海南島近岸海域溶解無機磷時空分布及富營養(yǎng)化

張際標,張 鵬,戴培東,賴進余,陳 育

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海南島近岸海域溶解無機磷時空分布及富營養(yǎng)化

張際標,張 鵬*,戴培東,賴進余,陳 育

(廣東海洋大學化學與環(huán)境學院,廣東 湛江 524088)

根據(jù)2016年枯水季、豐水季和平水季海南島近岸海域表層海水現(xiàn)場調(diào)查資料,對該海域表層海水中溶解無機磷(DIP)的時空分布特征進行研究,評價其污染水平和營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu),分析該海域富營養(yǎng)化程度,并探討了研究區(qū)域DIP的主要來源及與環(huán)境因子之間的關(guān)系.結(jié)果表明,海南島近岸海域表層海水DIP的平均濃度為(0.008±0.006) mg/L,濃度范圍為0.000~0.062mg/L,萬寧小海海域是3個水季的主要污染區(qū)域;平水季研究海域DIP污染水平高于枯水季與豐水季;富營養(yǎng)化指數(shù)變化范圍為0.00~3.94,平均為(0.21±0.46),總體上海南島近岸表層海水富營養(yǎng)化程度較低,但局部海域富營養(yǎng)化問題依然突出.

溶解無機磷；污染評價；富營養(yǎng)化；影響因素；海南島近岸海域

磷是海洋生物賴以生存的生源要素之一,它的分布及含量直接影響海區(qū)初級生產(chǎn)力及浮游生物的種類、數(shù)量和分布[1-3].海洋中磷的主要來源是從大陸徑流帶來的巖石風化物質(zhì),有機質(zhì)腐解產(chǎn)物及排入河川的廢棄物.同時,海洋生物的腐解、海中風化作用、極區(qū)冰川作用、火山及海底熱泉、大氣塵降也都為海水提供營養(yǎng)元素[3-4].然而,近年來隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展,人類活動加劇,近海河口區(qū)海水環(huán)境受到陸源污染物影響日益加劇[5-7].河口與海洋交匯點是陸海相互作用和生產(chǎn)力最高的區(qū)域,其水動力環(huán)境、生物地球化學過程及人類活動等因素相互作用過程十分復雜,近幾十年來全球河口海岸帶環(huán)境污染越來越突出,其中富營養(yǎng)化問題是其中最嚴重問題之一[8-10].目前,近岸海域溶解無機氮(DIN)和活性磷酸鹽(PO4-P)濃度普遍偏高,以及由此而帶來的富營養(yǎng)化是我國沿岸水域最突出的環(huán)境問題之一[11].海南作為生態(tài)環(huán)境大省,近年來海南國際旅游島建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展進一步加快,促進了海南工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)、地產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)等多項經(jīng)濟領(lǐng)域的快速發(fā)展,但也導致了近岸海域環(huán)境污染的日趨嚴重[12].根據(jù)海南省環(huán)境狀況公報顯示,2015年海南省近岸海域劣四類海水面積約占5.4%,受養(yǎng)殖廢水和城市生活污水影響局部近海海域水質(zhì)還有惡化趨勢.例如,與2014年相比,萬寧小海和三亞河入?？诤Ｓ蛩|(zhì)均出現(xiàn)不同程度的下降,甚至局部海域有赤潮暴發(fā)[13-14].

