2021, Vol. 45
文章信息
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- 广西北海半岛夏季营养盐及水质状况分析
- Nutrients and water quality in the Beihai Peninsula of Guangxi during summers
- 海洋科学, 45(6): 107-117
- Marine Sciences, 45(6): 107-117.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20210112001
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文章历史
- 收稿日期：2021-01-12
- 修回日期：2021-04-14
2. 广西大学 广西南海珊瑚礁研究重点实验室, 广西 南宁 530004;
3. 广西科学院 广西红树林研究中心, 广西 北海 536000
2. Guangxi Laboratory on the Study of Coral Reefs in the South China Sea, Guangxi University, Nanning 530004, China;
3. Guangxi Mangrove Research Center, Guangxi Academy of Sciences, Beihai 536000, China
北部湾是一个天然的半封闭浅海湾, 地处南海大陆架西北部, 夏季高温, 降水丰沛, 有多条河流汇入, 是典型的海陆交界区。北海半岛是北部湾近岸海域的重要组成部分, 铁山港位于北海半岛东侧, 拥有北部湾典型红树林和海草床生态系统, 以虾增养殖、珍珠贝为主的水产养殖业发达[1]。涠洲岛位于北海半岛南边海域, 是北部湾最大的岛屿, 由火山喷发堆积而成, 拥有热带北缘典型珊瑚礁生境, 水产资源丰富。自2008年《广西北部湾经济区发展规划》获批以来, 北部湾发展迅速, 工农业与生活排污导致海域营养盐、重金属及其他污染物明显增加, 生态失衡与环境污染日趋严重[2-4]。
营养盐是海洋生态系统物质循环与能量流动的物质基础。诸多研究表明, 水体营养盐过量(富营养化)是藻华暴发的一个重要诱因[5-6], 富营养化过程不仅影响藻华规模, 也会造成藻华原因种和优势类群的变化[7]。北部湾近年球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)与夜光藻(Noctiluca scintillans)藻华频发, 与过去30年营养盐含量增加和水质变化存在密切相关[8-9]。1980—2010年, 北部湾无机氮、硝酸盐、亚硝酸盐和氨盐均值分别增长了17.9、12.7、33.5和1.5倍, 而1990—2010年, 活性磷酸盐均值增加了近2倍, 化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)最大值则由20世纪80年代的2.7 mg/L升至2010年的7.5 mg/L, 夏季北部湾劣质水面积亦呈明显上升趋势[8]。因此全面认识北部湾水体污染及富营养化状况, 是该海域海洋环境保护和海岸带综合管理的基础。目前学者们对该海域海水和沉积物已开展了一些营养盐和水质研究[2, 10-12], 但针对北海半岛的相关研究仍较少。因此, 本文于2020年8月对铁山港、涠洲岛、营盘海域等共21个站位的广西北海半岛表层海水进行营养盐与水质调查, 评价水体富营养化和水质状况, 旨在明确该海域夏季表层营养盐浓度与结构特征, 探讨浮游植物生物量的影响因素, 为北部湾海洋生态保护提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析2020年8月23~28日在北海半岛周围海域设站位21个(图 1), 采集表层水样, 调查水温、盐度、pH、硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、氨盐(NH4-N)、活性磷酸盐(PO4-P)、硅酸盐(SiO3-Si)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)和叶绿素a(Chl-a)。具体样品采集、保存、分析参照《海洋调查规范》[13]与《海洋监测规范》[14], 分析方法分别为: 水温计法、盐度计法、pH计法、镉柱还原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸盐氧化法、磷钼蓝分光光度法、硅钥蓝比色法、碘量法、碱性高锰酸钾法和分光光度法。
