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汕尾近岸海域营养盐的时空分布及潜在富营养化评价

李发明 蔡一枝 赵晨辉 曹保玉 陆文平 刘凌峰

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汕尾近岸海域营养盐的时空分布及潜在富营养化评价

    作者简介: 李发明(1986-),男,湖北枣阳人,博士,主要研究方向为海洋环境监测,E-mail:811515382@qq.com;
  • 基金项目: 国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金项目(1725)
  • 中图分类号: P734;X132

Temporal-spatial distribution of nutrients and potential eutrophication assessment in Shanwei coastal area

  • 摘要: 本文根据2016-2018年红海湾汕尾近岸海域3个站位32个航次的高频监测数据,对该区域营养盐的时空分布特征、影响因素及营养盐限制状况进行分析讨论,并结合潜在富营养化评价模式对该区域的富营养化风险进行评估。结果表明,红海湾汕尾近岸海域DIN符合第二类、第三类海水水质标准,PO4-P符合第一类海水水质标准,基本满足海洋功能区划要求。营养盐的空间分布特征表现为距离汕尾市区越近营养盐浓度越高;年际变化表现为2016年各营养盐平均浓度高于2017年和2018年;季节变化规律复杂,不同年份不同营养盐均存在一定差异。相关性分析表明,营养盐的时空分布特征主要受降雨量、盐度、pH、叶绿素a、悬浮物等多种环境因子的影响。营养盐结构分析表明,红海湾汕尾近岸海域存在磷限制,尽管目前水体富营养化比例不高,但潜在富营养化风险较高,其中品清湖是高风险区,冬、春季是高发期。
  • 图 1  调查站位(LY5:品清湖;LY4:金町湾;LY6:马宫)

    Figure 1.  Sampling station (LY5: Pinqing lake, LY4: Jinting Bay, LY6: Magong town)

    图 2  2016-2018年各营养盐浓度的季节变化

    Figure 2.  Seasonal variations of nutrients during 2016-2018

    图 3  红海湾汕尾近岸海域2016-2018年营养盐的月际变化

    Figure 3.  Monthly variations of nutrients in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016-2018

    图 4  2016—2018年红海湾汕尾近岸海域的营养盐比值

    Figure 4.  Nutrients ratio in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016—2018

    表 1  红海湾汕尾近岸海域的营养盐浓度

    Table 1.  Concentrations of nutrients in Shanwei coastal area of Honghai bay

    营养盐LY6LY4LY5
    平均值/μg·L−1范围/μg·L−1平均值/μg·L−1范围/μg·L−1平均值/μg·L−1范围/μg·L−1
    NO3-N118±6240.6~285116±7246.8~331151±9167.1~351
    NH4-N119±2964.3~195131±3570.7~196142±5955.6~302
    NO2-N10.4±9.60.5~40.212.8±9.30.8~46.019.0±16.10.7~69.9
    DIN248±81116~462260±102123~511312±125142~578
    PO4-P11.8±11.61.4~49.814.1±12.61.4~47.620.5±15.71.8~56.6
    SiO3-Si366±136134~690376±152119~751498±251112~1190
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    表 2  红海湾汕尾近岸海域DIN各组分占比

    Table 2.  Proportion of DIN components in Shanwei coastal area of Honghai bay

    季节LY6LY4LY5
    NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)
    春季48.0±10.550.6±11.01.4±1.042.3±10.253.9±10.13.7±1.446.7±13.248.9±13.44.4±3.1
    夏季44.5± 7.452.0± 7.53.5±3.145.8± 8.351.0±9.43.2±2.047.4± 8.648.7± 7.73.9±3.0
    秋季40.5±10.554.8±11.34.8±4.137.8± 7.855.5±7.26.7±4.745.0±17.445.6±15.49.4±7.7
    冬季49.9±11.644.5±11.05.6±1.743.5±10.851.1±9.45.4±1.948.4±14.645.5±12.26.1±3.1
    平均值45.7±10.550.5±10.83.8±3.142.4±9.652.9±9.14.7±3.146.9±13.247.2±12.06.0±4.9
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    表 3  红海湾汕尾近岸海域营养盐与环境因子的相关性分析

