舟甬航道附近潮間帶沉積物中總磷、總氮、總有機碳的分布特征

秦鶴，徐煥志，許康,王冠良，陳鵬宇

（1.浙江海洋大學海洋與科學技術學院，國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心，浙江舟山316022；2.杭州天量檢測技術有限公司，浙江杭州311202；3.浙江環(huán)信環(huán)境自動檢測有限公司，浙江杭州310000）

舟甬航道附近潮間帶沉積物中總磷、總氮、總有機碳的分布特征

秦鶴1，徐煥志1，許康1,王冠良2，陳鵬宇3

（1.浙江海洋大學海洋與科學技術學院，國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心，浙江舟山316022；2.杭州天量檢測技術有限公司，浙江杭州311202；3.浙江環(huán)信環(huán)境自動檢測有限公司，浙江杭州310000）

對寧波、舟山附近海域潮間帶沉積物中的總磷、總氮和總有機碳的含量及分布特征進行研究。結(jié)果表明，研究海域總磷濃度范為0.28～0.36 mg/g,平均值為0.32mg/g，總氮濃度范圍為0.54～1.53 mg/g,平均值為0.95 mg/g，總有機碳濃度范圍為2.33～13.29 mg/g，平均值為6.05 mg/g。相關性分析結(jié)果說明，總磷、總氮和總有機碳間有較好的相關性。根據(jù)Redfield比值顯示研究區(qū)域沉積物中有機質(zhì)的來源以海源為主，也受人類活動帶來的陸源污染影響。評價結(jié)果顯示沉積物中的磷，碳處于清潔狀態(tài)，而氮具有一定的生態(tài)風險。

沉積物；總磷；總氮；總有機碳

磷、氮作為水體富營養(yǎng)化的限制性元素，是水生生物生長的必需元素，而沉積物是海域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，近海沉積物通過積累、貯存接納了水環(huán)境中大量的營養(yǎng)物質(zhì)，同時在某些環(huán)境因子改變的條件下如水動力條件改變，水體化學過程和地殼運動等，沉積物也會通過吸附-解吸等作用向水體中釋放氮磷等物質(zhì)，為浮游生物的生長提供必要的營養(yǎng)，但是過量的氮磷物質(zhì)的存在也會對水體環(huán)境造成危害，影響水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，如水體的富營養(yǎng)化[2-3]帶來的赤潮現(xiàn)象嚴重影響到海域生態(tài)系統(tǒng)的健康，給經(jīng)濟帶來嚴重的損失。

浙江東北部的寧波、舟山群島區(qū)域位于我國東南沿海，杭州灣外緣的東海洋面上，是長江三角洲重要的組成部分，區(qū)域內(nèi)人口密集，經(jīng)濟實力強大，海上交通運輸業(yè)極為發(fā)達，海運和水運的發(fā)達使得海洋污染問題也在不斷增加[4-5]；寧波、舟山群島附近海域作為我國陸源污染的主要聚集地，陸源污染物排放量大，且東海近海海域潮間帶水深較淺，在近岸海域由于沿岸流、東海黑潮等波浪、潮流的共同作用下，水動力條件十分復雜，上覆水體波動劇烈，對海岸泥沙運動和污染物輸移擴散產(chǎn)生復雜的影響[6-7]，其中過量的生源要素（碳、氮、磷）在近海積累沉積將導致富營養(yǎng)化、赤潮[8]等一系列問題[9]，嚴重影響當?shù)亟?jīng)濟的健康發(fā)展。

本研究采用了潮間帶沉積物作為研究對象，通過對舟甬航道附近海域沉積物總氮、總磷和總有機碳的測定及分析，較直觀的研究采樣區(qū)域沉積物中總氮、總磷和總有機碳的分布特征及來源，并對污染情況進行評價為降低水體二次污染、控制水體富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)狀況的改善提供理論依據(jù)[10]。

1 材料與方法

1.1 采樣時間及采樣時間

根據(jù)海岸線分布與人類活動狀況于2015年1月布設了19個采樣點，分別為寧波C1：金塘浦口港口；C2：小泥灣；C3：瀝港；C4：船廠；C5：大件碼頭；C6：北侖；C7：白峰碼頭；C8：南海村；舟山本島依次為C9：江口浦；C10：畈潮村；C11：老塘碼頭；C12：馬北漁業(yè)村；C13：三江碼頭；C14：小展；C15：臨城；C16：平陽浦；C17：墩頭碼頭；C18：半升洞碼頭；C19：塘頭。地圖分布如圖1所示。

