東山灣營養鹽結構特征及影響因素分析

姜雙城，林培梅，吳立峰，鄭惠東，蔡建堤，席英玉，鄭盛華，楊妙峰，鐘碩良

(1.福建省水產研究所 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室 廈門 361013；3.廈門市第五中學 廈門 361000)

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東山灣營養鹽結構特征及影響因素分析

姜雙城1，2，林培梅3，吳立峰1，2，鄭惠東1，2，蔡建堤1，2，席英玉1，2，鄭盛華1，2，楊妙峰1，2，鐘碩良1，2

(1.福建省水產研究所 廈門 361013；2.福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室 廈門 361013；3.廈門市第五中學 廈門 361000)

文章根據2011年5月和8月兩個航次的調查資料，分析東山灣營養鹽含量、分布、結構特征及其關鍵影響因子，并探討了營養鹽對浮游植物的限制情況。結果表明，除活性硅酸鹽，夏季活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮含量均高于春季；春、夏活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮分布整體呈現為漳江入海口和八尺門海域含量較高，其含量、分布主要受漳江陸源徑流的影響，其次為浮游植物的消長；春季東山灣海域水體中N/P、Si/N 、Si/P和TN/TP平均比值分別為64.3、9.1、583.1和13.4，夏季平均比值有所降低，分別為28.3、4.9 、155.3和13.3；春季N/P、Si/N、Si/P 、TN/TP高值區均位于灣口位置，而夏季N/P、Si/N、Si/P、TN/TP整體呈現以八尺門鄰近海域為中心、自西向東擴散；2011年春、夏季均存在磷限制現象，春季尤為嚴重，磷限制的站位比例為83.3%。

營養鹽；海水質量；海洋環境；生態環境

營養鹽是海洋初級生產力和食物鏈的基礎[1]，在水體中具有不同的存在形式，其中無機氮、活性磷酸鹽和活性硅酸鹽對生態系統健康影響最大，是富營養化水平高低的關鍵因素。東山灣位于福建省東南沿海的漳浦縣、云霄縣和東山縣之間，海域總面積283.14 km2，屬于潮控型的半封閉海灣[2]。東山灣也是福建省海水養殖的重要水域，隨著東山灣海域周邊工農業和城市化進程的快速發展、人類養殖活動擴大，導致海洋生態系統受到的外來壓力日趨加重，東山灣沿岸地區的經濟發展與生態環境的矛盾日益突出，海域的富營養化風險加劇[3]。在漳江徑流、沿岸工農業生產和海水養殖的共同影響下，無機氮、活性磷酸鹽和活性硅酸鹽含量和結構組成有所變化。而水體營養鹽含量、分布和結構變化對浮游植物生長、 生物量以及物種組成的有重要影響[4-5]。因此，研究東山灣海域營養鹽含量、分布和結構特征及其影響因素，探討其對浮游植物的限制情況，對了解該海域生態系統健康狀況的基礎和人類活動的生態學效應具有重要意義。

有關東山灣海域營養鹽[6]、浮游植物[7]、葉綠素a[7]含量與分布等研究相對較少。本研究根據 2011年春季和夏季兩個航次調查數據，分析東山灣營養鹽含量、分布及其結構分布特征；采用探索性數據分析法——回歸分析法，選取對營養鹽結構特征有重要影響的鹽度和葉綠素a指標，研究其形成機制，并在此基礎上探討了營養鹽對浮游植物的限制情況，為東山灣海域生態學研究提供背景支撐，為海域管理與決策提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2011年5月(春季)和8月(夏季)在東山灣及鄰近海域布設12個調查站位進行現場調查(圖1)，采用葵花式采水器采集海水樣品。

圖1 東山灣調查海區采樣站位

鹽度、葉綠素a、活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和總氮采用《海洋監測規范 第4部分：海水分析 GB17378.4—2007》[8]和《海洋監測規范 第7部分：近海污染生態調查和生物監測 GB 17378.7—2007》[9]進行分析。亞硝酸鹽、硝酸鹽 、銨鹽、活性磷酸鹽、硅酸鹽、總磷、總氮、葉綠素a采用紫外可見分光光度計(型號：TU-1810DPC)測定；鹽度應用多參數分析儀(型號：WTW Multi 3430)現場測定；無機氮為亞硝酸鹽、硝酸鹽 、銨鹽三者之和。