    Table 3.  Correlation analysis between nutrient and environmental factors in Shanwei coastal area of Honghai bay

    营养盐降雨量温度盐度pHDOCOD油类叶绿素a悬浮物
    PO4-P−0.241**−0.580**−0.106−0.165*0.199*−0.106−0.0540.0950.185*
    NO2-N0.054−0.124−0.154−0.450**−0.172*−0.0400.0090.0770.097
    NO3-N0.255**−0.288**−0.204**−0.193*−0.102−0.0930.0400.0860.092
    NH4-N0.080−0.162*−0.253**−0.280**−0.155−0.071−0.0990.0310.020
    DIN0.165*−0.425**−0.340**−0.225**−0.035−0.115−0.0250.0680.176*
    SiO3-Si0.217**−0.125−0.414**−0.179*−0.1310.179*0.0540.322**0.151
    注:**在0.01水平(双侧)上显著相关,*在0.05水平(双侧)上显著相关
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    表 4  潜在性富营养化评价模式及营养级的划分原则

    Table 4.  Classification of nutrient levels of potential eutrophication assessment

    级别营养级DIN/μg·L−1PO4-P/μg·L−1N/P(摩尔比)
    I贫营养<200<308~30
    II中度营养200~30030~458~30
    III富营养>300>458~30
    IVP磷限制中度营养200~300>30
    VP磷中等限制潜在性富营养>30030~60
    VIP磷限制潜在性富营养>300>60
    IVN氮限制中度营养30~45<8
    VN氮中等限制潜在性富营养>454~8
    VIN氮限制潜在性富营养>45<4
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    表 5  2016—2018年红海湾汕尾近岸海域调查站位潜在富营养化评价结果

    Table 5.  Potential eutrophication assessment results in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016—2018

    时间LY6表层LY6底层LY4表层LY4底层LY5表层
    2016—01VPVPIVPVPVP
    2016—02VPVPVPVPIII
    2016—03VPVPIIIIIIIII
    2016—04VPIVPVPVPII
    2016—05IVPIVPIVPIVPIII
    2016—06IIIIIVP
    2016—07IIIII
    2016—08IIIVPIIVP
    2016—09IIIII
    2016—10IIIIII
    2016—11IVPIVPVIPIVPIII
    2016—12IIIIIIIIIIII
    2017—01IVPIVPIVPIVPIVP
    2017—02IIIIIIIIII
    2017—03IVPIVPIIIVP
    2017—04IVPIVPIII
    2017—05IVPIIVPIVPIVP
    2017—06VIPVIPVIPVPVP
    2017—07VIPIVPVIPVIPVP
    2017—08IIIII
    2017—09IIIIIVP
    2017—10IVPIVPIVPIVPVP
    2017—11IVPIVPIVPIVPIVP
    2017—12IIIIIIIIIIVP
    2018—01IIIIIIIIIIIIII
    2018—02IIIIIIIIII
    2018—03IIVPIIIVPIVP
    2018—05IIIII
    2018—07IIIVPII
    2018—08IIIII
    2018—10IIIIVPIVP
    2018—11IIIIVPIVP
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-05
  • 录用日期:  2020-08-21
  • 刊出日期:  2021-08-20

汕尾近岸海域营养盐的时空分布及潜在富营养化评价

    作者简介:李发明(1986-),男,湖北枣阳人,博士,主要研究方向为海洋环境监测,E-mail:811515382@qq.com
  • 国家海洋局汕尾海洋环境监测中心站,广东 汕尾 516600
基金项目: 国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金项目(1725)

摘要: 本文根据2016-2018年红海湾汕尾近岸海域3个站位32个航次的高频监测数据,对该区域营养盐的时空分布特征、影响因素及营养盐限制状况进行分析讨论,并结合潜在富营养化评价模式对该区域的富营养化风险进行评估。结果表明,红海湾汕尾近岸海域DIN符合第二类、第三类海水水质标准,PO4-P符合第一类海水水质标准,基本满足海洋功能区划要求。营养盐的空间分布特征表现为距离汕尾市区越近营养盐浓度越高;年际变化表现为2016年各营养盐平均浓度高于2017年和2018年;季节变化规律复杂,不同年份不同营养盐均存在一定差异。相关性分析表明,营养盐的时空分布特征主要受降雨量、盐度、pH、叶绿素a、悬浮物等多种环境因子的影响。营养盐结构分析表明,红海湾汕尾近岸海域存在磷限制,尽管目前水体富营养化比例不高,但潜在富营养化风险较高,其中品清湖是高风险区,冬、春季是高发期。