目前,對海南島近岸中的主要化學污染物[15-18]、沉積物中重金屬[19-20]、生態(tài)環(huán)境[21-22]、赤潮[22]等環(huán)境問題均有文獻報道,但對有關(guān)溶解無機磷(DIP)與海水富營養(yǎng)化關(guān)系的研究很少并只限于局部海域[23-24],且尚未發(fā)現(xiàn)對海南島全島近岸海域DIP時空分布及海水富營養(yǎng)化方面的研究報道.隨著海南省經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,近海受沿岸陸源排污、海水殖業(yè)、港口碼頭航運等人類活動的影響日益加劇陸源污染物的排放也日趨顯著,海水富營養(yǎng)化導致的生態(tài)環(huán)境問題依然突出.因此,本文根據(jù)海南省環(huán)保廳2016年枯水季、豐水季和平水季3個季節(jié)的調(diào)查數(shù)據(jù),開展對整個海南島近岸海域DIP時空分布特征的分析,并對其影響因素以及海水富營養(yǎng)化進行探討,為有效遏制海南島局部近岸海域污染問題和防控海南島近岸海域富營養(yǎng)化海洋環(huán)境問題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累,同時為今后海南島近海環(huán)境的綜合管理提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

海南島位于中國最南端,北隔瓊州海峽,與雷州半島相望.海南島是中國僅次于臺灣島的第二大島,所轄海域面積約200萬km2,占全國海域面積的42.3%.海南全省海岸線總長為1928km,其中海南島海岸線長1618km,2016年全省年平均氣溫25.1℃,年均降雨量2176.7mm[25].本文調(diào)查數(shù)據(jù)來源于海南省生態(tài)環(huán)境保護廳(http://www.hnsthb.gov.cn/),其中2016 年 3月、4月代表枯水季,7月、8月代表豐水季,10月、11月是平水季.為了保證3個水期的可比性,本文采用了82個共同站位,如圖1所示.COD水樣采集后加入2~3滴濃H2SO4固定并冷藏保存,在實驗室應(yīng)用堿性高錳酸鉀法測定.DIN和DIP水樣先用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾,并冷藏保存.按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-2007)[26]中的要求,分別采用萘乙二胺分光光度法、鎘柱還原法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍分光光度法測定溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽–亞硝酸鹽(NO2--N)、硝酸鹽(NO3--N)、銨鹽(NH4+-N)、磷酸鹽(PO43--P),雙份平行測定.溶解無機氮(DIN)為NO2--N、NO3--N和NH4+-N三者之和,DIP為PO43--P,溶解氧(DO)、溫度(T)、酸堿度(pH值)等其他環(huán)境因子根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-2007)[26]測定.

圖1 海南島近海研究區(qū)域及表層海水監(jiān)測站位

Fig.1 Investigated adjacent coastal water areas of Hainan Island and monitoring stations of surface coastal water

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用地理信息系統(tǒng)ArcGIS(10.2)繪制海南島監(jiān)測站位示意圖;采用Ocean Data View(4.0)軟件繪制DIP濃度和富營養(yǎng)化指數(shù)空間分布圖;采用OriginLab.Origin(9.0)軟件繪制DIP污染指數(shù)和N/P圖;數(shù)據(jù)處理使用Excel軟件,并通過SPSS軟件進行顯著性水平分析,本文中數(shù)據(jù)均以算術(shù)平均值±標準偏差( Mean±SD)表示.

2 結(jié)果與討論

2.1 海南島近岸海域表層海水中DIP水平分布特征

2016年調(diào)查期間,海南島近岸海域表層DIP的平均濃度為(0.008±0.006)mg/L,濃度范圍為0.000~ 0.062mg/L.其中枯水季DIP平均濃度為(0.007 ± 0.004) mg/L,濃度范圍為0.000~0.026mg/L,水平分布呈現(xiàn)由近岸向遠岸逐漸遞減的趨勢(圖2a),最高濃度值出現(xiàn)在71站位萬寧小海海域.豐水季DIP的平均濃度為(0.008±0.004) mg/L,濃度范圍為0.000~ 0.025mg/L(圖2b),最高值也出現(xiàn)在71站位萬寧小海海域.平水季DIP的平均濃度為(0.010±0.009) mg/L,濃度范圍為0.001~0.062mg/L(圖2c),最高值出現(xiàn)在39站位新村港附近海域.萬寧小海是半封閉性海域,其海水交換能力較弱,太陽河、龍首河、龍尾河、南山河等8條大小河流匯集入小海,沿岸養(yǎng)殖和餐飲排放占用海域無序經(jīng)營,廢水和生活垃圾排入小海,可能是DIP濃度超標的重要原因.總體上,海南島近岸海域表層海水DIP濃度在枯、豐、平3個水季存在顯著差異<0.01).

