海陵灣營養(yǎng)鹽分布特征及其富營養(yǎng)化評價

唐俊逸，秦民，劉晉濤，王震，黨二莎，余香英*

(1.廣東省環(huán)境科學研究院，廣東 廣州 510045；2.粵港澳環(huán)境質量協(xié)同創(chuàng)新聯合實驗室，廣東 廣州 510045；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；4.中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301；5.廣州南科海洋工程中心，廣東 廣州 510220)

引 言

營養(yǎng)鹽作為構成海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要化學物質，是海洋中浮游植物生長繁殖不可缺少的必需元素，其分布、濃度與浮游植物生長繁殖過程緊密相關，也是海水富營養(yǎng)化的重要指標[1]。海灣既是各類海洋生物繁衍生息的重要生態(tài)空間，也是人為開發(fā)活動的主要承載體，由于受到地表徑流、工業(yè)廢水、生活污水和海水養(yǎng)殖等人類活動的影響，其環(huán)境污染問題日益嚴峻，其中海水富營養(yǎng)化已經成為一個重要的環(huán)境問題，引起了人們的廣泛關注。

海陵灣位于粵西海岸中段，屬于大型山地溺谷灣，由豐頭河溺谷、海陵北側和西側水域組成，灣口在海陵島西南馬尾洲仔與陽西縣散頭咀之間，自然環(huán)境復雜，海岸曲折多變，灣內潮間灘地和潮下淺灘廣闊分布。近年來國內學者對海陵灣的研究和報道主要集中在水質綜合分析[2-3]、沉積物重金屬污染[4-5]和浮游動物群落結構[6-7]等方面，對營養(yǎng)鹽的分布特征及富營養(yǎng)化的研究十分有限。

伴隨著陽江市經濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的推進，人類活動對海灣生態(tài)環(huán)境的影響日益加劇，富含氮、磷營養(yǎng)鹽的污水排放，給海陵灣生態(tài)環(huán)境帶來了相當的壓力[8]。因此，本文利用2017年11月和2018年4月對海陵灣開展的生態(tài)環(huán)境調查數據，分析了海陵灣春、秋兩季無機氮和活性磷酸鹽的空間分布，并對其污染狀況、結構特征、富營養(yǎng)化狀況和環(huán)境影響因子進行了探討，以期為海陵灣打造“水清灘凈、岸綠灣美、魚鷗翔集、人海和諧”的“美麗海灣”提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測試

根據隨機均勻、重點代表的站位布設原則，在海陵灣海域共布設30個調查站位(圖1)，調查站位基本均勻分布整個海陵灣。調查時間為2017年11月(秋季)和2018年4月(春季)，調查項目主要包括鹽度(S)、pH、溶解氧(DO)、懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、活性磷酸鹽(DIP)等。無機氮(DIN)=NH4-N+NO2-N+NO3-N。

圖1 海陵灣海水調查站位

采集距離水面約0.5 m表層水樣，采用電導鹽度計法測定S、pH計法測定pH、碘量法測定DO、重量法測定SS、堿性高錳酸鉀法測定COD、次溴酸鈉氧化法測定NH4-N、鹽酸萘乙二胺分光光度法測定NO2-N、銅鎘還原法測定NO3-N、磷鉬藍分光光度法測定DIP。樣品的現場采集、貯存、測定和分析等過程均嚴格按照《海洋調查規(guī)范》(GB/T 12763—2007)、《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)執(zhí)行。

1.2 評價方法

1.2.1 單因子指數法

采用單因子指數法(single factor pollution index)評價營養(yǎng)鹽污染狀況。其計算公式為：

(1)

式中，Pi為污染物i的單因子指數；Ci為污染物i的實測濃度，mg/L；Si為污染物i的環(huán)境質量標準值，mg/L。Pi>1即水體已受到污染，Pi≤1水體未受到污染，水體受污染程度隨Pi的增大而加重。根據《海水質量狀況評價技術規(guī)程(試行)》[9]對海域綜合質量等級的劃分，本文以《海水水質標準》(GB 3097—1997)中第二類海水水質標準作為環(huán)境質量標準值進行評價。

1.2.2 富營養(yǎng)化指數法

采用富營養(yǎng)化指數法(Eutrophication index，EI)[10]評價富營養(yǎng)化狀況。其計算公式為：

(2)

