欽州灣夏季營養鹽的分布特征及富營養化評價

楊斌 ，方懷義 ，鐘秋平 ，張晨曉 ，李尚平

（1．欽州學院 北部灣海洋保護與開發利用廣西高校重點建設實驗室，廣西 欽州 535000；2.欽州學院 海洋學院，廣西 欽州 535000；3.中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

欽州灣位于北部灣西北部海域，東鄰欽州市欽南區，西鄰企沙半島，北與欽州市接壤，南臨北部灣，灣內岸線蜿蜒曲折，是一個典型的溺谷型半封閉式海灣（何本茂等，2004）。由于該灣有茅嶺江和欽江等陸地徑流輸入，營養物質豐富，水質肥沃，是海洋生物繁殖生長的理想場所（韋蔓新等，2001）。近年來，隨著欽州作為北部灣經濟區核心臨海工業區的迅速發展，由于大量工業廢水和富含營養物質的生活污水的排放以及海灣近岸大面積的養殖業所產生的自身污染導致欽州灣的水質污染顯著增加，水體富營養化呈明顯上升趨勢，給該灣的生態環境造成不同程度的影響和危害（韋蔓新等，2002，2003）。營養鹽是海水中重要的生源要素，其水平和狀態的改變將在一定程度上改變著水體的理化性質，對了解海區的生態環境狀況具有重要意義（龍愛民等，2006）。

雖然已有對欽州灣海域營養鹽的相關報道，但大都是針對欽州灣部分海域（韋蔓新等，2001b，2002，2003），而近年來對欽州灣整個海域營養鹽分布與富營養評價尚缺乏全面報道。韋蔓新等（2001c）對欽州灣內灣（茅尾海）研究表明，陸源徑流是影響無機氮、無機磷分布的主要因素。根據1998年10月和1999年5月的調查資料，報道了欽州內灣貝類養殖海區NO3-N是本水域無機氮的主要存在形式（韋蔓新等，2001a）。根據1983、1990年和1998-1999年平水期（春、秋季）的調查資料顯示本灣近20年來無機氮呈明顯遞增趨勢，無機磷則與此相反，而活性硅的最低值則出現在浮游植物量最高的1990年度，水體已由明顯貧營養狀態上升為中營養和富營養狀態（韋蔓新等，2002）。本文與1999年7月豐水期欽州灣營養鹽含量和營養狀態調查結果（韋蔓新等，2003）對比顯示，近10年來無機氮呈明顯遞增趨勢，無機磷呈下降趨勢，活性硅雖有所下降但仍呈富足狀態，整個欽州灣水域營養水平已上升為明顯富營養型。

本研究基于2009年8月對欽州灣進行大面調查，從生態環境方面探討整個欽州灣海域營養鹽的分布、水體有機污染狀況和富營養化程度，研究發現近期欽州灣海域夏季無機氮含量明顯高于前人的研究結果，各營養鹽含量呈灣內高、灣外低的分布特征，整個海灣富營養化程度加劇，這為廣西海洋生態環境保護、生態系統修復和漁業增養殖提供科學依據。

1 材料與方法

2009年8月18日-19日對欽州灣海域進行現場調查，根據欽州灣的自然環境特點，共布設15個站位，調查站位見圖1。調查項目包括五項營養鹽及環境因子（水溫、鹽度、pH值、溶解氧、化學需氧量、葉綠素a）。通過Niskin采水器進行采樣，水樣先用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后，加入2～3滴CHCl3固定并冷藏保存作營養鹽分析，均用UNICO2000分光光度計按照《海洋調查規范》（GB/T 12763.4-2007）要求測定溶解無機態營養鹽——亞硝酸鹽（NO2-N）、硝酸鹽（NO3-N）、銨鹽（NH3-N）、磷酸鹽（PO4-P）及硅酸鹽（SiO3-Si）（國家海洋局，2007），每項指標均進行雙樣分析取平均值，方法的相對標準偏差為1.86%～2.97%。化學需氧量（COD）水樣采集后加入2～3滴濃H2SO4進行固定并冷藏保存，通過堿性高錳酸鉀法進行分析。葉綠素a（Chl-a）水樣采集后經0.45μm（Whatman，GF/F）濾膜過濾后，用鋁箔包裹冷凍保存，待返回實驗室后將濾膜取出以90%（V/V）丙酮水溶液在暗處萃取24 h，利用F-4500熒光儀測定，檢出限為0.01μg/L。

