钦州湾海洋环境的富营养化水平评价及其对浮游植物叶绿素a的影响

康建华,林毅力,王雨,蓝文陆

(1.自然资源部第三海洋研究所 厦门 361005;2.广西壮族自治区海洋环境监测中心站 北海 536000)

0 引言

钦州湾是广西近岸海域规模最大的一个港湾,钦江、茅岭江和大风江等河流注入该海湾,钦州湾内部的茅尾海是中国最重要的蚝苗培育和大蚝生产基地之一。随着“海上丝绸之路”和“广西自由贸易试验区”的建设以及茅尾海国家级海洋公园的建立,钦州港区位和资源优势逐渐凸显,茅尾海的重要性也日益提高。近年来,钦州湾水产养殖业规模不断扩大,工业化和城市化的加剧严重威胁海洋生态系统的结构[1],生态环境安全问题随之成为重要的关注点[2-3],而与生态环境安全密切相关的化学需氧量(COD)和营养盐参数则成为学者们研究的重点[2]。据报道,茅尾海的氮、磷和COD浓度不断增加,富营养化趋势逐渐加重,不仅导致生态系统退化,渔民渔业减产,甚至已影响到人类的健康安全[4]。公众对富营养化的强烈关注也促使评估富营养化的科学研究的水平不断提高。叶绿素a是海洋系统最基本也是关键的生态参数,它的分布包含海区基本的生态过程信息和生态系统的动力学特征,目前的研究中,以叶绿素a浓度代表的浮游植物生物量作为水体富营养化、藻华和生产力高低的评判标准也被普遍接受[5]。因此,研究其与富营养化水平的关系理所当然地成为任何一个海洋生态系统安全评价的关键点。

为了解决富营养化威胁生态环境安全的问题,世界范围内的学者们已经开发了许多综合评估方法[6],其中以化学指标为主的营养指标方法在中国近岸水域得到广泛的应用[7]。近年来,有关钦州湾海域营养盐特征和富营养化及其对生态影响的研究相对较少[8-11],而经济的发展,养殖业和其他工业的不断扩大却导致陆源入海污染不断增多,污染数量和范围也不断增大,营养盐和浮游植物生物量水平也处于不断的变化当中。本项研究工作的主要目标是确定钦州湾营养水平的分布和变化,使用单因子污染和富营养化指数方法评估钦州湾富营养化状况及其对基础生态参数浮游植物叶绿素a的影响,以期帮助开发和管理人员用合适的方法评估钦州湾生态环境的长期演变,为保证实施海洋可持续发展战略提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集和测定方法

本研究在钦州湾一共设置16个调查站位(图1),调查时间为2015年11月。每个站位水样通过HYDRO BIOS采水器分层采取,采样层次为表层和底层。

图1 钦州湾采样站位

叶绿素a的测定方法按照《海洋调查规范》[12](GB/T 12763.6—2007)推荐的萃取荧光法进行。每份水样取375 m L,加入两滴1%碳酸镁溶液,用Whatman GF/F玻璃纤维滤膜过滤,收集的滤膜用90%丙酮萃取,定容至10 m L,放置冰箱内低温(0℃)下萃取20～24小时后,用TURNER-10-AU-005-CE荧光仪测定。

COD和营养盐的测定方法则按照《海洋监测规范》[13](GB17378.4—2007)所规定的方法进行,其中COD浓度采用碱性高锰酸钾法进行测定,硝酸盐(NO3-N)采用镉柱还原法、亚硝酸盐(NO2-N)采用萘乙二胺分光光度法、铵氮(NH4-N)采用次溴酸盐氧化法、磷酸盐(PO4-P)采用磷钼蓝萃取分光光度法、硅酸盐(SiO3-Si)则采用硅钼黄法分别测定。

1.2 评价方法

1.2.1 单因子污染指数法

目前判断海水水质污染程度主要研究的指标是COD、溶解无机氮(DIN)、溶解无机磷(DIP),采用的评价方法是《近海海洋环境监测规范》[14]提出的单因子污染指数法。具体的计算公式如下:

