荣成湾营养盐的时空分布特征及其影响因素分析

2013-08-14谢琳萍蒲新明孙霞王保栋

海洋通报 2013年1期

谢琳萍，蒲新明，孙霞，王保栋

（1.国家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心，山东青岛 266061；2.海洋生态环境科学与工程国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061）

营养物质是养殖型海湾生态系统的物质基础，其含量和结构在很大程度上控制着养殖生态系统的可持续生产能力。营养盐过剩可使生态系统呈富营养状态，导致有害生物的大量繁殖，给海水养殖业带来了巨大损失；而营养盐匮乏则会使生产力下降，经济效益降低（夏东兴等，1991），因而通过对养殖海域水体营养盐的现状分析，了解养殖水体的生态环境状况和压力，对建立可持续健康养殖生态系统有着重要的意义。

荣成湾位于山东半岛东端，沿岸地势北高南低，东高西低，湾口较大，南北长约20.5 km，东西宽约9 km，湾内平均水深13 m，是一个较为开阔的海湾（张明明等，2010）。荣成湾是我国北方重要的水产养殖基地，养殖品种包括海带、海参、对虾、牡蛎、蛤、扇贝等，其中海带养殖面积占海湾水域面积的一半以上，是国内最大的海带养殖基地。目前，有关莱州湾、桑沟湾、乳山湾、胶州湾的营养盐报道较多（刘义豪等，2011；辛福言等，2004；张哲等，2009；张继红等，2010），但对荣成湾营养盐的文献报道较少。本文根据2009年4个航次的大面调查资料，分析了营养盐的时空分布特征及其影响因素，并对营养盐的限制情况进行了初步探讨，为荣成湾的生态环境保护和科学生态养殖提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

分别于2009年2月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和11月（秋季）对荣成湾进行4个航次的现场调查，调查站位如图1所示。现场用YSI水质分析仪对温度、盐度进行测定；采样层次为表层和20 m层（水深不足20 m的站位，采离海底约1 m的底层水）；水样采集后，经预处理过的GF/F（450℃灼烧6 h）膜过滤后，分装于塑料瓶中（预先用1∶5 HCl浸泡，然后用Milli-Q水冲洗至中性），于-20℃冷冻保存。

图1 采样站位（▲为8月份站位；○为2月、5月和11月份站位）

1.2 分析方法

水样在实验室解冻至室温后，使用营养盐自动分析仪（QuAAtro）测定5种活性营养盐，其中亚硝酸盐（NO2-N）用萘乙二胺分光光度法，硝酸盐（NO3-N）用Cd-Cu还原法，铵盐（NH4-N）用次溴酸盐氧化法，磷酸盐（PO4-P）用磷钼蓝分光光度法，硅酸盐（SiO3-Si）用硅钼蓝分光光度法分析，无机氮（DIN）为硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐之和（DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N）。

2 结果

2.1 无机氮的平面分布特征

本次调查中，荣成湾水体无机氮的表底层平面分布趋势基本一致，故以表层为例来说明。春季荣成湾表层水体近岸NO3-N含量较低，低值水呈舌状向东南方向扩展，中部海域NO3-N含量较高，整体呈近岸低外海高的变化趋势，天鹅湖外的R1站位NO3-N含量最低（0.88 μmol/L），俚岛湾附近的R7站位的 NO3-N含量最高（2.87 μmol/L）（图2a）。调查海域NO2-N的含量相差不大，南部近岸稍高；NH4-N高值区主要出现在南部俚岛镇附近海域，北部海域也有一高值水舌由北向南扩展（图3a）。春季DIN主要是由NO3-N和NH4-N构成，分布趋势与NO3-N类似，呈近岸低外海高的变化趋势，最低值仍出现在北部近岸的R1站位（0.99 μmol/L），南部近岸的R7站位DIN的含量最高（5.06 μmol/L）（图 4a）。

