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2018年莱州湾无机氮、磷平面分布及其结构特征

苏博 赵玉庭 马元庆 李佳蕙 董晓晓 孙珊

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2018年莱州湾无机氮、磷平面分布及其结构特征

    作者简介: 苏 博(1986-),男,山东淄博人,助理研究员,硕士,主要从事海洋环境研究方面的工作,E-mail:subo_ocean@163.com;
    通讯作者: 马元庆(1979-),男,山东烟台人,研究员,硕士,主要从事海洋环境研究方面的工作,E-mail:erma0402@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1407601):“渤海入海污染源解析与水质目标管控关键技术研究与示范”;山东省重点研发计划项目(2019JZZY020705):“山东近海环境高效治理关键技术方法研究与示范”;山东省海洋生态修复重点实验室开放课题资助项目(201904):“莱州湾东部海域筏式养殖对海洋生态环境系统的影响”
  • 中图分类号: P734;X142

Distribution and structure of dissolved inorganic nitrogen and phosphorus in Laizhou Bay, 2018

  • 摘要: 本文利用2018年5月和8月现场调查数据,对莱州湾DIN和PO4-P的浓度频率分布、平面分布及结构特征进行了分析。结果显示,2018年莱州湾海水中DIN浓度变化范围为0.0203~1.49 mg/L,平均值为0.339 mg/L,5月浓度明显高于8月,DIN浓度为0.1~0.4 mg/L的站位比例为64.5%,超过四类海水水质标准的站位比例为17.8%。海水中PO4-P浓度变化范围为未检出~62.3×10−3 mg/L,平均值为5.63×10−3 mg/L,8月浓度明显高于5月,PO4-P浓度低于一类海水水质标准的站位比例为95.3%;N/P大于16的站位比例为96.3%,海水呈富营养化状态的站位比例为13.1%。DIN浓度、PO4-P浓度、N/P及富营养化指数高值区主要位于小清河口和黄河口附近海域。DIN形态结构中,NO3-N、NO2-N、NH4-N占比分别为66.6%、9.1%、24.3%,夏季NH4-N占比较高;PO4-P浓度过低是导致该海域N/P增高的主要因素。
  • 图 1  莱州湾调查站位

    Figure 1.  Location of sampling stations in Laizhou Bay

    图 2  莱州湾海域DIN浓度的频率分布

    Figure 2.  The frequency distribution for the concentrations of DIN in Laizhou Bay

    图 3  2018年莱州湾DIN浓度平面分布

    Figure 3.  Horizontal distribution of inorganic nitrogen in Laizhou Bay, 2018

    图 4  莱州湾海域PO4-P浓度的频率分布

    Figure 4.  The frequency distribution for the concentrations of PO4-P in Laizhou Bay

    图 5  2018年莱州湾PO4-P浓度平面分布

    Figure 5.  Horizontal distribution of phosphorus in Laizhou Bay, 2018

    图 6  莱州湾海域N/P的频率分布

    Figure 6.  The frequency distribution for the concentrations of N/P in Laizhou Bay

