2014年胶州湾营养盐结构特征变化及富营养化评价

高　磊，曹　婧，张蒙蒙，刘云龙

（国家海洋局北海环境监测中心　国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室，山东　青岛　266033）

2014年胶州湾营养盐结构特征变化及富营养化评价

高磊，曹婧，张蒙蒙，刘云龙

（国家海洋局北海环境监测中心国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室，山东青岛266033）

2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在胶州湾开展了6个航次的综合调查，研究了营养盐的时空变化特征和结构变化特征，并评价了海湾的富营养化状况。营养盐的浓度和结构变化特征表明，NH4-N和NO3-N是胶州湾海域DIN的主要存在形态。营养盐限制存在硅限制逐步转变为磷限制的趋势。富营养化研究表明，胶州湾整体处于磷限制中度营养-磷限制潜在性营养状态。

胶州湾；营养盐；结构特征；富营养化

胶州湾位于山东半岛南部，为青岛市半封闭海湾。湾内岸线长163 km，总水域面积423 km2，平均水深6～7 m，最大水深64 m，汇入湾内的河流有十几条，其中径流量最大的为大沽河和洋河。青岛市区的李村河、海泊河等5条河流基本无自身径流，河道上游常年干涸，部分河道中下游成为工业废水和生活污水的排污河［1］。近年来，伴随着胶州湾海洋经济的快速发展和沿岸污水排放的急剧增加，胶州湾海域营养盐浓度不断增加，2002年湾内大部分水域已呈现中度营养和富营养化状态，赤潮暴发频繁，营养盐结构也发生了明显变化［2］。

2008年奥运会后，青岛市人大通过了“环湾保护、拥湾发展”的战略规划。近年来，青岛市不断加强胶州湾海洋生态保护，颁布了《青岛市胶州湾保护控制线》，制定并出台了《关于胶州湾岸线治理保护三年行动计划实施方案（2013～2015）》、《2013～2015年环胶州湾流域污染综合整治方案》和《青岛市胶州湾保护条例》，强化环湾生态建设和保护，改善胶州湾生态环境质量。本文根据2014年对胶州湾海水的调查结果，分析营养盐的时空分布以及富营养化状况，为全面了解胶州湾的水质环境现状，分析水质环境变化提供资料，以期为胶州湾环境保护工作提供技术支持。

1　调查与方法

分别于2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在胶州湾开展了10个站位的综合调查（图1）。分析项目主要有温度（T）、盐度（S）、活性磷酸盐（PO4-P）、铵盐（NH4-N）、硝酸盐（NO3-N）、硅酸盐（SiO3-Si）亚硝酸盐（NO2-N）、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）和叶绿素a等，其中，无机氮（DIN）含量由NH4-N、NO3-N和NO2-N 3种组成。水温和盐度用海鸟CTD（SBE37 SM）在现场测定，其他项目采样后立即运送到实验室进行分析，样品采集及分析均按《海洋监测规范》（GB17378-2007）中的相关要求进行。

图1　调查海域和站位

2　结果与讨论

海洋中营养盐氮（N）、磷（P）、硅（Si）作为构成海洋生命活动的基本要素，是海洋生产力的重要物质基础，对海洋生物的生长繁殖和群落变化有着重要影响，其中任何一种要素都可能成为浮游植物生长的限制性因素［3］。

2.1空间变化特征

本调查海域DIN含量较高，调查期间DIN变化范围在（0.05～0.44）mg/L之间，海域平均值为0.31 mg/L；PO4-P变化范围在 （0.001～0.046）mg/L之间，海域平均值为0.009 mg/L；SiO3-Si变化范围在（0.07～1.18）mg/L之间，海域平均值为0.31 mg/L（表1）。

空间分布上，胶州湾北部营养盐含量较高，湾中央和湾口海区含量较低（图2～图4）。营养盐的高值区均出现在湾的东北侧及西侧，说明胶州湾的营养盐分布受青岛市区及黄岛区的沿岸排污影响。除个别月份外，整个胶州湾营养盐的平面分布呈现从湾底向湾口下降的空间变化。这与其它研究者的研究结论相同［4-5］。分析其原因，一是径流输入，沿海河流及排污口携带大量的营养盐入海；二是沿海养殖区的饵料投放和生物排泄物所携带的营养盐；三是湾底海水交换能力较弱，污染物扩散能力较弱。胶州湾海域入海河流众多，其中湾底受水质污染严重的大沽河影响，河口海域海水总体营养水平较高［6］。胶州湾西部聚集大量的养殖区，导致海水中营养盐浓度较高［7］。东北部海域主要是由于墨水河、白沙河、娄山河、李村河等造成的工农业废水及城市化生活污水排污［8-9］，近岸养殖［10］和水交换能力较弱［11］。