圖1 欽州灣調查海區采樣站位圖

2 結果與討論

2.1 營養鹽分布特征

本航次欽州灣各站位表層水體的營養鹽、溫度、鹽度、pH值、DO、COD和Chl-a的實測結果見表1所示。

2.1.1 無機氮

溶解無機氮 （DIN）為 NO2-N、NO3-N和NH3-N之和，它作為海洋生物的主要生源要素之一，其含量的高低對海區初級生產力的影響極大（韋蔓新 等，2001c）。本調查海域DIN含量較高，變化范圍在0.18～1.75 mg/L之間，平均值為0.59mg/L。其中，NO2-N含量在0.02～0.14mg/L范圍內，平均值為0.05mg/L；NO3-N和NH3-N含量范圍分別為 0.12～1.21mg/L和0.02～0.40mg/L，平均值分別為0.46mg/L和0.09mg/L（表1）。本次調查結果DIN平均值均高于以前的調查結果，這主要是近些年沿岸流域在化肥使用方面是以氮肥為主，過量的氮肥大量流失進入海灣（韋蔓新等，2002）；另一方面，隨著該灣貝類養殖業的迅速發展給海灣帶入了大量無機氮（韋蔓新等，2001 c）。在無機氮營養鹽的各形態中，以NO2-N含量最低，NH3-N含量次之，NO3-N含量最高。3種形態的無機氮最高值均出現在近岸QZW 04站位，為整個海域平均含量的3～4倍。結合COD和Chl-a分析，QZW04站的COD和Chl-a含量分別為2.98mg/L和15.37μg/L（表1），都是本海域它們均值的2倍。近岸區氮來源多受到地表水、地下水及大氣干濕沉降氮輸入的影響（Bianchi，2007）。QZW04站位介于度假旅游區和貝類養殖區之間，該站位出現異高值主要受近岸人類活動干擾頻繁，旅游建設項目開發及周圍城鎮發展工業廢水和生活污水排放、船只等燃燒化石燃料，都會通過地表水、地下水和大氣干濕沉降等方式致使該區氮含量增高，且貝類養殖區水體富營養化日益嚴重（韋蔓新等，2001c），夏季溫度高，有機物分解作用強也會使該區域DIN濃度升高。

表1 欽州灣表層海水營養鹽、溫度、鹽度、pH值、溶解氧、化學需氧量、葉綠素a

在空間分布上，欽州灣夏季海域DIN與NO2-N，NO3-N和NH3-N含量具有共同的分布特征，呈現出灣內高，并向灣外逐漸遞減的變化趨勢。夏種季節沿岸流域在化肥使用方面是以氮肥為主，過量的氮肥隨著農田排灌或雨水沖刷而大量流失進入灣內（韋蔓新等，2002），且該內灣是以大蠔、文蛤等貝類養殖為主，而NH3-N又是貝類等養殖生物的主要排泄物（韋蔓新等，2001 a），經過細菌或酶的作用進行硝化或反硝化而相互轉化，所以其含量分布趨勢體現出陸地徑流和水體運動的影響，且與海洋生物的再生與轉化過程密切相關。調查時間正處于豐水期，充沛的雨水將沿岸流域農耕施用過量的氮肥沖刷入江河中（韋蔓新等，2003），欽州市工業廢水和居民生活排污的大量含氮有機物進入水體后經細菌或微生物自凈過程轉化成大量無機氮（何本茂等，2004），來源于江河中的N和陸源排污的N使得整個內灣出現低鹽高N，外灣出現明顯的高鹽低N特征分布。顯然，各形態無機氮營養鹽的分布主要是受茅嶺江和欽江徑流輸送、暴雨后的陸源輸入以及潮汐綜合作用的影響。DIN與NO3-N呈現的分布變化特征相一致，這主要是由于NO3-N含量占據DIN的主導地位，是其主要形式，所以NO3-N的變化狀況從某種意義上可反映出DIN的變化（葉仙森等，2000）。海水中的NO2-N是NH3-N氧化為NO3-N的中間產物，在NH3-N含量較高的海域，其含量的高低取決于NH3-N的氧化作用和NO2-N本身的氧化作用的比例（張正斌，2004），而本海灣NO2-N含量高的分布海域，NH3-N的含量也高，這說明NH3-N的氧化作用對該水域NO2-N含量具有重要影響。