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| 图 1 调查站位 Fig. 1 Survey station |
结果用Excel进行初步整理分析; 以《海水水质标准》[15]判定海水类别; 应用软件Arcmap10.2符号系统中的自然间断点分级法对营养盐数据分级成图, 以明确各营养盐的空间分布特征; 使用SPSS20软件对数据进行描述统计, 检验其是否符合正态分布, 并对叶绿素a和环境因子进行Spearman相关性分析。
1.2.2 富营养化指数法运用《近岸海域环境监测规范》[16]中富营养化指数法对海水富营养化程度进行评价, 公式为:
| $ E=\frac{\text { 化学需氧量×无机氮×活性磷酸盐 }}{4500} \times 10^{6}, $ | (1) |
式中, E为富营养化指数; 无机氮(DIN) = NO3 – N + NO2 – N + NH4 – N; 单位均为mg/L。当E≥1时为富营养化, 富营养化程度随E的增大而增大, 具体见表 1。
| 水质等级 | 贫营养 | 轻度富营养 | 中度富营养 | 重富营养 | 严重富营养 |
| 富营养化指数 | E < 1 | 1≤E < 2 | 2≤E < 5 | 5≤E < 15 | E≥15 |
| $ A=\frac{\mathrm{COD}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{COD}_{\mathrm{o}}}+\frac{\mathrm{DIN}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{DIN}_{\mathrm{o}}}+\frac{\mathrm{DIP}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{DIP}_{\mathrm{o}}}-\frac{\mathrm{DO}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{DO}_{\mathrm{o}}}, $ | (2) |
式中, A为有机污染指数; CODi、DINi、DIPi和DOi分别为COD、DIN、DIP和DO的实测值; CODo、DINo、DIPo和DOo分别为COD、DIN、DIP和DO的海水水质标准值, 即一类海水水质标准值2、0.2、0.015和6 mg/L, 具体分级见表 2。
| A | 污染等级 | 水质评价 |
| A < 0 | 0 | 良好 |
| 0 < A < 1 | 1 | 较好 |
| 1 < A < 2 | 2 | 开始受到污染 |
| 2 < A < 3 | 3 | 轻度污染 |
| 3 < A < 4 | 4 | 中度污染 |
| A > 4 | 5 | 重度污染 |
北海半岛夏季表层水体NO3-N、NO2-N、NH4-N和DIN变化范围分别为: 0.005~0.289、0.002~0.047、0.002~0.222和0.049 mg/L ~0.485 mg/L, 对应均值为0.121±0.089、0.011±0.012、0.078±0.073和0.210 mg/L± 0.151 mg/L(n=21)。33.3%站位DIN含量值超过二类海水标准(0.30 mg/L), 其中1~2、7和20号站位超过3类海水标准(0.40 mg/L)。位于涠洲岛正西方的20号站位DIN最高(0.485 mg/L)(图 2)。铁山港DIN由港内向港外明显递减, 营盘海域随离岸距离增加先递减再递增, 涠洲岛西侧15号站位含量为该岛最高(0.336 mg/L)(图 2)。
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| 图 2 北海半岛夏季表层水体无机氮浓度(a)、活性磷酸盐浓度(b)、硅酸盐浓度(c)、氮磷比值(d)、硅氮比值(e)、硅磷比值(f)、富营养化指数(g)及有机污染指数(h)分布 Fig. 2 Distribution of inorganic nitrogen concentration (a), reactive phosphate concentration(b), silicate concentration (c), N/P(d), Si/N(e), Si/P(f), eutrophication index(g), and organic pollution index(h) in the surface water of the Beihai Peninsula during summers |