圖1 采樣點分布Fig.1Sampling points of sediment in study area

1.2 采樣與測定方法

在采樣點附近選取4～5個采集點，采集其表層沉積物（l～20 cm），混合均勻，裝入潔凈的玻璃瓶，當天運回實驗室。在實驗室用4分法選取待測樣品。在烘箱45℃溫度下干燥，粉碎研磨，過80目篩后，置于玻璃瓶中密封保存，備用。

總氮測定按照堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法（GB11894-89）測定，總磷按照鉬酸銨-分光光度法（GB11893-89）進行，總有機碳按照重鉻酸鉀氧化-分光光度法[11]測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域各采樣點的TP、TN和TOC分布特征

舟甬航道附近潮間帶沉積物的總磷的濃度分布范圍和平均值分別為0.28～0.36 mg/g和0.32 mg/g，總氮的濃度分布范圍和平均值分別為0.54～1.53 mg/g和0.947 5 mg/g，總磷、總氮的高值區(qū)多位于港口、碼頭地區(qū)（圖2），其中研究區(qū)域總磷的含量接近黃海、南黃海和山東南部海域，而高值低于渤海、東海和珠江口，但總氮的濃度高值均高于渤海、黃海和東海（表1）。

圖2 研究區(qū)各采樣點的TP、TN和TOC含量Fig.2Concentrations of TP,TN and TOC in sampling points in study area(mg/g)

總有機碳的濃度范圍為2.33～13.29 mg/g，平均值為6.05 mg/g，低于海洋沉積物質(zhì)量標準[12]規(guī)定的一類沉積物中總有機碳含量上限，高值采樣點也多是碼頭港口地區(qū)，總有機碳濃度高值高于東海海域含量，但低于渤海、黃海和珠江口海域總有機碳含量（表1）。

表1 各海域總磷、總氮和總有機碳的含量比較Tab.1Concentrations of TP,TN and TOC in sediment from different areas

將采樣點按采樣點周圍環(huán)境可以分類為港口碼頭（分別為采樣點C1（河流），C3，C5，C6，C7，C11，C13，C17（河流），C18）；人口較少地（C2，C8，C10，C12（河流），C14，C19），人口聚集地（C4（河流），C9（河流），C15（河流），C16（河流））（注：（河流）表示此采樣點為河流入海口）。

根據(jù)SPSS單因素方差分析結(jié)果顯示，碼頭港口，人口聚集地，人口稀少地的總磷、總氮和總有機碳含量差異顯著（P＜0.05），呈現(xiàn)遞減的趨勢。在港口碼頭附近往往伴隨大量人口流動與聚集，且高于一般的人口聚集地，碼頭和港口往往也是餐飲住宿較集中區(qū)域，同時在碼頭和港口附近可能存在大量廠區(qū)，生產(chǎn)生活導致的人為污染排放較多，外源輸入帶來大量的氮、磷元素導致使得碼頭的總磷、總氮含量偏高。人口聚集地人為活動多，且研究區(qū)域年際降水和地表徑流量都較大，其中磷元素在土壤中容易固定，容易隨著降水和地表徑流進行水平遷移[23]，河流作為陸源氮磷化合物的主要載體，將大量營養(yǎng)物質(zhì)從陸地帶入海洋在近海海域不斷沉積，也會導致沿海沉積物中磷的含量增加，通過對總磷、總氮和總有機碳含量分析表明，人類的活動對沿海沉積物中總磷、總氮和總有機碳的含量影響較大。

2.2 總磷、總氮和總有機碳的物源貢獻估算

當沉積物中磷、氮和碳之間有較強的相關關系時，說明沉積物中的磷、氮和碳具有相同的來源[24]。通過對研究區(qū)域沉積物中的總磷、總氮和總有機碳做相關分析，分析結(jié)果如圖3所示。

由表3數(shù)據(jù)顯示，總有機碳與總氮，總氮與總磷及總有機碳與總磷分別為顯著性（雙側(cè)）=0.000，都小于0.01，說明總有機碳與總氮，總氮與總磷及總有機碳與總磷分別具有顯著性，因此這三組相關性探究是具有統(tǒng)計學意義的。三者的相關性系數(shù)分別為r（TOC/TN）=0.883，r（TN/TP）=0.753，r（TOC/TP）=0.749。當r> 0.8為強相關，0.5

