高　磊，曹　婧，張蒙蒙，劉云龍

（國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心　國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266033）

2014年膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征變化及富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

高磊，曹婧，張蒙蒙，劉云龍

（國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266033）

2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在膠州灣開展了6個(gè)航次的綜合調(diào)查，研究了營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征和結(jié)構(gòu)變化特征，并評(píng)價(jià)了海灣的富營養(yǎng)化狀況。營養(yǎng)鹽的濃度和結(jié)構(gòu)變化特征表明，NH4-N和NO3-N是膠州灣海域DIN的主要存在形態(tài)。營養(yǎng)鹽限制存在硅限制逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱紫拗频内厔?shì)。富營養(yǎng)化研究表明，膠州灣整體處于磷限制中度營養(yǎng)-磷限制潛在性營養(yǎng)狀態(tài)。

膠州灣；營養(yǎng)鹽；結(jié)構(gòu)特征；富營養(yǎng)化

膠州灣位于山東半島南部，為青島市半封閉海灣。灣內(nèi)岸線長163 km，總水域面積423 km2，平均水深6～7 m，最大水深64 m，匯入灣內(nèi)的河流有十幾條，其中徑流量最大的為大沽河和洋河。青島市區(qū)的李村河、海泊河等5條河流基本無自身徑流，河道上游常年干涸，部分河道中下游成為工業(yè)廢水和生活污水的排污河［1］。近年來，伴隨著膠州灣海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和沿岸污水排放的急劇增加，膠州灣海域營養(yǎng)鹽濃度不斷增加，2002年灣內(nèi)大部分水域已呈現(xiàn)中度營養(yǎng)和富營養(yǎng)化狀態(tài)，赤潮暴發(fā)頻繁，營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化［2］。

2008年奧運(yùn)會(huì)后，青島市人大通過了“環(huán)灣保護(hù)、擁灣發(fā)展”的戰(zhàn)略規(guī)劃。近年來，青島市不斷加強(qiáng)膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)，頒布了《青島市膠州灣保護(hù)控制線》，制定并出臺(tái)了《關(guān)于膠州灣岸線治理保護(hù)三年行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案（2013～2015）》、《2013～2015年環(huán)膠州灣流域污染綜合整治方案》和《青島市膠州灣保護(hù)條例》，強(qiáng)化環(huán)灣生態(tài)建設(shè)和保護(hù)，改善膠州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本文根據(jù)2014年對(duì)膠州灣海水的調(diào)查結(jié)果，分析營養(yǎng)鹽的時(shí)空分布以及富營養(yǎng)化狀況，為全面了解膠州灣的水質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，分析水質(zhì)環(huán)境變化提供資料，以期為膠州灣環(huán)境保護(hù)工作提供技術(shù)支持。

1　調(diào)查與方法

分別于2014年3月、5月、6月、7月、8月、10月在膠州灣開展了10個(gè)站位的綜合調(diào)查（圖1）。分析項(xiàng)目主要有溫度（T）、鹽度（S）、活性磷酸鹽（PO4-P）、銨鹽（NH4-N）、硝酸鹽（NO3-N）、硅酸鹽（SiO3-Si）亞硝酸鹽（NO2-N）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）和葉綠素a等，其中，無機(jī)氮（DIN）含量由NH4-N、NO3-N和NO2-N 3種組成。水溫和鹽度用海鳥CTD（SBE37 SM）在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其他項(xiàng)目采樣后立即運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，樣品采集及分析均按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB17378-2007）中的相關(guān)要求進(jìn)行。

圖1　調(diào)查海域和站位

2　結(jié)果與討論

海洋中營養(yǎng)鹽氮（N）、磷（P）、硅（Si）作為構(gòu)成海洋生命活動(dòng)的基本要素，是海洋生產(chǎn)力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)海洋生物的生長繁殖和群落變化有著重要影響，其中任何一種要素都可能成為浮游植物生長的限制性因素［3］。

2.1空間變化特征

本調(diào)查海域DIN含量較高，調(diào)查期間DIN變化范圍在（0.05～0.44）mg/L之間，海域平均值為0.31 mg/L；PO4-P變化范圍在 （0.001～0.046）mg/L之間，海域平均值為0.009 mg/L；SiO3-Si變化范圍在（0.07～1.18）mg/L之間，海域平均值為0.31 mg/L（表1）。

