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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 2: 196 - 207

DOI: https://doi.org/10.11978/2024120

Marine Environmental Protection

Distribution of nutrients and eutrophication characteristics in the surface water around Nan’ao Island

  • HUANG Haochen , 1, 2 ,
  • KE Zhixin , 1, 3 ,
  • ZHOU Zhixi 4 ,
  • ZHOU Weihua 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Guangdong Provincial Observation and Research Station for Coastal Upwelling Ecosystem, Shantou 515041, China
  • 4. South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
KE Zhixin. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2024-06-05

  Revised date: 2024-08-19

  Online published: 2024-08-29

Supported by

Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2021B1212050023)

Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2023B1212060047)

National Natural Science Foundation of China(32171548)

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515010656)

Fold

Abstract

The key environmental factors (nutrients, chlorophyll a (Chl a), chemical oxygen demand (COD), etc.) and eutrophication indexes were investigated in the surface water around the Nan’ao Island in 2022. The seasonal change of nutrients concentration was significant, which gradually declined from northwest to southeast in the surrounding region of the island. The nutrients concentration was significantly higher in winter than in other seasons. During summer, the nutrients concentration was high near the Qin’ao Bay, which possibly originated from the discharge of domestic wastewater. The highest dissolved inorganic nitrogen (DIN) was found near the estuary of the Rongjiang River and the highest dissolved inorganic phosphorus (DIP) was found near a net cage aquaculture zone in the Zhelin Bay. This phenomenon suggested that the river input increased the nitrogen loading and the cage aquaculture increased the phosphorus loading in this region. The seawater showed high Chl a and low nutrients in summer, suggesting the strong bio-assimilation effect of phytoplankton on the nutrients. The structure of nutrients was generally balanced, and no absolute limitation was detected for nitrogen, phosphorus or silicate. Nitrogen nutrients were relatively limited in the offshore region in autumn. According to the eutrophication index (EI), nutrient quality index (NQI) and trophic index (TRIX), the highest eutrophic status was generally located in the Zhelin Bay and the Rongjiang River estuary. However, the region near the Qing’ao Bay showed high eutrophic status in summer. With the rapid development of tourism, the influence of domestic wastewater should be paid more attention to in the Nan’ao Island. The eutrophication indices showed a significantly positive correlation with DIN and a negative correlation with salinity. River discharge should be the main reason for water eutrophication in this region. The eutrophic status could be much underestimated using the EI index for waters with low nutrients and high chlorophyll during summer. The results contribute to a better understanding of the water quality status around the Nan’ao Island and provide basic data for environment management and marine resource utilization.

Key words： Nan’ao Island; water quality assessment; nutrients; eutrophication; trophic index (TRIX)

Cite this article

HUANG Haochen , KE Zhixin , ZHOU Zhixi , ZHOU Weihua . Distribution of nutrients and eutrophication characteristics in the surface water around Nan’ao Island[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(2) : 196 -207 . DOI: 10.11978/2024120

