欽州灣海域氮磷營養鹽近30年變化規律及其來源分析

徐敏，韓保新 ，龍穎賢

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655

欽州灣位于北部灣頂部廣西沿岸中段，在21°33'20″N～21°54'30″N，108°28'20″E ～ 108°45'30″E之間。全灣海岸線總長336 km，海灣面積380 km2，平均水深約5.2 m［1］。伴隨著海洋納污的增加，赤潮已成為沿海主要環境災害之一［2-3］。研究表明，海水富營養化是赤潮發生的物質基礎［4-6］。氮和磷是導致近海水體富營養化的重要原因。欽州灣是北部灣海域赤潮的相對高發區，因此，有必要全面分析其營養鹽濃度和分布變化特征?，F有的欽州灣營養鹽研究主要是對近20年(1983—2003年)油類、浮游植物、溶解氧等指標的評價，以及對內灣(茅尾海)貝類養殖海區無機氮、水環境特征等的研究［7-13］。葦蔓新等［14］根據1983 年、1990 年和1998—1999年平水期的調查資料，分析了欽州灣的營養鹽狀況及其與環境因子的關系。龍曉紅等［15］分析了欽州灣2006—2010年的 N、P、Si數據，富營養化狀況以及限制因子。但鑒于已有的分析數據不足等原因，存在著數據時間序列較短，濃度分布和相關性分析簡單等問題。筆者通過對1983—2010年期間資料的分析，研究欽州灣近30年來氮磷營養鹽的變化趨勢及其平面分布特征，分析營養鹽與pH和鹽度的相關性，比較不同來源氮磷污染物的入海通量，甄別欽州灣營養鹽的主要來源，提出欽州灣海洋生態環境保護的對策和建議。

1 材料與方法

1.1 資料收集

采用的水質資料來自廣西北海海洋環境監測中心欽州灣近岸海域常規海洋監測站位的秋冬季海水水質監測數據(主要是1995—2007年的監測數據)，以及文獻［11，13］(1983—1994年)和文獻［15］(2008—2010年)的營養鹽年均值數據。

1.2 現場采樣及分析

1.2.1 站位布設及調查時間

監測站點位布設如圖1所示。共布置16個監測站(斷面)，調查時間為每年的秋季(9月中旬—10月上旬)和冬季(12月上旬—中旬)。

1.2.2 調查方法

水深小于5 m時采集水面下1 m樣品，水深大于5 m時分別采集水面下1 m和海床1 m以上的2個樣品。測定項目包括溶解無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、鹽度(Sa)和pH等水質指標，測定方法均采用GB 17378—2007《海洋監測規范》中的標準方法。

硝酸鹽水樣現場過濾后先用HgCl2固定，后于實驗室內用營養鹽自動分析儀測定。在現場，pH采用pH計電極法測定，磷酸鹽采用磷鉬藍法測定，亞硝酸鹽采用重氮-偶氮法測定，氨氮采用靛酚藍法測定。

圖1 欽州灣監測站點位分布Fig.1 Survey sites in Qinzhou Bay

2 結果與討論

2.1 欽州灣DIN和DIP年際濃度變化趨勢分析

近30年欽州灣海域水體中營養鹽濃度的年均變化如圖2所示。

圖2 1983—2010年欽州灣海域營養鹽年際變化Fig.2 Annual variation of nutrient in Qinzhou Bay from 1983 to 2010

由圖2可見，海水中DIN濃度為0.043～0.341 mg/L，多年平均值為0.206 mg/L。其中除2001年，2002年，2006年和 2010年 DIN濃度超過 GB 3097—1997《海水水質標準》二類標準(0.30 mg/L)外，其余年份均符合二類海水水質標準要求。DIN濃度年際變化大，總體呈上升趨勢，可能與以下原因有關:陸源徑流攜帶大量含氮廢水入海;海域周邊農業生產方式的改變，從20世紀90年代開始農田主要以施氮肥為主，過量的氮肥隨著農田排水或雨水沖刷而流失，經各種途徑進入海洋［16］。