夏季表层NO3-N和NO2-N的分布趋势较为相似，西部近岸浓度较高，高值区沿海岸线呈狭长带状向外递减（图2b）。NH4-N和DIN的平面分布相似，表现为由近岸到外海浓度递减的变化趋势，近岸高值区范围更为广阔，高值水舌前沿可达海湾的中部（图3b，图4b）。NH4-N和DIN的平面分布图相似性，说明了夏季DIN的分布趋势主要受NH4-N的影响。

图3 荣成湾表层水体铵盐的平面分布（μmol/L）

图4 荣成湾表层水体无机氮的平面分布（μmol/L）

秋季荣成湾表层水体NO3-N和NO2-N的平面分布表现出一定的相似性，即近岸浓度较高，由近岸向外海浓度递减的变化趋势，最高值均出现天鹅湖口的R1站位，分别为8.50μmol/L和1.96μmol/L，湾外的R12站位NO3-N含量最低（2.05 μmol/L），中部的R5站位NO2-N含量最低（图2c，）；NH4-N的平面分布整体表现为近岸高外海低的变化趋势，南部近岸的R10站位NH4-N含量最高，达14.3 μmol/L。该季节DIN的含量均值为9.16μmol/L，达四季之最，其平面分布趋势与NO3-N相似（图3c，图 4c）。

冬季表层NO3-N和DIN的平面分布类似，西部近岸浓度较低，外海浓度较高（图2d，图4d）；NO2-N也表现为近岸浓度低外海浓度高的变化特点，低值区主要出现在天鹅湖附近海域。NH4-N的平面分布则表现为近岸和外海浓度较高，中间海域浓度较低的变化趋势（图3d）。

2.2 磷酸盐的平面分布特征

荣成湾PO4-P的表底层平面分布趋势基本一致，故仅阐述表层的平面分布特征。春季PO4-P的平面分布呈现南高北低，中部海域高近岸和外海低的变化趋势，最高值出现在南部的R9站位（0.60 μmol/L），天鹅湖口的R1站位的PO4-P含量最低（0.11 μmol/L）（图5a）。夏季调查海区PO4-P含量很低（均值为0.06 μmol/L），近岸的PO4-P含量稍高（>0.1 μmol/L），其他海域均较低（<0.1 μmol/L）（图5b）。秋季水体PO4-P的分布整体呈近岸高外海低的分布特点，南部R9站位的PO4-P含量最高（1.02 μmol/L），中部的R12站位的PO4-P最低（0.28 μmol/L）。冬季PO4-P分布呈现近岸低外海高的特点，东南部海域有小股高PO4-P含量的水体向湾内扩展。

2.3 硅酸盐的平面分布特征

荣成湾SiO3-Si的表底层平面分布趋势基本一致，故仅阐述表层的平面分布特征。春夏秋3个季节荣成湾SiO3-Si的平面分布趋势基本类似，呈近岸高外海低，由近岸向外海浓度递减的变化趋势，春夏季高值区主要出现在俚岛镇附近海域，秋季则出现在天鹅湖口和养鱼池湾口附近海域。冬季SiO3-Si的分布趋势与前3个季节相反，呈现近岸低外海高，由近岸向外海浓度递增的变化趋势（图6）。

2.4 荣成湾营养盐的季节变化

图5 荣成湾表层水体磷酸盐的平面分布（μmol/L）

图6 荣成湾表层水体硅酸盐的平面分布（μmol/L）

表1 荣成湾调查海区营养盐的含量（μmol/L）

从表1中可以看出秋季NO3-N的浓度最高，达5.59 μmol/L，夏季含量较低，不足秋季的20%，春季和冬季NO3-N的含量介于两者之间；NO2-N的含量均值为0.32 μmol/L，约为NO3-N均值的10%，最高值出现在秋季（0.73 μmol/L），春夏季次之，冬季最低；NH4-N的浓度均值为2.51μmol/L，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低；DIN的含量范围为 0.29～22.84 μmol/L，平均值为 5.92 μmol/L，秋季最高，冬季次之，春夏季较低。荣成湾水体PO4-P的含量较低，年平均值为0.31 μmol/L，最高值出现在秋季，达0.58 μmol/L，其次为冬季，夏季最低。水体SiO3-Si的变化范围为1.36～13.80 μmol/L，平均值为 6.62 μmol/L，季节变化为秋季＞夏季＞冬季＞春季。

