大亚湾水体营养盐分布特征及其生态环境效应
2024-01-05刘文勇王志良史华明张金尚
马 玉,王 翔,许 欣,刘文勇,王志良,史华明,张金尚,3
1.自然资源部南海调查中心,广东 广州 510300 2.自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室,广东 广州 510300 3.华南理工大学环境与能源学院,广东 广州 510006
全球60%以上的人口居住在距离海岸线≤100 km的沿岸地区,人类活动向近海输入了大量营养物质和有机颗粒物[1],尤其河口、海湾,是人类高强度活动的承载区域[2]。河口、海湾生态系统地处海陆交错地带,是海水和淡水交汇、混合的半封闭海域,是海陆相互作用耦合带、受陆源及人为活动入海通量影响的复杂环境区域,并为人类的生产和生活提供了重要的空间资源、丰富的实物资源和多样化的生态系统服务等(如渔业生产、工业生产、交通运输、污水处理、滨海旅游、气候调节等)[3-4]。海湾生态系统受人类活动影响最为显著,营养物质输入是关键因素之一[5]。而且,营养物质氮、磷、硅是海洋生态系统的基本组成要素,参与海洋浮游生物生长的新陈代谢过程,是海洋初级生产力和食物链的基础[6]。海湾营养物质的来源主要有河流输入、大气输入、与开放海域的外海交换、沉积物-水界面交换等[7-8],营养盐的生物地球化学过程及其对生态环境影响的机制一直受到重点关注[9]。笔者采用2019年秋季和2020年春季在大亚湾开展的海洋生态环境现状调查资料,并结合周边开发利用现状,分析大亚湾水体营养盐分布特征,探讨营养物质的生态环境效应,研究成果在建设美丽海湾,实现海湾生态系统健康与可持续发展方面具有重要意义。
1 实验部分
1.1 研究区域
大亚湾是半封闭、弱谷型海湾,位于珠江口东侧,地处惠州市和深圳市之间,面积约为600 km2,最大水深为21 m,平均水深为11 m。潮流运动形式以往复流为主,湾口强于湾顶,浅水效应明显[10]。湾内有范和港、哑铃湾和大鹏澳等次级小海湾,以及呈南北向分布的中央列岛。周边有12条小河流,主要分布在淡澳河、范和港、大鹏澳及石化园区附近,但入海径流均较小,只有淡澳河径流量最大(仅为2.62～7.18 m3/s)。该研究在大亚湾海域布设了30个生态环境调查站位,覆盖了大亚湾湾顶、湾中和湾口海域(图1)。
图1 大亚湾生态环境现状调查站位Fig.1 Stations for field sampling in Daya Bay
1.2 样品采集与分析
2019年11月24—27日(秋季)和2020年3月25—29日(春季)在大亚湾开展了生态环境现状调查工作。每个调查站位均采集表、底层水文、水质和生态样品,依据《海洋监测技术规程 第1部分:海水》(HY/T 147.1—2013)开展DIN和DIP样品前处理和分析测试。其中DIN包括亚硝酸盐、硝酸盐和氨氮,检出限分别为0.025、0.043、0.077 μmol/L,DIP主要是磷酸盐,检出限为0.023 μmol/L。按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)开展海水温度、盐度、pH、溶解氧、COD和叶绿素a(检出限为0.01 μg/L)等要素的现场监测、样品前处理和分析测试等工作。
2 结果与讨论
2.1 DIN和DIP分布特征
秋季表层DIN含量范围为2.35～19.43 μmol/L,平均值为(5.50±3.96) μmol/L,其中硝酸氮平均值为(2.21±1.91) μmol/L、氨氮为(3.09±2.30) μmol/L、亚硝酸氮为(0.22±0.11) μmol/L;底层DIN含量范围为2.41～14.65 μmol/L,平均值为(4.51±2.59) μmol/L,其中硝酸氮平均值为(1.84±1.30) μmol/L、氨氮为(2.47±1.34) μmol/L、亚硝酸氮为(0.22±0.10) μmol/L,氨氮含量高于硝酸氮。表、底层DIN分布趋势基本一致,表层略高于底层,高值区位于淡澳河入海口、哑铃湾及其与马鞭洲、纯洲交汇海域,次高值区位于范和港湾口,自湾顶至湾口海域DIN逐渐降低(表1和图2)。
