2017-2018年北部灣東北部海灣營養鹽的時空分布特征*

史華明,王 翔,馬 玉**,蔡鈺燦,許 欣

(1.國家海洋局南海調查技術中心,廣東廣州 510300;2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室,廣東廣州 510300)

自20世紀以來,作為主要初級生產力區域的近岸海洋生態系統逐漸受人類活動的影響[1]。大量營養鹽通過地表徑流、大氣沉降、地下水等途徑進入近海[2-4],導致水體富營養化水平升高,營養鹽結構失衡,赤潮和綠潮等生態災害頻發,對海洋生態系統造成了一定程度的影響[5]。北部灣是南海西北部的半封閉邊緣海,進入21世紀后廣西北部灣經濟區成為我國西部大開發和面向東盟開放合作的重點區域,經濟社會發展迅速,人類活動對近海生態環境的影響也越來越顯著,海洋生態文明建設亦成為社會關注的熱點[6,7]。因此,分析北部灣營養水平的現狀及歷史演變,將有助于海洋生態系統監測和評估體系的完善,促進海洋經濟可持續發展。

營養鹽濃度及結構變化可以反映海洋生態環境變化。近年來,有關北部灣海域營養鹽變化已有不少研究成果[8-14]。藍文陸等[9]認為鐵山港附近海域營養鹽濃度從枯水期到豐水期增加,從豐水期到平水期降低,其濃度主要受入海徑流輸入的影響,海區氮磷比(N/P)較高,浮游植物繁殖主要受磷限制。覃仙玲等[10]認為廣西主要入海河流營養物質增加和不同水團輸送的營養元素是沿海赤潮多發區氮磷的主要來源。黃曉煦等[12]認為潿洲島海域營養鹽整體上表現為由西南向東北遞增的現象,年際海水富營養化指數均值為0.090,屬貧營養海水。邢素坤等[13]指出活性磷酸鹽對潿洲島海域浮游植物的繁殖生長具有潛在的限制性作用,春夏季風生流對各形態磷含量的補充緩解了海域的磷限制,可能誘發了近年來多次赤潮的發生。本研究根據2017-2018年秋、冬、春、夏4個連續季節的調查成果,探討北部灣東北部海灣營養鹽的時空分布及其結構,旨在為保護海洋生態環境、合理開發利用該海域提供數據參考,為北部灣海洋生態文明建設服務。

1 材料與方法

1.1 調查區域

調查區域位于北部灣東北部鐵山港-英羅港-安鋪港附近海域,共布設14個調查站位S1-S14 (圖1)。其中,S1位于英羅港灣口,S2和S3位于安鋪港灣口,S7和S8位于鐵山港灣及灣口,其他站位位于北海市與湛江市之間海域。分別于2017年11月 (秋季)、2018年1月 (冬季)、2018年4月 (春季) 和2018年8月 (夏季) 完成現場調查和樣品采集。

圖1 北部灣東北部海域站位布設

1.2 樣品采集及分析

現場使用YSI EXO2多參數水質儀測定溫度、鹽度和溶解氧(DO)。營養鹽樣品的采集和處理過程均依照《海洋調查規范 第4部分:海水化學要素調查》(GB/T 12763.4-2007)方法進行。采集各調查站位水面下0.5 m海水樣品,海水樣品經0.45 μm濾膜過濾后帶回實驗室-20 ℃下冷凍,測定營養鹽含量,包括硝酸鹽 (NO3-N)、銨鹽(NH4-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、磷酸鹽 (SRP) 和硅酸鹽 (DSi)等,上述物質均依據《海洋監測技術規程 第1部分:海水》 (HY/T 147.1-2013) 采用流動分析法進行測試,溶解無機氮 (DIN) 濃度為硝酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽濃度之和。海水葉綠素a樣品加碳酸鎂固定、現場過濾后-20 ℃下避光冷凍,依據《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) 采用分光光度法測試。NO3-N、NH4-N、NO2-N、SRP、DSi和葉綠素a的檢出限分別為0.04 μmol/L、0.08 μmol/L、0.02 μmol/L、0.02 μmol/L、0.03 μmol/L和0.2 μg/L。

1.3 數據處理

利用SPSS Statistics (V19) 軟件對4個季節的營養鹽與其他環境參數做Pearson相關性分析,均值差異性分析采用配對數據t檢驗,P<0.05為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 環境因子分布特征

