福建東山灣八尺門海域水體與沉積物中的氮磷分布及評價

蔡真珍,鄭盛華,林永青,楊妙峰,席英玉,姜雙城,羅冬蓮

(1.廈門海洋職業(yè)技術學院,廈門市智慧漁業(yè)重點實驗室,福建 廈門 361000;2.福建省水產研究所,福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室,福建 廈門 361013;3.福建省海洋生物資源開發(fā)利用協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 廈門 361102)

東山灣海域位于福建省最南端,屬閩南地區(qū)面積最大的海灣,是福建省漁業(yè)生產三大主要基地之一.東山灣三面環(huán)抱山丘,南接臺灣海峽,北注漳江水,屬于亞熱帶河口海灣,其地理位置佳、地形地貌獨特,為近岸漁業(yè)生產和捕撈提供了有利的條件[1-2].根據(jù)高亮明等[3]的研究,僅1999-2012年期間,在東山灣,海水養(yǎng)殖的面積就擴大了10倍.東山灣八尺門海堤建于1960年,該海域水產養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達,但由于經濟高速發(fā)展和人口增加等因素,東山灣海域的生態(tài)環(huán)境遭受破壞,其優(yōu)良水產種質資源也受到威脅;更由于海堤阻隔,東山灣和詔安灣的海水不能互通,使得八尺門海域沿線生態(tài)環(huán)境面臨嚴峻的考驗.

作為影響海洋生物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素,氮、磷的含量及形態(tài)對海洋動植物具有重要意義.根據(jù)Rosenthal等[4]的研究,在網(wǎng)箱養(yǎng)殖中能被有效利用的餌料約占20%～25%,其余則以殘餌、糞便等排放到環(huán)境中.水體中大量氮磷的輸入是影響海域生態(tài)環(huán)境的重要因素之一,而沉積物作為氮磷的重要“源”和“匯”,也會影響著水體水質狀況.近岸海域水體氮的主要形態(tài)有氨氮、硝態(tài)氮、亞硝酸鹽和溶解性有機氮等,其中以無機態(tài)氮為主;磷則以可溶性有機磷及無機磷、顆粒態(tài)的有機磷及無機磷為主[5].在沉積物中,氮磷的主要形態(tài)與水體中的相同,但各形態(tài)比例發(fā)生變化,沉積物中的氮以有機氮為主,磷則有多種形態(tài)[6].因此考察和研究東山灣八尺門海域水體及沉積物中的氮磷分布及其評價,對于了解東山灣海域的生態(tài)系統(tǒng)狀況及為該海域的海洋環(huán)境保護提供科學參考依據(jù)有著重要的意義.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2013年10月在東山灣八尺門海域布設5個站點(圖1),分別采集表層水質樣品和沉積物樣品.水樣和沉積物樣品的采集均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378-2007)[7]的規(guī)定執(zhí)行.

圖1 研究海域調查站位圖

1.2 實驗方法

1.3 實驗儀器

TU-1810DPC型紫外可見分光光度計(北京普析通用公司),Multi 3430型多參數(shù)分析儀(德國WTW公司),Kjeltec 8200型全自動凱氏定氮儀(瑞典FOSS公司).

2 實驗結果與分析

2.1 東山灣八尺門海域水質評價

但富營養(yǎng)化指數(shù)法僅根據(jù)一個數(shù)值判斷富營養(yǎng)化,無法得出水質的詳細情況.黃亞楠等[12]根據(jù)40多年來富營養(yǎng)化指數(shù)E的發(fā)展,細化E值和水質之間的關系,得出了我國四類海水水質標準對應的E值.其中:025,則表明海水水質極差,低于四類標準.東山灣八尺門海域2號站位E值在625,海水水質極差,低于四類標準.

郭衛(wèi)東等[13]提出分類分級的潛在性富營養(yǎng)化評價模式,如表2所示.該評價模式綜合考慮了水體中的氮、磷及氮磷比,劃分更細致.

表2 分類分級潛在性富營養(yǎng)化評價

根據(jù)潛在富營養(yǎng)化評價法計算并對照表2,得到東山灣八尺門海域5個站位的潛在富營養(yǎng)化評價結果如表3.

表3 東山灣八尺門海域潛在富營養(yǎng)化評價結果

由表3可知,東山灣八尺門海域水體總體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化.4、5號站位更靠近養(yǎng)殖和生活區(qū),養(yǎng)殖殘餌及生活廢水的排放導致水體富營養(yǎng)化程度更高.作為浮游植物生長的關鍵營養(yǎng)元素,氮和磷的比值是衡量海域營養(yǎng)狀況的重要指標.通常情況下,在大洋、湖泊等水體中,浮游植物生長的最佳氮磷比為16,稱為Redfield值[14],但也有文獻指出,近海海域由于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性,浮游植物生長的最佳氮磷比往往不完全遵守Redfield定律[15].通常認為,氮磷比小于8為氮限制,氮磷比大于30為磷限制[13].在關于近海水體中氮磷比的研究中,經常有報道顯示數(shù)值偏離了16,如深澳灣夏季的氮磷比為13.6[16];大亞灣海域2009-2015年氮磷比接近或小于16[17].東山灣八尺門海域水體的氮磷比在10～14,略低于Redfield值16,符合近海海域營養(yǎng)鹽體系較為復雜、氮磷比與Redfield值不完全吻合的特點,考慮可能存在一定的氮限制.

