廣西北海半島夏季營養鹽及水質狀況分析

徐軼肖 ， 陶曉娉 劉成輝， 韋光領 何喜林 姚秋翠 陳武榮 李 斌

(1. 南寧師范大學 北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室， 廣西 南寧 530001； 2. 廣西大學 廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 3. 廣西科學院 廣西紅樹林研究中心， 廣西 北海 536000)

北部灣是一個天然的半封閉淺海灣， 地處南海大陸架西北部， 夏季高溫， 降水豐沛， 有多條河流匯入，是典型的海陸交界區。北海半島是北部灣近岸海域的重要組成部分， 鐵山港位于北海半島東側， 擁有北部灣典型紅樹林和海草床生態系統， 以蝦增養殖、珍珠貝為主的水產養殖業發達[1]。潿洲島位于北海半島南邊海域，是北部灣最大的島嶼， 由火山噴發堆積而成， 擁有熱帶北緣典型珊瑚礁生境， 水產資源豐富。自2008年《廣西北部灣經濟區發展規劃》獲批以來， 北部灣發展迅速，工農業與生活排污導致海域營養鹽、重金屬及其他污染物明顯增加， 生態失衡與環境污染日趨嚴重[2-4]。

營養鹽是海洋生態系統物質循環與能量流動的物質基礎。諸多研究表明， 水體營養鹽過量(富營養化)是藻華暴發的一個重要誘因[5-6]， 富營養化過程不僅影響藻華規模， 也會造成藻華原因種和優勢類群的變化[7]。北部灣近年球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)與夜光藻(Noctiluca scintillans)藻華頻發，與過去30年營養鹽含量增加和水質變化存在密切相關[8-9]。 1980—2010年， 北部灣無機氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨鹽均值分別增長了17.9、12.7、33.5和1.5倍， 而1990—2010年， 活性磷酸鹽均值增加了近2倍， 化學需氧量(chemical oxygen demand， COD)最大值則由20世紀80年代的2.7 mg/L升至2010年的7.5 mg/L， 夏季北部灣劣質水面積亦呈明顯上升趨勢[8]。因此全面認識北部灣水體污染及富營養化狀況，是該海域海洋環境保護和海岸帶綜合管理的基礎。目前學者們對該海域海水和沉積物已開展了一些營養鹽和水質研究[2，10-12]， 但針對北海半島的相關研究仍較少。因此， 本文于2020年8月對鐵山港、潿洲島、營盤海域等共21個站位的廣西北海半島表層海水進行營養鹽與水質調查， 評價水體富營養化和水質狀況， 旨在明確該海域夏季表層營養鹽濃度與結構特征， 探討浮游植物生物量的影響因素， 為北部灣海洋生態保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

2020年8月23～28日在北海半島周圍海域設站位21個(圖1)， 采集表層水樣， 調查水溫、鹽度、pH、硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、氨鹽(NH4-N)、活性磷酸鹽(PO4-P)、硅酸鹽(SiO3-Si)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)和葉綠素a(Chl-a)。具體樣品采集、保存、分析參照《海洋調查規范》[13]與《海洋監測規范》[14]， 分析方法分別為： 水溫計法、鹽度計法、pH計法、鎘柱還原法、萘乙二胺分光光度法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍分光光度法、硅鑰藍比色法、碘量法、堿性高錳酸鉀法和分光光度法。

圖1 調查站位Fig 1 Survey station

1.2 數據處理與分析

1.2.1 數據處理

結果用Excel進行初步整理分析； 以《海水水質標準》[15]判定海水類別； 應用軟件Arcmap10.2符號系統中的自然間斷點分級法對營養鹽數據分級成圖，以明確各營養鹽的空間分布特征； 使用SPSS20軟件對數據進行描述統計， 檢驗其是否符合正態分布， 并對葉綠素a和環境因子進行Spearman相關性分析。

1.2.2 富營養化指數法

運用《近岸海域環境監測規范》[16]中富營養化指數法對海水富營養化程度進行評價， 公式為：

式中，E為富營養化指數； 無機氮(DIN) = NO3– N +NO2– N + NH4– N； 單位均為mg/L。當E≥1時為富營養化， 富營養化程度隨E的增大而增大， 具體見表1。