四季表層海水DO含量為4.68-8.69 mg/L,冬季DO的平均含量高于其他季節(表1)。四季pH值為7.71-8.19,冬季最高,夏季及秋季最低。秋季葉綠素a平均濃度最高,達到 (4.44±1.61) μg/L,其次是夏季和春季,冬季最低,為(1.72±0.68) μg/L(表1)。

表1 北部灣東北部海域環境因子的季節變化

秋季表層海水溫度(SST)為20.3-25.8 ℃,空間差異較大,平均值為 (22.4±2.5) ℃ (表1),高溫區位于鐵山港灣內,低溫區主要位于調查海域的東南側,呈鐵山港向東南部海域逐漸降低的趨勢[圖2(a)]。冬、春、夏季表層海水溫度分別為16.4-17.4、23.8-26.8、30.1-31.6 ℃,平均值分別為 (16.8±0.3)、(24.9±0.9)、(30.6±0.5) ℃ (表1),整體表現為北高南低,且有由鐵山港、安鋪港向西南部海域逐漸降低的趨勢[圖2:(b)、(c)、(d)]。

秋季及冬季鹽度分別為25.91-30.85和28.48-31.36,平均值分別為29.16±1.42和29.89±0.94 (表1),最低鹽度均位于鐵山港灣內,安鋪港附近鹽度亦較低,鐵山港灣附近海域北低南高,整個調查海域南部為東低西高的分布趨勢[圖2:(e)、(f)]。春、夏季的鹽度分別為29.82-32.22和23.07-31.08,平均值為31.17±0.85和28.12±2.23 (表1),兩季表層海水鹽度具有相似的分布特征,最低值均出現在英羅港及安鋪港附近海域,鹽度等值線呈西北-東南走向[圖2:(g)、(h)]。上述現象主要是由于安鋪港位于九洲江入?？诟浇?鐵山港內也有公館河、白沙河、營仔河和名教河等小徑流河流匯入,夏季地表徑流輸入導致夏季鹽度平均值明顯低于其他季節,四季表層鹽度均表現為灣內/口低、開闊海域高的分布趨勢。

2.2 營養鹽分布特征及季節變化情況

調查海域營養鹽分布特征及季節變化情況如圖3所示。秋、冬季DIN濃度分別為2.50-16.89、1.50-8.35 μmol/L,平均值分別為 (8.32±4.30)、(3.17±1.72) μmol/L,DIN濃度均由鐵山港灣口海域向南部海域逐漸降低[圖3:(a)、(b)]。春季DIN濃度為3.86-9.21 μmol/L,平均值為 (7.03±1.65) μmol/L,高值區集中于鐵山港灣口海域,由北向南部遞減,英羅港DIN分布與鐵山港相近,整個調查海域南半側DIN等值線呈西北-東南走向,東高西低,最低濃度出現在調查海域西南側海域[圖3(c)]。夏季DIN濃度為2.36-28.63 μmol/L,平均值為 (9.53±7.54) μmol/L,各站DIN含量差異較大,空間分布與秋季、冬季相似[圖3(d)]。整體上DIN濃度的季節變化趨勢為夏季>秋季>春季>冬季。

圖3 2017-2018年北部灣東北部海域營養鹽分布(μmol/L)

秋、冬、春、夏季SRP濃度分別為0.19-0.94、0.06-0.39、0.13-0.48和0.02-0.61 μmol/L,平均含量分別為 (0.53±0.24)、(0.18±0.10)、(0.33±0.10)和 (0.10±0.16) μmol/L,季節變化趨勢為秋季>春季>冬季>夏季。其中,冬季和春季的SRP濃度最高值均出現在英羅港及安鋪港灣口[圖3:(f)、(g)],秋季和夏季最高濃度則出現在鐵山港灣口[圖3:(e)、(h)]。

