厦门湾营养盐长期动态变化与陆源污染关系分析

洪雄业

(福建省近岸海域环境监测站，福建 莆田 351100)

世界上大约60%的人口居住在距海岸线100 km以内的范围，沿海地区在社会经济发展过程中发挥着至关重要的作用[1]。近年来，随着城镇化和工业化的快速发展，沿海地区环境受到越来越多人类活动造成的生态压力，造成诸如海洋酸化、海水缺氧、栖息地退化和生物多样性丧失等多种不利的影响[2-3]。作为陆地和海洋之间的过渡区域，沿海地区工业废水、生活污水和农业废水等氮、磷污染物的大量排放导致水体营养盐含量升高，富营养化程度逐渐加重，在特定条件下诱发了赤潮等生态灾害发生，对近岸海域生态系统造成严重的潜在性不利影响[4-5]。

厦门湾位于福建省东南部，毗邻台湾海峡，是东南沿海重要的对外港口，同时也拥有珍稀海洋物种国家级自然保护区，具有重要的经济、社会和生态价值[6]。厦门湾周边分布着厦门、龙海等多个城市，其中厦门是中国重要的风景旅游城市之一，近年来随着国民经济迅速发展，人口数量不断增加，工农业及生活废水的不断排放给厦门湾的生态环境造成巨大压力，海湾富营养化状况和赤潮问题日益突出。但是目前对厦门湾氮、磷含量长期及季节性变化趋势的研究较少，已有研究缺乏对陆源污染的联系，厦门湾目前缺乏行之有效的陆海统筹水质管理对策。因此，本研究在了解厦门湾近岸海域水体营养盐含量时空分布与陆源污染关系的基础上，掌握厦门湾长期营养化状况，提出具有针对性的海湾水质管理对策建议，对改善厦门湾水质和生态系统功能具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

厦门湾是一个半封闭式海湾，海域总面积约390 km2，周边地形复杂，四周山峦屏障岸线曲折，海湾西部有福建省第二大河流九龙江注入。厦门湾海域主要分湾内和湾外两部分，湾内包括九龙江河口、西海域和同安湾，湾外包括南部海域、东部海域和大嶝岛海域。厦门湾潮汐形态属于正规半日潮，平均潮差4 m左右，潮流属于往复流，涨潮时流向湾内，退潮时流向湾外[7]。

1.2 资料收集

本研究所用基础资料来自福建省近岸海域环境监测站于2010—2019年间对厦门市近岸海域水质监测的结果，监测站位分布在24.23°～24.63°N、118.05°～118.28°E之间。本次研究共选取10个具有代表性的常规监测站位(图1)，监测站位的分布考虑厦门湾海域功能区划特征和陆源污染的综合影响，能够较好的反映厦门湾近10年来的生态环境状况。九龙江入海断面处污染物含量数据来自日常监测资料数据，径流量数据由浦南水文断面的流量数据按照汇水面积比值推算到入海断面，九龙江入海通量主要根据河口断面的月均含量与月均流量进行计算。2018年厦门湾直排海排污口污染物排放数据来自福建省近岸海域环境监测与福建省第二次污染源普查的成果，结合排污口的位置汇总得到不同海域的氮、磷年均排放量。

图1 厦门湾海域水质监测站位图Fig.1 Map of water quality monitoring stations in Xiamen Bay

1.3 样品采集与分析

福建省近岸海域环境监测站组织每年春季(5月)、夏季(7月)和秋季(11月)在厦门湾不同海域开展3个航次水质调查，调查项目包括表层(0.5 m)水的温度、盐度、pH、化学需氧量、溶解氧等环境因子和氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机磷 (活性磷酸盐)等水质指标，其中无机氮含量为氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的含量之和。样品的采集、固定、分析及数据处理均按照《海洋监测规范》[8]执行，水质评价按《近岸海域环境监测规范》[9]执行。氨氮含量的测定采用流动注射-水杨酸分光光度法，亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量的测定采用流动注射-盐酸萘乙二胺分光光度法，检出限分别为0.002、0.001、0.002 mg/L。活性磷酸盐含量的测定采用流动注射-磷钼蓝分光光度法，检出限为0.001 mg/L。盐度、pH、化学需氧量、溶解氧含量、叶绿素a含量等的测定方法分别为盐度计法、pH计法、溶解氧仪法、碱性高锰酸钾法、分光光度法。水体富营养化评价采用富营养化指数法[10]，水质富营养化等级划分标准见表1，富营养化指数(E)的计算公式如下:

表1 富营养化等级划分标准Tab.1 Classification standards of eutrophication grade

(1)

公式(1)中：CCOD代表化学需氧量(mg/L)；CDIP代表溶解态无机磷含量(mg/L)；CDIN代表溶解态无机氮含量(mg/L)。

2 结果与讨论

2.1 厦门湾氮、磷营养盐含量和历史数据及与其他海湾的比较

表2是2010—2019年厦门湾海域水质监测营养盐的统计结果。西海域(0.047±0.024 mg/L)、同安湾(0.041±0.033 mg/L)的无机磷含量相对较高；西海域(0.769±0.309 mg/L)、河口区(0.739±0.309 mg/L)的无机氮含量明显高于其他海域，各海区无机氮均以硝酸盐氮为最主要形态，另外同安湾氨氮占比最高(28.0%±19.4%)。与历史监测数据对比发现厦门西海域在1982—2012年间无机氮含量增加近3倍[1]，无机磷含量增加约3.4倍，其中无机氮含量在1995年之前较为稳定，在1996—2006年持续增加并达到峰值，之后波动变化；无机磷含量在1998年之前持续增加，在1999—2007年间维持稳定，之后波动变化；近10年来厦门湾无机氮、无机磷含量均明显降低。厦门湾为半封闭海湾，南部海域受九龙江径流输入影响较大。与广西廉州湾、浙江杭州湾、长江口水域及珠江海域的研究结果比较发现厦门湾无机氮、无机磷含量低于杭州湾与廉州湾，但高于长江口口门外和珠江口海域[11-15]。

表2 2010—2019年厦门湾营养盐平均含量Tab.2 Mean nutrient concentration in Xiamen Bay in 2010-2019

表3 厦门湾及其他海湾营养盐含量的历史数据对比Tab.3 Historical data of nutrient concentrations in Xiamen Bay and other bays

2.2 厦门湾无机氮、无机磷含量时空分布特征

厦门湾不同季节氮、磷营养盐含量的分布如图2所示。表层水无机氮含量范围为0.01～1.57 mg/L，各海区平均含量在0.21～0.77 mg/L之间，以《海水水质标准》为评价依据，九龙江口、西海域、同安湾无机氮年均含量超出第四类海水水质标准，东部海域超出第二类水质标准，大嶝岛海域、厦金海域低于第二类水质标准。不同季节无机氮含量均呈现由湾内向湾外递减的趋势，春夏两季无机氮含量峰值在西海域南部海区X2和九龙江口X1附近，秋季无机氮含量峰值在西海域北部海区X3附近，靠近沿岸排污口。无机氮含量季节性差异结果显示厦门湾秋季无机氮含量显著高于夏季(p<0.05)，春季无机氮含量与前两者之间均无显著差异。表层水无机磷含量范围是0.001～0.150 mg/L，西海域无机磷年均含量超出第四类海水水质标准，九龙江口、同安湾超出第二、三类水质标准，东部海域、大嶝岛海域、厦金海域低于第二、三类水质标准。春夏两季无机磷含量峰值均在西海域，空间分布呈现由湾内向湾外递减的趋势。秋季无机磷含量变化范围为0.028～0.068 mg/L，其空间分布有别于春季和夏季，最高含量在同安湾X4，其次是X2、X3和X1，当季东部海域、大嶝岛海域、厦金海域的无机磷含量也相对较高。季节差异性结果显示，夏季无机磷含量显著低于春季(p<0.05)和秋季(p<0.01)，后两者之间则无显著差异。

图2 厦门湾各季节无机氮、无机磷含量的空间分布Fig.2 Spatial variations of DIN and DIP by seasons in Xiamen Bay

