近25年广西北部湾海域营养盐时空分布特征

2015-12-07杨静张仁铎赵庄明翁士创李凤华

生态环境学报 2015年9期

杨静，张仁铎，赵庄明，翁士创，李凤华

1. 中山大学环境科学与工程学院，广东广州 510275；2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510655；3. 水利部珠江水利委员会水文局，广东广州 510611；4. 广西海洋环境监测中心站，广西北海 536000

杨静1,2，张仁铎1，赵庄明2，翁士创3，李凤华4

营养盐含量和结构的变化可反映海域潜在的生态安全。为广西北部湾经济区实施差别化的分区可持续发展战略提供数据基础，找出广西不同海湾营养盐的时空变化差异特征及影响因素，在全面梳理1990─2014年广西北部湾近岸海域水质监测数据的基础上，采用富营养化指数法对该水域主要海湾的湾内、湾口、湾外的富营养化状态、营养盐及无机氮组成的时空变化特征进行研究。结果表明，广西北部湾近岸海域富营养化状态总体良好，时空分布受入海径流及海域水团的影响，年际随入海径流量波动，营养盐质量浓度呈湾内-湾口-湾外递减趋势，位于沿岸水团的湾内采样点，出现中度/重/严重富营养，富营养化指数范围4.5～17.2，位于混合水团的湾口、湾外采样点，处于贫营养，富营养化指数低于0.5。溶解态无机氮与溶解态无机磷高值区的空间分布与富营养化指数基本一致，以硝态氮为主的无机氮污染比无机磷污染严重。多数点位氮磷比常年大于Redfield比值，处于磷限制状态。钦州湾内、廉州湾内、廉州湾口和大风江口是富营养化最为严重的水域，无机氮磷质量浓度长期劣于四类海水标准限值，而呈磷限制状态，氮磷比分别高达 202、132、142、224，容易在磷污染增高时，爆发富营养化，应特别加以监测与控制。

广西北部湾；富营养化；营养盐；无机氮组成；时空变化

广西北部湾海域地处我国西南端，位于东经107°28′～109°51′，北纬20°54′～22°28′之间，海岸线全长1628.6 km，沿海岸线自东而西分布着铁山港湾、廉州湾、钦州湾、防城港湾、珍珠港湾、大风江口等 10多个大小港湾和河口（中国海湾志编纂委员会，1993)。二十多年来，区域产业布局由内陆向沿海发展，生态环境问题亦由陆地向海洋发展。随着广西北部湾经济区建设上升为国家发展战略，北部湾经济区、西江经济带“双核驱动”战略的深入实施，北部湾的重化产业布局和临海工业发展进一步显现，北部湾海域的生态系统将受到人类活动的巨大胁迫，该海域的生态安全问题成为社会关注的热点（Meng et al.，2013；Liu et al.，2011），而营养盐含量和结构的变化可反映海域潜在的生态安全（Gong et al.，2014），因此，对北部湾海湾营养盐时空分布进行长期调查观测，探讨其演变规律，成为当前北部湾经济区可持续发展的重要课题。关于广西北部湾海域营养盐长期变化，迄今已有一些研究文献，主要是针对钦州湾（韦蔓新等，2003；蓝文陆，2011；徐敏，2012）、铁山港湾（蓝文陆等，2011）、廉州湾（韦蔓新等，2011）等单个重点海湾营养盐变化研究，但对于整体的广西北部湾海域营养盐长期变化研究，不同海湾间营养盐的空间变化差异，以及海湾营养盐结构变化特征的研究报道有待补充。本文基于 1990─2014年枯水期、丰水期营养盐的调查研究资料，按湾内、湾口、湾外分别比较，对各海湾的富营养化水平、营养盐及无机氮结构组成的时空变化特征进行全面剖析，从而为评估广西北部湾生态环境的长期演变、实施差别化的分区可持续发展战略提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究的基础资料来自 1990、1995、1998─2010、2012─2014年广西近岸海域水质监测的结果，监测点分布在北纬20.80°～21.91°、东经108.15°～109.94°之间。研究海域面积约0.91万km2。本次研究共选取17个常规监测代表站位（图1）。监测站位的选取主要考虑水域功能与区划特征、陆源污染的影响作用，并能较好表征主要海湾的湾内、湾外水质，同时保证与历史资料具有可比性，从而可以较好地反映广西北部湾近岸海域近 25年的生态环境状况。

图1 广西近岸海域水质监测站位分布Fig. 1 Distributions of water quality sampling sites in the coastal seawaters of Guangxi

