海陵湾营养盐分布特征及其富营养化评价

唐俊逸，秦民，刘晋涛，王震，党二莎，余香英*

(1.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045；2.粤港澳环境质量协同创新联合实验室，广东 广州 510045；3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；4.中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301；5.广州南科海洋工程中心，广东 广州 510220)

引 言

营养盐作为构成海洋生态系统的重要化学物质，是海洋中浮游植物生长繁殖不可缺少的必需元素，其分布、浓度与浮游植物生长繁殖过程紧密相关，也是海水富营养化的重要指标[1]。海湾既是各类海洋生物繁衍生息的重要生态空间，也是人为开发活动的主要承载体，由于受到地表径流、工业废水、生活污水和海水养殖等人类活动的影响，其环境污染问题日益严峻，其中海水富营养化已经成为一个重要的环境问题，引起了人们的广泛关注。

海陵湾位于粤西海岸中段，属于大型山地溺谷湾，由丰头河溺谷、海陵北侧和西侧水域组成，湾口在海陵岛西南马尾洲仔与阳西县散头咀之间，自然环境复杂，海岸曲折多变，湾内潮间滩地和潮下浅滩广阔分布。近年来国内学者对海陵湾的研究和报道主要集中在水质综合分析[2-3]、沉积物重金属污染[4-5]和浮游动物群落结构[6-7]等方面，对营养盐的分布特征及富营养化的研究十分有限。

伴随着阳江市经济的发展和城镇化进程的推进，人类活动对海湾生态环境的影响日益加剧，富含氮、磷营养盐的污水排放，给海陵湾生态环境带来了相当的压力[8]。因此，本文利用2017年11月和2018年4月对海陵湾开展的生态环境调查数据，分析了海陵湾春、秋两季无机氮和活性磷酸盐的空间分布，并对其污染状况、结构特征、富营养化状况和环境影响因子进行了探讨，以期为海陵湾打造“水清滩净、岸绿湾美、鱼鸥翔集、人海和谐”的“美丽海湾”提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测试

根据随机均匀、重点代表的站位布设原则，在海陵湾海域共布设30个调查站位(图1)，调查站位基本均匀分布整个海陵湾。调查时间为2017年11月(秋季)和2018年4月(春季)，调查项目主要包括盐度(S)、pH、溶解氧(DO)、悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)、活性磷酸盐(DIP)等。无机氮(DIN)=NH4-N+NO2-N+NO3-N。

图1 海陵湾海水调查站位

采集距离水面约0.5 m表层水样，采用电导盐度计法测定S、pH计法测定pH、碘量法测定DO、重量法测定SS、碱性高锰酸钾法测定COD、次溴酸钠氧化法测定NH4-N、盐酸萘乙二胺分光光度法测定NO2-N、铜镉还原法测定NO3-N、磷钼蓝分光光度法测定DIP。样品的现场采集、贮存、测定和分析等过程均严格按照《海洋调查规范》(GB/T 12763—2007)、《海洋监测规范》(GB 17378—2007)执行。

1.2 评价方法

1.2.1 单因子指数法

采用单因子指数法(single factor pollution index)评价营养盐污染状况。其计算公式为：

(1)

式中，Pi为污染物i的单因子指数；Ci为污染物i的实测浓度，mg/L；Si为污染物i的环境质量标准值，mg/L。Pi>1即水体已受到污染，Pi≤1水体未受到污染，水体受污染程度随Pi的增大而加重。根据《海水质量状况评价技术规程(试行)》[9]对海域综合质量等级的划分，本文以《海水水质标准》(GB 3097—1997)中第二类海水水质标准作为环境质量标准值进行评价。

1.2.2 富营养化指数法

采用富营养化指数法(Eutrophication index，EI)[10]评价富营养化状况。其计算公式为：

(2)

式中，EI为富营养化指数；COD为海水中化学需氧量浓度，mg/L；DIP为活性磷酸盐浓度，mg/L；DIN为无机氮浓度，mg/L。当EI≥1时，该海域即为富营养化，其中，1≤EI≤3为轻度富营养化，39为重度富营养化。

1.3 统计分析方法

利用地理信息系统Arcgis 10.2绘制调查站位、营养盐浓度空间分布和富营养化指数空间分布图，利用WPS和Origin 9.0进行数据处理和图表制作，并通过SPSS 19.0进行营养盐与环境因子的相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 营养盐浓度及分布特征

2.1.1 无机氮分布特征

海陵湾秋季DIN的浓度相对较高，均值为(0.43±0.13)mg/L，浓度范围在0.28～0.84 mg/L之间。从空间分布上看(图2a)，整体上呈现出湾顶高、湾口低的空间分布趋势，相对高值区出现在湾顶西北部的丰头河河口区域，相对低值区出现在湾口面前海至海陵岛西南部邻近海域。春季DIN的浓度较低，均值为(0.19±0.07)mg/L，浓度范围在0.06～0.29 mg/L之间。从空间分布上(图2b)看，春季浓度空间分布更趋向平均，梯度变化不大，相对高值区出现在海湾中部丰头岛至海陵岛北部和西北部邻近海域，相对低值区出现在湾顶北部墩溪河河口至北河河口一带。

