四十里湾海域营养盐年际变化及影响因素研究

2013-08-14邢红艳孙珊马元庆白艳艳靳洋刘义豪秦华伟李斌

海洋通报 2013年1期

邢红艳，孙珊，马元庆，白艳艳，靳洋，刘义豪，秦华伟，李斌

（1.山东省海洋水产研究所，山东烟台 264006；2.山东省海洋环境监测中心，山东烟台 264006；3.山东省海洋生态修复重点实验室，山东烟台 264006）

海水中的营养盐作为海洋生产力的基础，是浮游植物生长的必需元素，也是海水富营养化的重要指标，其生物地球化学循环对海洋生态系统具有至关重要的作用（张正斌等，2004；张经1997）。海湾作为一片三面环陆的水体，由于受到陆源径流注入、工农业废水、城市生活污水排放和海水养殖排污等的影响，造成其富营养化，赤潮频发，破坏了局部海区的生态平衡，对渔业资源和海水利用等带来不良的影响，引发的环境问题越来越多的受到人们的关注（石洪华等，2008；刘慧等，2003；Liu et al，2005；Liu et al，2007）。

烟台四十里湾是我国北方典型的养殖区之一，位于烟台市莱山区北部海域，西北与芝罘湾相连，东邻养马岛，北有崆峒岛、担子岛，海岸线长20 km，面积约86.7 km2，属半封闭型海域，水体交换能力较差（单志欣等，2001）。四十里湾海水养殖历史悠久，是我国北方最早开展浅海海产养殖的海域之一，早在20世纪40年代就开展海带和裙带菜的养殖实验（吴玉霖等，2001；赵卫红等，2000）。根据山东省海洋环境监测中心监测记录，四十里湾从1998-2010年间，除2000、2003和2006年外，每年都有赤潮发生，富营养化程度比较严重。本文根据四十里湾2003-2010年5-10月6个月份海洋环境监测航次调查的资料，对该海域8年来的营养盐历史变化规律进行了深入研究，并对其影响变化因素和富营养化状况进行了简要分析，为深入掌握四十里湾污染变化形势，研究人类活动影响下典型海湾环境生态演变过程和机制，为维护和治理四十里湾海域生态环境提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

数据来源于2003-2010年5-10月份烟台近海赤潮监控区四十里湾赤潮监测。湾内设站位6个，从5月到10月每月1次，共6个航次，采样站位如图1所示。样品的采集、保存和分析均按《海洋监测规范》（GB 17378-2007）规定的方法操作，营养盐测定NO3-N采用锌镉还原法，NO2-N采用盐酸萘乙二胺分光光度法，NH4-N采用次溴酸盐氧化法，PO4-P采用磷钼蓝分光光度法，SiO3-Si采用硅钼黄分光光度法。c（DIN）=c（NO3-N）+c（NO2-N）+c（NH4-N）。

图1 四十里湾取样站位

2 结果与讨论

2.1 营养盐状况分析

烟台四十里湾海域8年来营养盐5-10月6个月份的平均值见表1。从表1可知，近8年来四十里湾海域DIN呈逐渐上升的趋势，2003年DIN浓度为 88.3 μg/L，而 2010 年浓度为 255 μg/L，是2003年的近3倍；PO4-P年际浓度变化范围在4.55～13.2 μg/L之间，增加的趋势不明显。与DIN类似，SiO3-Si也呈逐渐上升的趋势（2005年未测定）。因此，从研究结果来看，四十里湾营养盐在近8年平均含量有递增趋势；这与我国近岸、河口海域富营养化程度不断增高的趋势相一致（周斌等，2010；Zhang et al，2007）。

表1 四十里湾海域营养盐浓度及其比值平均值

季节变化上，DIN在春季（5月份）含量年际变化范围为38.6～214 μg/L，逐年增高的趋势较为明显（图1）；夏季（8月份），DIN含量年际变动幅度较大，整体上亦呈增高的趋势；秋季（10月份）DIN年际变化与春季类似，但含量明显高于春季；在调查海区，夏季和秋季正处于丰水期，受降雨、陆源输入的影响，营养盐含量整体较高。春季PO4-P含量随年际变化较小，维持在一个较低的水平；夏、秋季PO4-P年际波动较大，变化范围为4.10～15.6 μg/L，整体上高于春季。SiO3-Si在 3 个季节逐年上升的趋势均较明显，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季较低。整体结果表明，调查海域内N、P等主要形态营养盐浓度整体均高于20世纪90年代（赵卫红等，2000），且呈现历年升高的趋势，表明该海域环境有污染加重的趋势，这与近年来烟台市经济的快速发展而导致的人类活动加剧、陆源污染物输入量增加有关。

图2 营养盐年际变化

2.2 营养盐结构变化

研究表明，海水中的营养盐水平与结构对浮游植物的生长起着很重要的作用，适宜的Si∶N∶P的原子比值有利于浮游植物的生长和繁殖，当营养盐可以满足浮游植物生长时，海洋浮游植物的Si∶N∶P的原子比应为16∶16∶1（Redfield系数）（孙珊等，2010）。而从表1可以看出，Si∶N∶P的原子比8年来逐渐偏离了Redfield系数，呈不断升高的趋势，某一元素浓度偏离过高或过低都可能引起浮游植物的生长受到这一元素的限制。Dortch等（1992）提出了一个营养盐限制标准：（1）若Si∶P>22和N∶P>22同时成立，则PO4-P为限制因素；（2）若N∶P<10和Si∶N>1，则DIN为限制因素；（3）若 Si∶P<10 和 Si∶N<1，则 SiO3-Si为限制因素。由调查海域数据统计结果看（表1），四十里湾海域已从N、Si相对不足向供给充分的方向发展；同时可以看出四十里湾海域正向P相对缺乏方向演变，且趋势逐年加重，与有关研究结果基本一致（刘义豪等，2006）。

