2014年膠州灣營養鹽結構特征變化及富營養化評價

高　磊，曹　婧，張蒙蒙，劉云龍

（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）

2014年膠州灣營養鹽結構特征變化及富營養化評價

高磊，曹婧，張蒙蒙，劉云龍

（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）

2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在膠州灣開展了6個航次的綜合調查，研究了營養鹽的時空變化特征和結構變化特征，并評價了海灣的富營養化狀況。營養鹽的濃度和結構變化特征表明，NH4-N和NO3-N是膠州灣海域DIN的主要存在形態。營養鹽限制存在硅限制逐步轉變為磷限制的趨勢。富營養化研究表明，膠州灣整體處于磷限制中度營養-磷限制潛在性營養狀態。

膠州灣；營養鹽；結構特征；富營養化

膠州灣位于山東半島南部，為青島市半封閉海灣。灣內岸線長163 km，總水域面積423 km2，平均水深6～7 m，最大水深64 m，匯入灣內的河流有十幾條，其中徑流量最大的為大沽河和洋河。青島市區的李村河、海泊河等5條河流基本無自身徑流，河道上游常年干涸，部分河道中下游成為工業廢水和生活污水的排污河［1］。近年來，伴隨著膠州灣海洋經濟的快速發展和沿岸污水排放的急劇增加，膠州灣海域營養鹽濃度不斷增加，2002年灣內大部分水域已呈現中度營養和富營養化狀態，赤潮暴發頻繁，營養鹽結構也發生了明顯變化［2］。

2008年奧運會后，青島市人大通過了“環灣保護、擁灣發展”的戰略規劃。近年來，青島市不斷加強膠州灣海洋生態保護，頒布了《青島市膠州灣保護控制線》，制定并出臺了《關于膠州灣岸線治理保護三年行動計劃實施方案（2013～2015）》、《2013～2015年環膠州灣流域污染綜合整治方案》和《青島市膠州灣保護條例》，強化環灣生態建設和保護，改善膠州灣生態環境質量。本文根據2014年對膠州灣海水的調查結果，分析營養鹽的時空分布以及富營養化狀況，為全面了解膠州灣的水質環境現狀，分析水質環境變化提供資料，以期為膠州灣環境保護工作提供技術支持。

1　調查與方法

分別于2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在膠州灣開展了10個站位的綜合調查（圖1）。分析項目主要有溫度（T）、鹽度（S）、活性磷酸鹽（PO4-P）、銨鹽（NH4-N）、硝酸鹽（NO3-N）、硅酸鹽（SiO3-Si）亞硝酸鹽（NO2-N）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）和葉綠素a等，其中，無機氮（DIN）含量由NH4-N、NO3-N和NO2-N 3種組成。水溫和鹽度用海鳥CTD（SBE37 SM）在現場測定，其他項目采樣后立即運送到實驗室進行分析，樣品采集及分析均按《海洋監測規范》（GB17378-2007）中的相關要求進行。

圖1　調查海域和站位

2　結果與討論

海洋中營養鹽氮（N）、磷（P）、硅（Si）作為構成海洋生命活動的基本要素，是海洋生產力的重要物質基礎，對海洋生物的生長繁殖和群落變化有著重要影響，其中任何一種要素都可能成為浮游植物生長的限制性因素［3］。

2.1空間變化特征

本調查海域DIN含量較高，調查期間DIN變化范圍在（0.05～0.44）mg/L之間，海域平均值為0.31 mg/L；PO4-P變化范圍在 （0.001～0.046）mg/L之間，海域平均值為0.009 mg/L；SiO3-Si變化范圍在（0.07～1.18）mg/L之間，海域平均值為0.31 mg/L（表1）。

空間分布上，膠州灣北部營養鹽含量較高，灣中央和灣口海區含量較低（圖2～圖4）。營養鹽的高值區均出現在灣的東北側及西側，說明膠州灣的營養鹽分布受青島市區及黃島區的沿岸排污影響。除個別月份外，整個膠州灣營養鹽的平面分布呈現從灣底向灣口下降的空間變化。這與其它研究者的研究結論相同［4-5］。分析其原因，一是徑流輸入，沿海河流及排污口攜帶大量的營養鹽入海；二是沿海養殖區的餌料投放和生物排泄物所攜帶的營養鹽；三是灣底海水交換能力較弱，污染物擴散能力較弱。膠州灣海域入海河流眾多，其中灣底受水質污染嚴重的大沽河影響，河口海域海水總體營養水平較高［6］。膠州灣西部聚集大量的養殖區，導致海水中營養鹽濃度較高［7］。東北部海域主要是由于墨水河、白沙河、婁山河、李村河等造成的工農業廢水及城市化生活污水排污［8-9］，近岸養殖［10］和水交換能力較弱［11］。