由圖2可見，海水中DIP濃度為0.004～0.022 mg/L，多年平均值為0.011 mg/L。DIP濃度年際變化不大，總體呈下降趨勢，其中最高值為0.022 mg/L(1983年)。DIP濃度下降可能與以下原因有關:20世紀90年代初沿岸人口的迅速增長使得含磷生活污水排放量增加，但含磷洗滌劑的逐步限制使用又減少了污水中的磷濃度［14］;浮游植物的豐度發生變化，浮游植物生長繁殖需要消耗利用磷酸鹽［7］;污水處理廠的逐步建立和使用，削減了污水中的磷濃度。

為了進一步研究海水中DIN三種存在形式(硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮)的變化趨勢，繪制出三種濃度組分的年際變化(圖3)。由圖3可見，1995—2007年欽州灣海區的亞硝酸鹽氮濃度和氨氮濃度處于較低水平，基本上都低于0.060 mg/L;硝酸鹽濃度較高，多年平均值為0.163 mg/L，占DIN的71%，對DIN起主要貢獻。

圖3 1995—2007年欽州灣海區無機氮(DIN)各組分濃度的年際變化Fig.3 Annual variation of inorgainic nitrogen component in Qinzhou Bay from 1995 to 2007

2.2 欽州灣DIN和DIP濃度平面分布特征分析

2001年、2004年、2007年欽州灣表層海水中DIN濃度平面分布如圖4所示。由圖4可見，DIN高值區均位于內灣茅尾海欽江入?？诟浇?，平面分布均呈現自茅尾海向中部水域和灣口明顯遞減的特征。2001年DIN濃度均值最高，達0.341 mg/L，范圍為0.204～0.612 mg/L;2004年DIN濃度均值最低，為0.145 mg/L，范圍為0.017～0.457 mg/L;2007年DIN濃度均值為0.241 mg/L，范圍為0.089～0.386 mg/L。

運用DEAP2.1軟件對2009～2016年我國各地區高技術產業的Malulquist生產率指數進行測算和分解，得到高技術產業創新效率的動態變化情況，具體運算結果見表3，全要素生產率及其分解指標變化趨勢如圖1所示。

2001年、2004年、2007年欽州灣表層海水中DIP濃度平面分布如圖5所示。由圖5可見，DIP高值區主要位于內灣的茅尾海水域，2001年和2007年均呈現自茅尾海向中部水域和灣口明顯遞減趨勢。2001年DIP濃度均值居中，為0.012 mg/L，范圍為0.01～0.015 mg/L;2004年DIP濃度均值最小，僅為0.002 mg/L，范圍為0.001～0.007 mg/L;2007年DIP濃度均值最高，達0.012 mg/L，范圍為0.006～0.036 mg/L。

圖5 欽州灣表層海水中DIP濃度的平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface seawater of the Qinzhou Bay

綜上，欽州灣海水中營養鹽分布總體呈自北向南、自內灣向灣口遞減的趨勢，高濃度區均位于內灣茅尾海的欽江等入?？诟浇?。究其原因:茅尾海為欽州灣內的封閉型河口灣，其接受的欽江和茅嶺江徑流量僅次于受南流江徑流影響最大的廉州灣海域，而欽江等受到的氮磷污染明顯重于南流江;欽州灣內魚、蝦、蟹等養殖業發展迅速，已形成連片灘涂養殖，腐爛的餌料和養殖生物的排泄物含有大量營養鹽類物質，直接排入水中［11］;欽州灣的咽喉段對茅尾海內的污染物遷移擴散起到明顯的阻礙作用，以致茅尾海內污染物在灣內滯留較長時間［17］。

