欽州灣海域氮磷營養(yǎng)鹽近30年變化規(guī)律及其來源分析

徐敏，韓保新 ，龍穎賢

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655

欽州灣位于北部灣頂部廣西沿岸中段，在21°33'20″N～21°54'30″N，108°28'20″E ～ 108°45'30″E之間。全灣海岸線總長336 km，海灣面積380 km2，平均水深約5.2 m［1］。伴隨著海洋納污的增加，赤潮已成為沿海主要環(huán)境災(zāi)害之一［2-3］。研究表明，海水富營養(yǎng)化是赤潮發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)［4-6］。氮和磷是導(dǎo)致近海水體富營養(yǎng)化的重要原因。欽州灣是北部灣海域赤潮的相對高發(fā)區(qū)，因此，有必要全面分析其營養(yǎng)鹽濃度和分布變化特征?，F(xiàn)有的欽州灣營養(yǎng)鹽研究主要是對近20年(1983—2003年)油類、浮游植物、溶解氧等指標(biāo)的評價(jià)，以及對內(nèi)灣(茅尾海)貝類養(yǎng)殖海區(qū)無機(jī)氮、水環(huán)境特征等的研究［7-13］。葦蔓新等［14］根據(jù)1983 年、1990 年和1998—1999年平水期的調(diào)查資料，分析了欽州灣的營養(yǎng)鹽狀況及其與環(huán)境因子的關(guān)系。龍曉紅等［15］分析了欽州灣2006—2010年的 N、P、Si數(shù)據(jù)，富營養(yǎng)化狀況以及限制因子。但鑒于已有的分析數(shù)據(jù)不足等原因，存在著數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短，濃度分布和相關(guān)性分析簡單等問題。筆者通過對1983—2010年期間資料的分析，研究欽州灣近30年來氮磷營養(yǎng)鹽的變化趨勢及其平面分布特征，分析營養(yǎng)鹽與pH和鹽度的相關(guān)性，比較不同來源氮磷污染物的入海通量，甄別欽州灣營養(yǎng)鹽的主要來源，提出欽州灣海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的對策和建議。

1 材料與方法

1.1 資料收集

采用的水質(zhì)資料來自廣西北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心欽州灣近岸海域常規(guī)海洋監(jiān)測站位的秋冬季海水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(主要是1995—2007年的監(jiān)測數(shù)據(jù))，以及文獻(xiàn)［11，13］(1983—1994年)和文獻(xiàn)［15］(2008—2010年)的營養(yǎng)鹽年均值數(shù)據(jù)。

1.2 現(xiàn)場采樣及分析

1.2.1 站位布設(shè)及調(diào)查時(shí)間

監(jiān)測站點(diǎn)位布設(shè)如圖1所示。共布置16個(gè)監(jiān)測站(斷面)，調(diào)查時(shí)間為每年的秋季(9月中旬—10月上旬)和冬季(12月上旬—中旬)。

1.2.2 調(diào)查方法

水深小于5 m時(shí)采集水面下1 m樣品，水深大于5 m時(shí)分別采集水面下1 m和海床1 m以上的2個(gè)樣品。測定項(xiàng)目包括溶解無機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、鹽度(Sa)和pH等水質(zhì)指標(biāo)，測定方法均采用GB 17378—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)方法。

硝酸鹽水樣現(xiàn)場過濾后先用HgCl2固定，后于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用營養(yǎng)鹽自動分析儀測定。在現(xiàn)場，pH采用pH計(jì)電極法測定，磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)法測定，亞硝酸鹽采用重氮-偶氮法測定，氨氮采用靛酚藍(lán)法測定。

圖1 欽州灣監(jiān)測站點(diǎn)位分布Fig.1 Survey sites in Qinzhou Bay

2 結(jié)果與討論

2.1 欽州灣DIN和DIP年際濃度變化趨勢分析

近30年欽州灣海域水體中營養(yǎng)鹽濃度的年均變化如圖2所示。

圖2 1983—2010年欽州灣海域營養(yǎng)鹽年際變化Fig.2 Annual variation of nutrient in Qinzhou Bay from 1983 to 2010

由圖2可見，海水中DIN濃度為0.043～0.341 mg/L，多年平均值為0.206 mg/L。其中除2001年，2002年，2006年和 2010年 DIN濃度超過 GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》二類標(biāo)準(zhǔn)(0.30 mg/L)外，其余年份均符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。DIN濃度年際變化大，總體呈上升趨勢，可能與以下原因有關(guān):陸源徑流攜帶大量含氮廢水入海;海域周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變，從20世紀(jì)90年代開始農(nóng)田主要以施氮肥為主，過量的氮肥隨著農(nóng)田排水或雨水沖刷而流失，經(jīng)各種途徑進(jìn)入海洋［16］。

