冯立娜，张海波，孙雨嫣，李修竹，苏荣国*，石晓勇

( 1. 中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100；2. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东青岛 266100；3. 自然资源部海洋减灾中心，北京 100194)

1 引言

近年来随着全球经济快速发展，工农业规模不断扩大，沿海城市圈更是集中了主要的经济储量。伴随着经济发展和人口密度的增长，大量的生活污水和工农业废水通过排污管道和入海径流进入到近岸海域，造成海域内营养物质浓度升高，营养盐结构发生转变，潜在富营养化风险增加，使得近岸海域内赤潮、绿潮等生态灾害频发[1-3]，缺氧现象严重。

自2007 年以来，我国黄海海域连年发生大规模浒苔（Ulva prolifera）绿潮灾害[4-5]。每年夏季在山东半岛近岸海域聚积腐烂，给近岸生态系统的稳定与旅游经济的发展带来严重的威胁[6-8]。特别是青岛近岸海域，漂浮浒苔绿潮靠岸期间正值青岛旅游旺季，夏季高温导致靠岸浒苔绿潮很快进入衰亡腐败阶段[9]，大量聚积浒苔腐烂造成景观的破坏、空气的污染，使青岛旅游业严重受损。浒苔作为全球广阔分布的大型海藻，特殊的中空管状结构使其能够充分进行光合作用而快速生长[10-11]，在生长增殖过程中会快速吸收大量的氮、磷营养盐，同化利用并储存于组织中[12-15]，并且吸收的氮营养盐的量要远大于磷营养盐。适宜的温度、高效的养分吸收和光合作用以及多样化的繁殖策略[16-20]使浒苔成为黄海绿潮灾害的主要肇事种。

浒苔含有丰富的碳水化合物、蛋白质及氨基酸等有机质[21]，在高温条件下，浒苔体内有机质在微生物的作用下迅速地被氧化分解为营养物质释放到水体中[22]，改变水体原有的氮磷比，使局部海域营养盐水平升高，扰乱生态平衡，引起水质恶化[23-24]。叶春等[25]通过室内模拟实验研究沉水黑藻在腐烂分解过程中营养盐的释放，结果显示沉水植物的腐烂分解会使得水体缺氧，氮、磷营养盐含量急剧增加。丁月旻[26]通过浒苔腐烂分解的模拟实验得出，浒苔腐烂以有机态营养盐的释放为主，且腐烂水体中总氮的浓度处于高水平。还有研究者指出，浒苔腐烂分解产生的营养盐可能会被浮游植物进一步利用导致赤潮等次生生态灾害的发生[27-28]。

目前，关于浒苔绿潮近岸聚积腐烂营养盐释放规律以及对海域生态环境影响的研究相对较少，本研究选取青岛近岸聚积浒苔，通过模拟实验研究浒苔腐烂过程中营养盐的释放过程，并结合青岛周边鳌山湾、鳌山湾口（海参池）、石老人海域等主要浒苔绿潮聚积区浒苔绿潮靠岸前后海水水质参数变化，深入分析和探讨浒苔绿潮在近岸聚积和腐烂对环境的影响，以期为浒苔绿潮靠岸聚积腐烂对近岸海域的生态风险评估提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 模拟实验藻体的来源及预处理

模拟实验选用的浒苔6 月底采集于青岛市石老人海域。藻体呈黄绿色，处于浒苔生长后期，用海水冲洗去除杂物，带回实验室备用。实验所用海水取自青岛近岸海域，盐度为31，pH 为8.1，海水中的 浓 度 分 别 为0.94 μmol/L、1.76 μmol/L、0.22 μmol/L 和0.24 μmol/L。

刘湘庆[29]利用平行拖网获取了不同生长时期黄海漂浮绿潮单位面积生物量，其最大值不超过2 kg/m2，相应密度约为4 g/L（浒苔绿潮厚度以0.5 m 计）。本文基于此设定模拟实验的生物量梯度为0.05 g/L、0.5 g/L、5 g/L（湿重）。