式中:Pi为污染物i的污染指数;Ci代表污染物i的实测值;Si代表污染物i的第N类(N为一、二、三、四)评价标准阈值。本研究以我国《海水水质标准》[15]第N类(N为一、二、三、四)的标准阈值作为评价标准。当Pi＞1时,表明水质超标第N类,如果Pi≤1时,表明水质符合第N类标准。

1.2.2 富营养化指数法

海水富营养化水平采用的评价方法是《近海海洋环境监测规范》[16]提出的富营养化指数法。具体的计算公式如下:

式中:E为富营养化指数(无单位),CCOD、CDIN、CDIP分别代表COD、DIN、DIP的浓度(单位为mg/L)。当E＜1时,表明水质处于贫营养状态;1≤E＜2时,水质处于轻度富营养状态;2≤E＜5时,水质处于中度富营养状态;5≤E＜15时,水质处于重度富营养状态;E≥15时,水质处于严重富营养状态。

2 结果

2.1 海水COD和营养盐水平分布

钦州湾COD、DIN和DIP以及SiO3-Si的水平分布特征如图2所示。COD平均值为1.44 mg/L,变化范围为0.65～2.49 mg/L,从湾顶的茅尾海向湾外逐渐增加。DIN和DIP以及SiO3-Si平均值分别为0.21 mg/L,0.018 mg/L,1.16 mg/L,变化范围分别为0.04～0.49 mg/L,0.001～0.043 mg/L,0.13～2.62 mg/L,平面分布的变化与COD相似,均表现为沿着盐度增加的梯度从湾顶向湾外逐渐降低,DIP在湾外几乎接近于零。

2.2 海水富营养化水平的评价

2.2.1 单因子污染指数法评价结果

单因子污染指数法的评价结果如图3所示。从COD单因子污染指数来看,除茅尾海内的4个测站不符合一类海水水质标准外,其他站均达一类水质标准,未受COD污染。DIN单因子污染指数则显示调查海域不符合一类海水水质标准的范围有所扩大,已高达一半站位,其中茅尾海内的2号和4号站劣于二类标准,1号和3号站甚至劣于三类标准。DIP单因子污染指数表明不符合一类海水水质标准的站位与DIN基本一致,不同的是茅尾海内的4个测站均劣于三类标准。

图2 钦州湾COD(mg/L)和营养盐(mg/L)的平面分布

综合来看,COD、DIN、DIP在钦州湾的茅尾海内部均有超标现象,部分站位的DIN、DIP甚至劣于三类标准,污染较严重。但也有近一半的站位达到一类海水水质标准,未受任何污染,这些站位多集中于远离近岸的外湾。

图3 钦州湾不同水质标准下不同污染物的污染指数

2.2.2 富营养化指数法评价结果

图4结果表明,钦州湾富营养化指数E的变化范围介于0.00～11.83之间,平均为2.67。从图5可以看出,富营养化指数E空间分布特征与营养盐基本保持一致,总体呈现从湾顶向湾外逐渐降低的分布趋势。根据富营养化分级指标,茅尾海内部的富营养化指数E平均为8.63,处于重度富营养化状态,其中以钦江口、茅岭江口的富营养化程度最为严重。连接茅尾海和外部的“咽喉口”航道上处于中度富营养化状态,茅尾海入海口区域情况相对好转,为轻度富营养化状态。由茅尾海入海口区域向外发展,则全部显示为贫营养化状态。

图4 钦州湾富营养化指数的评价结果

图5 钦州湾富营养化指数E的水平分布

2.3 叶绿素a的水平分布

叶绿素a的平面分布由湾顶向湾外总体呈现低-高-低的趋势(图6)。钦州湾叶绿素a的平均值为2.93 mg/m3,变化范围为1.13～8.52 mg/m3,最高值出现在防城港核电站排水口附近的9号站,最低值则位于外湾最远端的16号站。值得注意的是,受径流影响强烈、污染和富营养化皆较重的茅尾海内,叶绿素a值在高营养盐条件下并未保持高值,平均仅1.83 mg/m3。

