黃河口附近海域營養鹽行為及年際變化分析

2013-03-20 01:29:10劉霜張繼民冷宇崔文林

海洋通報 2013年4期

劉霜，張繼民，冷宇，崔文林

（國家海洋局北海環境監測中心，國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室，山東青島 266033）

黃河是我國北方第一大河和世界上輸沙量最多的河流，每年向河口附近海域注入大量的無機氮、無機磷和無機硅等物質，為浮游植物的生長繁殖提供了豐富的營養。已有一些學者對黃河口及鄰近海域營養鹽及其分布狀況進行過研究（馬紹賽等，2004；王年斌等，1999；林榮根等，1994），也有學者對附近的萊州灣海域的富營養化水平進行了研究（呂小喬等，1985；單志欣等，2002；高會旺等，2003；米鐵柱等，2001），但營養鹽多年變化的研究較少，本文根據2004-2010年在黃河口附近海域獲取的化學監測數據，對黃河口附近海域的活性硅酸鹽、活性磷酸鹽和溶解無機氮的行為及其變化進行了分析，以期為進一步研究該區域的海洋生態環境狀況提供參考依據。

1 調查站位與分析方法

1.1 調查站位和時間

在黃河口附近海域布設24 個測站，調查范圍在37°20′00″-38°02′00″N，119°03′24″-119°31′00″E之間（圖1），于2004年-2010年5月，每年度5月和8月進行表、底層海水采樣，進行化學要素分析。

圖1 黃河口附近海域采樣站位圖

1.2 調查項目及分析方法

調查項目包括海水鹽度、活性硅酸鹽（SiO3-Si）、活性磷酸鹽（PO4-P）、亞硝酸鹽（NO2-N）、硝酸鹽（NO3-N）、氨鹽（NH3-N）等，各要素的分析方法均執行國家標準《海洋監測規范第4 部分：水質分析》（GB 17378.4-2007）。三氮之和為溶解無機氮（DIN）。利用SPSS 10.0 統計軟件進行數據處理和相關性分析。

2 結果與討論

2.1 與鹽度相關性分析

對營養鹽與鹽度的相關性分析表明，無機氮中，硝酸鹽與鹽度顯著負相關（P＜0.01，n=44），5月硝酸鹽與鹽度的相關系數平均值為-0.718，表底層差別不大，8月硝酸鹽與鹽度相關系數平均值為-0.625，表底層基本無差別，表明徑流輸送是黃河口附近海域硝酸鹽的重要來源，特別是黃河、小清河等入海徑流，據孟春霞等（2005）小清河口內DIN 濃度很高，平均值為660.29 μmol/L。而無機氮另兩個組分特別是銨鹽與鹽度沒有相關性，表明亞硝酸鹽和銨鹽的主要來源除了徑流以外，還來自氮的化學變化和生物轉化過程。

PO4-P 與鹽度相關性不十分顯著，大部分年份相關系數R 小于0.1（P＞0.05，n=44），估計與黃河口附近海域PO4-P 的補充并非主要來自河流輸入，而是以有機物的分解礦化再生為主有關。趙亮等（2002）計算得出萊州灣PO4-P 的水體礦化為2.5×103t/a，水底礦化為8.9×103t/a，而河流輸入僅為0.25×103t/a，說明海底表層沉積物中的PO4-P 的向上輸送，是海水中PO4-P 補充的一個重要來源。同時，浮游植物的大量繁殖也是一個重要的影響因素。

硅酸鹽與鹽度相關性不顯著，相關系數波動在-0.8～0.3 之間，表底層差別不大，8月相關性高于5月，估計與硅酸鹽來源復雜有關系。

2.2 營養鹽垂直分布特征

2004-2010年各營養鹽表、底層的平均濃度見圖2。從圖中可以看出：無機氮各組分濃度基本都是表層高于底層（銨鹽個別年份除外），磷酸鹽濃度表底層比較接近，特別是8月表底層基本一致；硅酸鹽表層略大于底層，表底層濃度差別5月小于8月。說明無機氮、磷酸鹽和硅酸鹽有著不同的來源和遷移轉化循環規律。無機氮中，各形態氮的分布規律受物理過程、化學過程和生物活動等的共同影響，變化比較復雜也各不相同，硝酸鹽和亞硝酸鹽在垂直分布上基本表現為表層高于底層的趨勢，說明陸源輸入的影響相對其他過程占優勢，銨鹽變化比較復雜，沒有明顯的垂直分布規律。對于磷酸鹽而言，陸源輸入影響相對不占優勢，因此表現為表底層濃度比較接近。硅酸鹽和無機氮類似，垂直分布影響因素中陸源輸入相對其他過程占優勢。