2.2 实验设计

2.2.1 实验设计以及样品采集测定

实验容器选用2 L 洁净锥形瓶，加入1.5 L 海水，分别称取一定生物量的浒苔（湿重）置于相应的锥形瓶中，生物量梯度为0.05 g/L、0.5 g/L、5 g/L，每个生物量培养5 份，每次取其中的1 份。密封后置于室外，定期摇动锥形瓶。根据浒苔80 d 的腐烂周期[30]，分别于0 d、5 d、10 d、20 d、40 d 和72 d 取样，并用0.45 μm聚醚砜膜（Millipore，45 mm）进行过滤。过滤后的滤液、滤膜分别冷冻保存。使用营养盐自动分析仪（Auto Analyzer 3，Bran Luebee）测定水体中的各项指标。滤液用于测定总溶解氮（Dissolved Total Nitrogen, DTN）、总溶解磷（Dissolved Total Phosphorus, DTP）。滤膜用于测定颗粒态氮（Particulate Nitrogen，PN）、颗粒态磷（Particulate Phosphorus，PP）。

2.2.2 浒苔绿潮靠岸聚积前后青岛近岸水质变化

2018 年夏季，根据浒苔绿潮在青岛近岸漂移聚积过程从南到北选取石老人海域（36.09°N，120.50°E）、鳌 山 湾 口（ 海 参 池36.34°N， 120.73°E）、 鳌 山 湾（36.47°N，120.75°E）3 个浒苔绿潮聚积区（图1）监测浒苔靠岸消亡期间近岸水质的变化情况。石老人近岸海域有较完善的拦截打捞设备，浒苔绿潮漂至外海海域时会被及时拦截打捞，且海水交换能力强，受浒苔绿潮影响相对较弱。海参池位于鳌山湾口，海水交换能力仅次于石老人海域，周边海域为渔业养殖区，外有阻隔网，少有浒苔绿潮在此处聚积。鳌山湾由鳌山半岛环抱，与外海水交换能力弱，每年夏季，浒苔绿潮都会在此处大量聚积。环湾岸边建有鱼虾养殖池，所以鳌山湾内较另外两个站位营养盐浓度水平高，受浒苔绿潮影响最为明显。

图 1 青岛近岸调查站位Fig. 1 The survey stations in the Qingdao near-shore area

2018 年6 月12 日至8 月28 日，在浒苔绿潮漂浮至青岛近岸前夕到浒苔绿潮消亡腐烂后期，对以上3 个站点进行水质监测，主要检测指标有、DON、DOP 以及PN、PP 等营养盐参数。

3 结果与讨论

3.1 模拟实验各营养组分含量变化

浒苔绿潮在风与洋流的联合作用下漂移至青岛近岸时，已进入盛夏。在高温和乏营养盐的条件下，浒苔很快进入腐烂分解阶段。本实验采用藻体呈黄绿色的浒苔来模拟浒苔腐烂分解过程中营养盐的释放情况。实验期间气温高（0～40 d 平均气温在30℃以上，40～72 d 平均气温在26℃左右）、太阳辐射强，第2 天时，低生物量的两组浒苔藻体已由黄绿色变为白色，水体透明度降低，高生物量浒苔藻体颜色变浅，进入腐烂分解阶段。生物量为5 g/L 的实验组第6 天时，浒苔藻体部分呈现出白色，水体透明度降低，10 d后颜色逐渐加深；第39 天时呈橙红色，水体浑浊，透明度降低；第72 天时，水体颜色变浅，透明度依旧很低。生物量为0.05 g/L 的实验组水体一直处于浑浊状态，0.5 g/L 实验组72 d 时水体透明度略升高，水体中的藻体碎屑明显可见（图2）。

3.1.1 氮营养盐浓度变化

图3 和图4 为实验组水体中各形态氮、磷营养盐浓度变化。生物量为0.05 g/L 的实验组水体中DIN的浓度随着浒苔腐烂上升明显，第20 天时上升到26.54 μmol/L，上升幅度达9.2 倍，且水体中与的浓度远高于，分别达到起始浓度的8.5 倍和11.9 倍。水体中DON 的浓度随浒苔腐烂呈先上升后下降的趋势，最高值出现在第20 天，为起始浓度的2.7 倍。水体中的PN 变化趋势与DON 类似，第5 天达最高值后，逐渐下降至17 μmol/L 左右，整体变化不明显，含量范围在17.66～22.75 μmol/L 之间。DON 和PN 浓度降低应是其降解转化所致。

