2017-2018年北部湾东北部海湾营养盐的时空分布特征*

史华明,王 翔,马 玉**,蔡钰灿,许 欣

(1.国家海洋局南海调查技术中心,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)

自20世纪以来,作为主要初级生产力区域的近岸海洋生态系统逐渐受人类活动的影响[1]。大量营养盐通过地表径流、大气沉降、地下水等途径进入近海[2-4],导致水体富营养化水平升高,营养盐结构失衡,赤潮和绿潮等生态灾害频发,对海洋生态系统造成了一定程度的影响[5]。北部湾是南海西北部的半封闭边缘海,进入21世纪后广西北部湾经济区成为我国西部大开发和面向东盟开放合作的重点区域,经济社会发展迅速,人类活动对近海生态环境的影响也越来越显著,海洋生态文明建设亦成为社会关注的热点[6,7]。因此,分析北部湾营养水平的现状及历史演变,将有助于海洋生态系统监测和评估体系的完善,促进海洋经济可持续发展。

营养盐浓度及结构变化可以反映海洋生态环境变化。近年来,有关北部湾海域营养盐变化已有不少研究成果[8-14]。蓝文陆等[9]认为铁山港附近海域营养盐浓度从枯水期到丰水期增加,从丰水期到平水期降低,其浓度主要受入海径流输入的影响,海区氮磷比(N/P)较高,浮游植物繁殖主要受磷限制。覃仙玲等[10]认为广西主要入海河流营养物质增加和不同水团输送的营养元素是沿海赤潮多发区氮磷的主要来源。黄晓煦等[12]认为涠洲岛海域营养盐整体上表现为由西南向东北递增的现象,年际海水富营养化指数均值为0.090,属贫营养海水。邢素坤等[13]指出活性磷酸盐对涠洲岛海域浮游植物的繁殖生长具有潜在的限制性作用,春夏季风生流对各形态磷含量的补充缓解了海域的磷限制,可能诱发了近年来多次赤潮的发生。本研究根据2017-2018年秋、冬、春、夏4个连续季节的调查成果,探讨北部湾东北部海湾营养盐的时空分布及其结构,旨在为保护海洋生态环境、合理开发利用该海域提供数据参考,为北部湾海洋生态文明建设服务。

1 材料与方法

1.1 调查区域

调查区域位于北部湾东北部铁山港-英罗港-安铺港附近海域,共布设14个调查站位S1-S14 (图1)。其中,S1位于英罗港湾口,S2和S3位于安铺港湾口,S7和S8位于铁山港湾及湾口,其他站位位于北海市与湛江市之间海域。分别于2017年11月 (秋季)、2018年1月 (冬季)、2018年4月 (春季) 和2018年8月 (夏季) 完成现场调查和样品采集。

图1 北部湾东北部海域站位布设

1.2 样品采集及分析

现场使用YSI EXO2多参数水质仪测定温度、盐度和溶解氧(DO)。营养盐样品的采集和处理过程均依照《海洋调查规范 第4部分:海水化学要素调查》(GB/T 12763.4-2007)方法进行。采集各调查站位水面下0.5 m海水样品,海水样品经0.45 μm滤膜过滤后带回实验室-20 ℃下冷冻,测定营养盐含量,包括硝酸盐 (NO3-N)、铵盐(NH4-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、磷酸盐 (SRP) 和硅酸盐 (DSi)等,上述物质均依据《海洋监测技术规程 第1部分:海水》 (HY/T 147.1-2013) 采用流动分析法进行测试,溶解无机氮 (DIN) 浓度为硝酸盐、铵盐和亚硝酸盐浓度之和。海水叶绿素a样品加碳酸镁固定、现场过滤后-20 ℃下避光冷冻,依据《海洋监测规范 第7部分:近海污染生态调查和生物监测》(GB 17378.7-2007) 采用分光光度法测试。NO3-N、NH4-N、NO2-N、SRP、DSi和叶绿素a的检出限分别为0.04 μmol/L、0.08 μmol/L、0.02 μmol/L、0.02 μmol/L、0.03 μmol/L和0.2 μg/L。

1.3 数据处理

利用SPSS Statistics (V19) 软件对4个季节的营养盐与其他环境参数做Pearson相关性分析,均值差异性分析采用配对数据t检验,P<0.05为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 环境因子分布特征

