大亞灣水體營養鹽分布特征及其生態環境效應

馬 玉,王 翔,許 欣,劉文勇,王志良,史華明,張金尚,3

1.自然資源部南海調查中心,廣東 廣州 510300 2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室,廣東 廣州 510300 3.華南理工大學環境與能源學院,廣東 廣州 510006

全球60%以上的人口居住在距離海岸線≤100 km的沿岸地區,人類活動向近海輸入了大量營養物質和有機顆粒物[1],尤其河口、海灣,是人類高強度活動的承載區域[2]。河口、海灣生態系統地處海陸交錯地帶,是海水和淡水交匯、混合的半封閉海域,是海陸相互作用耦合帶、受陸源及人為活動入海通量影響的復雜環境區域,并為人類的生產和生活提供了重要的空間資源、豐富的實物資源和多樣化的生態系統服務等(如漁業生產、工業生產、交通運輸、污水處理、濱海旅游、氣候調節等)[3-4]。海灣生態系統受人類活動影響最為顯著,營養物質輸入是關鍵因素之一[5]。而且,營養物質氮、磷、硅是海洋生態系統的基本組成要素,參與海洋浮游生物生長的新陳代謝過程,是海洋初級生產力和食物鏈的基礎[6]。海灣營養物質的來源主要有河流輸入、大氣輸入、與開放海域的外海交換、沉積物-水界面交換等[7-8],營養鹽的生物地球化學過程及其對生態環境影響的機制一直受到重點關注[9]。筆者采用2019年秋季和2020年春季在大亞灣開展的海洋生態環境現狀調查資料,并結合周邊開發利用現狀,分析大亞灣水體營養鹽分布特征,探討營養物質的生態環境效應,研究成果在建設美麗海灣,實現海灣生態系統健康與可持續發展方面具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 研究區域

大亞灣是半封閉、弱谷型海灣,位于珠江口東側,地處惠州市和深圳市之間,面積約為600 km2,最大水深為21 m,平均水深為11 m。潮流運動形式以往復流為主,灣口強于灣頂,淺水效應明顯[10]。灣內有范和港、啞鈴灣和大鵬澳等次級小海灣,以及呈南北向分布的中央列島。周邊有12條小河流,主要分布在淡澳河、范和港、大鵬澳及石化園區附近,但入海徑流均較小,只有淡澳河徑流量最大(僅為2.62～7.18 m3/s)。該研究在大亞灣海域布設了30個生態環境調查站位,覆蓋了大亞灣灣頂、灣中和灣口海域(圖1)。

圖1 大亞灣生態環境現狀調查站位Fig.1 Stations for field sampling in Daya Bay

1.2 樣品采集與分析

2019年11月24—27日(秋季)和2020年3月25—29日(春季)在大亞灣開展了生態環境現狀調查工作。每個調查站位均采集表、底層水文、水質和生態樣品,依據《海洋監測技術規程 第1部分:海水》(HY/T 147.1—2013)開展DIN和DIP樣品前處理和分析測試。其中DIN包括亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮,檢出限分別為0.025、0.043、0.077 μmol/L,DIP主要是磷酸鹽,檢出限為0.023 μmol/L。按照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)開展海水溫度、鹽度、pH、溶解氧、COD和葉綠素a(檢出限為0.01 μg/L)等要素的現場監測、樣品前處理和分析測試等工作。

2 結果與討論

2.1 DIN和DIP分布特征

秋季表層DIN含量范圍為2.35～19.43 μmol/L,平均值為(5.50±3.96) μmol/L,其中硝酸氮平均值為(2.21±1.91) μmol/L、氨氮為(3.09±2.30) μmol/L、亞硝酸氮為(0.22±0.11) μmol/L;底層DIN含量范圍為2.41～14.65 μmol/L,平均值為(4.51±2.59) μmol/L,其中硝酸氮平均值為(1.84±1.30) μmol/L、氨氮為(2.47±1.34) μmol/L、亞硝酸氮為(0.22±0.10) μmol/L,氨氮含量高于硝酸氮。表、底層DIN分布趨勢基本一致,表層略高于底層,高值區位于淡澳河入?？?、啞鈴灣及其與馬鞭洲、純洲交匯海域,次高值區位于范和港灣口,自灣頂至灣口海域DIN逐漸降低(表1和圖2)。

