廈門灣營養鹽長期動態變化與陸源污染關系分析

洪雄業

(福建省近岸海域環境監測站，福建 莆田 351100)

世界上大約60%的人口居住在距海岸線100 km以內的范圍，沿海地區在社會經濟發展過程中發揮著至關重要的作用[1]。近年來，隨著城鎮化和工業化的快速發展，沿海地區環境受到越來越多人類活動造成的生態壓力，造成諸如海洋酸化、海水缺氧、棲息地退化和生物多樣性喪失等多種不利的影響[2-3]。作為陸地和海洋之間的過渡區域，沿海地區工業廢水、生活污水和農業廢水等氮、磷污染物的大量排放導致水體營養鹽含量升高，富營養化程度逐漸加重，在特定條件下誘發了赤潮等生態災害發生，對近岸海域生態系統造成嚴重的潛在性不利影響[4-5]。

廈門灣位于福建省東南部，毗鄰臺灣海峽，是東南沿海重要的對外港口，同時也擁有珍稀海洋物種國家級自然保護區，具有重要的經濟、社會和生態價值[6]。廈門灣周邊分布著廈門、龍海等多個城市，其中廈門是中國重要的風景旅游城市之一，近年來隨著國民經濟迅速發展，人口數量不斷增加，工農業及生活廢水的不斷排放給廈門灣的生態環境造成巨大壓力，海灣富營養化狀況和赤潮問題日益突出。但是目前對廈門灣氮、磷含量長期及季節性變化趨勢的研究較少，已有研究缺乏對陸源污染的聯系，廈門灣目前缺乏行之有效的陸海統籌水質管理對策。因此，本研究在了解廈門灣近岸海域水體營養鹽含量時空分布與陸源污染關系的基礎上，掌握廈門灣長期營養化狀況，提出具有針對性的海灣水質管理對策建議，對改善廈門灣水質和生態系統功能具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

廈門灣是一個半封閉式海灣，海域總面積約390 km2，周邊地形復雜，四周山巒屏障岸線曲折，海灣西部有福建省第二大河流九龍江注入。廈門灣海域主要分灣內和灣外兩部分，灣內包括九龍江河口、西海域和同安灣，灣外包括南部海域、東部海域和大嶝島海域。廈門灣潮汐形態屬于正規半日潮，平均潮差4 m左右，潮流屬于往復流，漲潮時流向灣內，退潮時流向灣外[7]。

1.2 資料收集

本研究所用基礎資料來自福建省近岸海域環境監測站于2010—2019年間對廈門市近岸海域水質監測的結果，監測站位分布在24.23°～24.63°N、118.05°～118.28°E之間。本次研究共選取10個具有代表性的常規監測站位(圖1)，監測站位的分布考慮廈門灣海域功能區劃特征和陸源污染的綜合影響，能夠較好的反映廈門灣近10年來的生態環境狀況。九龍江入海斷面處污染物含量數據來自日常監測資料數據，徑流量數據由浦南水文斷面的流量數據按照匯水面積比值推算到入海斷面，九龍江入海通量主要根據河口斷面的月均含量與月均流量進行計算。2018年廈門灣直排海排污口污染物排放數據來自福建省近岸海域環境監測與福建省第二次污染源普查的成果，結合排污口的位置匯總得到不同海域的氮、磷年均排放量。

圖1 廈門灣海域水質監測站位圖Fig.1 Map of water quality monitoring stations in Xiamen Bay

1.3 樣品采集與分析

福建省近岸海域環境監測站組織每年春季(5月)、夏季(7月)和秋季(11月)在廈門灣不同海域開展3個航次水質調查，調查項目包括表層(0.5 m)水的溫度、鹽度、pH、化學需氧量、溶解氧等環境因子和氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機磷 (活性磷酸鹽)等水質指標，其中無機氮含量為氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量之和。樣品的采集、固定、分析及數據處理均按照《海洋監測規范》[8]執行，水質評價按《近岸海域環境監測規范》[9]執行。氨氮含量的測定采用流動注射-水楊酸分光光度法，亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮含量的測定采用流動注射-鹽酸萘乙二胺分光光度法，檢出限分別為0.002、0.001、0.002 mg/L。活性磷酸鹽含量的測定采用流動注射-磷鉬藍分光光度法，檢出限為0.001 mg/L。鹽度、pH、化學需氧量、溶解氧含量、葉綠素a含量等的測定方法分別為鹽度計法、pH計法、溶解氧儀法、堿性高錳酸鉀法、分光光度法。水體富營養化評價采用富營養化指數法[10]，水質富營養化等級劃分標準見表1，富營養化指數(E)的計算公式如下:

表1 富營養化等級劃分標準Tab.1 Classification standards of eutrophication grade

(1)

公式(1)中：CCOD代表化學需氧量(mg/L)；CDIP代表溶解態無機磷含量(mg/L)；CDIN代表溶解態無機氮含量(mg/L)。

2 結果與討論

2.1 廈門灣氮、磷營養鹽含量和歷史數據及與其他海灣的比較

表2是2010—2019年廈門灣海域水質監測營養鹽的統計結果。西海域(0.047±0.024 mg/L)、同安灣(0.041±0.033 mg/L)的無機磷含量相對較高；西海域(0.769±0.309 mg/L)、河口區(0.739±0.309 mg/L)的無機氮含量明顯高于其他海域，各海區無機氮均以硝酸鹽氮為最主要形態，另外同安灣氨氮占比最高(28.0%±19.4%)。與歷史監測數據對比發現廈門西海域在1982—2012年間無機氮含量增加近3倍[1]，無機磷含量增加約3.4倍，其中無機氮含量在1995年之前較為穩定，在1996—2006年持續增加并達到峰值，之后波動變化；無機磷含量在1998年之前持續增加，在1999—2007年間維持穩定，之后波動變化；近10年來廈門灣無機氮、無機磷含量均明顯降低。廈門灣為半封閉海灣，南部海域受九龍江徑流輸入影響較大。與廣西廉州灣、浙江杭州灣、長江口水域及珠江海域的研究結果比較發現廈門灣無機氮、無機磷含量低于杭州灣與廉州灣，但高于長江口口門外和珠江口海域[11-15]。

表2 2010—2019年廈門灣營養鹽平均含量Tab.2 Mean nutrient concentration in Xiamen Bay in 2010-2019

表3 廈門灣及其他海灣營養鹽含量的歷史數據對比Tab.3 Historical data of nutrient concentrations in Xiamen Bay and other bays

2.2 廈門灣無機氮、無機磷含量時空分布特征

廈門灣不同季節氮、磷營養鹽含量的分布如圖2所示。表層水無機氮含量范圍為0.01～1.57 mg/L，各海區平均含量在0.21～0.77 mg/L之間，以《海水水質標準》為評價依據，九龍江口、西海域、同安灣無機氮年均含量超出第四類海水水質標準，東部海域超出第二類水質標準，大嶝島海域、廈金海域低于第二類水質標準。不同季節無機氮含量均呈現由灣內向灣外遞減的趨勢，春夏兩季無機氮含量峰值在西海域南部海區X2和九龍江口X1附近，秋季無機氮含量峰值在西海域北部海區X3附近，靠近沿岸排污口。無機氮含量季節性差異結果顯示廈門灣秋季無機氮含量顯著高于夏季(p<0.05)，春季無機氮含量與前兩者之間均無顯著差異。表層水無機磷含量范圍是0.001～0.150 mg/L，西海域無機磷年均含量超出第四類海水水質標準，九龍江口、同安灣超出第二、三類水質標準，東部海域、大嶝島海域、廈金海域低于第二、三類水質標準。春夏兩季無機磷含量峰值均在西海域，空間分布呈現由灣內向灣外遞減的趨勢。秋季無機磷含量變化范圍為0.028～0.068 mg/L，其空間分布有別于春季和夏季，最高含量在同安灣X4，其次是X2、X3和X1，當季東部海域、大嶝島海域、廈金海域的無機磷含量也相對較高。季節差異性結果顯示，夏季無機磷含量顯著低于春季(p<0.05)和秋季(p<0.01)，后兩者之間則無顯著差異。

圖2 廈門灣各季節無機氮、無機磷含量的空間分布Fig.2 Spatial variations of DIN and DIP by seasons in Xiamen Bay

