榮成灣營養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征及其影響因素分析

謝琳萍 ，蒲新明 ，孫霞 ，王保棟

（1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心，山東 青島 266061；2.海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與工程國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

營養(yǎng)物質(zhì)是養(yǎng)殖型海灣生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量和結(jié)構(gòu)在很大程度上控制著養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力。營養(yǎng)鹽過?？墒股鷳B(tài)系統(tǒng)呈富營養(yǎng)狀態(tài)，導(dǎo)致有害生物的大量繁殖，給海水養(yǎng)殖業(yè)帶來了巨大損失；而營養(yǎng)鹽匱乏則會(huì)使生產(chǎn)力下降，經(jīng)濟(jì)效益降低（夏東興等，1991），因而通過對養(yǎng)殖海域水體營養(yǎng)鹽的現(xiàn)狀分析，了解養(yǎng)殖水體的生態(tài)環(huán)境狀況和壓力，對建立可持續(xù)健康養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)有著重要的意義。

榮成灣位于山東半島東端，沿岸地勢北高南低，東高西低，灣口較大，南北長約20.5 km，東西寬約9 km，灣內(nèi)平均水深13 m，是一個(gè)較為開闊的海灣（張明明等，2010）。榮成灣是我國北方重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，養(yǎng)殖品種包括海帶、海參、對蝦、牡蠣、蛤、扇貝等，其中海帶養(yǎng)殖面積占海灣水域面積的一半以上，是國內(nèi)最大的海帶養(yǎng)殖基地。目前，有關(guān)萊州灣、桑溝灣、乳山灣、膠州灣的營養(yǎng)鹽報(bào)道較多（劉義豪等，2011；辛福言等，2004；張哲等，2009；張繼紅等，2010），但對榮成灣營養(yǎng)鹽的文獻(xiàn)報(bào)道較少。本文根據(jù)2009年4個(gè)航次的大面調(diào)查資料，分析了營養(yǎng)鹽的時(shí)空分布特征及其影響因素，并對營養(yǎng)鹽的限制情況進(jìn)行了初步探討，為榮成灣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和科學(xué)生態(tài)養(yǎng)殖提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別于2009年2月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和11月（秋季）對榮成灣進(jìn)行4個(gè)航次的現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查站位如圖1所示?，F(xiàn)場用YSI水質(zhì)分析儀對溫度、鹽度進(jìn)行測定；采樣層次為表層和20 m層（水深不足20 m的站位，采離海底約1 m的底層水）；水樣采集后，經(jīng)預(yù)處理過的GF/F（450℃灼燒6 h）膜過濾后，分裝于塑料瓶中（預(yù)先用1∶5 HCl浸泡，然后用Milli-Q水沖洗至中性），于-20℃冷凍保存。

圖1 采樣站位（▲為8月份站位；○為2月、5月和11月份站位）

1.2 分析方法

水樣在實(shí)驗(yàn)室解凍至室溫后，使用營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀（QuAAtro）測定5種活性營養(yǎng)鹽，其中亞硝酸鹽（NO2-N）用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽（NO3-N）用Cd-Cu還原法，銨鹽（NH4-N）用次溴酸鹽氧化法，磷酸鹽（PO4-P）用磷鉬藍(lán)分光光度法，硅酸鹽（SiO3-Si）用硅鉬藍(lán)分光光度法分析，無機(jī)氮（DIN）為硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽之和（DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N）。

