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Volume 39 Issue 5
Oct.  2020
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Temporal and spatial distribution characteristics of nutrients and eutrophication assessment in Guanghai bay

  • Received Date: 2019-07-09
    Accepted Date: 2019-09-27
  • The spatial and temporal distributions of environmental ecological parameters (including salinity, nutrients and chlorophyll a) were investigated in the Guanghai bay during two cruises in October 2014 (autumn) and April 2015 (spring). The state of eutrophication in this region were evaluated by eutrophication index (EI) and nutrient quality state index (NQI). The relationships among nutrients, the N/P ratio, phytoplankton biomass and population structure were discussed in order to provide an improved understanding of the influence of environmental factors on coastal eutrophication. The spatial distributions of nutrients displayed a declining trend from the coastal estuary toward the marine environment in spring. In autumn, the concentrations of nutrients were higher in the northwestern regions, compared with those in the southeastern area. These findings suggest an extremely dynamic cycling of nutrients that responds rapidly to changes in the phytoplankton biomass and community structure. Eutrophication occurred in Guanghai bay during spring and autumn, with a decreasing gradient from inshore to offshore sites. Eutrophication situation worsened obviously from spring to autumn.
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Temporal and spatial distribution characteristics of nutrients and eutrophication assessment in Guanghai bay

  • First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China

Abstract: The spatial and temporal distributions of environmental ecological parameters (including salinity, nutrients and chlorophyll a) were investigated in the Guanghai bay during two cruises in October 2014 (autumn) and April 2015 (spring). The state of eutrophication in this region were evaluated by eutrophication index (EI) and nutrient quality state index (NQI). The relationships among nutrients, the N/P ratio, phytoplankton biomass and population structure were discussed in order to provide an improved understanding of the influence of environmental factors on coastal eutrophication. The spatial distributions of nutrients displayed a declining trend from the coastal estuary toward the marine environment in spring. In autumn, the concentrations of nutrients were higher in the northwestern regions, compared with those in the southeastern area. These findings suggest an extremely dynamic cycling of nutrients that responds rapidly to changes in the phytoplankton biomass and community structure. Eutrophication occurred in Guanghai bay during spring and autumn, with a decreasing gradient from inshore to offshore sites. Eutrophication situation worsened obviously from spring to autumn.

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  • 近岸海域是人类活动的重要区域,也是受人类活动影响最大的区域,其生态环境状况是所在区域社会经济可持续性发展的重要影响因素之一。粤港澳大湾区是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一,也是近岸海域污染程度最高的海域之一,主要污染物为活性磷酸盐、无机氮及石油类。随着粤港澳大湾区社会经济的发展、城市化进程的加快和人口的不断增加,近岸海域污染形势严峻,并引发海水富营养化、赤潮等问题。全面认识粤港澳大湾区近岸海域的水体污染及富营养化问题,有利于促进粤港澳大湾区社会经济的全面、协调和可持续发展。

    广海湾位于粤港澳大湾区南部,东邻黄茅海,西邻镇海湾。广海湾北部环陆,湾口向南,面向川山群岛,属于半开阔式海湾。海湾东西两岸均为丘陵地带,北岸为大同河口的冲积平原,海岸线总长约92.8 km。海湾大部分海域水深小于5 m,最大水深为6 m,位于湾口偏东处[1]。目前,对粤港澳大湾区的珠江口、大亚湾等海域营养盐含量时空变化特征以及富营养化的研究报道较多[2-10],对于广海湾海域的研究较缺乏。

    随着台山广海湾融入粤港澳大湾区发展战略,广海湾周围陆域日益发达的工业生产及密集的生活人群,不断向海湾排放各类污水,近岸海域受无机氮和活性磷酸盐污染日趋严重,生态环境方面压力越来越大。本文依据2014年和2015年对广海湾海洋环境的调查结果,分析营养盐时空分布以及富营养化状况,以期为广海湾的海洋开发规划及海洋生态环境保护工作提供数据支持。

1.   材料与方法

    1.1.   采样时间和站位布设

  • 采样时间为2014年10月(秋季)、2015年4月(春季),在广海湾海域布设30个采样站位。样品的现场采集、保存、测定和分析等过程均参照《海洋调查规范》(GB/T 12763-2007)、《海洋监测规范》(GB 17378-2007)进行。采集距离水面约0.5 m表层水样。调查海域及站位见图1