图3是厦门湾2010—2019年表层海水无机氮、无机磷含量的长期变化图。除厦金海域外各海区无机氮含量在2013年达到最高。与2013年相比，2019年九龙江口、西海域、同安湾、东部海域、大嶝岛海域无机氮含量分别降低23%、36%、47%、67%、63%。西海域、九龙江口、同安湾无机氮含量整体高于其他海区，其中九龙江口和西海域自2011年起无机氮含量转为劣四类并持续至2019年，两海区无机氮含量年际变化趋势基本一致。同安湾除个别年份外无机氮含量在0.50 mg/L附近波动；东部海域无机氮含量处于第一类到劣四类海水水质之间，年际波动较大；大嶝岛海域和厦金海域除个别年份外无机氮含量较低。厦门湾无机磷含量年际波动较大，九龙江口、西海域、东部海域、大嶝岛海域无机磷含量最高值均在2013年附近，同安湾在2018年，厦金海域在2010年。与无机氮相似，西海域、同安湾、九龙江口无机磷含量整体较高，含量高值集中在2013和2018年附近。与2013年相比，2019年九龙江口、西海域无机磷含量分别降低11%、33%，同安湾升高16%。除个别年份外九龙江口、同安湾无机磷含量处于第四类到劣四类水质之间，西海域历年无机磷含量均处于第四类到劣四类水质之间。无机氮与无机磷含量高值出现在不同的年份和不同的海域，反映了陆源污染排放、径流量和复杂海洋生地化过程的综合影响。从营养盐污染负荷空间分布看，九龙江口受九龙江输入影响相对较大，西海域与同安湾则主要受厦门岛外河流与沿岸污水影响(详见2.4节)。

图3 厦门湾无机氮、无机磷含量年际变化与空间差异Fig.3 Interannual and spatial variations of DIN and DIP in Xiamen Bay

2.3 海湾无机氮组成及营养盐结构特征

厦门湾不同季节无机氮组成及营养盐结构见图4。厦门湾表层水无机氮主要由硝酸盐氮(63.6%～76.2%)和氨氮(15.4%～28.0%)组成，亚硝酸盐氮所占比重较小。春季、夏季、秋季氨氮含量占无机氮的比例依次降低，亚硝酸盐氮、硝酸盐氮与之相反。同安湾氨氮含量占无机氮的百分比在春季和夏季均最高，分别为38.2%、32.0%，在秋季低于西海域和九龙江口；大嶝岛海域硝酸盐氮含量占无机氮的百分比在春季和秋季均最高，在夏季低于厦金海域、九龙江口和西海域；春季和夏季各海区亚硝酸盐氮含量占无机氮的比例相差不大，以东部海域最高，秋季厦金海域亚硝酸盐氮含量占比明显高于其他海区，且为3个季节最高。

图4 厦门湾各季节无机氮组成与营养盐结构Fig.4 Composition of DIN and N∶P ratio by seasons in Xiamen Bay(a)、(c)、(e)分别为春、夏、秋季无机氮组成，(b)、(d)、(f)分别为春、夏、秋季营养盐结构；为使(b)、(d)、(f)表示的营养盐结构箱线图对比清晰，部分极端值(大于3倍标准偏差)未显示。

营养盐结构为无机氮与无机磷含量的比值。厦门湾表层水无机氮与无机磷的含量比值普遍高于Redfield比值(N∶P=16∶1)[16]，属于典型的磷限制水生生态系统。九龙江口年均无机氮与无机磷含量比值最高，其次为同安湾，东部海域最低。春季氮磷比范围为41.9～69.7，同安湾最高；夏季氮磷比范围为52.3～167.7，九龙江口最高，其次为同安湾和厦金海域；秋季氮磷比范围为19.5～34.9，西海域最高，其次为九龙江口，同安湾和厦金海域较低。