1.2 数据收集与处理方法

对于长期变化趋势分析，考虑到监测站位的空间差异性，分别对湾内、湾口、湾外的监测站位进行分析，监测站位情况见表1。

表1 监测站位及分类Table 1 Sampling sites and their classification

为保持数据的可比性，年度长期变化分析统一取枯水期与丰水期的平均值。溶解态无机氮（DIN）为水体中溶解态亚硝态氮、硝态氮以及氨氮三者含量之和，溶解态无机磷（DIP）为水体中活性磷酸盐的含量。

1.3 样品采集与分析方法

广西海洋环境监测中心站分别于每年3月和7─8月在广西近岸海域开展2个航次水质调查（调查站位见图1）。调查项目包括化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、溶解态无机磷等。样品的采集、固定、分析及数据处理均按《海洋监测规范》和《近岸海域环境监测规范》执行，水深小于10 m采表层样品，水深大于10 m分别采表、底层样品；化学需氧量采用碱性高锰酸钾法，氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮分别采用次溴酸盐氧化法、镉柱还原法、N-1萘乙二胺光度法，溶解态无机磷采用钼蓝萃取分光光度法。

1.4 富营养化评价方法

采用《近岸海域环境监测规范》（HJ442─2008）中的富营养化指数评价近岸海域富营养化状况（按表2等级划分指标确定）。富营养化指数（E）以海水中无机氮、无机磷质量浓度为基本要素，以化学需氧量质量浓度升高表征海水富营养化间接环境生态效应，计算公式为：

表2 水质富营养等级划分指标Table 2 The classification Indexes of Eutrophication (E)

COD、DIP、DIN质量浓度单位为mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 富营养化状态的变化

北部湾属于半封闭海湾，受陆源影响较大，因此其污染物扩散与近岸海域的水文特征密切相关（Placenti et al.，2013），同时也受外海海流混合过程影响（（Pelland et al.，2014；尹艳娥等，2014）。由图2可见，北部湾的富营养化指数从湾内向湾外降低（图2a、b、c），其分布与该海域的3个水团（沿岸到外海：沿岸水团、混合水团和湾外南海水团）（苏纪兰，2005）的形成有关。沿岸水团由广西沿岸江河入海的径流与海水混合而成，受内陆径流影响最大，廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口和大风江口都呈现较高的富营养化状态（最高E=17.2、5.7、5.6、4.5），特别是随着近年来沿岸经济的高速发展，有较大径流输入的廉州湾（南流江、大风江）和钦州湾（钦江、茅岭江）达到了重富营养和严重富营养化的程度（图 2a）。然而，富营养化范围并未因湾内的逐年增高而向外扩张（图2b、c），这可能与混合水团的形成有关。混合水团是由海南岛以东的沿岸水经琼州海峡进入北部湾后混合形成，一定程度上阻挡了沿岸水团富营养化污染物向外输送。因此，位于混合水团的采样点（如铁山港湾口、湾外），富营养化程度均较低，历年处于贫营养状态（E范围0.03～0.50）（图2c）。

图2 广西北部湾水域富营养化指数1990─2014年年际变化Fig. 2 Annual variations of Eutrophication index (E) from 1990-2014 in the seawater of Guangxi Beibu Gulf

沿岸水团的势力强弱与江河汛期径流大小有关，年际变化较大，近岸海域的污染物质量浓度也会随之变化（Orozco-Durán et al.，2015）。如，廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口和大风江口的富营养化指数逐年波动，并且随着污染程度的增高，波动越加明显。以这4个高E值区为例，其富营养化指数与该采样点的盐度呈显著的负相关关系（r=-0.587、-0.416、0.730、-0.518；P=0.0001、0.043、0.000、0.001），说明陆源径流的冲淡水是该海域污染的主要载体。此外，代俊峰等（2011）研究发现的北部湾入海河流的径流量不仅与气候条件有关，水资源利用等人类活动干扰也有很大贡献，这又进一步增加了污染物质突增的风险，并且沿海地区工业化进展加快使得海洋食物链发生变化，赤潮风险增加（He et al.，2015；童永彭等，2015）。因此，具有高E值的廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口和大风江口均容易爆发富营养化，应加以监测与控制。

2.2 氮磷营养盐的时空变化

氮磷是富营养化的关键元素，同时也作为污染物被定期监控。从年际变化来看，各点氮磷污染与富营养化状态相近，径流是主要的控制因子，高污染区的氮磷年变化呈波浪起伏（图3）。以《海水水质标准》（GB3097─1997）为评价依据，廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口和大风江口的DIN自2000年后即处于四类或劣四类水，是主要的氮污染区，其中廉州湾内近年来污染越趋严重，远超四类海水标准限值（DIN2014=0.92 mg·L-1）；值得注意的是廉州湾口DIN从2006年后突增，水质降为四类，除了受廉州湾内历年的影响外，很可能存在其他新的污染源有待调查。其他湾内、湾口以及所有湾外水域的DIN则处于一类或二类水平。对于DIP质量浓度：1990─2000年DIP质量浓度均未检出（检出限0.01 mg·L-1），优于一类清洁水平；2000─2007年 DIP质量浓度较 2000年前水平有上升趋势，但总体变化不大；2008年后，除珍珠湾内、钦州湾口和湾外水域仍保持较优水质外，大部分湾内湾口DIP最高值已处于二、三类水平，甚至劣于四类海水（廉州湾内、廉州湾口、大风江口和防城湾内DIP2014=0.051、0.041、0.032和0.031 mg·L-1），说明磷污染已趋严重。