    图 7  2018年莱州湾N/P平面分布

    Figure 7.  Horizontal distribution of N/P in Laizhou Bay, 2018

    图 8  莱州湾海域富营养化指数频率分布

    Figure 8.  The frequency distribution for the concentrations of E in Laizhou Bay

    图 9  2018年莱州湾富营养化指数平面分布

    Figure 9.  Horizontal distribution of E in Laizhou Bay, 2018

    图 10  DIN中NO3-N、NO2-N和NH4-N的占比情况

    Figure 10.  The ratios of NO3-N, NO2-N and NH4-N in DIN

    表 1  各环境因子间Pearson相关系数

    Table 1.  Pearson correlation coefficient between environmental factors

    环境因子pHSDOCODNO2-NNO3-NNH4-NDINPO4-PN/PE
    pH1.000
    S−0.1251.000
    DO0.443**−0.0171.000
    COD0.029−0.419**0.0971.000
    NO2-N0.137−0.649**0.0930.496**1.000
    NO3-N0.253*−0.458**0.420**0.607**0.378**1.000
    NH4-N−0.244*−0.139−0.235*0.0900.0320.1781.000
    DIN0.194−0.530**0.336**0.627**0.491**0.971**0.362**1.000
    PO4-P0.071−0.538**−0.1260.428**0.558**0.369**0.1280.435**1.000
    N/P0.132−0.0220.232*−0.007−0.0730.191*0.0230.161*−0.282*1.000
    E−0.011−0.554**0.0060.636**0.651**0.513**0.275*0.605**0.849**−0.0871.000
    注:*表示呈显著相关关系(P<0.05);**表示呈极显著相关关系(P<0.01)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-13
  • 录用日期:  2021-02-22
  • 刊出日期:  2021-08-20

2018年莱州湾无机氮、磷平面分布及其结构特征

    作者简介:苏 博(1986-),男,山东淄博人,助理研究员,硕士,主要从事海洋环境研究方面的工作,E-mail:subo_ocean@163.com
    通讯作者: 马元庆(1979-),男,山东烟台人,研究员,硕士,主要从事海洋环境研究方面的工作,E-mail:erma0402@163.com
  • 山东省海洋资源与环境研究院,山东省海洋生态修复重点实验室,山东 烟台 264006
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1407601):“渤海入海污染源解析与水质目标管控关键技术研究与示范”;山东省重点研发计划项目(2019JZZY020705):“山东近海环境高效治理关键技术方法研究与示范”;山东省海洋生态修复重点实验室开放课题资助项目(201904):“莱州湾东部海域筏式养殖对海洋生态环境系统的影响”

摘要: 本文利用2018年5月和8月现场调查数据,对莱州湾DIN和PO4-P的浓度频率分布、平面分布及结构特征进行了分析。结果显示,2018年莱州湾海水中DIN浓度变化范围为0.0203~1.49 mg/L,平均值为0.339 mg/L,5月浓度明显高于8月,DIN浓度为0.1~0.4 mg/L的站位比例为64.5%,超过四类海水水质标准的站位比例为17.8%。海水中PO4-P浓度变化范围为未检出~62.3×10−3 mg/L,平均值为5.63×10−3 mg/L,8月浓度明显高于5月,PO4-P浓度低于一类海水水质标准的站位比例为95.3%;N/P大于16的站位比例为96.3%,海水呈富营养化状态的站位比例为13.1%。DIN浓度、PO4-P浓度、N/P及富营养化指数高值区主要位于小清河口和黄河口附近海域。DIN形态结构中,NO3-N、NO2-N、NH4-N占比分别为66.6%、9.1%、24.3%,夏季NH4-N占比较高;PO4-P浓度过低是导致该海域N/P增高的主要因素。

English Abstract

  • 氮、磷是海洋生物生长必不可少的营养物质,其在海水中的含量与海洋初级生产力有密切的关系,同时,海洋生物活动也会对其浓度和分布产生明显影响[1-3]。莱州湾位于山东半岛北部、渤海南部,三面环陆,沿岸有黄河、小清河、白浪河等多条河流注入[4-5]。入海径流为莱州湾带来了丰富的营养物质,使其成为多种水生动物索饵、产卵、栖息的场所,是我国北方重要渔场之一[6-7]。因此,研究莱州湾氮、磷浓度分布及其结构特征对了解近海养殖生态系统具有重要的现实意义[8]

    本研究利用2018年5月和8月莱州湾调查数据,分析了该海域春、夏季DIN和PO4-P的浓度频率分布和平面分布,并对其结构特征、影响因素及富营养化状况进行了初步探讨,旨在了解莱州湾营养盐分布状况及其对海水养殖的潜在影响,研究结果可为莱州湾环境保护及海水养殖业健康发展提供科学依据。

    • 调查时间:2018年5月和8月;调查区域:37.2°N-37.8°N,119°E-120.2°E;调查站位:按照近岸密、远岸疏的站位布设原则,共布设调查站位107个(图1)。