2.4 海湾营养盐分布的主要影响因素

外源输入与内部消耗普遍被认为是营养盐含量分布与变化的主要控制因素。河口海湾是陆地向海洋的过渡地带，承载着人类重要的经济开发活动，一般来说海湾营养盐的主要来源包括河流输入、地下水补给，沿岸排污口排放、与外海水的交换及大气输入等，营养盐去向包括浮游植物和微生物消耗、颗粒物向底泥的沉积等，“源”与“汇”的格局变化往往导致特定的营养盐含量分布模式与变化趋势[17]。厦门湾属于半封闭式海湾，位于九龙江河口下游，沿岸设有众多排污口，其潮汐形态属于正规半日潮，潮流属于往复流，涨潮时流向湾内，退潮时流向湾外，营养物质在主要受到陆源影响的同时，还受控于海湾的水文动力特征。对厦门湾氮、磷营养盐含量与九龙江河口断面氮、磷入海通量进行一元线性回归分析，发现氨氮通量对九龙江口、西海域的氨氮含量有显著影响(p<0.01)，相关系数R2分别为0.599、0.518，说明河口断面氨氮通量能够分别解释一半以上的九龙江口和西海域氨氮含量变异。无机氮通量对九龙江口、西海域无机氮含量的影响低于氨氮(p<0.05)，而无机磷通量对九龙江口、西海域无机磷含量的影响均不显著(p>0.05)。总体来说，在九龙江径流及沿岸污水排放的共同影响下，厦门湾氮、磷营养盐整体上呈现由湾内向湾外逐渐降低的分布特征，同时由于流量大小、污水排放状况及潮汐作用强弱的差异，不同水期氮、磷营养盐高值区有所不同。

氮、磷营养盐指标与环境因子之间的相关性分析结果列于表4。无机磷、无机氮及各形态无机氮与盐度呈负相关关系(p<0.01)，表明陆源营养盐受到咸淡水混合的影响比较强烈，径流输入调控氮、磷营养盐的向海分布[18]，表现在无机氮、无机磷含量在不同季节均呈现出由湾内向湾外递减的趋势。从无机氮的组成看，春季、夏季、秋季氨氮含量占无机氮的百分比依次降低，而亚硝酸盐氮、硝酸盐氮与之相反，表明受径流的影响，沿岸大量面源污染物在雨量充沛的春季和夏季被冲刷进入海湾，导致无机氮组成中存在较高比例的氨氮，随后氨氮参与到硝化反硝化等氮循环过程中被吸收转化而消耗，导致亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的累积。从表4可以看出，无机磷受径流的影响小于无机氮，另外秋季无机磷含量显著高于春季，含量最高值点由西海域转移到同安湾，反映除受径流影响外，厦门湾无机磷含量还受到沿岸城市污水排放的影响，这种影响在秋季水量较少的时候更为明显。结合2018年厦门湾直排海排污口污染物排放情况(表5)，各海区氮、磷污染物排放量空间分布基本一致，西海域、同安湾、东部海域总氮、总磷排放量均依次降低，辅证排污口对厦门湾氮、磷含量分布的重要影响。

表4 厦门湾营养盐与环境因子相关性分析Tab.4 Correlation analysis of nutrients and environmental factors in Xiamen Bay

表5 2018年厦门湾直排海排污口氮、磷排放量Tab.5 Nitrogen and phosphorus emissions from the outlet of Xiamen Bay in 2018 单位：t/a

有机质矿化是海湾内部氮、磷营养盐的重要来源之一。厦门湾无机氮、无机磷含量与化学需氧量均有显著正相关性，说明有机质的分解会增加氮、磷营养盐的含量[19]，尤其是无机氮的含量，厦门湾沿岸分布有众多生活污水排污口和养殖污水排污口，大量污水的输入易导致水质恶化，已有研究表明台风暴雨会增加入海有机物总量增加，导致厦门湾表层化学需氧量超标，存在氮、磷营养盐含量突然增加的潜在风险[19-20]。浮游植物是消耗营养盐的重要生物因素[21]，影响海湾氮、磷含量的时空分布，相关性分析结果显示无机磷含量与叶绿素a含量(浮游植物)显著负相关(p<0.01)，表明浮游植物倾向于以无机磷为营养物质供给自身生长，无机氮与浮游植物的关系不显著表明其可能主要受到微生物驱动的氮循环过程的影响。厦门湾叶绿素a含量在夏季最高而秋季最低，与无机磷含量在夏季最低而秋季最高相对应。营养盐与温度的相关性结果也表明浮游植物、微生物对氮、磷营养盐的吸收利用受到温度的调控，温度升高会加快氮、磷营养盐的消耗，改善海湾水质。由于秋季温度较低，硝酸盐氮的消耗减少，同时伴随有微生物的硝化过程持续进行，秋季硝酸盐氮含量占无机氮的百分比达到最高。