四季表层海水DO含量为4.68-8.69 mg/L,冬季DO的平均含量高于其他季节(表1)。四季pH值为7.71-8.19,冬季最高,夏季及秋季最低。秋季叶绿素a平均浓度最高,达到 (4.44±1.61) μg/L,其次是夏季和春季,冬季最低,为(1.72±0.68) μg/L(表1)。

表1 北部湾东北部海域环境因子的季节变化

秋季表层海水温度(SST)为20.3-25.8 ℃,空间差异较大,平均值为 (22.4±2.5) ℃ (表1),高温区位于铁山港湾内,低温区主要位于调查海域的东南侧,呈铁山港向东南部海域逐渐降低的趋势[图2(a)]。冬、春、夏季表层海水温度分别为16.4-17.4、23.8-26.8、30.1-31.6 ℃,平均值分别为 (16.8±0.3)、(24.9±0.9)、(30.6±0.5) ℃ (表1),整体表现为北高南低,且有由铁山港、安铺港向西南部海域逐渐降低的趋势[图2:(b)、(c)、(d)]。

秋季及冬季盐度分别为25.91-30.85和28.48-31.36,平均值分别为29.16±1.42和29.89±0.94 (表1),最低盐度均位于铁山港湾内,安铺港附近盐度亦较低,铁山港湾附近海域北低南高,整个调查海域南部为东低西高的分布趋势[图2:(e)、(f)]。春、夏季的盐度分别为29.82-32.22和23.07-31.08,平均值为31.17±0.85和28.12±2.23 (表1),两季表层海水盐度具有相似的分布特征,最低值均出现在英罗港及安铺港附近海域,盐度等值线呈西北-东南走向[图2:(g)、(h)]。上述现象主要是由于安铺港位于九洲江入海口附近,铁山港内也有公馆河、白沙河、营仔河和名教河等小径流河流汇入,夏季地表径流输入导致夏季盐度平均值明显低于其他季节,四季表层盐度均表现为湾内/口低、开阔海域高的分布趋势。

2.2 营养盐分布特征及季节变化情况

调查海域营养盐分布特征及季节变化情况如图3所示。秋、冬季DIN浓度分别为2.50-16.89、1.50-8.35 μmol/L,平均值分别为 (8.32±4.30)、(3.17±1.72) μmol/L,DIN浓度均由铁山港湾口海域向南部海域逐渐降低[图3:(a)、(b)]。春季DIN浓度为3.86-9.21 μmol/L,平均值为 (7.03±1.65) μmol/L,高值区集中于铁山港湾口海域,由北向南部递减,英罗港DIN分布与铁山港相近,整个调查海域南半侧DIN等值线呈西北-东南走向,东高西低,最低浓度出现在调查海域西南侧海域[图3(c)]。夏季DIN浓度为2.36-28.63 μmol/L,平均值为 (9.53±7.54) μmol/L,各站DIN含量差异较大,空间分布与秋季、冬季相似[图3(d)]。整体上DIN浓度的季节变化趋势为夏季>秋季>春季>冬季。

图3 2017-2018年北部湾东北部海域营养盐分布(μmol/L)

秋、冬、春、夏季SRP浓度分别为0.19-0.94、0.06-0.39、0.13-0.48和0.02-0.61 μmol/L,平均含量分别为 (0.53±0.24)、(0.18±0.10)、(0.33±0.10)和 (0.10±0.16) μmol/L,季节变化趋势为秋季>春季>冬季>夏季。其中,冬季和春季的SRP浓度最高值均出现在英罗港及安铺港湾口[图3:(f)、(g)],秋季和夏季最高浓度则出现在铁山港湾口[图3:(e)、(h)]。