圖3 沉積物中總磷、總氮和總有機碳的相關性關系Fig.3Correlations between TP,TN and TOC in sediment

在海洋沉積物研究中，沉積物有機質(zhì)主要是通過水環(huán)境中動植物和浮游生物殘體被分解分解沉積和地表徑流帶來的陸源碎屑沉積兩種方式輸入[25]，其中碳，氮，磷之間的比值大小是通常用來判斷有機質(zhì)來源的重要方法之一，已經(jīng)越來越多的被研究和應用以獲取沉積物物質(zhì)來源信息[26]。不同的有機質(zhì)類型對應著不同得到C/N、C/P比值，Redfield研究得出近乎恒定的C/N/ P=106：16：1，浮游生物的碳、氮比值約為6.6，也稱為Redfield比，但陸源有機物的碳氮比一般較高[27]。MILLIMAN等[28]的研究將海洋沉積物中C/N<8劃為海源有機物，將海洋沉積物中C/N>12的劃為陸源有機物，比值處于8～12之間表示受到兩種物源的影響。通過數(shù)據(jù)計算舟甬航道附近海域內(nèi)19個冬季采樣點的總有機碳，總氮，總磷之間的比值，如圖3所示。本文研究海域沉積物的總有機碳、總氮的比值（TOC/TN）分布范圍為3.6～8.98，多數(shù)采樣點的碳氮比值小于8，這說明研究區(qū)域內(nèi)多數(shù)地區(qū)沉積物中的有機碳和總氮可能以海洋自生的為主，部分采樣點如大件碼頭等地區(qū)的TOC/TN的值大于Redfield比值8，說明除了考慮到海洋自產(chǎn)的有機物及有機氮的降解速率大于有機碳外，其中部分有機物質(zhì)來自陸源，這種情況可能與碼頭地區(qū)頻繁的人類活動有關；研究區(qū)域總氮/總磷（TN/TP）為9.976 2，遠小于Redfield比，這可能是由于在沉積物水界面及其附近，氮循環(huán)強烈，有機質(zhì)中的氮在微生物的作用下發(fā)生礦化分解形成溶解態(tài)的氮擴散到水體中[29]以及脫氮作用導致沉積物中氮元素由于厭氧作用產(chǎn)生部分N2和N2O從而使氮含量下降。TOC/TP的值為91.642 0，比Redfield的比值小，可能與沉積物中總有機碳的速率大于總磷的降解速率有關[30]。

2.3 潮間帶沉積物中磷、氮、污染評價

采用指定沉積物中總磷、總氮和總有機碳含量的評價標準[31]、單一因子的標準指數(shù)法進行評價，單一污染因子i的一般標準指數(shù)關系式如下：

式中：Si為單項評價指數(shù)或者標準指數(shù)，Si大于1表示含量超過了評價標準值；Ci為評價因子i的實際測得值；Cs為評價因子的評價標準值。

根據(jù)加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的沉積物質(zhì)量評價指南，潮間帶沉積物中具有最低級別的生態(tài)效應的總磷、總氮和總有機碳的含量分別為600 mg/kg、550 mg/kg和10 000 mg/kg，潮間帶沉積物中具有嚴重級別的生態(tài)效應的總磷、總氮的含量分別為2 000 mg/kg、4 800 mg/kg和100 000 mg/kg[32-33]，本文所測總磷、總氮數(shù)據(jù)均小于2 000 mg/kg、4 800 mg/kg、100 000 mg/kg，故在分析數(shù)據(jù)時采用的總磷、總氮的評價標準為600 mg/kg、550 mg/kg和10 000 mg/kg，19個采樣點的總磷、總氮和總有機碳的標準指數(shù)列于表2。

表2 舟甬航道附近潮間帶沉積物總磷、總氮和總有機碳標準指數(shù)Tab.2Standard indexes of TP,TN and TOC in intertidal sediments in study area