表1　2014年胶州湾6个月份的营养盐变化

图2　DIN的平面分布

图3　PO4-P的平面分布

图4　SiO3-Si的平面分布

2.2时间变化特征

胶州湾海域营养盐具有明显的季节变化特征，海水中氮、磷主要受海域周边工业、生活污水的排放、农业施肥的径流携带、海水养殖自身产生的营养物质和浮游植物生长消耗的影响。

调查期间DIN季节变化较小，8月份含量较低，10月份含量较高。表明DIN的含量除了受沿岸径流影响外，还与浮游植物数量有很大关联，8月浮游生物大量繁殖，叶绿素a含量达到最高值（表1），这些生物消耗了部分无机氮等营养盐，所以夏季无机氮含量较低，而后随之降水、养殖、浮游动物摄食、以及浮游植物死亡释放等原因导致夏末秋初海水营养盐再度升高。

PO4-P则明显出现6、7月份含量较高，8月份较低的特点。6、7月份PO4-P含量较高主要是由于3号、4号站PO4-P含量异常升高，原因可能是由于李村河、娄山河或沿岸河流排污口携带含磷量较高的污水排入湾内，造成当月湾内表层海水磷酸盐含量较高。

SiO3-Si主要受河流径流输入、浮游植物消耗和沉积物释放的影响。调查期间SiO3-Si出现明显的先降低后升高的变化趋势，即6、8月份含量低，3、10月含量高的特点。6、7月随着水温升高、光照加强，浮游植物开始增长，叶绿素a浓度在8月份达到高峰［12］。胶州湾浮游植物生长期间受到营养盐硅的限制［13］，6、7月份浮游植物大量生长期间SiO3-Si被消耗，该段时间SiO3-Si浓度处于低值。同时6月份后青岛市进入雨季，径流的输入促使海水中SiO3-Si浓度升高（图5）。

3种营养盐浓度时间变化的共同特点是，8月份含量较低，10月含量均明显升高。夏季（8月）的低值现象在不同年份差异较大，2003年［14］、2010年［2，15］表现为低值，而2004-2008年期间［16］多为高值。2000年以前大部分的研究结果表明胶州湾在夏、秋季营养盐含量较高，冬、春季浓度较低，主要是因为夏、秋季为雨季和养殖季节，大量外源性的营养盐输入胶州湾［16］。2014年无机氮平均浓度在8月最低在10月最高，活性磷酸盐平均浓度在8月较低，在6月最高，硅酸盐平均浓度在6月最低，3、10月较高。2014年的夏季营养盐时间变化的可能与降水量异常有关。根据青岛市水文局的信息，2014年降水较少，2014年平均降水量586.3 mm，比历年年降水量偏少14.6%，入海径流量的减少导致陆源入海的营养盐通量降低。同时由于8月份为浮游植物大量繁殖，消耗掉较多的营养盐，对比叶绿素a含量的季节分布（表1），进一步证明浮游植物的影响。

图5　2014年胶州湾营养盐月平均变化（mg/L）

图6　2014年胶州湾DIN中各组分占有比例的月平均变化

2.3DIN的结构变化特征

海水中DIN包括NH4-N，NO2-N和NO3-N 3种形态，它们在海洋生物饵料循环中起着非常重要的作用，其中NH4-N被吸收后直接进入浮游植物细胞内的N代谢系统，NO3-N则在细胞内先经过硝酸还原酶还原为NH4-N再被利用，当海水中高含量的NH4-N和NO3-N共同存在，浮游植物对NO3-N的摄取受NH4-N控制［17］。调查期间，NH4-N占DIN的比例为31.5%～49.3%，平均值为39.7%；NO3-N占DIN的比例为31.4%～61.2%，平均值为44.1%；NO2-N占DIN的比例为6.3%～25.6%，平均值为16.1%。由此可见，NH4-N和NO3-N是胶州湾海域DIN的主要存在形态（图6），在氧充足情况下，当达到热力学平衡时，水体中的DIN应以NO3-N为主要形态［18］，未达到热力学平衡时，以NH4-N为主要存在形态，NO2-N属于热力学不稳定状态，含量通常很低。NH4-N可通过硝化反应转化为NO3-N，而且这种硝化反应随温度的增加而加强［19］，因此调查海域的NO3-N随水温升高所占比例逐渐增大，到10月份水温降低而减小，3月份NO3-N比例较高的原因可能是由于当月DO的含量较高，水体含氧较充足（表1）。

2.4Si：N：P及营养盐限制

海水中适宜的Si：N：P比有利于浮游植物的生长和繁殖，反之，其中某种营养盐的缺乏将限制生物的生长和繁殖［20］。Redfield等［21］针对硅藻的营养需求，提出化学计量的营养盐限制标准，JUSTIC等［22］在总结前人的研究基础上，考虑了各种藻类对营养盐吸收，提出的限制标准（表2），若Si：P＞22和N：P＞22，则PO4-P为限制因素；若N：P＜10和Si：N＞1，则DIN为限制因素；若Si：P＜10和Si：N＜1，则SiO3-Si为限制因素。