      图  1  莱州湾调查站位

      Figure 1.  Location of sampling stations in Laizhou Bay

    • 样品采集和分析严格按照《海洋监测规范》(GB 17378-2007)和《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)进行。用Niskin采水器采集表层海水,0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤,滤液分装于500 mL高密度聚乙烯瓶中冷冻保存,运至实验室分析。分析项目包括pH、盐度(S)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、氨氮(NH4-N)、活性磷酸盐(PO4-P)等。分析方法如下:pH采用pH计法测定;S采用盐度计法测定;DO采用电化学探头法测定;COD采用碱性高锰酸钾法测定;NO3-N、NO2-N、NH4-N和PO4-P均采用流动分析法测定。

    • DIN与PO4-P浓度频率分布图用EXCEL软件绘制;DIN与PO4-P平面分布图用Surfer 8.0软件绘制;海水环境因子间相关关系用SPSS 19.0软件分析。

      水体富营养化计算方法:

      式中:E为富营养化指数;CCOD为COD浓度;CDIN为DIN浓度;${C_{{\rm{P{O_4}{\text{-}} P}}}} $为PO4-P浓度。其中,1≤E≤3为轻度富营养化;3<E≤9为中度富营养化;E>9为重度富营养化。

    • 5月,DIN浓度变化范围为0.105~1.49 mg/L,平均值为(0.411±0.251)mg/L;8月,DIN浓度变化范围为0.0230~1.25 mg/L,平均值为(0.266±0.316)mg/L,5月浓度明显高于8月。两个航次所有站位DIN浓度频率分析结果见图2。其中,54.7%的站位DIN浓度为0.100~0.400 mg/L,小于0.100 mg/L及大于0.500 mg/L的站位比例分别为18.2%及17.8%;符合我国一类、二类、三类及四类海水水质标准(GB 3097-1997)的站位比例分别为34.6%、54.7%、72.9%和82.2%,17.8%的站位DIN浓度超过四类海水水质标准。

      图  2  莱州湾海域DIN浓度的频率分布

      Figure 2.  The frequency distribution for the concentrations of DIN in Laizhou Bay

    • 两个航次海水中DIN浓度平面分布特征存在季节性差异(图3)。5月,DIN浓度基本呈现西南部近岸海域高、东北部远岸海域低的平面分布特征,离岸由近至远浓度逐渐降低,西部海域明显高于东部海域,受小清河径流影响,高值区主要位于小清河口附近海域,自河口向外DIN浓度逐渐降低;8月,DIN浓度基本呈现西部近岸海域高、中部低的平面分布特征,两个高值区主要位于小清河口及黄河口附近海域,浓度均超过0.600 mg/L,受入海径流影响,自西向东DIN浓度逐渐降低。

      图  3  2018年莱州湾DIN浓度平面分布

      Figure 3.  Horizontal distribution of inorganic nitrogen in Laizhou Bay, 2018

    • 5月,PO4-P浓度变化范围为未检出~16.9×10−3 mg/L,平均值为(4.57±4.01)×10−3 mg/L;8月,PO4-P浓度变化范围为未检出~62.3×10−3 mg/L,平均值为(6.69±9.90)×10−3 mg/L,8月浓度明显高于5月。两个航次所有站位PO4-P浓度频率分析结果见图4。其中,PO4-P浓度为1.00×10−3~5.00×10−3 mg/L的站位比例为50.5%,浓度为1.00×10−3~10.0×10−3mg/L的站位比例为76.2%;95.3%的站位低于一类海水水质标准,仅0.9%的站位高于二类海水水质标准。

      图  4  莱州湾海域PO4-P浓度的频率分布

      Figure 4.  The frequency distribution for the concentrations of PO4-P in Laizhou Bay

    • 调查结果显示,莱州湾海域海水中PO4-P浓度季节差异较大(图5)。5月,PO4-P浓度呈近岸海域高、远岸海域低的平面分布特征,莱州湾海域PO4-P浓度整体较低,没有明显高值区。8月,PO4-P浓度仍呈近岸海域高、远岸海域低的平面分布特征,仅在小清河口外海海域出现了一个高值区,主要是小清河径流输入的影响所致。

