三沙灣氮磷時空變化及其影響因素分析

摘要：文章基于2020年春季、夏季和秋季三沙灣海域氮磷等環境因子的調查數據，分析了氮磷營養鹽的時空變化特征，應用富營養化指數法對該海灣的富營養化水平進行了評價，對氮磷的影響因素進行了分析并提出了污染控制建議。結果顯示：三沙灣海域春季和秋季的氮磷濃度較高，夏季濃度較低;各季節DIN 和DIP空間分布有所不同;春季和秋季，三沙灣的DIN 含量要高于大部分海灣，夏季則要低于大部分海灣，各季節的DIP的含量要高于其他大部分海灣。三沙灣海域富營養化水平為重度富營養狀態，其中秋季富營養化程度最嚴重，春季次之，夏季富營養化水平最低。氮磷影響因素分析表明：春季和夏季，陸源污染是DIN 的主要來源，DIP則受到陸源污染、網箱養殖、藻類等海洋生物對營養鹽的吸收等綜合影響。秋季時，DIN 和DIP受到陸源污染、網箱養殖的綜合影響。最后提出了污染控制的相關建議，以期為三沙灣污染治理和環境保護提供參考。

關鍵詞：氮磷;時空變化;富營養化;影響因素;三沙灣;海洋環境科學

中圖分類號：P734;X55 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）09-0079-10

0 引言

隨著海洋經濟的快速發展，在獲得巨大的經濟利益的同時，人類活動對海洋環境的影響也逐漸增大，一個突出的表現就是人類向海洋排放的氮、磷等物質改變了近岸海域的海水成分，對海洋環境產生了很大的影響[1-5]，引發了海水富營養化、赤潮等一系列生態環境問題[6-8]。封閉型海灣由于具有較穩定的水文條件、曲折的海岸線、平緩的沿海陸地等條件，是發展海洋經濟的理想區域，但由于其具有“腹大口小”的形態特征，內部海水的交換周期較長，在污染物進入后，難以迅速擴散，污染物容易在其間積累。因此封閉型海灣是開發與保護矛盾較突出的區域，也是海洋污染防治需要重點關注的區域。

三 沙灣位于福建省東北部，是典型的封閉型海灣，具有“口小腹大”特征，灣內地形復雜，周邊有多條河流注入，水產養殖業發達，是世界最大的大黃魚網箱養殖基地和我國最主要的漁業養殖基地之一[9-10]。近年來灣內氮磷濃度超標現象明顯，由此引發了富營養化、赤潮等生態環境問題，引起了管理部門和研究人員的關注，研究人員也對三沙灣營養鹽進行了一些研究：劉義峰[11]評價了活性磷酸鹽的分布及時空變化特征，根據氮磷比和硅氮比判斷三沙灣浮游植物生長的限制因子，用營養狀態指數評價該灣水體的富營養化狀態;王萱等[12]利用環境質量綜合指數法評價了三沙灣海水增養殖區環境質量綜合狀況和發展趨勢，并認為這種變化趨勢與近年來產業與保護的推進有一定的關系;牛淑杰等[13]認為三沙灣營養鹽從陸向海的變化既受陸域河流排放的影響，也受灣內養殖排放的影響。但由于三沙灣的地形多樣、島嶼眾多、氣候水文條件季節性差異大，開發利用活動較多，灣內營養鹽變化及其影響因素是較為復雜的，目前關于灣內營養鹽的影響因素是否存在季節性差異尚不十分明確。因此研究三沙灣的營養鹽時空分布特征、分析營養鹽的影響因素的季節性差異是十分必要的。鑒于此，本研究分析了2020年春、夏、秋3個季節海灣氮磷的時空變化及不同季節的影響因素，以期為三沙灣污染治理和環境保護提供參考。

1 研究數據與方法

1.1 研究數據

本研究選取2020年三沙灣海域23個站位的海水水質數據進行分析，監測時間為2020年春季（4月、5月）、夏季（7月、8月）和秋季（10月、11月），海水水質指標包括鹽度、化學需氧量（COD）、無機氮（DIN）和活性磷酸鹽（DIP）。水質調查和監測方法依據《海洋調查規范》（GB/T12763—2007）[14]和《海洋監測規范》（GB17378—2007）[15]進行。水質數據由福建省生態環境廳提供。