北海半岛夏季表层水体PO4-P变化范围(0.006~ 0.060)mg/L, 平均(0.021±0.013)mg/L(n=21)。66.7%站位PO4-P含量超过一类海水标准(0.015 mg/L), 其中1~2、5、13和17号站位含量达到二、三类海水标准(0.030 mg/L)。铁山港PO4-P含量最高值位于港内站位1(0.060 mg/L), 5号站位亦较高(0.043 mg/L) (图 2), 总体趋势表现为由港内向港外递减。营盘海域PO4-P高值位于10号站位, 呈由营盘向远岸递增趋势。涠洲岛附近海域PO4-P高值位于涠洲岛北部13号站位(0.036 mg/L)和东部17号站位(0.030 mg/L) (图 2)。
2.1.3 硅酸盐北海半岛夏季表层水体SiO3-Si变化范围(0.114~ 1.054)mg/L, 平均(0.270±0.206)mg/L(n=21)。铁山港SiO3-Si含量从港内向港外递减, 站位1~3较本调查其他海域明显高(图 2)。营盘海域由近岸向远岸先递减再递增, 浓度高值位于站位7(0.308 mg/L)和站位11(0.300 mg/L)(图 2)。涠洲岛SiO3-Si高值位于涠洲岛东部17号站位(0.328 mg/L)和斜阳岛18号站位(0.341 mg/L), 离岸较远的19~21号站位SiO3-Si随离岸距离增加而增加(图 2)。
2.1.4 叶绿素a与环境因子相关性分析北海半岛夏季表层水体Chl a变化范围(2.00~ 6.51)μg/L, 平均(3.07±1.040)μg/L(n=21)。本调查环境因子中除NO3-N和COD符合正态分布, 其余数据均为非正态分布, 因此采用Spearman相关系数表征表层海水中叶绿素a与环境因子之间的相关性。结果发现Chl a仅与COD显著相关, 相关系数为0.475(表 3)。
| 项目 | 水温 | 盐度 | pH | NO3-N | NO2-N | NH4-N | DIN | PO4-P | SiO3-Si | DO | COD |
| Chl a | –0.046 | –0.082 | –0.030 | –0.292 | 0.266 | 0.014 | –0.265 | –0.138 | –0.141 | –0.149 | 0.475* |
| 注: n=21; *指置信度(双侧)为0.05时, 相关性显著 | |||||||||||
北海半岛夏季表层水体各无机氮成分占DIN百分比为NO3-N(57.56%) > NH4-N(37.15%) > NO2-N(5.29%)。N/P、Si/N和Si/P变化范围分别为1.8~32.9、0.3~4.7和3.0~34.3, 对应均值分别为11.8±8.6、1.7±1.2和14.6±7.2(n=21)。N/P最高值位于营盘站位7、最低值位于铁山港站位5; Si/N最高值位于斜阳岛站位18, 最低值位于远岸站位20; Si/P最高值在站位18, Si/P最低值在站位5。根据Justić等[19]提出的计量限制性营养盐标准: N/P < 10, Si/N > 1受N限制; N/P > 22, Si/P > 22受P限制; Si/P < 10, Si/N < 1受Si限制, 得出北海半岛海域浮游植物生长营养盐受限结果: 铁山港1、4~6号站位, 营盘海域8~10号站位、涠洲岛16~17号和斜阳岛18号站位均受潜在N限制, 占所有站位的47.6%; 7号站位和远岸21号站位受到潜在P限制, 占9.5%; 13和20站位受到潜在Si限制, 占9.5%。
2.3 富营养化状况北海半岛夏季表层水体富营养化指数E值变化范围(0.01~18.11), 平均1.82±4.10(n=21), 最高值18.11在铁山港1号站位, 达到严重富营养水平, 次高值6.17和5.56分别在铁山港2、3号站位(图 2), 为重富营养, 营盘7号站位达到中度富营养, 铁山港外5号站位达到轻度富营养。其余76.2%站位未达到富营养化标准, 处于贫营养。富营养化水平在铁山港由港内向港外(站位1~6)呈递减趋势(图 2), 营盘海域近岸富营养化水平最高(站位7 > 8~11)。
2.4 有机污染状况北海半岛夏季表层水体有机污染指数A变化范围(–0.43~6.87), 平均1.85±1.68(n=21)。仅离岸较远的19号站位水质良好, 另站位6、8~9、12、14、16和18水质较好外, 其余61.9%站位受到不同程度有机污染。铁山港水质有机污染严重, 由港内至港外污染水平逐级降低(图 2), 港内站位1和2属于重度污染, 为本调查唯一的重度污染水域。中度污染发生则只在铁山港站位3和远岸站位20发现。
