防城港市位于东经107°28′-108°36′，北纬20°36′-22°22′，地处广西壮族自治区北部湾经济区的核心区域，居北回归线以南。防城港湾是一个溺谷型港湾，位于中间的渔万岛将其分成东、西两个湾[1]，港湾沿岸是产业分布较密集、经济开发比较集中的区域，同时也是防城港市海洋环境污染压力最大的区域之一[2]。已有不少学者开展了防城港湾的水环境研究，如戴培建[3]以1990年春、秋2个航次对防城港及其附近海域水体营养化和有机污染状况进行评价；何祥英[1]对2004-2010年北部湾防城港近岸海域的海水环境参数变化与水质状况进行评价；叶朝放等[2]对防城港湾浮游植物的多样性分布和水质状况进行评价；刘俐等[4, 5]对防城港西湾海域水质状况进行调查和评价。这些研究是掌握防城港湾污染及受周边活动影响情况的重要依据。目前，关于防城港湾附近海域在工业开发过程中的海水水质变化研究报道较少，同时缺乏大尺度长时间水质的变化趋势分析，难以为科学决策提供必要的支撑。本研究以2010-2019年防城港湾附近海域水质数据为研究对象，对较长时间序列和空间跨度的海水水质变化进行分析，为该海域的环境保护和合理开发提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 调查时间及站位在防城港西湾、东湾、外湾共设置3个站位，分别为Q1、Q2、Q3 (图 1)。收集3个站位2010-2019年枯水期(3-4月，2010年为1月采样)，丰水期(7-8月)，平水期(10-11月)的监测数据，以Q3站位作为Q1、Q2站位的参照。
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| 图 1 采样站位布设 Fig.1 Location of sampling station |
1.2 现场采样及样品分析
氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝酸盐氮(NO3--N)分别采用次溴酸盐氧化法、萘乙二胺分光光度法、镉柱还原法测定；无机氮(DIN)浓度为氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度之和。活性磷酸盐(DIP)和化学需氧量(COD)分别采用磷钼蓝萃取分光光度法和碱性高锰酸钾法测定。依照《海洋监测规范》第4部分海水分析的方法(GB 17378.4-2007)[6]，采集表层(水面下0.1-1.0 m)海水样品进行测定，测定的样品依照规范进行质量控制。
1.3 数据处理与评价监测数据主要以综合污染指数和水体富营养化指数方法进行评价，营养盐与各影响因子的相互关系采用Pearson相关性分析。水质类别评价标准依照《海水水质标准》(GB 3097-1997)[7](表 1)，图表使用Origin和SPSS软件进行统计分析。本研究涉及的数据主要来源：2009-2019年广西壮族自治区海洋环境监测中心站常规监测数据、广西近岸海域环境质量报告书、防城港市国民经济和社会发展统计公报、防城港年鉴等相关调研资料和发表文献。
| 级别 Level |
化学需氧量 Chemical oxygen demand (COD) |
无机氮 Inorganic nitrogen (DIN) |
活性磷酸盐 Active phosphate (DIP) |
| 第一类 The first kind |
≤2 | ≤0.20 | ≤0.015 |
| 第二类 The second kind |
≤3 | ≤0.30 | ≤0.030 |
| 第三类 The third kind |
≤4 | ≤0.40 | ≤0.030 |
| 第四类 The fourth kind |
≤5 | ≤0.50 | ≤0.045 |
1.3.1 综合污染指数
综合污染指数是对各监测污染指标的相对污染指数进行统计，再将各单项污染指数相加并计算算术平均值。根据污染指数可判断出水体的污染程度及主要污染物。其计算公式为
| $ P = \frac{1}{m}\sum\limits_{i = 0}^m {{P_i}} , $ |
式中, P为综合污染指数，Pi为第i项污染物的污染指数(
| 污染指数 Pollution index |
污染级别 Pollution levels |
