钦州湾海域氮磷营养盐近30年变化规律及其来源分析

徐敏，韩保新 ，龙颖贤

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

钦州湾位于北部湾顶部广西沿岸中段，在21°33'20″N～21°54'30″N，108°28'20″E ～ 108°45'30″E之间。全湾海岸线总长336 km，海湾面积380 km2，平均水深约5.2 m［1］。伴随着海洋纳污的增加，赤潮已成为沿海主要环境灾害之一［2-3］。研究表明，海水富营养化是赤潮发生的物质基础［4-6］。氮和磷是导致近海水体富营养化的重要原因。钦州湾是北部湾海域赤潮的相对高发区，因此，有必要全面分析其营养盐浓度和分布变化特征。现有的钦州湾营养盐研究主要是对近20年(1983—2003年)油类、浮游植物、溶解氧等指标的评价，以及对内湾(茅尾海)贝类养殖海区无机氮、水环境特征等的研究［7-13］。苇蔓新等［14］根据1983 年、1990 年和1998—1999年平水期的调查资料，分析了钦州湾的营养盐状况及其与环境因子的关系。龙晓红等［15］分析了钦州湾2006—2010年的 N、P、Si数据，富营养化状况以及限制因子。但鉴于已有的分析数据不足等原因，存在着数据时间序列较短，浓度分布和相关性分析简单等问题。笔者通过对1983—2010年期间资料的分析，研究钦州湾近30年来氮磷营养盐的变化趋势及其平面分布特征，分析营养盐与pH和盐度的相关性，比较不同来源氮磷污染物的入海通量，甄别钦州湾营养盐的主要来源，提出钦州湾海洋生态环境保护的对策和建议。

1 材料与方法

1.1 资料收集

采用的水质资料来自广西北海海洋环境监测中心钦州湾近岸海域常规海洋监测站位的秋冬季海水水质监测数据(主要是1995—2007年的监测数据)，以及文献［11，13］(1983—1994年)和文献［15］(2008—2010年)的营养盐年均值数据。

1.2 现场采样及分析

1.2.1 站位布设及调查时间

监测站点位布设如图1所示。共布置16个监测站(断面)，调查时间为每年的秋季(9月中旬—10月上旬)和冬季(12月上旬—中旬)。

1.2.2 调查方法

水深小于5 m时采集水面下1 m样品，水深大于5 m时分别采集水面下1 m和海床1 m以上的2个样品。测定项目包括溶解无机氮(DIN)、活性磷酸盐(DIP)、氨氮(NH3-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、盐度(Sa)和pH等水质指标，测定方法均采用GB 17378—2007《海洋监测规范》中的标准方法。

硝酸盐水样现场过滤后先用HgCl2固定，后于实验室内用营养盐自动分析仪测定。在现场，pH采用pH计电极法测定，磷酸盐采用磷钼蓝法测定，亚硝酸盐采用重氮-偶氮法测定，氨氮采用靛酚蓝法测定。

图1 钦州湾监测站点位分布Fig.1 Survey sites in Qinzhou Bay

2 结果与讨论

2.1 钦州湾DIN和DIP年际浓度变化趋势分析

近30年钦州湾海域水体中营养盐浓度的年均变化如图2所示。

图2 1983—2010年钦州湾海域营养盐年际变化Fig.2 Annual variation of nutrient in Qinzhou Bay from 1983 to 2010

由图2可见，海水中DIN浓度为0.043～0.341 mg/L，多年平均值为0.206 mg/L。其中除2001年，2002年，2006年和 2010年 DIN浓度超过 GB 3097—1997《海水水质标准》二类标准(0.30 mg/L)外，其余年份均符合二类海水水质标准要求。DIN浓度年际变化大，总体呈上升趋势，可能与以下原因有关:陆源径流携带大量含氮废水入海;海域周边农业生产方式的改变，从20世纪90年代开始农田主要以施氮肥为主，过量的氮肥随着农田排水或雨水冲刷而流失，经各种途径进入海洋［16］。