    Figure 1.  Sampling stations of Guanghai bay

  • 1.2.   调查项目与样品分析

  • 调查项目主要有温度、盐度、化学需氧量(COD)、活性磷酸盐(DIP)、亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)、氨盐(NH4-N)及叶绿素a(Chl a)等,无机氮(DIN)=亚硝酸盐+硝酸盐+氨盐。分析方法如下:温度(水温计法)、盐度(电导盐度计法)、化学需氧量(碱性高锰酸钾法)、活性磷酸盐(磷钼蓝分光光度法)、亚硝酸盐(盐酸萘乙二胺分光光度法)、硝酸盐(铜镉还原法)、氨盐(次溴酸钠氧化法)、Chl a(荧光分光光度计法)。

  • 1.3.   评价方法

  • 采用富营养化指数法(EI[11]和营养质量状态指数法(NQI[12]评价富营养化状态水平。

    式中:EI为富营养化状态指数;COD为水体化学需氧量,mg/L;DIN为无机氮质量浓度,mg/L;DIP为活性磷酸盐质量浓度,mg/L。EI≥1时该海域即为富营养化。1≤EI≤3为轻度富营养化,3<EI≤9为中度富营养化,EI>9为重度富营养化。

    式中:CCODCDINCDIP、Chl a分别为海水CODMn、DIN、DIP、Chl a的实测浓度;CCODCDINCDIP、Chl a′分别为3.0 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L和5 mg/m3NQI≤2时,营养等级为Ⅰ级,为贫营养化状态;2<NQI≤3时,营养等级为Ⅱ级,为中等营养化状态;NQI>3时,营养等级为Ⅲ级,为富营养化状态。

  • 1.4.   数据统计

  • 各分析因子的水平分布图采用Golden Software Surfer 8.0软件进行绘制。

2.   结果与讨论

    2.1.   营养盐浓度及分布特征

    2.1.1.   DIN
  • 秋季表层海水中DIN均值为(0.30±0.01) mg/L,NO2-N、NO3-N和NH4-N所占百分比分别为11.9%、66.1%和22.0%;春季DIN的均值为(0.45±0.01) mg/L,组成百分比分别为4.2%、68.9%和26.9%;由此可见,NO3-N是DIN存在的主要形式。从均值上看,春季DIN的含量相对较高,秋季含量偏低。

    从分布上看(图2),秋季DIN含量的水平分布趋势不明显,整体上湾内北部及西侧海域浓度较低,东南部海域为高值区。春季表层海水中DIN整体呈东部和北部浓度高,西、南部浓度低的变化趋势;春季湾内DIN浓度在下川岛东北部海域存在高值区,最低值出现在湾口西侧近岸海域。

    Figure 2.  Distributions of DIN (mg/L) in surface water of the bay in spring and autumn

    调查海域秋季DIN水平分布更趋向平均,浓度空间梯度变化不大。此现象是浮游植物生长[2-5]、入海营养盐浓度及流量[6-7]、海水养殖[8-9]、周边海域营养盐污染[10]及潮流[13-14]等共同作用所导致。

  • 2.1.2.   DIP
  • 秋季表层海水中DIP的含量较高,均值为(0.024±2.04×10−4 )mg/L;春季的含量稍低,均值为(0.019±6.82×10−5 )mg/L。从分布上看(图3),秋季高浓度区域在东南部海域,西北海域浓度较低。春季广海湾北部近岸以及东部海域中活性磷酸盐浓度较高,由东北向西南部浓度递减,西南部海域近岸磷酸盐的含量较低。

    春季DIN、DIP的含量呈近岸高、远海低的趋势,与盐度分布趋势基本一致。而秋季营养盐与盐度分布趋势差异较大。

    Figure 3.  Distributions of DIP (mg/L) in surface water of the bay in spring and autumn

  • 2.2.   DIN/DIP(N/P)

  • Redfield等[15]研究指出浮游植物吸收利用营养物质时最适宜的N/P值为16∶1,偏离这一比值,浮游植物的生长会受到不足营养成分的限制。Justic等[16]和Dortch等[17]基于浮游植物对营养盐吸收的比值进一步提出了判定营养盐限制性标准:海水中的氮磷比大于22∶1,认为存在磷限制,小于10∶1时存在氮限制。

    广海湾海域秋季调查的N/P范围在5.6~36.2,平均值为15.6,最大值出现在2号站位,最小值出现在23号站位,西、北部海域营养盐比例基本均衡。广海湾东南部海域N/P值小于10∶1,按照Justic等提出的营养盐限制标准,该海域存在氮限制。从营养盐水平分布上看,东南部海域DIN浓度较其他海域更高,N/P值较低的原因是DIP在该海域出现极值,因此该海域不存在氮限制。判断海域是否存在氮、磷限制,应根据N/P值及营养盐浓度综合分析。