从DIN的构成上来看，NO2-N对DIN的贡献相对较低，不足其十分之一。春季NO3-N和NH4-N为无机氮的主要存在形式，贡献率分别为43%和52%；夏季NH4-N是DIN的主要组分，占DIN的77%；秋冬季NO3-N为无机氮的主要构成部分，对DIN的贡献率分别为61%和68%。从全年来看，无机氮主要是由NO3-N和NH4-N，贡献比例分别为52%和42%，这与王朝晖等对大亚湾的研究结果有良好的一致性（图7）。

图7 无机氮组成的季节变化

在垂直方面上，春季水体NH4-N、NO3-N和DIN表层含量略低于底层，NO2-N、PO4-P和SiO3-Si表层含量略高于底层；夏季除PO4-P表层高于底层外，其他营养盐均为表层含量低于底层；秋季NH4-N和PO4-P表层含量低于底层，NO2-N、NO3-N、DIN和SiO3-Si均为表层含量高于底层；冬季表层水体营养盐的含量低于底层水体。

3 讨论

3.1 与其他海湾的营养盐状况的对比分析

荣成湾调查海区水体营养盐含量较低，除秋季的R1和R10外，水体DIN的含量均符合国家一类水质标准；春夏冬季大部分站位磷酸盐含量低于国家一类水质标准，秋季则有60%站位PO4-P的含量超过国家一类水质标准。

从表2中也可以看出，我国主要海湾DIN的高低顺序为泉州湾＞乳山湾＞旧镇湾＞四十里湾＞胶州湾＞桑沟湾＞大亚湾＞荣成湾。荣成湾的DIN含量较低，仅略高于北黄海；水体PO4-P的含量也处于较低水平，仅略高于四十里湾，低于莱州湾、桑沟湾、乳山湾、胶州湾、泉州湾、旧镇湾、大亚湾和北黄海；荣成湾SiO3-Si的含量不高，略高于桑沟湾和北黄海，低于其他临近海湾。产生这种现象可能有以下几个原因：首先，与临近的莱州湾、桑沟湾、胶州湾相比，荣成湾的湾口较大（约20.5 km），湾外的潮流基本呈南北走向，湾内潮流方向主要顺着海岸流动，主流向与岸线基本平行，湾外流速较大，成山头处流速可达1.14 m/s，不考虑养殖的影响，通过模型计算获得荣成湾的半交换周期为8.8 d（内部资料，尚未发表），湾内水体更新较快，湾内高营养盐水体可快速与外海水混合，难以在湾内累积，水体营养盐的含量较低；其次，荣成湾沿岸入海径流量较少，陆源营养盐输入较少，而临近的莱州湾（黄河、小清河等）（张义豪等，2010）、桑沟湾（沽河、崖头河、桑沟河等）（张继红等，2010）和胶州湾（墨水河、海泊河、李村河等）（张哲等，2009）均有较多陆源径流输入，使海湾的营养盐含量处于一个较高的水平；再次，荣成湾主要以海带养殖为主，整个调查海域有一半海域是海带养殖区，海带在生长过程中将吸收大量的营养盐，每一次的收获都将水体中营养盐以海藻的形式带出水体，在一定程度上降低了水体营养盐的含量（胡海燕等，2003；刘靖雯等，2001）。