由表2可見，舟甬航道附近海域潮間帶沉積物中總磷標準指數(shù)都小于1，說明沉積物中的磷濃度不足以帶來生態(tài)風險效應；而沉積物中總有機碳的標準指數(shù)均值低于1，只有大件碼頭地區(qū)標準指數(shù)大于1，說明只有大件碼頭地區(qū)碳濃度處于輕微污染，其他研究區(qū)域的碳濃度不足以帶來生態(tài)風險效應，但研究區(qū)域總氮的標準指數(shù)基本都大于1，說明沉積物中的氮具有一定得生態(tài)風險效應，其中個別采樣點的標準指數(shù)大于2，如瀝港、大件碼頭、北侖碼頭、江口浦、墩頭碼頭地區(qū)氮污染已處于中等污染水平，會對環(huán)境帶來較大的危害，需加強對舟甬航道附近海域環(huán)境的監(jiān)測。

3 結(jié)論

通過對舟甬航道附近海域沉積物19個區(qū)域的沉積物樣品中總磷、總氮和總有機碳的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域沉積物相比其他海域的中的總磷、總氮和總有機碳的含量較高，且高值區(qū)域集中在港口碼頭，人為活動較頻繁的地區(qū)；相關性分析及來源分析發(fā)現(xiàn)，沉積物中的總磷、總氮和總有機碳主要來源于海洋自身，部分來源于陸源污染；同時，潮間帶沉積物中總磷的含量沒有超標，且標準指數(shù)都小于1，總有機碳的含量總體也低于海洋沉積物質(zhì)量保證規(guī)定的一類沉積物中總有機碳含量上限，但個別地區(qū)的總有機碳濃度處于輕微污染。各個采樣點的總氮含量基本超標，標準指數(shù)變化范圍為0.98～2.70，舟甬航道附件海域潮間帶沉積物環(huán)境質(zhì)量氮污染較嚴重，碼頭港口等地區(qū)已基本處于中等污染水平，需加強對區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測及污染區(qū)域的治理。

[1]黃蓉.浙江沿海赤潮狀況及防治對策[J].環(huán)境監(jiān)測管理及技術,2001,13(5):29-31.

[2]秦伯強.長江中下游淺水湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機制與控制途徑初探[J].湖泊科學,2002,14(3):193-194．

[3]秦伯強,朱廣偉.長江中下游地區(qū)湖泊水和沉積物中營養(yǎng)鹽的賦存、循環(huán)及其交換特征[J].中國科學:D輯,2005,35(S2): 1-10.

[4]李娟英,崔昱,肖利,等.舟山海域和杭州灣北岸水體及生物體內(nèi)的重金屬污染分析與評價[J].海洋通報,2013,32(4): 440-445.

[5]李磊,夏培艷,唐峰華,等.舟山附近海域富營養(yǎng)化的時空分布及其與環(huán)境因子的關系[J].生態(tài)學雜志,2011,30(4):771-777.

[6]張慶杰.沿岸流不穩(wěn)定運動對物質(zhì)輸移的影響[D].大連:大連理工大學,2008.

[7]樓琇林.浙江沿岸上升流遙感觀測及其與赤潮災害關系研究[D].青島:中國海洋大學,2010.

[8]余杰,戴曙光,王涓,等.浙江舟山島近岸海水富營養(yǎng)化水平分析[J].廣東化工,2011,38(9):106-107.

[9]劉雪芹.舟山近岸海域富營養(yǎng)化評價[J].海洋湖沼通報,2005(2):55-60.

[10]彭近新,陳慧君.水質(zhì)富營養(yǎng)化與防治[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,1988.

[11]白亞之,劉季花,張輝,等.海洋沉積物有機碳和總氮分析方法[J].海洋環(huán)境科學,2013,32(3):444-448.

[12]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 18668-2002海洋沉積物質(zhì)量[S].北京:中國標準出版社,2002.

[13]李玲偉,劉素美,周召千,等.渤海中南部沉積物中生源要素的分布特征[J].海洋科學,2010,34(11):59-68.

[14]陳彬,胡利民,鄧聲貴,等.渤海灣表層沉積物中有機碳的分布與物源貢獻估算[J].海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì),2011(5): 37-42.

[15]叢敏.黃海和東海沉積物中氮、磷的形態(tài)及分布特征研究[D].廣州:暨南大學,2013.

[16]宋金明,李學剛,邵君波.南黃海沉積物中氮,磷的生物地球化學行為[J].海洋與湖沼,2005,37(4):370-376.

[17]宋金明,李學剛,邵君波,等.南黃海沉積物中氮、磷的生物地球化學行為[J].海洋與湖沼,2006,38(4):370-376.