    春季调查的N/P范围在15.9~270,平均值为38.8,最大值出现在3号站位,最小值出现在28号站位,广海湾东、北部近岸海域营养盐基本均衡。春季广海湾西、南部海域N/P值大于22∶1,且该海域的DIP低于0.015 mg/L,较其他海域低,因此春季广海湾西、南部海域存在磷限制。

  • 2.3.   CODMn

  • 表层海水中CODMn的均值在秋季为(1.62±0.25) mg/L,春季为(1.08±0.09) mg/L,春季较秋季稍低。

    从分布上看(图4),秋季、春季CODMn变化趋势基本一致,均由海湾北部近岸向南部海域递减。秋季海湾西侧海域较东侧高,最高值出现海湾北部的14、17号站位。春季海湾东侧海域较西侧高,在上川岛北端海域有一个低值区,最高值出现海湾北部的18号站位,位于大同河河口海域。

    Figure 4.  Distributions of COD (mg/L) in surface water of the bay in spring and autumn

  • 2.4.   Chl a

  • 调查海域秋季表层海水中Chl a平均值为32.6 μg/L,春季的平均值为3.5 μg/L,秋季Chl a的含量远高于春季。

    从分布上看(图5),春、秋季整体分布呈西、北部近岸高,中部及南部海域低的变化趋势,在湾内中部均呈现团状分布的低值区。秋季最大值出现在湾北近岸的13号站,最小值在东南部的23号站位;春季最大值出现在湾北近岸的17号站,而最小值出现在中部的16号站位。

    Figure 5.  Distributions of Chl a (μg/L) in surface water of the bay in spring and autumn

  • 2.5.   浮游植物

  • 秋季调查海域浮游植物细胞丰度平均值为1.57×109 cells/m3,范围为1.43×108~1.61× 1010 cells/m3。春季调查海域浮游植物细胞丰度平均值为2.07×106 cells/m3,范围为2.40×105~1.12×107 cells/m3

    从分布上看(图6),春、秋季湾内浮游植物丰度均为西、北部海域近岸高,中部及东南部海域低的趋势。秋季硅藻细胞丰度对总细胞丰度的贡献在99 % 以上,控制调查海域浮游植物丰度的分布。秋季硅藻和甲藻细胞丰度对总细胞丰度的贡献在99 % 以上。

    Figure 6.  Distributions of phytoplankton biomass (lg of cells/m3) in surface water of the bay in spring and autumn

    秋季的Chl a、浮游植物丰度均远高于春季。调查中春季表层海水温度平均为24.35 ℃,秋季表层海水温度高于春季,平均为27.28 ℃,温度变化与浮游植物丰度呈正相关,这表明温度是影响浮游植物丰度的重要因素之一。

    秋季调查中Chl a、浮游植物丰度含量远高于春季,而秋季DIN含量低于春季。浮游植物繁殖和生长消耗了大量营养盐,是造成秋季DIN含量较春季低的主要因素。营养盐浓度是影响浮游植物丰度的重要因素,而浮游植物繁殖、生长消耗营养盐,也是影响营养盐分布的因素之一。这与张伟等在珠江口及毗邻海域的调查结果一致[2]

    秋季调查中,湾内营养盐近岸和远海变化趋势并不明显。DIN、DIP高浓度区域均在广海湾东部,西部营养盐浓度相对较低;而Chl a、浮游植物丰度相反,广海湾西部较高,东部较低,Chl a、浮游植物丰度与营养盐水平分布有较显著的负相关性。进一步证实营养盐分布与浮游植物生物量间相对动态变化的关系。这与张景平等[3]对珠江口、池缔萍等[9]对深圳大鹏湾的研究结论一致。

    春、秋季调查海域均出现浮游植物87种,隶属于硅藻门、甲藻门和蓝藻门,但种群结构差异明显。秋季硅藻门74种,甲藻门12种,优势种为骨条藻、海链藻。硅藻门的种类数量及优势度占绝对优势。春季硅藻门56种,甲藻门30种,优势种为夜光藻、并基角毛藻,甲藻和硅藻占比基本均衡;硅藻门的种类数量较多,甲藻门的优势度略占优势。春、秋季调查海域浮游植物优势种及优势度见表1

    2014年10月
    中文种名类群优势度Y出现频率F
    骨条藻硅藻0.8861
    海链藻硅藻0.0660.9
    尖刺伪菱形藻硅藻0.0101
    北方娄氏藻硅藻0.0070.9
    洛氏角毛藻硅藻0.0061
    萎软几内亚藻硅藻0.0031
    2015年4月
    中文种名类群优势度Y出现频率F
    夜光藻甲藻0.1400.944
    并基角毛藻硅藻0.0930.389
    旋链角毛藻硅藻0.0460.389
    叉状角藻甲藻0.0370.944
    三角角藻甲藻0.0320.778
    窄隙角毛藻硅藻0.0250.333