2.1.2 無機磷和活性硅

從表1可以看出，無機磷（PO4-P）含量較低，變化范圍在0.001～0.041mg/L之間，平均值為0.007mg/L，相對于以前豐水期的平均含量有所下降，一方面是可能由農業生產方式的轉變，以氮肥施用為主替代了先前的農家肥，另一方面則可能與浮游植物的豐度有關（韋蔓新等，2002）。PO4-P最高值出現在茅嶺江口的QZW 02站，呈茅嶺江口向東南明顯遞減趨勢，灣外近岸區域PO4-P含量最低。QZW 02站位于欽州灣西航道附近，外灣余流是水體東進而西出的氣旋式環流，水質較清潔的外海水東進將灣內中東部養殖殘餌溶出的PO4-P帶入西航道致使無機磷含量增高（邱紹芳 等，2003），且豐水期充沛的雨水會將流域沿岸農作物來不及吸收或者施用過量的磷肥沖刷入茅嶺江而攜帶入海（韋蔓新 等，2003），進入西航道致使PO4-P含量增加，這體現了欽州灣潮流和茅嶺江徑流的綜合作用。表1中活性硅（SiO3-S）i含量變化為0.03～3.90mg/L，平均1.54mg/L，相對于以前豐水期的含量也略有下降，這可能與浮游植物相對豐富有關，生物活動對Si具有重要影響作用（韋蔓新等，2002）。SiO3-Si最高值出現在茅嶺江口的QZW01站，次高值也出現在江口的QZW02站，由此沿東南向灣外呈明顯的梯度遞減趨勢。硅是保守性營養元素，受人為活動影響較小，水體中SiO3-Si主要來自地表巖石風化和土壤中硅酸鹽的風化和侵蝕，而風化強度與江河水流量、溫度及物理風化作用等密切相關（Cai et al，2004；Gaillardetetal，1999）。由于豐水期為一年間雨量最集中的季節，該灣沿岸流域又屬山嶺密集區，在溫度高、降雨量大，水穩定性差以及河流的物理侵蝕作用強，將沿岸山嶺風化分解的SiO3-Si沖刷進入水體攜帶入海（韋蔓新等，2003），進而在茅嶺江口出現最高值。說明本季度月SiO3-Si的含量分布受茅嶺江徑流影響為主，受近岸陸源人為影響較小。

2.2 營養鹽與環境因子的關系

海洋環境是由物理、化學、生物和地質四大要素組成的綜合體，而海洋環境要素的原有特征常隨著環境條件的改變而不斷改變，它們之間存在著密切的關系（韋蔓新等，2003）。欽州灣作為一個發展中的多功能海灣，環境要素之間的相互關系顯得更為復雜多變。營養鹽與各環境因子的相關系數見表2所示。

表2 營養鹽含量與環境因子之間的相關系數

對于表征陸源影響程度的鹽度來說，其對營養鹽含量N、P和Si的影響均起著主導控制作用（NH3-N除外），N、P和Si與鹽度均呈顯著或高度顯著的負相關關系，只對NH3-N的影響相對較差，相關性不顯著（表2），說明欽江、茅嶺江水的輸入對N、P和Si產生重大影響。pH與營養鹽的相關性，只有PO4-P（R=-0.573，N=15，P=0.026）和 SiO3-Si（R=-0.595， N=15， P=0.019）顯示出良好的負相關趨勢，在趨勢上很可能與生物活動有關（韋蔓新等，2003）。溶解氧與營養鹽無顯著相關性說明夏季陸源水的輸入在給本灣帶入大量營養鹽的同時，氧含量并未得到相應提高。營養鹽與COD有著良好相關性，尤以N、Si與COD的關系最為密切（表2）。顯然，陸源有機物的輸入對N、Si營養鹽具有重要的增補作用（韋蔓新等，2003）。浮游植物與N營養鹽之間關系表現較為密切，Chl-a與NO2-N（R=0.518，N=15，P=0.048），NO3-N （R=0.566，N=15，P=0.028）和 NH3-N （R=0.587，N=15，P=0.021）良好的正相關說明夏季欽州灣海域無機氮含量的增加對浮游植物的生長繁殖起到了重要的促進作用。很明顯，對欽州灣水域營養鹽起控制作用的主要因素是陸源水的物理混合過程，生物作用只占次要地位，這與韋蔓新等（2002）研究結果相一致。

表3 各營養鹽含量間的相關系數

2.3 營養要素間的相互關系

各營養鹽含量之間的相關分析結果見表3所示，該灣水體NO2-N、NO3-N、NH3-N、PO4-P和SiO3-Si含量之間具有非常密切的關系。

海水中的NO2-N、NO3-N和NH3-N這3種形態氮在海洋生物循環中起著非常重要的作用，該水域的無機氮是由有機氮經氧化分解，并主要以NO3-N的形式存在（韋蔓新等，2001 a）。相關分析顯示，NO2-N、NO3-N和NH3-N均呈高度顯著的正相關關系，這說明該水域無機氮的相互轉化是通過氨的氧化分解作用來完成。SiO3-Si與NO2-N和NO3-N均呈高度顯著的正相關，與PO4-P呈顯著的正相關，這間接說明了豐水期陸源徑流向海灣輸送大量SiO3-Si營養鹽的同時也輸入了較多的NO3-N和NO2-N，其次為PO4-P。各營養鹽之間相關性結果的差異可能主要是由于夏季雨水充沛，強勁的徑流將陸源大量營養物質攜帶入海的同時，也使灣內水體混合加劇，水體渾濁使浮游植物的生長受到限制，補充速率大于消耗速率，且水體微生物的氧化作用強烈，各營養要素的陸源供應來源不一致，量值差異也較大（賴廷和等，2002）。

