史華明,王 翔,馬 玉**,蔡鈺燦,許 欣

(1.國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心,廣東廣州 510300;2.自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510300)

自20世紀(jì)以來(lái),作為主要初級(jí)生產(chǎn)力區(qū)域的近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)逐漸受人類活動(dòng)的影響[1]。大量營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)地表徑流、大氣沉降、地下水等途徑進(jìn)入近海[2-4],導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化水平升高,營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡,赤潮和綠潮等生態(tài)災(zāi)害頻發(fā),對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)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(jìn)入21世紀(jì)后廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)成為我國(guó)西部大開發(fā)和面向東盟開放合作的重點(diǎn)區(qū)域,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速,人類活動(dòng)對(duì)近海生態(tài)環(huán)境的影響也越來(lái)越顯著,海洋生態(tài)文明建設(shè)亦成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[6,7]。因此,分析北部灣營(yíng)養(yǎng)水平的現(xiàn)狀及歷史演變,將有助于海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估體系的完善,促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及結(jié)構(gòu)變化可以反映海洋生態(tài)環(huán)境變化。近年來(lái),有關(guān)北部灣海域營(yíng)養(yǎng)鹽變化已有不少研究成果[8-14]。藍(lán)文陸等[9]認(rèn)為鐵山港附近海域營(yíng)養(yǎng)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(qū)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(rèn)為廣西主要入海河流營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加和不同水團(tuán)輸送的營(yíng)養(yǎng)元素是沿海赤潮多發(fā)區(qū)氮磷的主要來(lái)源。黃曉煦等[12]認(rèn)為潿洲島海域營(yíng)養(yǎng)鹽整體上表現(xiàn)為由西南向東北遞增的現(xiàn)象,年際海水富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)均值為0.090,屬貧營(yíng)養(yǎng)海水。邢素坤等[13]指出活性磷酸鹽對(duì)潿洲島海域浮游植物的繁殖生長(zhǎng)具有潛在的限制性作用,春夏季風(fēng)生流對(duì)各形態(tài)磷含量的補(bǔ)充緩解了海域的磷限制,可能誘發(fā)了近年來(lái)多次赤潮的發(fā)生。本研究根據(jù)2017-2018年秋、冬、春、夏4個(gè)連續(xù)季節(jié)的調(diào)查成果,探討北部灣東北部海灣營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布及其結(jié)構(gòu),旨在為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、合理開發(fā)利用該海域提供數(shù)據(jù)參考,為北部灣海洋生態(tài)文明建設(shè)服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域

調(diào)查區(qū)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(shè)14個(gè)調(diào)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和樣品采集。

圖1 北部灣東北部海域站位布設(shè)

1.2 樣品采集及分析

現(xiàn)場(chǎng)使用YSI EXO2多參數(shù)水質(zhì)儀測(cè)定溫度、鹽度和溶解氧(DO)。營(yíng)養(yǎng)鹽樣品的采集和處理過(guò)程均依照《海洋調(diào)查規(guī)范 第4部分:海水化學(xué)要素調(diào)查》(GB/T 12763.4-2007)方法進(jìn)行。采集各調(diào)查站位水面下0.5 m海水樣品,海水樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后帶回實(shí)驗(yàn)室-20 ℃下冷凍,測(cè)定營(yíng)養(yǎng)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(zhì)均依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程 第1部分:海水》 (HY/T 147.1-2013) 采用流動(dòng)分析法進(jìn)行測(cè)試,溶解無(wú)機(jī)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(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾后-20 ℃下避光冷凍,依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第7部分:近海污染生態(tài)調(diào)查和生物監(jiān)測(cè)》(GB 17378.7-2007) 采用分光光度法測(cè)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(shù)據(jù)處理