1.2 數據處理方法

選擇與營養鹽結構特征相關的鹽度、葉綠素a、活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮等化學和生態參數，采用SPSS19.0[10]進行數據統計分析，并運用Surfer 10.0繪制平面分布圖。

2 結果與分析

2.1 營養鹽的濃度和分布特征

2.1.1 營養鹽濃度

2011年東山灣海域春季和夏季營養鹽氮、磷和硅的含量范圍和平均值如表1所示。春季活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮平均含量分別為1.20 mg/L、0.004 mg/L、0.038 mg/L、0.069 mg/L和0.226 mg/L。夏季活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮平均含量分別為0.972 mg/L、0.016 mg/L、0.060 mg/L、0.100 mg/L和0.356 mg/L。春、夏季的無機氮含量均約為總氮的1/3，比例較為穩定，而春、夏活性磷酸鹽含量分別為TP的1/10和1/4，說明東山灣海域氮、磷等營養物質以顆粒態和有機態為主。暨衛東[11]等研究表明，東山灣春、夏季的無機氮含量分別為0.077 mg/L和0.043 mg/L，活性磷酸鹽含量分別為0.006 mg/L和0.008 mg/L。與之相比，經過20多年的演變，無機氮磷含量有所增加。除活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮，其他形態的氮夏季含量均高于春季，夏季活性磷酸鹽和無機氮含量平均值分別是春季的4倍和1.4倍。

2.1.2 營養鹽平面分布特征及成因

春季表層的無機氮和總氮的平面分布總體趨勢均為自北向南遞減，高值區均位于灣頂的DS11站，濃度分別為0.126 mg/L和0.447 mg/L(圖2)。多元逐步回歸的結果表明無機氮和總氮含量與鹽度均負相關，其相關系數r分別為-0.58(n=12；P<0.05)、-0.44(n=12；P>0.05)，表明上述形態氮含量主要受陸源輸入的影響，尤其是無機氮，其含量與鹽度顯著負相關；春季底層無機氮和總氮的高值區均位于灣口，多元逐步回歸的結果表明無機氮和總氮含量與鹽度無相關性，其營養鹽含量高可能主要受沿岸流和上升流的影響。

表1 2011年東山灣營養鹽氮、磷和硅含量的 范圍和平均值 mg/L

夏季表、底層水體的無機氮濃度分布整體呈現灣頂至灣口遞減的趨勢，在DS03出現含量極高值，其表、底層含量分別為0.126 mg/L和0.447 mg/L。無機氮均與鹽度呈現負相關，相關系數r=0.37(n=24;P>0.05)，驗證東山灣無機氮含量主要受陸源污染物影響。而夏季表層總氮的平面分布整體呈現灣頂高，灣口低，與鹽度呈現負相關，相關系數r=0.54(n=12；P=0.05)，表明表層總氮含量主要受陸源輸入的影響；夏季底層總氮呈現顯著的從西向東遞減的趨勢，在八尺門鄰近海域DS12出現含量極高值區域，含量為0.595 mg/L，說明夏季八尺門養殖區的高氮污染物對灣內的影響有所加強。

春季表層活性磷酸鹽的平面分布呈現沿岸區高海區低、灣北部海區高于南部海區(圖3)，這可能與漳江沖淡水帶入的陸源污染物有關[12]，多元逐步回歸的表明活性磷酸鹽與鹽度呈現負相關(n=12；r=-0.48；P=0.05)，驗證灣內活性磷酸鹽的含量主要受徑流影響；與Chl-a呈現顯著的相關性，相關系數r分別為0.55(n=12；P=0.01)，說明海水磷的含量是浮游植物的生長的關鍵影響因素。春季底層活性磷酸鹽的平面分布整體較為均勻，在灣中部海區的DS08站出現含量極高值，其含量為0.006 mg/L。春季表、底層總磷分布呈現從灣西北向灣東南逐漸減小的趨勢，均在灣頂DS11出現含量極高值區域，其表、底層含量分別為0.058 mg/L和0.060 mg/L，在灣口處出現含量極低值區域；春季表、底層總磷含量與鹽度呈現顯著負相關，相關系數r分別為-0.90(n=12；p=0.01)、-0.89(n=12；p=0.01)，灣內總磷污染源主要來自徑流。