3 營養鹽相關性及其入海通量分析

3.1 營養鹽與pH和鹽度(Sa)的相關性分析

營養鹽在水體中的賦存狀態與其他環境因子之間存在著雙向的內在聯系。欽州灣營養鹽(DIP，DIN)與Sa和pH的相關性分析結果如表1所示。

表1 營養鹽與pH和Sa的相關關系Table 1 Correlationship between nutrients and pH，salinity

由表1可見，2001年、2004年和2007年DIN與Sa呈顯著負相關(相關系數分別為-0.99，-0.93和-0.80)，DIP與Sa的相關性差異較大(相關系數分別為-0.75，0.22和-0.55)。因為欽州灣僅在灣頂的茅尾海有欽江和茅嶺江攜帶淡水入灣，而含有豐富營養鹽的低鹽河口水與營養鹽含量低的高鹽外海水在相互混合過程中，營養鹽的濃度隨著鹽度的增加、pH的增大而降低。這說明徑流輸入對海灣DIN變化起主導作用，而對海灣DIP的影響不顯著［13］。如圖5所示，由于2001年和2004年海水中DIP含量較低，故平面分布差異很小，僅2007年有較明顯的濃度分布差異。研究表明［19］，磷酸鹽的變化多受溫度與葉綠素a的影響，浮游植物的消耗是控制磷酸鹽變化的主要因素，從而造成了磷酸鹽的變化與無機氮不同。

3.2 營養鹽入海通量分析

進入欽州灣的營養鹽主要分為陸源污染和海水養殖兩類。陸源污染主要包括入海河流攜帶、工業廢水直排口、城市生活污水和工業廢水混合排放口。以現有的廣西北海海洋環境監測中心站2007年入海污染源調查結果為例，對欽州灣氮磷營養鹽的來源比例進行分析，結果如圖6所示。由圖6可知，陸源污染是欽州灣營養鹽主要來源，其中河流入海所攜帶的營養鹽占入海營養鹽總量的78%以上，是最主要的污染源。

圖6 2007年營養鹽入海污染源比例構成Fig.6 Proportion of pollution sources of nutrients in 2007

為分析污染物入海通量與欽州灣海水水質的相互關系，對2001—2007年欽江和茅嶺江的氨氮和總磷入海通量進行計算分析，結果如圖7所示。

圖7 入海河流營養鹽通量Fig.7 Nutrient flux of river into the sea

圖7表明，2001—2007年欽州灣氨氮入海通量呈先高后低再升高的變化態勢，這與2001—2007年欽州灣海水中DIN濃度的變化趨勢一致，說明河流攜帶氨氮入海通量是欽州灣DIN濃度分布與變化的主要貢獻源。這也與相關性分析得到的陸源污染是無機氮變化主導因素的結論一致?？偭兹牒Ｍ砍氏容^平緩、之后降低、再升高的變化態勢，但海水中DIP濃度的變化并未呈現相似的態勢，這與3.1節得出的徑流輸入對海灣DIN變化起著主導作用，而對海灣DIP影響不顯著的結論一致。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)欽州灣1983—2010年近30年營養鹽年均濃度變化分析表明，水體中DIN濃度值為0.043～0.341 mg/L，總體呈波動上升趨勢;水體中DIP濃度為0.004～0.022 mg/L，總體呈下降趨勢;DIN各組分中硝酸鹽氮所占比例最大，達71%。

(2)2001—2007年營養鹽濃度時空分布分析說明，DIN濃度和DIP濃度均呈現自北向南、自內灣茅尾海向欽州灣口遞減的趨勢，內灣尤其是欽江入灣頂茅尾海處的營養鹽濃度明顯高于灣中和外灣。

(3)入海河流攜帶的營養鹽占入海營養鹽總量的78%以上，是最主要污染源。2001—2007年河流攜帶氨氮入海通量與同期海水中DIN濃度的時間變化趨勢一致，而總磷入海通量與同期海水中DIP濃度的時間變化趨勢不一致，表明河流輸入主要決定了欽州灣DIN濃度時空分布，而對DIP的影響不顯著，這與相關性分析結果一致。

4.2 建議

(1)為改善欽州灣水環境質量，建議重點治理欽江和茅嶺江位于茅尾海的入?？谏嫌螝J州市區的陸源污染。

(2)由于茅尾海的封閉性和欽州灣的半封閉性，為減少灣內的污染累積，建議欽州灣沿岸的主要污水向灣外或灣口附近水域集中排放。

(3)建議切實提高欽州市城鎮污水處理廠的收水率、處理效率和處理規模，采用脫氮除磷技術，努力確保環欽州灣的陸源污染物排放量小于欽州灣的環境容量。

［1］蔣磊明，陳波，邱紹芳，等.欽州灣潮流模擬及其納潮量和水交換周期計算［J］.廣西科學，2009，16(2):193-195，199.