表1　2014年膠州灣6個月份的營養鹽變化

圖2　DIN的平面分布

圖3　PO4-P的平面分布

圖4　SiO3-Si的平面分布

2.2時間變化特征

膠州灣海域營養鹽具有明顯的季節變化特征，海水中氮、磷主要受海域周邊工業、生活污水的排放、農業施肥的徑流攜帶、海水養殖自身產生的營養物質和浮游植物生長消耗的影響。

調查期間DIN季節變化較小，8月份含量較低，10月份含量較高。表明DIN的含量除了受沿岸徑流影響外，還與浮游植物數量有很大關聯，8月浮游生物大量繁殖，葉綠素a含量達到最高值（表1），這些生物消耗了部分無機氮等營養鹽，所以夏季無機氮含量較低，而后隨之降水、養殖、浮游動物攝食、以及浮游植物死亡釋放等原因導致夏末秋初海水營養鹽再度升高。

PO4-P則明顯出現6、7月份含量較高，8月份較低的特點。6、7月份PO4-P含量較高主要是由于3號、4號站PO4-P含量異常升高，原因可能是由于李村河、婁山河或沿岸河流排污口攜帶含磷量較高的污水排入灣內，造成當月灣內表層海水磷酸鹽含量較高。

SiO3-Si主要受河流徑流輸入、浮游植物消耗和沉積物釋放的影響。調查期間SiO3-Si出現明顯的先降低后升高的變化趨勢，即6、8月份含量低，3、10月含量高的特點。6、7月隨著水溫升高、光照加強，浮游植物開始增長，葉綠素a濃度在8月份達到高峰［12］。膠州灣浮游植物生長期間受到營養鹽硅的限制［13］，6、7月份浮游植物大量生長期間SiO3-Si被消耗，該段時間SiO3-Si濃度處于低值。同時6月份后青島市進入雨季，徑流的輸入促使海水中SiO3-Si濃度升高（圖5）。

3種營養鹽濃度時間變化的共同特點是，8月份含量較低，10月含量均明顯升高。夏季（8月）的低值現象在不同年份差異較大，2003年［14］、2010年［2，15］表現為低值，而2004-2008年期間［16］多為高值。2000年以前大部分的研究結果表明膠州灣在夏、秋季營養鹽含量較高，冬、春季濃度較低，主要是因為夏、秋季為雨季和養殖季節，大量外源性的營養鹽輸入膠州灣［16］。2014年無機氮平均濃度在8月最低在10月最高，活性磷酸鹽平均濃度在8月較低，在6月最高，硅酸鹽平均濃度在6月最低，3、10月較高。2014年的夏季營養鹽時間變化的可能與降水量異常有關。根據青島市水文局的信息，2014年降水較少，2014年平均降水量586.3 mm，比歷年年降水量偏少14.6%，入海徑流量的減少導致陸源入海的營養鹽通量降低。同時由于8月份為浮游植物大量繁殖，消耗掉較多的營養鹽，對比葉綠素a含量的季節分布（表1），進一步證明浮游植物的影響。

圖5　2014年膠州灣營養鹽月平均變化（mg/L）

圖6　2014年膠州灣DIN中各組分占有比例的月平均變化

2.3DIN的結構變化特征

海水中DIN包括NH4-N，NO2-N和NO3-N 3種形態，它們在海洋生物餌料循環中起著非常重要的作用，其中NH4-N被吸收后直接進入浮游植物細胞內的N代謝系統，NO3-N則在細胞內先經過硝酸還原酶還原為NH4-N再被利用，當海水中高含量的NH4-N和NO3-N共同存在，浮游植物對NO3-N的攝取受NH4-N控制［17］。調查期間，NH4-N占DIN的比例為31.5%～49.3%，平均值為39.7%；NO3-N占DIN的比例為31.4%～61.2%，平均值為44.1%；NO2-N占DIN的比例為6.3%～25.6%，平均值為16.1%。由此可見，NH4-N和NO3-N是膠州灣海域DIN的主要存在形態（圖6），在氧充足情況下，當達到熱力學平衡時，水體中的DIN應以NO3-N為主要形態［18］，未達到熱力學平衡時，以NH4-N為主要存在形態，NO2-N屬于熱力學不穩定狀態，含量通常很低。NH4-N可通過硝化反應轉化為NO3-N，而且這種硝化反應隨溫度的增加而加強［19］，因此調查海域的NO3-N隨水溫升高所占比例逐漸增大，到10月份水溫降低而減小，3月份NO3-N比例較高的原因可能是由于當月DO的含量較高，水體含氧較充足（表1）。

2.4Si：N：P及營養鹽限制

海水中適宜的Si：N：P比有利于浮游植物的生長和繁殖，反之，其中某種營養鹽的缺乏將限制生物的生長和繁殖［20］。Redfield等［21］針對硅藻的營養需求，提出化學計量的營養鹽限制標準，JUSTIC等［22］在總結前人的研究基礎上，考慮了各種藻類對營養鹽吸收，提出的限制標準（表2），若Si：P＞22和N：P＞22，則PO4-P為限制因素；若N：P＜10和Si：N＞1，則DIN為限制因素；若Si：P＜10和Si：N＜1，則SiO3-Si為限制因素。