3 讨论 3.1 营养盐含量比较本文铁山港表层水体各营养盐浓度由湾内向湾外递减, 营盘海域DIN和SiO3-Si先递减再递增, PO4-P表现为递增; 涠洲岛海域、斜阳岛海域与远岸19~21号站位各项营养盐分布无明显变化趋势。本文铁山港DIN、PO4-P和SiO3-Si均值0.352、0.034和0.549 mg/L(站位1~4), 相对铁山港2003年~2010年均值0.102、0.005和0.823 mg/L[1], DIN与PO4-P分别增加了2.5和5.8倍, SiO3-Si则减小至66.7%。氮、磷营养盐递增与铁山港工业区及港湾建设污水输入、水产养殖排污及有机降解补充相关, 而河流输入是近海溶解硅的重要来源, 硅入海量不变或减少, 浮游植物生长繁殖仍大量消耗SiO3-Si, 导致铁山港海域SiO3-Si的递减[1, 20]。本文涠洲岛表层海水DIN和PO4-P均值分别为0.161和0.018 mg/L(站位14~ 17), 相对2011—2016年珊瑚礁海域均值(0.111和0.004 mg/L)[21-22]和2010—2013年藻华控制区均值(0.048和0.004 mg/L)[23]分别递增近1.5和4.5倍, 及3.4和4.5倍, 分析受陆源输入、海水交换作用及生物氧化分解等因素综合影响[22]。
北部湾夏季DIN浓度均值在钦州湾和廉州湾相对较高, 而DIN、PO4-P在涠洲岛明显较低, 北海半岛海域夏季DIN和SiO3-Si均值低于钦州湾、廉州湾和防城港[23-28], 河流作为营养盐重要来源, 研究区入海径流流量小是造成营养盐浓度差异的重要因素之一, 处于丰水期的夏季差异愈加突出[29-30], Masotti等[31]对智利中部近岸海域河流流量控制营养盐浓度及其季节变化研究发现类似结论。另外, 本次调查海域营养盐浓度均值明显低于中国其他典型入海口, 其中珠江口DIN、PO4-P和SiO3-Si浓度均值分别是本文的9.6、1.4和23.7倍, 长江口DIN是本文6.9倍, 黄河口莱州湾DIN和SiO3-Si则是本文的1.6和2倍[32-34]。河流输入、沿岸建设与人类活动造就了这些典型入海口营养盐的高负荷状态, 经济建设处于上升期的北部湾, 尽管水体营养盐含量总体不高, 但处于明显上升趋势[8], 为防止出现东部沿海高负荷营养盐局面, 海水保质与海洋生态防护尤为重要。
3.2 营养盐结构变化营养盐结构是影响海域浮游植物生长繁殖与群落组成的重要因素, 严重时影响海洋藻华的发生。2017年北部湾近岸大部分海域受潜在P限制, 仅铁山港、钦州湾和珍珠湾部分海域受潜在N限制[35], 与本文铁山港4~6号站位潜在N限制特征相符, 但与本调查47.6%站位潜在N限制、仅9.5%站位潜在P限制不符, 分析与采样季节和采样地点差异相关。而在韦蔓新等[36]研究中, 铁山港整体处于N缺乏状态, 说明随着时间推移铁山港海域N输入增加, 浮游植物生长受潜在N限制可能性减小。本调查发现营盘临近陆地的7号站位受潜在P限制, 其他离岸站位受潜在N限制或不受限, 分析与该海域工业生产输入大量DIN[3], 浮游植物生长利用P并导致P的相对不足相关。前人研究中涠洲岛绝大部分海域受潜在P限制[22, 37], 与本研究16、17号站位受潜在N限制、其余站位不受营养盐限制不同。结合近年涠洲岛海域DIN浓度整体呈年际下降, PO4-P浓度基本保持不变[22], SiO3-Si浓度明显下降的结论[37], 认为N、Si的消耗与P的相对稳定造成了涠洲岛海域限制性因素由P向N的转化。2011年以前, 涠洲岛是北部湾藻华的“热点”海域。2001—2010年, 北部湾70%藻华发生在涠洲岛海域, 2011年之后藻华在北部湾更多海域出现[8]。该海域营养盐浓度下降, 营养盐结构发生显著变化, 可能是涠洲岛海域藻华发生率在2010年后显著降低的原因之一。
2014年以来, 球形棕囊藻赤潮在北部湾经常暴发, 每年春节左右至清明前后, 广西近岸海水中的球形棕囊藻都会阶段性暴发增殖[38], 严重时堵塞防城港核电站冷却水系统, 造成机组跳机、跳堆, 严重威胁核电冷源安全[39]。而2021年2月, 一场6 400 km2特大规模的夜光藻赤潮席卷北部湾海域[40], 北部湾正经历藻华种群演变, 未来充满不确定性。据研究, 球形棕囊藻生长和藻华维持需要大量的N营养盐支持[41-42], 而夜光藻大量繁殖并不依赖高营养盐环境[43], 在胶州湾甚至发现夜光藻丰度与硝氮、亚硝氮之间呈显著负相关[44]。本调查发生在2020年夏季, 结果显示多数海域为潜在N限制, 与他人之前研究结论北部湾多数海域为潜在P限制不一致[35, 45], 某种程度上解释了由球形棕囊藻向夜光藻藻华的演变。