2.4 水體有機污染狀況及營養水平分析

目前普遍認為，近岸海域氮、磷營養鹽和耗氧有機物的大量輸入是水體富營養化的先決條件，而水體富營養化則是導致赤潮發生的物質基礎（丘耀文，2001）。為對欽州灣夏季水質污染程度有個總的了解，根據污染評價公式（孫耀等，1993）

式中A為污染指標數，分子項為實測平均值，分母項為相應固定的一類海水水質評價標準（2.0，0.20，0.015和 6.0 mg/L）（國家海洋局，1997）。本調查海域各站位的污染指標數A見表4所示，該海區污染指標數值范圍在0.38～9.52，平均值為3.31。

表4 水化學要素含量，污染指標數A和營養狀態質量指數NQI

對照有機污染評價分級表（孫耀等，1993）的污染程度來看，對于整個欽州灣而言，夏季污染程度已達到4級，屬于中度污染。但從不同區域看來，內灣養殖區出現嚴重污染狀態，而灣外開始受到污染，部分站點處于輕度污染狀態。顯然，灣內污染主要來自陸源污染物的大量輸入和養殖區餌料污染，而灣外則是水體自身有機污染影響的結果。本次調查以無機氮為主要污染因子，出現區域遍及整個欽江、茅嶺江和大風江口近岸海域，體現出外來入海江水影響的主導作用，這與韋蔓新等（2003）對廣西近海北海灣春季出現中度污染狀態主要是由無機氮污染因子引起相一致。

為客觀反映欽州灣海域海洋環境的營養狀況，根據富營養水平評價公式（劉彬昌，1993）

式中NQI為營養狀態質量指數；各分子項為化學需氧量、無機氮、無機磷和葉綠素a的測定值，各分母項為相應成分的評價標準。根據鄒景忠等（1983）在評價渤海灣富營養狀態時擬定的COD為1～3mg/L，DIN 為 0.2～0.3mg/L，DIP 為 0.045mg/L，Chl-a為1～10mg/L為富營養化的閾值，并選作富營養指標，參考韋蔓新等（2001）對欽州灣內灣擬定的評價指標，結合本海灣無機氮含量較高，Chl-a含量較低的實際情況，擬定COD值2mg/L，DIN值 0.3 mg/L，DIP值 0.045 mg/L，Chl-a值 1 mg/L作為欽州灣富營養化單項指標的閾值。

根據計算結果NQI值的大小，把水域營養狀態水平分為三級（劉彬昌，1993），本海域營養質量狀態指數值范圍在1.30～7.47之間（表4），平均值為3.09。就整個調查海域而言，夏季水域已處于富營養水平狀態。但在區域分布上，其營養水平差異較大。欽州灣內灣養殖海區6個測站點的的營養狀態質量指數均大于3，呈富營養狀態，而灣外除靠近欽州港和大風江口部分站點呈中等營養水平外，其他測站點均呈貧營養狀態。沿岸污水和農業用肥料流失通過茅嶺江和欽江徑流帶入大量的營養物質進入海灣，是造成內灣富營養化的主要原因，養殖餌料溶入的營養鹽和水體有機物質的分解也是影響內灣富營養化的重要原因。

3 結論

通過2009年夏季對欽州灣海域的營養鹽和溫鹽、pH值、DO、COD和Chl-a等相關環境因子的調查發現，各營養鹽含量主要受陸地徑流輸入的影響，呈現出內灣高，外灣低的分布特征。鹽度與NO2-N，NO3-N和SiO3-Si均表現為顯著的負相關性，說明夏季N、P、Si營養鹽的補充均以陸源輸入供應為主，對整個海灣的營養水平起到了主導控制作用。COD與NO2-N，NO3-N和SiO3-Si均表現出顯著的正相關性，體現出水體中有機物分解對N和Si的補充起到重要作用。營養要素間的相關性表明，該水域無機氮的相互轉化是通過氨的氧化分解作用來完成，豐水期陸源徑流向海灣輸送大量SiO3-Si營養鹽的同時也輸入了較多的NO3-N和NO2-N，其次為PO4-P。從污染狀況及營養水平分析，夏季整個欽州灣處于中度污染程度和富營養狀態。

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