表2 荣成湾与其他海湾营养盐浓度情况（μmol/L）

3.2 营养盐的限制性分析

目前，营养盐限制的评价方法多采用氮、磷、硅营养盐的绝对含量及三者之间的比值来综合判断。Nelson等（1990）通过研究浮游植物生长动力学得到浮游植物生长所能吸收的营养盐最低浓度，认为 DIN=1 μmol/L，PO4-P=0.1 μmol/L，SiO3-Si=2 μmol/L可作为浮游植物生长的最低阈值。Justic等（1995）在总结前人研究的基础上提出了营养盐潜在限制的标准，即（1）若DIN＜1 μmol/L，N/P＜10，Si/N＞1，DIN为浮游植物生长的限制因子；（2）若 P＜0.1 μmol/L，N/P＞22，Si/P＞22，PO4-P 为浮游植物生长的限制因子；（3）若Si＜2 μmol/L，Si/P＜10，Si/N＜1，SiO3-Si为浮游植物生长的限制因子。

本文根据Justic等（1995）提出的营养盐限制标准对荣成湾表层水体营养盐的限制情况进行分析，春季荣成湾DIN和PO4-P的含量均高于浮游植物生长所能吸收的最低阈值，大部分站位（除R14、R15站位）SiO3-Si的含量超过该阈值，仅R15站位浮游植物生长受到SiO3-Si的潜在限制；夏季水体DIN和SiO3-Si的含量均超过该阈值，浮游植物生长不受DIN、SiO3-Si的限制，但PO4-P的含量较低，90%以上的站位磷酸盐含量低于阈值（0.1 μmol/L），76%的站位浮游植物生长受PO4-P的潜在限制；秋季水体营养盐含量较高，浮游植物生长不受营养盐的限制；冬季水体营养盐状况良好，浮游植物生长基本不受DIN、PO4-P、SiO3-Si的限制，仅近岸的R1受到PO4-P的潜在限制，R4站位同时受到DIN和PO4-P的双重潜在限制。

3.3 营养盐的影响因素分析

荣成湾是我国典型的海带养殖基地，从图1可以看出122.65 E以西的大部分海域为海带养殖区，海带养殖区的面积约占整个调查区的一半，据荣成市海洋与渔业局统计资料显示，2009年荣成湾的海带养殖面积约为1 567公顷，产量约为4.1万吨。海带是一种冷水性藻类，曾呈奎等研究指出海带生长发育的最适温度都在20℃以下，孢子体生长的适温范围为1℃～13℃，5℃～10℃为最适温度范围（曾呈奎等，1957）。荣成湾养殖户一般在8-10月份进行海带育苗，10月中旬-12中旬分苗下海，并在海带养殖绳上悬挂一个施肥袋（主要是氮肥和磷肥）进行施肥，此后一直到海带收获基本不再施肥，第二年5-8月份进行收获，收获的顺序是从湾内浅水区逐渐向湾口深水区（张继红等，2010）。

春季（5月份）气温回暖，水温升高（9.8℃～14.2℃），海带生长放缓，对水体营养盐的吸收减弱，近岸海带养殖区已开始收获。有研究表明当海区营养盐特别是DIN的含量较低时，可导致海带发生病变从顶部开始腐烂，到6月中旬，部分区域海带已腐烂掉了大部分仅剩不足1 m（方建光等，1996a）。本次调查春季荣成湾水体中营养盐的含量较低（DIN 为 4.63 μmol/L，PO4-P 为 0.23 μmol/L），调查时间为5月份正处于海带生长后期（收获期），许多海带残体在微生物的作用下分解，水体NH4-N含量升高，NH4-N占DIN的比例由冬季的30%提高到52%，NO3-N和NH4-N为无机氮的主要存在形式；北部海域的R3站位盐度较低（28.6），营养盐含量却较高，这可能是由北部高营养盐含量的沿岸流在潮汐的作用下南下输入造成的。从相关性来看，营养盐与盐度没有显著的相关性（P＞0.05），说明陆地径流对湾内营养盐的补充较少；DIN、PO4-P和SiO3-Si三者之间也无显著相关性，说明这三种营养盐的来源不尽相同，叶绿素a与DIN、PO4-P相关性不好，但与SiO3-Si呈显著负相关（r=-0.575，P＜0.05）。