2.2 東山灣八尺門海域沉積物中氮磷評價

在海域環(huán)境中,水體和沉積物是密不可分的整體,二者互相影響、相互反饋.工業(yè)化發(fā)展、人類活動、水產養(yǎng)殖等使大量的營養(yǎng)物質排入水體中,并匯聚到沉積物中.沉積物能凈化上覆水,同時也充當著上覆水的營養(yǎng)源,加劇水體的富營養(yǎng)化狀況.沉積物中存儲著各種生源要素(包括氮、磷等元素),影響著營養(yǎng)元素的代謝循環(huán)及各類物質的遷移轉化,能反映區(qū)域海域環(huán)境的變遷和水體的主要情況.

2.2.1 東山灣八尺門海域沉積物中的總體特征 通過實驗測定東山灣八尺門海域沉積物5個站位中的TOC、TN、TP值,其結果見表4.

表4 東山灣八尺門海域沉積物理化性質

TOC是以碳的含量來表示有機物總量的指標,可以較為全面地反映出沉積物中有機物的污染狀況.該海域TOC質量分數(shù)為0.87%～1.65%,符合第一類海洋沉積物質量標準[18].但TOC質量分數(shù)分布不均,4號站位TOC質量分數(shù)較高,可能與該站位附近的養(yǎng)殖活動、污染排放、有機物沉降、水體的流動性等有關.TN質量分數(shù)為0.864～1.350 g·kg-1,TP質量分數(shù)為0.486～1.072 g·kg-1,TN、TP均呈八尺門大橋往東山灣方向逐漸降低的趨勢.TOC的含量變化也有相似規(guī)律,說明周邊有較多人類活動和水產養(yǎng)殖活動的水體沉積物中TOC含量較高,航運、養(yǎng)殖等均會對沉積物中的碳、氮、磷含量產生影響.

分析沉積物中TOC、TN、TP三者之間的相關性見表5,TN與TOC之間的相關系數(shù)為0.778,TP與TOC之間的相關系數(shù)為0.566,均呈顯著正相關,而TP和TN之間的相關系數(shù)更達0.910,這顯示了在東山灣八尺門海域,TOC、TP、TN之間具有同源性.

表5 沉積物理化性質相關性(n=5)

2.2.2 東山灣八尺門海域沉積物中各元素比值 分別計算5個站位的碳、氮、磷三者之間的比值,其結果見表6.

表6 沉積物中各元素比值

沉積物中的C/N值可在一定程度上反映有機質來自于何種生物種類.根據(jù)文[19]報道,高等植物的C/N值范圍為14～23,水生生物的C/N值范圍為2.8～3.4,浮游動植物的C/N值范圍為6～13,藻類為5～14.Milliman等[20]將TOC/TN值大于12及小于8的分別劃為陸源有機物和海源有機物.該海域沉積物中的C/N值為9.37～14.26,說明有機質的主要來源為水體中的浮游動物、浮游植物及藻類,陸源有機質占比很低.C/P含量隨著站位的變化特點與C/N值相似,第1、4、5站位含量較高,其余站位稍低.沉積物的N/P是沉積物中的吸附、釋放等動態(tài)過程的綜合表現(xiàn),能在一定程度上反映沉積物中的富營養(yǎng)化程度[21].5個站位的N/P值在2.51～3.94,低于Redfield值,可見該海域沉積物中的P主要為外源輸入.

計算結果見表7,八尺門海域的Si(TN)為1.57～2.45,平均值為2.07,Si(TP)為0.81～1.79,平均值為1.47.綜合污染指數(shù)FF的值為1.02～1.96,平均值為1.63.

表7 沉積物中的污染評價指數(shù)

根據(jù)評價標準[25],Si為單項評價指數(shù),若大于1,則表明含量超過標準;綜合污染指數(shù)值FF<1.0為清潔等級,1.0≤FF≤1.5為輕度污染,1.5≤FF≤2.0為中度污染,FF>2.0為重度污染.對照計算結果,5個站位的Si(TN)和Si(TP)值均大于1,說明存在一定污染.從綜合污染指數(shù)看,東山灣八尺門海域除了1號站位為輕度污染外,其他站位均為中度污染.

2.2.4 東山灣八尺門海域有機氮和有機指數(shù)評價 有機氮(ON)可評價沉積物質量和污染等級,[ON]=[TN]×0.95(其中總氮需換算成百分比單位形式,即1 000 mg·kg-1=0.1%),有機指數(shù)=有機碳(%)×有機氮(%)[26],具體見表8.

