榮成灣營養鹽的時空分布特征及其影響因素分析

謝琳萍 ，蒲新明 ，孫霞 ，王保棟

（1.國家海洋局第一海洋研究所 海洋生態研究中心，山東 青島 266061；2.海洋生態環境科學與工程國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

營養物質是養殖型海灣生態系統的物質基礎，其含量和結構在很大程度上控制著養殖生態系統的可持續生產能力。營養鹽過剩可使生態系統呈富營養狀態，導致有害生物的大量繁殖，給海水養殖業帶來了巨大損失；而營養鹽匱乏則會使生產力下降，經濟效益降低（夏東興等，1991），因而通過對養殖海域水體營養鹽的現狀分析，了解養殖水體的生態環境狀況和壓力，對建立可持續健康養殖生態系統有著重要的意義。

榮成灣位于山東半島東端，沿岸地勢北高南低，東高西低，灣口較大，南北長約20.5 km，東西寬約9 km，灣內平均水深13 m，是一個較為開闊的海灣（張明明等，2010）。榮成灣是我國北方重要的水產養殖基地，養殖品種包括海帶、海參、對蝦、牡蠣、蛤、扇貝等，其中海帶養殖面積占海灣水域面積的一半以上，是國內最大的海帶養殖基地。目前，有關萊州灣、桑溝灣、乳山灣、膠州灣的營養鹽報道較多（劉義豪等，2011；辛福言等，2004；張哲等，2009；張繼紅等，2010），但對榮成灣營養鹽的文獻報道較少。本文根據2009年4個航次的大面調查資料，分析了營養鹽的時空分布特征及其影響因素，并對營養鹽的限制情況進行了初步探討，為榮成灣的生態環境保護和科學生態養殖提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別于2009年2月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和11月（秋季）對榮成灣進行4個航次的現場調查，調查站位如圖1所示。現場用YSI水質分析儀對溫度、鹽度進行測定；采樣層次為表層和20 m層（水深不足20 m的站位，采離海底約1 m的底層水）；水樣采集后，經預處理過的GF/F（450℃灼燒6 h）膜過濾后，分裝于塑料瓶中（預先用1∶5 HCl浸泡，然后用Milli-Q水沖洗至中性），于-20℃冷凍保存。

圖1 采樣站位（▲為8月份站位；○為2月、5月和11月份站位）

1.2 分析方法

水樣在實驗室解凍至室溫后，使用營養鹽自動分析儀（QuAAtro）測定5種活性營養鹽，其中亞硝酸鹽（NO2-N）用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽（NO3-N）用Cd-Cu還原法，銨鹽（NH4-N）用次溴酸鹽氧化法，磷酸鹽（PO4-P）用磷鉬藍分光光度法，硅酸鹽（SiO3-Si）用硅鉬藍分光光度法分析，無機氮（DIN）為硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽之和（DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N）。

2 結果

2.1 無機氮的平面分布特征

本次調查中，榮成灣水體無機氮的表底層平面分布趨勢基本一致，故以表層為例來說明。春季榮成灣表層水體近岸NO3-N含量較低，低值水呈舌狀向東南方向擴展，中部海域NO3-N含量較高，整體呈近岸低外海高的變化趨勢，天鵝湖外的R1站位NO3-N含量最低（0.88 μmol/L），俚島灣附近的R7站位的 NO3-N含量最高（2.87 μmol/L）（圖2a）。調查海域NO2-N的含量相差不大，南部近岸稍高；NH4-N高值區主要出現在南部俚島鎮附近海域，北部海域也有一高值水舌由北向南擴展（圖3a）。春季DIN主要是由NO3-N和NH4-N構成，分布趨勢與NO3-N類似，呈近岸低外海高的變化趨勢，最低值仍出現在北部近岸的R1站位（0.99 μmol/L），南部近岸的R7站位DIN的含量最高（5.06 μmol/L）（圖 4a）。

