,d 底层)磷酸盐污染特征
Fig. 3 The Characteristic of PO43-_P pollution in spring (a surface, b bottom) and autumn (c surf ace, d bottom) in 1998 round Y angtze Estuary
图4 长江口及其邻近海域1998年秋季底层氨氮分布
Fig. 4 The bottom distribution of NH4+_N in autumn in 1998
round Y angtze Estuary
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3.1.3 磷的污染特征
磷的污染源比较复杂。

图5显示从大陆沿岸（约120°E ）至125°E 海域磷的含量均很高，表明磷不仅来自径流，同时还可能受到沿岸流和台湾暖流北上携带磷的影响，污染范围较广；在东海中部磷质量浓度多块状分布，可能和海区的生物过程有关。

磷污染源的多源性是存在时间变化的。

春季时，PO 43-_P 的污染集中在杭州湾和长江口南岸附近，可以认为该海域的污染源主要为杭州湾和长江径流。

秋季时，PO 43-_P 的污染加强且扩展范围广，有研究[19]认为PO 43-_P 的主要来源不是长江冲淡水等径流输入,而可能主要来源于台湾暖流，结合1998年与NOAA 数据的东海表层PO 43-_P 分布图（图5），可见由于秋季东南季风的作用，含高质量浓度
PO 43-_
P 的闽浙沿岸流北上，导致海域整体污染负荷加大，所以闽浙沿岸流比台湾暖流对该海域污染的贡献似乎更大一些。

从1998年的资料看，营养盐（包括PO 43-_P ）污染源主要仍为径流输入。

海域磷的污染特征和区域生物地球化学过程有关。

春、秋季PO 43-_P （图3）与TP 表层质量浓度普遍与底层相近，表明其在扩展过程中参与了生物地球化学过程，发生迁移和转化，具非保守性。

PO 43-_P 与TP 在长江入海口附近的表层分布比较一
致，表明表层TP 以PO 43-_P 为主。

PO 43-_
P 在不同时段均表现出表层质量浓度稍高于底层的现象，在秋季的锋区附近底层质量浓度出现了低值区，这是由于混合稀释及浮游植物的同化作用[16]。

春季时，TP 质量浓度在白龙港向海方向上的底层质量浓度比表层高、分布也均匀，秋季的TP 质量浓度在长江河口锋区外围也出现了底层质量浓度高于表层
的现象，如：秋季TP 底层质量浓度由锋区的123
μg·L -1缓降为107 μg·L -1
，表层质量浓度由锋区的122 μg·L -1骤降为86.9 μg·L -1。

TP 与PO 43-_P 质量浓度空间分布的差异表明研究海区底层可能含有较高的颗粒有机磷，磷的污染底层大于表层现象的出现是由于下层磷的再生作用的积累。

3.2 营养盐污染特征与长江河口锋位置及冲淡水流向的关系
河口锋的研究是近年来河口研究的一个热点[15]1-6。

在河口的营养盐污染研究中也有重要作用。

已有的研究指出，河口锋在河口物质迁移、污染物的聚合与扩散中起着重要的作用。

1998年不同
时段的NO 3-_N 、DIN 、TN 、PO 43-_
P 、TP 均在121°30′~122°30′ E 、30°50′~31°30′ N 海域出现了质量浓度的跃变（图2和图3）。

这个跃变出现在长江
口门的近口锋区[15]40-41
，是河口向海洋过渡的一个重要锋带。

这里出现污染物质量浓度的跃变表明，海域营养盐污染特征与长江河口锋关系密切，长江河口锋的存在对污染物的分布有一定的影响。

由于营养盐由径流携带扩展，污染物的分布形态与长江冲淡水的流向有对应关系：污染物的扩展在表层呈双向或准双向（图2-a 、2-c 和图3-a 、3-c ），春季和秋季的东南向扩展均十分强劲，秋季向东北向加强，呈双舌状分布。

数值模拟[8,20]的结果也显示长江冲淡水表层存在类似的两个流向，同年夏季观测资料显示这种表层的双舌状分布在七八月份就已经出现[11]。

底层污染物则被限定在东南向（图2-b 、2-d 和图3-b 、3-d ）。

其它年份的盐度研究[21]也表明底层冲淡水舌全年均指向东南。

由此可得，营养盐污染特征与长江河口锋位置及冲淡水流向的关系密切，可以考虑由长江河口锋位置及冲淡水流向来确定污染物的聚集位置和扩展方向。

3.3 营养结构及变化
由于研究海域NO 2-_
N 质量浓度很低，可以近似
认为海域的DIN 由NO 3-_N 和NH 4+_
N 组成，故二者
对DIN 的贡献率呈反比例关系。

从NO 3-_
N 对DIN 的贡献率来看，NO 3-_N 占有绝对优势，显示研究海区污染物来源为长江巨大径流输入，即沿江排污。

但在崇明岛东南部、长江口南岸白龙港附近海域等处存在区域性的NH 4+_N 高贡献率地区，由表1可
知，在海域表层个别区域NH 4+_
N 对DIN 的贡献率可达30%，说明上海的陆源排放加重了局部地区的污染程度。

