2013年膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)與限制研究

高磊，姚海燕，張蒙蒙，曹婧，張祎

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

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2013年膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)與限制研究

高磊1，2，姚海燕1，2，張蒙蒙1，2，曹婧1，2，張祎1，2

(1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

文章根據(jù)2013年3—10月期間在膠州灣開展的7個(gè)航次的綜合調(diào)查結(jié)果，研究營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化和限制變化。膠州灣海域無機(jī)氮的主要存在形態(tài)為銨鹽和硝酸鹽；近年來營養(yǎng)鹽由原先的硅限制逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱紫拗疲壮蔀槟z州灣的主要限制因子。

營養(yǎng)鹽；海水質(zhì)量；海洋環(huán)境；生態(tài)保護(hù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)

海洋中的營養(yǎng)鹽氮(N)、磷(P)、硅(Si)作為構(gòu)成海洋生命活動(dòng)的基本要素，是海洋生產(chǎn)力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)海洋生物的生長(zhǎng)繁殖和群落變化有著重要影響，其中任何一種要素都可能成為浮游植物生長(zhǎng)的限制性因素[1]。關(guān)于膠州灣海域的營養(yǎng)鹽限制問題已經(jīng)有很多學(xué)者作過研究[2-5]，這些研究主要針對(duì)2008年之前膠州灣營養(yǎng)鹽的變化情況。2008年奧運(yùn)會(huì)后，青島市實(shí)施“環(huán)灣保護(hù)、擁灣發(fā)展”的戰(zhàn)略規(guī)劃，近年來不斷加強(qiáng)膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)，頒布《青島市膠州灣保護(hù)控制線》，制定并出臺(tái)《關(guān)于膠州灣岸線治理保護(hù)三年行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案(2013—2015)》《2013—2015年環(huán)膠州灣流域污染綜合整治方案》和《青島市膠州灣保護(hù)條例》，強(qiáng)化環(huán)灣生態(tài)建設(shè)和保護(hù)，改善膠州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本文根據(jù)2013年7個(gè)航次的膠州灣海水營養(yǎng)鹽調(diào)查結(jié)果，對(duì)膠州灣營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)和限制進(jìn)行新的探討，為膠州灣生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)查與方法

分別于2013年3月、5月、6月、7月、8月、9月、10月在膠州灣開展10 個(gè)站位的綜合調(diào)查(圖1)。分析項(xiàng)目主要有溫度(T)、鹽度(S)、活性磷酸鹽(PO4-P)、銨鹽(NH4-N)、硝酸鹽(NO3-N)、硅酸鹽(SiO3-Si)亞硝酸鹽(NO2-N)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)和葉綠素a等，其中無機(jī)氮(DIN)含量由NH4-N、NO3-N和NO2-N等3種組成。水溫和鹽度在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其他項(xiàng)目采樣后立即運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，樣品采集和分析均按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378—2007)中的相關(guān)要求進(jìn)行。

圖1 調(diào)查海域和站位

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽的空間變化特征

通過對(duì)整個(gè)膠州灣的營養(yǎng)鹽進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出(數(shù)據(jù)未列出)，膠州灣營養(yǎng)鹽呈現(xiàn)從灣底向?yàn)晨谙陆档目臻g變化。為反映膠州灣海域營養(yǎng)鹽的空間變化特征，選用變異系數(shù)CV來表示其空間分布情況，計(jì)算公式[6]為：

圖2 營養(yǎng)鹽空間變異系數(shù)

2.2 營養(yǎng)鹽的時(shí)間變化特征

海水中的氮、磷主要受海域周邊工業(yè)污水和生活污水的排放、農(nóng)業(yè)施肥的徑流攜帶、海水養(yǎng)殖自身產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)以及浮游植物的生長(zhǎng)消耗等方面的影響[7]。硅主要受河流徑流輸入、浮游植物消耗和沉積物釋放等方面的影響[8]。

膠州灣海域營養(yǎng)鹽具有明顯的季節(jié)變化特征(圖3)。調(diào)查期間DIN季節(jié)變化較小，整體保持較高的濃度，其中 7月含量較低，表明DIN除受沿岸徑流影響外，還與浮游植物數(shù)量有很大關(guān)聯(lián)，6月、7 月隨著水溫升高、光照加強(qiáng)，浮游植物再次開始增長(zhǎng)[9]，消耗部分無機(jī)氮等營養(yǎng)鹽，因此夏季DIN含量出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

圖3 膠州灣營養(yǎng)鹽月平均變化

PO4-P和SiO3-Si的變化基本一致，出現(xiàn)明顯的雙峰變化序列，5月、9月含量較高，3月、10月含量較低。5月隨著雨季的到來，沿岸徑流攜帶的營養(yǎng)鹽使其濃度升高，而隨著夏季浮游植物的大量繁殖又消耗掉部分營養(yǎng)鹽；9月在養(yǎng)殖和降水輸入營養(yǎng)鹽的同時(shí)，浮游植物的光合作用減弱，降低浮游生物對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收，加上浮游植物死亡的再釋放使得灣內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度再次呈現(xiàn)高值。此外，變化較為劇烈說明受外源影響較大。