圖2 春、夏季表、底層海水中無機氮和總氮含量平面分布

圖3 春季、夏季東山灣海域表、底層海水中活性磷酸鹽和總磷含量平面分布

夏季表、底層活性磷酸鹽的平面分布趨勢和春季總磷成鏡像，整體呈現從灣口區向灣頂區逐漸降低的趨勢(圖3)。夏季表、底層活性磷酸鹽與葉綠素a呈現顯著的負相關性，相關系數r分別為-0.78(n=12；p=0.01)、-0.63(n=12；p=0.05)，與鹽度無相關性，表明灣內活性磷酸鹽主要受浮游植物消長的影響。灣東側DS09出現含量極高值，其表、底層濃度分別為0.030 mg/L、0.042 mg/L，這可能與灣口上升流入侵與灣內平面環流有關。夏季表層總磷 平面分布相對較為均勻，在灣口區DS07出現含量極低值，其濃度為0.039 mg/L；底層總磷分布呈現自西向東遞減的趨勢，在八尺門DS12站出現含量極高值，這可能與東山灣環流有關[2]；表、底層總磷與鹽度顯著的負相關性，相關系數r分別為-0.44(n=24；p<0.05)表明東山灣總磷含量主要受漳江陸源徑流的影響。總磷與葉綠素a呈現顯著的正相關性，相關系數r為0.44(n=24；p=0.05)，而活性磷酸鹽與葉綠素a呈顯著的負相關性，這可能與夏季東山灣海域存在磷限制，活性磷酸鹽的含量無法支撐浮游植物的生長，總磷成為浮游植物消長所需的磷源。

春季表、底層硅酸鹽的平面分布呈現灣口、灣頂高、灣中部海區低的特點(圖4)；硅酸鹽作為浮游植物的營養鹽之一，其分布除受水系混合的影響之外，生物攝取及再生等過程的影響也不容忽視；活性硅酸鹽與鹽度、葉綠素a的回歸分析表明，活性硅酸鹽與葉綠素a呈顯著負相關(n=12；r=-0.73；p=0.05)，與鹽度不相關，說明灣內硅酸鹽含量主要受浮游植物，尤其是硅藻的吸收影響，漳江沖淡水攜帶的硅酸鹽對灣內的活性硅酸鹽總量影響較小。夏季表、底層活性硅酸鹽的平面分布整體呈現灣頂至灣口遞減的趨勢，在灣頂DS11出現含量極高值，其表、底層含量分別為1.54 mg/L和1.28 mg/L；活性硅酸鹽與鹽度呈顯著的負相關性，相關系數r為-0.55(n=24；p=0.01)，表明硅酸鹽含量主要受高硅酸鹽的徑流的影響。

圖4 春季、夏季東山灣海域表、底層海水中活性硅酸鹽含量平面分布

2.2 營養鹽的分布特征

海洋浮游生物體的元素組成決定了海水中的生源要素參與生物化學循環的相對比例。初級生產者(主要是浮游植物)按一定比例從海水中吸收生源要素，這些生源要素最終通過有機碎屑的再礦化作用重新回到海水中[13]。Redfield研究發現浮游生物體的元素組成中碳(C)、氮(N)、磷(P)的比例接近恒定，為 106∶16∶1，稱為Redfield比值。需要吸收硅酸鹽的浮游植物如硅藻等，生物體的元素組成中硅(Si)∶氮(N)∶磷(P)=16∶16∶1[14]。海水中適宜的生源要素比值有利于浮游植物的生長和繁殖，反之，某種生源要素的缺乏會限制生物的生長，過高則會影響浮游植物的種群結構，甚至引發赤潮災害。N/P、Si/N和Si/P值的分布情況不僅可以反映海域營養鹽的陸源輸入、海流輸運、大氣沉降和人類活動的影響，也在一定程度上反映了海水中營養鹽的再生速率和循環機制[15]。