English Abstract

  • 《2018年中国海洋生态环境状况公报》显示,2018年我国海洋生态环境状况整体稳中向好,海水环境质量总体有所改善,但是入海河流水质状况仍不容乐观,近岸局部海域污染情况依然严重,海洋环境风险依然突出。近岸海域由于接纳了陆源输入的大量污染物质,是各种海洋环境问题的高发区域,其中,以氮、磷为代表的营养盐污染和水体富营养化已然成为全球性的海洋生态环境问题。

    红海湾是位于我国南海北部的一个半封闭海湾,是广东省重要的海湾规模化养殖示范区,同时也面临一定的海洋环境污染风险。目前对红海湾的研究主要集中在水体和沉积物重金属方面[1-3],对营养盐的研究相对较少[4]。近年来,随着生活污水排放量和化肥施用量的激增,大量营养盐输入导致红海湾生态环境受到破坏,直接影响其生态系统结构和功能。为了解红海湾汕尾近岸海域环境质量现状,国家海洋局汕尾海洋环境监测中心站在红海湾开展了长期的高频监测。本文根据2016—2018年32个航次的监测结果,对红海湾汕尾近岸海域营养盐的时空分布特征、影响因素和营养盐结构开展了初步分析,并采用潜在富营养化评价模式对调查海域的营养盐状况进行评价,旨在了解该海域营养盐的时空分布规律及富营养化风险,为该海域的海洋资源开发利用和海洋生态环境保护提供基础数据。

    • 自2016年1月至2018年12月,在红海湾汕尾近岸海域开展了32个航次的海洋环境监测,调查站位如图1所示,其中LY5站位位于汕尾品清湖内,水深2~3 m,LY4站位位于汕尾金町湾旅游区以南,LY6站位位于汕尾马宫镇牛尾山东南侧,水深均为5 m左右。

      海水样品的采集严格按照《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)和《海洋监测规范》(GB/T 12378-2007)要求执行,每月采集一次。采样时,使用5 L有机玻璃采水器分别采集表、底层海水样品,其中LY4站采集平行双样。营养盐样品经0.45 μm微孔滤膜过滤(滤膜需用pH =2 的盐酸浸泡24 h,再用超纯水洗至中性),滤液装入250 mL聚乙烯瓶中,−20 ℃冷冻保存。其他样品现场固定带回实验室分析。

      图  1  调查站位(LY5:品清湖;LY4:金町湾;LY6:马宫)

      Figure 1.  Sampling station (LY5: Pinqing lake, LY4: Jinting Bay, LY6: Magong town)

    • 亚硝酸盐(NO2-N)用重氮-偶氮法测定,检出限为0.5 μg/L,平行样相对偏差为0~5.9%;硝酸盐(NO3-N)用镉柱还原法测定,检出限为5.0 μg/L,平行样相对偏差为0~5.0%,加标回收率为94.5%~101.0%;铵盐(NH4-N)用次溴酸钠氧化法测定,检出限为5.0 μg/L,平行样相对偏差为0~4.8%;磷酸盐(PO4-P)用磷钼蓝法测定,检出限为1.0 μg/L,平行样相对偏差为0~6.0%;硅酸盐(SiO3-Si)用硅钼蓝法测定,检出限为5.0 μg/L,平行样相对偏差为0.3%~4.1%。无机氮(DIN)浓度为NO2-N、NO3-N和NH4-N的总和。分析项目还包括海水温度、盐度、pH、叶绿素a、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)和油类等,所有项目均通过国家计量认证。