2.2 海南島近岸海域DIP污染評價

根據(jù)海水水質(zhì)評價方法,DIP污染評價通常采用周愛國等[27]提出的單因子污染指數(shù)(P)法,其計算公式如下:

式中:C和S分別為DIP實測數(shù)據(jù)和評價標準值,本文以我國國家Ⅰ類海水水質(zhì)標準DIP￡0.015mg/ L,Ⅱ類和Ⅲ類海水水質(zhì)標準DIP￡0.030mg/L評價[28].當P>1時,被視為超標準水質(zhì),水體已經(jīng)受到污染;當P￡1時,表明水體未受到污染,水體受污染程度隨P值的增大而加重.其中82個研究站位中有2個Ⅲ類海水站位和16個Ⅱ類海水站位,其他均為Ⅰ類海水站位.DIP的污染評價計算結(jié)果如表1所示.

表1 海南島近岸海域DIP污染評價

由表1可見,該調(diào)查海域DIP污染指數(shù)范圍為0.000~2.067,均值為(0.459±0.289).其中,枯水季DIP污染指數(shù)范圍為0.000~1.067,平均污染指數(shù)為(0.402± 0.245),站位超標率為1.2%;豐水季DIP污染指數(shù)均值相對較高,范圍在0.000~0.933,平均指數(shù)為(0.446± 0.259),站位超標率為0.0%;平水季DIP污染指數(shù)相對枯水季和豐水季較高,范圍在0.067~2.067,平均指數(shù)為(0.528±0.341),站位超標率達到6.1%.總體來說,調(diào)查期間海南島近岸海域仍處于國家海水水質(zhì)標準正常范圍,只有局部水域污染指數(shù)超標,水體受到污染,且平水季超標受污染水域比枯水季與豐水季多.一方面,這可能是秋季水溫下降,海水中浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收降低,導致水體中DIP的含量逐漸升高;另一方面,在平水季調(diào)查季節(jié)中,由于海南島受臺風影響帶來的強降雨天氣,短時間內(nèi)陸源輸入也有可能使海水中DIP偏高.圖3顯示,海南島近岸局部海域已受到DIP的污染.枯水季近岸表層海水整體上未受到DIP的污染,只有80站位面前海灣附近海域P>1,超過國家Ⅰ類水質(zhì)標準.與枯水季相比,豐水季研究海域DIP超標率有所減少,沒有出現(xiàn)超標站位.平水季有5個站位超標,其中39站位新村港附近海域超標較嚴重,新村港附近海域與萬寧小海相似,都是半封閉性海域,海水交換能力較弱,可能是DIP濃度超標的重要原因.總體上,該調(diào)查海域表層海水DIP污染程度表現(xiàn)為平水季>豐水季>枯水季.

圖3 海南島3個水季近岸海域DIP污染指數(shù)

海洋浮游植物體內(nèi)N/P的正常值為12~22,平均值為Redfield比值16[29].水環(huán)境可利用的氮和磷在這一比值范圍內(nèi)被認為最適宜浮游植物生長[30-31].在富營養(yǎng)化水體,氮素和磷素都較豐富,而N/P 值往往被看成是赤潮發(fā)生的決定性因素.圖4顯示,在海南島近海水體中,總體上N/P范圍在2~744,平均值(46.8±78.6),海域水體整體上N相對過剩而P相對不足,表現(xiàn)為P限制特征,這可能會影響海南島近海水體中浮游植物的初級生產(chǎn)率、種類分布和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