沿海地区是全球经济发展和人类活动的核心地带, 并提供巨大的经济和生态效益(Anthony et al, 2009; Dai et al, 2023)。近岸和河口水域除受到海洋活动影响外, 还通常受到人为干扰的陆源因素作用。近年来, 随着人类活动和气候变化, 其生态系统演变速度加剧(Valiela et al, 1992; Cloern et al, 2016; Ke et al, 2022)。其中一个重要的诱因就是陆源输入和人类活动带来氮、磷等营养盐的增加导致水体富营养化, 造成水体缺氧和赤潮等生态灾害的频繁发生(Glibert et al, 2005)。水体富营养化的风险评估工作是水环境管理的重要环节, 合理客观的富营养化评估能够为水环境治理策略提供基本参考。评估水体的富营养化程度, 除通过单因子指标法外, 研究人员还建立了多种综合评价指数, 以综合多种环境因子对水体环境进行综合评估和判断。常见的有富营养化指数(eutrophication index, EI)、营养质量指数(nutrient quality index, NQI)和营养状态指数(trophic index, TRIX)等(邹景忠 等, 1983; 林荣根, 1996; Vollenweider et al, 1998)。这些综合指数不仅考虑了影响海水富营养化的直接因素营养盐浓度, 还考虑了海水富营养化后的一些症状指标, 常见的如叶绿素a (Chl a)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)(林晓娟 等, 2018)。近年来, 模糊综合评价、嵌套环境状况评估工具(nested environmental status assessment tool, NEAT)等综合评价模型和各类基于机器学习算法而开发的综合模型等被用于近海水质评估(王焕松 等, 2010; Uddin et al, 2022; Tan et al, 2023)。EI等综合评价指数由于其既考虑了物理、化学和生物学等多个层面的环境因子, 可以更客观的体现水体的营养状况, 又易于推广使用, 方便和历史数据对比, 仍被广泛地应用于水质健康评价(郭康丽 等, 2022; Rodrigues et al, 2022; Gogoi et al, 2024)。但许多国内研究仅使用了单一指数对富营养化程度进行判断, 缺乏不同指数的综合分析和对比(李妙聪 等, 2021; 李赛赛 等, 2024; Wu et al, 2024)。
南澳岛位于台湾海峡与南海的交汇处, 夏季受季节性上升流影响, 冬季受闽浙沿岸流南下入侵影响(舒业强 等, 2018)。该海域海洋生物多样性高, 渔业资源丰富, 海水种养业发达, 是广东省海洋牧场建设的重点海域。该海域受人类活动和陆地径流输入影响剧烈, 周边有黄冈河、韩江和榕江等径流的输入, 周边海域分布有大型海藻栽培、贝类养殖和网箱养殖等多种类型海水养殖模式(彭璇 等, 2014)。历史调查结果显示, 该海域的氮磷营养盐浓度基本呈现由西北部柘林湾向东南部外海递减的变化趋势(彭璇 等, 2014; 陈丹婷 等, 2020)。近些年, 该海域的海水养殖业发展迅速, 南澳县全岛牡蛎养殖面积达2万多亩, 年产量在3万吨以上, 是广东省最大的规模化牡蛎养殖基地(南澳县人民政府, 2022)。另外, 自南澳岛大桥2015年开通以来, 岛上常住人口和旅游人数剧增, 周边海域受到生活污水排放、旅游观光等人类活动多重因素影响(刘陈 等, 2019)。为促进该海域海洋开发的可持续发展, 这些环境变化对周边海域生态环境的影响亟须得到科学评估。本研究对南澳岛周边海域表层海水水质因子进行了4个季节的调查, 运用并综合多个水体富营养评价指数对南澳周边海域的富营养化现状进行了评价, 为该海域的环境保护和可持续发展提供科技支撑。

1 数据和方法

1.1 研究区域

调查于2022年5月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)和2023年1月(冬季)分4个季节进行, 每次调查耗时2d。在南澳岛周边海域共设置12个调查站位(图1)。这些站位根据温度、盐度和叶绿素a等理化因子进行聚类, 可以分为近岸(S1—S4、S6、S10和S12)和远岸(S5, S7—S9和S11)两组, 近岸组主要受人类活动影响, 而远岸组主要受海流影响(柳原 等, 2024)。其中S1靠近柘林湾网箱养殖区, S2—S4位于牡蛎和大型海藻养殖区, S10和S12分别靠近韩江和榕江入海口, S9位于海上风电场建设区。
图1 南澳岛周边采样站位分布图

该地图基于自然资源部国家基础地理信息中心审图号为GS(2024)0568号标准地图制作, 底图无修改

Fig. 1 The sampling stations around Nan’ao Island

This map is based on the standard map GS (2024) 0568 approved by the National Basic Geographic Information Center of the Ministry of Natural Resources, with no modifications to the base map