式中，EI為富營養(yǎng)化指數；COD為海水中化學需氧量濃度，mg/L；DIP為活性磷酸鹽濃度，mg/L；DIN為無機氮濃度，mg/L。當EI≥1時，該海域即為富營養(yǎng)化，其中，1≤EI≤3為輕度富營養(yǎng)化，39為重度富營養(yǎng)化。

1.3 統(tǒng)計分析方法

利用地理信息系統(tǒng)Arcgis 10.2繪制調查站位、營養(yǎng)鹽濃度空間分布和富營養(yǎng)化指數空間分布圖，利用WPS和Origin 9.0進行數據處理和圖表制作，并通過SPSS 19.0進行營養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關性分析。

2 結果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽濃度及分布特征

2.1.1 無機氮分布特征

海陵灣秋季DIN的濃度相對較高，均值為(0.43±0.13)mg/L，濃度范圍在0.28～0.84 mg/L之間。從空間分布上看(圖2a)，整體上呈現出灣頂高、灣口低的空間分布趨勢，相對高值區(qū)出現在灣頂西北部的豐頭河河口區(qū)域，相對低值區(qū)出現在灣口面前海至海陵島西南部鄰近海域。春季DIN的濃度較低，均值為(0.19±0.07)mg/L，濃度范圍在0.06～0.29 mg/L之間。從空間分布上(圖2b)看，春季濃度空間分布更趨向平均，梯度變化不大，相對高值區(qū)出現在海灣中部豐頭島至海陵島北部和西北部鄰近海域，相對低值區(qū)出現在灣頂北部墩溪河河口至北河河口一帶。

圖2 海陵灣無機氮空間分布

秋季整個海灣NO2-N、NO3-N和NH4-N平均值所占的百分比分別為10.70%、64.54%和24.76%，春季分別為9.55%、59.02%和31.43%，由此可見，NO3-N是海陵灣DIN的主要存在形式，NO2-N和NH4-N的占比相對較低，可認為NO2-N、NO3-N和NH4-N的相互轉化過程已達到熱力學平衡[11-13]，海水環(huán)境氧化能力較強，海灣具有較好的自凈能力[14]。

2.1.2 活性磷酸鹽分布特征

海陵灣秋季DIP的濃度相對較高，均值為(0.030±0.010)mg/L，濃度范圍在0.013～0.044 mg/L之間。從空間分布上看(圖3a)，整體上呈現出灣頂高、灣口低的空間分布趨勢，相對高值區(qū)出現在灣頂東北部墩溪河河口至九姜河河口、海灣中部陽江港以及那達河河口等區(qū)域，相對低值區(qū)出現在灣口面前海鄰近海域。春季DIP的濃度較低，均值為(0.018±0.008)mg/L，濃度范圍在0.009～0.033 mg/L之間。從空間分布上(圖3b)看，整體上呈現出海灣中部高、灣頂和灣口較低的空間分布趨勢，相對高值區(qū)出現在豐頭島鄰近海域和那達河河口區(qū)域，相對低值區(qū)出現在灣頂豐頭河口至墩溪河河口一帶、灣口面前海至海陵島西南部鄰近海域。

圖3 海陵灣活性磷酸鹽空間分布

2.1.3 營養(yǎng)鹽在鹽度梯度上的分布特征

海陵灣春季鹽度相對較高，均值為(30.68±0.84)，變化范圍在27.55～31.46之間；秋季相對較低，均值為(27.80±3.77)，變化范圍在15.24～30.86之間，這可能是與降雨量有關。海陵灣降雨量具有非常明顯的季節(jié)變化，每年4—10月為雨季，累年月平均降水量在150.4 mm以上，11月到翌年3月為旱季，各月平均降水量只有19.5～62.4 mm[15]。在整個雨季河流沖淡水的影響下，秋季海灣海水鹽度均值相對較低，梯度變化較為明顯，而春季由于海灣受降雨量的影響程度尚處于較小的階段，鹽度均值相對較高。由營養(yǎng)鹽在鹽度梯度上的分布(圖4)可知，DIN在春季和秋季與鹽度梯度的負相關關系均較為明顯，說明海陵灣的DIN可能更多來源于陸源輸入。秋季DIP在鹽度低于26時與之呈正相關關系，在鹽度高于26時，與之呈負相關關系，說明海陵灣的DIP除陸源輸入外，還可能受到其他因素的影響，而在春季其與鹽度的關系并不明顯。結合DIP的濃度分布來看，DIP的高濃度區(qū)附近均存在大量的筏式、網箱和池塘養(yǎng)殖，推測DIP可能還受到海水養(yǎng)殖活動的影響。