图 2 浒苔腐烂过程中的状况Fig. 2 The status during the decay of Ulva prolifera

生物量为0.5 g/L 的实验组水体中DIN 浓度较低，其浓度整体呈上升趋势，第5 天至第10 天中N 浓度降低，浓度增加，可能的原因是微生物参与的硝化反应的作用。第10 天后，随着浒苔的腐烂，与浓度降至最低，浓度增加，DIN 浓度显著升高。在浒苔腐烂分解过程中，水体中DON浓度一直呈上升趋势，最高达108.59 μmol/L，且一直占TDN 的80%以上。PN 在第5 天至第20 天上升至最高值177.20 μmol/L，20 d 后持续降低，40 d 时降至62.86 μmol/L。实验期间，PN 的浓度范围在62.86～122.85 μmol/L 之 间，平 均 为103.04 μmol/L，占TN 的59.40%，为TN 的主要存在形态。

生物量为5 g/L 的实验组，TN 的浓度远高于低生物量的两实验组，平均值分别为0.5 g/L 与0.05 g/L 实验组的4.5 倍和13.9 倍。水体中DIN 的浓度较其他实验组低。水体中的氮营养盐主要以DON、PN 形态存在且其浓度随着浒苔腐烂时间迅速升高，DON 浓度占TDN 的90%以上，水体中PN 的浓度范围为246.18～1 032.48 μmol/L，占TN 的56%～93%。

对比3 个实验组各形态氮营养盐浓度以及比值发现，水体中的DIN 均表现出逐渐上升的趋势，其中低密度组最为明显，随着浒苔腐烂分解释放出大量的，水体中DIN 的浓度迅速升高，最高达26.54 μmol/L。高生物量实验组水体中DIN 的浓度较低，多数以DON 和PN 的形态存在，浒苔生物量越大，腐烂分解放出的PN、DON 越多。浒苔腐烂分解产生的PN、DON 大部分最终会被矿化为无机氮释放于水体中，影响水体水质，引发环境问题。因此，及时清理聚积在近岸，尤其是水产养殖区的浒苔绿潮是十分有必要的。

图 3 实验组浒苔腐烂过程中水体DIN 各组分浓度的变化Fig. 3 The variations of DIN components in water during the decay of Ulva prolifera （experimental group）

图 4 实验组浒苔腐烂过程中水体各形态营养盐浓度的变化Fig. 4 The variations of nutrient concentrations in water during the decay of Ulva prolifera （experimental group）

3.1.2 磷营养盐浓度变化

生物量为5 g/L 的实验组，水体中磷营养盐浓度远高于低生物量实验组。随着浒苔腐烂，水体中P 的浓度急剧上升，第5 天时，浓度已达3.84 μmol/L，上升幅度达16.2 倍；20 d 后浓度降低至0.077 μmol/L左右。水体中DOP 的浓度在前10 d 逐渐升高，第10 天达最高值1.22 μmol/L，为原始浓度的10 倍；10 d 后浓度有所降低，维持在0.80～1.1 μmol/L 范围内。水体中的PP 一直处于较高浓度水平，在9.67～12.81 μmol/L范围内，占TP 的65%～93%，为TP 的主要存在形态。

对比各生物量组的结果表明，生物量越大水体中磷营养盐浓度越高，低生物量组水体中溶解态磷营养盐浓度升高明显，而高生物量组水体中DOP、PP 浓度均显著升高。各实验组水体中TP 的浓度在腐烂后期均略微下降稳定在一定浓度范围内，有研究表明由微生物与颗粒有机质组成的生物膜对磷具有很强的吸附活性[31-32]，影响水体中磷营养盐的迁移、转化。

对各实验组水体中营养盐结构变化分析表明，生物量为0.05 g/L 的实验组水体DIN/DIP 比值在实验初期升高明显（图5），其后伴随着的 增 多 而逐 渐降低。生物量为0.5 g/L 的实验组水体DIN/DIP 比值整体呈上升趋势，20～40 d 时水体中浓度 由于生物膜的吸附作用降至最低，此时DIN/DIP 比值达到最高值。生物量为5 g/L 的实验组水体中氮、磷营养盐大多以有机态、颗粒态的形式存在，DIN/DIP 比值一直处于较低水平。各实验组水体在浒苔腐烂期间均表现出较高的氮磷比，且TN/TP 比值在实验期间一直处于上升趋势。

3.2 浒苔绿潮靠岸聚积前后对青岛近岸水质的影响

浒苔绿潮于6 月末漂至青岛近岸，6 月28 日在鳌山湾口（海参池）海域观察到零星浒苔。石老人海域、鳌山湾海域均无漂浮浒苔。7 月13 日，鳌山湾、鳌山湾口（海参池）海域均有大量浒苔绿潮聚积，藻体颜色鲜绿，石老人海域无浒苔漂浮。8 月1 日，鳌山湾口（海参池）、鳌山湾海域浒苔绿潮开始腐烂，藻体破碎成零星状且颜色泛白，散发出腥臭味（图6）。