空間分布上，膠州灣北部營養(yǎng)鹽含量較高，灣中央和灣口海區(qū)含量較低（圖2～圖4）。營養(yǎng)鹽的高值區(qū)均出現(xiàn)在灣的東北側(cè)及西側(cè)，說明膠州灣的營養(yǎng)鹽分布受青島市區(qū)及黃島區(qū)的沿岸排污影響。除個(gè)別月份外，整個(gè)膠州灣營養(yǎng)鹽的平面分布呈現(xiàn)從灣底向?yàn)晨谙陆档目臻g變化。這與其它研究者的研究結(jié)論相同［4-5］。分析其原因，一是徑流輸入，沿海河流及排污口攜帶大量的營養(yǎng)鹽入海；二是沿海養(yǎng)殖區(qū)的餌料投放和生物排泄物所攜帶的營養(yǎng)鹽；三是灣底海水交換能力較弱，污染物擴(kuò)散能力較弱。膠州灣海域入海河流眾多，其中灣底受水質(zhì)污染嚴(yán)重的大沽河影響，河口海域海水總體營養(yǎng)水平較高［6］。膠州灣西部聚集大量的養(yǎng)殖區(qū)，導(dǎo)致海水中營養(yǎng)鹽濃度較高［7］。東北部海域主要是由于墨水河、白沙河、婁山河、李村河等造成的工農(nóng)業(yè)廢水及城市化生活污水排污［8-9］，近岸養(yǎng)殖［10］和水交換能力較弱［11］。

表1　2014年膠州灣6個(gè)月份的營養(yǎng)鹽變化

圖2　DIN的平面分布

圖3　PO4-P的平面分布

圖4　SiO3-Si的平面分布

2.2時(shí)間變化特征

膠州灣海域營養(yǎng)鹽具有明顯的季節(jié)變化特征，海水中氮、磷主要受海域周邊工業(yè)、生活污水的排放、農(nóng)業(yè)施肥的徑流攜帶、海水養(yǎng)殖自身產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)和浮游植物生長消耗的影響。

調(diào)查期間DIN季節(jié)變化較小，8月份含量較低，10月份含量較高。表明DIN的含量除了受沿岸徑流影響外，還與浮游植物數(shù)量有很大關(guān)聯(lián)，8月浮游生物大量繁殖，葉綠素a含量達(dá)到最高值（表1），這些生物消耗了部分無機(jī)氮等營養(yǎng)鹽，所以夏季無機(jī)氮含量較低，而后隨之降水、養(yǎng)殖、浮游動(dòng)物攝食、以及浮游植物死亡釋放等原因?qū)е孪哪┣锍鹾Ｋ疇I養(yǎng)鹽再度升高。

PO4-P則明顯出現(xiàn)6、7月份含量較高，8月份較低的特點(diǎn)。6、7月份PO4-P含量較高主要是由于3號(hào)、4號(hào)站PO4-P含量異常升高，原因可能是由于李村河、婁山河或沿岸河流排污口攜帶含磷量較高的污水排入灣內(nèi)，造成當(dāng)月灣內(nèi)表層海水磷酸鹽含量較高。

SiO3-Si主要受河流徑流輸入、浮游植物消耗和沉積物釋放的影響。調(diào)查期間SiO3-Si出現(xiàn)明顯的先降低后升高的變化趨勢(shì)，即6、8月份含量低，3、10月含量高的特點(diǎn)。6、7月隨著水溫升高、光照加強(qiáng)，浮游植物開始增長，葉綠素a濃度在8月份達(dá)到高峰［12］。膠州灣浮游植物生長期間受到營養(yǎng)鹽硅的限制［13］，6、7月份浮游植物大量生長期間SiO3-Si被消耗，該段時(shí)間SiO3-Si濃度處于低值。同時(shí)6月份后青島市進(jìn)入雨季，徑流的輸入促使海水中SiO3-Si濃度升高（圖5）。

3種營養(yǎng)鹽濃度時(shí)間變化的共同特點(diǎn)是，8月份含量較低，10月含量均明顯升高。夏季（8月）的低值現(xiàn)象在不同年份差異較大，2003年［14］、2010年［2，15］表現(xiàn)為低值，而2004-2008年期間［16］多為高值。2000年以前大部分的研究結(jié)果表明膠州灣在夏、秋季營養(yǎng)鹽含量較高，冬、春季濃度較低，主要是因?yàn)橄摹⑶锛緸橛昙竞宛B(yǎng)殖季節(jié)，大量外源性的營養(yǎng)鹽輸入膠州灣［16］。2014年無機(jī)氮平均濃度在8月最低在10月最高，活性磷酸鹽平均濃度在8月較低，在6月最高，硅酸鹽平均濃度在6月最低，3、10月較高。2014年的夏季營養(yǎng)鹽時(shí)間變化的可能與降水量異常有關(guān)。根據(jù)青島市水文局的信息，2014年降水較少，2014年平均降水量586.3 mm，比歷年年降水量偏少14.6%，入海徑流量的減少導(dǎo)致陸源入海的營養(yǎng)鹽通量降低。同時(shí)由于8月份為浮游植物大量繁殖，消耗掉較多的營養(yǎng)鹽，對(duì)比葉綠素a含量的季節(jié)分布（表1），進(jìn)一步證明浮游植物的影響。