秋季在河口锋附近的底部出现了NO 3-_N 的相对低比率区即NH 4+_N 的相对高比率区（可达47%），和要素污染特征（图4）相对应。

海洋中的浮游植物是按一定比例自海水中吸收营养盐，这一恒定比例称为Redfield
系数，特别
图5 秋季东海表层磷酸盐分布
Fig. 5 The surf ace distribution of PO 43-_
P in autumn in East China Sea
王 芳等：春秋季长江口及其邻近海域营养盐污染研究 281
是其中的w (N)/w (P)比值被广泛用于判别某一海域浮游植物的生长是磷限制还是氮限制，大洋水体的w (N)/w (P)比值通常以16∶1为准[22]。

胡明辉等[23] 通过生物培养实验提出长江口海域浮游植物生长的营养盐限制标准，即当w (N)/w (P)比值大于30时，浮游植物的生长受磷限制，当w (N)/w (P)比值小于8
时，为氮限制。

何建宗等[24]
认为：当近岸海域水体的w (N)/w (P)比值为5~15时,赤潮生物可能有最高的生长速率。

这里对原始数据插值后再计算面积比，并取w (N)/w (P)比值5、8、15和30为等值线作图，结果表明（表1和图6）：春季表层和底层基本上为
磷限制，且w (N)/w (P)比值最高达到了405；秋季表
层和底层磷限制的面积大幅降低，集中在长江口南支、杭州湾，其中舟山群岛海域出现极值区，部分海域出现了氮限制的现象，表、底层氮和磷限制的总海域均占研究海域的60%左右。

氮或磷的限制性是有空间变化的，甚至同一海区还有氮、磷营养盐限制的季节性交替变化[25]。

研究区内由w (N)/w (P)比值5~15确定的适合赤潮生物生长的海域在秋季位于研究区的东北部海域，但是多年赤潮资料统计分析表明：30°30′~32° N 、122°15′~123°15′ E 是“长江口及其邻近海域赤潮多发区”[26]，二者并未完全重合。

可见高质量浓度营养盐的输入是赤潮发生的物质基础，合适的w (N)/w (P)比值是赤潮发生的一个重要原因，但是否发生赤潮和温盐环境、光照条件等其他因素也有密切关系，赤潮是多因素多条件综合作用的结果。

海域营养结构特征值数据见表1。

4 结语
依据东海环境监测中心1998年两个航次的资料和美国国家海洋大气管理局（NOAA ）相关资料，对长江口及其邻近海域的营养盐污染状况进行了分析，结果表明：
a ）海域总体污染物超标严重，超标程度依次为长江口南岸、杭州湾北岸、长江口北岸、近海，尤其是长江口南岸白龙港附近，是各种营养盐的高污染区；
b ）各营养盐污染特征有规律：表、底层污染程度均自入海口向外围、由近岸向远岸迅速递减，秋季冲淡水将营养盐向外海携带，高污染区也相应向外海推移；
c ）研究表明，污染物主要来自径流输入，而磷的污染还受外海流系高质量浓度磷输入的影响；DIN 的季节变化表明，研究海域兼具河口与海洋双重环境特征，但更偏于河口环境特征，使污染物的稀释转化和治理比较困难；
d ）氮受周围环境影响小，具保守性，磷与之相反，河口锋区附近出现的磷的污染特征显示其积极地加入了区域生物地球化学过程；
e
）营养盐污染特征与长江河口锋位置及冲淡
图6 长江口及其邻近海域1998年秋季(a 表层,b 底层)
w (N)/w (P)比值的分布特征
Fig. 6 The distribution of w (N)/w (P) ratios in autumn (a surf ace, b bottom) in 1998 round Y angtze Estuary
表1 长江口及其邻近海域营养盐结构特征值数据
Table 1 The eigenvalues of the structure of nutrients round Y angtze Estuary
因子
春季
秋季
表层
底层
表层
底层
最小值
最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 统计
w (NO 3-
)/DIN w (NH 4+)/DIN w (N)/w (P) 0.68 0.01 30
0.99 0.3 405
0.75 0.02 21
0.98 0.21 110
0.51 0.003 3.5
0.995 0.29 122
0.47 0.006 3.3
0.99 0.47 61.4
面积比
w (N)/w (P)>30 w (N)/w (P)<8 15> w (N)/w (P)>5
100% 0% 0% 99% 0% 0%
54% 4% 15%
51.4% 9% 14%
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水流向的关系密切，可以考虑由长江河口锋位置及冲淡水流向来确定污染物的聚集位置和扩展方向；
f）海域浮游植物生长的限制因子存在时空变化，春季研究区大部海域为磷限制，秋季受限制的海域也超过一半，富营养化严重。

研究海域营养盐污染特征表明，海域营养盐污染状况与河流径流量（尤其是长江径流量）的变化有密切关系。

随着长江流域气温的上升，将驱动水循环加快，使流域降水时空分布更加不均匀[27-29]；同时，沿江城市化进程的加快使营养盐的入海通量将在相当一段时期内维持在高值；研究区海域营养盐污染将可能更加严重且时空差异加大，希望有关政府部门给予进一步重视。

致谢：感谢国家海洋局东海分局房建孟副局长和科技处领导对本项目的指导和支持，感谢东海环境监测中心参加采样和分析的全体人员。

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