表1 秋、春季大亞灣生態環境要素的變化范圍及平均值Table 1 Range and average of ecological environment factors in Daya Bay in autumn and spring

圖2 大亞灣DIN分布特征Fig.2 Distributions of DIN in Daya Bay

春季表層DIN含量范圍為1.50～13.50 μmol/L,平均值為(3.20±2.30) μmol/L,其中硝酸氮平均值為(1.35±0.80) μmol/L、氨氮為(1.70±1.61) μmol/L、亞硝酸氮為(0.12±0.07) μmol/L;底層DIN含量范圍為1.86～9.93 μmol/L,平均值為(3.04±1.59) μmol/L,其中硝酸氮平均值為(1.23±0.34) μmol/L、氨氮為(1.69±1.52) μmol/L、亞硝酸氮為(0.12±0.06) μmol/L(表1),雖然春季DIN平均濃度低于秋季,但秋、春季大亞灣水體DIN的主要存在形態是氨氮,其次是硝酸氮,與文獻報道結果一致[11-12]。上述現象說明,大亞灣水體還原性較強,硝化作用減弱,氨化作用增強,推測可能是由養殖海域大量剩余有機物耗氧導致[13-14]。2002年大亞灣DIN含量范圍為0.74～40.33 μmol/L[11],1986—2002年多年DIN平均值為(3.57±1.55) μmol/L[12],2007年春季DIN平均值為2.64 μmol/L[15],結合此次調查,DIN呈現先增大后降低,再略有升高的變化趨勢。春季表層DIN高值位于淡澳河入?？?、啞鈴灣內和范和港灣口,東部海域DIN濃度較低,且自灣頂至灣口海域DIN逐漸降低(圖2),歷年空間分布趨勢變化不大[16]。

秋季表、底層DIP含量范圍分別為0.03～3.32、0.04～1.69 μmol/L,平均值分別為(0.41±0.72)、(0.21±0.30) μmol/L,表層高于底層(表1)。秋季表、底層DIP分布特征與DIN基本相同,中部至灣口海域存在較大范圍DIP低值區(圖3)。春季表、底層DIP含量范圍分別為0.06～0.32、0.06～0.19 μmol/L,平均值分別為(0.14±0.05)、(0.12±0.03) μmol/L,表、底層DIP濃度大體相同(表1),春季DIP空間分布和季節變化與DIN基本一致(圖3),春季DIP平均濃度為(0.13±0.05) μmol/L,也低于秋季的(0.31±0.56) μmol/L。2002年全年DIP的最大值為0.42 μmol/L[11],多年平均值為(0.33±0.35) μmol/L[12],高于此次春季調查結果,與秋季基本持平。

圖3 大亞灣DIP分布特征Fig.3 Distributions of DIP in Daya Bay

2.2 DIN和DIP分布的影響因素

大亞灣周邊有12條小河流,徑流注入量均較小。秋、春季低鹽區主要位于淡澳河入?？?、范和港灣口和啞鈴灣及其與馬鞭洲、純洲交匯海域,低鹽區域的范圍大致與高DIN、高DIP分布海域相同(圖2、圖3和圖4)。大亞灣中部、灣口及東部海域DIN、DIP濃度較低,且水體高鹽(圖2、圖3和圖4),主要是因為大亞灣南部灣口及中部水體交換強于北部灣頂,東部海域強于西部[17-18],外海水入侵造成灣中部、灣口及東部海域低DIN、DIP現象。大亞灣周邊入海弱徑流和外海水入侵對DIN、DIP分布有影響,但水體鹽度與DIN、DIP并不顯著相關,說明大亞灣海域DIN和DIP還受到其他因素影響[19-20]。

圖4 大亞灣鹽度分布特征Fig.4 Distributions of salinity in Daya Bay

該研究在大亞灣開展了漁業養殖和港口航道等開發利用現狀調查。大亞灣內的養殖區目前主要分布在淡澳河、范和港、啞鈴灣以及大鵬澳(圖5),以圍海養殖和開放式養殖為主,生態環境現狀調查站位覆蓋了淡澳河口、范和港內灣口及啞鈴灣附近海域。調查期間DIN、DIP高值區位于養殖區范圍內或在其“下游”(圖2、圖3和圖5)。養殖過程中投放的餌食僅約有10%被生物吸收利用,大部分剩余營養物質及有機物溶解于海水或沉降至海底[21],且沉積至海底的營養物質還會通過沉積物-海水界面向水體擴散,養殖海域可能成為污染源[22-23],因此,漁業養殖是大亞灣水體營養鹽來源之一[24]。