    • 根据2016—2018年3个监测站位营养盐浓度统计结果(表1)可知,营养盐浓度从高到低依次为LY5站位、LY4站位和LY6站位。从空间分布来看,距离汕尾市区越近,营养盐浓度越高。2017年汕尾市排污口调查结果表明,品清湖周边存在20多个排污口和排污河流,大量的生活污水和渔业养殖废水直接排入品清湖。另外,品清湖为天然潟湖,其潮汐通道咽喉断面宽度仅800 m,与外海的水交换通量较小[5]。污水排放和水交换通量不足,是导致品清湖内LY5站营养盐浓度远高于其他两个站位的主要原因。LY4站位高于LY6站位,可能是因为LY4站位位于汕尾金町湾旅游中心区,该区域人类活动强度较大,受到房地产开发和海水养殖的双重影响。

      营养盐LY6LY4LY5
      平均值/μg·L−1范围/μg·L−1平均值/μg·L−1范围/μg·L−1平均值/μg·L−1范围/μg·L−1
      NO3-N118±6240.6~285116±7246.8~331151±9167.1~351
      NH4-N119±2964.3~195131±3570.7~196142±5955.6~302
      NO2-N10.4±9.60.5~40.212.8±9.30.8~46.019.0±16.10.7~69.9
      DIN248±81116~462260±102123~511312±125142~578
      PO4-P11.8±11.61.4~49.814.1±12.61.4~47.620.5±15.71.8~56.6
      SiO3-Si366±136134~690376±152119~751498±251112~1190

      表 1  红海湾汕尾近岸海域的营养盐浓度

      Table 1.  Concentrations of nutrients in Shanwei coastal area of Honghai bay

      从DIN和PO4-P的平均值来看,LY6站位和LY4站位的DIN符合第二类海水水质标准,LY5站位的DIN符合第三类海水水质标准,3个站位的PO4-P均符合第一类海水水质标准。根据《广东省近岸海域环境功能区划》,LY6和LY4站位位于金町旅游休闲娱乐区,LY5站位位于品清湖港口航运区,分别执行第二类和第三类海水水质标准,整体来说,红海湾汕尾近岸海域海水质量基本符合海洋功能区划要求。但是监测区域的个别月份(如2018年1月等)存在超过第三类、第四类海水水质标准的情况,其中,8.8%的DIN和15.6%的PO4-P浓度超过第三类海水水质标准,1.8%的DIN和3.1%的PO4-P浓度超过第四类海水水质标准,这表明红海湾汕尾近岸海域DIN和PO4-P均存在一定的超标现象。

      从DIN的组成来看,LY6站位、LY4站位和LY5站位的NO3-N占DIN比例的平均值分别为45.7%、42.4%和46.9%,NH4-N占DIN比例的平均值分别为50.5%、52.9%和47.2%(表2),由此可见,NO3-N和NH4-N是红海湾汕尾近岸海域DIN的主要组成部分。一般来说,NO3-N是DIN的主要存在形式,NO2-N是NH4-N氧化或NO3-N还原过程的中间产物,浓度较低。NH4-N是污水中DIN的主要存在形式,主要来源于含氮有机物的分解、动物排泄和农业施肥流失等[6]。红海湾汕尾近岸海域海水养殖业发达,城镇排污口较多,因此,渔业养殖或生活污水的直接排放可能是该区域NH4-N浓度较高的重要原因,同样的情况也出现在深圳湾和大亚湾等受工业和生活污水排放影响显著的区域[7-8]

      季节LY6LY4LY5
      NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)NO3-N/(%)NH4-N/(%)NO2-N/(%)
      春季48.0±10.550.6±11.01.4±1.042.3±10.253.9±10.13.7±1.446.7±13.248.9±13.44.4±3.1
      夏季44.5± 7.452.0± 7.53.5±3.145.8± 8.351.0±9.43.2±2.047.4± 8.648.7± 7.73.9±3.0
      秋季40.5±10.554.8±11.34.8±4.137.8± 7.855.5±7.26.7±4.745.0±17.445.6±15.49.4±7.7
      冬季49.9±11.644.5±11.05.6±1.743.5±10.851.1±9.45.4±1.948.4±14.645.5±12.26.1±3.1
      平均值45.7±10.550.5±10.83.8±3.142.4±9.652.9±9.14.7±3.146.9±13.247.2±12.06.0±4.9