表1 水質富營養等級劃分標準Tab. 1 Classification standard of water eutrophication

1.2.3 有機污染指數法

使用有機污染指數法進行水質評價[17-18]， 公式為：

式中，A為有機污染指數； CODi、DINi、DIPi和DOi分別為COD、DIN、DIP和DO的實測值； CODo、DINo、DIPo和DOo分別為COD、DIN、DIP和DO的海水水質標準值， 即一類海水水質標準值2、0.2、0.015和6 mg/L， 具體分級見表2。

表2 水質有機物污染等級劃分標準Tab. 2 Classification standard of organic matter pollution in seawater

2 結果

2.1 營養鹽含量

2.1.1 無機氮

北海半島夏季表層水體NO3-N、NO2-N、NH4-N和DIN變化范圍分別為： 0.005～0.289、0.002～0.047、0.002～0.222和0.049 mg/L ～0.485 mg/L， 對應均值為0.121±0.089、0.011±0.012、0.078±0.073和0.210 mg/L±0.151 mg/L(n=21)。33.3%站位DIN含量值超過二類海水標準(0.30 mg/L)， 其中1～2、7和20號站位超過3類海水標準(0.40 mg/L)。位于潿洲島正西方的20號站位DIN最高(0.485 mg/L)(圖2)。鐵山港DIN由港內向港外明顯遞減， 營盤海域隨離岸距離增加先遞減再遞增， 潿洲島西側15號站位含量為該島最高(0.336 mg/L)(圖2)。

2.1.2 活性磷酸鹽

北海半島夏季表層水體PO4-P變化范圍(0.006～0.060)mg/L， 平均(0.021±0.013)mg/L(n=21)。66.7%站位PO4-P含量超過一類海水標準(0.015 mg/L)， 其中1～2、5、13和17號站位含量達到二、三類海水標準(0.030 mg/L)。鐵山港PO4-P含量最高值位于港內站位1(0.060 mg/L)， 5號站位亦較高(0.043 mg/L)(圖2)， 總體趨勢表現為由港內向港外遞減。營盤海域PO4-P高值位于10號站位， 呈由營盤向遠岸遞增趨勢。潿洲島附近海域PO4-P高值位于潿洲島北部13號站位(0.036 mg/L)和東部17號站位(0.030 mg/L)(圖2)。

2.1.3 硅酸鹽

北海半島夏季表層水體SiO3-Si變化范圍(0.114～1.054)mg/L， 平均(0.270±0.206)mg/L(n=21)。鐵山港SiO3-Si含量從港內向港外遞減， 站位1～3較本調查其他海域明顯高(圖2)。營盤海域由近岸向遠岸先遞減再遞增， 濃度高值位于站位7(0.308 mg/L)和站位11(0.300 mg/L)(圖2)。潿洲島SiO3-Si高值位于潿洲島東部17號站位(0.328 mg/L)和斜陽島18號站位(0.341 mg/L)， 離岸較遠的19～21號站位SiO3-Si隨離岸距離增加而增加(圖2)。

2.1.4 葉綠素a與環境因子相關性分析

北海半島夏季表層水體Chla變化范圍(2.00～6.51)μg/L， 平均(3.07±1.040)μg/L(n=21)。本調查環境因子中除NO3-N和COD符合正態分布， 其余數據均為非正態分布， 因此采用Spearman相關系數表征表層海水中葉綠素a與環境因子之間的相關性。結果發現Chla僅與COD顯著相關， 相關系數為0.475(表3)。

表3 葉綠素a與環境因子相關性分析Tab. 3 Correlation between nutrients and chlorophyll-a in the surface water of the Beihai Peninsula during summers

2.2 營養鹽結構

北海半島夏季表層水體各無機氮成分占DIN百分比為NO3-N(57.56%)＞NH4-N(37.15%)＞NO2-N(5.29%)。N/P、Si/N和Si/P變化范圍分別為1.8～32.9、0.3～4.7和3.0～34.3， 對應均值分別為11.8±8.6、1.7±1.2和14.6±7.2(n=21)。N/P最高值位于營盤站位7、最低值位于鐵山港站位5； Si/N最高值位于斜陽島站位18，最低值位于遠岸站位20； Si/P最高值在站位18， Si/P最低值在站位5。根據Justi?等[19]提出的計量限制性營養鹽標準： N/P＜10， Si/N＞1受N限制； N/P＞22，Si/P＞22受P限制； Si/P＜10， Si/N＜1受Si限制， 得出北海半島海域浮游植物生長營養鹽受限結果： 鐵山港1、4～6號站位， 營盤海域8～10號站位、潿洲島16～17號和斜陽島18號站位均受潛在N限制， 占所有站位的47.6%； 7號站位和遠岸21號站位受到潛在P限制， 占9.5%； 13和20站位受到潛在Si限制， 占

