大亚湾海域2019~2023年氮、磷营养盐的变化及富营养化评价

Changes in Nitrogen and Phosphorus Nutrients and Eutrophication Assessment in Daya Bay from 2019 to 2023

摘要: 笔者为了解大亚湾海域海水中氮(N)、磷(P)营养盐的时空分布情况及富营养化程度，基于2019~2023年间大亚湾海域海水采样监测数据进行分析。结果表明：1) 2019~2023年期间，大亚湾海域DIN和DIP的浓度在时间上呈现先增后降的趋势，DIN和DIP的浓度在2020年达到最大值，在2023年达到最小值。在空间上呈现从大亚湾湾顶至湾口逐渐降低的趋势，主要集中在大亚湾西北部的澳头海域的网箱养殖区；2) 大亚湾海域营养盐结构在2020~2022年内发生了变化，由相对磷限制变为相对氮限制；3) 陆源输入和海产养殖是大亚湾海域出现富营养化的主要影响因素，随着近年管控的加强，大亚湾海域整体上经历了由中度富营养转为轻度富营养，最终无富营养化的过程。

Abstract: To understand the spatio-temporal distribution and eutrophication level of nitrogen (N) and phosphorus (P) nutrients in the seawater of Daya Bay, the authors collected the seawater samples and analyzing data from 2019 to 2023. The results showed that: 1) From 2019 to 2023, the concentrations of in the seawater of DIN and DIP in Daya Bay exhibited a trend of increasing first and then decreasing over time. The concentrations of DIN and DIP reached their maximum values in 2020 and their minimum values in 2023. Spatially, they showed a gradual decrease from the bayhead to the bay mouth, mainly concentrated in the cage culture area of the Aotou sea area in the northwest of Daya Bay; 2) The nutrient structure in Daya Bay changed from being relatively phosphorus-limited to nitrogen-limited between 2020 and 2022; 3) Land-based inputs and marine aquaculture are the main factors contributing to eutrophication in Daya Bay. With the strengthening of control measures in recent years, Daya Bay has undergone a transition from moderate eutrophication to mild eutrophication, and ultimately to a state without eutrophication.

1. 引言

大亚湾位于广东省惠州市南部，是广东沿岸较大的半封闭性海湾，湾内水产资源种类繁多，是南海的水产种质资源宝库。大亚湾被列为重点经济开发区后进入了蓬勃发展的时期，目前环大亚湾区域已经具备良好的自然资源禀赋和产业基础，在各种产业高速发展的同时，大亚湾海域的营养盐浓度也发生了变化[1]。彭云辉[2]等、丘耀文[3]等的研究表明，在1985~2002年期间，大亚湾海域磷酸盐(DIP)浓度逐渐减少，且减少幅度较大，而无机氮(DIN)浓度则逐渐增加，因此氮磷比(N/P)也逐年增大，大部分海域水体处于贫营养状态，营养盐限制因子由氮限制转变为磷限制。王友绍[4]等、李纯厚[5]等的研究表明2007年大亚湾海域的氮磷比(N/P)大于50，海域水体处于中营养状态，营养盐限制因子为磷(P)限制。

笔者查阅关于大亚湾海域营养盐的长期研究，最近研究时间停留在2015年[6]，而近年来国内的相关研究报道多集中于浮游动植物与营养盐的响应、叶绿素[7]、营养盐季节变化特征[8]等，缺乏针对2015年以后营养盐含量变化的长期监测分析数据。本文以2019~2023年间获取的9次监测数据为基础，对大亚湾海域的N、P营养盐的时空分布特征进行研究，本次研究由于时间跨度长，数据采集频率相对较低，且采样时段主要集中在春季与秋季，存在一定的季节性不均衡，可能导致部分季节特征的营养盐变化未能充分体现，从而影响整体时序变化的代表性。此外，年际趋势的判断在样本有限的情况下容易受到单次监测结果的影响，导致对长期变化趋势的解释存在不确定性，希望能为大亚湾海域水质环境监测及富营养化评价提供基础方向。