圖3是廈門灣2010—2019年表層海水無機氮、無機磷含量的長期變化圖。除廈金海域外各海區無機氮含量在2013年達到最高。與2013年相比，2019年九龍江口、西海域、同安灣、東部海域、大嶝島海域無機氮含量分別降低23%、36%、47%、67%、63%。西海域、九龍江口、同安灣無機氮含量整體高于其他海區，其中九龍江口和西海域自2011年起無機氮含量轉為劣四類并持續至2019年，兩海區無機氮含量年際變化趨勢基本一致。同安灣除個別年份外無機氮含量在0.50 mg/L附近波動；東部海域無機氮含量處于第一類到劣四類海水水質之間，年際波動較大；大嶝島海域和廈金海域除個別年份外無機氮含量較低。廈門灣無機磷含量年際波動較大，九龍江口、西海域、東部海域、大嶝島海域無機磷含量最高值均在2013年附近，同安灣在2018年，廈金海域在2010年。與無機氮相似，西海域、同安灣、九龍江口無機磷含量整體較高，含量高值集中在2013和2018年附近。與2013年相比，2019年九龍江口、西海域無機磷含量分別降低11%、33%，同安灣升高16%。除個別年份外九龍江口、同安灣無機磷含量處于第四類到劣四類水質之間，西海域歷年無機磷含量均處于第四類到劣四類水質之間。無機氮與無機磷含量高值出現在不同的年份和不同的海域，反映了陸源污染排放、徑流量和復雜海洋生地化過程的綜合影響。從營養鹽污染負荷空間分布看，九龍江口受九龍江輸入影響相對較大，西海域與同安灣則主要受廈門島外河流與沿岸污水影響(詳見2.4節)。

圖3 廈門灣無機氮、無機磷含量年際變化與空間差異Fig.3 Interannual and spatial variations of DIN and DIP in Xiamen Bay

2.3 海灣無機氮組成及營養鹽結構特征

廈門灣不同季節無機氮組成及營養鹽結構見圖4。廈門灣表層水無機氮主要由硝酸鹽氮(63.6%～76.2%)和氨氮(15.4%～28.0%)組成，亞硝酸鹽氮所占比重較小。春季、夏季、秋季氨氮含量占無機氮的比例依次降低，亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮與之相反。同安灣氨氮含量占無機氮的百分比在春季和夏季均最高，分別為38.2%、32.0%，在秋季低于西海域和九龍江口；大嶝島海域硝酸鹽氮含量占無機氮的百分比在春季和秋季均最高，在夏季低于廈金海域、九龍江口和西海域；春季和夏季各海區亞硝酸鹽氮含量占無機氮的比例相差不大，以東部海域最高，秋季廈金海域亞硝酸鹽氮含量占比明顯高于其他海區，且為3個季節最高。

圖4 廈門灣各季節無機氮組成與營養鹽結構Fig.4 Composition of DIN and N∶P ratio by seasons in Xiamen Bay(a)、(c)、(e)分別為春、夏、秋季無機氮組成，(b)、(d)、(f)分別為春、夏、秋季營養鹽結構；為使(b)、(d)、(f)表示的營養鹽結構箱線圖對比清晰，部分極端值(大于3倍標準偏差)未顯示。

營養鹽結構為無機氮與無機磷含量的比值。廈門灣表層水無機氮與無機磷的含量比值普遍高于Redfield比值(N∶P=16∶1)[16]，屬于典型的磷限制水生生態系統。九龍江口年均無機氮與無機磷含量比值最高，其次為同安灣，東部海域最低。春季氮磷比范圍為41.9～69.7，同安灣最高；夏季氮磷比范圍為52.3～167.7，九龍江口最高，其次為同安灣和廈金海域；秋季氮磷比范圍為19.5～34.9，西海域最高，其次為九龍江口，同安灣和廈金海域較低。