在其他河口也有類似的情況，彭云輝（1997）研究了珠江口營養元素與鹽度、溶解氧和葉綠素a之間的相互關系，并對該河口的C、N、P、Si 生物地球化學循環模式進行了初步的研究。發現表層水的營養鹽分布主要受水動力和生物的影響；底層水的磷酸鹽濃度主要受絮凝作用和生物影響，而硅酸鹽和無機氮除受絮凝作用和生物影響外還受到水動力的作用。

2.3 豐枯水期變化

2004-2010年，各種營養鹽在5月（枯水期）和8月（豐水期）平均濃度見圖3。從圖中可以看出，無機氮濃度5月大于8月，無機氮中，硝酸鹽濃度5月均大于8月，而亞硝酸鹽濃度則相反，銨鹽濃度變化和季節關系不大。磷酸鹽濃度基本是8月大于5月，硅酸鹽濃度8月遠大于5月。

圖2 各種營養鹽垂直分布特征

夏季水溫升高，光照增強，是生物生長的旺季，浮游植物繁殖、生長迅速，可大量吸收硝酸鹽并將其轉化為有機氮、顆粒氮，這可能是導致8月NO3-N 濃度低于5月的原因之一。據趙衛紅等（2000），煙臺四十里灣海域春夏季溶解態氮的分布主要受生物活動控制，秋冬季主要受陸源輸入及物理混合控制；顆粒氮的分布主要受生物活動及陸源輸入共同控制。溶解有機氮的濃度從冬季到夏季不斷增高，而顆粒氮的濃度變化則正相反，顆粒氮的濃度變化趨勢與葉綠素a 的變化基本一致，但溶解無機氮與溶解有機氮與葉綠素a 的變化相反。8月，生物活動旺盛，初級生產力和葉綠素a 含量都高，溶解無機氮含量很低。此外，水溫、大風、潮余流等也與硝酸鹽的變化有著重要關系，據資料，表層硝酸鹽濃度隨海表溫度的增加而減小，二者呈明顯的負相關關系（Zentera et al，2003；Goes et al，2000）；大風等惡劣天氣會引起上下水體的強烈摻混，加速底部沉積物中營養物質的釋放；近岸區潮余流普遍偏大，所以近岸區潮流也是營養鹽傳輸和擴散的控制因素。殷鵬、張龍軍等認為枯水期黃海南部淺灘無機氮特別是硝酸鹽的高值來源于鄰近的黃海三角洲濕地水交換和沉積物釋放（殷鵬等，2011）。另外，附近的小清河的污染物也注入該海域，小清河的污染物濃度是黃海的10 倍多，其中，無機氮污染超四類海水水質標準20 多倍，對該海域的影響不容樂觀。

圖3 各種營養鹽5月（枯水期）和8月（豐水期）平均濃度

銨鹽季節變化不大，可能與氨氮的再生機制有關，浮游動物代謝是氨再生的有效途徑（Jiao，1993），同時細菌也是氨氮再生的途徑之一（Eitaro et al，1991）。此外，溫度是影響有機磷礦化的主要因素之一，沉積物中的磷酸酶活性隨溫度增加而增加，磷酸鹽濃度的豐枯水期波動估計與8月份有機磷分解礦化速率明顯高于5月份有關。據資料，硅、氮、磷的循環過程不同，氮、磷的再生必須在細菌作用下才能從有機質中釋放出來，而硅質的殘骸主要靠海水的溶解作用釋放（王保棟，2003），8月水溫明顯高于5月，這也是8月硅酸鹽濃度高于5月的原因之一。