图6 钦州湾叶绿素a(mg/m3)的水平分布

3 讨论

3.1 富营养化水平的原因分析

单因子污染和富营养化指数法的评价结果表明,钦州湾的污染状况和富营养化程度从湾顶至湾外呈现由重至轻的梯度变化,进而形成了两个“极端区域”:一个是湾顶的茅尾海,污染指数劣于三类海水水质标准并重度富营养化;一个是外湾21.4°N以南,污染指数符合一类海水水质标准并贫营养化。

表1展示了富营养化指数E和海洋环境因子的相关性。结果显示,富营养化指数不仅与COD及营养盐显著正相关,同时和温度(T)、盐度(S)、真光层深度(Zeu)、p H、溶解氧(DO)之间存在着显著的负相关关系。该结果同时反映了COD与DIN、DIP和SiO3-Si的同源性,揭示河流输入是它们的主要来源,这与多数学者的分析结果一致[11,17]。

表1 富营养化指数E和海洋环境因子的相关性

从地形上来看,茅尾海作为一个相对较封闭的河口湾,同时受到钦江和茅岭江的入海河流输入的影响,盐度相比外湾明显更低[18]。由于河流带来大量的泥沙,导致真光层深度Zeu以及DO较外湾低,而咽喉段的存在对于茅尾海内污染物的扩散和降解来说,起到一个巨大的阻滞作用,这将直接拉长污染物在茅尾海内的停留时间[19]。从营养盐上来看,茅尾海内DIN的平均值为0.43 mg/L,DIP为0.04 mg/L,SiO3-Si为2.43 mg/L,与近几年的研究结果相差不大。事实上,茅尾海由于国家海洋公园的建立以及红树林自然保护区的优势[20],政府保护性政策的及时干预使得我们在沿岸并没有发现较为集中的污水排放口,反而是大量的牡蛎养殖以及河流的输入成了高浓度营养盐和COD的主要来源[21]。

茅尾海的入海口区域,富营养化指数明显降低,平均值仅为1.28,表明河流和陆源带来的营养盐被迅速降低,一方面归因其湾内牡蛎等贝类和大虾等养殖滤食了大量的藻类和大颗粒的悬浮物[22];另一方面,这可能与入海口上方存在红树林湿地生态系统有关,有研究表明,陆源输入的DIN很大程度上会被红树林截留,从而减轻其营养负荷[11]。

钦州湾的外湾区域,富营养化指数几乎趋近于零,尤其是DIP的含量更是低于浮游植物生长要求的阈值下限,N/P(摩尔比)严重失衡(图7),硅藻等浮游植物表现为显著的磷限制[23]。这主要归因于外湾远离河口,主要受到外海水的影响,现场观测未发现大面积水产养殖,较少的陆源污水排放,加上浮游植物的生长消耗利用了大量的磷酸盐[20],三重因素导致其处于贫营养状态。

3.2 叶绿素a与环境因子的关系

表2展示了浮游植物叶绿素a和海洋环境因子的相关性。结果表明,叶绿素a与任何一个环境因子均不存在相关性。

表2 浮游植物叶绿素a和海洋环境因子的相关性

续表

图7 钦州湾叶绿素a与真光层深度和N/P的相关性

众所周知,叶绿素a的含量受到很多环境影响因子的影响,其中一种参数的极端限制可能会将其他因子的作用直接掩盖[24],在本次研究中,也发现了这种现象:当外湾的站位由于N/P的严重失衡(高于50)或者茅尾海内湾及湾口真光层深度严重下降(低于3.5 m)的情况下,浮游植物生长将受到严重限制,叶绿素a含量会明显下降。假设其中的一种极端限制不存在时,叶绿素a的其他影响因素则更容易直观显现。例如,本次研究中,当去除外湾极端磷限制的4个站时,叶绿素a和真光层深度则表现显著的正相关关系,当去除茅尾海内湾透明度较低的7个站时,叶绿素a和N/P则表现显著的负相关关系(图7)。这表明,只有在真光层深度(平均7.3 m)和营养盐(N/P平均30)同时相对较合适的情况下,浮游植物才能较好地生长,叶绿素a才有可能形成高值。由此可见,贝类等滤食大粒径的浮游植物,高浑浊度、严重富营养化的内湾,过度贫营养化、N/P严重失衡的外湾,均会对叶绿素a的提高造成不利影响。