分级参考依据 Grading reference basis |
| ≤0.2 | 好 Good |
多数项目未检出，个别项目检出但在标准范围内 Most items were not detected, but individual items were detected within the standard range |
| 0.21-0.40 | 较好 Preferably |
检出值在标准范围内，个别项目接近或超标 Checked out value within the standard, individual items approached or exceeded the standard |
| 0.41-0.70 | 轻度污染 Light pollution |
个别项目检出且超标 Some items were detected and exceeded the standard |
| 0.71-1.00 | 中度污染 Moderate pollution |
有两项检出值超标 Two of the detected values exceeded the limit |
1.3.2 水质富营养化指数
富营养化指数E计算公式：
| $ E = \frac{{{\rm{COD}} \times {\rm{DIN}} \times {\rm{DIP}} \times {{10}^6}}}{{4500}} $ |
式中: COD、DIN和DIP单位均为mg/L，若E≤3.0，则水体呈轻度富营养化；若3.0＜E≤9.0，则水体呈中度富营养化；若9.0＜E，则水体呈重度富营养化[9]。
2 结果与分析 2.1 水质总体评价 2.1.1 水质指标变化趋势调查的3个站位属防城港工业用海区和航道区，根据《海水水质标准》(GB 3097-1997)[7]，以第三类海水水质标准进行评价。
根据2010-2019年的监测数据，图 2列出了防城港湾水质指标年际变化趋势图，从DIN浓度年均值变化情况来看(图 2a)，防城港西湾(Q1)、东湾(Q2)和外湾(Q3)DIN浓度近10年均在第三类水质标准范围内。西湾(Q1)DIN浓度为0.081-0.346 mg/L，平均值为0.216 mg/L，呈波动变化；东湾(Q2)DIN浓度为0.065-0.177 mg/L，平均值为0.113 mg/L，DIN浓度在2010-2015年缓慢上升，2015-2019年波动下降，但总体呈上升趋势，西湾和东湾DIN浓度相差较大；外湾(Q3)DIN浓度处于较低水平，在0.050 mg/L上下变化。
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| 图 2 防城港湾水质指标年际变化情况(2009-2019) Fig.2 Annual variation of water quality indicators in Fangchenggang Bay (2009-2019) |
图 2b为DIP浓度年均值变化情况，防城港西湾(Q1)浓度为0.015-0.040 mg/L，平均值为0.025 mg/L，DIP浓度在2010-2013年期间逐渐升高，在2013-2015年期间逐步回落，2015-2019年变化相对平稳，其中，2013年、2014年DIP浓度分别为0.040和0.033 mg/L，水质类别为第四类，超出第三类海水水质标准；防城港东湾(Q2)DIP浓度呈波动上升，浓度为0.007-0.057 mg/L，平均值为0.023 mg/L，其中，2017年水质类别为劣四类，DIP浓度为0.057 mg/L，其余年份均未超第三类水质标准；防城港外湾(Q3)DIP浓度在0.010 mg/L上下波动。
图 2c为COD浓度年均值变化情况，防城港西湾(Q1)、东湾(Q2)和外湾(Q3)COD浓度变化趋势相近，呈波动下降，并且均在第一类海水水质标准范围内。
从图 2可以看出，近10年防城港湾西湾和东湾DIN浓度相差较大，西湾DIN浓度虽不超标，但总体水平较高。西湾和东湾存在的主要超标因子为DIP，西湾DIP污染主要集中在2010-2019年的前半段；而东湾DIP污染主要集中在2010-2019年的后半段，DIN浓度和DIP浓度均有上升的趋势。
