四十里灣海域營養(yǎng)鹽年際變化及影響因素研究

邢紅艷 ，孫珊 ，馬元慶 ，白艷艷 ，靳洋 ，劉義豪 ，秦華偉 ，李斌

（1.山東省海洋水產(chǎn)研究所，山東 煙臺 264006；2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測中心，山東 煙臺 264006；3.山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點實驗室，山東 煙臺 264006）

海水中的營養(yǎng)鹽作為海洋生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，是浮游植物生長的必需元素，也是海水富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)，其生物地球化學(xué)循環(huán)對海洋生態(tài)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用（張正斌等，2004；張經(jīng)1997）。海灣作為一片三面環(huán)陸的水體，由于受到陸源徑流注入、工農(nóng)業(yè)廢水、城市生活污水排放和海水養(yǎng)殖排污等的影響，造成其富營養(yǎng)化，赤潮頻發(fā)，破壞了局部海區(qū)的生態(tài)平衡，對漁業(yè)資源和海水利用等帶來不良的影響，引發(fā)的環(huán)境問題越來越多的受到人們的關(guān)注（石洪華等，2008；劉慧等，2003；Liu et al，2005；Liu et al，2007）。

煙臺四十里灣是我國北方典型的養(yǎng)殖區(qū)之一，位于煙臺市萊山區(qū)北部海域，西北與芝罘灣相連，東鄰養(yǎng)馬島，北有崆峒島、擔(dān)子島，海岸線長20 km，面積約86.7 km2，屬半封閉型海域，水體交換能力較差（單志欣等，2001）。四十里灣海水養(yǎng)殖歷史悠久，是我國北方最早開展淺海海產(chǎn)養(yǎng)殖的海域之一，早在20世紀(jì)40年代就開展海帶和裙帶菜的養(yǎng)殖實驗（吳玉霖等，2001；趙衛(wèi)紅等，2000）。根據(jù)山東省海洋環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測記錄，四十里灣從1998-2010年間，除2000、2003和2006年外，每年都有赤潮發(fā)生，富營養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重。本文根據(jù)四十里灣2003-2010年5-10月6個月份海洋環(huán)境監(jiān)測航次調(diào)查的資料，對該海域8年來的營養(yǎng)鹽歷史變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，并對其影響變化因素和富營養(yǎng)化狀況進(jìn)行了簡要分析，為深入掌握四十里灣污染變化形勢，研究人類活動影響下典型海灣環(huán)境生態(tài)演變過程和機(jī)制，為維護(hù)和治理四十里灣海域生態(tài)環(huán)境提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

數(shù)據(jù)來源于2003-2010年5-10月份煙臺近海赤潮監(jiān)控區(qū)四十里灣赤潮監(jiān)測。灣內(nèi)設(shè)站位6個，從5月到10月每月1次，共6個航次，采樣站位如圖1所示。樣品的采集、保存和分析均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378-2007）規(guī)定的方法操作，營養(yǎng)鹽測定NO3-N采用鋅鎘還原法，NO2-N采用鹽酸萘乙二胺分光光度法，NH4-N采用次溴酸鹽氧化法，PO4-P采用磷鉬藍(lán)分光光度法，SiO3-Si采用硅鉬黃分光光度法。c（DIN）=c（NO3-N）+c（NO2-N）+c（NH4-N）。

圖1 四十里灣取樣站位

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽狀況分析

煙臺四十里灣海域8年來營養(yǎng)鹽5-10月6個月份的平均值見表1。從表1可知，近8年來四十里灣海域DIN呈逐漸上升的趨勢，2003年DIN濃度為 88.3 μg/L，而 2010 年濃度為 255 μg/L，是2003年的近3倍；PO4-P年際濃度變化范圍在4.55～13.2 μg/L之間，增加的趨勢不明顯。與DIN類似，SiO3-Si也呈逐漸上升的趨勢（2005年未測定）。因此，從研究結(jié)果來看，四十里灣營養(yǎng)鹽在近8年平均含量有遞增趨勢；這與我國近岸、河口海域富營養(yǎng)化程度不斷增高的趨勢相一致（周斌等，2010；Zhang et al，2007）。