[18]王麗莎,石曉勇,張傳松.東海赤潮高發(fā)區(qū)沉積物中有機碳、有機氮的分布及其來源[J].海洋環(huán)境科學,2010,29(2):165-169.

[19]鮑根德.杭州灣及其鄰近陸架區(qū)沉積物中有機碳、氮、磷和硅的地球化學[J].臺灣海峽,1988(4):56-65.

[20]呂桂才,張哲,王江濤,等.山東南部近海沉積物中碳、氮、磷的分布特征[J].海洋科學,2010,34(9):1-4.

[21]張凌,陳繁榮,殷克東,等.珠江口及近海表層沉積有機質(zhì)的特征和來源[J].熱帶海洋學報,2010,29(1):98-103.

[22]岳維忠,黃小平,孫翠慈.珠江口表層沉積物中氮、磷的形態(tài)分布特征及污染評價[J].海洋與湖沼,2007,38(2):111-117.

[23]NASH D M，HALLIWELL D J.Tracing phosphorus transferred from grazing land to water[J].Water Research,2000,34(7):1 975-1 985.

[24]馮峰,王輝,方濤,等.東湖沉積物微生物量與碳、氮、磷相關性[J].中國環(huán)境科學,2006,26(3):342-345.

[25]朱廣偉,陳英旭.沉積物中有機質(zhì)的環(huán)境行為研究進展[J].湖泊科學,2001,13(3):272-279.

[26]吳丹丹.長江口沉積物碳氮元素地球化學特征及有機質(zhì)來源分析[D].南京:南京大學,2012.

[27]王保棟,陳愛萍,劉峰.海洋中Redfield比值的研究[J].海洋科學進展,2003,21(2):232-235.

[28]MILLIMAN J D,XIE Q C,YANG Z S.Transfer of particulate organic carbon and nitrogen from the Yangtze River to the ocean[J].American J Sci,1984,284(7):824-834.

[29]吳豐昌,萬國江,黃榮貴.湖泊沉積物-水界面營養(yǎng)元素的生物地球化學作用和環(huán)境效應Ⅰ界面氮循環(huán)及其環(huán)境效應[J].礦物學報,1996,16(4):403-409.

[30]KRISTENSEN E,BLACKBURN T H.The fate of organic carbon and nitrogen in experimental marine sediment systems: influence of bioturbation and anoxia[J].J Mar Rew,1987,45:231-257.

[31]李任偉.沉積物污染和環(huán)境沉積學[J].地球科學進展,1998,13(4):398-402.

[32]LEIVUORI M,NIEMIST?L.Sedimentation of trace metals in the Gulf of Bothnia[J].Chemosphere,1995,31(8):3 839-3 856.

[33]ANTUNES M,ANTUNES M T,FEMANDES A N,et al.Nutrient contents in bottom sediment samples from a southern Brazilian microbasin[J].Environ Earth Sci,2013,69(3):959-968.

The Distribution Characteristics of TP,TN and TOC in the Sediment of Intertidal Zone Near Waterways between Ningbo and Zhoushan

QIN He,XU Huan-zhi,XU Kang,et al
(1.Marine Science and Technology School of Zhejiang Ocean University,National Engineering Research Center For Marine Aquaculture,Zhoushan316022,China)

Total phosphorus(TP),total nitrogen(TN)and total organic carbon(TOC)contents in sediments from 19 tidal zones in the vicinity of Ningbo and Zhoushan were measured and analyzed.The results showed that the concentrations of TP,TN and TOC in sediment were 0.28-0.36 mg/g(average of 0.32 mg/g),0.54-1.53 mg/g(average of 0.95 mg/g),2.33-13.29 mg/g(average of 6.05 mg/g).The correlation analysis results showed that a good correlation among TP,TN and TOC.The ratio of parts of the study area of total organic carbon and total nitrogen is slightly higher than the ratio of Redfield,shows that the organic matters in sediment is not only influenced by marine plankton but also influenced by the human activities.Evaluation results showed thatthe TP and TOC majorly belonged to clean category.TN was at a moderate pollution level but not far from the category of heavy pollution．

sediment;total phosphorus;total nitrogen;total organic carbon

X825

A

1008－830X(2016)06－0498－06

2016-10-20

浙江省分析測試科技計劃項目（2015C37080）

秦鶴（1992-），女，安徽巢湖人，研究方向：設施漁業(yè)技術.E-mail:qh247067@163.com

徐煥志.E-mail:xhz1967@163.com