2.1.2 综合污染指数变化情况如图 3所示，近10年防城港湾海水综合污染指数为0.303-0.560，呈波动变化，但变化趋势相对平稳。从2010年开始，海水综合污染指数先下降后逐步上升，在2013年达到峰值0.543，然后又逐步下降至2015年的最低值，随后又继续上升到2017年峰值0.560，并且有每隔3年出现一次峰值的规律，最近一次峰值出现在2017年，近3年呈下降趋势，说明水质有所好转。对照表 2可以看出，防城港湾海水水质污染级别为较好至轻度污染，属轻度污染的年份为2013年、2014年、2016年、2017年和2018年。综合污染指数峰值出现的年份与西湾、东湾DIP浓度年际变化几乎对应，说明DIP为防城港湾的主要超标污染物。其中，2016和2018年也属轻度污染而DIP浓度并未超标，说明防城港湾水质也受到较高浓度DIN的影响，故DIN也为防城港湾的主要污染物。
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| 图 3 2010-2019年防城港湾海域海水综合污染指数变化 Fig.3 Changes of sea water comprehensive pollution index in Fangchenggang Bay from 2010 to 2019 |
2.1.3 富营养化指数变化情况
从图 4的分析结果来看，防城港湾海域富营养化水平在轻度富营养化至中度富营养化之间。西湾(Q1)2013年和2016年为中度富营养水平，富营养化指数分别为4.80和3.24，其中，2013年为近10年西湾富营养化最高水平，其余年份均为轻度富营养水平以下，2016-2019年富营养化水平逐步下降；东湾(Q2)富营养化水平除2017年有小幅波动外，整体变化趋势平稳，近10年均为轻度富营养化水平；外湾(Q3)近10年均在轻度富营养化水平以下，水质状况较好。总的来说，防城港湾外湾海域水质优于东湾, 最差是西湾。
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| 图 4 2010-2019年防城港湾海域海水富营养化指数变化 Fig.4 Change of eutrophication index of sea water in Fangchenggang Bay from 2010 to 2019 |
2.2 港湾海域营养盐的时空变化
图 5列出了防城港湾西湾(Q1)、东湾(Q2)、外湾(Q3)DIN浓度分别在枯水期、丰水期和平水期的年际变化。枯水期西湾和东湾的DIN分别为0.074-0.597和0.036-0.486 mg/L，2010年西湾DIN浓度比东湾高且差异较大，2010-2013年西湾DIN浓度逐渐降低，东湾DIN浓度无明显变化，东湾和西湾DIN浓度差异减小；2013-2017年西湾和东湾DIN浓度都有较大变化，西湾DIN浓度逐年升高，东湾波动上升，在2017年同步达到峰值后于2018年同步回落。2019年西湾和东湾枯水期DIN浓度处于较低水平。丰水期西湾和东湾的DIN分别为0.022-0.525和0.015-0.108 mg/L，西湾和东湾DIN浓度差异较大，这可能与夏季西湾上游防城江入海径流带入污染物有关。平水期西湾和东湾的DIN分别为0.010-0.411和0.031-0.232 mg/L，3个站位变化趋势相似，呈波动变化，没有明显的上升和下降趋势。外湾3个水期DIN浓度均处于较低水平。
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| 图 5 防城港湾不同水期DIN浓度变化 Fig.5 Variation of DIN concentration at different water periods in Fangchenggang Bay |
如图 6所示，防城港湾西湾(Q1)、东湾(Q2)、外湾(Q3)DIP浓度分别在枯水期、丰水期和平水期的年际变化，西湾(Q1)枯水期、丰水期、平水期DIP浓度分别为0.016-0.049，0.001-0.047和0.006-0.041 mg/L；东湾(Q2)枯水期、丰水期、平水期DIP浓度分别为0.008-0.135，0.002-0.030和0.002-0.039 mg/L，除枯水期东湾2017年DIP异常增高外，3个调查站位近10年DIP浓度在3个水期变化趋势相似，说明防城港湾DIP浓度随季节变化不明显。外湾3个水期DIP浓度均处于较低水平。