1.2 采样和分析方法

每个站位的表层水用5L有机玻璃采水器于水面下0.5m处采集。水体的温度(T)、盐度(S)由温盐深测量仪(SBE25 plus, 美国); 溶解氧(DO)由水质多参数仪(YSI6600, 美国)在船上原位测定。取0.2~0.5L水样用GF/F滤膜(Whatman)过滤, 滤膜用于叶绿素a的测定, 过滤后的水样用于营养盐含量分析, 滤膜和用于营养盐测定的水样在-20℃保存。叶绿素滤膜用90%的丙酮萃取后用荧光光度计(Turner-Design 10AU, 美国)测定。硝态氮( N O 3 −)、亚硝氮( N O 2 −)、铵氮( N H 4 +)和活性硅酸盐( Si O 3 2 −)用注射式流动营养盐分析仪(Lachat QC8500, 美国)测定, 活性磷酸盐( P O 4 3 −)用磷钼蓝比色法在分光光度计上测定。化学需氧量(COD)采用高锰酸钾法测定。溶解无机氮(DIN)为硝态氮、亚硝氮和铵氮的总和, 溶解无机磷(DIP)直接以活性磷酸盐计算。调查所用温盐深测量仪经国家海洋计量站广州分站校准, COD经3次平行重复测定, 所有标准曲线r2 > 0.999。
水体的富营养化状况用富营养化指数(EI)、营养质量指数(NQI)和营养状态指数(TRIX)来指示。EI指数计算公式如下(邹景忠 等, 1983):
EI = DIN × DIP × COD × 10 6 4500
式中: DIN为海水溶解无机氮质量浓度(单位: mg·L-1), DIP为活性磷酸盐质量浓度(单位: mg·L-1), COD为海水化学需氧量(单位: mg·L-1)。若EI > 1则认为该水体为富营养化状态, EI值越高水体富营养化程度越严重。水质富营养等级划分标准参考《近岸海域环境监测规范》(中华人民共和国环境保护部, 2008): 1 ≤ EI < 2轻度富营养, 2 ≤ EI < 5中度富营养, 5 ≤ EI < 15重富营养, EI ≥ 15严重富营养。
NQI指数计算公式如下(林荣根, 1996):
$\mathrm{NQI}=\frac{\mathrm{COD}}{\mathrm{COD}^{\prime}}+\frac{\mathrm{DIN}}{\mathrm{DIN}^{\prime}}+\frac{\mathrm{DIP}}{\mathrm{DIP}^{\prime}}+\frac{\mathrm{Chl} a}{\mathrm{Chl} a^{\prime}}$
式中: COD、DIN、DIP和Chl a分别为所监测海水的化学需氧量(单位: mg·L-1)、溶解无机氮质量浓度(单位: mg·L-1)、溶解无机磷质量浓度(单位: mg·L-1)和叶绿素a质量浓度(单位: µg·L-1); 而COD′、DIN′、DIP′和Chl a′为参考海水水质二类标准的阈值(GB3097-1997)(国家环境保护局, 1997), 分别为3mg·L-1、0.3mg·L-1、0.03mg·L-1和5µg·L-1。NQI ≤ 2时, 营养等级为贫营养型; 2 < NQI ≤ 3时表示中等营养型; NQI > 3时表示为富营养型(林荣根, 1996)。
TRIX指数最早由Vollenweider等(1998)提出, 在国内外得到了广泛应用(Penna et al, 2004; Gogoi et al, 2024), 计算公式为:
TRIX = log 10 Chl a × DO % × DIN × DIP + a b
式中: Chl a为叶绿素a质量浓度(单位: µg·L-1), DO%为氧气浓度偏离其饱和度的绝对值, DIN为溶解无机氮( N O 3 −、 N O 2 −、 N H 4 +)质量浓度(单位: µg·L-1), DIP为溶解无机磷质量浓度(单位: µg·L-1), 常数a和b由式中4个环境因子参数人为规定的上下限范围决定, 这里取1.5和1.2, 和历史研究统一(Vollenweider et al, 1998; 李妙聪 等, 2021)。通过TRIX指数可以将水体分为4种营养状态: 1) 小于4, 低的生产力和高的水质; 2) 4~5, 中等生产力和好的水质; 3) 5~6, 中到高的生产力和差的水质; 4) 大于6, 高的生产力和差的水质。
环境因子和富营养化指数的平面分布等值线图用Golden Software Surfer 21软件; 各环境因子与富营养化指数之间的相关性分析使用SPSS 26.0软件; Mantel检验, 不同季节环境因子间的单因素方差分析和Tukey多重比较使用R 4.4.0完成。