由图2可见，海水中DIP浓度为0.004～0.022 mg/L，多年平均值为0.011 mg/L。DIP浓度年际变化不大，总体呈下降趋势，其中最高值为0.022 mg/L(1983年)。DIP浓度下降可能与以下原因有关:20世纪90年代初沿岸人口的迅速增长使得含磷生活污水排放量增加，但含磷洗涤剂的逐步限制使用又减少了污水中的磷浓度［14］;浮游植物的丰度发生变化，浮游植物生长繁殖需要消耗利用磷酸盐［7］;污水处理厂的逐步建立和使用，削减了污水中的磷浓度。

为了进一步研究海水中DIN三种存在形式(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮)的变化趋势，绘制出三种浓度组分的年际变化(图3)。由图3可见，1995—2007年钦州湾海区的亚硝酸盐氮浓度和氨氮浓度处于较低水平，基本上都低于0.060 mg/L;硝酸盐浓度较高，多年平均值为0.163 mg/L，占DIN的71%，对DIN起主要贡献。

图3 1995—2007年钦州湾海区无机氮(DIN)各组分浓度的年际变化Fig.3 Annual variation of inorgainic nitrogen component in Qinzhou Bay from 1995 to 2007

2.2 钦州湾DIN和DIP浓度平面分布特征分析

2001年、2004年、2007年钦州湾表层海水中DIN浓度平面分布如图4所示。由图4可见，DIN高值区均位于内湾茅尾海钦江入海口附近，平面分布均呈现自茅尾海向中部水域和湾口明显递减的特征。2001年DIN浓度均值最高，达0.341 mg/L，范围为0.204～0.612 mg/L;2004年DIN浓度均值最低，为0.145 mg/L，范围为0.017～0.457 mg/L;2007年DIN浓度均值为0.241 mg/L，范围为0.089～0.386 mg/L。

运用DEAP2.1软件对2009～2016年我国各地区高技术产业的Malulquist生产率指数进行测算和分解，得到高技术产业创新效率的动态变化情况，具体运算结果见表3，全要素生产率及其分解指标变化趋势如图1所示。

2001年、2004年、2007年钦州湾表层海水中DIP浓度平面分布如图5所示。由图5可见，DIP高值区主要位于内湾的茅尾海水域，2001年和2007年均呈现自茅尾海向中部水域和湾口明显递减趋势。2001年DIP浓度均值居中，为0.012 mg/L，范围为0.01～0.015 mg/L;2004年DIP浓度均值最小，仅为0.002 mg/L，范围为0.001～0.007 mg/L;2007年DIP浓度均值最高，达0.012 mg/L，范围为0.006～0.036 mg/L。

图5 钦州湾表层海水中DIP浓度的平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface seawater of the Qinzhou Bay

综上，钦州湾海水中营养盐分布总体呈自北向南、自内湾向湾口递减的趋势，高浓度区均位于内湾茅尾海的钦江等入海口附近。究其原因:茅尾海为钦州湾内的封闭型河口湾，其接受的钦江和茅岭江径流量仅次于受南流江径流影响最大的廉州湾海域，而钦江等受到的氮磷污染明显重于南流江;钦州湾内鱼、虾、蟹等养殖业发展迅速，已形成连片滩涂养殖，腐烂的饵料和养殖生物的排泄物含有大量营养盐类物质，直接排入水中［11］;钦州湾的咽喉段对茅尾海内的污染物迁移扩散起到明显的阻碍作用，以致茅尾海内污染物在湾内滞留较长时间［17］。