秋季DSi濃度為8.15-18.19 μmol/L,平均值為 (13.24±3.31) μmol/L。秋季DSi濃度存在2個高值區,最高值區位于安鋪港灣口,次高值區位于鐵山港灣內,濃度從安鋪港及鐵山港灣口向西南逐漸降低[圖3(i)]。冬季DSi濃度為1.03-13.07 μmol/L,平均值為(3.77±2.97) μmol/L,最高值位于鐵山港灣口,并向灣外和南部海域降低[圖3 (j)]。春季DSi濃度為4.02-13.03 μmol/L,平均值為(9.09±2.51) μmol/L,最高濃度出現在調查海域北側,最低濃度出現在西南部海域[圖3(k)]。夏季DSi濃度為 2.78-17.09 μmol/L,平均值為(7.88±4.56) μmol/L,其空間分布趨勢與秋季相似,即由安鋪港及鐵山港灣口向西南逐漸降低[圖3(l)]。DSi濃度季節變化趨勢為秋季>春季>夏季>冬季。

綜合來看,調查區域四季營養鹽的整體分布趨勢均為近岸高、遠岸低,高值區主要集中于鐵山港灣、英羅港及安鋪港灣口,低值區主要位于調查海域的西南側,不同季節略有差異。

2.3 營養鹽結構變化

調查海域秋、冬、春季的N/P值分別為16.5-35.0、8.7-38.7和16.8-30.4,平均值分別為22.5±5.2、20.3±7.9和22.4±4.1 (表2)。夏季DIN雖然與其他3個季節仍處于同一個數量級,但是由于SRP含量較低,部分站位SRP含量已接近檢出限,導致夏季的N/P值增大,平均值為175.3±94.5,遠高于Redfield比值。因此,調查海域四季的N/P平均值均高于Redfield比值,其中以夏季最高;硅磷比(Si/P)值與N/P值相似,即4個季節的Si/P平均值均高于Redfield比值,且夏季最高。四季硅氮比(Si/N)值未出現明顯的波動,秋季、冬季、春季、夏季平均值分別為2.0±0.9、1.2±0.4、1.3±0.2和1.0±0.3 (表2)。

表2 北部灣東北部海域四季N/P、Si/P、Si/N值變化

2.4 營養鹽與其他環境因子的相關性

河口和近岸海域營養鹽的分布受多種因素影響,陸地徑流輸入是其中一個重要因素[12,15,16]。調查區域位于北部灣近岸海域,四季DIN、DSi均與鹽度顯著負相關(表3-6);SRP在秋、冬、春季與鹽度具有極顯著的負相關關系,而夏季不存在明顯的相關性,且夏季調查期間SRP平均含量為四季中的最低值,接近檢出限,說明SRP的消耗速度大于補充速度。同時,結合營養鹽與鹽度的空間分布結果,營養鹽的高值區主要位于鹽度的低值區,暗示陸源輸入是影響調查海域營養鹽分布的最主要因素,但夏季SRP亦顯著受生物消耗的影響。營養鹽不僅受物理化學過程(如水團輸運、形態轉化、沉積等)的影響,而且與海洋中的各種生物過程密切相關[17,18]。春季是生物的生長期,無機態營養鹽開始被吸收,此季的葉綠素a與溫度、營養鹽、DO有明顯的正相關性,說明在適宜的溫度、光照等生長條件下營養鹽的存在有利于浮游植物的繁殖與生長,溶解氧隨著浮游植物的快速增長而升高。

表3 秋季溶解態營養鹽與環境因子的相關系數 (n=14)

表4 冬季溶解態營養鹽與環境因子的相關系數 (n=14)

表5 春季溶解態營養鹽與環境因子的相關系數(n=14)

表6 夏季溶解態營養鹽與環境因子的相關系數(n=14)

3 討論

3.1 營養鹽限制因子

浮游植物在生長時按照一定比例吸收營養鹽,因此海水中適宜的營養鹽比例有利于浮游植物的吸收,反之則因某種元素的缺乏導致其生長繁殖受到限制。浮游生物體中的C∶N∶P比例接近恒定值106∶16∶1[19],而一些需要吸收DSi的硅藻類浮游植物生物體中的Si∶N∶P=16∶16∶1[20]。限制浮游植物生長的營養鹽必須同時滿足絕對限制和相對限制條件[21],絕對限制法的閾值為Si=2 μmol/L,DIN=1 μmol/L,P=0.1 μmol/L[22];相對限制法判定規則如下:(1) Si/P和N/P同時>22時,P為限制因子;(2) N/P<10、Si/N>1時,N為限制因子;(3) Si/P<10和Si/N<1時,Si為限制因子[23,24]。本研究夏季調查海域西南部區域站位SRP濃度低于0.10 μmol/L,已經呈現SRP的絕對限制,而夏季N/P和Si/P均大于22 (表2),同時滿足了絕對限制和相對限制條件,因此調查海域西南部區域在夏季主要受到P限制。楊靜等[6]分析,1990-2014年北部灣N/P統計結果長期大于Redfield比值,最高達224,大部分區域處于P限制狀態?？傮w而言,調查海域N/P和Si/P失衡,使得海洋生態對SRP變化十分敏感,一旦SRP含量發生劇烈變化,將導致營養鹽結構產生變化,從而對調查海域的生態系統產生較大影響。