夏季表層NO3-N和NO2-N的分布趨勢較為相似，西部近岸濃度較高，高值區沿海岸線呈狹長帶狀向外遞減（圖2b）。NH4-N和DIN的平面分布相似，表現為由近岸到外海濃度遞減的變化趨勢，近岸高值區范圍更為廣闊，高值水舌前沿可達海灣的中部（圖3b，圖4b）。NH4-N和DIN的平面分布圖相似性，說明了夏季DIN的分布趨勢主要受NH4-N的影響。

圖3 榮成灣表層水體銨鹽的平面分布（μmol/L）

圖4 榮成灣表層水體無機氮的平面分布（μmol/L）

秋季榮成灣表層水體NO3-N和NO2-N的平面分布表現出一定的相似性，即近岸濃度較高，由近岸向外海濃度遞減的變化趨勢，最高值均出現天鵝湖口的R1站位，分別為8.50μmol/L和1.96μmol/L，灣外的R12站位NO3-N含量最低（2.05 μmol/L），中部的R5站位NO2-N含量最低（圖2c，）；NH4-N的平面分布整體表現為近岸高外海低的變化趨勢，南部近岸的R10站位NH4-N含量最高，達14.3 μmol/L。該季節DIN的含量均值為9.16μmol/L，達四季之最，其平面分布趨勢與NO3-N相似（圖3c，圖 4c）。

冬季表層NO3-N和DIN的平面分布類似，西部近岸濃度較低，外海濃度較高（圖2d，圖4d）；NO2-N也表現為近岸濃度低外海濃度高的變化特點，低值區主要出現在天鵝湖附近海域。NH4-N的平面分布則表現為近岸和外海濃度較高，中間海域濃度較低的變化趨勢（圖3d）。

2.2 磷酸鹽的平面分布特征

榮成灣PO4-P的表底層平面分布趨勢基本一致，故僅闡述表層的平面分布特征。春季PO4-P的平面分布呈現南高北低，中部海域高近岸和外海低的變化趨勢，最高值出現在南部的R9站位（0.60 μmol/L），天鵝湖口的R1站位的PO4-P含量最低（0.11 μmol/L）（圖5a）。夏季調查海區PO4-P含量很低（均值為0.06 μmol/L），近岸的PO4-P含量稍高（>0.1 μmol/L），其他海域均較低（<0.1 μmol/L）（圖5b）。秋季水體PO4-P的分布整體呈近岸高外海低的分布特點，南部R9站位的PO4-P含量最高（1.02 μmol/L），中部的R12站位的PO4-P最低（0.28 μmol/L）。冬季PO4-P分布呈現近岸低外海高的特點，東南部海域有小股高PO4-P含量的水體向灣內擴展。

2.3 硅酸鹽的平面分布特征

榮成灣SiO3-Si的表底層平面分布趨勢基本一致，故僅闡述表層的平面分布特征。春夏秋3個季節榮成灣SiO3-Si的平面分布趨勢基本類似，呈近岸高外海低，由近岸向外海濃度遞減的變化趨勢，春夏季高值區主要出現在俚島鎮附近海域，秋季則出現在天鵝湖口和養魚池灣口附近海域。冬季SiO3-Si的分布趨勢與前3個季節相反，呈現近岸低外海高，由近岸向外海濃度遞增的變化趨勢（圖6）。

2.4 榮成灣營養鹽的季節變化

圖5 榮成灣表層水體磷酸鹽的平面分布（μmol/L）

圖6 榮成灣表層水體硅酸鹽的平面分布（μmol/L）

表1 榮成灣調查海區營養鹽的含量（μmol/L）

從表1中可以看出秋季NO3-N的濃度最高，達5.59 μmol/L，夏季含量較低，不足秋季的20%，春季和冬季NO3-N的含量介于兩者之間；NO2-N的含量均值為0.32 μmol/L，約為NO3-N均值的10%，最高值出現在秋季（0.73 μmol/L），春夏季次之，冬季最低；NH4-N的濃度均值為2.51μmol/L，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低；DIN的含量范圍為 0.29～22.84 μmol/L，平均值為 5.92 μmol/L，秋季最高，冬季次之，春夏季較低。榮成灣水體PO4-P的含量較低，年平均值為0.31 μmol/L，最高值出現在秋季，達0.58 μmol/L，其次為冬季，夏季最低。水體SiO3-Si的變化范圍為1.36～13.80 μmol/L，平均值為 6.62 μmol/L，季節變化為秋季＞夏季＞冬季＞春季。