利用SPSS Statistics (V19) 軟件對(duì)4個(gè)季節(jié)的營(yíng)養(yǎng)鹽與其他環(huán)境參數(shù)做Pearson相關(guān)性分析,均值差異性分析采用配對(duì)數(shù)據(jù)t檢驗(yàn),P<0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)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(jié)(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(dá)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(huán)境因子的季節(jié)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(qū)位于鐵山港灣內(nèi),低溫區(qū)主要位于調(diào)查海域的東南側(cè),呈鐵山港向東南部海域逐漸降低的趨勢(shì)[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(xiàn)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(shì)[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(nèi),安鋪港附近鹽度亦較低,鐵山港灣附近海域北低南高,整個(gè)調(diào)查海域南部為東低西高的分布趨勢(shì)[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(xiàn)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(xiàn)象主要是由于安鋪港位于九洲江入?？诟浇?鐵山港內(nèi)也有公館河、白沙河、營(yíng)仔河和名教河等小徑流河流匯入,夏季地表徑流輸入導(dǎo)致夏季鹽度平均值明顯低于其他季節(jié),四季表層鹽度均表現(xiàn)為灣內(nèi)/口低、開闊海域高的分布趨勢(shì)。

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征及季節(jié)變化情況

調(diào)查海域營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征及季節(jié)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(qū)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(gè)調(diào)查海域南半側(cè)DIN等值線呈西北-東南走向,東高西低,最低濃度出現(xiàn)在調(diào)查海域西南側(cè)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(jié)變化趨勢(shì)為夏季>秋季>春季>冬季。

圖3 2017-2018年北部灣東北部海域營(yíng)養(yǎng)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(jié)變化趨勢(shì)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(xiàn)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(xiàn)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(gè)高值區(qū),最高值區(qū)位于安鋪港灣口,次高值區(qū)位于鐵山港灣內(nèi),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?yàn)惩夂湍喜亢Ｓ蚪档蚚圖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(xiàn)在調(diào)查海域北側(cè),最低濃度出現(xiàn)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(shì)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(jié)變化趨勢(shì)為秋季>春季>夏季>冬季。

綜合來(lái)看,調(diào)查區(qū)域四季營(yíng)養(yǎng)鹽的整體分布趨勢(shì)均為近岸高、遠(yuǎn)岸低,高值區(qū)主要集中于鐵山港灣、英羅港及安鋪港灣口,低值區(qū)主要位于調(diào)查海域的西南側(cè),不同季節(jié)略有差異。

2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化

調(diào)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(gè)季節(jié)仍處于同一個(gè)數(shù)量級(jí),但是由于SRP含量較低,部分站位SRP含量已接近檢出限,導(dǎo)致夏季的N/P值增大,平均值為175.3±94.5,遠(yuǎn)高于Redfield比值。因此,調(diào)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(gè)季節(jié)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(xiàn)明顯的波動(dòng),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(yíng)養(yǎng)鹽與其他環(huán)境因子的相關(guān)性

河口和近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽的分布受多種因素影響,陸地徑流輸入是其中一個(gè)重要因素[12,15,16]。調(diào)查區(qū)域位于北部灣近岸海域,四季DIN、DSi均與鹽度顯著負(fù)相關(guān)(表3-6);SRP在秋、冬、春季與鹽度具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,而夏季不存在明顯的相關(guān)性,且夏季調(diào)查期間SRP平均含量為四季中的最低值,接近檢出限,說(shuō)明SRP的消耗速度大于補(bǔ)充速度。同時(shí),結(jié)合營(yíng)養(yǎng)鹽與鹽度的空間分布結(jié)果,營(yíng)養(yǎng)鹽的高值區(qū)主要位于鹽度的低值區(qū),暗示陸源輸入是影響調(diào)查海域營(yíng)養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)鹽不僅受物理化學(xué)過(guò)程(如水團(tuán)輸運(yùn)、形態(tài)轉(zhuǎn)化、沉積等)的影響,而且與海洋中的各種生物過(guò)程密切相關(guān)[17,18]。春季是生物的生長(zhǎng)期,無(wú)機(jī)態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽開始被吸收,此季的葉綠素a與溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、DO有明顯的正相關(guān)性,說(shuō)明在適宜的溫度、光照等生長(zhǎng)條件下營(yíng)養(yǎng)鹽的存在有利于浮游植物的繁殖與生長(zhǎng),溶解氧隨著浮游植物的快速增長(zhǎng)而升高。

表3 秋季溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù) (n=14)

表4 冬季溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù) (n=14)