表1 秋、春季大亚湾生态环境要素的变化范围及平均值Table 1 Range and average of ecological environment factors in Daya Bay in autumn and spring
图2 大亚湾DIN分布特征Fig.2 Distributions of DIN in Daya Bay
春季表层DIN含量范围为1.50～13.50 μmol/L,平均值为(3.20±2.30) μmol/L,其中硝酸氮平均值为(1.35±0.80) μmol/L、氨氮为(1.70±1.61) μmol/L、亚硝酸氮为(0.12±0.07) μmol/L;底层DIN含量范围为1.86～9.93 μmol/L,平均值为(3.04±1.59) μmol/L,其中硝酸氮平均值为(1.23±0.34) μmol/L、氨氮为(1.69±1.52) μmol/L、亚硝酸氮为(0.12±0.06) μmol/L(表1),虽然春季DIN平均浓度低于秋季,但秋、春季大亚湾水体DIN的主要存在形态是氨氮,其次是硝酸氮,与文献报道结果一致[11-12]。上述现象说明,大亚湾水体还原性较强,硝化作用减弱,氨化作用增强,推测可能是由养殖海域大量剩余有机物耗氧导致[13-14]。2002年大亚湾DIN含量范围为0.74～40.33 μmol/L[11],1986—2002年多年DIN平均值为(3.57±1.55) μmol/L[12],2007年春季DIN平均值为2.64 μmol/L[15],结合此次调查,DIN呈现先增大后降低,再略有升高的变化趋势。春季表层DIN高值位于淡澳河入海口、哑铃湾内和范和港湾口,东部海域DIN浓度较低,且自湾顶至湾口海域DIN逐渐降低(图2),历年空间分布趋势变化不大[16]。
秋季表、底层DIP含量范围分别为0.03～3.32、0.04～1.69 μmol/L,平均值分别为(0.41±0.72)、(0.21±0.30) μmol/L,表层高于底层(表1)。秋季表、底层DIP分布特征与DIN基本相同,中部至湾口海域存在较大范围DIP低值区(图3)。春季表、底层DIP含量范围分别为0.06～0.32、0.06～0.19 μmol/L,平均值分别为(0.14±0.05)、(0.12±0.03) μmol/L,表、底层DIP浓度大体相同(表1),春季DIP空间分布和季节变化与DIN基本一致(图3),春季DIP平均浓度为(0.13±0.05) μmol/L,也低于秋季的(0.31±0.56) μmol/L。2002年全年DIP的最大值为0.42 μmol/L[11],多年平均值为(0.33±0.35) μmol/L[12],高于此次春季调查结果,与秋季基本持平。
图3 大亚湾DIP分布特征Fig.3 Distributions of DIP in Daya Bay
2.2 DIN和DIP分布的影响因素
大亚湾周边有12条小河流,径流注入量均较小。秋、春季低盐区主要位于淡澳河入海口、范和港湾口和哑铃湾及其与马鞭洲、纯洲交汇海域,低盐区域的范围大致与高DIN、高DIP分布海域相同(图2、图3和图4)。大亚湾中部、湾口及东部海域DIN、DIP浓度较低,且水体高盐(图2、图3和图4),主要是因为大亚湾南部湾口及中部水体交换强于北部湾顶,东部海域强于西部[17-18],外海水入侵造成湾中部、湾口及东部海域低DIN、DIP现象。大亚湾周边入海弱径流和外海水入侵对DIN、DIP分布有影响,但水体盐度与DIN、DIP并不显著相关,说明大亚湾海域DIN和DIP还受到其他因素影响[19-20]。
图4 大亚湾盐度分布特征Fig.4 Distributions of salinity in Daya Bay