圖5　2014年膠州灣營養(yǎng)鹽月平均變化（mg/L）

圖6　2014年膠州灣DIN中各組分占有比例的月平均變化

2.3DIN的結(jié)構(gòu)變化特征

海水中DIN包括NH4-N，NO2-N和NO3-N 3種形態(tài)，它們?cè)诤Ｑ笊镳D料循環(huán)中起著非常重要的作用，其中NH4-N被吸收后直接進(jìn)入浮游植物細(xì)胞內(nèi)的N代謝系統(tǒng)，NO3-N則在細(xì)胞內(nèi)先經(jīng)過硝酸還原酶還原為NH4-N再被利用，當(dāng)海水中高含量的NH4-N和NO3-N共同存在，浮游植物對(duì)NO3-N的攝取受NH4-N控制［17］。調(diào)查期間，NH4-N占DIN的比例為31.5%～49.3%，平均值為39.7%；NO3-N占DIN的比例為31.4%～61.2%，平均值為44.1%；NO2-N占DIN的比例為6.3%～25.6%，平均值為16.1%。由此可見，NH4-N和NO3-N是膠州灣海域DIN的主要存在形態(tài)（圖6），在氧充足情況下，當(dāng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，水體中的DIN應(yīng)以NO3-N為主要形態(tài)［18］，未達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，以NH4-N為主要存在形態(tài)，NO2-N屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，含量通常很低。NH4-N可通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3-N，而且這種硝化反應(yīng)隨溫度的增加而加強(qiáng)［19］，因此調(diào)查海域的NO3-N隨水溫升高所占比例逐漸增大，到10月份水溫降低而減小，3月份NO3-N比例較高的原因可能是由于當(dāng)月DO的含量較高，水體含氧較充足（表1）。

2.4Si：N：P及營養(yǎng)鹽限制

海水中適宜的Si：N：P比有利于浮游植物的生長和繁殖，反之，其中某種營養(yǎng)鹽的缺乏將限制生物的生長和繁殖［20］。Redfield等［21］針對(duì)硅藻的營養(yǎng)需求，提出化學(xué)計(jì)量的營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn)，JUSTIC等［22］在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)上，考慮了各種藻類對(duì)營養(yǎng)鹽吸收，提出的限制標(biāo)準(zhǔn)（表2），若Si：P＞22和N：P＞22，則PO4-P為限制因素；若N：P＜10和Si：N＞1，則DIN為限制因素；若Si：P＜10和Si：N＜1，則SiO3-Si為限制因素。

根據(jù)本文6個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果，除4號(hào)站6、7月外，膠州灣內(nèi)海域N：P基本高于22，各月均值變化范圍為81.0～298.6，其中8月份最高，10月份最低；除部分站位外，監(jiān)測(cè)區(qū)域Si：P基本高于22，各月均值變化范圍為21.9～123.6，其中8月份最高，6月份最低。N：P和Si：P時(shí)間上變化趨勢(shì)相似，3月份到6月份逐漸減小，6月份后升高，到8月份達(dá)到峰值，10月份又減小。除部分站位外，監(jiān)測(cè)區(qū)域Si：N基本小于1，各月均值變化范圍為0.24～0.75，其中6月份最低，3月份最高。時(shí)間上呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，6月為波谷（圖7）。