    Table 1.  Dominant species and dominance of phytoplankton in spring and autumn

    不同种类植物细胞元素组成不同[18]。不同营养盐之间比例不仅对浮游植物吸收利用营养盐起到潜在限制作用,而且对浮游植物种群生态结构有一定影响。当研究海域营养盐含量对于浮游植物未达到完全饱和时,N/P 值的变化会限制某些浮游植物的生长,影响种群之间的竞争和演替,进而对浮游植物群落结构产生影响[19]

    研究人员在珠江口等的研究结果表明,径流是该海域硅酸盐的主要贡献者[5-7]。调查海域与珠江口地理位置相近,秋季均为丰水季,因此秋季该海域的硅酸盐含量较高,硅藻繁殖迅速,形成优势种。春季为枯水季,硅酸盐含量较低,甲藻快速繁殖,成为优势种之一。

    因此,秋季广海湾海域硅酸盐充足,易发生硅藻赤潮。春季径流量小,硅酸盐含量降低,硅酸盐为浮游植物生长的限制营养盐,使硅藻的生长受到限制,甲藻等非硅藻生物得以快速繁殖,易发生非硅藻赤潮。这与韦桂秋等对珠江口海域近10年赤潮发生特征研究一致[20]

  • 2.6.   富营养化状况评价

  • 广海湾海域富营养化指数(EI)评价结果见图7,秋季广海湾湾内大部分海域为轻度富营养化,仅在湾口东部海域达中度富营养化,富营养化指数最高值(5.05)出现在25号站位。春季广海湾中部及西部海域为轻度富营养化,北部及东部海域为中度富营养化,富营养化指数最高值(6.61)出现在17站位。春、秋季广海湾西端、以及远海海域未出现富营养化。

    Figure 7.  Distributions of eutrophication index (EI) in surface water of the bay in spring and autumn

    从分布上看,春、秋季的EI值均呈现东高西低,春季近岸高、远海低的变化趋势;而秋季呈西部海域低、东部海域高的趋势,湾内近岸和远海变化趋势并不明显。

    营养质量状态指数法(NQI)评价结果见图8,秋季NQI指数范围在4.17~17.10,最高值出现在13号站位,调查海域均为富营养化状态。春季NQI指数范围在1.93~4.76,最高值出现在湾北部的17站位,北部及东部湾内海域为富营养化状态,西部海域为中等营养化状态。从分布上看,春、秋季的NQI值均呈现近岸高、远海低的变化趋势。春、秋季近岸海域均呈现富营养化状态,秋季的富营养化状态比春季严重。

    Figure 8.  Distributions of nutrient quality state index (NQI) in surface water of the bay in spring and autumn

    从富营养化评价结果来看,两种评价方法的结论存在差异,秋季的EI值相比春季较低,而秋季的NQI值远高于春季。主要是由于NQI值除包含营养盐和COD指标,叶绿素指标也被作为指标之一进行评价。可以看出Chl a对富营养化评价结果有较大影响。

    富营养化指数主要强调营养盐在表征富营养化状态中的作用。营养质量状态指数基于营养盐状态,并增加了营养盐加富的生态效应指标(Chl a),因而更能准确地反映富营养化状态。

3.   结 论
  • (1)广海湾海域春、秋季DIN均值分别为(0.45±0.01) mg/L、(0.30±0.01) mg/L;DIP均值分别为(0.019±6.82×10−5)mg/L、(0.024±2.04×10−4) mg/L。春季营养盐分布呈近岸、湾顶向湾口下降的变化趋势,营养盐分布受大同河及近岸排污影响较大。秋季呈西北海域低、东南海域高的趋势,受浮游植物繁殖和生长影响较大。

    (2)广海湾海域春季N/P范围在15.9~270,秋季范围在5.6~36.2,春季广海湾西、南部海域存在磷限制。

    (3)营养盐分布与浮游植物生物量之间相互影响。浮游植物种群结构也受营养盐含量变化影响。广海湾秋季易发生硅藻赤潮,春季易发生非硅藻赤潮。

    (4)秋季NQI指数范围在4.17~17.10,春季范围在1.93~4.76。春、秋季广海湾均呈现富营养化状态,秋季的富营养化状态较春季严重,分布呈近岸高、远海低的趋势。

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