2 结果

2.1 温盐和营养盐分布

南澳周边海域表层水温季节差异显著(图2和表1), 平均为夏季(27.07 ± 1.99)℃ > 秋季(25.85 ± 0.2)℃ > 春季(23.38 ± 0.46)℃ > 冬季(17.00 ± 0.21)℃。夏季站位间水温差异最大, 达到5.8℃, 最低值在外海的S8站(24.3℃), 最高值在牡蛎养殖区的S2站(30.1℃); 秋季各站位的表层水温差异最小, 变化范围为25.4~26.5℃。表层盐度的季节波动较小(表1), 但水平分布差异明显(图2)。表层盐度平均为秋季(32.67 ± 1.77)‰ > 春季(31.71 ± 0.46)‰ > 夏季(31.42 ± 2.63)‰ > 冬季(30.8‰), 春、秋和冬季盐度最低值都出现在榕江河口附近的S12站, 但夏季表层盐度最低值出现在柘林湾口的S1站。整体来看, 南澳岛周边海域的表层水夏季从南到北呈现从低温高盐向高温低盐转变, 而冬季则从东向西呈现低温高盐向高温低盐的转变。
图2 南澳周边海域表层水体温度(a—d)和盐度(e—h)的季节分布特征

a, e: 春季; b, f: 夏季; c, g: 秋季; d, h: 冬季

Fig. 2 Seasonal distributions of water temperature (a)—(d) and salinity (e)—(h) in the surface water around Nan’ao Island a, e: spring; b, f: summer; c, g: autumn; d, h: winter

表1 南澳周边海域表层水体各季节的主要环境因子和富营养化指数(均值±标准差)

Tab. 1 The environmental factors and eutrophication index in the surface water around Nan’ao Island in different seasons (mean ± SD)

因子或指数 春季 夏季 秋季 冬季
温度/℃ 23.38 ± 0.46c 27.07 ± 1.99a 25.85 ± 0.28b 17.00 ± 0.21d
盐度/‰ 31.71 ± 0.46a 31.42 ± 2.63a 32.67 ± 1.77a 30.78 ± 2.40a
DIN/(mg·L-1) 0.10 ± 0.09b 0.08 ± 0.06b 0.17 ± 0.10b 0.49 ± 0.26a
DIP/(mg·L-1) 0.014 ± 0.016bc 0.011 ± 0.009c 0.030 ± 0.013b 0.050 ± 0.020a
DSi/(mg·L-1) 0.44 ± 0.28b 0.77 ± 0.52ab 0.88 ± 0.36ab 1.06 ± 0.47a
DIN/DIP 20.42 ± 15.97a 21.41 ± 11.80a 12.08 ± 3.77a 21.22 ± 6.58a
Chl a/(μg·L-1) 2.55 ± 2.24b 7.05 ± 4.94a 1.44 ± 0.84b 1.53 ± 0.43b
COD/(mg·L-1) 0.96 ± 0.25b 1.57 ± 0.26a 0.68 ± 0.33b 0.89 ± 0.28b
DO/(mg·L-1) 7.15 ± 0.74bc 7.79 ± 0.71ab 7.00 ± 0.67c 8.07 ± 0.16a
EI指数 0.51 ± 0.76b 0.37 ± 0.48b 0.98 ± 1.06b 6.34 ± 7.32a
NQI指数 1.65 ± 0.90b 2.57 ± 1.00b 2.10 ± 0.81b 3.88 ± 1.47a
TRIX指数 4.43 ± 0.89a 5.08 ± 0.33a 4.91 ± 0.70a 4.87 ± 0.47a

注: 不同字母表示组间在统计上的显著差异(p<0.05)。所有比较均基于单因素方差分析后的Tukey多重比较

调查期间各站位表层DIN的波动范围为0.02~1.13mg·L-1, 平均为冬季(0.49 ± 0.26)mg·L-1 > 秋季(0.17 ± 0.10)mg·L-1 > 春季(0.10 ± 0.09)mg·L-1 > 夏季(0.08 ± 0.06)mg·L-1, 冬季DIN浓度显著高于其他季节(表1)。除夏季外, 其他3个季节的DIN高值都出现在榕江河口附近的S12站, 基本从西北的近岸向东南的深海区递减(图3)。DIP的波动范围为 0.003~ 0.09mg·L-1, 平均为冬季(0.05 ± 0.02)mg·L-1>秋季 (0.03 ± 0.013)mg·L-1 > 春季(0.014 ± 0.016)mg·L-1 > 夏季(0.011 ± 0.009)mg·L-1, 春、秋和夏季的最高值都出现在柘林湾湾口的S1站(图3和表1)。溶解硅酸盐(dissolved silicate, DSi)的分布规律与DIN基本一致, 变动范围为0.1~2.1mg·L-1, 平均为冬季(1.06 ±0.47)mg·L-1 > 秋季(0.88 ± 0.36)mg·L-1 > 夏季(0.77 ± 0.52)mg·L-1 > 春季(0.44 ± 0.28)mg·L-1 (表1)。总的来看, 南澳周边海域夏季的营养盐浓度最低, 分布规律也与其他季节不同, 在靠近南澳岛青澳湾的S6站出现高值(图3)。
图3 南澳岛周边海域表层溶解无机氮质量浓度(DIN)(a—d)、溶解无机磷质量浓度(DIP)(e—h)和活性硅酸盐质量浓度(DSi)(i—l)的季节分布