近岸海域DIN和DIP主要受陆源排放的影响（郑丙辉等，2008；周毅频等，2012），由图3可见，由外海到内湾逐渐严重，特别是个别内湾及江口（廉州湾内与大风江口），已达到四类甚至劣四类水平。研究表明，DIN主要来源于入海河流与水产养殖，DIP则以水产养殖为主要来源（何玉新等，2005；韩保新等，2013）。高值区廉州湾内有广西北部湾海域径流量大的入海河流南流江、北海市主要的排污河七星江等汇入，同时廉州湾内还是北海市主要的水产增养殖区；廉州湾口聚集北海市大部分的直排入海混排口，包括北海市红坎污水处理厂排放口；大风江口汇入了大风江及周边的小河溪，也是钦州、北海两市的养殖基地，同时受到廉州湾的污染输移影响。因此这两个监控点均处于氮磷复合污染的情况。而钦州湾虽是我国著名的茅尾海大蚝和鲈鱼养殖基地，但此两种养殖产磷污染较低，所以钦州湾内主要受流经钦州市的钦江的影响，呈现DIN为主的污染特征。其他水域，氮磷污染均处于较低的水平。

图3 北部湾水域溶解性无机氮、磷时空变化Fig. 3 The temporal and spatial variations of dissolved inorganic nitrogen and phosphorus in the seawater of Guangxi Beibu Gulf

2.3 营养盐结构

广西北部湾近岸海域营养盐结构与污染水平特征相关，高污染区DIN以NO3--N为主，如钦州湾内、廉州湾内、大风江口，NO3--N所占比例大于70%，NH4+-N比例则在20%以下（图4），与前人的在钦州湾内的研究结果相似（蓝文陆，2011），与以NH4+-N为主要组成的一些近海区域，如胶州湾（沈志良，2002；孙晓霞等，2011）、渤海湾（沈志良，1999）、深圳湾（孙金水等，2010）的研究结果不同。其原因是钦州湾内、廉州湾内、廉州湾口和大风江口的氮源主要以长距离的河流输送和水产养殖为主，其中长距离的河流输送占优势，类似长江口水域（王芳等，2004；李磊等，2010），从河流到北部湾的输送过程中，生活污水的NH4+-N部分被氧化为NO3-N，DIN已达到热动力平衡状态。其他水域DIN虽也以NO3--N为主要组分（基本占到40%～60%），但与NH4+-N所占比例较为接近，接近南海外海区NH4+-N比例（温伟英，1991），然而，近年来NH4+-N比例有所上升预示着人类活动的影响逐渐增加。所有水域 NO2--N基本维持低于10%的水平。

图4 广西北部湾水域铵态氮及硝态氮所占百分比（空心圆表示2012─2014年数据）Fig. 4 Percentages of ammonia and nitrate in the seawater of Guangxi Beibu Gulf (Hollow cycles represent the data of 2012—2014)

作为重要的水环境指标，氮磷比（N/P）常用于表征营养盐结构，特别是易被水体生物利用的溶解性无机氮磷比（DIN/DIP，本文以此作N/P）（张伟等，2015）。从 1995─2007年期间上述水域的N/P比值变化趋势上看，DIP浓度总体随时间上升，N/P比值总体呈下降趋势。然而，由于氮污染的程度远大于磷污染（见2.2），北部湾水域的N/P比值持续大于Redfield比值（16）（Sanudo-Wilhelmy et al.，2004；Lenton et al.，2007），为磷限制状态（图5），特别是污染程度较高的湾内及湾口区，N/P变化范围较广，极值高，廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口、大风江口的氮磷比最高值分别达202、132、142、224。说明人类活动已对水体变化产生极大的影响，一旦有突发磷污染，极易造成富营养化爆发。珍珠湾内、防城湾内以及所有湾外，有若干年份N/P比值低于Redfield值，但这些水域的氮磷污染较轻（图3），发生富营养化的风险较低。

图5 广西北部湾水域N/P比值分布（空心圆表示2012─2014年数据）Fig. 5 The nitrogen to phosphorus ratios in the seawater of Guangxi Beibu Gulf (Hollow cycles represent the data of 2012—2014)