本次调查叶绿素a最高值(8.52 mg/m3)的9号站位于防城港核电站的排水口,巧合的是9号站的温度(26.62℃)也是全海域最高的,并且其营养盐值也相对较高(DIN=0.21 mg/L,DIP=0.18 mg/L,SiO3-Si=1.00 mg/L)。虽然本次研究海域叶绿素a与温度并没有呈现出显著正相关关系,但正如前段分析的原因一样,极端环境因子可能把温度对浮游植物的作用有所掩盖。很多研究表明,热污染造成的区域性水温上升,会改变浮游植物的生物量和生产力、物种组成、多样性和生理习性,进而对整个生态系统的物质循环和能量流动造成影响[25-26]。应该说,热污染的生态影响是非常有可能存在的,仅靠一个航次的数据无法完全说明问题,需要更多、更长期的数据来系统地分析和研究浮游植物群落结构和生物量对核电站温排水响应的变动规律及其机制,长期不间断的监测结果不仅能有效评估污染影响区域的生态系统安全,而且对于保护和生态恢复以及人类的渔业生产同样具有非常重要的科学意义。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)COD、DIN、DIP、SiO3-Si、富营养化指数的水平分布均呈现从湾顶的茅尾海向湾外逐渐降低的趋势。湾顶的茅尾海,COD和营养盐的污染指数劣于三类海水水质标准并重度富营养化;外湾21.4°N以南,污染指数符合一类海水水质标准并贫营养化。叶绿素a的平面分布由湾顶向湾外总体呈现低-高-低的趋势,其最高值出现在防城港核电站排水口附近的9号站,最低值则位于外湾贫营养盐区域最远端的16号站。

(2)相关性分析显示,富营养化指数与COD及营养盐呈显著正相关关系,与温度、盐度和真光层深度Zeu、p H、DO呈显著负相关关系。造成茅尾海内重度富营养化的主要原因是河流输入、相对封闭的地形以及过度的牡蛎养殖。茅尾海入海口的富营养化缓解则主要归功于湾内贝类的滤食和红树林对营养盐的截留。而外海的贫营养化则是因为无大面积水产养殖,较少的陆源污水排放以及浮游植物对磷酸盐的大量消耗。

(3)叶绿素a在茅尾海和外湾两个区域均呈现低值,原因却各不相同:富营养化的茅尾海内主要是由于贝类滤食大量大粒径浮游植物和真光层深度严重下降引起,而贫营养化的外湾则是N/P严重失衡,浮游植物生长受磷限制导致。另外,核电站排水口附近的热污染很可能会引起叶绿素a含量的提高。

4.2 建议

结合目前的调查结果和历史资料来看,钦州湾近些年沿岸的工业、农业、养殖业等迅速扩展,该海域的生态环境承受的压力越来越大[27-28],而茅尾海更是由于养殖业的高度发达已呈现重度富营养化状态[29],企沙附近的防城港核电站温排水对海洋藻类的影响也初现端倪[30],对钦州湾的海洋资源进行合理开发利用的同时做到尽量降低对海洋生态环境的影响和破坏,保持海洋的可持续发展和利用,成为海洋开发和管理决策者们需要思考的问题。笔者仅就本研究的结果提出以下几点建议。

(1)鉴于茅尾海内污染和富营养化较为严重,建议严格控制污水排放,适当减少养殖规模,扩大红树林的种植面积,改善生态环境。

(2)由于钦州湾是一个半封闭的港湾,建议加强水质的监控和环境管理,通过铺设管道等措施将钦州湾附近沿岸的工业和生活污水集中排放于贫营养状态的湾外,尽可能减少湾内的污染。

(3)建议在防城港核电站排水口附近海域设置定点连续监测站位,定期分析和研究生物地球化学参数对核电站温排水以及富营养化响应的变动规律及其机制,为将来生态环境影响评估提供基础的科学参数。