夏季（8月份），荣成湾内养殖的海带基本收获完毕，水体叶绿素a的含量较高（2.97 μg/L），氮磷营养盐含量较低，大多数站位磷酸盐的含量低于浮游植物生长的阈值（0.1 μmol/L），一方面由于海带生长过程的消耗，另一方面随着海带的收获，水体的流动性加强，浮游植物的竞争压力减少，其生长过程中也吸收了水体中一部分营养盐。从相关性分析来看，DIN、PO4-P和SiO3-Si均呈极显著正相关（r=0.564，P＜0.01；r=0.562，P＜0.01），与盐度无相关性，DIN与叶绿素a呈显著负相关（r=-0.456，P＜0.05）；PO4-P与叶绿素a无显著相关性（P＞0.05），SiO3-Si与叶绿素a呈极显著负相关（r=-0.711，P＜0.01），说明了在海带收获后期，水体营养盐的含量较低，磷酸盐几乎消耗殆尽，硅藻生长可能较为旺盛。

秋季水体混合加强，沉积物吸附的N、P营养盐在波浪、海流等动力因素的作用下不断释放到水体中，对上层水体营养盐起到一定的补充作用，研究表明沉积物中营养盐的溶解释放是养殖水体浮游植物和养殖藻类所需营养盐的一个重要补充机制（蒋增杰等，2008）。11月份海带刚播种不久，海区叶绿素a的含量亦不高，海带幼苗和浮游植物对营养盐的消耗不大，由于养殖户在10月份左右下苗时进行施肥，因而水体营养盐的含量较夏季高出数倍，DIN、PO4-P和SiO3-Si营养盐含量均达四季之最。从DIN的构成上来看，该季节水体NO3-N含量较高，NH4-N和NO2-N含量较低，NO3-N为DIN的主要成分。从相关性上来看，DIN与SiO3-Si呈极显著正相关（r=0.644，P＜0.01），与PO4-P、T、S和叶绿素a均无显著相关性（P＞0.05）；PO4-P与SiO3-Si呈极显著正相关（r=0.668，P＜0.01），与DIN、T、S和叶绿素a均无显著相关性（P＞0.05）；SiO3-Si与叶绿素a无显著相关性（P＞0.05），说明DIN和SiO3-Si具有一定的同源性，这可能与鲁北沿岸流对荣成湾营养盐的补充有关。

冬季海带生物量较秋季有了显著提高，生长旺盛（史洁等，2010），消耗大量的营养盐，使水体营养盐的含量较秋季有明显下降。NO3-N是DIN的主要成分。叶绿素a与DIN和SiO4-Si的无有显著相关（P＞0.05），而与PO4-P呈显著正相关（r=0.61，P＜0.05），说明冬季荣成湾浮游植物生长与水体磷酸盐的含量有关。

4 结论

（1）荣成湾营养盐的含量较低，在我国主要海湾中处于较低水平。无机氮年平均值为5.92μmol/L，除秋季个别站位外，均符合国家一类水质标准；磷酸盐的年均值为0.31 μmol/L，秋季约60%站位的磷酸盐含量超国家一类水质标准，其他季节磷酸盐含量均符合国家一类水质标准。硅酸盐的变化范围为 1.36～13.80 μmol/L，均值为 6.62 μmol/L。DIN和PO4-P营养盐的季节变化为秋季＞冬季＞春季＞夏季；硅酸盐的季节变化为秋季＞夏季＞冬季＞春季。

（2）荣成湾营养盐的分布变化特征与养殖海带的生长周期有着紧密的联系，海带生长初期（秋季），海区营养盐含量较高，NO3-N是DIN主要成分；海带生长中后期（春季），DIN浓度下降，NO3-N和NH4-N是DIN的主要成分；海带收获后期（夏季），海区营养盐含量最低，DIN主要由NH4-N构成。

（3）荣成湾春秋冬3个季节除个别站位外，浮游植物生长基本不受营养盐的限制，夏季90%以上的站位浮游植物生长受到P的限制，但基本不受N和Si的限制。

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