為了比較灣內部和灣口的污染物濃度，本研究劃分了內灣區和灣口區。本文所用的網箱養殖空間分布數據，主要通過2020年遙感衛片數據目視解譯獲得。

1.2 研究方法

1.2.1 水質和富營養化評價方法

水質采用單因子評價法，基于《海水水質標準》（GB3097—1997）進行評價。其中一類海水：DIN≤0.20mg/L，DIP≤0.015mg/L;二類海水：DIN≤0.30 mg/L，DIP≤0.03 mg/L;三類海水：DIN≤0.40mg/L，DIP≤0.03 mg/L;四類海水：DIN≤0.50mg/L，DIP≤0.045mg/L。其中DIN 含量為NH4-N、NO3-N、NO2-N 之和。

富營養化評價采用富營養化指數（EI）來評價三沙灣富營養化程度[16-19]。富營養化指數的計算公式：

海水富營養化水平的分級標準如表1所示。

1.2.2 空間和統計分析方法

本研究中，DIN 和DIP的空間插值采用反距離權重插值法，利用ArcGIS10.1軟件進行具體操作。DIN、DIP與鹽度的關系分析采用一元線性回歸方法，具體操作是利用Graphpadprism 軟件完成。方差分析是利用SPSS軟件來進行分析。柱狀圖是利用Origin軟件繪制完成。

2 結果與討論

2.1 氮磷時空變化特征分析

2.1.1 氮磷和其他指標時間變化特征

三沙灣氮磷隨時間變化特征不同，DIN 平均濃度春季最高，秋季次之，夏季最低;DIP平均濃度秋季最高，春季次之，夏季最低。春季和秋季的氮磷平均濃度均超過了第四類海水水質標準，夏季的氮磷濃度超過了第二類海水水質標準。各季節的COD濃度均符合第一類海水水質標準，春季的平均鹽度最低、秋季次之、夏季最高。通過方差分析，3個季節氮磷之間存在顯著性差異（氮磷的F 值分別為22.8和16.0）。各環境因子的平均濃度如表2所示。

2.1.2 營養鹽空間變化

在營養鹽空間變化方面，DIN 和DIP的表現有所不同（圖1）。春季、夏季和秋季DIN 濃度均由內灣向灣口遞減。秋季DIP濃度也呈現出由內灣向灣口遞減的趨勢，但是在春季和夏季，其高濃度區域并非內灣，而是在三沙灣中部區域。這說明三沙灣DIN 和DIP空間分布驅動機制或影響因素可能有所不同。

2.1.3 三沙灣與中國其他海灣營養鹽的比較

將三沙灣營養鹽含量與中國其他海灣或河口灣進行了比較，結果如表3所示。在DIN 方面，春季除了長江口、杭州灣和泉州灣外，三沙灣的DIN含量要高于其他海灣;夏季除了高于渤海灣和防城港西港，要低于其他海灣;秋季除了低于杭州灣和泉州灣外，要高于其他海灣。在DIP方面，春季除了低于杭州灣外，要高于其他海灣;夏季除了低于長江口和杭州灣外，要高于其他海灣;秋季除了與泉州灣持平外，要高于其他海灣。說明春、秋兩季，三沙灣的DIN 含量除了低于經濟發達區域或有大河入海的河口海灣（長江口、杭州灣和泉州灣），要高于大部分海灣，夏季則要低于大部分海灣;春、夏、秋3季，DIP的含量要低于經濟發達區域或有大河入海的河口海灣，但是要高于其他大部分海灣。

2.2 富營養化評價

三沙灣富營養化指數平均值為5.19，整體屬于重度富營養狀態。其中，秋季富營養化程度最嚴重，春季次之，兩個季節都屬于重度富營養化狀態;夏季富營養化指數平均值為1.90，屬于輕度富營養狀態，3 個季節的富營養化指數空間分布如圖2所示。

秋季富營養化指數平均值為7.79，其中高值站位（EI≥5.0）有16個，主要分布在三沙灣的內灣區域，三沙灣西南部的EI值最大（21.84），達到嚴重富營養狀態。春季富營養化指數平均值為5.86，其中高值站位（EI≥5.0）有13個，多分布在三沙灣內灣區域，三沙灣北部的鹽田港區域的EI值最大（12.70），達到重度富營養狀態;夏季時，富營養化指數較低，少數高值站位位于海灣中部區域。