2. 材料与方法

2.1. 数据来源

本次分析所用数据来源于2019年6月、9月，2020年9月、2021年4月、10月，2022年4月、10月，以及2023年4月、9月在大亚湾海域布设的16个监测站位的监测结果。具体站位信息见图1。

Figure 1. Map of sampling stations in Daya Bay

图1. 大亚湾采样站点图

2.2. 样品采集及检测分析方法

本次调查依据《海洋监测规范第3部分：样品采集、贮存与运输》对样品运输、保存的要求开展样品采集和保存工作，用1L采水器采集各个站位水样，根据站点水深分表底层进行采样，低温保存后进行检测分析。监测项目包括化学需氧量(COD)、活性磷酸盐(DIP)和无机氮(DIN)，无机氮DIN为硝酸盐(NO₃-N)、亚硝酸盐(NO₂-N)以及氨氮(NH₄-N)的浓度之和。按照《海洋监测规范第4部分：海水分析》(GB 17378.4-2007)方法进行检测，其中，COD采用碱性高锰酸钾法测定，DIP采用磷钼蓝分光光度法测定，氨氮(NH₄-N)采用次溴酸钠氧化法测定，亚硝酸盐(NO₂-N)采用萘乙二胺分光光度法测定，硝酸盐(NO₃-N)采用锌–镉还原法测定。

2.3. 数据处理

本文依据单因子指数评价法和富营养化指数评价法进行统计分析。

2.3.1. 单因子质量指数评价

采用单因子质量指数法[9]对调查海域进行营养盐(DIN、DIP)参数评价，采用《海水水质标准》(GB3097-1997)的第二类海水水质标准做参照对海水样品数据进行评价。单因子质量指数计算公式如下：

$I_{\text{i}}=C_{\text{i}}/C_{\text{io}}$

式中：I_i为某因子的标准指数即单因子标准指数；C_i为某因子的实测浓度；C_io为某因子的评价标准浓度(本研究采用国家二类海水水质标准)。

2.3.2. 富营养化指数评价

对海水水质进行富营养化评价，其计算公式[10]如下：

$N_i=C_{COD}\times C_{DIN}\times C_{DIP}\times {10}^6/4500$

式中：N_i为营养指数，CCOD、CDIN、CDIP分别为化学需氧量、无机氮和无机磷的实测浓度。当N_i ≥ 1时，认为水体富营养化。其中1 ≤ E ≤ 3为轻度富营养，3 < E ≤ 9为中度富营养，E > 9为重度富营养。

监测数据表采用Excel2010进行统计，平面分布图采用ArcMap进行绘制。

3. 结果与分析

3.1. 大亚湾营养盐的时空分布特征

大亚湾调查海域2019~2023年的环境因子的基本统计值如表1，图2所示。

Table 1. Basic statistical values of environmental factors in Daya Bay from 2019 to 2023

表1. 大亚湾2019~2023年环境因子基本统计值

调查 年份	CDIN/(mg/L)		CDIP/(mg/L)		CCOD/(mg/L)
	范围	平均值 ± 标准差	范围	平均值 ± 标准差	范围	平均值 ± 标准差
2019	0.04~0.63	0.17 ± 0.10	0.003~0.092	0.009 ± 0.012	0.54~2.96	1.37 ± 0.57
2020	0.07~0.52	0.26 ± 0.16	0.011~0.039	0.021 ± 0.006	0.75~2.26	1.32 ± 0.42
2021	0.08~0.46	0.21 ± 0.07	0.009~0.036	0.016 ± 0.005	0.64~3.45	1.22 ± 0.87
2022	0.04~0.29	0.12 ± 0.06	0.002~0.107	0.016 ± 0.020	0.13~1.52	0.63 ± 0.39
2023	0.03~0.29	0.12 ± 0.07	0.001~0.024	0.005 ± 0.004	0.48~3.60	1.29 ± 0.64

Figure 2. Statistical value change chart of environmental factors from 2019 to 2023