图2 海陵湾无机氮空间分布

秋季整个海湾NO2-N、NO3-N和NH4-N平均值所占的百分比分别为10.70%、64.54%和24.76%，春季分别为9.55%、59.02%和31.43%，由此可见，NO3-N是海陵湾DIN的主要存在形式，NO2-N和NH4-N的占比相对较低，可认为NO2-N、NO3-N和NH4-N的相互转化过程已达到热力学平衡[11-13]，海水环境氧化能力较强，海湾具有较好的自净能力[14]。

2.1.2 活性磷酸盐分布特征

海陵湾秋季DIP的浓度相对较高，均值为(0.030±0.010)mg/L，浓度范围在0.013～0.044 mg/L之间。从空间分布上看(图3a)，整体上呈现出湾顶高、湾口低的空间分布趋势，相对高值区出现在湾顶东北部墩溪河河口至九姜河河口、海湾中部阳江港以及那达河河口等区域，相对低值区出现在湾口面前海邻近海域。春季DIP的浓度较低，均值为(0.018±0.008)mg/L，浓度范围在0.009～0.033 mg/L之间。从空间分布上(图3b)看，整体上呈现出海湾中部高、湾顶和湾口较低的空间分布趋势，相对高值区出现在丰头岛邻近海域和那达河河口区域，相对低值区出现在湾顶丰头河口至墩溪河河口一带、湾口面前海至海陵岛西南部邻近海域。

图3 海陵湾活性磷酸盐空间分布

2.1.3 营养盐在盐度梯度上的分布特征

海陵湾春季盐度相对较高，均值为(30.68±0.84)，变化范围在27.55～31.46之间；秋季相对较低，均值为(27.80±3.77)，变化范围在15.24～30.86之间，这可能是与降雨量有关。海陵湾降雨量具有非常明显的季节变化，每年4—10月为雨季，累年月平均降水量在150.4 mm以上，11月到翌年3月为旱季，各月平均降水量只有19.5～62.4 mm[15]。在整个雨季河流冲淡水的影响下，秋季海湾海水盐度均值相对较低，梯度变化较为明显，而春季由于海湾受降雨量的影响程度尚处于较小的阶段，盐度均值相对较高。由营养盐在盐度梯度上的分布(图4)可知，DIN在春季和秋季与盐度梯度的负相关关系均较为明显，说明海陵湾的DIN可能更多来源于陆源输入。秋季DIP在盐度低于26时与之呈正相关关系，在盐度高于26时，与之呈负相关关系，说明海陵湾的DIP除陆源输入外，还可能受到其他因素的影响，而在春季其与盐度的关系并不明显。结合DIP的浓度分布来看，DIP的高浓度区附近均存在大量的筏式、网箱和池塘养殖，推测DIP可能还受到海水养殖活动的影响。

图4 海陵湾营养盐在盐度梯度上的分布

2.2 营养盐污染状况评价

由DIN和DIP的污染状况评价结果(图5)可知，海陵湾秋季DIN的单因子指数均值为(1.42±0.44)，指数范围在0.94～2.80之间，有76.67%的调查站位超过第二类海水水质标准(0.3 mg/L)；春季DIN的单因子指数均值为(0.64±0.23)，指数范围在0.21～0.96之间，所有调查站位均符合第二类海水水质标准。海陵湾秋季DIP的单因子指数均值为(1.00±0.35)，指数范围在0.43～1.47之间，有46.67%的调查站位超过第二类海水水质标准(0.03 mg/L)；春季DIP的单因子指数均值为(0.60±0.25)，指数范围在0.30～1.10之间，有10.00%的调查站位超过第二类海水水质标准。

图5 海陵湾无机氮和活性磷酸盐单因子指数

整体来说，海陵湾秋季DIN和DIP存在较多调查站位超过第二类海水水质标准，相对集中分布在溪头渔港与北汀湾连线以北海域，表明该些区域秋季均受到一定的营养盐污染。春季仅在丰头岛邻近海域DIP出现超过第二类海水水质标准的情况，且污染程度远小于秋季。丰头河为海陵湾最大的入海河流，流域面积为870 km2，河长为61.6 km，根据2021年1～6月对丰头河大泉断面的水质监测结果(数据来源于广东省生态环境厅公众网，http://www.gdee.gd.gov.cn/)，其综合水质类别为地表水II—III类，NH4-N、总氮(TN)和总磷(TP)浓度分别在0.31～0.68、1.84～2.24、0.062～0.170 mg/L之间，可见丰头河等河流的陆源冲淡水是影响海湾营养盐污染状况的主要原因，这与丘耀文等[3]的研究成果相一致。