表1 四十里灣海域營養(yǎng)鹽濃度及其比值平均值

季節(jié)變化上，DIN在春季（5月份）含量年際變化范圍為38.6～214 μg/L，逐年增高的趨勢較為明顯（圖1）；夏季（8月份），DIN含量年際變動幅度較大，整體上亦呈增高的趨勢；秋季（10月份）DIN年際變化與春季類似，但含量明顯高于春季；在調(diào)查海區(qū)，夏季和秋季正處于豐水期，受降雨、陸源輸入的影響，營養(yǎng)鹽含量整體較高。春季PO4-P含量隨年際變化較小，維持在一個較低的水平；夏、秋季PO4-P年際波動較大，變化范圍為4.10～15.6 μg/L，整體上高于春季。SiO3-Si在 3 個季節(jié)逐年上升的趨勢均較明顯，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季較低。整體結(jié)果表明，調(diào)查海域內(nèi)N、P等主要形態(tài)營養(yǎng)鹽濃度整體均高于20世紀(jì)90年代（趙衛(wèi)紅等，2000），且呈現(xiàn)歷年升高的趨勢，表明該海域環(huán)境有污染加重的趨勢，這與近年來煙臺市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而導(dǎo)致的人類活動加劇、陸源污染物輸入量增加有關(guān)。

圖2 營養(yǎng)鹽年際變化

2.2 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化

研究表明，海水中的營養(yǎng)鹽水平與結(jié)構(gòu)對浮游植物的生長起著很重要的作用，適宜的Si∶N∶P的原子比值有利于浮游植物的生長和繁殖，當(dāng)營養(yǎng)鹽可以滿足浮游植物生長時，海洋浮游植物的Si∶N∶P的原子比應(yīng)為16∶16∶1（Redfield系數(shù)）（孫珊等，2010）。而從表1可以看出，Si∶N∶P的原子比8年來逐漸偏離了Redfield系數(shù)，呈不斷升高的趨勢，某一元素濃度偏離過高或過低都可能引起浮游植物的生長受到這一元素的限制。Dortch等（1992）提出了一個營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn)：（1）若Si∶P>22和N∶P>22同時成立，則PO4-P為限制因素；（2）若N∶P<10和Si∶N>1，則DIN為限制因素；（3）若 Si∶P<10 和 Si∶N<1，則 SiO3-Si為限制因素。由調(diào)查海域數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果看（表1），四十里灣海域已從N、Si相對不足向供給充分的方向發(fā)展；同時可以看出四十里灣海域正向P相對缺乏方向演變，且趨勢逐年加重，與有關(guān)研究結(jié)果基本一致（劉義豪等，2006）。

2.3 潛在性富營養(yǎng)化程度

海水中浮游植物按照Redfield系數(shù)攝取營養(yǎng)鹽，一般必然有一部分N（對P限制水體而言）或P（對N限制水體而言）相對過剩；環(huán)境中過剩的N、P營養(yǎng)鹽不能被浮游植物所利用，并未對富營養(yǎng)化有實質(zhì)性貢獻(xiàn)，因而應(yīng)看作只具有一種潛在性，這種現(xiàn)象可稱為潛在性富營養(yǎng)化（孫丕喜等，2006）。為了突出營養(yǎng)鹽的限制特征,選取對浮游植物生長起瓶頸制約作用的DIN、PO4-P作為評價參數(shù)（表1），根據(jù)郭衛(wèi)東等提出的潛在性富營養(yǎng)化評價模式對研究區(qū)域進(jìn)行評價（表2）（郭衛(wèi)東等，1998；曲麗梅等，2006）。評價結(jié)果表明,2003-2006年，四十里灣調(diào)查海域處于貧營養(yǎng)（Ⅰ）水平；2007-2010年，處于磷限制中度營養(yǎng)（ⅣP）水平。由以上分析可知，調(diào)查海域從貧營養(yǎng)逐漸過渡到中度營養(yǎng)狀態(tài)，表現(xiàn)出潛在富營養(yǎng)化趨勢的年份均為磷限制。

表2 營養(yǎng)級的劃分原則

2.4 影響因素分析

近年來煙臺市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隨著市政府東遷，在四十里灣的西南岸政治、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、科研、體育等各類設(shè)施相繼建成；2008年底僅高校在校生及教職工總數(shù)已超過15萬人，全區(qū)常住人口達(dá)30萬余人（高昊東等，2011）；顯而易見，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的急劇增加，勢必加重灣內(nèi)的污染負(fù)荷。因此，四十里灣海域生態(tài)系統(tǒng)正承受著越來越大的壓力。