3.2.1 氮营养盐浓度变化

图 5 实验组浒苔腐烂过程中水体氮磷比值的变化Fig. 5 The variations of N/P ratios in water during the decay of Ulva prolifera （experimental group）

图7 和图8 为调查区域水体中各形态氮、磷营养盐浓度变化，鳌山湾海域内DIN 在浒苔绿潮未靠岸前的初夏季节，随着陆地径流的输入而上升，其中作为主要组分，上升明显。随着浒苔绿潮漂至青岛近岸，浒苔快速吸收消耗水体中营养盐， 导 致DIN 各 组 分 明 显 下 降， DIN 整 体 降 低88.5%。随着浒苔绿潮开始消亡腐烂，DIN 浓度急剧上升，上升幅度达12.4 倍，其中组分上升明显，达47 倍。浒苔绿潮消亡腐烂后期，DON 和PN浓度快速上升，其中PN 的浓度范围在30.08～111.85 μmol/L 之间，平均为（62.27±28.93）μmol/L，为海域内TN 的主要形态。

鳌山湾口（海参池）在调查期间水体中DIN 浓度整体呈升高趋势，7 月13 日后升高显著，但上升幅度远小于鳌山湾海域。水体中氮营养盐主要存在形态为PN，其次为DON 和DIN。PN 在调查期间浓度范围在23.14～53.67 μmol/L 之间，在浒苔绿潮暴发期间浓度达到最高，平均为（30.97±11.56）μmol/L，占TN 的69.99%；DON 浓度变化不大，范围在8.20～11.88 μmol/L之间。此海域海水交换能力强且有阻隔网，浒苔绿潮在此处聚积量少，由浒苔绿潮腐烂引起的DIN、DON 和PN 浓度变化均较鳌山湾海域小。

图 6 青岛近岸6−8 月浒苔绿潮状况Fig. 6 The status of Ulva prolifera green tide in the coastal water of Qingdao from June to August

图 7 调查区域浒苔绿潮腐烂过程中水体DIN 各组分浓度变化Fig. 7 The variations of DIN components in water during the decay of Ulva prolifera green tide (field investigation)

石老人海域DIN 浓度由浒苔绿潮暴发前的13.24 μmol/L 降至浒苔绿潮靠岸后的7.52 μmol/L，降低幅度达到43%。随着浒苔绿潮腐烂分解释放，DIN 及其组分均明显上升。DON 与DIN 整体变化趋势相同，随着浒苔绿潮腐烂分解释放，浓度有所升高，由于海水交换8 月1 日后逐渐降低。6 月12 日浒苔绿潮未靠岸到7 月13 日浒苔绿潮集中靠岸，TN 和PN 浓度升高，7 月13 日 升 至 最 高 值，分 别 为65.23 μmol/L 和55.67 μmol/L，其后由于大量靠岸浒苔绿潮被打捞转移，且石老人海域属开放海域，海水交换能力强，使得TN 和PN 浓度逐渐降低，8 月23 日降至最低值，分别为35.93 μmol/L 和18.04 μmol/L。

对比3 个调查区内氮营养盐组分浓度及比值发现，鳌山湾周边海域受浒苔绿潮暴发和腐烂影响较明显，在浒苔绿潮暴发期间DIN 受浒苔绿潮吸收影响降至低值，后随着浒苔绿潮腐烂分解，浓度逐渐上升，海域内DIN 浓度甚至达到24.05 μmol/L，劣于二类水质，后期存在浮游植物暴发性增殖的潜在风险。水体中DON 浓度变化同DIN 类似，在浒苔绿潮暴发至消亡腐烂期DON 浓度明显上升，其中鳌山湾海域升高最为显著，其次为鳌山湾口（海参池）和石老人海域。PN 作为海域内氮营养盐的主要存在形态，不同于DIN 变化趋势，在浒苔暴发期间浓度达到最高值，而随着浒苔绿潮消亡腐烂，浓度逐渐下降，鳌山湾海域变化最为显著，其次为石老人海域与鳌山湾口（海参池）海域。鳌山湾由鳌山半岛环抱，海水交换能力弱，浒苔绿潮在此处大量聚积，其腐烂对鳌山湾水质及周边环境造成严重影响，石老人海域与鳌山湾口（海参池）海水交换能力强，且打捞拦截设备完善，受浒苔绿潮腐烂影响较鳌山湾小。