2 結(jié)果

2.1 無機(jī)氮的平面分布特征

本次調(diào)查中，榮成灣水體無機(jī)氮的表底層平面分布趨勢基本一致，故以表層為例來說明。春季榮成灣表層水體近岸NO3-N含量較低，低值水呈舌狀向東南方向擴(kuò)展，中部海域NO3-N含量較高，整體呈近岸低外海高的變化趨勢，天鵝湖外的R1站位NO3-N含量最低（0.88 μmol/L），俚島灣附近的R7站位的 NO3-N含量最高（2.87 μmol/L）（圖2a）。調(diào)查海域NO2-N的含量相差不大，南部近岸稍高；NH4-N高值區(qū)主要出現(xiàn)在南部俚島鎮(zhèn)附近海域，北部海域也有一高值水舌由北向南擴(kuò)展（圖3a）。春季DIN主要是由NO3-N和NH4-N構(gòu)成，分布趨勢與NO3-N類似，呈近岸低外海高的變化趨勢，最低值仍出現(xiàn)在北部近岸的R1站位（0.99 μmol/L），南部近岸的R7站位DIN的含量最高（5.06 μmol/L）（圖 4a）。

夏季表層NO3-N和NO2-N的分布趨勢較為相似，西部近岸濃度較高，高值區(qū)沿海岸線呈狹長帶狀向外遞減（圖2b）。NH4-N和DIN的平面分布相似，表現(xiàn)為由近岸到外海濃度遞減的變化趨勢，近岸高值區(qū)范圍更為廣闊，高值水舌前沿可達(dá)海灣的中部（圖3b，圖4b）。NH4-N和DIN的平面分布圖相似性，說明了夏季DIN的分布趨勢主要受NH4-N的影響。

圖3 榮成灣表層水體銨鹽的平面分布（μmol/L）

圖4 榮成灣表層水體無機(jī)氮的平面分布（μmol/L）

秋季榮成灣表層水體NO3-N和NO2-N的平面分布表現(xiàn)出一定的相似性，即近岸濃度較高，由近岸向外海濃度遞減的變化趨勢，最高值均出現(xiàn)天鵝湖口的R1站位，分別為8.50μmol/L和1.96μmol/L，灣外的R12站位NO3-N含量最低（2.05 μmol/L），中部的R5站位NO2-N含量最低（圖2c，）；NH4-N的平面分布整體表現(xiàn)為近岸高外海低的變化趨勢，南部近岸的R10站位NH4-N含量最高，達(dá)14.3 μmol/L。該季節(jié)DIN的含量均值為9.16μmol/L，達(dá)四季之最，其平面分布趨勢與NO3-N相似（圖3c，圖 4c）。

冬季表層NO3-N和DIN的平面分布類似，西部近岸濃度較低，外海濃度較高（圖2d，圖4d）；NO2-N也表現(xiàn)為近岸濃度低外海濃度高的變化特點(diǎn)，低值區(qū)主要出現(xiàn)在天鵝湖附近海域。NH4-N的平面分布則表現(xiàn)為近岸和外海濃度較高，中間海域濃度較低的變化趨勢（圖3d）。

2.2 磷酸鹽的平面分布特征

榮成灣PO4-P的表底層平面分布趨勢基本一致，故僅闡述表層的平面分布特征。春季PO4-P的平面分布呈現(xiàn)南高北低，中部海域高近岸和外海低的變化趨勢，最高值出現(xiàn)在南部的R9站位（0.60 μmol/L），天鵝湖口的R1站位的PO4-P含量最低（0.11 μmol/L）（圖5a）。夏季調(diào)查海區(qū)PO4-P含量很低（均值為0.06 μmol/L），近岸的PO4-P含量稍高（>0.1 μmol/L），其他海域均較低（<0.1 μmol/L）（圖5b）。秋季水體PO4-P的分布整體呈近岸高外海低的分布特點(diǎn)，南部R9站位的PO4-P含量最高（1.02 μmol/L），中部的R12站位的PO4-P最低（0.28 μmol/L）。冬季PO4-P分布呈現(xiàn)近岸低外海高的特點(diǎn)，東南部海域有小股高PO4-P含量的水體向?yàn)硟?nèi)擴(kuò)展。