      图  5  2018年莱州湾PO4-P浓度平面分布

      Figure 5.  Horizontal distribution of phosphorus in Laizhou Bay, 2018

    • 5月,N/P的变化范围为38~2446,平均值为355±411;8月,N/P的变化范围为9~1287,平均值为166±247,5月比值明显高于8月。两个航次所有站位N/P频率分析结果见图6。其中,莱州湾总体表现为高N/P的营养盐结构特征,仅有3.7%的站位N/P小于16,63.6%的站位N/P<200,16.4%的站位N/P>500。

      图  6  莱州湾海域N/P的频率分布

      Figure 6.  The frequency distribution for the concentrations of N/P in Laizhou Bay

    • 5月,莱州湾N/P平面分布基本呈现斑块状特征,高值区主要分布在黄河口外海海域及中部海域;8月,莱州湾N/P基本呈现东北部海域高、其他海域低的平面分布特征,高值区主要分布在东北部海域(图7)。

      图  7  2018年莱州湾N/P平面分布

      Figure 7.  Horizontal distribution of N/P in Laizhou Bay, 2018

    • 5月,富营养化指数变化范围为0.0221~20.6,平均值为1.03±3.21;8月,富营养化指数变化范围为0.0078~51.3,平均值为1.81±7.98,8月明显高于5月。两个航次所有站位富营养化指数频率分析结果见图8。其中,86.9%的站位富营养化指数E<1,未达到富营养化状态,4.2%的站位呈轻度富营养化状态,5.1%的站位呈中度富营养化状态,3.7%的站位呈重度富营养化状态。

      图  8  莱州湾海域富营养化指数频率分布

      Figure 8.  The frequency distribution for the concentrations of E in Laizhou Bay

    • 5月,富营养化指数基本呈现西南部近岸海域高、其他海域低的平面分布特征,高值区主要分布在小清河口附近海域;8月,富营养化指数基本呈现西部近岸海域高、其他海域低的平面分布特征,高值区主要分布在小清河口外与黄河河口外之间的海域(图9)。

      图  9  2018年莱州湾富营养化指数平面分布

      Figure 9.  Horizontal distribution of E in Laizhou Bay, 2018

    • 莱州湾海域海水DIN中NO3-N、NO2-N和NH4-N占比分别为5.71%~97.5%、0.03%~67.1%和0.05%~88.6%,平均占比分别为66.6%、9.1%和24.3%。NO3-N是DIN的主要存在形式,其次是NH4-N,NO2-N最低。受生物影响,NO3-N、NO2-N和NH4-N 3种形态氮的互相转化呈现季节变化[8]。一方面,在高温季节,海水中浮游生物生长较快,代谢旺盛,异养细菌数量也较高,由浮游生物排泄及细菌分解有机碎屑释放的NH4-N数量较多[9];另一方面,夏季降雨多,大气降水及沿岸径流输送的NH4-N也相应增多[10],二者共同导致夏季NH4-N占比较高。5月、8月NH4-N占比分别为9.6%和39.1%,NH4-N占比夏季明显高于春季。与NH4-N相反,NO3-N占比春季明显高于夏季。NO2-N占比无明显季节变化(图10)。夏季是养殖生物的生长旺盛期,NH4-N浓度过高会对贝类等生物的生长产生毒害作用[11],因此,夏季需加大NH4-N的监测频次,提前采取措施降低NH4-N对养殖生物生长的影响。

      图  10  DIN中NO3-N、NO2-N和NH4-N的占比情况

      Figure 10.  The ratios of NO3-N, NO2-N and NH4-N in DIN

    • 分析结果显示(表1),莱州湾海水中DIN与PO4-P存在极显著的正相关关系,DIN和PO4-P与S呈极显著负相关关系,这表明陆源径流输入是近岸海域营养盐的重要来源,也是影响莱州湾营养盐空间分布的主要因素。同时,COD与S呈极显著负相关关系,DIN和PO4-P与COD呈极显著正相关关系,这显示DIN和PO4-P与COD可能有共同的来源;另外,DIN和PO4-P受海水及悬浮物中存活或死亡的细菌、浮游植物、浮游动物、生物分泌物、聚合物等有机质影响,二者在生物利用方面存在一致关系[8, 12-13]