由圖2可見，海水中DIP濃度為0.004～0.022 mg/L，多年平均值為0.011 mg/L。DIP濃度年際變化不大，總體呈下降趨勢，其中最高值為0.022 mg/L(1983年)。DIP濃度下降可能與以下原因有關(guān):20世紀(jì)90年代初沿岸人口的迅速增長使得含磷生活污水排放量增加，但含磷洗滌劑的逐步限制使用又減少了污水中的磷濃度［14］;浮游植物的豐度發(fā)生變化，浮游植物生長繁殖需要消耗利用磷酸鹽［7］;污水處理廠的逐步建立和使用，削減了污水中的磷濃度。

為了進(jìn)一步研究海水中DIN三種存在形式(硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮)的變化趨勢，繪制出三種濃度組分的年際變化(圖3)。由圖3可見，1995—2007年欽州灣海區(qū)的亞硝酸鹽氮濃度和氨氮濃度處于較低水平，基本上都低于0.060 mg/L;硝酸鹽濃度較高，多年平均值為0.163 mg/L，占DIN的71%，對DIN起主要貢獻(xiàn)。

圖3 1995—2007年欽州灣海區(qū)無機(jī)氮(DIN)各組分濃度的年際變化Fig.3 Annual variation of inorgainic nitrogen component in Qinzhou Bay from 1995 to 2007

2.2 欽州灣DIN和DIP濃度平面分布特征分析

2001年、2004年、2007年欽州灣表層海水中DIN濃度平面分布如圖4所示。由圖4可見，DIN高值區(qū)均位于內(nèi)灣茅尾海欽江入海口附近，平面分布均呈現(xiàn)自茅尾海向中部水域和灣口明顯遞減的特征。2001年DIN濃度均值最高，達(dá)0.341 mg/L，范圍為0.204～0.612 mg/L;2004年DIN濃度均值最低，為0.145 mg/L，范圍為0.017～0.457 mg/L;2007年DIN濃度均值為0.241 mg/L，范圍為0.089～0.386 mg/L。

運(yùn)用DEAP2.1軟件對2009～2016年我國各地區(qū)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的Malulquist生產(chǎn)率指數(shù)進(jìn)行測算和分解，得到高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新效率的動態(tài)變化情況，具體運(yùn)算結(jié)果見表3，全要素生產(chǎn)率及其分解指標(biāo)變化趨勢如圖1所示。

2001年、2004年、2007年欽州灣表層海水中DIP濃度平面分布如圖5所示。由圖5可見，DIP高值區(qū)主要位于內(nèi)灣的茅尾海水域，2001年和2007年均呈現(xiàn)自茅尾海向中部水域和灣口明顯遞減趨勢。2001年DIP濃度均值居中，為0.012 mg/L，范圍為0.01～0.015 mg/L;2004年DIP濃度均值最小，僅為0.002 mg/L，范圍為0.001～0.007 mg/L;2007年DIP濃度均值最高，達(dá)0.012 mg/L，范圍為0.006～0.036 mg/L。

圖5 欽州灣表層海水中DIP濃度的平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface seawater of the Qinzhou Bay

綜上，欽州灣海水中營養(yǎng)鹽分布總體呈自北向南、自內(nèi)灣向?yàn)晨谶f減的趨勢，高濃度區(qū)均位于內(nèi)灣茅尾海的欽江等入海口附近。究其原因:茅尾海為欽州灣內(nèi)的封閉型河口灣，其接受的欽江和茅嶺江徑流量僅次于受南流江徑流影響最大的廉州灣海域，而欽江等受到的氮磷污染明顯重于南流江;欽州灣內(nèi)魚、蝦、蟹等養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，已形成連片灘涂養(yǎng)殖，腐爛的餌料和養(yǎng)殖生物的排泄物含有大量營養(yǎng)鹽類物質(zhì)，直接排入水中［11］;欽州灣的咽喉段對茅尾海內(nèi)的污染物遷移擴(kuò)散起到明顯的阻礙作用，以致茅尾海內(nèi)污染物在灣內(nèi)滯留較長時(shí)間［17］。

3 營養(yǎng)鹽相關(guān)性及其入海通量分析

3.1 營養(yǎng)鹽與pH和鹽度(Sa)的相關(guān)性分析

營養(yǎng)鹽在水體中的賦存狀態(tài)與其他環(huán)境因子之間存在著雙向的內(nèi)在聯(lián)系。欽州灣營養(yǎng)鹽(DIP，DIN)與Sa和pH的相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。

表1 營養(yǎng)鹽與pH和Sa的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlationship between nutrients and pH，salinity