2.3 硅酸鹽的平面分布特征

榮成灣SiO3-Si的表底層平面分布趨勢基本一致，故僅闡述表層的平面分布特征。春夏秋3個(gè)季節(jié)榮成灣SiO3-Si的平面分布趨勢基本類似，呈近岸高外海低，由近岸向外海濃度遞減的變化趨勢，春夏季高值區(qū)主要出現(xiàn)在俚島鎮(zhèn)附近海域，秋季則出現(xiàn)在天鵝湖口和養(yǎng)魚池灣口附近海域。冬季SiO3-Si的分布趨勢與前3個(gè)季節(jié)相反，呈現(xiàn)近岸低外海高，由近岸向外海濃度遞增的變化趨勢（圖6）。

2.4 榮成灣營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化

圖5 榮成灣表層水體磷酸鹽的平面分布（μmol/L）

圖6 榮成灣表層水體硅酸鹽的平面分布（μmol/L）

表1 榮成灣調(diào)查海區(qū)營養(yǎng)鹽的含量（μmol/L）

從表1中可以看出秋季NO3-N的濃度最高，達(dá)5.59 μmol/L，夏季含量較低，不足秋季的20%，春季和冬季NO3-N的含量介于兩者之間；NO2-N的含量均值為0.32 μmol/L，約為NO3-N均值的10%，最高值出現(xiàn)在秋季（0.73 μmol/L），春夏季次之，冬季最低；NH4-N的濃度均值為2.51μmol/L，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低；DIN的含量范圍為 0.29～22.84 μmol/L，平均值為 5.92 μmol/L，秋季最高，冬季次之，春夏季較低。榮成灣水體PO4-P的含量較低，年平均值為0.31 μmol/L，最高值出現(xiàn)在秋季，達(dá)0.58 μmol/L，其次為冬季，夏季最低。水體SiO3-Si的變化范圍為1.36～13.80 μmol/L，平均值為 6.62 μmol/L，季節(jié)變化為秋季＞夏季＞冬季＞春季。

從DIN的構(gòu)成上來看，NO2-N對DIN的貢獻(xiàn)相對較低，不足其十分之一。春季NO3-N和NH4-N為無機(jī)氮的主要存在形式，貢獻(xiàn)率分別為43%和52%；夏季NH4-N是DIN的主要組分，占DIN的77%；秋冬季NO3-N為無機(jī)氮的主要構(gòu)成部分，對DIN的貢獻(xiàn)率分別為61%和68%。從全年來看，無機(jī)氮主要是由NO3-N和NH4-N，貢獻(xiàn)比例分別為52%和42%，這與王朝暉等對大亞灣的研究結(jié)果有良好的一致性（圖7）。

圖7 無機(jī)氮組成的季節(jié)變化

在垂直方面上，春季水體NH4-N、NO3-N和DIN表層含量略低于底層，NO2-N、PO4-P和SiO3-Si表層含量略高于底層；夏季除PO4-P表層高于底層外，其他營養(yǎng)鹽均為表層含量低于底層；秋季NH4-N和PO4-P表層含量低于底層，NO2-N、NO3-N、DIN和SiO3-Si均為表層含量高于底層；冬季表層水體營養(yǎng)鹽的含量低于底層水體。

3 討論

3.1 與其他海灣的營養(yǎng)鹽狀況的對比分析

榮成灣調(diào)查海區(qū)水體營養(yǎng)鹽含量較低，除秋季的R1和R10外，水體DIN的含量均符合國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；春夏冬季大部分站位磷酸鹽含量低于國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，秋季則有60%站位PO4-P的含量超過國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