2.4 海灣營養鹽分布的主要影響因素

外源輸入與內部消耗普遍被認為是營養鹽含量分布與變化的主要控制因素。河口海灣是陸地向海洋的過渡地帶，承載著人類重要的經濟開發活動，一般來說海灣營養鹽的主要來源包括河流輸入、地下水補給，沿岸排污口排放、與外海水的交換及大氣輸入等，營養鹽去向包括浮游植物和微生物消耗、顆粒物向底泥的沉積等，“源”與“匯”的格局變化往往導致特定的營養鹽含量分布模式與變化趨勢[17]。廈門灣屬于半封閉式海灣，位于九龍江河口下游，沿岸設有眾多排污口，其潮汐形態屬于正規半日潮，潮流屬于往復流，漲潮時流向灣內，退潮時流向灣外，營養物質在主要受到陸源影響的同時，還受控于海灣的水文動力特征。對廈門灣氮、磷營養鹽含量與九龍江河口斷面氮、磷入海通量進行一元線性回歸分析，發現氨氮通量對九龍江口、西海域的氨氮含量有顯著影響(p<0.01)，相關系數R2分別為0.599、0.518，說明河口斷面氨氮通量能夠分別解釋一半以上的九龍江口和西海域氨氮含量變異。無機氮通量對九龍江口、西海域無機氮含量的影響低于氨氮(p<0.05)，而無機磷通量對九龍江口、西海域無機磷含量的影響均不顯著(p>0.05)。總體來說，在九龍江徑流及沿岸污水排放的共同影響下，廈門灣氮、磷營養鹽整體上呈現由灣內向灣外逐漸降低的分布特征，同時由于流量大小、污水排放狀況及潮汐作用強弱的差異，不同水期氮、磷營養鹽高值區有所不同。

氮、磷營養鹽指標與環境因子之間的相關性分析結果列于表4。無機磷、無機氮及各形態無機氮與鹽度呈負相關關系(p<0.01)，表明陸源營養鹽受到咸淡水混合的影響比較強烈，徑流輸入調控氮、磷營養鹽的向海分布[18]，表現在無機氮、無機磷含量在不同季節均呈現出由灣內向灣外遞減的趨勢。從無機氮的組成看，春季、夏季、秋季氨氮含量占無機氮的百分比依次降低，而亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮與之相反，表明受徑流的影響，沿岸大量面源污染物在雨量充沛的春季和夏季被沖刷進入海灣，導致無機氮組成中存在較高比例的氨氮，隨后氨氮參與到硝化反硝化等氮循環過程中被吸收轉化而消耗，導致亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的累積。從表4可以看出，無機磷受徑流的影響小于無機氮，另外秋季無機磷含量顯著高于春季，含量最高值點由西海域轉移到同安灣，反映除受徑流影響外，廈門灣無機磷含量還受到沿岸城市污水排放的影響，這種影響在秋季水量較少的時候更為明顯。結合2018年廈門灣直排海排污口污染物排放情況(表5)，各海區氮、磷污染物排放量空間分布基本一致，西海域、同安灣、東部海域總氮、總磷排放量均依次降低，輔證排污口對廈門灣氮、磷含量分布的重要影響。

表4 廈門灣營養鹽與環境因子相關性分析Tab.4 Correlation analysis of nutrients and environmental factors in Xiamen Bay

表5 2018年廈門灣直排海排污口氮、磷排放量Tab.5 Nitrogen and phosphorus emissions from the outlet of Xiamen Bay in 2018 單位：t/a

有機質礦化是海灣內部氮、磷營養鹽的重要來源之一。廈門灣無機氮、無機磷含量與化學需氧量均有顯著正相關性，說明有機質的分解會增加氮、磷營養鹽的含量[19]，尤其是無機氮的含量，廈門灣沿岸分布有眾多生活污水排污口和養殖污水排污口，大量污水的輸入易導致水質惡化，已有研究表明臺風暴雨會增加入海有機物總量增加，導致廈門灣表層化學需氧量超標，存在氮、磷營養鹽含量突然增加的潛在風險[19-20]。浮游植物是消耗營養鹽的重要生物因素[21]，影響海灣氮、磷含量的時空分布，相關性分析結果顯示無機磷含量與葉綠素a含量(浮游植物)顯著負相關(p<0.01)，表明浮游植物傾向于以無機磷為營養物質供給自身生長，無機氮與浮游植物的關系不顯著表明其可能主要受到微生物驅動的氮循環過程的影響。廈門灣葉綠素a含量在夏季最高而秋季最低，與無機磷含量在夏季最低而秋季最高相對應。營養鹽與溫度的相關性結果也表明浮游植物、微生物對氮、磷營養鹽的吸收利用受到溫度的調控，溫度升高會加快氮、磷營養鹽的消耗，改善海灣水質。由于秋季溫度較低，硝酸鹽氮的消耗減少，同時伴隨有微生物的硝化過程持續進行，秋季硝酸鹽氮含量占無機氮的百分比達到最高。