a, e, i: 春季; b, f, j: 夏季; c, g, k: 秋季; d, h, l: 冬季

Fig. 3 Seasonal distributions of DIN (a)—(d), DIP (e)—(h), and DSi (i)—(l) in the surface water around Nan’ao Island a, e, i: spring; b, f, j: summer; c, g, k: autumn; d, h, l: winter

DIN的组成存在显著的季节差异, 总的来看夏季以 N H 4 +为主, 其他季节以 N O 3 −为主。 N H 4 +在DIN中的占比平均为夏季(62.80 ± 26.31)% > 春季(46.46 ± 9.83)% > 秋季(37.52 ± 11.23)% > 冬季(9.71 ± 6.87)%, 夏季在柘林湾附近的 N H 4 +比例显著低于其他海域, 在其他季节西北部近岸水域的 N H 4 +占比一般呈现相对高值。冬季DIN主要以 N O 3 −的形态存在, 平均占比为冬季(86.00 ± 8.02) % >春季(46.56 ± 9.92)% > 秋季(43.81 ± 9.85)% > 夏季(32.32 ± 25.02)%。 N O 2 −的占比在1.4%~26.6%之间, 秋季 N O 2 −的比例明显高于其他季节, 平均达到18.7%(图4和表1)。
图4 南澳周边海域表层水体中硝态氮( N O 3 −)、亚硝氮( N O 2 −)和氨氮( N H 4 +)相对比例的季节变化

a. 春季氨氮比例; b. 夏季氨氮比例; c. 秋季氨氮比例; d. 冬季氨氮比例; e. 各季节不同站位的DIN组成

Fig. 4 Seasonal variations of the percentages of nitrate ( N O 3 −), nitrite ( N O 2 −) and ammonia ( N H 4 +) in the surface water around Nan’ao Island a. Spring ammonia nitrogen ratio; b. Summer ammonia nitrogen ratio; c. Autumn ammonia nitrogen ratio; d. Winter ammonia nitrogen ratio; e. DIN composition at different stations in different seasons

DIN/DIP摩尔比的波动范围在2.7~58.7之间, 水平分布差异明显(图5)。近岸的氮磷比一般高于远岸, 春、秋和冬季DIN/DIP的高值区都出现在榕江和韩江口附近, 而夏季高值出现在北部的柘林湾附近。4个季节水体的DIN/DIP平均值分别为春季(20.42 ±15.97)、夏季(21.41 ± 11.80)、秋季(12.08 ± 3.77)和冬季(21.22 ± 6.58), 秋季水体的DIN/DIP比明显低于其他季节(表1)。
图5 南澳周边海域表层水体氮磷摩尔比(DIN/DIP)的季节分布特征

a. 春季; b. 夏季; c. 秋季; d. 冬季

Fig. 5 Seasonal distributions of the DIN/DIP molar ratio in the surface water around Nan’ao Island a. Spring; b. Summer; c. Autumn; d. Winter

2.2 Chl a、COD和DO分布

调查海域Chl a质量浓度的平均值分别为夏季(7.05 ± 4.94)μg·L-1 > 春季(2.55 ± 2.24)μg·L-1 > 冬季(1.53 ± 0.43)μg·L-1 > 秋季(1.44 ± 0.84)μg·L-1, 夏季的Chl a浓度远高于其他季节。除冬季外, Chl a高值区都出现在南澳岛西南部的韩江或榕江河口附近海域, 冬季Chl a的高值区不突出(图6)。COD 的变化范围在 0.19~1.87mg·L-1, 季节平均值为夏季(1.57 ± 0.26)mg·L-1 > 春季(0.96 ± 0.25)mg·L-1 > 冬季(0.89 ± 0.28)mg·L-1 > 秋季(0.68 ± 0.33)mg·L-1 (表1)。夏季的COD含量显著高于其他季节, COD的含量基本遵循从近岸到远岸递减的分布趋势。DO的变化范围为5.57~8.90mg·L-1, 季节平均值都在7mg·L-1以上, 春季最低值出现在柘林湾湾口的S1站, 其他季节DO最低值均出现在榕江河口的S12站(图6)。
图6 南澳周边海域表层水体叶绿素a质量浓度(Chl a)(a—d)、化学需氧量(COD)(e—h)和溶解氧(DO)(i—l)的空间分布

