秋季三亞西島海域營養鹽狀況分析與評價*

鄭忠陸 韓 玉 王昭允 石曉然 李 霞 雒煥新 宋一陽

(海南熱帶海洋學院海洋科學技術學院,崖州灣創新研究院,海南 三亞 572022)

營養鹽是海水中生物生長繁殖所需的生源要素,對海洋生態系統、水生生物及漁業生產具有重要作用[1-2]。營養鹽作為海洋中初級生產力和食物鏈的基礎,其含量、結構的變化影響著水中浮游植物群落和食物網結構[3]。近岸海域的營養鹽主要來源于河流輸入、大氣沉降、有機物降解以及外海輸入等,水產養殖、農業種植等人為活動對近岸海域營養鹽分布具有重要影響[4-5]。隨著沿海城市的快速發展,人類對海洋資源的開發利用增加,近岸海域營養鹽明顯增多,導致海水富營養化、赤潮等問題頻繁出現,進而導致海域溶解氧(DO)降低、生境退化、生物多樣性減少以及有毒有害藻類大量繁殖,對海域生態環境造成極大破壞[6-8]。

三亞西島是海南沿海第二大島嶼,面積2.8 km2,島上有豐富的熱帶海島自然資源及歷史悠久的漁村文化,是國家4A級景區,節假日客流量多時高達數萬人[9],附近海域環境已經遭到不同程度的破壞,然而島內生活垃圾、污水處理設施還不完善[10],因此三亞西島的環境承載力和環境保護研究已經成為重要課題。但由于西島海域屬于珊瑚礁國家級自然保護區,開展調查審批嚴格,因此該海域調查研究報道甚少。本研究于2021年秋季在三亞西島海域開展了以營養鹽為主的水質調查,并對海水污染狀況進行評估,對了解西島海域水質、推進海南生態環境發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 采樣站位與時間

2021年10月,對三亞西島周邊海域進行調查,共布設了14個采樣站位(見圖1),采集了表層、底層水樣(有部分樣品缺失)。

圖1 西島海域采樣站位分布Fig.1 Sampling station distribution in the sea area of West Island

1.2 樣品采集與測定

樣品采集按照《海洋監測規范 第3部分:樣品采集、貯存與運輸》(GB 17378.3—2007)的相關要求執行。懸浮顆粒物(SPM)、化學需氧量(COD)和營養鹽測定參照《海洋監測規范 第4部分:海水分析》(GB 17378.4—2007),SPM用重量法,COD用堿性高錳酸鉀法,氨氮用水楊酸鈉法,硝酸鹽氮用隔柱還原法,亞硝酸鹽氮用鹽酸萘乙二胺法,活性磷酸鹽(DIP)用磷鉬藍法,硅酸鹽用硅鉬藍法,溶解無機氮(DIN)為氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮之和。溫度、鹽度、DO、pH用多參數水質分析儀(WTW Multi36308)現場測定。

1.3 水質評價方法

1.3.1 單因子污染指數法

采用單因子污染指數法[11]進行污染評價,計算公式如下:

(1)

式中:Ii為污染因子i的單因子污染指數;Ci為污染因子i的實測值,mg/L;Si為污染因子i的評價標準值,mg/L。當Ii>1時,說明該污染因子已超標,本研究以《海水水質標準》(GB 3097—1997)中第一類海水水質標準作為評價標準值。

1.3.2 富營養化評價方法

采用富營養化指數評價富營養化狀態[12],計算公式如下:

(2)

式中:E為富營養化指數;CCOD為COD質量濃度,mg/L;CDIN為DIN質量濃度,mg/L;CDIP為DIP質量濃度,mg/L。E<1為貧營養;1≤E<2為輕度富營養;2≤E<5為中度富營養;5≤E<15為重度富營養;E≥15為嚴重富營養。

1.3.3 有機污染評價方法

采用有機污染指數評價有機污染狀況[13],計算公式如下:

(3)

式中:A為有機污染指數;CDO為DO質量濃度,mg/L;SCOD、SDIN、SDIP、SDO分別為GB 3097—1997中COD、DIN、DIP、DO第一類海水水質標準,mg/L,依次為2、0.20、0.015、6 mg/L。A≤0為良好;04為嚴重污染。

2 結果與討論

2.1 常規水質指標分布特征

西島海域水體中溫度、鹽度、pH、SPM、DO和COD的分布見表1。秋季受臺風影響,水體擾動性大,溫度、鹽度、pH在水平及垂直方向上差異一般較小[14]。表層水體DO東部由近岸向外海逐漸降低,西部相對偏低,但差異不大;底層水體DO西部與東部海域更加接近。東部海域水生植物生長較為旺盛,光合作用釋放O2,導致水體中DO較高[15]。SPM總體表層高于底層,14號站位表層特別高,可能是受三亞灣近岸污染隨潮汐涌入的影響[16]111。COD表層最高值出現在西部1號站位,底層除2號站位較小外,其余站位COD相差不大。