2.3 潜在性富营养化程度

海水中浮游植物按照Redfield系数摄取营养盐，一般必然有一部分N（对P限制水体而言）或P（对N限制水体而言）相对过剩；环境中过剩的N、P营养盐不能被浮游植物所利用，并未对富营养化有实质性贡献，因而应看作只具有一种潜在性，这种现象可称为潜在性富营养化（孙丕喜等，2006）。为了突出营养盐的限制特征,选取对浮游植物生长起瓶颈制约作用的DIN、PO4-P作为评价参数（表1），根据郭卫东等提出的潜在性富营养化评价模式对研究区域进行评价（表2）（郭卫东等，1998；曲丽梅等，2006）。评价结果表明,2003-2006年，四十里湾调查海域处于贫营养（Ⅰ）水平；2007-2010年，处于磷限制中度营养（ⅣP）水平。由以上分析可知，调查海域从贫营养逐渐过渡到中度营养状态，表现出潜在富营养化趋势的年份均为磷限制。

表2 营养级的划分原则

2.4 影响因素分析

近年来烟台市经济的快速发展，随着市政府东迁，在四十里湾的西南岸政治、经济、文化、教育、科研、体育等各类设施相继建成；2008年底仅高校在校生及教职工总数已超过15万人，全区常住人口达30万余人（高昊东等，2011）；显而易见，经济的快速发展和人口的急剧增加，势必加重湾内的污染负荷。因此，四十里湾海域生态系统正承受着越来越大的压力。

2.4.1 陆源营养物质的输入

汇人四十里湾的陆源污染物主要包括工业废水、生活污水和耕地、森林农业及畜牧业等排水。四十里湾近岸有耕地7 755公顷，山地森林155公顷（叶孟杰等，2006），农业化肥中含有的大量氮、磷等物质会随着雨水等排入湾内。辛安河污水处理厂一期工程于2003年底开始试运转，日排污水量从最初的2万t增加为现在的9万t，出水水质除总磷、硝酸盐氮、总氮不达标外，其它指标基本达到设计要求；二期工程于2008年4月投于运营，但牟平区汇集于鱼鸟河的污水和逛荡河部分污水仍直排人海（高昊质除总磷、硝酸盐氮、总氮不达标外，其它指标基本达到设计要求；二期工程于2008年4月投于运营，但牟平区汇集于鱼鸟河的污水和逛荡河部分污水仍直排人海（高昊东等，2011），部分排污无法统计。陆源污染物入海量年际变化见表3。

表3 陆源输入年际变化

2.4.2 养殖业污染

四十里湾扇贝养殖多为海湾扇贝、贻贝、栉孔扇贝等，养殖方式主要为浮筏养殖。浅海养殖面积由1998年的1.8万亩增至2005年的8.4万亩，周毅等（2002）对四十里湾多种经济双壳贝类和养殖中的污损动物的N、P排泄进行了测定，在这些动物的N排泄中，笼式养殖的双壳贝类NH4-N占总N排泄的平均值范围为70.8%～80.1%；在P排泄中，有机磷（DOP）约占总溶解磷（TDP）排泄的l5%～27%。对面积为1.8×104亩的养殖区而言，贝类的N、P排泄分别能满足浮游植物生产所需N、P的44%和40%；以2008年为例，贝类养殖及附着生物排泄总氮、总磷含量分别达到3 696 t/a、478 t/a，是陆源输入的两倍以上。由此可见，高密度的贝类养殖对海域营养物质的贡献是很显著的。

3 结论

（1）2003-2010年海洋环境监测航次调查的资料结果表明，8年来四十里湾海域营养盐DIN、SiO3-Si呈逐渐上升的趋势，PO4-P含量增加的趋势不明显。季节变化上，DIN含量在春季逐年增高的趋势较为明显，夏季DIN含量年际变动幅度较大，秋季DIN年际变化与春季类似，但含量明显高与春季。春季PO4-P含量随年际变化较小，维持在一个较低的水平；夏、秋季PO4-P年际波动较大，整体上高于春季。SiO3-Si在3个季节逐年上升的趋势均较明显，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季较低。在调查海区，夏季和秋季正处于丰水期，受降雨、陆源输入的影响，营养盐含量整体较高。

（2）调查海域Si∶N∶P的原子比8年来逐渐偏离了Redfield系数，呈不断升高的趋势；可以看出四十里湾海域正向P相对缺乏方向演变，且趋势逐年加重。潜在性富营养化评价模式评价结果表明，2003-2006年，四十里湾调查海域处于贫营养（Ⅰ）水平；2007-2010年，处于磷限制中度营养（ⅣP）水平。调查海域从贫营养逐渐过渡到中度营养状态，表现出潜在富营养化趋势的年份均为磷限制。

（3）工业废水、生活污水、农业及污水处理厂等陆源输入给四十里湾带来了大量的营养盐；湾内养殖的多种经济双壳贝类和养殖中的污损动物的排泄及其残留物对海域营养物质有着非常显著的贡献。

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