a, e, i: 春季; b, f, j: 夏季; c, g, k: 秋季; d, h, l: 冬季

Fig. 6 The spatial distribution of Chl a (a)—(d), COD (e)—(h) and DO (i)—( l) in the surface water around Nan’ao Island a, e, i: spring; b, f, j: summer; c, g, k: autumn; d, h, l: winter

2.3 水体的富营养化指数

EI、NQI和TRIX 3个富营养化指数的水平分布规律基本一致, 从西北近海向东南远海递减(图7)。但是, 在夏季EI指数的水平分布趋势与NQI和TRIX不同, 最高值出现在靠近青澳湾的S6站。EI指数变化范围为0.01~27.2, 季节平均值为冬季(6.34 ± 7.32) > 秋季(0.98 ± 1.06) > 春季(0.51 ± 0.76) > 夏季(0.37 ± 0.48), 夏季最低(表1)。NQI指数变化范围为0.51~6.77, 季节平均为冬季(3.88 ± 1.47) > 夏季(2.57 ± 1.00) > 秋季(2.10 ± 0.81) > 春季(1.65 ± 0.90)。TRIX指数的变化范围3.08~6.04, 季节平均为夏季(5.08 ± 0.33) > 秋季(4.91 ± 0.70) > 冬季(4.87 ± 0.47) > 春季(4.43 ± 0.89)。在冬季榕江口附近的S12站, EI、NQI和TRIX均显示出最高值。
图7 南澳周边海域表层水体富营养化指数(EI)(a—d)、营养质量指数(NQI)(e—h)和营养状态指数(TRIX)(i—l)的分布特征

a, e, i: 春季; b, f, j: 夏季; c, g, k: 秋季; d, h, l: 冬季

Fig. 7 The spatial distribution of eutrophication index (EI) (a)—(d), nutrient quality index (NQI) (e)—(h) and trophic index (TRIX) (i)—(l) in the surface water around Nan’ao island a, e, i: spring; b, f, j: summer; c, g, k: autumn; d, h, l: winter

2.4 水体富营养化指数和关键环境因子之间的关系

对3个水体富营养化指数EI、NQI和TRIX与关键环境因子之间的皮尔逊相关性分析表明, 除夏季外, 各季节的富营养化指数与DIN均呈现极显著的正相关, 与盐度基本呈显著负相关; Mantel检验也体现了3个水体富营养化指数与盐度和DIN较强的相关关系(图8)。对关键环境因子之间的相关性分析显示, 尽管在夏季不显著, 所有季节的DIN与盐度均呈较强的负相关关系, 与DIP呈正相关关系; 4个季节的盐度与COD均为负相关关系, 春季和冬季显著; 春季, Chl a与COD、DO呈显著的正相关关系(图8)。
图8 关键环境因子间的相关性热图及其与水体富营养化指标的Mantel检验

a. 春季; b. 夏季; c. 秋季; d. 冬季

Fig. 8 Correlation heatmap of key environmental factors and their Mantel test with water eutrophication indices