图2. 大亚湾2019~2023年环境因子统计值变化图

大亚湾海域无机氮(DIN)含量依据《海水水质标准》(GB3097-1997)进行划分，2019年一类、二类海水标准的海域分别占75%和16%；2020年一类、二类海水标准的海域分别占57%和7%；2021年一类、二类海水标准的海域分别占40%和43%；2022年一类、二类海水标准的海域分别占88%和12%；2023年一类、二类海水标准的海域分别占85%和15%。大亚湾海域DIN空间分布差异呈现由湾内向外海递减的趋势。

大亚湾海域无机磷(DIP)含量依据依据《海水水质标准》(GB3097-1997)进行划分，2019年一类海水标准的海域占96%；2020年一类海水标准的海域占22%；2021年一类海水标准的海域占81%；2022年一类海水标准的海域占67%；2023年一类海水标准的海域占98%。大亚湾海域DIP空间分布差异与无机氮分布趋势一致，呈现出由湾内向外海递减的趋势。

对大亚湾海域的DIN和DIP进行单因子质量指数评价，采用《海水水质标准》(GB3097-1997)的第二类海水水质标准做评价标准浓度，结果见表2。表2显示大亚湾整体海域的营养盐浓度在2020年达到最大值，在2023年达到最小值，呈现先增加后下降的趋势。

Table 2. Single-factor quality assessment results of nutrient salts in the waters of Daya Bay

表2. 大亚湾海域营养盐单因子质量评价结果

调查 年份	I (DIN)			I (DIP)
	范围	平均值 ± 标准差	超二类站位占比	范围	平均值 ± 标准差	超二类站位占比
2019	0.01~2.11	0.56 ± 0.34	9%	0.22~6.10	0.62 ± 0.81	4%
2020	0.25~1.73	0.87 ± 0.54	35%	0.70~2.59	1.39 ± 0.44	78%
2021	0.27~1.54	0.70 ± 0.25	17%	0.61~2.38	1.06 ± 0.38	19%
2022	0.14~0.97	0.39 ± 0.19	0	0.15~7.14	1.08 ± 1.38	33%
2023	0.11~0.96	0.41 ± 0.22	0	0.07~1.60	0.40 ± 0.30	2%

3.2. 大亚湾营养盐结构变化

Figure 3. Annual variation of nutrient structure in the waters of Daya Bay

图3. 大亚湾海域营养盐结构的年变化

氮磷比(N:P)可以衡量氮和磷两种元素对水体富营养化的贡献，是考察海水中营养盐浓度结构的主要指标。氮磷比通过对浮游植物种群结果的影响，进而影响整个生态系统网[11]。一般情况下，浮游植物按照N:P比值(原子比)为16:1的比例吸收海水中的氮、磷元素，称为Redfield比值[12]，过高或过低的偏离这个比值均会引起浮游植物的正常生长受到限制，当N:P > 16:1时，表明水体为磷限制：当N:P < 16:1时，表明水体为氮限制。大亚湾海域营养盐结构的年变化如图3所示。结果显示，2020~2022年大亚湾海域营养盐结构为相对氮限制，2019年和2023年为相对磷限制，N/P的平均值分布在7.5~24之间，其变化趋势表现为先降低再升高，最小值出现在2022年。王友绍[4]等、李纯厚[5]等的研究表明，以往大亚湾海域的N/P比值一直在30左右，已经远远高于浮游植物正常生长所需的量，处于磷限制，这与本文调查结果不同，表明大亚湾海域2015至2023年间的营养盐结构相比之前发生了变化，营养盐限制因子由磷限制转化为氮限制。

3.3. 大亚湾营养盐富营养化评价结果

Table 3. Evaluation results of nutrient eutrophication in the waters of Daya Bay

表3. 大亚湾海域营养盐富营养化评价结果

调查年份	Ni
	范围	平均值 ± 标准差	富营养化站位占比	富营养化程度
2019	0.05~2.52	0.43 ± 0.48	9%	轻度富营养
2020	0.31~5.00	1.66 ± 1.36	43%	中度富营养
2021	0.08~7.63	0.99 ± 1.37	25%	中度富营养
2022	0.02~2.13	0.26 ± 0.51	8%	轻度富营养
2023	0.02~0.78	0.19 ± 0.17	0	无富营养化