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| 图 6 防城港湾不同水期DIP浓度变化 Fig.6 Variation of DIP concentration at different water periods in Fangchenggang Bay |
以第三类海水水质标准作参考(表 1)，近10年防城港西湾(Q1)DIN枯水期、丰水期和平水期超标次数分别为2次、2次、1次；东湾(Q2) DIN只有枯水期2017年的1次超标。西湾(Q1) DIP枯水期、丰水期和平水期超标次数分别为3次、2次、3次；东湾(Q2) DIP枯水期、丰水期和平水期超标次数分别为3次、0次、2次。以上说明，近10年防城港西湾DIN浓度和DIP浓度超标年份较东湾多，西湾水质劣于东湾；丰水期东湾和西湾DIN浓度差异较大，说明西湾DIN浓度随季节变化明显，这与夏季西湾上游防城江入海径流带入污染物有关；DIP浓度随季节变化不明显，说明丰水期入海径流不是东湾污染的主要来源。
2.3 水质变化影响因素分析表 3列出了防城港湾营养盐浓度与各参数之间的相互关系，除环境因子还列出了影响水质的几个常见社会影响因子。廖雅君等[10]应用主成分分析法将影响水质的社会因子划分为3类，本研究借鉴其提出的影响水质的主要社会因子分类方式。其中，城镇化因子包括GDP、人口和工业生产总值；工业因子为直排入海工业企业排污量；农业因子为农作物总播种面积。可以看出，DIN与盐度、pH值有极显著的负相关关系，与COD有显著的正相关关系；DIP与pH值有极显著的负相关关系，与盐度有显著的负相关关系。DIN和DIP与温度、DO、Chl-a、GDP、人口、工业生产总值、农作物总播种面积和直排入海工业企业排污量等均没有显著的相关性。
| 因子Factor | 项目Project | DIN | DIP |
| 环境因子 Environmental factor |
温度Temperature | -0.118 | -0.002 |
| 盐度Salinity | -0.814** | -0.427* | |
| DO | -0.140 | -0.180 | |
| pH | -0.727** | -0.491** | |
| COD | 0.431* | 0.102 | |
| Chl-a | -0.107 | -0.117 | |
| 城镇化因子 Urbanization factor |
GDP | 0.225 | 0.525 |
| 人口Population | 0.130 | 0.430 | |
| 工业生产总值 Gross industrial product |
0.130 | 0.485 | |
| 工业因子 Industrial factor |
直排入海工业企业排污量 Pollution discharged by industrial enterprises directly into the sea |
0.360 | 0.052 |
| 农业因子 Agricultural factor |
农作物总播种面积 Total sown area of crops |
0.549 | 0.434 |
| 注：*表示显著相关, **表示极显著相关 Note：*indicates significant difference, **indicates very significant difference | |||
3 讨论
本研究结果表明，防城港湾西湾和东湾主要表现为DIP浓度超标。值得关注的是，西湾(Q1)DIP污染主要集中在2010-2019年的前半段，东湾(Q2)DIP污染主要集中在2010-2019年的后半段，这与防城港湾经济发展特点有关。从何祥英[1]调查的污染来源分析来看，防城港湾西湾有防城江注入，位于河中上游的防城区是防城港市人口最多的城区，每年都有大量的城区生活污水和中小型企业生产废水排入防城江，而东湾东侧和北侧沿岸是防城港市主要工业区。这说明在2010-2019年的前半段，西湾水质的污染来源主要为城镇污染源和入海河流污染，随着城乡基础设施的完善，水质得到逐步改善；而东湾随着社会和工业的发展，DIP污染指数有逐步上升的趋势，从叶朝放等[2]的调查结果来看，东湾上游有防城港市污水处理厂排污口和磷酸厂，东湾西边在渔洲城工业区内有数家磷酸厂，处理不充分的废水排放入东湾，容易引起东湾水质污染。2017年防城港湾东湾DIP浓度突然增高，说明东湾水质在工业发展时期水质总体良好，但有突发环境污染的风险。