圖4 海南島3個水季近岸海域N/P值

2.3 海南島近岸海域富營養(yǎng)化評價

為了綜合評價海南島近岸海域富營養(yǎng)化程度,本文根據(jù)DIP、DIN和COD調(diào)查數(shù)據(jù),應(yīng)用綜合指數(shù)方法計算調(diào)查海域富營養(yǎng)化指數(shù)()[32-33],其計算公式如下:

式中:COD、DIN和DIP分別為COD、DIN和DIP的濃度,mg/L.當該指數(shù)31時,表示海域水體已呈富營養(yǎng)化狀態(tài),值越大,富營養(yǎng)化程度越嚴重.

由表2可見,該研究海域富營養(yǎng)化指數(shù)范圍在0.00~3.94,變化范圍較大,均值為(0.21±0.46),表明整體上海南島近岸海域水體營養(yǎng)化指數(shù)較低.通過ANOVA分析表明,該研究海域富營養(yǎng)化指數(shù)在枯水季、豐水季和平水季富營養(yǎng)化指數(shù)不存在顯著性差異(>0.05).如圖5所示,枯水季表層海水中范圍為0.00~1.42,平均值為(0.15±0.25).豐水季時,表層海水中范圍為0.00~3.86,平均值為(0.16±0.43),與枯水季相近,僅高0.01.平水季表層海水中范圍為0.00~3.94,平均值為(0.30±0.61),比枯水季平均值高了0.15.平水季的平均值明顯高于枯水季和豐水季,這表明就整個海南省近岸海域而言,平水季的富營養(yǎng)化程度較其他2個水季要高,這可能是由于調(diào)查期間平水期內(nèi)海南島受強降雨影響,降雨導致河流徑流顯著增大,陸源入海污染物通量變大. 進一步從空間上分析表明,位于萬寧小海附近海域的71站位枯水季表層海水中為0.87,DIN濃度比豐水季和平水季低,可能由于枯水季降水量較少,入海水量減少導致入海污染物通量降低導致的.然而,在豐水季和平水季表層海水中呈現(xiàn)嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài),分別為3.86,3.94,豐水季和平水季該站位海域表層海水中DIP、DIN和COD的濃度均屬于較高水平,導致表層海水中富營養(yǎng)化程度高.海南近岸海域31的站位分別占整個調(diào)查海域的2.4%、1.4%和4.9%.這表明總體上海南島近岸表層海水富營養(yǎng)化程度較低,但局部海域富營養(yǎng)化問題依然突出.

表2 海南島近岸海域表層海水富營養(yǎng)化指數(shù)

2.4 影響海南島近海DIP濃度環(huán)境因子分析

表3 海南島近海DIP濃度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

注: **標示置信水平在99%以上,*標示置信水平在95%以上.

由海南島近岸海域DIP與環(huán)境因子之間的相關(guān)分析(表3)可見,枯、豐、平3個水季表層海水中DIP與pH值和DO 均存在一定的負相關(guān)關(guān)系(<0.05),可能是由于陸源徑流有機污染物輸入的不斷增加為表層浮游植物的生長提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ),有機物降解過程消耗水體中氧氣,從而加劇了該水域的氧消耗,同時部分有機物轉(zhuǎn)化為水體中DIP[34-36].其中豐水季表層海水中DIP與鹽度(PSU)存在顯著的負相關(guān)性(<0.01),表明海南島豐水季節(jié)表層海水中DIP主要來自于陸源營養(yǎng)鹽的輸送[23-24].同時,豐水季內(nèi)DIP與COD呈顯著正相關(guān)(<0.01),表明DIP和COD可能具有一定的相同來源特征.在平水期內(nèi),表層海水中DIP濃度分別與DIN和DO濃度呈顯著正相關(guān)和負相關(guān),這說明在平水期內(nèi)表層海水中DIP與DIN可能具有相同來源和歸宿,可能是來自生物體耗氧分解的產(chǎn)物[37].