表1 常規水質指標分布1)Table 1 Distribution of common water parameters

2.2 營養鹽指標分布特征

西島海域水體中營養鹽指標的分布見表2。表層和底層水體中DIN相差不大,硝酸鹽氮平均分別占DIN的77%、74%,氨氮分別占21%、23%,但西島海域DIN含量遠高于周邊的三亞河河口海域[17]55和三亞紅沙灣海域[18]585。在水平分布上,西島海域的表層和底層水體中DIN均表現為西部略高于東部,高值出現在近岸的2、3、4號站位,可能受島內居民及游客的污水排放影響[16]111,[19]。DIN的單因子污染指數結果顯示,表層單因子污染指數為0.57～0.95,說明表層DIN均符合第一類海水水質標準;底層單因子污染指數為0.59～1.00,有1個站位剛剛超過第一類海水水質標準。

西島海域表層和底層水體中DIP也相差不大,含量也是遠高于三亞河河口海域[17]55和三亞紅沙灣海域[18]585。在水平分布上,DIP濃度分布也表現出西部高于東部。西島海域水體中氮、磷營養鹽含量均表現為西部海域較高,還因為西部海域存在大量養殖區,殘留的魚餌及水生動物的排泄物等都會造成水體營養鹽含量相對較高[20]。DIP的單因子污染指數結果顯示,表層單因子污染指數為0.80～1.47,有42.86%的站位超出第一類海水水質標準;底層單因子污染指數為0.74～2.83,有33.33%的站位超出第一類海水水質標準。

西島海域表層和底層硅酸鹽相差不大,在水平分布上,西部水體硅酸鹽濃度整體變化不大,東部表現出從近岸向外海逐漸升高的趨勢,高值區出現在靠近三亞灣附近的海域。10月三亞盛行東北季風,三亞灣海域的一部分硅酸鹽在季風影響下隨洋流向西島東部海域聚集,造成該海域硅酸鹽含量較高[21-22]。

2.3 指標相關性分析

西島海域表層水體DO與硅酸鹽呈顯著負相關性(P<0.05),pH與SPM呈顯著負相關性(P<0.01);底層水體鹽度與DO呈顯著負相關性(P<0.01),DIN與DIP呈顯著負相關性(P<0.05)。可以說明,營養鹽的含量及分布受多種因素影響,底層水體中氮、磷營養鹽的來源更趨于一致。

2.4 營養鹽限制狀況探討

營養鹽結構是影響海域浮游植物生長繁殖的重要因素。本研究分別用DIN/DIP、硅酸鹽/DIP、硅酸鹽/DIN(摩爾比)來研究水體營養鹽結構,結果見表3。本研究中營養鹽質量濃度均大于浮游植物對DIN、DIP及硅酸鹽吸收的最低閾值(DIN:0.014 mg/L、DIP:0.003 1 mg/L、硅酸鹽:0.056 mg/L)[23]。根據JUSTIC等[24]提出的營養鹽限制標準進行潛在限制因子分析,發現西島海域表層和底層水體中分別僅表層2、6號站位和底層2、5號站位受硅酸鹽限制。

表3 秋季西島海域營養鹽結構Table 3 Structure of nutrients in waters of West Island in autumn

2.5 富營養化與有機污染評價

秋季西島海域表層水體富營養化指數為0.30～1.25,其中1、2、4、6號站位屬于輕度富營養,其余站位皆屬于貧營養;底層水體富營養化指數為0.48～1.94,只有5號站位屬于輕度富營養,其余站位皆屬于貧營養。表層和底層水體的輕度富營養站位都出現在西島西部海域,一方面受西部養殖區殘留的魚餌、肥料以及水生動物的排泄物影響,另一方面也受到島內生活垃圾及污水排放的影響。

秋季西島海域表層水體有機污染指數為1.11～2.80,均大于1,說明都受到了不同程度的有機污染,其中1、2、4、6號站位表現為輕度污染,其余站位均為受到污染;底層水體有機污染指數為1.52～3.41,4號站位表現為輕度污染,2、5號站位表現為中度污染,其余站位表現為受到污染,底層水體較表層有機污染相對更嚴重一些。

三亞西島風景秀麗,水闊潮平,能見度高,環島海域生長著大量珊瑚及各種熱帶海魚,是一個巨大的熱帶海洋生態圈。但通過水質調查及富營養化和有機污染評估發現,西島海域也開始受到污染。良好的生態環境是城市可持續發展的重要基礎,在加快西島旅游業發展的同時,應控制島內生活垃圾及污水地合理排放,控制附近海域水產養殖規模,加強海洋環境監測與治理,實現人類與環境的可持續發展。

3 結 論

1) 三亞西島海域表層和底層水體DIN主要以硝酸鹽氮為主,其次是氨氮。空間分布上,表層和底層水體中DIN、DIP均表現為西部高于東部海域,而硅酸鹽在西島東部有出現近岸向外海升高的趨勢。

2) 富營養化指數結果顯示,表層和底層水體中貧營養站位占比分別為69.2%、88.9%,輕度富營養站位占比分別為30.8%、11.1%。有機污染指數結果顯示,表層和底層水體中受到污染站位占比分別為69.2%、66.7%,輕度污染站位占比分別為30.8%、11.1%,底層還有22.2%的站位受到中度污染。西島海域水質狀況總體良好,但已開始受到污染,應引起重視。