表5 春季溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)(n=14)

表6 夏季溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)(n=14)

3 討論

3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽限制因子

浮游植物在生長(zhǎng)時(shí)按照一定比例吸收營(yíng)養(yǎng)鹽,因此海水中適宜的營(yíng)養(yǎng)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(dǎo)致其生長(zhǎng)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(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽必須同時(shí)滿足絕對(duì)限制和相對(duì)限制條件[21],絕對(duì)限制法的閾值為Si=2 μmol/L,DIN=1 μmol/L,P=0.1 μmol/L[22];相對(duì)限制法判定規(guī)則如下:(1) Si/P和N/P同時(shí)>22時(shí),P為限制因子;(2) N/P<10、Si/N>1時(shí),N為限制因子;(3) Si/P<10和Si/N<1時(shí),Si為限制因子[23,24]。本研究夏季調(diào)查海域西南部區(qū)域站位SRP濃度低于0.10 μmol/L,已經(jīng)呈現(xiàn)SRP的絕對(duì)限制,而夏季N/P和Si/P均大于22 (表2),同時(shí)滿足了絕對(duì)限制和相對(duì)限制條件,因此調(diào)查海域西南部區(qū)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(tǒng)計(jì)結(jié)果長(zhǎng)期大于Redfield比值,最高達(dá)224,大部分區(qū)域處于P限制狀態(tài)?？傮w而言,調(diào)查海域N/P和Si/P失衡,使得海洋生態(tài)對(duì)SRP變化十分敏感,一旦SRP含量發(fā)生劇烈變化,將導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化,從而對(duì)調(diào)查海域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。

3.2 影響因素分析

冬、春季調(diào)查站位所有DIN和SRP均符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。秋、夏季調(diào)查海域各有2個(gè)和4個(gè)站位的DIN超出第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),SRP分別有8個(gè)和1個(gè)站位超出第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),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(zhì)標(biāo)準(zhǔn),而夏季鐵山港附近S7號(hào)站位的DIN達(dá)到第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明冬、春季調(diào)查海域的海水水質(zhì)較好,隨著陸地徑流的輸入,夏、秋季海水水質(zhì)有所惡化。

本次調(diào)查海域DIN季節(jié)平均濃度均低于欽州灣、珍珠灣和廉州灣3個(gè)海灣相應(yīng)季節(jié)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(guān)。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(duì)較小的港灣[30],相對(duì)較少的徑流量和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入[31]導(dǎo)致DIN營(yíng)養(yǎng)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(kuò)散與近岸海域的水文特征密切相關(guān):北部灣北部環(huán)流終年為氣旋式[32],由陸地徑流輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)在近岸海域自東向西輸運(yùn),也可能是鐵山港附近海域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較其他海灣低的原因。

表7 北部灣近岸海域營(yíng)養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)鹽濃度基本上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)(表7)。結(jié)合本次調(diào)查結(jié)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(shì)(表7),可能得益于近年開展的節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)活動(dòng),致使污染物排放減少,徑流輸入的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低。

4 結(jié)論

(1)調(diào)查海域四季營(yíng)養(yǎng)鹽呈現(xiàn)近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布趨勢(shì),高值區(qū)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(jié)變化趨勢(shì)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(diào)查期間N/P值均高于Redfield比值,尤其以夏季最高,平均值達(dá)到175.3±94.5。夏季調(diào)查海域西南部區(qū)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(zhǎng)可能受SRP限制。

(3)調(diào)查海域不同季節(jié)DIN、DSi均與鹽度顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明DIN、DSi主要受陸源輸入影響,而夏季SRP與鹽度無(wú)明顯的相關(guān)性,且含量最低,表明其可能受陸源輸入和生物活動(dòng)消耗的共同影響。本次調(diào)查DIN季節(jié)平均濃度均低于欽州灣、珍珠灣和廉州灣3個(gè)海灣相應(yīng)季節(jié)的DIN濃度,夏季SRP平均濃度低于上述3個(gè)海灣,DIN、SRP和DSi濃度自20世紀(jì)80年代以來(lái)呈先升高后回落的趨勢(shì)。