2.3 富营养化状况评价

由富营养化评价结果(表1)可知，海陵湾秋季富营养化指数均值为(2.41±1.90)，范围在0.45～8.60之间，EI≥1的调查站位约占整个海陵湾的73.33%；春季富营养化指数均值为(0.55±0.41)，范围在0.14～1.56之间，EI≥1的调查站位约占23.33%。整体来说，海陵湾富营养化的程度属于相对较低的水平，但局部海域富营养化问题较为突出，且秋季的富营养化程度明显高于春季。

表1 海陵湾富营养化评价

进一步从空间分布上看(图6)，海陵湾出现富营养化现象的区域基本与DIN和DIP的相对高浓度区域一致，秋季在溪头渔港与北汀湾连线以北海域均出现富营养化现象，其中在丰头河河口至九姜河河口一带出现中度富营养化，富营养化指数最高出现在位于湾顶西北部丰头河河口区域的1号站位，为8.60，已临近重度富营养化的判别界线，需引起一定的重视。春季仅在丰头岛邻近海域和那达河河口区域出现富营养化现象，且富营养指数均小于3，表现为轻度富营养化。

图6 海陵湾富营养化指数空间分布

2.4 营养盐结构分析

Redfield等[16]研究指出16∶1是浮游植物吸收利用营养物质最适宜的N/P值，如若偏离这一比值，浮游植物的生长就会受到不足营养成分的限制[17]。郭卫东等[18]根据海洋浮游植物对氮、磷营养盐吸收的Redfield比值提出了潜在性富营养化的概念，并对营养盐限制标准进行了新的分级：海水中N/P>30存在磷限制；N/P<8存在氮限制，8≤N/P≤30无限制。

由N/P分析结果(图7)可知，海陵湾秋季N/P的均值为(33.5±9.1)，比值范围在22.4～58.1之间；春季N/P的均值为(25.9±11.3)，比值范围在8.1～54.3之间。整体来说，海陵湾春、秋两季均出现局部DIN相对过剩而DIP不足，表现为局部磷限制，这与李婷等[1]、丘耀文等[2]的研究成果一致，也基本符合近年来中国近海河口水域的DIN浓度升高，初级生产力由氮限制转向磷限制的一般趋势[19-20]。

图7 海陵湾N/P值分布

2.5 营养盐与环境因子的关系

由营养盐与环境因子之间的相关性分析(表2)可知，DIN和DIP与S存在显著负相关(p<0.01)，表明海陵湾表层海水中的DIN和DIP主要来源于陆源营养盐的输入[21-22]，结合对营养盐污染状况的评价结果，DIN和DIP可能更多由丰头河等河流的陆源冲淡水所控制。同时DIN、DIP与COD之间呈显著正相关(p<0.05)，说明COD可能与DIN、DIP具有一定的相同来源特征。

表2 营养盐与环境因子的相关性分析

DIN与DO呈现显著正相关(p<0.01)，但与表观耗氧量无明显相关性，这说明浮游植物的光合作用和呼吸作用虽然会吸收营养盐产生氧气，但这并不是海陵湾DIN和DO呈现正相关的主要原因，更可能是由于两者均与S呈现负相关所造成的。

DIN、DIP和DO均与SS呈显著负相关(p<0.01)，海水中的SS浓度增加导致透明度下降，光照强度也随之减弱[24]，使得浮游植物光合产量减少，DO浓度降低，表观耗氧量与SS的显著正相关(p<0.01)也说明了这一推论；同时悬浮颗粒物质对DIN和DIP也存在吸附的作用，导致其浓度下降。

整体来说，海陵湾营养盐的时空分布受到众多环境因子的影响，主要包括3个方面：一是丰头河等入海河流的陆源冲淡水对营养盐的输入，二是浮游植物的光合作用对营养盐的吸收，三是悬浮颗粒物质对营养盐的吸附。

3 结论

(1)海陵湾春、秋两季DIN的均值分别为(0.19±0.07)、(0.43±0.13)mg/L；DIP的均值分别为(0.018±0.008)、(0.030±0.010)mg/L。秋季营养盐的分布呈湾顶高、湾口低的空间分布趋势，在溪头渔港与北汀湾连线以北海域存在一定的营养盐污染，DIN和DIP均超过第二类海水水质标准。春季营养盐的分布呈海湾中部高、湾顶和湾口较低的空间分布趋势，DIN均满足第二类海水水质标准，仅在丰头岛邻近海域出现DIP污染，且区域受污染程度较低。

(2)海陵湾春、秋两季富营养化均值分别为(0.55±0.41)、(2.41±1.90)，富营养化程度属于相对较低的水平，但局部海域富营养化问题较为突出，且秋季的富营养化程度明显高于春季，秋季在丰头河河口至九姜河河口一带出现中度富营养化，春季仅在丰头岛邻近海域和那达河河口区域出现轻度富营养化。

(3)海陵湾春、秋两季N/P比值范围分别为8.1～54.3、22.4～58.1，局部海域出现DIN相对过剩而DIP不足，表现为局部磷限制。营养盐与众多环境因子之间均呈现出显著相关性，DIN和DIP具有一定的相同来源，其时空分布主要受到多种因素的综合影响。