從DIN的構成上來看，NO2-N對DIN的貢獻相對較低，不足其十分之一。春季NO3-N和NH4-N為無機氮的主要存在形式，貢獻率分別為43%和52%；夏季NH4-N是DIN的主要組分，占DIN的77%；秋冬季NO3-N為無機氮的主要構成部分，對DIN的貢獻率分別為61%和68%。從全年來看，無機氮主要是由NO3-N和NH4-N，貢獻比例分別為52%和42%，這與王朝暉等對大亞灣的研究結果有良好的一致性（圖7）。

圖7 無機氮組成的季節變化

在垂直方面上，春季水體NH4-N、NO3-N和DIN表層含量略低于底層，NO2-N、PO4-P和SiO3-Si表層含量略高于底層；夏季除PO4-P表層高于底層外，其他營養鹽均為表層含量低于底層；秋季NH4-N和PO4-P表層含量低于底層，NO2-N、NO3-N、DIN和SiO3-Si均為表層含量高于底層；冬季表層水體營養鹽的含量低于底層水體。

3 討論

3.1 與其他海灣的營養鹽狀況的對比分析

榮成灣調查海區水體營養鹽含量較低，除秋季的R1和R10外，水體DIN的含量均符合國家一類水質標準；春夏冬季大部分站位磷酸鹽含量低于國家一類水質標準，秋季則有60%站位PO4-P的含量超過國家一類水質標準。

從表2中也可以看出，我國主要海灣DIN的高低順序為泉州灣＞乳山灣＞舊鎮灣＞四十里灣＞膠州灣＞桑溝灣＞大亞灣＞榮成灣。榮成灣的DIN含量較低，僅略高于北黃海；水體PO4-P的含量也處于較低水平，僅略高于四十里灣，低于萊州灣、桑溝灣、乳山灣、膠州灣、泉州灣、舊鎮灣、大亞灣和北黃海；榮成灣SiO3-Si的含量不高，略高于桑溝灣和北黃海，低于其他臨近海灣。產生這種現象可能有以下幾個原因：首先，與臨近的萊州灣、桑溝灣、膠州灣相比，榮成灣的灣口較大（約20.5 km），灣外的潮流基本呈南北走向，灣內潮流方向主要順著海岸流動，主流向與岸線基本平行，灣外流速較大，成山頭處流速可達1.14 m/s，不考慮養殖的影響，通過模型計算獲得榮成灣的半交換周期為8.8 d（內部資料，尚未發表），灣內水體更新較快，灣內高營養鹽水體可快速與外海水混合，難以在灣內累積，水體營養鹽的含量較低；其次，榮成灣沿岸入海徑流量較少，陸源營養鹽輸入較少，而臨近的萊州灣（黃河、小清河等）（張義豪等，2010）、桑溝灣（沽河、崖頭河、桑溝河等）（張繼紅等，2010）和膠州灣（墨水河、海泊河、李村河等）（張哲等，2009）均有較多陸源徑流輸入，使海灣的營養鹽含量處于一個較高的水平；再次，榮成灣主要以海帶養殖為主，整個調查海域有一半海域是海帶養殖區，海帶在生長過程中將吸收大量的營養鹽，每一次的收獲都將水體中營養鹽以海藻的形式帶出水體，在一定程度上降低了水體營養鹽的含量（胡海燕等，2003；劉靖雯 等，2001）。