由表1可見，2001年、2004年和2007年DIN與Sa呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.99，-0.93和-0.80)，DIP與Sa的相關(guān)性差異較大(相關(guān)系數(shù)分別為-0.75，0.22和-0.55)。因?yàn)闅J州灣僅在灣頂?shù)拿┪埠Ｓ袣J江和茅嶺江攜帶淡水入灣，而含有豐富營養(yǎng)鹽的低鹽河口水與營養(yǎng)鹽含量低的高鹽外海水在相互混合過程中，營養(yǎng)鹽的濃度隨著鹽度的增加、pH的增大而降低。這說明徑流輸入對海灣DIN變化起主導(dǎo)作用，而對海灣DIP的影響不顯著［13］。如圖5所示，由于2001年和2004年海水中DIP含量較低，故平面分布差異很小，僅2007年有較明顯的濃度分布差異。研究表明［19］，磷酸鹽的變化多受溫度與葉綠素a的影響，浮游植物的消耗是控制磷酸鹽變化的主要因素，從而造成了磷酸鹽的變化與無機(jī)氮不同。

3.2 營養(yǎng)鹽入海通量分析

進(jìn)入欽州灣的營養(yǎng)鹽主要分為陸源污染和海水養(yǎng)殖兩類。陸源污染主要包括入海河流攜帶、工業(yè)廢水直排口、城市生活污水和工業(yè)廢水混合排放口。以現(xiàn)有的廣西北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站2007年入海污染源調(diào)查結(jié)果為例，對欽州灣氮磷營養(yǎng)鹽的來源比例進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，陸源污染是欽州灣營養(yǎng)鹽主要來源，其中河流入海所攜帶的營養(yǎng)鹽占入海營養(yǎng)鹽總量的78%以上，是最主要的污染源。

圖6 2007年?duì)I養(yǎng)鹽入海污染源比例構(gòu)成Fig.6 Proportion of pollution sources of nutrients in 2007

為分析污染物入海通量與欽州灣海水水質(zhì)的相互關(guān)系，對2001—2007年欽江和茅嶺江的氨氮和總磷入海通量進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 入海河流營養(yǎng)鹽通量Fig.7 Nutrient flux of river into the sea

圖7表明，2001—2007年欽州灣氨氮入海通量呈先高后低再升高的變化態(tài)勢，這與2001—2007年欽州灣海水中DIN濃度的變化趨勢一致，說明河流攜帶氨氮入海通量是欽州灣DIN濃度分布與變化的主要貢獻(xiàn)源。這也與相關(guān)性分析得到的陸源污染是無機(jī)氮變化主導(dǎo)因素的結(jié)論一致?？偭兹牒Ｍ砍氏容^平緩、之后降低、再升高的變化態(tài)勢，但海水中DIP濃度的變化并未呈現(xiàn)相似的態(tài)勢，這與3.1節(jié)得出的徑流輸入對海灣DIN變化起著主導(dǎo)作用，而對海灣DIP影響不顯著的結(jié)論一致。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)欽州灣1983—2010年近30年?duì)I養(yǎng)鹽年均濃度變化分析表明，水體中DIN濃度值為0.043～0.341 mg/L，總體呈波動上升趨勢;水體中DIP濃度為0.004～0.022 mg/L，總體呈下降趨勢;DIN各組分中硝酸鹽氮所占比例最大，達(dá)71%。

(2)2001—2007年?duì)I養(yǎng)鹽濃度時(shí)空分布分析說明，DIN濃度和DIP濃度均呈現(xiàn)自北向南、自內(nèi)灣茅尾海向欽州灣口遞減的趨勢，內(nèi)灣尤其是欽江入灣頂茅尾海處的營養(yǎng)鹽濃度明顯高于灣中和外灣。

(3)入海河流攜帶的營養(yǎng)鹽占入海營養(yǎng)鹽總量的78%以上，是最主要污染源。2001—2007年河流攜帶氨氮入海通量與同期海水中DIN濃度的時(shí)間變化趨勢一致，而總磷入海通量與同期海水中DIP濃度的時(shí)間變化趨勢不一致，表明河流輸入主要決定了欽州灣DIN濃度時(shí)空分布，而對DIP的影響不顯著，這與相關(guān)性分析結(jié)果一致。

4.2 建議

(1)為改善欽州灣水環(huán)境質(zhì)量，建議重點(diǎn)治理欽江和茅嶺江位于茅尾海的入海口上游欽州市區(qū)的陸源污染。

(2)由于茅尾海的封閉性和欽州灣的半封閉性，為減少灣內(nèi)的污染累積，建議欽州灣沿岸的主要污水向?yàn)惩饣驗(yàn)晨诟浇蚣信欧拧?/p>

(3)建議切實(shí)提高欽州市城鎮(zhèn)污水處理廠的收水率、處理效率和處理規(guī)模，采用脫氮除磷技術(shù)，努力確保環(huán)欽州灣的陸源污染物排放量小于欽州灣的環(huán)境容量。

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