2011年春季東山灣海域水體中N/P值范圍為14.2～147.6，海域平均比值為64.3，大于Redfield比值；夏季N/P值范圍為6.6～79.3，海域平均比值為28.3，大于 Redfield比值，但較春季有所下降，主要是由于夏季水體中無機氮(DIN)僅為春季1.5倍，而夏季活性磷酸鹽的濃度為春季的3.8倍。春季Si/N值變化范圍為3.8～14.5，平均比值為9.1；夏季Si/N值變化范圍為2.9～9.5，平均比值為4.9；春、夏季均高于Redfield比值且春季高于夏季，這與春季活性硅酸鹽高于夏季活性硅酸鹽有關。春季Si/P值范圍為142.8～1 121.9，海域平均比值為583.1；夏季Si/P值范圍為24.67～593.4，海域平均比值為155.3，兩季的平均比值均高于Redfield比值，主要是由于水體中活性磷酸鹽濃度較低導致。春、夏季總氮(TN)、總磷(TP)的相對穩定，分比為13.4、13.3，接近于Redfield比值，說明影響灣內氮磷營養元素的生物地球化學過程相對穩定(表2)。

春季N/P、Si/N、Si/P 、TN/TP高值區均位于東山灣的灣口位置。N/P多數大于Redfield比值，僅DS01站N/P小于Redfield比值；而TN/TP僅有灣外DS10站、DS07站大于Redfield比值。夏季N/P、Si/N、Si/P、TN/TP高值區均位于沿岸區，整體呈現八尺門鄰近海域為中心，自西向東擴散，在東部海域出現低值區。在八尺門附近的DS12站、DS02站，TN/TP大于Redfield比值，這可能與夏季徑流大、八尺門網箱養殖排放量較大有關(圖5)。

表2 2011年東山灣海域營養鹽比值(原子比)

注：N-DIN.

2.3 營養鹽的限制因子

浮游植物的正常生長具有所需的營養鹽最低閾值，Nelson認為該閾值為Si=2 μmol/L，DIN=1 μmol/L，P=0.1 μmol/L[16]，因此從營養鹽的絕對濃度來說，即為絕對限制法則。相對限制法則是從營養鹽的相對濃度比值來看，Justic[17]和Dorch[18]提出了一個系統評價每種營養鹽的化學計量閾值標準：若Si/P和N/P均>22，則P為限制因子；若N/P<10和Si/N>1，則N為限制因子；若Si/P<10和Si/N<1，則Si為限制因子。

如果某種營養鹽滿足絕對限制法則，表明研究海域的營養鹽低于限制浮游植物生長的閾值之下，但并不一定是此營養鹽首先被耗盡。滿足相對限制法則，只表明此營養鹽會先被耗盡，其濃度不一定低于生長最低閾值。因此，限制浮游植物生長的營養鹽必須同時滿足絕對限制法則和相對限制法則[19]。

根據絕對限制判定法則，東山灣春、夏季的活性硅酸鹽>2 μmol/L，無機氮>1 μmol/L，僅有部分站位活性磷酸鹽<0.1 μmol/L，只可能存在P限制；結合相對限制法則，Si/P和N/P均>22，P為不存在限制因子；春季僅有DS01、DS03站不存在P限制；而夏季P限制區域明顯縮小，僅有DS01、DS02、DS03、DS11、DS12等沿岸站位存在P限制，這可能與漳江徑流、八尺門養殖區輸入的活性磷酸鹽有關；而在灣口區存在非常嚴重的P限制(圖6)。總之，東山灣春、夏季均存在P限制現象，春季尤為嚴重。