秋季DSi浓度为8.15-18.19 μmol/L,平均值为 (13.24±3.31) μmol/L。秋季DSi浓度存在2个高值区,最高值区位于安铺港湾口,次高值区位于铁山港湾内,浓度从安铺港及铁山港湾口向西南逐渐降低[图3(i)]。冬季DSi浓度为1.03-13.07 μmol/L,平均值为(3.77±2.97) μmol/L,最高值位于铁山港湾口,并向湾外和南部海域降低[图3 (j)]。春季DSi浓度为4.02-13.03 μmol/L,平均值为(9.09±2.51) μmol/L,最高浓度出现在调查海域北侧,最低浓度出现在西南部海域[图3(k)]。夏季DSi浓度为 2.78-17.09 μmol/L,平均值为(7.88±4.56) μmol/L,其空间分布趋势与秋季相似,即由安铺港及铁山港湾口向西南逐渐降低[图3(l)]。DSi浓度季节变化趋势为秋季>春季>夏季>冬季。

综合来看,调查区域四季营养盐的整体分布趋势均为近岸高、远岸低,高值区主要集中于铁山港湾、英罗港及安铺港湾口,低值区主要位于调查海域的西南侧,不同季节略有差异。

2.3 营养盐结构变化

调查海域秋、冬、春季的N/P值分别为16.5-35.0、8.7-38.7和16.8-30.4,平均值分别为22.5±5.2、20.3±7.9和22.4±4.1 (表2)。夏季DIN虽然与其他3个季节仍处于同一个数量级,但是由于SRP含量较低,部分站位SRP含量已接近检出限,导致夏季的N/P值增大,平均值为175.3±94.5,远高于Redfield比值。因此,调查海域四季的N/P平均值均高于Redfield比值,其中以夏季最高;硅磷比(Si/P)值与N/P值相似,即4个季节的Si/P平均值均高于Redfield比值,且夏季最高。四季硅氮比(Si/N)值未出现明显的波动,秋季、冬季、春季、夏季平均值分别为2.0±0.9、1.2±0.4、1.3±0.2和1.0±0.3 (表2)。

表2 北部湾东北部海域四季N/P、Si/P、Si/N值变化

2.4 营养盐与其他环境因子的相关性

河口和近岸海域营养盐的分布受多种因素影响,陆地径流输入是其中一个重要因素[12,15,16]。调查区域位于北部湾近岸海域,四季DIN、DSi均与盐度显著负相关(表3-6);SRP在秋、冬、春季与盐度具有极显著的负相关关系,而夏季不存在明显的相关性,且夏季调查期间SRP平均含量为四季中的最低值,接近检出限,说明SRP的消耗速度大于补充速度。同时,结合营养盐与盐度的空间分布结果,营养盐的高值区主要位于盐度的低值区,暗示陆源输入是影响调查海域营养盐分布的最主要因素,但夏季SRP亦显著受生物消耗的影响。营养盐不仅受物理化学过程(如水团输运、形态转化、沉积等)的影响,而且与海洋中的各种生物过程密切相关[17,18]。春季是生物的生长期,无机态营养盐开始被吸收,此季的叶绿素a与温度、营养盐、DO有明显的正相关性,说明在适宜的温度、光照等生长条件下营养盐的存在有利于浮游植物的繁殖与生长,溶解氧随着浮游植物的快速增长而升高。

表3 秋季溶解态营养盐与环境因子的相关系数 (n=14)

表4 冬季溶解态营养盐与环境因子的相关系数 (n=14)

表5 春季溶解态营养盐与环境因子的相关系数(n=14)

表6 夏季溶解态营养盐与环境因子的相关系数(n=14)

3 讨论

3.1 营养盐限制因子

浮游植物在生长时按照一定比例吸收营养盐,因此海水中适宜的营养盐比例有利于浮游植物的吸收,反之则因某种元素的缺乏导致其生长繁殖受到限制。浮游生物体中的C∶N∶P比例接近恒定值106∶16∶1[19],而一些需要吸收DSi的硅藻类浮游植物生物体中的Si∶N∶P=16∶16∶1[20]。限制浮游植物生长的营养盐必须同时满足绝对限制和相对限制条件[21],绝对限制法的阈值为Si=2 μmol/L,DIN=1 μmol/L,P=0.1 μmol/L[22];相对限制法判定规则如下:(1) Si/P和N/P同时>22时,P为限制因子;(2) N/P<10、Si/N>1时,N为限制因子;(3) Si/P<10和Si/N<1时,Si为限制因子[23,24]。本研究夏季调查海域西南部区域站位SRP浓度低于0.10 μmol/L,已经呈现SRP的绝对限制,而夏季N/P和Si/P均大于22 (表2),同时满足了绝对限制和相对限制条件,因此调查海域西南部区域在夏季主要受到P限制。杨静等[6]分析,1990-2014年北部湾N/P统计结果长期大于Redfield比值,最高达224,大部分区域处于P限制状态。总体而言,调查海域N/P和Si/P失衡,使得海洋生态对SRP变化十分敏感,一旦SRP含量发生剧烈变化,将导致营养盐结构产生变化,从而对调查海域的生态系统产生较大影响。