根据本文6个月的监测结果，除4号站6、7月外，胶州湾内海域N：P基本高于22，各月均值变化范围为81.0～298.6，其中8月份最高，10月份最低；除部分站位外，监测区域Si：P基本高于22，各月均值变化范围为21.9～123.6，其中8月份最高，6月份最低。N：P和Si：P时间上变化趋势相似，3月份到6月份逐渐减小，6月份后升高，到8月份达到峰值，10月份又减小。除部分站位外，监测区域Si：N基本小于1，各月均值变化范围为0.24～0.75，其中6月份最低，3月份最高。时间上呈现先降低后升高的趋势，6月为波谷（图7）。

图7　2014年胶州湾营养盐比值月平均变化

调查结果显示（表2），胶州湾调查区域不存在DIN限制，而P与Si均存在相对于DIN的限制，P限制更加显著，除6月和7月有部分站位Si：P＜10外，其他月份均为P限制，表明P为胶州湾的主要限制因子，其次为Si。杨东方等［13］根据1991-1994年调查结果指出，胶州湾海域整体为硅限制，姚云等［14］2003年5月至2004年3月调查期间，硅为限制因子的可能性占全部调查次数的1/2，但姚云等同时指出，调查水域磷限制的可能性虽有增加，但依然很小，硅为限制因子的可能性减少了，N仍然不可能限制浮游植物的生长。董兆选等［23］根据2009年调查结果指出，胶州湾整体处于磷限制。结合历史文献胶州湾营养盐限制变化趋势及本次研究结论，说明近年胶州湾水域磷限制的可能性增大，但确切的结论仍需进一步的调查研究确定。

表2　2014年胶州湾各站位营养盐限制因子概率

表3　营养级的划分原则

3　富营养化评价

2014年调查结果分析显示，胶州湾水域氮磷比较高，存在营养盐限制特征，因而其富营养化得不到实质性意义，郭卫东等［24］提出了潜在性富营养化的概念和营养级分级模式（表3），并指出1993年胶州湾属于贫营养。

表4　2014胶州湾各月份富营养化评价结果

本次评价结果显示，胶州湾整体处于磷限制中度营养-磷限制潜在性营养状态，从表4～表5可以看出，PO4-P浓度均低于0.03 mg/L，N/P均大于60，限制的主要因子为DIN浓度，DIN浓度较低的月份，富营养化水平较低。

从空间上看，1、6、7、10号站位营养级为ⅣP，其他站位为ⅥP，说明湾中心及湾口富营养化水平较低，湾底受近岸径流及养殖区的影响，潜在性富营养化等级较高。

表5　2014胶州湾各站位富营养化评价结果

4　结论

（1）胶州湾海域营养盐分布呈现明显的从湾底向湾口下降的空间变化，营养盐分布受青岛市区及黄岛区的沿岸海排污影响较大。

（2）3种营养盐共同的特点是，8月份含量较低，10月含量均明显升高，浮游植物生长对营养盐时间变化影响显著。

（3）胶州湾调查区域不存在氮限制，磷限制的可能性增大，硅为限制因子的可能性减少。

（4）胶州湾整体处于磷限制中度营养-磷限制潜在性营养状态，一旦水体得到适当的磷的补充，在适宜的物理因素下，过剩的氮将会使海区的富营养化水平提高，将会有爆发赤潮的危险。

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Assessment on the Change of Nutrient Structure and Eutrophication in the Jiaozhou Bay in 2014

GAO Lei，CAO Jing，ZHANG Meng-meng，LIU Yun-long
North China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Key Laboratory of Marine Oil Spill Identification and Damage Assessment Technology，SOA，Qingdao 266033，Shandong Province，China

The temporal and spatial variation characteristics and structural changes of nutrients are studied through 6 voyages of comprehensive survey in March，May，June，July，August and October in 2014 in the Jiaozhou Bay.The eutrophication status of the Jiaozhou Bay is also assessed.The concentration and structural change of nutrients indicate that NH4-N and NO3-N are the main form of inorganic nitrogen in the Jiaozhou Bay，and PO4-P and SiO3-Si are both absolute and relative limitations，with PO4-P limitation being more serious.There is a trend of silicon limitation to phosphorus limitation.The results of eutrophication assessment show that the whole Bay is in middle-phosphorus-limiting to phosphorus-limiting potential eutrophication.

JiaoZhou Bay；nutrient；structural characteristics；eutrophication

P734.2

A

1003-2029（2016）04-0066-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.013

2016-02-10

2015年度北海分局海洋科技项目资助（2015B03）；山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室2015年度开放基金资助项目（201501）

高磊（1983-），男，工程师，主要从事海洋环境监测与评价研究。E-mail：gaolei@bhfj.gov.cn