9.5%。

2.3 富營養化狀況

北海半島夏季表層水體富營養化指數E值變化范 圍(0.01～18.11)， 平 均1.82±4.10(n=21)， 最 高 值18.11在鐵山港1號站位， 達到嚴重富營養水平， 次高值6.17和5.56分別在鐵山港2、3號站位(圖2)， 為重富營養， 營盤7號站位達到中度富營養， 鐵山港外5號站位達到輕度富營養。其余76.2%站位未達到富營養化標準， 處于貧營養。富營養化水平在鐵山港由港內向港外(站位1～6)呈遞減趨勢(圖2)， 營盤海域近岸富營養化水平最高(站位7＞8～11)。

圖2 北海半島夏季表層水體無機氮濃度(a)、活性磷酸鹽濃度(b)、硅酸鹽濃度(c)、氮磷比值(d)、硅氮比值(e)、硅磷比值(f)、富營養化指數(g)及有機污染指數(h)分布Fig. 2 Distribution of inorganic nitrogen concentration (a)， reactive phosphate concentration(b)， silicate concentration (c)，N/P(d)， Si/N(e)， Si/P(f)， eutrophication index(g)， and organic pollution index(h) in the surface water of the Beihai Peninsula during summers

2.4 有機污染狀況

北海半島夏季表層水體有機污染指數A變化范圍(–0.43～6.87)， 平均1.85±1.68(n=21)。僅離岸較遠的19號站位水質良好， 另站位6、8～9、12、14、16和18水質較好外， 其余61.9%站位受到不同程度有機污染。鐵山港水質有機污染嚴重， 由港內至港外污染水平逐級降低(圖2)， 港內站位1和2屬于重度污染， 為本調查唯一的重度污染水域。中度污染發生則只在鐵山港站位3和遠岸站位20發現。

3 討論

3.1 營養鹽含量比較

本文鐵山港表層水體各營養鹽濃度由灣內向灣外遞減， 營盤海域DIN和SiO3-Si先遞減再遞增，PO4-P表現為遞增； 潿洲島海域、斜陽島海域與遠岸19～21號站位各項營養鹽分布無明顯變化趨勢。本文鐵山港DIN、PO4-P和SiO3-Si均值0.352、0.034和0.549 mg/L(站位1～4)， 相對鐵山港2003年～2010年均值0.102、0.005和0.823 mg/L[1]， DIN與PO4-P分別增加了2.5和5.8倍， SiO3-Si則減小至66.7%。氮、磷營養鹽遞增與鐵山港工業區及港灣建設污水輸入、水產養殖排污及有機降解補充相關， 而河流輸入是近海溶解硅的重要來源， 硅入海量不變或減少，浮游植物生長繁殖仍大量消耗SiO3-Si， 導致鐵山港海域SiO3-Si的遞減[1，20]。本文潿洲島表層海水DIN和PO4-P均值分別為0.161和0.018 mg/L(站位14～17)， 相對2011—2016年珊瑚礁海域均值(0.111和0.004 mg/L)[21-22]和2010—2013年藻華控制區均值(0.048和0.004 mg/L)[23]分別遞增近1.5和4.5倍， 及3.4和4.5倍， 分析受陸源輸入、海水交換作用及生物氧化分解等因素綜合影響[22]。