表2 榮成灣與其他海灣營養鹽濃度情況（μmol/L）

3.2 營養鹽的限制性分析

目前，營養鹽限制的評價方法多采用氮、磷、硅營養鹽的絕對含量及三者之間的比值來綜合判斷。Nelson等（1990）通過研究浮游植物生長動力學得到浮游植物生長所能吸收的營養鹽最低濃度，認為 DIN=1 μmol/L，PO4-P=0.1 μmol/L，SiO3-Si=2 μmol/L可作為浮游植物生長的最低閾值。Justic等（1995）在總結前人研究的基礎上提出了營養鹽潛在限制的標準，即（1）若DIN＜1 μmol/L，N/P＜10，Si/N＞1，DIN為浮游植物生長的限制因子；（2）若 P＜0.1 μmol/L，N/P＞22，Si/P＞22，PO4-P 為浮游植物生長的限制因子；（3）若Si＜2 μmol/L，Si/P＜10，Si/N＜1，SiO3-Si為浮游植物生長的限制因子。

本文根據Justic等（1995）提出的營養鹽限制標準對榮成灣表層水體營養鹽的限制情況進行分析，春季榮成灣DIN和PO4-P的含量均高于浮游植物生長所能吸收的最低閾值，大部分站位（除R14、R15站位）SiO3-Si的含量超過該閾值，僅R15站位浮游植物生長受到SiO3-Si的潛在限制；夏季水體DIN和SiO3-Si的含量均超過該閾值，浮游植物生長不受DIN、SiO3-Si的限制，但PO4-P的含量較低，90%以上的站位磷酸鹽含量低于閾值（0.1 μmol/L），76%的站位浮游植物生長受PO4-P的潛在限制；秋季水體營養鹽含量較高，浮游植物生長不受營養鹽的限制；冬季水體營養鹽狀況良好，浮游植物生長基本不受DIN、PO4-P、SiO3-Si的限制，僅近岸的R1受到PO4-P的潛在限制，R4站位同時受到DIN和PO4-P的雙重潛在限制。

3.3 營養鹽的影響因素分析

榮成灣是我國典型的海帶養殖基地，從圖1可以看出122.65 E以西的大部分海域為海帶養殖區，海帶養殖區的面積約占整個調查區的一半，據榮成市海洋與漁業局統計資料顯示，2009年榮成灣的海帶養殖面積約為1 567公頃，產量約為4.1萬噸。海帶是一種冷水性藻類，曾呈奎等研究指出海帶生長發育的最適溫度都在20℃以下，孢子體生長的適溫范圍為1℃～13℃，5℃～10℃為最適溫度范圍（曾呈奎等，1957）。榮成灣養殖戶一般在8-10月份進行海帶育苗，10月中旬-12中旬分苗下海，并在海帶養殖繩上懸掛一個施肥袋（主要是氮肥和磷肥）進行施肥，此后一直到海帶收獲基本不再施肥，第二年5-8月份進行收獲，收獲的順序是從灣內淺水區逐漸向灣口深水區（張繼紅等，2010）。

春季（5月份）氣溫回暖，水溫升高（9.8℃～14.2℃），海帶生長放緩，對水體營養鹽的吸收減弱，近岸海帶養殖區已開始收獲。有研究表明當海區營養鹽特別是DIN的含量較低時，可導致海帶發生病變從頂部開始腐爛，到6月中旬，部分區域海帶已腐爛掉了大部分僅剩不足1 m（方建光等，1996a）。本次調查春季榮成灣水體中營養鹽的含量較低（DIN 為 4.63 μmol/L，PO4-P 為 0.23 μmol/L），調查時間為5月份正處于海帶生長后期（收獲期），許多海帶殘體在微生物的作用下分解，水體NH4-N含量升高，NH4-N占DIN的比例由冬季的30%提高到52%，NO3-N和NH4-N為無機氮的主要存在形式；北部海域的R3站位鹽度較低（28.6），營養鹽含量卻較高，這可能是由北部高營養鹽含量的沿岸流在潮汐的作用下南下輸入造成的。從相關性來看，營養鹽與鹽度沒有顯著的相關性（P＞0.05），說明陸地徑流對灣內營養鹽的補充較少；DIN、PO4-P和SiO3-Si三者之間也無顯著相關性，說明這三種營養鹽的來源不盡相同，葉綠素a與DIN、PO4-P相關性不好，但與SiO3-Si呈顯著負相關（r=-0.575，P＜0.05）。

