四十里灣海域營養鹽年際變化及影響因素研究

邢紅艷 ，孫珊 ，馬元慶 ，白艷艷 ，靳洋 ，劉義豪 ，秦華偉 ，李斌

（1.山東省海洋水產研究所，山東 煙臺 264006；2.山東省海洋環境監測中心，山東 煙臺 264006；3.山東省海洋生態修復重點實驗室，山東 煙臺 264006）

海水中的營養鹽作為海洋生產力的基礎，是浮游植物生長的必需元素，也是海水富營養化的重要指標，其生物地球化學循環對海洋生態系統具有至關重要的作用（張正斌等，2004；張經1997）。海灣作為一片三面環陸的水體，由于受到陸源徑流注入、工農業廢水、城市生活污水排放和海水養殖排污等的影響，造成其富營養化，赤潮頻發，破壞了局部海區的生態平衡，對漁業資源和海水利用等帶來不良的影響，引發的環境問題越來越多的受到人們的關注（石洪華等，2008；劉慧等，2003；Liu et al，2005；Liu et al，2007）。

煙臺四十里灣是我國北方典型的養殖區之一，位于煙臺市萊山區北部海域，西北與芝罘灣相連，東鄰養馬島，北有崆峒島、擔子島，海岸線長20 km，面積約86.7 km2，屬半封閉型海域，水體交換能力較差（單志欣等，2001）。四十里灣海水養殖歷史悠久，是我國北方最早開展淺海海產養殖的海域之一，早在20世紀40年代就開展海帶和裙帶菜的養殖實驗（吳玉霖等，2001；趙衛紅等，2000）。根據山東省海洋環境監測中心監測記錄，四十里灣從1998-2010年間，除2000、2003和2006年外，每年都有赤潮發生，富營養化程度比較嚴重。本文根據四十里灣2003-2010年5-10月6個月份海洋環境監測航次調查的資料，對該海域8年來的營養鹽歷史變化規律進行了深入研究，并對其影響變化因素和富營養化狀況進行了簡要分析，為深入掌握四十里灣污染變化形勢，研究人類活動影響下典型海灣環境生態演變過程和機制，為維護和治理四十里灣海域生態環境提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

數據來源于2003-2010年5-10月份煙臺近海赤潮監控區四十里灣赤潮監測。灣內設站位6個，從5月到10月每月1次，共6個航次，采樣站位如圖1所示。樣品的采集、保存和分析均按《海洋監測規范》（GB 17378-2007）規定的方法操作，營養鹽測定NO3-N采用鋅鎘還原法，NO2-N采用鹽酸萘乙二胺分光光度法，NH4-N采用次溴酸鹽氧化法，PO4-P采用磷鉬藍分光光度法，SiO3-Si采用硅鉬黃分光光度法。c（DIN）=c（NO3-N）+c（NO2-N）+c（NH4-N）。

圖1 四十里灣取樣站位

2 結果與討論

2.1 營養鹽狀況分析

煙臺四十里灣海域8年來營養鹽5-10月6個月份的平均值見表1。從表1可知，近8年來四十里灣海域DIN呈逐漸上升的趨勢，2003年DIN濃度為 88.3 μg/L，而 2010 年濃度為 255 μg/L，是2003年的近3倍；PO4-P年際濃度變化范圍在4.55～13.2 μg/L之間，增加的趨勢不明顯。與DIN類似，SiO3-Si也呈逐漸上升的趨勢（2005年未測定）。因此，從研究結果來看，四十里灣營養鹽在近8年平均含量有遞增趨勢；這與我國近岸、河口海域富營養化程度不斷增高的趨勢相一致（周斌等，2010；Zhang et al，2007）。

表1 四十里灣海域營養鹽濃度及其比值平均值

季節變化上，DIN在春季（5月份）含量年際變化范圍為38.6～214 μg/L，逐年增高的趨勢較為明顯（圖1）；夏季（8月份），DIN含量年際變動幅度較大，整體上亦呈增高的趨勢；秋季（10月份）DIN年際變化與春季類似，但含量明顯高于春季；在調查海區，夏季和秋季正處于豐水期，受降雨、陸源輸入的影響，營養鹽含量整體較高。春季PO4-P含量隨年際變化較小，維持在一個較低的水平；夏、秋季PO4-P年際波動較大，變化范圍為4.10～15.6 μg/L，整體上高于春季。SiO3-Si在 3 個季節逐年上升的趨勢均較明顯，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季較低。整體結果表明，調查海域內N、P等主要形態營養鹽濃度整體均高于20世紀90年代（趙衛紅等，2000），且呈現歷年升高的趨勢，表明該海域環境有污染加重的趨勢，這與近年來煙臺市經濟的快速發展而導致的人類活動加劇、陸源污染物輸入量增加有關。