北部灣夏季DIN濃度均值在欽州灣和廉州灣相對較高， 而DIN、PO4-P在潿洲島明顯較低， 北海半島海域夏季DIN和SiO3-Si均值低于欽州灣、廉州灣和防城港[23-28]， 河流作為營養鹽重要來源， 研究區入海徑流流量小是造成營養鹽濃度差異的重要因素之一， 處于豐水期的夏季差異愈加突出[29-30]， Masotti等[31]對智利中部近岸海域河流流量控制營養鹽濃度及其季節變化研究發現類似結論。另外， 本次調查海域營養鹽濃度均值明顯低于中國其他典型入海口， 其中珠江口DIN、PO4-P和SiO3-Si濃度均值分別是本文的9.6、1.4和23.7倍， 長江口DIN是本文6.9倍， 黃河口萊州灣DIN和SiO3-Si則是本文的1.6和2倍[32-34]。河流輸入、沿岸建設與人類活動造就了這些典型入海口營養鹽的高負荷狀態， 經濟建設處于上升期的北部灣， 盡管水體營養鹽含量總體不高， 但處于明顯上升趨勢[8]， 為防止出現東部沿海高負荷營養鹽局面， 海水保質與海洋生態防護尤為重要。

3.2 營養鹽結構變化

營養鹽結構是影響海域浮游植物生長繁殖與群落組成的重要因素， 嚴重時影響海洋藻華的發生。2017年北部灣近岸大部分海域受潛在P限制， 僅鐵山港、欽州灣和珍珠灣部分海域受潛在N限制[35]， 與本文鐵山港4～6號站位潛在N限制特征相符， 但與本調查47.6%站位潛在N限制、僅9.5%站位潛在P限制不符， 分析與采樣季節和采樣地點差異相關。而在韋蔓新等[36]研究中， 鐵山港整體處于N缺乏狀態，說明隨著時間推移鐵山港海域N輸入增加， 浮游植物生長受潛在N限制可能性減小。本調查發現營盤臨近陸地的7號站位受潛在P限制， 其他離岸站位受潛在N限制或不受限， 分析與該海域工業生產輸入大量DIN[3]， 浮游植物生長利用P并導致P的相對不足相關。前人研究中潿洲島絕大部分海域受潛在P限制[22，37]， 與本研究16、17號站位受潛在N限制、其余站位不受營養鹽限制不同。結合近年潿洲島海域DIN濃度整體呈年際下降， PO4-P濃度基本保持不變[22]， SiO3-Si濃度明顯下降的結論[37]， 認為N、Si的消耗與P的相對穩定造成了潿洲島海域限制性因素由P向N的轉化。2011年以前， 潿洲島是北部灣藻華的“熱點”海域。2001—2010年， 北部灣70%藻華發生在潿洲島海域， 2011年之后藻華在北部灣更多海域出現[8]。該海域營養鹽濃度下降， 營養鹽結構發生顯著變化， 可能是潿洲島海域藻華發生率在2010年后顯著降低的原因之一。

2014年以來， 球形棕囊藻赤潮在北部灣經常暴發， 每年春節左右至清明前后， 廣西近岸海水中的球形棕囊藻都會階段性暴發增殖[38]， 嚴重時堵塞防城港核電站冷卻水系統， 造成機組跳機、跳堆， 嚴重威脅核電冷源安全[39]。而2021年2月， 一場6 400 km2特大規模的夜光藻赤潮席卷北部灣海域[40]， 北部灣正經歷藻華種群演變， 未來充滿不確定性。據研究， 球形棕囊藻生長和藻華維持需要大量的N營養鹽支持[41-42]， 而夜光藻大量繁殖并不依賴高營養鹽環境[43]， 在膠州灣甚至發現夜光藻豐度與硝氮、亞硝氮之間呈顯著負相關[44]。本調查發生在2020年夏季， 結果顯示多數海域為潛在N限制， 與他人之前研究結論北部灣多數海域為潛在P限制不一致[35，45]， 某種程度上解釋了由球形棕囊藻向夜光藻藻華的演變。

3.3 富營養化與葉綠素a含量

水體富營養化是引發藻華的物質基礎， 《2015中國近岸海域環境質量公報》顯示2015年北部灣水體整體處于貧營養水平， 2016年后包括鐵山港在內的各海灣內灣及入海口富營養化明顯[3]。本調查發現鐵山港表層水體富營養化嚴重， 營盤臨近陸地的7號站位亦達到中度富營養， 北海半島其余海域均處于貧營養狀態。鐵山港和北海近岸是北部灣水產養殖重要海域， 養殖區排污對營養鹽的補充作用不可小覷[1]。此外， 北部灣北部海水夏季呈氣旋式環流， 受入海徑流、瓊州海峽水體輸送和西南季風共同作用，營養鹽含量與分布隨海流而變化[30，46]。潿洲島海域、斜陽島和遠岸19～21號站點離岸較遠， 受海流作用更為強烈， 可能是造成它們表層海水營養鹽分布無明顯特征與富營養化水平低的原因。