3.2 影响因素分析

冬、春季调查站位所有DIN和SRP均符合第一类海水水质标准。秋、夏季调查海域各有2个和4个站位的DIN超出第一类海水水质标准,SRP分别有8个和1个站位超出第一类海水水质标准,上述站位全部位于铁山港湾、安铺港和英罗港附近海域。秋季所有站位均符合第二类海水水质标准,而夏季铁山港附近S7号站位的DIN达到第三类海水水质标准,说明冬、春季调查海域的海水水质较好,随着陆地径流的输入,夏、秋季海水水质有所恶化。

本次调查海域DIN季节平均浓度均低于钦州湾、珍珠湾和廉州湾3个海湾相应季节的DIN浓度;夏季SRP平均浓度低于廉州湾、钦州湾和珍珠湾 (表7),上述情况可能与陆地径流输入有关。钦州湾、珍珠湾、廉州湾入海河流的DIN浓度基本属四类或劣四类[15,29],而铁山港附近的入海河流径流量较小,是广西六大港湾中入海径流相对较小的港湾[30],相对较少的径流量和营养盐输入[31]导致DIN营养盐水平低于其他海湾。而且,北部湾属于半封闭海湾,受陆源输入影响较大,其污染物扩散与近岸海域的水文特征密切相关:北部湾北部环流终年为气旋式[32],由陆地径流输入的营养盐等物质在近岸海域自东向西输运,也可能是铁山港附近海域营养盐浓度较其他海湾低的原因。

表7 北部湾近岸海域营养盐含量

2007-2009年廉州湾海域[25]的DIN及SRP浓度变化不明显;2010-2015年钦州湾[10,26]的DIN浓度变化不大,而SRP浓度升高;2004-2008年珍珠湾[27,28]、1983-2008年铁山港湾[8,9]营养盐浓度基本上呈现逐渐增大的趋势(表7)。结合本次调查结果,铁山港湾附近海域DIN、SRP和DSi含量自1983年至2018年总体呈先升后降的趋势(表7),可能得益于近年开展的节能减排、清洁生产活动,致使污染物排放减少,径流输入的营养盐浓度降低。

4 结论

(1)调查海域四季营养盐呈现近岸高、远岸低的分布趋势,高值区主要集中于铁山港、英罗港和安铺港湾口。秋、冬、春、夏季的DIN平均浓度分别为 (8.32±4.30)、(3.17±1.72)、(7.03±1.65)和 (9.53±7.54) μmol/L,夏季DIN含量最高;SRP平均浓度分别为 (0.53±0.24)、(0.18±0.10)、(0.33±0.10)和 (0.10±0.16) μmol/L,SRP的季节变化趋势为秋季>春季>冬季>夏季;DSi平均浓度分别为 (13.24±3.31)、(3.77±2.97)、(9.09±2.51)和(7.88±4.56) μmol/L,秋季最高,春季、夏季次之,冬季最低。

(2)调查期间N/P值均高于Redfield比值,尤其以夏季最高,平均值达到175.3±94.5。夏季调查海域西南部区域SRP含量低于0.10 μmol/L,且Si/P和N/P均大于22,浮游植物生长可能受SRP限制。

(3)调查海域不同季节DIN、DSi均与盐度显著负相关,说明DIN、DSi主要受陆源输入影响,而夏季SRP与盐度无明显的相关性,且含量最低,表明其可能受陆源输入和生物活动消耗的共同影响。本次调查DIN季节平均浓度均低于钦州湾、珍珠湾和廉州湾3个海湾相应季节的DIN浓度,夏季SRP平均浓度低于上述3个海湾,DIN、SRP和DSi浓度自20世纪80年代以来呈先升高后回落的趋势。