圖2 營養鹽年際變化

2.2 營養鹽結構變化

研究表明，海水中的營養鹽水平與結構對浮游植物的生長起著很重要的作用，適宜的Si∶N∶P的原子比值有利于浮游植物的生長和繁殖，當營養鹽可以滿足浮游植物生長時，海洋浮游植物的Si∶N∶P的原子比應為16∶16∶1（Redfield系數）（孫珊等，2010）。而從表1可以看出，Si∶N∶P的原子比8年來逐漸偏離了Redfield系數，呈不斷升高的趨勢，某一元素濃度偏離過高或過低都可能引起浮游植物的生長受到這一元素的限制。Dortch等（1992）提出了一個營養鹽限制標準：（1）若Si∶P>22和N∶P>22同時成立，則PO4-P為限制因素；（2）若N∶P<10和Si∶N>1，則DIN為限制因素；（3）若 Si∶P<10 和 Si∶N<1，則 SiO3-Si為限制因素。由調查海域數據統計結果看（表1），四十里灣海域已從N、Si相對不足向供給充分的方向發展；同時可以看出四十里灣海域正向P相對缺乏方向演變，且趨勢逐年加重，與有關研究結果基本一致（劉義豪等，2006）。

2.3 潛在性富營養化程度

海水中浮游植物按照Redfield系數攝取營養鹽，一般必然有一部分N（對P限制水體而言）或P（對N限制水體而言）相對過剩；環境中過剩的N、P營養鹽不能被浮游植物所利用，并未對富營養化有實質性貢獻，因而應看作只具有一種潛在性，這種現象可稱為潛在性富營養化（孫丕喜等，2006）。為了突出營養鹽的限制特征,選取對浮游植物生長起瓶頸制約作用的DIN、PO4-P作為評價參數（表1），根據郭衛東等提出的潛在性富營養化評價模式對研究區域進行評價（表2）（郭衛東等，1998；曲麗梅等，2006）。評價結果表明,2003-2006年，四十里灣調查海域處于貧營養（Ⅰ）水平；2007-2010年，處于磷限制中度營養（ⅣP）水平。由以上分析可知，調查海域從貧營養逐漸過渡到中度營養狀態，表現出潛在富營養化趨勢的年份均為磷限制。

表2 營養級的劃分原則

2.4 影響因素分析

近年來煙臺市經濟的快速發展，隨著市政府東遷，在四十里灣的西南岸政治、經濟、文化、教育、科研、體育等各類設施相繼建成；2008年底僅高校在校生及教職工總數已超過15萬人，全區常住人口達30萬余人（高昊東等，2011）；顯而易見，經濟的快速發展和人口的急劇增加，勢必加重灣內的污染負荷。因此，四十里灣海域生態系統正承受著越來越大的壓力。

2.4.1 陸源營養物質的輸入

匯人四十里灣的陸源污染物主要包括工業廢水、生活污水和耕地、森林農業及畜牧業等排水。四十里灣近岸有耕地7 755公頃，山地森林155公頃（葉孟杰等，2006），農業化肥中含有的大量氮、磷等物質會隨著雨水等排入灣內。辛安河污水處理廠一期工程于2003年底開始試運轉，日排污水量從最初的2萬t增加為現在的9萬t，出水水質除總磷、硝酸鹽氮、總氮不達標外，其它指標基本達到設計要求；二期工程于2008年4月投于運營，但牟平區匯集于魚鳥河的污水和逛蕩河部分污水仍直排人海（高昊質除總磷、硝酸鹽氮、總氮不達標外，其它指標基本達到設計要求；二期工程于2008年4月投于運營，但牟平區匯集于魚鳥河的污水和逛蕩河部分污水仍直排人海（高昊東等，2011），部分排污無法統計。陸源污染物入海量年際變化見表3。

表3 陸源輸入年際變化

2.4.2 養殖業污染

四十里灣扇貝養殖多為海灣扇貝、貽貝、櫛孔扇貝等，養殖方式主要為浮筏養殖。淺海養殖面積由1998年的1.8萬畝增至2005年的8.4萬畝，周毅等（2002）對四十里灣多種經濟雙殼貝類和養殖中的污損動物的N、P排泄進行了測定，在這些動物的N排泄中，籠式養殖的雙殼貝類NH4-N占總N排泄的平均值范圍為70.8%～80.1%；在P排泄中，有機磷（DOP）約占總溶解磷（TDP）排泄的l5%～27%。對面積為1.8×104畝的養殖區而言，貝類的N、P排泄分別能滿足浮游植物生產所需N、P的44%和40%；以2008年為例，貝類養殖及附著生物排泄總氮、總磷含量分別達到3 696 t/a、478 t/a，是陸源輸入的兩倍以上。由此可見，高密度的貝類養殖對海域營養物質的貢獻是很顯著的。