      表 2  红海湾汕尾近岸海域DIN各组分占比

      Table 2.  Proportion of DIN components in Shanwei coastal area of Honghai bay

    • 2016年、2017年和2018年DIN的年平均浓度分别为(283±114)μg/L、(255±88)μg/L和(256±99)μg/L,2016年最高,2017年和2018年相近(t-test, p=0.95)。2016年、2017年和2018年PO4-P的年平均浓度分别为(16.1±13.4)μg/L、(11.2±10.5)μg/L和(16.8±15.8)μg/L,2016年和2018年相近,均高于2017年。2016年、2017年和2018年SiO3-Si的年平均浓度分别为(442±174)μg/L、(366±162)μg/L、(373±193)μg/L,2016年最高,2018年次之,2017年最低。整体来看,2016年各营养盐平均浓度高于2017年和2018年,这可能与2016年汕尾市开始实施的“蓝色海湾”整治行动有关,该项目旨在对汕尾近岸海域的海洋生态环境进行整治修复,有效提升汕尾近岸海域的海水质量。

      图2给出了2016—2018年各营养盐春(3月—5月)、夏(6月—8月)、秋(9月—11月)、冬(12月—次年2月)的季节变化,由图可知,不同年份不同营养盐浓度的季节变化特征均存在一定差异。对于DIN来说,2016年季节变化特征表现为春、冬季高和夏、秋季低的特点;2017年和2018年季节变化特征相似,夏季最高,秋、冬季次之,春季最低。对于PO4-P来说,2016年季节变化特征为春、冬季高,秋季次之,夏季最低;2017年和2018年均为冬季最高,其他3个季节相近。对于SiO3-Si来说,2016年季节变化特征为冬季最高,秋、春季次之,夏季最低;2017年和2018年相似,均为夏季最高,秋、冬季次之,春季最低。整体来看,2017年和2018年营养盐季节变化特征较一致,2016年春季和冬季营养盐浓度一般高于2017年和2018年,夏季和秋季稍低。

      图  2  2016-2018年各营养盐浓度的季节变化

      Figure 2.  Seasonal variations of nutrients during 2016-2018

      表2给出了LY6站位、LY4站位和LY5站位不同季节DIN各组分(NO3-N、NO2-N、NH4-N)占比,由表可知,LY6站位和LY4站位的NH4-N在DIN中所占比例高于NO3-N。随着季节变化,各组分占比均存在一定的差异,其中,NH4-N的占比呈现出秋季>夏季≈春季>冬季的变化趋势,NO2-N占比表现为秋、冬季高于春、夏季。LY5站位NH4-N和NO3-N的占比基本一致,并未表现出明显的季节变化。LY4站位和LY6站位NH4-N占比高于LY5站位,这可能与硝酸盐异化还原成铵(DNRA)有关。有研究表明[9],在珠江口等浅水河口或海湾存在明显的DNRA过程,并且在潮汐周期内水交换显著的河口湾口,盐度越高,DNRA的反应速率越高,越有利于NH4-N的累积。LY5站位位于品清湖内,水交换不畅,这可能对DNRA过程有一定限制。与其他季节相比,秋季的NH4-N和NO2-N占比更高,这与大亚湾8月-10月NH4-N占比达到80%以上的趋势相似[10],主要来自浮游生物等有机物质的降解。

      图3给出了2016—2018年红海湾汕尾近岸海域营养盐的月际变化,由图3可知,DIN、PO4-P和SiO3-Si的月际变化趋势存在一致性,均表现为1月浓度较高,随月份增加逐渐降低,6月和7月达到最低,然后又随月份增加逐渐升高,12月达到较高浓度,这与浮游植物生长周期变化规律基本吻合。其中,2017年6月和7月营养盐浓度出现高值,DIN和SiO3-Si浓度出现最大值,这可能与这两个月降雨量增大有关。与DIN和PO4-P相比,SiO3-Si的变化趋势与降雨量的月际变化趋势吻合较好,这可能是由于SiO3-Si主要受河流和降雨等地面径流输入的影响。

      图  3  红海湾汕尾近岸海域2016-2018年营养盐的月际变化

      Figure 3.  Monthly variations of nutrients in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016-2018