從表2中也可以看出，我國主要海灣DIN的高低順序?yàn)槿轂常救樯綖常九f鎮(zhèn)灣＞四十里灣＞膠州灣＞桑溝灣＞大亞灣＞榮成灣。榮成灣的DIN含量較低，僅略高于北黃海；水體PO4-P的含量也處于較低水平，僅略高于四十里灣，低于萊州灣、桑溝灣、乳山灣、膠州灣、泉州灣、舊鎮(zhèn)灣、大亞灣和北黃海；榮成灣SiO3-Si的含量不高，略高于桑溝灣和北黃海，低于其他臨近海灣。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能有以下幾個(gè)原因：首先，與臨近的萊州灣、桑溝灣、膠州灣相比，榮成灣的灣口較大（約20.5 km），灣外的潮流基本呈南北走向，灣內(nèi)潮流方向主要順著海岸流動(dòng)，主流向與岸線基本平行，灣外流速較大，成山頭處流速可達(dá)1.14 m/s，不考慮養(yǎng)殖的影響，通過模型計(jì)算獲得榮成灣的半交換周期為8.8 d（內(nèi)部資料，尚未發(fā)表），灣內(nèi)水體更新較快，灣內(nèi)高營養(yǎng)鹽水體可快速與外海水混合，難以在灣內(nèi)累積，水體營養(yǎng)鹽的含量較低；其次，榮成灣沿岸入海徑流量較少，陸源營養(yǎng)鹽輸入較少，而臨近的萊州灣（黃河、小清河等）（張義豪等，2010）、桑溝灣（沽河、崖頭河、桑溝河等）（張繼紅等，2010）和膠州灣（墨水河、海泊河、李村河等）（張哲等，2009）均有較多陸源徑流輸入，使海灣的營養(yǎng)鹽含量處于一個(gè)較高的水平；再次，榮成灣主要以海帶養(yǎng)殖為主，整個(gè)調(diào)查海域有一半海域是海帶養(yǎng)殖區(qū)，海帶在生長過程中將吸收大量的營養(yǎng)鹽，每一次的收獲都將水體中營養(yǎng)鹽以海藻的形式帶出水體，在一定程度上降低了水體營養(yǎng)鹽的含量（胡海燕等，2003；劉靖雯 等，2001）。

表2 榮成灣與其他海灣營養(yǎng)鹽濃度情況（μmol/L）

3.2 營養(yǎng)鹽的限制性分析

目前，營養(yǎng)鹽限制的評價(jià)方法多采用氮、磷、硅營養(yǎng)鹽的絕對含量及三者之間的比值來綜合判斷。Nelson等（1990）通過研究浮游植物生長動(dòng)力學(xué)得到浮游植物生長所能吸收的營養(yǎng)鹽最低濃度，認(rèn)為 DIN=1 μmol/L，PO4-P=0.1 μmol/L，SiO3-Si=2 μmol/L可作為浮游植物生長的最低閾值。Justic等（1995）在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上提出了營養(yǎng)鹽潛在限制的標(biāo)準(zhǔn)，即（1）若DIN＜1 μmol/L，N/P＜10，Si/N＞1，DIN為浮游植物生長的限制因子；（2）若 P＜0.1 μmol/L，N/P＞22，Si/P＞22，PO4-P 為浮游植物生長的限制因子；（3）若Si＜2 μmol/L，Si/P＜10，Si/N＜1，SiO3-Si為浮游植物生長的限制因子。

本文根據(jù)Justic等（1995）提出的營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn)對榮成灣表層水體營養(yǎng)鹽的限制情況進(jìn)行分析，春季榮成灣DIN和PO4-P的含量均高于浮游植物生長所能吸收的最低閾值，大部分站位（除R14、R15站位）SiO3-Si的含量超過該閾值，僅R15站位浮游植物生長受到SiO3-Si的潛在限制；夏季水體DIN和SiO3-Si的含量均超過該閾值，浮游植物生長不受DIN、SiO3-Si的限制，但PO4-P的含量較低，90%以上的站位磷酸鹽含量低于閾值（0.1 μmol/L），76%的站位浮游植物生長受PO4-P的潛在限制；秋季水體營養(yǎng)鹽含量較高，浮游植物生長不受營養(yǎng)鹽的限制；冬季水體營養(yǎng)鹽狀況良好，浮游植物生長基本不受DIN、PO4-P、SiO3-Si的限制，僅近岸的R1受到PO4-P的潛在限制，R4站位同時(shí)受到DIN和PO4-P的雙重潛在限制。

