海陵灣營養鹽分布特征及其富營養化評價

唐俊逸，秦民，劉晉濤，王震，黨二莎，余香英*

(1.廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045；2.粵港澳環境質量協同創新聯合實驗室，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

營養鹽作為構成海洋生態系統的重要化學物質，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空間，也是人為開發活動的主要承載體，由于受到地表徑流、工業廢水、生活污水和海水養殖等人類活動的影響，其環境污染問題日益嚴峻，其中海水富營養化已經成為一個重要的環境問題，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，對營養鹽的分布特征及富營養化的研究十分有限。

伴隨著陽江市經濟的發展和城鎮化進程的推進，人類活動對海灣生態環境的影響日益加劇，富含氮、磷營養鹽的污水排放，給海陵灣生態環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環境調查數據，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、富營養化狀況和環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《海洋調查規范》(GB/T 12763—2007)、《海洋監測規范》(GB 17378—2007)執行。

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境質量標準值進行評價。

1.2.2 富營養化指數法

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

(2)

式中，EI為富營養化指數；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，該海域即為富營養化，其中，1≤EI≤3為輕度富營養化，39為重度富營養化。

1.3 統計分析方法

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

2 結果與討論

2.1 營養鹽濃度及分布特征

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，相對高值區出現在灣頂西北部的豐頭河河口區域，相對低值區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域，相對低值區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，相對高值區出現在豐頭島鄰近海域和那達河河口區域，相對低值區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的高濃度區附近均存在大量的筏式、網箱和池塘養殖，推測DIP可能還受到海水養殖活動的影響。

圖4 海陵灣營養鹽在鹽度梯度上的分布

2.2 營養鹽污染狀況評價

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，表明該些區域秋季均受到一定的營養鹽污染。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測結果(數據來源于廣東省生態環境廳公眾網，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 富營養化狀況評價

由富營養化評價結果(表1)可知，海陵灣秋季富營養化指數均值為(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，海陵灣富營養化的程度屬于相對較低的水平，但局部海域富營養化問題較為突出，且秋季的富營養化程度明顯高于春季。

表1 海陵灣富營養化評價

進一步從空間分布上看(圖6)，海陵灣出現富營養化現象的區域基本與DIN和DIP的相對高濃度區域一致，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化，富營養化指數最高出現在位于灣頂西北部豐頭河河口區域的1號站位，為8.60，已臨近重度富營養化的判別界線，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域出現富營養化現象，且富營養指數均小于3，表現為輕度富營養化。

圖6 海陵灣富營養化指數空間分布

2.4 營養鹽結構分析

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成分的限制[17]。郭衛東等[18]根據海洋浮游植物對氮、磷營養鹽吸收的Redfield比值提出了潛在性富營養化的概念，并對營養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 營養鹽與環境因子的關系

由營養鹽與環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鹽的輸入[21-22]，結合對營養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 營養鹽與環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，海陵灣營養鹽的時空分布受到眾多環境因子的影響，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鹽的輸入，二是浮游植物的光合作用對營養鹽的吸收，三是懸浮顆粒物質對營養鹽的吸附。

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鹽污染，DIN和DIP均超過第二類海水水質標準。春季營養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，且區域受污染程度較低。

(2)海陵灣春、秋兩季富營養化均值分別為(0.55±0.41)、(2.41±1.90)，富營養化程度屬于相對較低的水平，但局部海域富營養化問題較為突出，且秋季的富營養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化，春季僅在豐頭島鄰近海域和那達河河口區域出現輕度富營養化。

(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。營養鹽與眾多環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。