圖7　2014年膠州灣營養(yǎng)鹽比值月平均變化

調(diào)查結(jié)果顯示（表2），膠州灣調(diào)查區(qū)域不存在DIN限制，而P與Si均存在相對(duì)于DIN的限制，P限制更加顯著，除6月和7月有部分站位Si：P＜10外，其他月份均為P限制，表明P為膠州灣的主要限制因子，其次為Si。楊東方等［13］根據(jù)1991-1994年調(diào)查結(jié)果指出，膠州灣海域整體為硅限制，姚云等［14］2003年5月至2004年3月調(diào)查期間，硅為限制因子的可能性占全部調(diào)查次數(shù)的1/2，但姚云等同時(shí)指出，調(diào)查水域磷限制的可能性雖有增加，但依然很小，硅為限制因子的可能性減少了，N仍然不可能限制浮游植物的生長。董兆選等［23］根據(jù)2009年調(diào)查結(jié)果指出，膠州灣整體處于磷限制。結(jié)合歷史文獻(xiàn)膠州灣營養(yǎng)鹽限制變化趨勢(shì)及本次研究結(jié)論，說明近年膠州灣水域磷限制的可能性增大，但確切的結(jié)論仍需進(jìn)一步的調(diào)查研究確定。

表2　2014年膠州灣各站位營養(yǎng)鹽限制因子概率

表3　營養(yǎng)級(jí)的劃分原則

3　富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2014年調(diào)查結(jié)果分析顯示，膠州灣水域氮磷比較高，存在營養(yǎng)鹽限制特征，因而其富營養(yǎng)化得不到實(shí)質(zhì)性意義，郭衛(wèi)東等［24］提出了潛在性富營養(yǎng)化的概念和營養(yǎng)級(jí)分級(jí)模式（表3），并指出1993年膠州灣屬于貧營養(yǎng)。

表4　2014膠州灣各月份富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

本次評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，膠州灣整體處于磷限制中度營養(yǎng)-磷限制潛在性營養(yǎng)狀態(tài)，從表4～表5可以看出，PO4-P濃度均低于0.03 mg/L，N/P均大于60，限制的主要因子為DIN濃度，DIN濃度較低的月份，富營養(yǎng)化水平較低。

從空間上看，1、6、7、10號(hào)站位營養(yǎng)級(jí)為ⅣP，其他站位為ⅥP，說明灣中心及灣口富營養(yǎng)化水平較低，灣底受近岸徑流及養(yǎng)殖區(qū)的影響，潛在性富營養(yǎng)化等級(jí)較高。

表5　2014膠州灣各站位富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

4　結(jié)論

（1）膠州灣海域營養(yǎng)鹽分布呈現(xiàn)明顯的從灣底向?yàn)晨谙陆档目臻g變化，營養(yǎng)鹽分布受青島市區(qū)及黃島區(qū)的沿岸海排污影響較大。

（2）3種營養(yǎng)鹽共同的特點(diǎn)是，8月份含量較低，10月含量均明顯升高，浮游植物生長對(duì)營養(yǎng)鹽時(shí)間變化影響顯著。

（3）膠州灣調(diào)查區(qū)域不存在氮限制，磷限制的可能性增大，硅為限制因子的可能性減少。

（4）膠州灣整體處于磷限制中度營養(yǎng)-磷限制潛在性營養(yǎng)狀態(tài)，一旦水體得到適當(dāng)?shù)牧椎难a(bǔ)充，在適宜的物理因素下，過剩的氮將會(huì)使海區(qū)的富營養(yǎng)化水平提高，將會(huì)有爆發(fā)赤潮的危險(xiǎn)。

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Assessment on the Change of Nutrient Structure and Eutrophication in the Jiaozhou Bay in 2014

GAO Lei，CAO Jing，ZHANG Meng-meng，LIU Yun-long
North China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Key Laboratory of Marine Oil Spill Identification and Damage Assessment Technology，SOA，Qingdao 266033，Shandong Province，China

The temporal and spatial variation characteristics and structural changes of nutrients are studied through 6 voyages of comprehensive survey in March，May，June，July，August and October in 2014 in the Jiaozhou Bay.The eutrophication status of the Jiaozhou Bay is also assessed.The concentration and structural change of nutrients indicate that NH4-N and NO3-N are the main form of inorganic nitrogen in the Jiaozhou Bay，and PO4-P and SiO3-Si are both absolute and relative limitations，with PO4-P limitation being more serious.There is a trend of silicon limitation to phosphorus limitation.The results of eutrophication assessment show that the whole Bay is in middle-phosphorus-limiting to phosphorus-limiting potential eutrophication.

JiaoZhou Bay；nutrient；structural characteristics；eutrophication

P734.2

A

1003-2029（2016）04-0066-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.013

2016-02-10

2015年度北海分局海洋科技項(xiàng)目資助（2015B03）；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年度開放基金資助項(xiàng)目（201501）

高磊（1983-），男，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究。E-mail：gaolei@bhfj.gov.cn