圖4 海陵灣營養(yǎng)鹽在鹽度梯度上的分布

2.2 營養(yǎng)鹽污染狀況評價

由DIN和DIP的污染狀況評價結果(圖5)可知，海陵灣秋季DIN的單因子指數均值為(1.42±0.44)，指數范圍在0.94～2.80之間，有76.67%的調查站位超過第二類海水水質標準(0.3 mg/L)；春季DIN的單因子指數均值為(0.64±0.23)，指數范圍在0.21～0.96之間，所有調查站位均符合第二類海水水質標準。海陵灣秋季DIP的單因子指數均值為(1.00±0.35)，指數范圍在0.43～1.47之間，有46.67%的調查站位超過第二類海水水質標準(0.03 mg/L)；春季DIP的單因子指數均值為(0.60±0.25)，指數范圍在0.30～1.10之間，有10.00%的調查站位超過第二類海水水質標準。

圖5 海陵灣無機氮和活性磷酸鹽單因子指數

整體來說，海陵灣秋季DIN和DIP存在較多調查站位超過第二類海水水質標準，相對集中分布在溪頭漁港與北汀灣連線以北海域，表明該些區(qū)域秋季均受到一定的營養(yǎng)鹽污染。春季僅在豐頭島鄰近海域DIP出現超過第二類海水水質標準的情況，且污染程度遠小于秋季。豐頭河為海陵灣最大的入海河流，流域面積為870 km2，河長為61.6 km，根據2021年1～6月對豐頭河大泉斷面的水質監(jiān)測結果(數據來源于廣東省生態(tài)環(huán)境廳公眾網，http://www.gdee.gd.gov.cn/)，其綜合水質類別為地表水II—III類，NH4-N、總氮(TN)和總磷(TP)濃度分別在0.31～0.68、1.84～2.24、0.062～0.170 mg/L之間，可見豐頭河等河流的陸源沖淡水是影響海灣營養(yǎng)鹽污染狀況的主要原因，這與丘耀文等[3]的研究成果相一致。

2.3 富營養(yǎng)化狀況評價

由富營養(yǎng)化評價結果(表1)可知，海陵灣秋季富營養(yǎng)化指數均值為(2.41±1.90)，范圍在0.45～8.60之間，EI≥1的調查站位約占整個海陵灣的73.33%；春季富營養(yǎng)化指數均值為(0.55±0.41)，范圍在0.14～1.56之間，EI≥1的調查站位約占23.33%。整體來說，海陵灣富營養(yǎng)化的程度屬于相對較低的水平，但局部海域富營養(yǎng)化問題較為突出，且秋季的富營養(yǎng)化程度明顯高于春季。

表1 海陵灣富營養(yǎng)化評價

進一步從空間分布上看(圖6)，海陵灣出現富營養(yǎng)化現象的區(qū)域基本與DIN和DIP的相對高濃度區(qū)域一致，秋季在溪頭漁港與北汀灣連線以北海域均出現富營養(yǎng)化現象，其中在豐頭河河口至九姜河河口一帶出現中度富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化指數最高出現在位于灣頂西北部豐頭河河口區(qū)域的1號站位，為8.60，已臨近重度富營養(yǎng)化的判別界線，需引起一定的重視。春季僅在豐頭島鄰近海域和那達河河口區(qū)域出現富營養(yǎng)化現象，且富營養(yǎng)指數均小于3，表現為輕度富營養(yǎng)化。

圖6 海陵灣富營養(yǎng)化指數空間分布

2.4 營養(yǎng)鹽結構分析

Redfield等[16]研究指出16∶1是浮游植物吸收利用營養(yǎng)物質最適宜的N/P值，如若偏離這一比值，浮游植物的生長就會受到不足營養(yǎng)成分的限制[17]。郭衛(wèi)東等[18]根據海洋浮游植物對氮、磷營養(yǎng)鹽吸收的Redfield比值提出了潛在性富營養(yǎng)化的概念，并對營養(yǎng)鹽限制標準進行了新的分級：海水中N/P>30存在磷限制；N/P<8存在氮限制，8≤N/P≤30無限制。