3.3 營養(yǎng)鹽的影響因素分析

榮成灣是我國典型的海帶養(yǎng)殖基地，從圖1可以看出122.65 E以西的大部分海域?yàn)楹юB(yǎng)殖區(qū)，海帶養(yǎng)殖區(qū)的面積約占整個(gè)調(diào)查區(qū)的一半，據(jù)榮成市海洋與漁業(yè)局統(tǒng)計(jì)資料顯示，2009年榮成灣的海帶養(yǎng)殖面積約為1 567公頃，產(chǎn)量約為4.1萬噸。海帶是一種冷水性藻類，曾呈奎等研究指出海帶生長發(fā)育的最適溫度都在20℃以下，孢子體生長的適溫范圍為1℃～13℃，5℃～10℃為最適溫度范圍（曾呈奎等，1957）。榮成灣養(yǎng)殖戶一般在8-10月份進(jìn)行海帶育苗，10月中旬-12中旬分苗下海，并在海帶養(yǎng)殖繩上懸掛一個(gè)施肥袋（主要是氮肥和磷肥）進(jìn)行施肥，此后一直到海帶收獲基本不再施肥，第二年5-8月份進(jìn)行收獲，收獲的順序是從灣內(nèi)淺水區(qū)逐漸向?yàn)晨谏钏畢^(qū)（張繼紅等，2010）。

春季（5月份）氣溫回暖，水溫升高（9.8℃～14.2℃），海帶生長放緩，對水體營養(yǎng)鹽的吸收減弱，近岸海帶養(yǎng)殖區(qū)已開始收獲。有研究表明當(dāng)海區(qū)營養(yǎng)鹽特別是DIN的含量較低時(shí)，可導(dǎo)致海帶發(fā)生病變從頂部開始腐爛，到6月中旬，部分區(qū)域海帶已腐爛掉了大部分僅剩不足1 m（方建光等，1996a）。本次調(diào)查春季榮成灣水體中營養(yǎng)鹽的含量較低（DIN 為 4.63 μmol/L，PO4-P 為 0.23 μmol/L），調(diào)查時(shí)間為5月份正處于海帶生長后期（收獲期），許多海帶殘?bào)w在微生物的作用下分解，水體NH4-N含量升高，NH4-N占DIN的比例由冬季的30%提高到52%，NO3-N和NH4-N為無機(jī)氮的主要存在形式；北部海域的R3站位鹽度較低（28.6），營養(yǎng)鹽含量卻較高，這可能是由北部高營養(yǎng)鹽含量的沿岸流在潮汐的作用下南下輸入造成的。從相關(guān)性來看，營養(yǎng)鹽與鹽度沒有顯著的相關(guān)性（P＞0.05），說明陸地徑流對灣內(nèi)營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充較少；DIN、PO4-P和SiO3-Si三者之間也無顯著相關(guān)性，說明這三種營養(yǎng)鹽的來源不盡相同，葉綠素a與DIN、PO4-P相關(guān)性不好，但與SiO3-Si呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.575，P＜0.05）。

夏季（8月份），榮成灣內(nèi)養(yǎng)殖的海帶基本收獲完畢，水體葉綠素a的含量較高（2.97 μg/L），氮磷營養(yǎng)鹽含量較低，大多數(shù)站位磷酸鹽的含量低于浮游植物生長的閾值（0.1 μmol/L），一方面由于海帶生長過程的消耗，另一方面隨著海帶的收獲，水體的流動(dòng)性加強(qiáng)，浮游植物的競爭壓力減少，其生長過程中也吸收了水體中一部分營養(yǎng)鹽。從相關(guān)性分析來看，DIN、PO4-P和SiO3-Si均呈極顯著正相關(guān)（r=0.564，P＜0.01；r=0.562，P＜0.01），與鹽度無相關(guān)性，DIN與葉綠素a呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.456，P＜0.05）；PO4-P與葉綠素a無顯著相關(guān)性（P＞0.05），SiO3-Si與葉綠素a呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.711，P＜0.01），說明了在海帶收獲后期，水體營養(yǎng)鹽的含量較低，磷酸鹽幾乎消耗殆盡，硅藻生長可能較為旺盛。