3.3 富营养化与叶绿素a含量水体富营养化是引发藻华的物质基础, 《2015中国近岸海域环境质量公报》显示2015年北部湾水体整体处于贫营养水平, 2016年后包括铁山港在内的各海湾内湾及入海口富营养化明显[3]。本调查发现铁山港表层水体富营养化严重, 营盘临近陆地的7号站位亦达到中度富营养, 北海半岛其余海域均处于贫营养状态。铁山港和北海近岸是北部湾水产养殖重要海域, 养殖区排污对营养盐的补充作用不可小觑[1]。此外, 北部湾北部海水夏季呈气旋式环流, 受入海径流、琼州海峡水体输送和西南季风共同作用, 营养盐含量与分布随海流而变化[30, 46]。涠洲岛海域、斜阳岛和远岸19~21号站点离岸较远, 受海流作用更为强烈, 可能是造成它们表层海水营养盐分布无明显特征与富营养化水平低的原因。
叶绿素a是浮游植物光合作用的主要色素, 其质量浓度是衡量海域浮游植物生物量和反映海水富营养化程度的重要指标。与北部湾富营养进程一致, 北部湾叶绿素平均质量浓度由1994年的0.94 μg/L[47]升至2006年的1.13 μg/L[48], 陆源营养盐输入和养殖活动明显的钦州湾2009年表层水体叶绿素a已达5.39 μg/L[49]。叶绿素a与环境因子的相关性随海区和季节而异, 渤海海域夏季盐度、磷酸盐与硅酸盐的浓度、氮磷比和氮硅比是影响Chl-a浓度空间分布的重要因素[50]; 钦州湾4个季节航次调查发现Chl-a与水温、盐度和氨氮之间存在密切的相关关系[49]; 夏季海南黎安港叶绿素a与无机氮和活性磷酸盐呈显著正相关, 与水温和透明度相关性不显著; 秋季与无机氮呈显著负相关, 与其他因子相关性不显著[51]。本调查发现叶绿素a仅与COD显著相关, 与无机营养盐等环境因子相关性不显著。COD常表征海水中有机物质含量, 说明影响夏季北海半岛表层水体叶绿素a含量的主要因素是有机质, 分析可能与海域微生物强烈降解作用相关。据研究, 铁山港和涠洲岛分别发育有典型的红树林、海草床生态系统和珊瑚礁生态系统, 植物凋落物、珊瑚虫代谢物降解、生物尸骸腐解等生态区内部有机分解为浮游植物提供了充足营养盐[22, 52-54]。
3.4 有机污染氮磷及耗氧有机物在近岸海域的大量输入直接影响水质与浮游植物的生长。北部湾近岸海域2006年和2011年夏有机污染指数(A) 变化范围分别为–0.7~4.49和–1.23~4.49, 水质良好海域分别占93.4%和96.4%[55], 2015和2016年8月A值均值分别为–0.30、0.83, 其中2016年夏铁山港出现中度污染, 营盘海域出现轻度污染[3, 56]。具体到北海半岛海域, 1996年铁山港未受到有机污染[36]; 涠洲岛珊瑚礁海域2013—2016年A均值为–0.24, 其中2013年出现轻度污染, 其余年份水质状况未达到污染水平[57]。本文北海半岛海域表层水体A值均值为1.85, 开始受到污染至重度污染站位(A > 1)占全部站位的61.9%, 铁山港、营盘和涠洲岛近岸海域A值均值分别为4.18(站位1~4)、1.44(站位7~9)和1.11(站位14~17), 说明北海半岛海域有机污染呈加重趋势, 铁山港尤为严重。
4 结论(1) 北海半岛海域夏季表层DIN、PO4-P和SiO3-Si含量均值分别为0.210、0.021和0.270 mg/L。铁山港营养盐由港内至港外递减, 营盘海域由近岸至远岸, DIN、SiO3-Si浓度先递减再增, PO4-P浓度表现递增, 涠洲岛海域及远岸各站点营养盐分布无明显特征。
(2) 北海半岛海域N/P、Si/N和Si/P含量均值分别为11.8、1.7和14.6, 47.6%海域受潜在N限制; 叶绿素a仅与COD显著相关, 与无机营养盐等环境因子相关性不显著, 说明影响夏季北海半岛表层水体叶绿素a含量的主要因素是有机质, 分析可能与海域微生物强烈降解作用相关。
(3) 北海半岛海域富营养化指数均值1.82, 铁山港富营养化程度最高, 由港内严重富营养至港外贫营养呈递减趋势; 营盘近岸7号站位中度富营养, 其余76.2%站位处于贫营养水平。北海半岛海域有机污染指数均值1.85, 良好和较好水质共占38.1%, 其余61.9%水质受到不同程度有机污染, 以铁山港水质污染最为严重。
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