根據本文6個月的監測結果，除4號站6、7月外，膠州灣內海域N：P基本高于22，各月均值變化范圍為81.0～298.6，其中8月份最高，10月份最低；除部分站位外，監測區域Si：P基本高于22，各月均值變化范圍為21.9～123.6，其中8月份最高，6月份最低。N：P和Si：P時間上變化趨勢相似，3月份到6月份逐漸減小，6月份后升高，到8月份達到峰值，10月份又減小。除部分站位外，監測區域Si：N基本小于1，各月均值變化范圍為0.24～0.75，其中6月份最低，3月份最高。時間上呈現先降低后升高的趨勢，6月為波谷（圖7）。

圖7　2014年膠州灣營養鹽比值月平均變化

調查結果顯示（表2），膠州灣調查區域不存在DIN限制，而P與Si均存在相對于DIN的限制，P限制更加顯著，除6月和7月有部分站位Si：P＜10外，其他月份均為P限制，表明P為膠州灣的主要限制因子，其次為Si。楊東方等［13］根據1991-1994年調查結果指出，膠州灣海域整體為硅限制，姚云等［14］2003年5月至2004年3月調查期間，硅為限制因子的可能性占全部調查次數的1/2，但姚云等同時指出，調查水域磷限制的可能性雖有增加，但依然很小，硅為限制因子的可能性減少了，N仍然不可能限制浮游植物的生長。董兆選等［23］根據2009年調查結果指出，膠州灣整體處于磷限制。結合歷史文獻膠州灣營養鹽限制變化趨勢及本次研究結論，說明近年膠州灣水域磷限制的可能性增大，但確切的結論仍需進一步的調查研究確定。

表2　2014年膠州灣各站位營養鹽限制因子概率

表3　營養級的劃分原則

3　富營養化評價

2014年調查結果分析顯示，膠州灣水域氮磷比較高，存在營養鹽限制特征，因而其富營養化得不到實質性意義，郭衛東等［24］提出了潛在性富營養化的概念和營養級分級模式（表3），并指出1993年膠州灣屬于貧營養。

表4　2014膠州灣各月份富營養化評價結果

本次評價結果顯示，膠州灣整體處于磷限制中度營養-磷限制潛在性營養狀態，從表4～表5可以看出，PO4-P濃度均低于0.03 mg/L，N/P均大于60，限制的主要因子為DIN濃度，DIN濃度較低的月份，富營養化水平較低。

從空間上看，1、6、7、10號站位營養級為ⅣP，其他站位為ⅥP，說明灣中心及灣口富營養化水平較低，灣底受近岸徑流及養殖區的影響，潛在性富營養化等級較高。

表5　2014膠州灣各站位富營養化評價結果

4　結論

（1）膠州灣海域營養鹽分布呈現明顯的從灣底向灣口下降的空間變化，營養鹽分布受青島市區及黃島區的沿岸海排污影響較大。

（2）3種營養鹽共同的特點是，8月份含量較低，10月含量均明顯升高，浮游植物生長對營養鹽時間變化影響顯著。

（3）膠州灣調查區域不存在氮限制，磷限制的可能性增大，硅為限制因子的可能性減少。

（4）膠州灣整體處于磷限制中度營養-磷限制潛在性營養狀態，一旦水體得到適當的磷的補充，在適宜的物理因素下，過剩的氮將會使海區的富營養化水平提高，將會有爆發赤潮的危險。

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Assessment on the Change of Nutrient Structure and Eutrophication in the Jiaozhou Bay in 2014

GAO Lei，CAO Jing，ZHANG Meng-meng，LIU Yun-long
North China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Key Laboratory of Marine Oil Spill Identification and Damage Assessment Technology，SOA，Qingdao 266033，Shandong Province，China

The temporal and spatial variation characteristics and structural changes of nutrients are studied through 6 voyages of comprehensive survey in March，May，June，July，August and October in 2014 in the Jiaozhou Bay.The eutrophication status of the Jiaozhou Bay is also assessed.The concentration and structural change of nutrients indicate that NH4-N and NO3-N are the main form of inorganic nitrogen in the Jiaozhou Bay，and PO4-P and SiO3-Si are both absolute and relative limitations，with PO4-P limitation being more serious.There is a trend of silicon limitation to phosphorus limitation.The results of eutrophication assessment show that the whole Bay is in middle-phosphorus-limiting to phosphorus-limiting potential eutrophication.

JiaoZhou Bay；nutrient；structural characteristics；eutrophication

P734.2

A

1003-2029（2016）04-0066-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.013

2016-02-10

2015年度北海分局海洋科技項目資助（2015B03）；山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室2015年度開放基金資助項目（201501）

高磊（1983-），男，工程師，主要從事海洋環境監測與評價研究。E-mail：gaolei@bhfj.gov.cn