葉綠素a是浮游植物光合作用的主要色素， 其質量濃度是衡量海域浮游植物生物量和反映海水富營養化程度的重要指標。與北部灣富營養進程一致，北部灣葉綠素平均質量濃度由1994年的0.94 μg/L[47]升至2006年的1.13 μg/L[48]， 陸源營養鹽輸入和養殖活動明顯的欽州灣2009年表層水體葉綠素a已達5.39 μg/L[49]。葉綠素a與環境因子的相關性隨海區和季節而異， 渤海海域夏季鹽度、磷酸鹽與硅酸鹽的濃度、氮磷比和氮硅比是影響Chl-a濃度空間分布的重要因素[50]； 欽州灣4個季節航次調查發現Chl-a與水溫、鹽度和氨氮之間存在密切的相關關系[49]； 夏季海南黎安港葉綠素a與無機氮和活性磷酸鹽呈顯著正相關， 與水溫和透明度相關性不顯著； 秋季與無機氮呈顯著負相關， 與其他因子相關性不顯著[51]。本調查發現葉綠素a僅與COD顯著相關， 與無機營養鹽等環境因子相關性不顯著。COD常表征海水中有機物質含量， 說明影響夏季北海半島表層水體葉綠素a含量的主要因素是有機質， 分析可能與海域微生物強烈降解作用相關。據研究， 鐵山港和潿洲島分別發育有典型的紅樹林、海草床生態系統和珊瑚礁生態系統， 植物凋落物、珊瑚蟲代謝物降解、生物尸骸腐解等生態區內部有機分解為浮游植物提供了充足營養鹽[22，52-54]。

3.4 有機污染

氮磷及耗氧有機物在近岸海域的大量輸入直接影響水質與浮游植物的生長。北部灣近岸海域2006年和2011年夏有機污染指數(A) 變化范圍分別為–0.7～4.49和–1.23～4.49， 水質良好海域分別占93.4%和96.4%[55]， 2015和2016年8月A值均值分別為–0.30、0.83， 其中2016年夏鐵山港出現中度污染， 營盤海域出現輕度污染[3，56]。具體到北海半島海域，1996年鐵山港未受到有機污染[36]； 潿洲島珊瑚礁海域2013—2016年A均值為–0.24， 其中2013年出現輕度污染， 其余年份水質狀況未達到污染水平[57]。本文北海半島海域表層水體A值均值為1.85， 開始受到污染至重度污染站位(A＞1)占全部站位的61.9%，鐵山港、營盤和潿洲島近岸海域A值均值分別為4.18(站位1～4)、1.44(站位7～9)和1.11(站位14～17)，說明北海半島海域有機污染呈加重趨勢， 鐵山港尤為嚴重。

4 結論

(1) 北海半島海域夏季表層DIN、PO4-P和SiO3-Si含量均值分別為0.210、0.021和0.270 mg/L。鐵山港營養鹽由港內至港外遞減， 營盤海域由近岸至遠岸， DIN、SiO3-Si濃度先遞減再增， PO4-P濃度表現遞增， 潿洲島海域及遠岸各站點營養鹽分布無明顯特征。

(2) 北海半島海域N/P、Si/N和Si/P含量均值分別為11.8、1.7和14.6， 47.6%海域受潛在N限制； 葉綠素a僅與COD顯著相關， 與無機營養鹽等環境因子相關性不顯著， 說明影響夏季北海半島表層水體葉綠素a含量的主要因素是有機質， 分析可能與海域微生物強烈降解作用相關。

(3) 北海半島海域富營養化指數均值1.82， 鐵山港富營養化程度最高， 由港內嚴重富營養至港外貧營養呈遞減趨勢； 營盤近岸7號站位中度富營養， 其余76.2%站位處于貧營養水平。北海半島海域有機污染指數均值1.85， 良好和較好水質共占38.1%， 其余61.9%水質受到不同程度有機污染， 以鐵山港水質污染最為嚴重。