a. Spring; b. Summer; c. Autumn; d. Winter

3 讨论

3.1 营养盐的时空分布

南澳岛周边海域水体的营养盐浓度表现出显著的季节差异性, 氮磷营养盐为冬季最高、夏季最低, 这与前人的研究结果相一致(王翠 等, 2018; 陈丹婷 等, 2020)。该水域在夏季和冬季受不同流场影响, 是营养盐浓度季节变化的主要原因。在冬季, 浙闽沿岸流南下入侵, 最大影响范围可以达到汕尾(张彩云 等, 2005; 王翠 等, 2018)。浙闽沿岸流给南海北部陆架带来丰富的营养盐, 这应该是本调查中冬季营养盐显著高于其他季节的主要原因。南澳周边海域大型海藻养殖业发达(杨宇峰 等, 2021), 栽培季节也仅限于冬季和春季, 这与冬季出现的适宜低温和丰富的营养盐有很大的关系。可以推测, 南澳岛周边海域大型海藻的生长情况与冬季闽浙沿岸流南下的入侵强度密切相关。在夏季, 西南季风的驱动下促使汕头近海和南澳周边海域形成粤东上升流(洪启明 等, 1991; 许金电 等, 2014)。上升流将底层丰富的营养盐输送到表层, 促进了浮游植物的生长, 也孕育了丰富的渔业资源。本研究显示, 夏季南澳周边海域表层的Chl a含量最高, 平均为其他季节的3~5倍。但是该海域夏季的营养盐浓度却显著低于其他季节, 似乎与上升流可带来丰富的营养盐相矛盾。夏季的高叶绿素低营养盐特征显示, 该海域夏季营养盐的浓度可能被生物吸收作用所主导。风生上升流的生态效应主要体现在浮游植物生物量和初级生产力水平上, 在大多数情况下底层涌升的营养盐可能很快的被真光层的浮游植物吸收转化, 从而水体并不能表现出营养盐浓度的增加。类似的低营养盐高叶绿素(low-nutrient and high-chlorophyll, LNHC)区域在南海中西部上升流区的表层和西北太平洋受黑潮影响的海域上层也被观测到, 且均出现在初夏或夏季(Ke et al, 2012; Wei et al, 2023)。高叶绿素低营养盐的特征也反映了夏季南澳周边海域对营养盐的快速转化效率, 夏季最高的氨氮比例也反映了该季节高的营养盐内循环效率。
近海海域的水化学特征与局部陆地和海洋影响的相对重要性有关(Morales-Ojeda et al, 2010)。从水平分布来看, 汕头周边海域的氮营养盐浓度基本从近岸向远岸递减。4个季节中DIN均与盐度呈负相关关系(除夏季外均显著, p < 0.05), 说明陆源径流输入是表层氮营养盐水平差异的主要因素。春、秋和冬季的DIN最高值均出现在盐度最低的榕江河口附近, 显示榕江径流输入是这个海域最主要的氮营养盐来源。DIP虽然表现了与DIN相似的分布趋势, 但其在春、秋和冬季最高浓度都是出现在柘林湾湾口处。柘林湾是粤东最大规模的网箱养殖区, 湾内水环境日益恶化, 赤潮时有发生(周凯 等, 2002; 林小涛 等, 2006)。鱼类网箱养殖带来的营养盐输入一般具有比陆源径流更低的氮磷比, 从而导致柘林湾口附近持续的显示出DIP高值。本次调查结果中值得特别注意的是, 夏季氮磷营养盐的高值均出现在青澳湾附近的S6站。青澳湾是南澳岛最著名的海水浴场, 北回归线贯穿其中, 每年吸引大量的游客光顾。自2015年南澳跨海大桥通车以来, 南澳岛上岛游客从2014年的94.3万人次猛增加到2021年的802万人次, 2023年仅夏季上岛游客就超过了500万人次(林温迪, 2023)。急速增长的旅客数量势必对周边海域水环境造成压力, 本次调查监测到的青澳湾附近出现的营养盐高值可能与周边生活污水排放增加有关。刘陈等(2019)的研究中也提到, 在南澳近岸海域青澳湾附近的浮游植物丰度最高, 推测可能是大量生活污水排入近岸促进了藻类繁殖。加强对旅游景区生活污水的处理, 对南澳周边海域的水环境质量提升有重要意义。

