福建东山湾八尺门海域水体与沉积物中的氮磷分布及评价

蔡真珍,郑盛华,林永青,杨妙峰,席英玉,姜双城,罗冬莲

(1.厦门海洋职业技术学院,厦门市智慧渔业重点实验室,福建 厦门 361000;2.福建省水产研究所,福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室,福建 厦门 361013;3.福建省海洋生物资源开发利用协同创新中心,福建 厦门 361102)

东山湾海域位于福建省最南端,属闽南地区面积最大的海湾,是福建省渔业生产三大主要基地之一.东山湾三面环抱山丘,南接台湾海峡,北注漳江水,属于亚热带河口海湾,其地理位置佳、地形地貌独特,为近岸渔业生产和捕捞提供了有利的条件[1-2].根据高亮明等[3]的研究,仅1999-2012年期间,在东山湾,海水养殖的面积就扩大了10倍.东山湾八尺门海堤建于1960年,该海域水产养殖业发达,但由于经济高速发展和人口增加等因素,东山湾海域的生态环境遭受破坏,其优良水产种质资源也受到威胁;更由于海堤阻隔,东山湾和诏安湾的海水不能互通,使得八尺门海域沿线生态环境面临严峻的考验.

作为影响海洋生物生长发育的重要营养元素,氮、磷的含量及形态对海洋动植物具有重要意义.根据Rosenthal等[4]的研究,在网箱养殖中能被有效利用的饵料约占20%～25%,其余则以残饵、粪便等排放到环境中.水体中大量氮磷的输入是影响海域生态环境的重要因素之一,而沉积物作为氮磷的重要“源”和“汇”,也会影响着水体水质状况.近岸海域水体氮的主要形态有氨氮、硝态氮、亚硝酸盐和溶解性有机氮等,其中以无机态氮为主;磷则以可溶性有机磷及无机磷、颗粒态的有机磷及无机磷为主[5].在沉积物中,氮磷的主要形态与水体中的相同,但各形态比例发生变化,沉积物中的氮以有机氮为主,磷则有多种形态[6].因此考察和研究东山湾八尺门海域水体及沉积物中的氮磷分布及其评价,对于了解东山湾海域的生态系统状况及为该海域的海洋环境保护提供科学参考依据有着重要的意义.

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2013年10月在东山湾八尺门海域布设5个站点(图1),分别采集表层水质样品和沉积物样品.水样和沉积物样品的采集均按《海洋监测规范》(GB 17378-2007)[7]的规定执行.

图1 研究海域调查站位图

1.2 实验方法

1.3 实验仪器

TU-1810DPC型紫外可见分光光度计(北京普析通用公司),Multi 3430型多参数分析仪(德国WTW公司),Kjeltec 8200型全自动凯氏定氮仪(瑞典FOSS公司).

2 实验结果与分析

2.1 东山湾八尺门海域水质评价

但富营养化指数法仅根据一个数值判断富营养化,无法得出水质的详细情况.黄亚楠等[12]根据40多年来富营养化指数E的发展,细化E值和水质之间的关系,得出了我国四类海水水质标准对应的E值.其中:025,则表明海水水质极差,低于四类标准.东山湾八尺门海域2号站位E值在625,海水水质极差,低于四类标准.

郭卫东等[13]提出分类分级的潜在性富营养化评价模式,如表2所示.该评价模式综合考虑了水体中的氮、磷及氮磷比,划分更细致.

表2 分类分级潜在性富营养化评价

根据潜在富营养化评价法计算并对照表2,得到东山湾八尺门海域5个站位的潜在富营养化评价结果如表3.

表3 东山湾八尺门海域潜在富营养化评价结果

由表3可知,东山湾八尺门海域水体总体呈现富营养化.4、5号站位更靠近养殖和生活区,养殖残饵及生活废水的排放导致水体富营养化程度更高.作为浮游植物生长的关键营养元素,氮和磷的比值是衡量海域营养状况的重要指标.通常情况下,在大洋、湖泊等水体中,浮游植物生长的最佳氮磷比为16,称为Redfield值[14],但也有文献指出,近海海域由于生态系统的复杂性,浮游植物生长的最佳氮磷比往往不完全遵守Redfield定律[15].通常认为,氮磷比小于8为氮限制,氮磷比大于30为磷限制[13].在关于近海水体中氮磷比的研究中,经常有报道显示数值偏离了16,如深澳湾夏季的氮磷比为13.6[16];大亚湾海域2009-2015年氮磷比接近或小于16[17].东山湾八尺门海域水体的氮磷比在10～14,略低于Redfield值16,符合近海海域营养盐体系较为复杂、氮磷比与Redfield值不完全吻合的特点,考虑可能存在一定的氮限制.