2.5 海灣水質富營養化指數時空變化

廈門灣2010—2019年春季、夏季、秋季富營養化指數的變化范圍分別是0.1～40.5、0.0～18.0、0.1～21.9(圖5)，其中夏季富營養化指數顯著低于春季(p<0.01)和秋季(p<0.01)，后兩者之間無顯著差異。各海區春季富營養化指數年際變化趨勢呈現“M”型，高值出現在2013和2016年附近，富營養化程度由高到低依次為西海域、九龍江口、同安灣、東部海域、廈金海域、大嶝島海域，其中西海域和九龍江口處于中度富營養及以上等級，無機磷和無機氮是導致各海區富營養化指數偏高的主要因子。夏季西海域、東部海域富營養化指數波動下降，九龍江口和同安灣波動升高。與2018年相比，九龍江口2019年富營養化指數升高約13倍，富營養化等級由輕度富營養轉為嚴重富營養，主要的超標因子是活性磷酸鹽和無機氮，各海區富營養化程度高低排序與春季基本一致。秋季各海區富營養化指數波動趨勢一致性較高，2011、2013、2018年是富營養化指數主要的峰值年，峰值年九龍江口、西海域、同安灣均處于重度富營養及以上等級，主要的超標因子亦為無機氮和無機磷。

圖5 2010—2019年廈門灣各季節富營養化指數時空分布Fig.5 Temporal and spatial variations of eutrophication index by seasons in Xiamen Bay in 2010-2019

2.6 海灣氮、磷污染控制措施建議

廈門灣海域氮、磷污染較為嚴重，除大嶝島海域和廈金海域外其他海區均存在不同程度的富營養化現象，九龍江口、西海域富營養化等級明顯高于同安灣、東部海域。從營養鹽結構上看廈門灣是典型的高氮低磷的水生生態系統，長期處于磷限制狀態。陸源是氮、磷污染物的主要來源，無機氮、無機磷受到徑流的調控較為明顯，春季氮污染有所加重，其中無機磷含量除受到徑流影響外還受到沿岸排污口的影響，這種影響在秋季更為明顯。針對此，廈門灣宜采用陸海統籌綜合的污染治理模式，一方面加強對入海河流九龍江及灣外小河流的綜合治理，控制流域內生活污水、養殖廢水等各種污染源的排放，控制氮、磷污染物的入海排放量。另一方面加強對廈門灣周邊排污口的管控，完善城市污水處理體系及管網建設，提高污水處理廠的深度處理能力，同時合理布設排污口，及時清除不符合規定的排污口[22-23]。另外，針對部分海區存在氮、磷含量急劇增加的現象，應該加強對海灣水質的實時監測，精準識別海灣水質的突然變化，為有效采取應對措施提供科學依據。

3 結論

(1)廈門灣無機氮和無機磷含量呈現由灣內向灣外遞減的分布趨勢，高值區主要位于西海域和九龍江河口區，同安灣是秋季無機磷含量的另一高值區。各海區無機氮含量在2013年達到峰值后逐年波動降低，無機磷含量高值集中在2013和2018年附近。

(2)廈門灣表層水無機氮主要由硝酸鹽氮和氨氮組成，亞硝酸鹽氮所占比重較小，春季、夏季、秋季氨氮含量占無機氮的百分比依次降低，硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮與之相反。廈門灣表層水氮磷比普遍高于Redfield 比值(N∶P=16∶1)，屬于典型的磷限制生態系統。

(3)除大嶝島海域和廈金海域外廈門灣其他海區均存在不同程度的富營養化現象，九龍江口、西海域富營養化等級明顯高于同安灣、東部海域，無機氮和無機磷是導致廈門灣富營養化指數偏高的主要因子。

(4)陸源是廈門灣氮、磷污染物的主要來源，其中無機氮主要受徑流的影響，無機磷含量除受到徑流影響外還受到沿岸排污口的顯著影響。廈門灣宜采用綜合的污染治理模式，建議加強九龍江及其他小河流的入海污染總量控制，進一步強化沿岸排污口的源頭監管與治理，并盡快建立海灣水質實時監測系統,服務于水質的智能化管理。