3 营养盐相关性及其入海通量分析

3.1 营养盐与pH和盐度(Sa)的相关性分析

营养盐在水体中的赋存状态与其他环境因子之间存在着双向的内在联系。钦州湾营养盐(DIP，DIN)与Sa和pH的相关性分析结果如表1所示。

表1 营养盐与pH和Sa的相关关系Table 1 Correlationship between nutrients and pH，salinity

由表1可见，2001年、2004年和2007年DIN与Sa呈显著负相关(相关系数分别为-0.99，-0.93和-0.80)，DIP与Sa的相关性差异较大(相关系数分别为-0.75，0.22和-0.55)。因为钦州湾仅在湾顶的茅尾海有钦江和茅岭江携带淡水入湾，而含有丰富营养盐的低盐河口水与营养盐含量低的高盐外海水在相互混合过程中，营养盐的浓度随着盐度的增加、pH的增大而降低。这说明径流输入对海湾DIN变化起主导作用，而对海湾DIP的影响不显著［13］。如图5所示，由于2001年和2004年海水中DIP含量较低，故平面分布差异很小，仅2007年有较明显的浓度分布差异。研究表明［19］，磷酸盐的变化多受温度与叶绿素a的影响，浮游植物的消耗是控制磷酸盐变化的主要因素，从而造成了磷酸盐的变化与无机氮不同。

3.2 营养盐入海通量分析

进入钦州湾的营养盐主要分为陆源污染和海水养殖两类。陆源污染主要包括入海河流携带、工业废水直排口、城市生活污水和工业废水混合排放口。以现有的广西北海海洋环境监测中心站2007年入海污染源调查结果为例，对钦州湾氮磷营养盐的来源比例进行分析，结果如图6所示。由图6可知，陆源污染是钦州湾营养盐主要来源，其中河流入海所携带的营养盐占入海营养盐总量的78%以上，是最主要的污染源。

图6 2007年营养盐入海污染源比例构成Fig.6 Proportion of pollution sources of nutrients in 2007

为分析污染物入海通量与钦州湾海水水质的相互关系，对2001—2007年钦江和茅岭江的氨氮和总磷入海通量进行计算分析，结果如图7所示。

图7 入海河流营养盐通量Fig.7 Nutrient flux of river into the sea

图7表明，2001—2007年钦州湾氨氮入海通量呈先高后低再升高的变化态势，这与2001—2007年钦州湾海水中DIN浓度的变化趋势一致，说明河流携带氨氮入海通量是钦州湾DIN浓度分布与变化的主要贡献源。这也与相关性分析得到的陆源污染是无机氮变化主导因素的结论一致。总磷入海通量呈先较平缓、之后降低、再升高的变化态势，但海水中DIP浓度的变化并未呈现相似的态势，这与3.1节得出的径流输入对海湾DIN变化起着主导作用，而对海湾DIP影响不显著的结论一致。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)钦州湾1983—2010年近30年营养盐年均浓度变化分析表明，水体中DIN浓度值为0.043～0.341 mg/L，总体呈波动上升趋势;水体中DIP浓度为0.004～0.022 mg/L，总体呈下降趋势;DIN各组分中硝酸盐氮所占比例最大，达71%。

(2)2001—2007年营养盐浓度时空分布分析说明，DIN浓度和DIP浓度均呈现自北向南、自内湾茅尾海向钦州湾口递减的趋势，内湾尤其是钦江入湾顶茅尾海处的营养盐浓度明显高于湾中和外湾。

(3)入海河流携带的营养盐占入海营养盐总量的78%以上，是最主要污染源。2001—2007年河流携带氨氮入海通量与同期海水中DIN浓度的时间变化趋势一致，而总磷入海通量与同期海水中DIP浓度的时间变化趋势不一致，表明河流输入主要决定了钦州湾DIN浓度时空分布，而对DIP的影响不显著，这与相关性分析结果一致。

4.2 建议

(1)为改善钦州湾水环境质量，建议重点治理钦江和茅岭江位于茅尾海的入海口上游钦州市区的陆源污染。

(2)由于茅尾海的封闭性和钦州湾的半封闭性，为减少湾内的污染累积，建议钦州湾沿岸的主要污水向湾外或湾口附近水域集中排放。

(3)建议切实提高钦州市城镇污水处理厂的收水率、处理效率和处理规模，采用脱氮除磷技术，努力确保环钦州湾的陆源污染物排放量小于钦州湾的环境容量。

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