Figure 4. Distribution characteristics of nutrient eutrophication in the waters of Daya Bay

图4. 大亚湾海域营养盐富营养化分布特征

对大亚湾海域进行营养盐富营养化评价，结果见表3与图4。结果显示从2019年至2023年期间，2020年富营养化站位占比最大，2021年站位富营养化指数出现最大值7.63，2023年没有站位出现富营养化现象。总体来说，大亚湾海域的富营养化水平呈现先上升后下降的趋势。

3.4. 大亚湾富营养化影响因素分析

N、P营养盐是海水中浮游植物生长的重要物质基础，其浓度升高容易造成浮游植物大量生长繁殖[13]，从而造成赤潮现象。20世纪以来随着大亚湾区的高速发展，大亚湾部分海域受径流输入、外海水入侵、渔业养殖和污水排放等多重因素影响，达到了中度富营养化水平[14]。本次研究期间，从空间上看，DIN和DIP浓度呈现从近海岸向远海岸逐渐减少的趋势，含量分布高值区主要集中在大亚湾的澳头海域，这与马玉等[15]研究结果一致。根据2017年4月惠州市自然资源局大亚湾分局发布的“关于渔排养殖管理工作的基本情况”通告可知，大亚湾共有167个有证渔排，根据《大亚湾区海洋环境保护三年行动计划(2017~2019年)》，2015年大亚湾区海水网箱养殖总面积5.54公顷，而澳头海域是大亚湾主要的网箱养殖区。在养殖过程中需要投放饵料，饵料中含有大量氮、磷等营养物质，这些营养物质会有部分被释放到海水水体中，从而导致该海域水体中氮、磷含量升高。同时由于澳头海域为大亚湾主要入海河流中淡澳河的入海口，陆源输入也是海域水体中N、P的主要来源[16]，入海河流N排放占N总排放量的54%，入海河流P排放占P总排放量的51%，其次为海水养殖的47%，工业和生活废水的排放使近岸海域N、P营养盐浓度显著上升[17]。总体来看，陆源输入以及水产养殖等活动对大亚湾海域N、P营养盐的分布起关键作用，是造成近岸海域营养盐含量升高的主要原因之一。

从时间上看，N和P的浓度总体上是呈现下降趋势。大亚湾海域水质良好，是传统的渔业养殖区，大部分为传统的筏式养殖，主要分布在近岸的纯洲、鲨鱼洲和亚洲的周边海域。近年来，为满足国家重大战略经济的发展需要和可持续发展的要求，近岸海水养殖正逐步退出附近海域，2021年11月惠州大亚湾经济技术开发区管理委员会要求清退养殖鱼排，同时2021年8月惠州日报发布“淡水河淡澳河水质实现转折性改善”报道，自2020年起，淡澳河虎爪断面水质达到Ⅳ类标准，其中，N浓度2022年同比改善34.0%；总磷浓度削减呈现先快后稳趋势，2022同比改善5.3%，沿海城镇污水收集管网也在不断完善，湾区海洋环境保护行动计划也在持续推进，陆源排入近岸海域的N、P也随之减少。经过养殖渔排清退与陆源输入控制的管控措施，大亚湾的N、P的平均浓度总体上均有所减少，近岸海域富营养化情况有所改善，与表3的发展趋势一致。

4. 结论

1) 2019~2023年，大亚湾海域DIN和DIP的浓度在时间上呈现先增后降的趋势，DIN和DIP的浓度在2020年达到最大值，在2023年达到最小值。在空间上呈现从大亚湾湾顶至湾口逐渐降低的趋势，主要集中在大亚湾西北部的澳头海域的网箱养殖区。

2) 大亚湾海域营养盐结构在2020~2022年内发生了变化，由相对磷限制变为相对氮限制。

3) 陆源输入和海产养殖是大亚湾海域出现富营养化的主要影响因素，随着近年管控的加强，大亚湾海域整体上经历了由中度富营养转为轻度富营养，最终无富营养化的过程。

NOTES

^*通讯作者。