2.3 氮磷影響因素分析

2.3.1 氮磷與鹽度的關系

三沙灣各監測點位的DIN 濃度隨著鹽度的增加而減小（圖3），春、夏、秋3個季節的回歸分析P值均小于0.05（春、夏和秋季的P 值分別為0.029、0.0001和0.036），說明三沙灣內DIN 濃度空間變化的一個主要驅動機制是海水的稀釋擴散作用，這種受海水稀釋作用與化學反應移除的過程稱為保守性行為[13，27-30]。

三沙灣各監測點位的DIP濃度與鹽度的關系在不同季節是不同的（圖3）。春季時，DIP濃度與鹽度呈負相關關系，但是擬合方程斜率較小;夏季和秋季時，DIP濃度與鹽度呈正相關關系;3個季節擬合方程的P 值均大于0.05，回歸分析的擬合關系不顯著。這種變化的機制主要是三沙灣內復雜的生物地球化學過程中產生了內源性營養鹽，抵消了海水對外源營養鹽的稀釋作用和離子化學移除作用，這種營養鹽與鹽度的非線性關系，被稱為非保守性行為[29，31-32]。

2.3.2 陸源污染對三沙灣營養鹽的影響

在2.3.1節中，通過回歸分析發現，2020年，三沙灣春、夏和秋3個季節的DIN 濃度隨著鹽度的增加而減小，而三沙灣春季和秋季的DIN 平均濃度均超過了第四類海水水質標準，說明陸源污染與三沙灣的營養鹽關系密切。本文比較內灣區和灣口區的監測點位的DIN 和DIP的濃度均值可知，內灣區DIN 和DIP的濃度均值均高于灣口區（圖4），進一步說明陸源污染對三沙灣的氮磷營養鹽都有重要的影響。

三沙灣周邊有多條河流注入，而且周邊分布著蕉城區、福安市等城鎮區，城鎮居民生活污水、生產廢水，以及城市和農業的面源污染物會隨河流或者排污口進入海域[13，33-34]，使得近岸的氮磷濃度升高，而隨著污染物的擴散和灣口進入海水的稀釋，海水中氮磷濃度逐漸降低。

2.3.3 網箱養殖對氮磷的影響

在2.3.1節中，通過回歸分析發現，2020年，三沙灣春、夏和秋3個季節的DIP與鹽度的關系不顯著，而三沙灣春季和秋季的DIP平均濃度均超過了第四類海水水質標準，這與三沙灣內大規模的網箱養殖和過度投餌有密切關系。本文根據三沙灣的網箱養殖區分布情況，選取了網箱養殖區漲落潮方向1km 范圍以內的監測點位，分析這些監測點位的氮磷濃度，并與其他區域的氮磷濃度進行了比較。分析發現在不同的季節，網箱養殖區附近的監測點位的DIP濃度均高于非網箱養殖區點位的濃度（圖5）。另外，春季和夏季DIP的高濃度區域并非內灣，而是在三沙灣中部區域（圖1），進一步說明網箱養殖與三沙灣DIP有明顯的關聯性，是DIP的重要影響因素。相關研究表明，1000m2網箱（魚產量1.7～2.3t）投放餌料中的總磷有77%～88%進入養殖環境中[35]。三沙灣養殖面積大，灣口狹窄，巨量的養殖餌料投放和灣內外緩慢的水交換能力，會增加水體中磷含量[13]。朱峰等[36]的研究也表明網箱養殖向三沙灣海域排放了相當數量的磷酸鹽。

對于DIN，分析發現網箱養殖區附近的監測點位的DIN 濃度均低于非網箱養殖區點位的濃度（圖5），結合圖3的結果以及相關研究成果[13，32-33，37]，網箱養殖對三沙灣DIN 有貢獻比例小于對DIP的貢獻。

2.3.4 影響因素的季節性差異

陸源污染和網箱養殖等因素均對三沙灣氮磷營養鹽具有一定的影響，但影響程度在不同季節是有所差異的。

春季時，寧德市降水量是全年最大的[38]，導致隨入海河流、徑流進入海域的污染物量很大;春季是大黃魚等魚苗的投放季節[36]，魚苗期的餌料投放量較少，因此其產生的污染物入海量也較少，但也存在著一些往年養殖的成魚，投餌量較大;因此春季陸源污染是DIN 的主要來源，而DIP則受到陸源污染、網箱養殖的綜合影響。