［2］FERREIRA J G，BRICKER S B，SIMAS T C.Application and sensitivity testing of a eutrophication assessment method on coastal systems in the United States and European Union［J］.Environmental Management，2007，82(4):433-445.

［3］HEISLER J，GLIBERT P M，BURKHOLDER J M，et al.Eutrophication and harmful algal bloom:a scientific consensus［J］.Harmful Alage，2008，8(1):3-13.

［4］ZHI P M，FINKEL Z V，IRWIN A J.Light and nutrient availability affect the size-scaling of growth in phytoplankton［J］.Theoretical Biology，2009，259(3):582-588.

［5］GAMEIRO G，CARTAXANA P，BROTAS V.Environmental drivers of phytoplankton distribution and composition in Tagus Estuary，Portugal Estuarine［J］.Coastal and Shelf Science，2007，75(1/2):21-34.

［6］HILLIGSOE K M，RICHARDSON K，BENDTSEN J，et al.Linking phytoplankton community size composition with temperature，plankton food web structure and sea-air CO2flux［J］.Deep Sea Research Part1:Ocean Organic Research Papers，2011，58(8):826-838.

［7］韋蔓新，何本茂.欽州灣近20a來水環境指標變化趨勢:油類的分布特征及其污染狀況［J］.海洋環境科學，2003，22(2):49-52.

［8］韋蔓新，何本茂.欽州灣近20a來水環境指標的變化趨勢:浮游植物生物量的分布及其影響因素［J］.海洋環境科學，2008，27(3):253-257.

［9］韋蔓新，何本茂.欽州灣近20a來水環境指標的變化趨勢:溶解氧的含量變化及其在生態環境可持續發展中的作用［J］.海洋環境科學，2009，28(4):403-409.

［10］韋蔓新，賴廷和，何本茂.廣西欽州內灣貝類養殖海區三氮的含量和百分組成［J］.臺灣海峽，2001，20(4):441-446.

［11］韋蔓新，賴廷和，何本茂.欽州灣豐、枯水期營養狀況變化趨勢及其影響因素［J］.熱帶海洋學報，2003，22(3):16-21.

［12］韋蔓新，童萬平，賴廷和，等.欽州灣內灣貝類養殖海區水環境特征及營養狀況初探［J］.黃渤海海洋，2001，19(4):51-55.

［13］韋蔓新，賴廷和，何本茂.欽州灣近20a來水環境指標的變化趨勢:平水期營養鹽狀況［J］.海洋環境科學，2002，21(3):49-52.

［14］何本茂，韋蔓新.欽州灣近20a來水環境指標的變化趨勢:水溫、鹽度和pH的量值變化及其對生態環境的影響［J］.海洋環境科學，2010，29(1):51-55.

［15］龍曉紅，蔣清華，鄧琰.廣西欽州灣近岸海域“十一·五”期間營養鹽變化趨勢分析及污染控制重點［J］.環境科學與管理，2011，36(8):65-68.

［16］錢國棟，漢紅燕，劉靜，等.近30年膠州灣海水中主要化學污染物時空變化特征［J］.中國海洋大學學報，2009，39(4):781-788.

［17］夏華永，殷忠斌，葛文標.欽州灣物理自凈能力研究［J］.廣西科學，1996，3(2):65-70.

［18］戴紀翠，高曉薇，倪晉仁，等.深圳近海海域營養現狀分析與富營養化水平評價［J］.環境科學，2009，30(10):2879-2883.

［19］藍文陸，彭小燕.茅尾海富營養化程度及其對浮游植物生物量的影響［J］.廣西科學院學報，2011，27(2):109-116.?