    • 为探究红海湾汕尾近岸海域营养盐与其他环境因子的关系,本研究将营养盐与降雨量、温度、盐度、pH、DO、COD、油类、叶绿素a、悬浮物等环境因子进行相关性分析,结果列于表3,由表3可知,PO4-P与降雨量呈显著负相关关系(p<0.01),与盐度无显著相关关系,而DIN(p<0.05)和SiO3-Si(p<0.01)均与降雨量呈显著正相关关系,与盐度呈显著负相关关系(p<0.01),这表明降雨是影响红海湾汕尾近岸海域DIN和SiO3-Si分布的重要因素,而雨水的稀释可能是PO4-P浓度随降雨量增加而降低的原因之一。2018年汕尾遮浪海洋站大气湿沉降的监测结果显示,DIN浓度为(0.58±0.55) mg/L,PO4-P的浓度为(0.013±0.022) mg/L,年降雨量为1231 mm(本实验室未发表结果),经估算,2018年汕尾近岸海域DIN的大气湿沉降输入通量约为(0.71±0.67) g/m2,远高于PO4-P的输入通量(0.016±0.027) g/m2

      营养盐降雨量温度盐度pHDOCOD油类叶绿素a悬浮物
      PO4-P−0.241**−0.580**−0.106−0.165*0.199*−0.106−0.0540.0950.185*
      NO2-N0.054−0.124−0.154−0.450**−0.172*−0.0400.0090.0770.097
      NO3-N0.255**−0.288**−0.204**−0.193*−0.102−0.0930.0400.0860.092
      NH4-N0.080−0.162*−0.253**−0.280**−0.155−0.071−0.0990.0310.020
      DIN0.165*−0.425**−0.340**−0.225**−0.035−0.115−0.0250.0680.176*
      SiO3-Si0.217**−0.125−0.414**−0.179*−0.1310.179*0.0540.322**0.151
      注:**在0.01水平(双侧)上显著相关,*在0.05水平(双侧)上显著相关

      表 3  红海湾汕尾近岸海域营养盐与环境因子的相关性分析

      Table 3.  Correlation analysis between nutrient and environmental factors in Shanwei coastal area of Honghai bay

      各营养盐与pH均呈现显著负相关关系,这可能与浮游植物的光合作用有关。一方面,浮游植物在生长过程中会吸收营养盐,造成营养盐浓度下降;另一方面,浮游植物在进行光合作用时吸收CO2,海水中CO2的减少导致HCO3和CO32−的比例相对增加,造成pH升高,因此,营养盐均与pH呈现出显著负相关关系[4]

      SiO3-Si与叶绿素a呈现出显著正相关关系(p<0.01),这可能与该区域浮游植物的种类有关。营养盐对浮游植物生长的影响极其灵敏,SiO3-Si浓度越高,越利于硅藻的生长。2016年11月和2017年4月,红海湾汕尾近岸海域的两次生物生态调查结果显示,该区域浮游植物优势种均为硅藻,以中肋骨条藻(Pseudo-nitzschia pungens)和洛氏角毛藻(Chaetoceros lorenzianus)为主要优势种。SiO3-Si是硅藻的必需营养元素,作为细胞壁结构成分,同时参与光合色素合成、蛋白质合成、DNA合成和细胞分裂等多种代谢和生长过程[11]

      PO4-P、DIN与悬浮物呈显著正相关关系(p<0.05),SiO3-Si与悬浮物无显著相关关系,悬浮颗粒物的吸附、解吸过程也可能会对营养盐浓度产生一定的影响。

      整体来说,红海湾汕尾近岸海域营养盐与众多环境因子呈现出显著相关关系,其时空分布受多种因素的影响,其中,DIN主要受降雨、pH和悬浮物的影响,PO4-P主要受pH和悬浮物的影响,SiO3-Si主要受降雨、pH和硅藻类浮游植物生长的影响。