2.4.1 陸源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入

匯人四十里灣的陸源污染物主要包括工業(yè)廢水、生活污水和耕地、森林農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)等排水。四十里灣近岸有耕地7 755公頃，山地森林155公頃（葉孟杰等，2006），農(nóng)業(yè)化肥中含有的大量氮、磷等物質(zhì)會隨著雨水等排入灣內(nèi)。辛安河污水處理廠一期工程于2003年底開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，日排污水量從最初的2萬t增加為現(xiàn)在的9萬t，出水水質(zhì)除總磷、硝酸鹽氮、總氮不達(dá)標(biāo)外，其它指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計要求；二期工程于2008年4月投于運(yùn)營，但牟平區(qū)匯集于魚鳥河的污水和逛蕩河部分污水仍直排人海（高昊質(zhì)除總磷、硝酸鹽氮、總氮不達(dá)標(biāo)外，其它指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計要求；二期工程于2008年4月投于運(yùn)營，但牟平區(qū)匯集于魚鳥河的污水和逛蕩河部分污水仍直排人海（高昊東等，2011），部分排污無法統(tǒng)計。陸源污染物入海量年際變化見表3。

表3 陸源輸入年際變化

2.4.2 養(yǎng)殖業(yè)污染

四十里灣扇貝養(yǎng)殖多為海灣扇貝、貽貝、櫛孔扇貝等，養(yǎng)殖方式主要為浮筏養(yǎng)殖。淺海養(yǎng)殖面積由1998年的1.8萬畝增至2005年的8.4萬畝，周毅等（2002）對四十里灣多種經(jīng)濟(jì)雙殼貝類和養(yǎng)殖中的污損動物的N、P排泄進(jìn)行了測定，在這些動物的N排泄中，籠式養(yǎng)殖的雙殼貝類NH4-N占總N排泄的平均值范圍為70.8%～80.1%；在P排泄中，有機(jī)磷（DOP）約占總?cè)芙饬祝═DP）排泄的l5%～27%。對面積為1.8×104畝的養(yǎng)殖區(qū)而言，貝類的N、P排泄分別能滿足浮游植物生產(chǎn)所需N、P的44%和40%；以2008年為例，貝類養(yǎng)殖及附著生物排泄總氮、總磷含量分別達(dá)到3 696 t/a、478 t/a，是陸源輸入的兩倍以上。由此可見，高密度的貝類養(yǎng)殖對海域營養(yǎng)物質(zhì)的貢獻(xiàn)是很顯著的。

3 結(jié)論

（1）2003-2010年海洋環(huán)境監(jiān)測航次調(diào)查的資料結(jié)果表明，8年來四十里灣海域營養(yǎng)鹽DIN、SiO3-Si呈逐漸上升的趨勢，PO4-P含量增加的趨勢不明顯。季節(jié)變化上，DIN含量在春季逐年增高的趨勢較為明顯，夏季DIN含量年際變動幅度較大，秋季DIN年際變化與春季類似，但含量明顯高與春季。春季PO4-P含量隨年際變化較小，維持在一個較低的水平；夏、秋季PO4-P年際波動較大，整體上高于春季。SiO3-Si在3個季節(jié)逐年上升的趨勢均較明顯，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季較低。在調(diào)查海區(qū)，夏季和秋季正處于豐水期，受降雨、陸源輸入的影響，營養(yǎng)鹽含量整體較高。

（2）調(diào)查海域Si∶N∶P的原子比8年來逐漸偏離了Redfield系數(shù)，呈不斷升高的趨勢；可以看出四十里灣海域正向P相對缺乏方向演變，且趨勢逐年加重。潛在性富營養(yǎng)化評價模式評價結(jié)果表明，2003-2006年，四十里灣調(diào)查海域處于貧營養(yǎng)（Ⅰ）水平；2007-2010年，處于磷限制中度營養(yǎng)（ⅣP）水平。調(diào)查海域從貧營養(yǎng)逐漸過渡到中度營養(yǎng)狀態(tài)，表現(xiàn)出潛在富營養(yǎng)化趨勢的年份均為磷限制。

（3）工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)及污水處理廠等陸源輸入給四十里灣帶來了大量的營養(yǎng)鹽；灣內(nèi)養(yǎng)殖的多種經(jīng)濟(jì)雙殼貝類和養(yǎng)殖中的污損動物的排泄及其殘留物對海域營養(yǎng)物質(zhì)有著非常顯著的貢獻(xiàn)。

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