3 結論

（1）2003-2010年海洋環境監測航次調查的資料結果表明，8年來四十里灣海域營養鹽DIN、SiO3-Si呈逐漸上升的趨勢，PO4-P含量增加的趨勢不明顯。季節變化上，DIN含量在春季逐年增高的趨勢較為明顯，夏季DIN含量年際變動幅度較大，秋季DIN年際變化與春季類似，但含量明顯高與春季。春季PO4-P含量隨年際變化較小，維持在一個較低的水平；夏、秋季PO4-P年際波動較大，整體上高于春季。SiO3-Si在3個季節逐年上升的趨勢均較明顯，其中在夏季含量最高，秋季次之，春季較低。在調查海區，夏季和秋季正處于豐水期，受降雨、陸源輸入的影響，營養鹽含量整體較高。

（2）調查海域Si∶N∶P的原子比8年來逐漸偏離了Redfield系數，呈不斷升高的趨勢；可以看出四十里灣海域正向P相對缺乏方向演變，且趨勢逐年加重。潛在性富營養化評價模式評價結果表明，2003-2006年，四十里灣調查海域處于貧營養（Ⅰ）水平；2007-2010年，處于磷限制中度營養（ⅣP）水平。調查海域從貧營養逐漸過渡到中度營養狀態，表現出潛在富營養化趨勢的年份均為磷限制。

（3）工業廢水、生活污水、農業及污水處理廠等陸源輸入給四十里灣帶來了大量的營養鹽；灣內養殖的多種經濟雙殼貝類和養殖中的污損動物的排泄及其殘留物對海域營養物質有著非常顯著的貢獻。

Dortch Q，Whitedge T E，1992.Does nitrogen or silicon limit phytoplankton production in the Mississippi River plume and nearby regions.Continental Shelf Research，12：1293-1309.

GB 17378-2007，海洋監測規范.

Zhang J，Liu S M，Ren J L，et al，2007.Nutrient gradients from the eutrophic Changjiang（Yangtze River）Estuary to the oligotrophic Kuroshio waters and re-evaluation of budgets for the East China Sea Shelf.Progress in Oceanography，74：449-478.

Liu Su Mei，Zhang Jing，Tao Chen Hong，et al，2005.Factors influencing nutrient dynamics in the eutrophic Jiaozhou Bay，North China.Progress in Oceanography，66：66-85.

Liu Su Mei，Li Xiao Na，Zhang Jing，et al，2007.Nutrient Dynamics in Jiaozhou Bay.Water Air Soil Pollut，7：625-643.

單志欣，鄭振虎，邢紅艷，等，2001.四十里灣養殖水域環境監測及分析.齊魯漁業，4：37-39.

高昊東，鄧忠偉，荊萬龍，等，2011.煙臺四十里灣赤潮發生與生態環境污染研究.中國環境監測，27（2）：50-55.

郭衛東，章小明，楊逸萍，等，1998.中國近岸海域潛在富營養化程度的評價.臺灣海峽，17（1）：64-70．

劉慧，方建光，董雙林，等，2003.萊州灣和桑溝灣養殖海域主要營養鹽的周年變動及限制因子.中國水產科學，10（3）：227-234.

劉義豪，劉曉靜，邢紅艷，等，2006.2003年煙臺四十里灣海域主要水質指標分析.海洋湖沼通報，3：93-97.

曲麗梅，姚德，叢丕福，2006.遼東灣氮磷營養鹽變化特征及潛在性富營養評價.環境科學，27（2）：263-267.

石洪華，鄭偉，丁德文，等，2008.典型海洋生態系統服務功能及價值評估-以桑溝灣為例.海洋環境科學，27（2）：101-104.

孫丕喜，王波，張朝暉，等，2006.萊州灣海水中營養鹽分布與富營養化的關系.海洋科學進展，24（3）：329-335.

孫珊，劉素美，任景玲，等，2010.桑溝灣養殖海域營養鹽和沉積物-水界面擴散通量研究.海洋學報，32（6）：108-117.

吳玉霖，周成旭，張永山，等，2001.煙臺四十里灣海域紅色裸甲藻赤潮發展過程及其成因.海洋與湖沼，32（2）：159-167.

葉孟杰，孫紅成，高昊東，等，2006.煙臺四十里灣營養物質產生特征及影響分析.中國環境監測，22（5）：88-91.

張經，1997.中國主要河口的生物地球化學研究.北京：海洋出版社，241.

張正斌，陳鎮東，劉蓮生，等，2004.海洋化學原理和應用——中國近海的海洋化學.北京：海洋出版社，160-200.

趙衛紅，焦念志，趙增霞，2000.煙臺四十里灣養殖水域營養鹽的分布及動態變化.海洋科學，24（4）：31-34.

周斌，王悠，王進河，等，2010.山東半島南部近岸海域富營養化狀況的多元評價研究.海洋學報，32（2）：128-138.

周毅，楊紅生，何義朝，等，2002.四十里灣幾種雙殼貝類及污損動物的氮、磷排泄及其生態效應.海洋與湖沼，33（4）：424-430.