该研究在大亚湾开展了渔业养殖和港口航道等开发利用现状调查。大亚湾内的养殖区目前主要分布在淡澳河、范和港、哑铃湾以及大鹏澳(图5),以围海养殖和开放式养殖为主,生态环境现状调查站位覆盖了淡澳河口、范和港内湾口及哑铃湾附近海域。调查期间DIN、DIP高值区位于养殖区范围内或在其“下游”(图2、图3和图5)。养殖过程中投放的饵食仅约有10%被生物吸收利用,大部分剩余营养物质及有机物溶解于海水或沉降至海底[21],且沉积至海底的营养物质还会通过沉积物-海水界面向水体扩散,养殖海域可能成为污染源[22-23],因此,渔业养殖是大亚湾水体营养盐来源之一[24]。
图5 大亚湾开发利用现状Fig.5 The current development and utilizaiton situation of Daya Bay
调查期间,DIN、DIP高值区位于惠州港各作业区交汇区域,分别是惠州港荃湾港区(哑铃湾西北侧)、东马港区东联作业区(石化园区)、东马港马鞭洲作业区(马鞭洲附近海域)及纯洲煤炭码头作业区等(图2、图3和图5)。荃湾港区是惠州港的主要港区,承担石化制品中转运输、集装箱运输及大宗散杂物资中转运输;东马港区各作业区提供石化工业的原材料及产成品装卸,并兼顾石化区内项目一体化所需配套服务等。大亚湾沿岸石化产业和港区交通运输业的污水排放也有可能是营养物质来源之一[25-26]。另外,大气沉降和沉积物-海水界面扩散也是大亚湾水体营养盐来源之一[27-28]。
2.3 水体富营养化水平
采用水体营养状态指数法评价调查海域的富营养化水平,其计算公式如下。
E=DIN×DIP×COD×106/4 500
式中:DIN、DIP和COD的单位为mg/L。当E≥1,表示水体已呈富营养化状态,1
秋、春季大亚湾水体富营养化指数变化范围分别为0～3.65和0～0.35,平均值分别为0.19±0.66和0.03±0.06,整体处于贫营养状态,仅秋季淡澳河入海口、范和港湾口和哑铃湾及其与马鞭洲、纯洲交汇海域是中营养化状态(图6)。
图6 大亚湾海域富营养指数的时空分布Fig.6 Distributions of eutrophication index in sea water of Daya Bay
20世纪末,大亚湾大部分海域处于贫营养状态,仅有个别季节和局部养殖海域处于中度营养状态[30-31],近20年来大亚湾石化产业和养殖业的兴起,导致水体由贫营养水平发展到中营养水平,局部海域富营养化[32-33]。该研究调查期间未发现富营养化海域,仅局部处于中营养化水平,大部分海域处于贫营养化水平,大亚湾水体营养盐水平有恢复迹象。大亚湾富营养化水平降低可能得益于近年开展的大亚湾海域污水减排、养殖区清理拆除、沿岸红树林种植和滩涂生态承载能力提升等美丽海湾建设,上述生态修复与保护均有利于减少、吸收、降解污染物,促进湾内水体富营养化水平降低。
2.4 生态环境效应
秋季表、底层叶绿素a浓度范围分别为0.21～2.26、0.24～2.26 μg/L,平均值分别为(0.86±0.52)、(0.80±0.57) μg/L;春季表、底层叶绿素a浓度范围分别为0.26～4.17、0.75～5.27 μg/L,平均值分别为(1.99±1.02)、(2.20±1.13) μg/L(表1)。
表、底层叶绿素a浓度相近,且分布特征基本一致,均呈现湾顶高,湾中和湾口低的特点[34-35],高值区分布大体上与高DIN和DIP区域相同(图7),说明径流输入、养殖剩余和污水排放的营养物质促进了湾顶区域的浮游植物生长繁殖[36-37]。核电站附近海域水温较高,秋季表层和底层水温高于周边海域1.7 ℃、0.6 ℃,春季表层、底层水温高于周边海域2.9 ℃、1.6 ℃(图8),但调查期间核电站附近海域处于高温、高盐、贫营养状态,水体营养盐含量较低(图2、图3和图4),叶绿素a浓度未有明显变化[38]。文献报道,核电站温排水会促进浮游植物群落发生改变(包括种群多样性和均匀度等[39]),营养物质充沛或营养盐加富条件下,温排水的增温效应会促进浮游植物繁殖[40-41],后续将进一步深入开展温排水的生态效应研究。