表8 沉積物有機氮評價標準

東山灣八尺門海域的有機氮和有機指數(shù)評價值見表9.該海域有機氮范圍為0.128～0.082,平均值0.108,均屬于“尚清潔”等級,對應的有機氮污染等級為Ⅲ.有機指數(shù)為0.074～0.212,平均值0.120,其中,4號站點的TOC含量比較高,有機指數(shù)達0.212,屬于“尚清潔”等級,對應的污染等級為Ⅲ.而其他站位的有機指數(shù)都符合“較清潔”的等級,對應的有機氮污染等級為Ⅱ.

表9 東山灣八尺門海域沉積物有機氮及有機指數(shù)

總體而言,東山灣八尺門海域水質中的有機污染水平尚可,5個站位均未達到有機污染的等級.有機指數(shù)評價的結果與污染指數(shù)評價的結果較為一致.

2.3 與已有研究結果的對比

2.3.1 與東山灣海域不同年份的對比 為進一步研究東山灣海域氮磷情況,將本研究與東山灣不同年份的數(shù)據(jù)進行對比,具體見表10.由表10對比可見,東山灣海域水體中的無機氮、總磷含量及沉積物中的總氮、總磷含量從1982-2013年總體呈現(xiàn)升高的趨勢,有機碳則有所下降.水體和沉積物中的營養(yǎng)鹽的影響因素有浮游植物的初級生產、水體有機碎屑的再礦化等內部過程及大氣沉降、與臨近海域的水體交換等過程.東山灣海域水體和沉積物中的無機氮、總磷、總氮的變化趨勢反映了隨著區(qū)域經濟及養(yǎng)殖產業(yè)的發(fā)展、人類活動增加頻繁,氮、磷等物質排放量增大,使其呈現(xiàn)增高趨勢.沉積物中的有機碳含量均未超過2%,符合海洋沉積物質量標準.但1998-2016年的調查數(shù)據(jù)顯示,沉積物中有機碳含量均在1.1%～1.6%,可見作為傳統(tǒng)養(yǎng)殖區(qū),其底部由于殘餌糞便的累積而產生豐富的有機質,易造成沉積物中有機碳的富集.

表10 歷年來東山灣海域水質和沉積物中的氮磷含量

2.3.2 與同期福建其他海域的對比 為進一步研究東山灣海域的氮磷情況,將本研究與同期福建其他海域的氮磷進行對比見表11.從表中可知,東山灣八尺門海域水體中的無機氮含量與其他海域相比處于較高水平;磷酸鹽含量也較高,低于羅源灣,但均高于所對比的其他幾個海域.沉積物中的總氮、總磷含量高于其他海域,沉積物中有機碳的含量低于福寧灣同期的含量,但與其他海域相比仍處于較高水平.總體可見,東山灣海域水體和沉積物中的氮磷等營養(yǎng)成分指標含量在福建海域屬較高水平.東山灣是濱海旅游業(yè)、臨港工業(yè)等行業(yè)較密集的區(qū)域,人類活動頻繁,同時,東山灣也是福建地區(qū)海水養(yǎng)殖的重要港灣,養(yǎng)殖過程中餌料、殘餌及養(yǎng)殖對象的排泄產物均是該海域水體和沉積物中氮磷及有機碳蓄積的重要因素.

表11 東山灣與福建省其他海域水質和沉積物中氮磷等含量的對比

3 結論

(1)根據(jù)現(xiàn)場采樣及實驗測定,福建東山灣八尺門海域水體中無機氮和活性磷酸鹽均超過四類海水水質標準,水體為中度營養(yǎng)至富營養(yǎng)化狀態(tài),水體中的氮磷比在10～14,略低于Redfield值16,考慮可能存在一定的氮限制.

(2)東山灣八尺門海域沉積物中的TOC符合沉積物一類標準,總磷、總氮、TOC均呈八尺門大橋往東山灣方向逐漸降低的趨勢,相關性分析顯示三者之間具有同源性.該海域沉積物中的C/N值提示有機質的主要來源為水體中的浮游動物、浮游植物及藻類,陸源有機質占比很低.N/P值低于Redfield值,可見該海域沉積物中的P主要為外源輸入.根據(jù)污染指數(shù)評價法和有機指數(shù)評價法,東山灣八尺門海域的沉積物處于中等污染和尚清潔的狀態(tài),說明該海域的沉積物并未遭受嚴重污染.

(3)對比東山灣海域不同年份的氮磷情況,東山灣海域水質中的無機氮、總磷含量及沉積物中的總氮、總磷含量從1982-2013年總體呈現(xiàn)升高的趨勢,有機碳則有所下降.與同期福建其他海域對比,東山灣八尺門海域水體和沉積物中的氮磷等營養(yǎng)成分指標含量均較處高水平.