圖5 大亞灣開發利用現狀Fig.5 The current development and utilizaiton situation of Daya Bay

調查期間,DIN、DIP高值區位于惠州港各作業區交匯區域,分別是惠州港荃灣港區(啞鈴灣西北側)、東馬港區東聯作業區(石化園區)、東馬港馬鞭洲作業區(馬鞭洲附近海域)及純洲煤炭碼頭作業區等(圖2、圖3和圖5)。荃灣港區是惠州港的主要港區,承擔石化制品中轉運輸、集裝箱運輸及大宗散雜物資中轉運輸;東馬港區各作業區提供石化工業的原材料及產成品裝卸,并兼顧石化區內項目一體化所需配套服務等。大亞灣沿岸石化產業和港區交通運輸業的污水排放也有可能是營養物質來源之一[25-26]。另外,大氣沉降和沉積物-海水界面擴散也是大亞灣水體營養鹽來源之一[27-28]。

2.3 水體富營養化水平

采用水體營養狀態指數法評價調查海域的富營養化水平,其計算公式如下。

E=DIN×DIP×COD×106/4 500

式中:DIN、DIP和COD的單位為mg/L。當E≥1,表示水體已呈富營養化狀態,1 5時,水體呈嚴重富營養化[29]。

秋、春季大亞灣水體富營養化指數變化范圍分別為0～3.65和0～0.35,平均值分別為0.19±0.66和0.03±0.06,整體處于貧營養狀態,僅秋季淡澳河入?？?、范和港灣口和啞鈴灣及其與馬鞭洲、純洲交匯海域是中營養化狀態(圖6)。

圖6 大亞灣海域富營養指數的時空分布Fig.6 Distributions of eutrophication index in sea water of Daya Bay

20世紀末,大亞灣大部分海域處于貧營養狀態,僅有個別季節和局部養殖海域處于中度營養狀態[30-31],近20年來大亞灣石化產業和養殖業的興起,導致水體由貧營養水平發展到中營養水平,局部海域富營養化[32-33]。該研究調查期間未發現富營養化海域,僅局部處于中營養化水平,大部分海域處于貧營養化水平,大亞灣水體營養鹽水平有恢復跡象。大亞灣富營養化水平降低可能得益于近年開展的大亞灣海域污水減排、養殖區清理拆除、沿岸紅樹林種植和灘涂生態承載能力提升等美麗海灣建設,上述生態修復與保護均有利于減少、吸收、降解污染物,促進灣內水體富營養化水平降低。

2.4 生態環境效應

秋季表、底層葉綠素a濃度范圍分別為0.21～2.26、0.24～2.26 μg/L,平均值分別為(0.86±0.52)、(0.80±0.57) μg/L;春季表、底層葉綠素a濃度范圍分別為0.26～4.17、0.75～5.27 μg/L,平均值分別為(1.99±1.02)、(2.20±1.13) μg/L(表1)。

表、底層葉綠素a濃度相近,且分布特征基本一致,均呈現灣頂高,灣中和灣口低的特點[34-35],高值區分布大體上與高DIN和DIP區域相同(圖7),說明徑流輸入、養殖剩余和污水排放的營養物質促進了灣頂區域的浮游植物生長繁殖[36-37]。核電站附近海域水溫較高,秋季表層和底層水溫高于周邊海域1.7 ℃、0.6 ℃,春季表層、底層水溫高于周邊海域2.9 ℃、1.6 ℃(圖8),但調查期間核電站附近海域處于高溫、高鹽、貧營養狀態,水體營養鹽含量較低(圖2、圖3和圖4),葉綠素a濃度未有明顯變化[38]。文獻報道,核電站溫排水會促進浮游植物群落發生改變(包括種群多樣性和均勻度等[39]),營養物質充沛或營養鹽加富條件下,溫排水的增溫效應會促進浮游植物繁殖[40-41],后續將進一步深入開展溫排水的生態效應研究。