防城港湾海域营养盐的时空分布特征表明，近10年西湾DIN浓度随季节变化明显，而DIP浓度随季节变化不明显，丰水期东湾和西湾DIN浓度差异显著，这可能与夏季西湾防城江入海径流大量输出有关，河流污染物入海量占陆地流入海洋的大部分，防城江平均流量为58.7 m3/s，每年由该河排入海中的COD、营养盐、石油类和重金属等污染物，这些物质流经西湾排向外海，是西湾水质污染的主要来源[1]。东湾丰水期近10年营养盐浓度均未超标，说明东湾受丰水期沿岸陆源排污及径流带入污染物的影响较小。
防城港市近10年经历了2010-2015年经济的快速发展时期，2015年防城港市GDP和工业生产总值较2010年分别增加301.18和844.37亿元，2016-2019年进入经济发展的平稳期，2019年GDP和工业生产总值较2016年分别增加25.11和633.03亿元。从分析结果来看，防城港湾营养盐浓度的变化与关注的几个社会因素相关性不显著，而与盐度和pH值显著负相关，与COD正相关。从蓝文陆等[11]研究中发现，河口和近岸营养盐浓度的变化影响因素复杂，无机氮、活性磷酸盐浓度与盐度的相关性显著，且浓度高值出现在盐度最低的河口附近，表明径流输入对营养盐的分布和季节变化有重要影响。从本研究结果来看，10年的水质分析说明防城港湾水质在工业快速发展时期没有恶化，入海污染物量并未随着地区生产总值的增长而相应增长，绝大多数年份水质达到第一、二类标准。期间出现水质较大波动的年份集中在2010年、2013年和2017年。查看有关资料可知[12-14]，在2010年“十一五”期间，广西以“生态广西”建设和加强“节能减排”为抓手，要求沿海三市直排入海的重点工业污染源全部完成污染治理，建成4×104 t/日污水处理量的防城港市污水处理厂和防城港市垃圾处理厂并投入使用，2010年后水质有所好转; 2013年防城港直排工业污染源增加5个监测直排工业企业排污口，新增加的直排工业企业污染物入海量为97.21 t，增加了位于西湾口的渔洲坪综合排放口，使得防城港湾2013年水质有所下降; 2017年防城港直排入海工业企业出现了2次磷超标排放事件，因此针对水质污染超标问题开展全方位的环境污染问题整治，全面清理整治入海排污口，完成入海排污口清理整治41个；加强农村环境综合整治，已建成集中式污水处理设施94套和分散式生活污水处理设施3 668套，54个行政村配置垃圾清运系统，建成垃圾中转站2座；对违法排污的企业进行排查整治，在2017年较强的人为干预以后，近两年防城港水质由2017年的较高水平降低到水质较好的水平。
总的来说，防城港近10年水质基本保持稳定，这与该地区经济基础较为薄弱、近岸海域环境容量较大、污染减排等环境政策得到推进、污染防治和环境保护工作取得成效有关。建议在“十四五”开局之年，进一步加强城乡环境基础设施建设，规范入海排污口和工业企业的监督管理，坚持和推进陆海统筹，完善氮磷排放总量指标等，让经济和环境实现协调发展。
4 结论(1) 防城港湾海域近10年水质总体良好，海水水质污染级别为较好至轻度污染，存在的主要超标因子为活性磷酸盐。海域富营养化水平在贫营养至中度富营养之间，营养盐浓度整体呈现西湾＞东湾＞外湾，内湾大于外湾的分布。西湾无机氮随季节变化明显，而活性磷酸盐随季节变化不明显，丰水期东湾和西湾无机氮浓度差异显著，这可能与夏季西湾防城江入海径流输出有关。
(2) 防城港湾在近10年的经济发展时期，水质变化和社会的发展没有明显的相关性，西湾活性磷酸盐污染主要集中在2010-2019年的前半段，而东湾主要集中在后半段，这与防城港湾经济发展特点有关。个别年份如2013年和2017年出现水质超标的原因与基础设施未完善以及工业企业污染物超标排放有关，在人为监督管控下，防城港湾水质得到较好改善。
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