      环境因子pHSDOCODNO2-NNO3-NNH4-NDINPO4-PN/PE
      pH1.000
      S−0.1251.000
      DO0.443**−0.0171.000
      COD0.029−0.419**0.0971.000
      NO2-N0.137−0.649**0.0930.496**1.000
      NO3-N0.253*−0.458**0.420**0.607**0.378**1.000
      NH4-N−0.244*−0.139−0.235*0.0900.0320.1781.000
      DIN0.194−0.530**0.336**0.627**0.491**0.971**0.362**1.000
      PO4-P0.071−0.538**−0.1260.428**0.558**0.369**0.1280.435**1.000
      N/P0.132−0.0220.232*−0.007−0.0730.191*0.0230.161*−0.282*1.000
      E−0.011−0.554**0.0060.636**0.651**0.513**0.275*0.605**0.849**−0.0871.000
      注:*表示呈显著相关关系(P<0.05);**表示呈极显著相关关系(P<0.01)

      表 1  各环境因子间Pearson相关系数

      Table 1.  Pearson correlation coefficient between environmental factors

      NO3-N与DIN呈极显著正相关关系,相关系数高达0.971,这表明NO3-N是DIN的主要组成部分。NO3-N与DO呈极显著正相关关系,主要原因是:一方面,NO3-N高的海域浮游植物光合作用较为旺盛,释放出大量氧气;另一方面,氧气充足的海域硝化细菌数量较多,可促进NO2-N和NH4-N转化为NO3-N。NH4-N与其他环境因子之间几乎无显著相关关系,这与NH4-N在海水中属非稳态化合物,且来源和消耗过程较复杂有关[14-15]。N/P与DIN、PO4-P的相关系数分别为0.161和−0.282,这表明PO4-P对N/P增高的贡献大于DIN,低PO4-P浓度是导致N/P增高的主要因素。N/P 8月明显低于5月,8月虽然陆源输入较高,但夏季水温及光照促使浮游植物生长旺盛,此时莱州湾浮游植物密度为1.14×106 cells/m3,为5月的15倍,浮游植物的暴发会消耗大量的DIN,这导致DIN浓度较5月下降明显;另外,浮游植物间的化感效应和藻间竞争作用等可引起噬氮浮游植物大量繁殖,需磷浮游植物受到限制[16-19],这也可能是导致8月N/P下降的主要原因。同时,5月莱州湾小清河口附近海域及8月小清河口至黄河口海域富营养化指数较高,易引发赤潮,这会对该海域海水养殖业有一定的影响。

    • (1)2018年5月和8月,莱州湾海域海水中DIN的浓度范围为0.0203~1.49 mg/L,平均值为0.339 mg/L,5月浓度明显高于8月,64.5%的站位DIN浓度为0.1~0.4 mg/L,17.8%的站位DIN浓度超过四类海水水质标准;PO4-P浓度范围为未检出~62.3×10−3 mg/L,平均值为5.63×10−3 mg/L,8月明显高于5月,95.3%的站位PO4-P浓度小于一类海水水质标准。

      (2)莱州湾海水中N/P的范围为9~2446,平均值为261,5月明显高于8月,96.3%的站位N/P大于16;富营养化指数变化范围为0.0078~51.3,平均值为1.42,8月明显高于5月,13.1%的站位呈富营养化状态;DIN、PO4-P、N/P及E的高值区主要位于莱州湾西部的小清河口和黄河口附近海域。

      (3)NO3-N、NO2-N、NH4-N在DIN中占比分别为66.6%、9.1%、24.3%,NO3-N是DIN的主要存在形式;8月,NH4-N比例较高,占比高达39.1%。

      (4)莱州湾DIN与PO4-P的来源及其在生物利用方面相一致,低PO4-P浓度是导致N/P增高的主要因素。

参考文献 (19)

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