圖7 大亞灣葉綠素a分布特征Fig.7 Distributions of chlorophyll a in sea water in Daya Bay

圖8 大亞灣水體溫度分布特征Fig.8 Distributions of temperature in sea water in Daya Bay

自灣中到灣口,葉綠素a濃度逐漸降低,與水體鹽度分布趨勢相反(圖7),相較于灣頂海域高DIN和DIP,受外海水入侵影響的灣中和灣口海域營養鹽含量較低,限制了浮游植物生長繁殖。季節變化方面,春季表、底層鹽度分別為32.55±0.37和32.64±0.16,低于秋季表層(33.21±0.32)和底層(33.22±0.25)水體鹽度(表1)。

雖然大亞灣徑流入海量較小,春季徑流輸入影響仍大于秋季,徑流攜帶集水區范圍內的營養物質入海,亦影響海域的營養物質分布和生態環境[42-43]。但調查期間春季DIN和DIP濃度低于秋季,葉綠素a濃度[(2.10±1.07) μg/L]明顯高于秋季[(0.83±0.54) μg/L],見表1和圖7。

說明春季營養物質促進了浮游植物繁殖,同時水體營養鹽被消耗降低[44-45]。而且,春季表、底層水體溶解氧分別為(8.13±0.71)、(8.18±0.80) mg/L,比秋季表層[(6.94±0.28) mg/L]和底層[(6.89±0.29) mg/L]高,同時,春季表、底層水體pH分別為8.26±0.10和8.25±0.08,大于秋季表層(8.22±0.04)和底層(8.21±0.04),見表1。春季水體pH(8.25±0.09)大于秋季(8.22±0.04),主要是由于春季葉綠素a濃度大于秋季,浮游植物繁殖消耗水體營養物質、吸收二氧化碳,同時釋放氧氣[46],實現生物儲碳、降低水體酸度,進一步影響水體生態環境。

調查期間,大亞灣秋季表、底層N/P范圍分別為5.02～73.77和8.64～88.33,平均值分別為28.09±17.98和32.95±22.04;春季N/P范圍分別為7.09～94.11和11.51～102.6,平均值分別為25.23±16.71和28.18±18.85(表1)。海水中N/P>22和Si/P>22時,P為限制因子;當N/P<10和Si/N>1時,N為限制因子;Si/P<10和Si/N<1時,Si為限制因子[47-48]。秋、春季調查期間,N/P平均值分別為30.52±20.09和26.68±17.70(表1),所以P為大亞灣浮游植物繁殖的主要限制因子[12]?？臻g變化方面,灣頂區域P為限制因子,自灣頂至灣口,N/P逐漸減小,灣中N、P基本平衡,灣口海域則轉化為N限制(圖9)[49]。上述現象主要是因為灣頂徑流輸入和排放污水具有營養物質豐富且高氮、低磷特征,外海入侵水團營養鹽含量雖低但DIP含量相對較高[50]。

圖9 大亞灣N/P分布特征Fig.9 Distributions of N/P in sea water in Daya Bay

3 結論

1) 秋季DIN和DIP平均濃度分別為(5.00±3.36)、(0.31±0.56) μmol/L,均高于春季的DIN和DIP平均濃度[(3.12±1.97)、(0.13±0.05) μmol/L]。秋、春季DIN和DIP高值區均位于淡澳河入?？?、啞鈴灣和范和港灣口及其與馬鞭洲、純洲交匯海域,且自大亞灣灣頂至灣口海域逐漸降低。

2)大亞灣海域DIN和DIP分布特征受徑流輸入、外海水入侵、漁業養殖、污水排放和海洋生物吸收消耗等多重因素影響。調查期間大部分海域處于貧營養化狀態,僅灣頂局部海域處于中度富營養化水平。

3)春季葉綠素a濃度平均值為(2.10±1.07) μg/L,高于秋季[(0.83±0.54) μg/L],均呈現灣頂高,灣中和灣口低的趨勢。灣頂高DIN和DIP促進了浮游植物繁殖,受外海水入侵影響,灣中和灣口海域營養鹽含量較低。大亞灣灣頂海域浮游植物繁殖主要受P限制,灣中海域N、P基本平衡,灣口海域則轉化為N限制。