3.2 影響因素分析

冬、春季調查站位所有DIN和SRP均符合第一類海水水質標準。秋、夏季調查海域各有2個和4個站位的DIN超出第一類海水水質標準,SRP分別有8個和1個站位超出第一類海水水質標準,上述站位全部位于鐵山港灣、安鋪港和英羅港附近海域。秋季所有站位均符合第二類海水水質標準,而夏季鐵山港附近S7號站位的DIN達到第三類海水水質標準,說明冬、春季調查海域的海水水質較好,隨著陸地徑流的輸入,夏、秋季海水水質有所惡化。

本次調查海域DIN季節平均濃度均低于欽州灣、珍珠灣和廉州灣3個海灣相應季節的DIN濃度;夏季SRP平均濃度低于廉州灣、欽州灣和珍珠灣 (表7),上述情況可能與陸地徑流輸入有關。欽州灣、珍珠灣、廉州灣入海河流的DIN濃度基本屬四類或劣四類[15,29],而鐵山港附近的入海河流徑流量較小,是廣西六大港灣中入海徑流相對較小的港灣[30],相對較少的徑流量和營養鹽輸入[31]導致DIN營養鹽水平低于其他海灣。而且,北部灣屬于半封閉海灣,受陸源輸入影響較大,其污染物擴散與近岸海域的水文特征密切相關:北部灣北部環流終年為氣旋式[32],由陸地徑流輸入的營養鹽等物質在近岸海域自東向西輸運,也可能是鐵山港附近海域營養鹽濃度較其他海灣低的原因。

表7 北部灣近岸海域營養鹽含量

2007-2009年廉州灣海域[25]的DIN及SRP濃度變化不明顯;2010-2015年欽州灣[10,26]的DIN濃度變化不大,而SRP濃度升高;2004-2008年珍珠灣[27,28]、1983-2008年鐵山港灣[8,9]營養鹽濃度基本上呈現逐漸增大的趨勢(表7)。結合本次調查結果,鐵山港灣附近海域DIN、SRP和DSi含量自1983年至2018年總體呈先升后降的趨勢(表7),可能得益于近年開展的節能減排、清潔生產活動,致使污染物排放減少,徑流輸入的營養鹽濃度降低。

4 結論

(1)調查海域四季營養鹽呈現近岸高、遠岸低的分布趨勢,高值區主要集中于鐵山港、英羅港和安鋪港灣口。秋、冬、春、夏季的DIN平均濃度分別為 (8.32±4.30)、(3.17±1.72)、(7.03±1.65)和 (9.53±7.54) μmol/L,夏季DIN含量最高;SRP平均濃度分別為 (0.53±0.24)、(0.18±0.10)、(0.33±0.10)和 (0.10±0.16) μmol/L,SRP的季節變化趨勢為秋季>春季>冬季>夏季;DSi平均濃度分別為 (13.24±3.31)、(3.77±2.97)、(9.09±2.51)和(7.88±4.56) μmol/L,秋季最高,春季、夏季次之,冬季最低。

(2)調查期間N/P值均高于Redfield比值,尤其以夏季最高,平均值達到175.3±94.5。夏季調查海域西南部區域SRP含量低于0.10 μmol/L,且Si/P和N/P均大于22,浮游植物生長可能受SRP限制。

(3)調查海域不同季節DIN、DSi均與鹽度顯著負相關,說明DIN、DSi主要受陸源輸入影響,而夏季SRP與鹽度無明顯的相關性,且含量最低,表明其可能受陸源輸入和生物活動消耗的共同影響。本次調查DIN季節平均濃度均低于欽州灣、珍珠灣和廉州灣3個海灣相應季節的DIN濃度,夏季SRP平均濃度低于上述3個海灣,DIN、SRP和DSi濃度自20世紀80年代以來呈先升高后回落的趨勢。