3 结论

（1）广西北部湾近岸海域随近年来经济的快速发展，富营养化状态受陆源径流影响年际间波动上升；其空间分布受洋流水团控制，局部湾内及湾口（廉州湾内、钦州湾内和大风江口）富营养化严重，但未扩散至其他海域。然而，具有高E值的廉州湾内、钦州湾内、廉州湾口和大风江口同时也是入海径流量较大的地区，均容易爆发富营养化事件，应加以监测与控制。

（2）北部湾DIN、DIP高值区的空间分布与富营养化指数基本一致，以氮污染为主。径流量大的南流江、钦江、大风江入海河流携带的大量陆源污染物和廉州湾内、钦州湾内水产养殖，以及北海市混排口的汇入是广西北部湾近岸海域主要的营养盐来源，对廉州湾内及湾口、钦州湾内、大风江口等水域水质影响明显，水质常年处于四类水以下。

（3）DIN污染以NO3--N为主，年际变化不大，空间分布特征表现为：NO3--N比例从河口、湾口至湾外降低。径流量大的入海河流为河口输入大量的DIN以NO3--N为主，湾外DIN的NH4+-N比例受陆源输入影响小、接近南海外海区的NH4+-N比例，但近年较清洁水域的NH4+-N比例逐渐上升，应加以监控。

（4）北海湾水域的N/P比值长期大于Redfield比值（16），为磷限制状态，特别是污染程度较高的湾内及湾口区（钦州湾内、廉州湾内、大风江口），一旦有突发磷污染，极易造成富营养化爆发，在控制氮污染的同时应密切监控磷污染水平，加强氮磷输入的协同控制。

致谢：北部湾经济区沿海重点产业发展战略环境评价项目海洋生态环境专题的全体人员为资料收集工作提供了大量帮助和支持，环境保护部华南环境督察中心韩保新研究员对论文写作给予指导，谨致谢忱。

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Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Nutrients in the Coastal Seawater of Guangxi Beibu Gulf during the Past 25 Years

YANG Jing1,2, ZHANG Renduo1, ZHAO Zhuangming2, WENG Shichuang3, LI Fenghua4
1. School of Environmental Science and Engineering of Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China; 2. South China Institute of Environmental Sciences, MEP, Guangzhou 510655, China; 3. Hdrology Bureau of Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China; 4. Marine environmental monitor center of Guangxi, Beihai 536000, China

The concentrations of nutrients and their changes ; can indicate potential ecological risks in seas. In order to support the implementation of a differentiated and sustainable development strategy in the Beibu Gulf Economic Zone, we studied the distributions of nutrients in Beibu Gulf, Guangxi, China, using seawater monitoring data from 1990─2014, where we focused on the temporal and spatial variations in nutrients and related factors. The eutrophication index was employed to study the eutrophication status, nutrient levels, and inorganic nitrogen composition from the inner gulf to the outer gulf. The results showed that the overall eutrophication status was good. The concentration of nutrients varied with the annual runoff and the distribution of nutrients controlled by water masses decreased from the inner gulf to the outer gulf. Thus, mesotrophic, eutrophic, and hypertrophic conditions were detected in the inner bay sites located in the coastal water mass, where the eutrophication index ranged from 4.5 to 17.2. Oligotrophic conditions were found in the outer bay sites in the mixed water mass, where the eutrophication index was <0.5. The spatial variations in the area with high dissolved inorganic nitrogen and dissolved inorganic phosphorus agreed with the area with a high eutrophication index. Nitrate dominated the dissolved inorganic nitrogen pollution, which was much higher than the dissolved inorganic phosphorus. The nitrogen to phosphorus ratios were higher than the Redfield value (16) in most years when monitoring was conducted, thereby indicating that the water was in a phosphorus-limited state. The Qinzhou inner bay, Lianzhou inner bay, the mouth of Lianzhou bay, and Dafeng River were the most eutrophic sites, where the water qualities were worse than the IV level in terms of the dissolved inorganic nitrogen, and the nitrogen to phosphorus ratios were as high as 202, 132, 142, and 224, respectively. Eutrophication control should be conducted in these sites, especially to reduce the phosphorus levels, due to the high risk of eutrophication with large amounts of nitrogen pollutants and in phosphorus-limiting conditions.

Beibu Gulf; eutrophication; nutrients; DIN composition; temporal and spatial variation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.011

X55

1674-5906（2015）09-1493-06

杨静，张仁铎，赵庄明，翁士创，李凤华. 近25年广西北部湾海域营养盐时空分布特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(9): 1493-1498.

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国家自然科学基金项目（51179212）；环境保护部“区域和行业重大发展战略环境评价”财政专项项目（20110203）；环保公益性行业科研专项项目（200909046）

杨静（1977年生），女（苗族），高级工程师，博士研究生，主要从事海岸带与近海环境管理研究。E-mail: yangjing@scies.org

2015-04-16