3 結(jié)論

3.1 受陸源污染物輸入和水動力過程的影響,枯、豐、平3個水季海南島近岸海域表層海水DIP總體的平均濃度為(0.008±0.006)mg/L,濃度范圍為0.000~ 0.062mg/L.其濃度在枯、豐、平3個水季之間存在顯著差異(<0.01).調(diào)查期間海南島近岸海域表層海水只有局部海域超標,水體受到污染,平水季DIP站位超標率高于枯水季和豐水季.局部海域N/P值偏高,造成營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)失衡,可能出現(xiàn)磷限制浮游植物生長現(xiàn)象.

3.2 海南島近岸海域表層海水富營養(yǎng)化指數(shù)變化范圍是0.00~3.94,均值為(0.21±0.46),表層海水富營養(yǎng)化指數(shù)在枯、豐、平3個水季之間并不存在顯著差異.平水季富營養(yǎng)化指數(shù)平均值高于枯水季和豐水季.萬寧小海臨近海域豐水季和平水季表層海水中呈現(xiàn)嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài).總體上海南島近岸表層海水富營養(yǎng)化程度較低,但局部海域富營養(yǎng)化問題依然突出.

3.3 海南島近岸海域枯、豐、平3個水季表層海水中DIP與pH值和DO 均存在一定的負相關(guān)關(guān)系(<0.05).豐水季表層海水中DIP與鹽度存在顯著的負相關(guān)性(<0.01),表明海南島豐水季節(jié)表層海水中DIP主要來自于陸源營養(yǎng)鹽的輸送.同時,豐水季內(nèi)DIP與COD呈顯著正相關(guān)(<0.01),表明DIP和COD可能具有一定的相同來源特征.在平水期內(nèi),表層海水中DIP濃度分別與DIN和DO濃度呈顯著正相關(guān)和負相關(guān).

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Spatiotemporal distributions of DIP and the eutrophication in Hainan Island adjacent coastal water.

ZHANG Ji-biao, ZHANG Peng*, DAI Pei-dong, LAI Jin-yu, CHEN Yu

(College of Chemistry and Environmental Science, Guangdong Ocean University, Zhan jiang 524088, China)., 2019,39(6)：2541~2548

Based on the field investigation data of surface seawater along the Hainan Island coastal water in dry, wet and normal flow seasons of 2016 year, the spatiotemporal distribution characteristics of dissolved inorganic phosphorus (DIP) were studied. The DIP pollution level, nutrient composition and eutrophication were evaluated. Meanwhile, the main source of DIP and the relationship between DIP and environmental factors were also discussed. The results showed that the average concentration of DIP was (0.008±0.006) mg/L, ranged from 0.000mg/L to 0.062mg/L in the surface seawater along the Hainian Island coastal area. The high concentration of DIP was distributed around the Xiaohai adjacent coastal water of Wanning city in all seasons. The pollution level of DIP in normal flow season was higher than that in wet and dry flow seasons. The eutrophication index ranged between 0.00 and 3.94, with an average value (0.21±0.46). The overall eutrophication of Hainan Island adjacent seawater was relatively low, but the eutrophication problem in some local coastal water areas was still outstanding.

dissolved inorganic phosphorus (DIP)；pollution assessment；eutrophication；influencing factors；Hainan Island coastal water

X55

A

1000-6923(2019)06-2541-08

張際標(1971-),男,江西南康人,副教授,博士,主要從事海洋環(huán)境化學研究.發(fā)表論文20余篇.

2018-11-14

廣東海洋大學博士科研啟動費資助項目(R18021);國家自然科學基金青年科學基金項目(41706129);2018年度校級質(zhì)量工程暨“創(chuàng)新強校工程”教學類項目(524210443);2018年度廣東海洋大學教育教學改革項目(524210390);2018年度廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金項目(PDJH0241)

*責任作者, 講師, zhangpengouc@163.com