2.2 东山湾八尺门海域沉积物中氮磷评价

在海域环境中,水体和沉积物是密不可分的整体,二者互相影响、相互反馈.工业化发展、人类活动、水产养殖等使大量的营养物质排入水体中,并汇聚到沉积物中.沉积物能净化上覆水,同时也充当着上覆水的营养源,加剧水体的富营养化状况.沉积物中存储着各种生源要素(包括氮、磷等元素),影响着营养元素的代谢循环及各类物质的迁移转化,能反映区域海域环境的变迁和水体的主要情况.

2.2.1 东山湾八尺门海域沉积物中的总体特征 通过实验测定东山湾八尺门海域沉积物5个站位中的TOC、TN、TP值,其结果见表4.

表4 东山湾八尺门海域沉积物理化性质

TOC是以碳的含量来表示有机物总量的指标,可以较为全面地反映出沉积物中有机物的污染状况.该海域TOC质量分数为0.87%～1.65%,符合第一类海洋沉积物质量标准[18].但TOC质量分数分布不均,4号站位TOC质量分数较高,可能与该站位附近的养殖活动、污染排放、有机物沉降、水体的流动性等有关.TN质量分数为0.864～1.350 g·kg-1,TP质量分数为0.486～1.072 g·kg-1,TN、TP均呈八尺门大桥往东山湾方向逐渐降低的趋势.TOC的含量变化也有相似规律,说明周边有较多人类活动和水产养殖活动的水体沉积物中TOC含量较高,航运、养殖等均会对沉积物中的碳、氮、磷含量产生影响.

分析沉积物中TOC、TN、TP三者之间的相关性见表5,TN与TOC之间的相关系数为0.778,TP与TOC之间的相关系数为0.566,均呈显著正相关,而TP和TN之间的相关系数更达0.910,这显示了在东山湾八尺门海域,TOC、TP、TN之间具有同源性.

表5 沉积物理化性质相关性(n=5)

2.2.2 东山湾八尺门海域沉积物中各元素比值 分别计算5个站位的碳、氮、磷三者之间的比值,其结果见表6.

表6 沉积物中各元素比值

沉积物中的C/N值可在一定程度上反映有机质来自于何种生物种类.根据文[19]报道,高等植物的C/N值范围为14～23,水生生物的C/N值范围为2.8～3.4,浮游动植物的C/N值范围为6～13,藻类为5～14.Milliman等[20]将TOC/TN值大于12及小于8的分别划为陆源有机物和海源有机物.该海域沉积物中的C/N值为9.37～14.26,说明有机质的主要来源为水体中的浮游动物、浮游植物及藻类,陆源有机质占比很低.C/P含量随着站位的变化特点与C/N值相似,第1、4、5站位含量较高,其余站位稍低.沉积物的N/P是沉积物中的吸附、释放等动态过程的综合表现,能在一定程度上反映沉积物中的富营养化程度[21].5个站位的N/P值在2.51～3.94,低于Redfield值,可见该海域沉积物中的P主要为外源输入.

计算结果见表7,八尺门海域的Si(TN)为1.57～2.45,平均值为2.07,Si(TP)为0.81～1.79,平均值为1.47.综合污染指数FF的值为1.02～1.96,平均值为1.63.

表7 沉积物中的污染评价指数

根据评价标准[25],Si为单项评价指数,若大于1,则表明含量超过标准;综合污染指数值FF<1.0为清洁等级,1.0≤FF≤1.5为轻度污染,1.5≤FF≤2.0为中度污染,FF>2.0为重度污染.对照计算结果,5个站位的Si(TN)和Si(TP)值均大于1,说明存在一定污染.从综合污染指数看,东山湾八尺门海域除了1号站位为轻度污染外,其他站位均为中度污染.

2.2.4 东山湾八尺门海域有机氮和有机指数评价 有机氮(ON)可评价沉积物质量和污染等级,[ON]=[TN]×0.95(其中总氮需换算成百分比单位形式,即1 000 mg·kg-1=0.1%),有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)[26],具体见表8.