由N/P分析結果(圖7)可知，海陵灣秋季N/P的均值為(33.5±9.1)，比值范圍在22.4～58.1之間；春季N/P的均值為(25.9±11.3)，比值范圍在8.1～54.3之間。整體來說，海陵灣春、秋兩季均出現局部DIN相對過剩而DIP不足，表現為局部磷限制，這與李婷等[1]、丘耀文等[2]的研究成果一致，也基本符合近年來中國近海河口水域的DIN濃度升高，初級生產力由氮限制轉向磷限制的一般趨勢[19-20]。

圖7 海陵灣N/P值分布

2.5 營養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的關系

由營養(yǎng)鹽與環(huán)境因子之間的相關性分析(表2)可知，DIN和DIP與S存在顯著負相關(p<0.01)，表明海陵灣表層海水中的DIN和DIP主要來源于陸源營養(yǎng)鹽的輸入[21-22]，結合對營養(yǎng)鹽污染狀況的評價結果，DIN和DIP可能更多由豐頭河等河流的陸源沖淡水所控制。同時DIN、DIP與COD之間呈顯著正相關(p<0.05)，說明COD可能與DIN、DIP具有一定的相同來源特征。

表2 營養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關性分析

DIN與DO呈現顯著正相關(p<0.01)，但與表觀耗氧量無明顯相關性，這說明浮游植物的光合作用和呼吸作用雖然會吸收營養(yǎng)鹽產生氧氣，但這并不是海陵灣DIN和DO呈現正相關的主要原因，更可能是由于兩者均與S呈現負相關所造成的。

DIN、DIP和DO均與SS呈顯著負相關(p<0.01)，海水中的SS濃度增加導致透明度下降，光照強度也隨之減弱[24]，使得浮游植物光合產量減少，DO濃度降低，表觀耗氧量與SS的顯著正相關(p<0.01)也說明了這一推論；同時懸浮顆粒物質對DIN和DIP也存在吸附的作用，導致其濃度下降。

整體來說，海陵灣營養(yǎng)鹽的時空分布受到眾多環(huán)境因子的影響，主要包括3個方面：一是豐頭河等入海河流的陸源沖淡水對營養(yǎng)鹽的輸入，二是浮游植物的光合作用對營養(yǎng)鹽的吸收，三是懸浮顆粒物質對營養(yǎng)鹽的吸附。

3 結論

(1)海陵灣春、秋兩季DIN的均值分別為(0.19±0.07)、(0.43±0.13)mg/L；DIP的均值分別為(0.018±0.008)、(0.030±0.010)mg/L。秋季營養(yǎng)鹽的分布呈灣頂高、灣口低的空間分布趨勢，在溪頭漁港與北汀灣連線以北海域存在一定的營養(yǎng)鹽污染，DIN和DIP均超過第二類海水水質標準。春季營養(yǎng)鹽的分布呈海灣中部高、灣頂和灣口較低的空間分布趨勢，DIN均滿足第二類海水水質標準，僅在豐頭島鄰近海域出現DIP污染，且區(qū)域受污染程度較低。

(2)海陵灣春、秋兩季富營養(yǎng)化均值分別為(0.55±0.41)、(2.41±1.90)，富營養(yǎng)化程度屬于相對較低的水平，但局部海域富營養(yǎng)化問題較為突出，且秋季的富營養(yǎng)化程度明顯高于春季，秋季在豐頭河河口至九姜河河口一帶出現中度富營養(yǎng)化，春季僅在豐頭島鄰近海域和那達河河口區(qū)域出現輕度富營養(yǎng)化。

(3)海陵灣春、秋兩季N/P比值范圍分別為8.1～54.3、22.4～58.1，局部海域出現DIN相對過剩而DIP不足，表現為局部磷限制。營養(yǎng)鹽與眾多環(huán)境因子之間均呈現出顯著相關性，DIN和DIP具有一定的相同來源，其時空分布主要受到多種因素的綜合影響。