2.4 年際變化

從2004年到2010年各種營養鹽的年際變化趨勢見圖4，從圖中可以看出，7年間，無機氮濃度略有下降，磷酸鹽和硅酸鹽呈波動趨勢；無機氮中，硝酸鹽與亞硝酸鹽略有下降，而2008年以前銨鹽濃度上升趨勢明顯。2008年以后，除了硝酸鹽以外，各營養鹽濃度均明顯下降。

銨鹽濃度的上升，估計與黃河上、中游流域農田超高量使用氮肥及氮素淋失的增加有關。通常情況下，農田施用的氮素經過硝化、反硝化、固定等轉化過程，被作物吸收剩下的NH4+大部分易被土壤顆粒的負電荷所吸附，NO3-難以被吸附，從而隨著土壤水的流動而進入地下水。但是當施用的氮肥量比較大[19]，超過了土壤陽離子交換能力，NH4+也會流失。農田大量的氮素造成的非點源污染負荷的比重逐年增加，在許多河流，此類非點源污染負荷已經超過點源污染負荷，成為水體污染的主要來源之一（郝芳華等，2006）。

2.5 營養狀況分析

海水中浮游植物一般按Redfield 比值來攝取營養鹽，即以16∶1 從海水中攝取N、P，必然有部分氮或磷相對過剩，這部分過剩的營養鹽將導致海區的營養化水平提高，但實際上它們由于并沒有被浮游植物全部利用，對實質性的富營養化的貢獻只是其中的一部分。

圖4 各種營養鹽年度變化

目前，國內外對海水富營養化還未有統一的評價標準或模型。常見的有：單因子指數法和綜合營養狀態指數法，另外還有其他一些指數或模型，如Ignatiades 指數、鄒景忠指數即營養狀況指數E、Justic 指數和模糊數學綜合評價等。上述模式雖然都有其合理的方面，但都未完全揭示出營養鹽限制對富營養化的影響。本文采用郭衛東等（1998）提出的潛在性富營養化評價模式對黃河口附近海域營養狀況進行評價，該模式以氮、磷營養鹽作為評價參數。

根據劃分標準，除了2006年5月、2008年5月和8月，以及2005年8月、2009年8月黃河口附近海域屬于磷中度限制潛在性營養狀況（ⅤP），其余時間該海域均屬于磷限制潛在性富營養狀況（ⅥP）。磷成為限制因素是由于該海域無機氮濃度相對過高引起的，據分析結果，2004-2010年黃河口海域所有站位無機氮均超《海水水質標準》（GB 3097-1997）中的一類水質標準，部分站位甚至超四類海水水質標準，特別是2005年和2006年均有超過一半的站位超四類海水水質標準。

3 結論

（1）黃河口海域硝酸鹽主要來自河流徑流的輸送，其濃度與鹽度呈顯著負相關；磷酸鹽的補充并非主要來自河流輸入，而是以有機物的分解礦化再生為主；硅酸鹽除受水動力作用影響外還受到生物作用的影響。

（2）硝酸鹽、亞硝酸鹽和硅酸鹽垂直分布影響因素中陸源輸入相對其他過程占優勢。銨鹽變化比較復雜，沒有明顯的垂直分布規律。磷酸鹽表底層濃度比較接近，陸源輸入影響相對不占優勢。

（3）各營養鹽季節變化明顯不同，硝酸鹽濃度5月均大于8月，而亞硝酸鹽濃度則相反，銨鹽濃度變化和季節關系不大。磷酸鹽濃度基本是8月大于5月，硅酸鹽濃度8月遠大于5月，估計與水溫的季節變化有一定關系。

（4） 2004-2008年，銨鹽濃度上升趨勢明顯，無機氮濃度略有下降，磷酸鹽呈波動上升趨勢。銨鹽濃度的上升，估計與流域農田超高量使用氮肥及氮素淋失的增加有關。2008年以后，除了硝酸鹽以外，各營養鹽濃度均明顯下降。

（5）除了部分月份黃河口附近海域屬于磷中度限制潛在性營養狀況，其余時間該海域均屬于磷限制潛在性富營養狀況。磷成為限制因素是由于該海域無機氮濃度相對過高造成。

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