图 8 调查区域浒苔绿潮腐烂过程中水体各形态营养盐浓度的变化Fig. 8 The variations of nutrient concentrations in water during the decay of Ulva prolifera green tide (field investigation)

3.2.2 磷营养盐浓度变化

对比3 个调查区的磷营养盐浓度变化发现，鳌山湾海域各形态磷营养盐浓度受浒苔绿潮靠岸腐烂影响最为明显，随着浒苔绿潮聚积腐烂，海域内P 浓度逐渐降低，DOP 与PP 则显著升高其后随着浒苔绿潮消亡殆尽又逐渐降解至低值。石老人海域与鳌山湾口（海参池）属开放型海域，打捞拦截设备完善，受浒苔绿潮影响较小，各形态磷营养盐的变化与鳌山湾海域不尽相同，在调查期间整体浓度较鳌山湾海域低，且在浒苔绿潮腐烂后期浓度在海水交换补充下升高明显。

3 个调查区DIN/DIP 比值变化趋势相同，在浒苔绿潮靠岸聚积腐烂期间，DIN/DIP 比值均达到最高值。鳌山湾海域DIN/DIP 比值受DIN 升高影响明显；石老人海域在浒苔绿潮腐烂期间由于DIN 升高和的降低，DIN/DIP 比值升高也较为明显；鳌山湾口（海参池）海域由于浒苔绿潮聚积量少，浒苔绿潮腐烂释放DIN 浓度较低，DIN/DIP 比值变化较不明显。鳌山湾口（海参池）和石老人海域受TN 升高的影响，且在整个调查期间TP 浓度变化不大，水体TN/TP 值在浒苔绿潮靠岸聚积腐烂期间达到最大，而鳌山湾内海域受TP 上升影响，水体中TN/TP 值呈下降趋势（图9）。

图 9 浒苔绿潮腐烂过程中水体氮磷比值的变化Fig. 9 The variations of N/P ratios in water during the decay of Ulva prolifera green tide

营养盐比值对浮游植物的丰度和群落结构有着重要的影响[33]，由浒苔绿潮腐烂造成水体中营养盐浓度及结构的变化可能会对生态系统的稳定产生严重影响。而且水体中大量的营养盐可能会被浮游微藻、原生动物进一步利用，从而引发赤潮等次生生态灾害。

通过模拟实验和对青岛近岸浒苔绿潮聚积地的现场调查得出，浒苔绿潮聚积腐烂会向水体中释放大量的氮、磷营养盐，青岛近岸浒苔绿潮聚积海域DON对TDN 的浓度贡献在50%以上，PN、PP 的浓度也处于较高水平，对浒苔绿潮腐烂过程中水体中TN、TP 浓度的变化起着决定作用。浒苔腐烂产生的营养物质大多为易矿化组分，且周转时间短[34]，大量营养物质的释放会改变水体原有的营养盐结构，使水质变差，容易诱发赤潮等生态灾害，导致青岛近岸浒苔绿潮聚积海域潜在的富营养化风险。

4 结论

（1）模拟实验表明，浒苔腐烂分解对氮、磷营养盐有显著的释放作用。低生物量浒苔腐烂分解水体中的浓度快速升高，而高生物量浒苔腐烂分解以释放有机态氮、磷和颗粒态氮、磷为主。

（2）现场调查结果显示，浒苔绿潮靠岸初期，海水中主要营养组分下降明显，后随着浒苔绿潮消亡腐烂，鳌山湾内和鳌山湾口（海参池）海水中氮、磷营养盐的浓度均显著升高。其中，鳌山湾内受浒苔绿潮影响最为显著，在腐烂后期，水体甚至劣于二类水质；且在调查期间，有机态与颗粒态为调查区内营养盐的主要存在形式。石老人海域海水交换能力强且浒苔绿潮靠岸后进行了及时打捞清理，浒苔绿潮消亡腐烂的影响不明显。

（3）综合模拟实验与现场调查结果表明，大量浒苔绿潮靠岸聚积腐烂会对近岸海域营养盐浓度与结构产生影响，特别是海水交换能力差的海湾水域，影响显著。