表8 沉积物有机氮评价标准

东山湾八尺门海域的有机氮和有机指数评价值见表9.该海域有机氮范围为0.128～0.082,平均值0.108,均属于“尚清洁”等级,对应的有机氮污染等级为Ⅲ.有机指数为0.074～0.212,平均值0.120,其中,4号站点的TOC含量比较高,有机指数达0.212,属于“尚清洁”等级,对应的污染等级为Ⅲ.而其他站位的有机指数都符合“较清洁”的等级,对应的有机氮污染等级为Ⅱ.

表9 东山湾八尺门海域沉积物有机氮及有机指数

总体而言,东山湾八尺门海域水质中的有机污染水平尚可,5个站位均未达到有机污染的等级.有机指数评价的结果与污染指数评价的结果较为一致.

2.3 与已有研究结果的对比

2.3.1 与东山湾海域不同年份的对比 为进一步研究东山湾海域氮磷情况,将本研究与东山湾不同年份的数据进行对比,具体见表10.由表10对比可见,东山湾海域水体中的无机氮、总磷含量及沉积物中的总氮、总磷含量从1982-2013年总体呈现升高的趋势,有机碳则有所下降.水体和沉积物中的营养盐的影响因素有浮游植物的初级生产、水体有机碎屑的再矿化等内部过程及大气沉降、与临近海域的水体交换等过程.东山湾海域水体和沉积物中的无机氮、总磷、总氮的变化趋势反映了随着区域经济及养殖产业的发展、人类活动增加频繁,氮、磷等物质排放量增大,使其呈现增高趋势.沉积物中的有机碳含量均未超过2%,符合海洋沉积物质量标准.但1998-2016年的调查数据显示,沉积物中有机碳含量均在1.1%～1.6%,可见作为传统养殖区,其底部由于残饵粪便的累积而产生丰富的有机质,易造成沉积物中有机碳的富集.

表10 历年来东山湾海域水质和沉积物中的氮磷含量

2.3.2 与同期福建其他海域的对比 为进一步研究东山湾海域的氮磷情况,将本研究与同期福建其他海域的氮磷进行对比见表11.从表中可知,东山湾八尺门海域水体中的无机氮含量与其他海域相比处于较高水平;磷酸盐含量也较高,低于罗源湾,但均高于所对比的其他几个海域.沉积物中的总氮、总磷含量高于其他海域,沉积物中有机碳的含量低于福宁湾同期的含量,但与其他海域相比仍处于较高水平.总体可见,东山湾海域水体和沉积物中的氮磷等营养成分指标含量在福建海域属较高水平.东山湾是滨海旅游业、临港工业等行业较密集的区域,人类活动频繁,同时,东山湾也是福建地区海水养殖的重要港湾,养殖过程中饵料、残饵及养殖对象的排泄产物均是该海域水体和沉积物中氮磷及有机碳蓄积的重要因素.

表11 东山湾与福建省其他海域水质和沉积物中氮磷等含量的对比

3 结论

(1)根据现场采样及实验测定,福建东山湾八尺门海域水体中无机氮和活性磷酸盐均超过四类海水水质标准,水体为中度营养至富营养化状态,水体中的氮磷比在10～14,略低于Redfield值16,考虑可能存在一定的氮限制.

(2)东山湾八尺门海域沉积物中的TOC符合沉积物一类标准,总磷、总氮、TOC均呈八尺门大桥往东山湾方向逐渐降低的趋势,相关性分析显示三者之间具有同源性.该海域沉积物中的C/N值提示有机质的主要来源为水体中的浮游动物、浮游植物及藻类,陆源有机质占比很低.N/P值低于Redfield值,可见该海域沉积物中的P主要为外源输入.根据污染指数评价法和有机指数评价法,东山湾八尺门海域的沉积物处于中等污染和尚清洁的状态,说明该海域的沉积物并未遭受严重污染.

(3)对比东山湾海域不同年份的氮磷情况,东山湾海域水质中的无机氮、总磷含量及沉积物中的总氮、总磷含量从1982-2013年总体呈现升高的趋势,有机碳则有所下降.与同期福建其他海域对比,东山湾八尺门海域水体和沉积物中的氮磷等营养成分指标含量均较处高水平.