2.5 海湾水质富营养化指数时空变化

厦门湾2010—2019年春季、夏季、秋季富营养化指数的变化范围分别是0.1～40.5、0.0～18.0、0.1～21.9(图5)，其中夏季富营养化指数显著低于春季(p<0.01)和秋季(p<0.01)，后两者之间无显著差异。各海区春季富营养化指数年际变化趋势呈现“M”型，高值出现在2013和2016年附近，富营养化程度由高到低依次为西海域、九龙江口、同安湾、东部海域、厦金海域、大嶝岛海域，其中西海域和九龙江口处于中度富营养及以上等级，无机磷和无机氮是导致各海区富营养化指数偏高的主要因子。夏季西海域、东部海域富营养化指数波动下降，九龙江口和同安湾波动升高。与2018年相比，九龙江口2019年富营养化指数升高约13倍，富营养化等级由轻度富营养转为严重富营养，主要的超标因子是活性磷酸盐和无机氮，各海区富营养化程度高低排序与春季基本一致。秋季各海区富营养化指数波动趋势一致性较高，2011、2013、2018年是富营养化指数主要的峰值年，峰值年九龙江口、西海域、同安湾均处于重度富营养及以上等级，主要的超标因子亦为无机氮和无机磷。

图5 2010—2019年厦门湾各季节富营养化指数时空分布Fig.5 Temporal and spatial variations of eutrophication index by seasons in Xiamen Bay in 2010-2019

2.6 海湾氮、磷污染控制措施建议

厦门湾海域氮、磷污染较为严重，除大嶝岛海域和厦金海域外其他海区均存在不同程度的富营养化现象，九龙江口、西海域富营养化等级明显高于同安湾、东部海域。从营养盐结构上看厦门湾是典型的高氮低磷的水生生态系统，长期处于磷限制状态。陆源是氮、磷污染物的主要来源，无机氮、无机磷受到径流的调控较为明显，春季氮污染有所加重，其中无机磷含量除受到径流影响外还受到沿岸排污口的影响，这种影响在秋季更为明显。针对此，厦门湾宜采用陆海统筹综合的污染治理模式，一方面加强对入海河流九龙江及湾外小河流的综合治理，控制流域内生活污水、养殖废水等各种污染源的排放，控制氮、磷污染物的入海排放量。另一方面加强对厦门湾周边排污口的管控，完善城市污水处理体系及管网建设，提高污水处理厂的深度处理能力，同时合理布设排污口，及时清除不符合规定的排污口[22-23]。另外，针对部分海区存在氮、磷含量急剧增加的现象，应该加强对海湾水质的实时监测，精准识别海湾水质的突然变化，为有效采取应对措施提供科学依据。

3 结论

(1)厦门湾无机氮和无机磷含量呈现由湾内向湾外递减的分布趋势，高值区主要位于西海域和九龙江河口区，同安湾是秋季无机磷含量的另一高值区。各海区无机氮含量在2013年达到峰值后逐年波动降低，无机磷含量高值集中在2013和2018年附近。

(2)厦门湾表层水无机氮主要由硝酸盐氮和氨氮组成，亚硝酸盐氮所占比重较小，春季、夏季、秋季氨氮含量占无机氮的百分比依次降低，硝酸盐氮和亚硝酸盐氮与之相反。厦门湾表层水氮磷比普遍高于Redfield 比值(N∶P=16∶1)，属于典型的磷限制生态系统。

(3)除大嶝岛海域和厦金海域外厦门湾其他海区均存在不同程度的富营养化现象，九龙江口、西海域富营养化等级明显高于同安湾、东部海域，无机氮和无机磷是导致厦门湾富营养化指数偏高的主要因子。

(4)陆源是厦门湾氮、磷污染物的主要来源，其中无机氮主要受径流的影响，无机磷含量除受到径流影响外还受到沿岸排污口的显著影响。厦门湾宜采用综合的污染治理模式，建议加强九龙江及其他小河流的入海污染总量控制，进一步强化沿岸排污口的源头监管与治理，并尽快建立海湾水质实时监测系统,服务于水质的智能化管理。