    • 海水中适宜的营养盐比值有利于浮游植物的生长和繁殖,某种生源要素缺乏会限制生物的生长,过高则会影响浮游植物的种群结构,甚至引发赤潮灾害。Redfield比值(摩尔比)可简单判断某一海域浮游植物的生长是否受到营养盐限制,但Redfield 比值是不同物种间营养盐比值的平均值[12],不同海域浮游植物的群落结构和组成不尽相同,将大尺度的平均值用于小尺度水体营养盐限制的判断显然是不准确的。我国近岸海域N/P几乎都偏离了Redfiled比值,并且这种偏离程度随区域和季节发生改变。后来更多的研究提倡营养盐限制的判别应该是一个阈值范围:若Si/P和N/P大于22,则P为限制因子;若N/P小于10和Si/ N大于1,则N为限制因子;若Si/P小于10和Si/ N小于1,则Si为限制因子[13-14]。同时,营养盐限制还应考虑浮游植物生长的最低阈值,通过营养盐动力学研究可得到浮游植物所能利用的营养盐最低浓度分别为:Si=54 μg/L,DIN=14 μg/L,P=3.1 μg/L[15]

      图4给出了2016—2018年红海湾汕尾近岸海域的营养盐比值,由图4可知,N/P、N/Si、Si/P均呈现出一定的季节变化,其中N/P和Si/P变化趋势比较一致(r2=0.6144),均表现为春、夏季高于秋、冬季,而N/Si相对比较稳定,变化范围较小。从平均值来看,N/P为72,Si/P为57,N/Si为1.4,参照营养盐限制的判别方法,N/P和Si/P均远远大于22,并且LY4站位和LY6站位的PO4-P最低浓度为1.4 μg/L,LY5站位为1.8 μg/L,均低于P限制的最低阈值(3.1 μg/L),因此,红海湾汕尾近岸海域表现出一定的磷限制,这与中国近海普遍受到磷限制的情况一致[16]。尽管DIN和SiO3-Si的浓度较高,但由于受到磷限制的影响,红海湾汕尾近岸海域并未发生赤潮或明显的水体富营养化。由于海水富营养化是一个非线性多影响因素的复杂现象,当存在营养盐限制时,只有N/P接近Redfield比值的情况下,才能使潜在部分的营养盐释放出对富营养化的贡献,因此仅仅根据营养盐浓度的高低进行线性的富营养化响应评价模式(如单因子法和富营养化指数法)缺乏一定的现实意义。

      图  4  2016—2018年红海湾汕尾近岸海域的营养盐比值

      Figure 4.  Nutrients ratio in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016—2018

      另外,不同调查站位的N/P变化范围较大,其中,LY6站位平均值为81,LY4站位平均值为61,LY5站位平均值为35,距离汕尾城区越近,N/P越低。从前文可知,营养盐浓度LY5站位最高,LY4站位次之,LY6站位最低,距离汕尾市区越近,营养盐浓度越高,与N/P的趋势相反。造成N/P不断升高的原因,一是氮肥在农业中大量使用,导致陆源氮输入量的增加;二是国家逐渐限制生产和销售使用含磷用品,陆源排磷量大幅降低。LY5站位N/P最低,表明品清湖生活污水输入量较多,磷高于LY6站位和LY4站位。不同调查站位的N/Si变化范围较小,各站位平均值均为1.4,表明氮和硅存在较一致的源和汇。

      从年际变化来看,调查区域N/P有降低的趋势(图4),2016年为71,2017年为89,2018年为48。有研究表明[17],营养盐结构的变化会导致浮游植物群落结构的改变,对浮游植物优势种的演替至关重要,较高的N/P以及高浓度的SiO3-Si有助于硅藻的生长,这可能是2016—2018年调查区域浮游植物硅藻类占优势的主要原因,但随着营养盐结构的变化,红海湾汕尾近岸海域浮游植物群落结构可能会发生一定的变化。

    • 由于海水受到营养盐的限制,相对过剩营养盐虽然会提高海区营养化水平,但实质上不能被浮游植物利用,这部分过剩的营养盐不应被看作对实质上的富营养化做出贡献,而应看作只具有潜在性。从上文的营养盐结构分析可以看出,红海湾汕尾近岸海域受到一定的磷限制,因此,本文采用郭卫东提出的潜在性富营养化评价模式[18]进行评价,具体划分原则见表4。根据潜在性富营养化评价模式对2016—2018年红海湾汕尾近岸海域进行富营养化评价,结果列于表5。评价结果中出现贫营养的比例占35.6%,中度营养占12.5%,富营养占8.1%,磷限制中度营养(IVP)占28.8%,磷中等限制潜在性富营养(VP)占4.4%,磷限制潜在性富营养(VIP)占10.6%。与深圳湾、杭州湾等海湾相比[19-20],红海湾汕尾近岸海域水体富营养化比例较低,可能与磷限制有一定关系。但是,高比例的磷限制中度营养和潜在性富营养表明红海湾汕尾近岸海域存在较高的水体富营养化风险,一旦出现突发磷污染,极有可能造成更高比例的水体富营养化,甚至产生赤潮灾害。