圖5 2011年東山灣海域春夏兩季營養鹽比值分布

圖6 2011年東山灣海域營養鹽絕對限制情況(■：P限制區域)

3 結論

春季活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮平均含量分別為1.20 mg/L、0.004 mg/L、0.038 mg/L、0.069 mg/L和0.226 mg/L。夏季活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮平均含量分別為0.972 mg/L、0.016 mg/L、0.060 mg/L、0.100 mg/L和0.356 mg/L。東山灣海域氮、磷等營養物質以顆粒態和有機態為主。除了活性硅酸鹽，夏季活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮的含量均高于春季。

春、夏活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、總磷、無機氮和總氮分布整體表現為漳江入海口和八尺門海域含量較高，其含量、分布主要受漳江陸源徑流的影響，其次為浮游植物的消長。

2011年春季東山灣海域水體中N/P、Si/N和Si/P平均比值分別為64.3、9.1和583.1，夏季水體中N/P、Si/N和Si/P平均比值分別為28.3、4.9和155.3。而春、夏季TN/TP的相對穩定，分比為13.4、13.3，接近于Redfield比值，說明影響灣內氮磷營養元素的生物地球化學過程相對穩定。春季N/P、Si/N、Si/P 、TN/TP高值區均位于東山灣的灣口位置。夏季N/P、Si/N、Si/P、TN/TP高值區均位于沿岸區，整體呈現以八尺門鄰近海域為中心，自西向東擴散。

根據絕對限制判定法則，東山灣春季僅有DS01、DS03站不存在P限制，P限制的站位比例為83.3%；而夏季P限制區域明顯縮小，僅有5個沿岸站位存在P限制。2011年春、夏季均存在P限制現象，春季尤為嚴重。

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The Structure Characteristics and Their Influential Factors of Nutrients in Dongshan Bay

JIANG Shuangcheng1，2，LIN Peimei3，WU Lifeng1，2，ZHENG Huidong1，2，CAI Jiandi1，2，XI Yingyu1，2，ZHENG Shenghua1，2，YANG Miaofeng1，2，ZHONG Shuoliang1，2

(1.Fisheries Research Institute of Fujian，Xiamen 361013，China； 2.Key Laboratory of Cultivation and High-value Utilization of Marine Organisms in Fujian Province，Xiamen 361013，China； 3.Xiamen Fifth Middle School，Xiamen 361000，China)

The concentration and spatial distribution of nutrients，nutrient structure characteristics，the key influential factors and their restrictive effect on phytoplankton in the Dongshan Bay were studied on the basis of two cruises in May and August.The results showed that except DSi，the concentration of SRP，TP，DIN and TN were higher in summer and lower in spring.The concentration of DSi，SRP，TP，DIN and TN were mainly affected by the Zhangjiang runoff，followed by phytoplankton growth，which appeared an overall trend of higher in Zhangjiang Estuary and Bachimen areas in spring and summer.The average ratio of N/P，Si/N，Si/P and TN/TP were 64.3，9.1，583.1 and 13.4 in the waters of Dongshan Bay in spring，and summer average ratio decreased，respectively 28.3，4.9，155.3 and 13.3.High areas of N/P，Si/N，Si/P and TN/TP were located in the bay mouth in spring，but N/P，Si/N，Si/P and TN/TP values appeared an overall trend of Bachimen area as the center，high west and low east in summer.In spring and summer of 2011，there were all P limitation，and 83.3% of the stations presented P limitation which was more serious in spring.

Nutrient salt，Sea water quality，Marine environment，Ecological environment

2016-06-30；

2016-10-30

福建省科學技術廳公益專項(2015R1003-12)；國家海洋局海洋公益性行業科研專項(2010050012-2)(201305043-4)(201505034-4).

姜雙城，助理研究員，碩士，研究方向為海洋與漁業生態環境，電子信箱：2001082011@163.com

鐘碩良，教授級高工，研究方向為海洋與漁業生態環境，電子信箱：zsl-5388@163.com

P7

A

1005-9857(2016)12-0039-10