图7 大亚湾叶绿素a分布特征Fig.7 Distributions of chlorophyll a in sea water in Daya Bay
图8 大亚湾水体温度分布特征Fig.8 Distributions of temperature in sea water in Daya Bay
自湾中到湾口,叶绿素a浓度逐渐降低,与水体盐度分布趋势相反(图7),相较于湾顶海域高DIN和DIP,受外海水入侵影响的湾中和湾口海域营养盐含量较低,限制了浮游植物生长繁殖。季节变化方面,春季表、底层盐度分别为32.55±0.37和32.64±0.16,低于秋季表层(33.21±0.32)和底层(33.22±0.25)水体盐度(表1)。
虽然大亚湾径流入海量较小,春季径流输入影响仍大于秋季,径流携带集水区范围内的营养物质入海,亦影响海域的营养物质分布和生态环境[42-43]。但调查期间春季DIN和DIP浓度低于秋季,叶绿素a浓度[(2.10±1.07) μg/L]明显高于秋季[(0.83±0.54) μg/L],见表1和图7。
说明春季营养物质促进了浮游植物繁殖,同时水体营养盐被消耗降低[44-45]。而且,春季表、底层水体溶解氧分别为(8.13±0.71)、(8.18±0.80) mg/L,比秋季表层[(6.94±0.28) mg/L]和底层[(6.89±0.29) mg/L]高,同时,春季表、底层水体pH分别为8.26±0.10和8.25±0.08,大于秋季表层(8.22±0.04)和底层(8.21±0.04),见表1。春季水体pH(8.25±0.09)大于秋季(8.22±0.04),主要是由于春季叶绿素a浓度大于秋季,浮游植物繁殖消耗水体营养物质、吸收二氧化碳,同时释放氧气[46],实现生物储碳、降低水体酸度,进一步影响水体生态环境。
调查期间,大亚湾秋季表、底层N/P范围分别为5.02～73.77和8.64～88.33,平均值分别为28.09±17.98和32.95±22.04;春季N/P范围分别为7.09～94.11和11.51～102.6,平均值分别为25.23±16.71和28.18±18.85(表1)。海水中N/P>22和Si/P>22时,P为限制因子;当N/P<10和Si/N>1时,N为限制因子;Si/P<10和Si/N<1时,Si为限制因子[47-48]。秋、春季调查期间,N/P平均值分别为30.52±20.09和26.68±17.70(表1),所以P为大亚湾浮游植物繁殖的主要限制因子[12]。空间变化方面,湾顶区域P为限制因子,自湾顶至湾口,N/P逐渐减小,湾中N、P基本平衡,湾口海域则转化为N限制(图9)[49]。上述现象主要是因为湾顶径流输入和排放污水具有营养物质丰富且高氮、低磷特征,外海入侵水团营养盐含量虽低但DIP含量相对较高[50]。
图9 大亚湾N/P分布特征Fig.9 Distributions of N/P in sea water in Daya Bay
3 结论
1) 秋季DIN和DIP平均浓度分别为(5.00±3.36)、(0.31±0.56) μmol/L,均高于春季的DIN和DIP平均浓度[(3.12±1.97)、(0.13±0.05) μmol/L]。秋、春季DIN和DIP高值区均位于淡澳河入海口、哑铃湾和范和港湾口及其与马鞭洲、纯洲交汇海域,且自大亚湾湾顶至湾口海域逐渐降低。
2)大亚湾海域DIN和DIP分布特征受径流输入、外海水入侵、渔业养殖、污水排放和海洋生物吸收消耗等多重因素影响。调查期间大部分海域处于贫营养化状态,仅湾顶局部海域处于中度富营养化水平。
3)春季叶绿素a浓度平均值为(2.10±1.07) μg/L,高于秋季[(0.83±0.54) μg/L],均呈现湾顶高,湾中和湾口低的趋势。湾顶高DIN和DIP促进了浮游植物繁殖,受外海水入侵影响,湾中和湾口海域营养盐含量较低。大亚湾湾顶海域浮游植物繁殖主要受P限制,湾中海域N、P基本平衡,湾口海域则转化为N限制。