夏季時，寧德市降水量減少[38]，三沙灣陸源污染輸入減少;夏季水溫全年最高，魚類的投餌量較少，因此因網箱養殖而進入海域的污染物也較少;但是較高的水溫，促使浮游植物、藻類等快速生長，消耗大量氮磷營養鹽，因而海灣的氮磷營養濃度整體降低了，因此，夏季時陸源污染仍然是DIN 的主要來源，DIP則受到陸源污染、網箱養殖、藻類等海洋生物對營養鹽吸收等綜合影響。

秋季時，寧德市降水量進一步減少[38]，三沙灣陸源污染輸入也進一步減少;此時由于水溫適宜魚類生長，網箱養殖投餌量增加，導致因網箱養殖投餌進入水體的氮磷也相應增加。因此，秋季時，DIN和DIP受到陸源污染、網箱養殖的綜合影響。

2.4 污染控制建議

基于三沙灣營養鹽濃度和富營養化程度較高的現狀及其影響因素的分析結果，為改善三沙灣海洋生態環境，促進水產養殖業等海洋產業與生態環境協調發展，本文提出如下幾點污染控制建議。

（1）做好陸源污染控制。陸源污染是三沙灣海域污染的重要來源，因此應做好周邊陸地區域的污染控制工作，如居民生活污水和工業污水的收集處理、城市和農業面源污染的控制等、畜禽養殖污染的控制、水土流失的治理等，切實減少污染物入河入海。在春、夏等雨水較多的季節更要做好陸源污染控制工作。

（2）控制海域網箱養殖規模、模式和餌料投放。三沙灣面積較大、受外海的影響小，是水產養殖的適宜區域，但是應控制其規模，可基于養殖容量分析，以對環境影響較小的原則，對三沙灣整體養殖布局進行規劃，整體減小其對海洋環境的影響。另外，可以將網箱養殖和藻類養殖進行搭配，利用藻類吸收部分網箱養殖產生的營養鹽，以減少營養鹽進入海洋環境。再者，還應改變投餌方式，改變以前的粗放式投餌方式，在科學研究魚類等攝食習慣的前提下，開發相關智能設備，進行精準投餌，做到既能滿足魚類的攝食需求，又能減少餌料投放。

（3）加強海洋環境監測、監督和管理。在現有業務化監測的基礎上，有針對性地增加一些環境監測點及在線監測設備，對重點污染來源做好監測監視，及時發現水質變化動態。對重點污染來源，如排污企業、網箱養殖大戶等，一方面做好環保方面的宣傳教育，提供必要的幫助;另一方面也要不定時抽查抽檢，做好監督和管理。

3 結論

本研究分析了2020年春、夏、秋3季三沙灣氮磷營養鹽的時空變化、富營養化程度及影響因素，主要得出以下結論：三沙灣海域春季、秋季的營養鹽的濃度較高，夏季濃度較低。各季節DIN 濃度均由內灣向灣口遞減;在秋季DIP濃度呈現由內灣向灣口遞減的趨勢，但在春季和夏季，其高濃度區域并非內灣，而是靠近三沙灣中部區域，說明三沙灣DIN 和DIP空間分布驅動機制或影響因素有所不同。春秋兩季，三沙灣的DIN 含量要高于大部分海灣，夏季則要低于大部分海灣，各季節的DIP的含量要高于其他大部分海灣。三沙灣海域富營養化水平為重度富營養狀態，其中秋季富營養化程度最高，春季次之，夏季富營養化水平最低。氮磷影響因素分析表明：春季和夏季，陸源污染是DIN 的主要來源，DIP則受到陸源污染、網箱養殖、藻類等海洋生物對營養鹽的吸收等綜合影響。秋季時，DIN和DIP受到陸源污染、網箱養殖的綜合影響。在污染控制方面，應統籌抓好陸源污染削減、網箱養殖污染控制以及海洋環境監測、監督和管理等方面的工作，以保護三沙灣海洋生態環境。

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