夏季（8月份），榮成灣內養殖的海帶基本收獲完畢，水體葉綠素a的含量較高（2.97 μg/L），氮磷營養鹽含量較低，大多數站位磷酸鹽的含量低于浮游植物生長的閾值（0.1 μmol/L），一方面由于海帶生長過程的消耗，另一方面隨著海帶的收獲，水體的流動性加強，浮游植物的競爭壓力減少，其生長過程中也吸收了水體中一部分營養鹽。從相關性分析來看，DIN、PO4-P和SiO3-Si均呈極顯著正相關（r=0.564，P＜0.01；r=0.562，P＜0.01），與鹽度無相關性，DIN與葉綠素a呈顯著負相關（r=-0.456，P＜0.05）；PO4-P與葉綠素a無顯著相關性（P＞0.05），SiO3-Si與葉綠素a呈極顯著負相關（r=-0.711，P＜0.01），說明了在海帶收獲后期，水體營養鹽的含量較低，磷酸鹽幾乎消耗殆盡，硅藻生長可能較為旺盛。

秋季水體混合加強，沉積物吸附的N、P營養鹽在波浪、海流等動力因素的作用下不斷釋放到水體中，對上層水體營養鹽起到一定的補充作用，研究表明沉積物中營養鹽的溶解釋放是養殖水體浮游植物和養殖藻類所需營養鹽的一個重要補充機制（蔣增杰等，2008）。11月份海帶剛播種不久，海區葉綠素a的含量亦不高，海帶幼苗和浮游植物對營養鹽的消耗不大，由于養殖戶在10月份左右下苗時進行施肥，因而水體營養鹽的含量較夏季高出數倍，DIN、PO4-P和SiO3-Si營養鹽含量均達四季之最。從DIN的構成上來看，該季節水體NO3-N含量較高，NH4-N和NO2-N含量較低，NO3-N為DIN的主要成分。從相關性上來看，DIN與SiO3-Si呈極顯著正相關（r=0.644，P＜0.01），與PO4-P、T、S和葉綠素a均無顯著相關性（P＞0.05）；PO4-P與SiO3-Si呈極顯著正相關（r=0.668，P＜0.01），與DIN、T、S和葉綠素a均無顯著相關性（P＞0.05）；SiO3-Si與葉綠素a無顯著相關性（P＞0.05），說明DIN和SiO3-Si具有一定的同源性，這可能與魯北沿岸流對榮成灣營養鹽的補充有關。

冬季海帶生物量較秋季有了顯著提高，生長旺盛（史潔等，2010），消耗大量的營養鹽，使水體營養鹽的含量較秋季有明顯下降。NO3-N是DIN的主要成分。葉綠素a與DIN和SiO4-Si的無有顯著相關（P＞0.05），而與PO4-P呈顯著正相關（r=0.61，P＜0.05），說明冬季榮成灣浮游植物生長與水體磷酸鹽的含量有關。

4 結論

（1）榮成灣營養鹽的含量較低，在我國主要海灣中處于較低水平。無機氮年平均值為5.92μmol/L，除秋季個別站位外，均符合國家一類水質標準；磷酸鹽的年均值為0.31 μmol/L，秋季約60%站位的磷酸鹽含量超國家一類水質標準，其他季節磷酸鹽含量均符合國家一類水質標準。硅酸鹽的變化范圍為 1.36～13.80 μmol/L，均值為 6.62 μmol/L。DIN和PO4-P營養鹽的季節變化為秋季＞冬季＞春季＞夏季；硅酸鹽的季節變化為秋季＞夏季＞冬季＞春季。

（2）榮成灣營養鹽的分布變化特征與養殖海帶的生長周期有著緊密的聯系，海帶生長初期（秋季），海區營養鹽含量較高，NO3-N是DIN主要成分；海帶生長中后期（春季），DIN濃度下降，NO3-N和NH4-N是DIN的主要成分；海帶收獲后期（夏季），海區營養鹽含量最低，DIN主要由NH4-N構成。

（3）榮成灣春秋冬3個季節除個別站位外，浮游植物生長基本不受營養鹽的限制，夏季90%以上的站位浮游植物生長受到P的限制，但基本不受N和Si的限制。

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