秋季水體混合加強(qiáng)，沉積物吸附的N、P營養(yǎng)鹽在波浪、海流等動(dòng)力因素的作用下不斷釋放到水體中，對上層水體營養(yǎng)鹽起到一定的補(bǔ)充作用，研究表明沉積物中營養(yǎng)鹽的溶解釋放是養(yǎng)殖水體浮游植物和養(yǎng)殖藻類所需營養(yǎng)鹽的一個(gè)重要補(bǔ)充機(jī)制（蔣增杰等，2008）。11月份海帶剛播種不久，海區(qū)葉綠素a的含量亦不高，海帶幼苗和浮游植物對營養(yǎng)鹽的消耗不大，由于養(yǎng)殖戶在10月份左右下苗時(shí)進(jìn)行施肥，因而水體營養(yǎng)鹽的含量較夏季高出數(shù)倍，DIN、PO4-P和SiO3-Si營養(yǎng)鹽含量均達(dá)四季之最。從DIN的構(gòu)成上來看，該季節(jié)水體NO3-N含量較高，NH4-N和NO2-N含量較低，NO3-N為DIN的主要成分。從相關(guān)性上來看，DIN與SiO3-Si呈極顯著正相關(guān)（r=0.644，P＜0.01），與PO4-P、T、S和葉綠素a均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）；PO4-P與SiO3-Si呈極顯著正相關(guān)（r=0.668，P＜0.01），與DIN、T、S和葉綠素a均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）；SiO3-Si與葉綠素a無顯著相關(guān)性（P＞0.05），說明DIN和SiO3-Si具有一定的同源性，這可能與魯北沿岸流對榮成灣營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充有關(guān)。

冬季海帶生物量較秋季有了顯著提高，生長旺盛（史潔等，2010），消耗大量的營養(yǎng)鹽，使水體營養(yǎng)鹽的含量較秋季有明顯下降。NO3-N是DIN的主要成分。葉綠素a與DIN和SiO4-Si的無有顯著相關(guān)（P＞0.05），而與PO4-P呈顯著正相關(guān)（r=0.61，P＜0.05），說明冬季榮成灣浮游植物生長與水體磷酸鹽的含量有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）榮成灣營養(yǎng)鹽的含量較低，在我國主要海灣中處于較低水平。無機(jī)氮年平均值為5.92μmol/L，除秋季個(gè)別站位外，均符合國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；磷酸鹽的年均值為0.31 μmol/L，秋季約60%站位的磷酸鹽含量超國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他季節(jié)磷酸鹽含量均符合國家一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。硅酸鹽的變化范圍為 1.36～13.80 μmol/L，均值為 6.62 μmol/L。DIN和PO4-P營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化為秋季＞冬季＞春季＞夏季；硅酸鹽的季節(jié)變化為秋季＞夏季＞冬季＞春季。

（2）榮成灣營養(yǎng)鹽的分布變化特征與養(yǎng)殖海帶的生長周期有著緊密的聯(lián)系，海帶生長初期（秋季），海區(qū)營養(yǎng)鹽含量較高，NO3-N是DIN主要成分；海帶生長中后期（春季），DIN濃度下降，NO3-N和NH4-N是DIN的主要成分；海帶收獲后期（夏季），海區(qū)營養(yǎng)鹽含量最低，DIN主要由NH4-N構(gòu)成。

（3）榮成灣春秋冬3個(gè)季節(jié)除個(gè)別站位外，浮游植物生長基本不受營養(yǎng)鹽的限制，夏季90%以上的站位浮游植物生長受到P的限制，但基本不受N和Si的限制。

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