2.3 無機(jī)氮的結(jié)構(gòu)特征

海水中DIN包括NH4-N、NO2-N和NO3-N等3種形態(tài)，在海洋生物餌料循環(huán)中起著非常重要的作用，其中NH4-N被吸收后直接進(jìn)入浮游植物細(xì)胞內(nèi)的N代謝系統(tǒng)，NO3-N則在細(xì)胞內(nèi)先經(jīng)過硝酸還原酶還原為NH4-N再被利用，當(dāng)海水中高含量的NH4-N和NO3-N共同存在時(shí)，浮游植物對(duì)NO3-N的攝取受NH4-N控制[10]。調(diào)查期間，NH4-N和NO3-N是膠州灣海域DIN的主要存在形態(tài)。在氧充足情況下，當(dāng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)水體中的DIN應(yīng)以NO3-N為主要存在形態(tài)[11]，當(dāng)未達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)以NH4-N為主要存在形態(tài)，而NO2-N屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，含量通常較低；NH4-N可通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3-N，而且這種硝化反應(yīng)隨溫度的增加而加強(qiáng)[12]，同時(shí)又與水體含氧量有一定關(guān)系。

2.4 營養(yǎng)鹽絕對(duì)限制

根據(jù)Justic等[13]的相關(guān)研究，浮游植物生長(zhǎng)所需溶解無機(jī)氮、硅酸鹽和磷酸鹽的最低閾值分別為1.0 μmol/L、2.0 μmol/L、0.1 μmol/L。根據(jù)2013年7個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，膠州灣海域2013年3月和7月部分站位存在Si的絕對(duì)限制，5月、7月、8月和10月部分站位存在P的絕對(duì)限制。分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，1、2和10號(hào)站位出現(xiàn)絕對(duì)限制的概率較高，間接表明灣內(nèi)海水交換能力較弱，較高濃度的營養(yǎng)鹽不易輸運(yùn)到灣口，海水交換是影響膠州灣海域營養(yǎng)鹽分布的重要因素。

2.5 營養(yǎng)鹽相對(duì)限制

海水中Si、N、P適宜的比例有利于浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖，反之某種營養(yǎng)鹽的缺乏將限制其生長(zhǎng)和繁殖[14]。Justic等[13]考慮各種藻類對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收，提出相應(yīng)限制標(biāo)準(zhǔn)：若Si∶P>22和N∶P>22，則PO4-P為限制因素；若N∶P<10和Si∶N>1，則DIN為限制因素；若Si∶P<10和Si∶N

根據(jù)2013年7個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果，膠州灣內(nèi)海域N∶P基本高于22，各月均值變化范圍為34.4～162.3，其中10月最高、9月最低；除部分站位外，監(jiān)測(cè)區(qū)域Si∶P基本高于22，各月均值變化范圍為15.7～64.0，其中10月最高、3月最低；除部分站位外，監(jiān)測(cè)區(qū)域Si∶N基本小于1，各月均值變化范圍為0.11～0.72，其中9月最高、3月最低(圖4)。

圖4 膠州灣營養(yǎng)鹽比值月變化

分析結(jié)果顯示(表1)，膠州灣調(diào)查區(qū)域不存在DIN限制，存在P與Si的絕對(duì)限制和相對(duì)限制，其中P限制更加顯著。3月、7月和8月部分站位存在Si限制，說明在枯水期和浮游生物大量生長(zhǎng)期間，SiO3-Si得不到有效補(bǔ)充或被浮游植物大量消耗，這與歷史研究結(jié)果相一致[2-4]。

調(diào)查期間所有月份均存在P限制，表明P為膠州灣的主要限制因子，其次為Si。

膠州灣營養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)特征與我國很多近海區(qū)域是相似的。近年來我國沿海多處海域出現(xiàn)海水氮磷比升高、磷限制等現(xiàn)象，如遼東灣、渤海灣等[1，15]。本次調(diào)查結(jié)果顯示，P為膠州灣的主要限制因子，膠州灣水域P限制的可能性增大。P限制的出現(xiàn)，可能是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。根據(jù)青島統(tǒng)計(jì)年鑒(表2)，近10年來無論是化肥施用總量還是磷肥施用量都在降低，使農(nóng)業(yè)污水排放量降低。此外，不含磷洗滌劑的廣泛使用，使得磷污染入海量相應(yīng)有所減小。而膠州灣Si限制作用的減少可能與近年青島城市建設(shè)加快、混凝土用量增加有關(guān)[16]。

表1 膠州灣各站位營養(yǎng)鹽限制因子出現(xiàn)概率

表2 青島地區(qū)化肥施用量 萬t

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The Nutrient Structure and Limitation in Jiaozhou Bay，2013

GAO Lei1，2，YAO Haiyan1，2，ZHANG Mengmeng1，2，CAO Jing1，2，ZHANG Yi1，2

(1.North China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecology and Environment& Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033，China)

Temporal and spatial variation characteristics and structural changes of nutrients were studied in March，May，June，July，August，September and October 2013 in Jiaozhou Bay.It was found that：NH4-N and NO3-N were the main forms of inorganic nitrogen.PO4-P and SiO3-Si were both absolute and relative limitations，in which the PO4-P limitation was more serious.

Nutrient，Seawater quality，Marine environment，Ecological protection，Environmental monitoring

2016-03-30；

2016-08-15

2015年度北海分局海洋科技項(xiàng)目(2015B03)；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年度開放基金項(xiàng)目(201501).

高磊，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，電子信箱：gaolei@bhfj.gov.cn

姚海燕，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，電子信箱：yaohaiyan@bhfj.gov.cn

P76；X55

A

1005-9857(2016)10-0068-04