      级别营养级DIN/μg·L−1PO4-P/μg·L−1N/P(摩尔比)
      I贫营养<200<308~30
      II中度营养200~30030~458~30
      III富营养>300>458~30
      IVP磷限制中度营养200~300>30
      VP磷中等限制潜在性富营养>30030~60
      VIP磷限制潜在性富营养>300>60
      IVN氮限制中度营养30~45<8
      VN氮中等限制潜在性富营养>454~8
      VIN氮限制潜在性富营养>45<4

      表 4  潜在性富营养化评价模式及营养级的划分原则

      Table 4.  Classification of nutrient levels of potential eutrophication assessment

      时间LY6表层LY6底层LY4表层LY4底层LY5表层
      2016—01VPVPIVPVPVP
      2016—02VPVPVPVPIII
      2016—03VPVPIIIIIIIII
      2016—04VPIVPVPVPII
      2016—05IVPIVPIVPIVPIII
      2016—06IIIIIVP
      2016—07IIIII
      2016—08IIIVPIIVP
      2016—09IIIII
      2016—10IIIIII
      2016—11IVPIVPVIPIVPIII
      2016—12IIIIIIIIIIII
      2017—01IVPIVPIVPIVPIVP
      2017—02IIIIIIIIII
      2017—03IVPIVPIIIVP
      2017—04IVPIVPIII
      2017—05IVPIIVPIVPIVP
      2017—06VIPVIPVIPVPVP
      2017—07VIPIVPVIPVIPVP
      2017—08IIIII
      2017—09IIIIIVP
      2017—10IVPIVPIVPIVPVP
      2017—11IVPIVPIVPIVPIVP
      2017—12IIIIIIIIIIVP
      2018—01IIIIIIIIIIIIII
      2018—02IIIIIIIIII
      2018—03IIVPIIIVPIVP
      2018—05IIIII
      2018—07IIIVPII
      2018—08IIIII
      2018—10IIIIVPIVP
      2018—11IIIIVPIVP

      表 5  2016—2018年红海湾汕尾近岸海域调查站位潜在富营养化评价结果

      Table 5.  Potential eutrophication assessment results in Shanwei coastal area of Honghai bay during 2016—2018

      从季节变化来看,贫营养一般出现在6月—10月,中度营养和富营养一般出现在12月—次年3月,因此,冬、春季是汕尾近岸海域水体富营养化的高发期。另外,位于品清湖的LY5站位出现富营养的比例高于LY4站位和LY6站位,这主要是因为品清湖周边的污水排放和水体交换不畅造成该区域营养盐浓度较高。因此,品清湖是汕尾近岸海域水体富营养化的高风险区。

    • (1)2016—2018年红海湾汕尾近岸海域DIN符合第二类、第三类海水水质标准,PO4-P符合第一类海水水质标准,基本满足海洋功能区划的要求。个别月份存在超标的现象,DIN和PO4-P的超标率分别为8.8%和15.6%。

      (2)年际变化特征表现为2016年各营养盐平均浓度高于2017年和2018年。季节变化特征复杂,不同年份不同营养盐的季节变化特征均存在一定的差异。

      (3)营养盐与众多环境因子呈现出显著相关关系,其时空分布受多种因素的影响,其中,DIN主要受降雨、pH和悬浮物的影响,PO4-P主要受pH和悬浮物的影响,SiO3-Si主要受降雨、pH和硅藻类浮游植物生长的影响。

      (4)红海湾汕尾近岸海域存在一定的磷限制,尽管目前水体富营养化比例不高,但潜在富营养化风险较高。冬、春季是汕尾近岸海域水体富营养化的高发期,品清湖是汕尾近岸海域水体富营养化的高风险区。

参考文献 (20)

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