3.2 水体的富营养化状况

3个指数的水平分布规律基本一致, 均可体现水体富营养化程度的空间差异。但是整体来看, 根据EI判定的水质状态明显优于NQI和TRIX指数。EI指数显示: 春季和夏季除极少数站位外, 大部分站位不存在富营养化问题(EI < 1); 秋季在榕江和韩江口等近岸区域显示为轻度或中度富营养化。吴鹏等(2022)在对珠江口万山群岛水域的研究中, 用NQI判定的站位出现富营养化的比例也远高于用EI值判定的, 说明EI判定可能会低估水质的富营养化程度。EI指数是一个侧重于考虑营养盐浓度的评价方法, 在中国沿岸水体富营养化评估中得到广泛应用。但是有研究指出, 这个指数并没有纳入对生物因子的考量, 不适合用于对水体综合营养状况的评估(Borja et al, 2008; Lai et al, 2014)。在北部湾沿岸的研究中, Lai等(2014)发现TRIX指数与所有的重要的水质参数以及有害藻和丰度呈现出显著的相关性, 但是EI指数则仅与部分因子显著相关。EI指数显示, 南澳周边海域夏季的富营养化程度最低, 但TRIX指数却显示夏季富营养化程度最高, NQI指数显示夏季富营养化程度仅次于冬季。这种判别结果的差异与EI指数没有考虑到Chl a含量有关, 夏季南澳周边海域显示出高叶绿素低营养盐的特征, 导致计算出来的富营养化EI指数偏小。不同的评价指数对水环境健康的诊断结果存在一定差异, 用多个指标或综合指数进行总体评估已成为共识(林晓娟 等, 2018)。一个理想的营养状况指数除了考虑到营养盐浓度之外, 还应包含富营养化的生态效果变量, 包括压力响应, 生物学响应等(Devlin et al, 2011)。NQI和TRIX指数均考虑了浮游植物生物量(Chl a)和溶解氧(DO或COD), 对水体营养状态的判断要比EI更合理, 可以更客观的体现水体的营养状况。从本研究的结果来看, NQI指数和TRIX指数均可有效的指示南澳周边海域的富营养化程度。通过对这些指标的长期监测, 可以了解气候变化和人类活动影响下水环境的演替规律。冬季榕江口附近的S12站均显示出了极高的EI (27.24)、NQI (6.77)和TRIX (6.04)值, 水体重度富营养化, 说明榕江的径流输入对该海域水环境产生严重影响。水体富营养化指数与DIN的正相关关系和与盐度的负相关关系说明南澳岛周边海域富营养化的水平差异主要受无机氮含量的控制, DIN与盐度的负相关关系亦提示陆源径流输入带来的营养物质是该海域水体富营养化的重要诱因, 这与历史研究一致(柯志新 等, 2019)。
在柘林湾与南澳岛之间的海域, 滤食性牡蛎的养殖似乎对浮游植物生物量产生了较强的抑制作用。与近岸站位对比, 4个季节中该海域的Chl a浓度都显示出了相对较低的值。滤食性牡蛎和大型海藻的养殖应该减轻了柘林湾到南澳岛之间海域的富营养化程度, 得益于高密度的牡蛎养殖对浮游植物强大的摄食压力。大型海藻栽培被认为是解决近海富营养化问题的重要途径之一(杨宇峰 等, 2021), 牡蛎养殖是一种环境和收益兼顾的富营养化海域的生态修复工具(Jiang et al, 2019)。受网箱养殖污染的影响, 早期柘林湾及其毗邻海域因富营养化导致的生态问题比较突出, 赤潮频发(周凯 等, 2002)。为提高水环境质量, 南澳至柘林湾之间的广大海域规划为牡蛎和大型海藻的养殖区。我们的调查结果显示, 这样的养殖区划对改善该海域的水质改善起到了积极作用。榕江口和韩江口附近经常出现叶绿素的高值, 是水体富营养化问题最严重的区域。从分布规律来看, 该区域的Chl a高值水团沿东南扩散至勒门列岛风电场建设区, 在春季和夏季尤为明显。夏季在靠近勒门风电场的S9站监测到的Chl a浓度高达17.62µg·L-1, 达到水华的标准。海洋牧场与海上风电融合发展是重要的发展方向(杨红生 等, 2019), 位于南澳岛南边的勒门风电场Ⅰ期和Ⅱ期, 建设海域总面积超过50km2, 目前已有大量海上风机建成。考虑 到该水域受韩江和榕江河口高叶绿素水团辐射影响, 可在风电海域内设置牡蛎养殖, 实现节约集约用海。

4 结论

1) 南澳岛周边海域的表层水体主要受到陆源径流带来的氮负荷和网箱养殖则带来的磷负荷影响, DIN浓度是影响南澳岛周边海域富营养化的最重要因素, 陆源径流输入是该海域水体富营养化的主要诱因。
2) 夏季, 青澳湾附近海域的高营养盐值可能与旅游区生活污水排放有关, 其他站位整体呈现出高叶绿素低营养盐的特征, 这主要是由于夏季风生上升流的生态效应促进了浮游植物的生物量增加, 由上升流带来的营养盐被大量的浮游植物迅速消耗。
3) EI、NQI和TRIX指数均能有效指示水体富营养化的水平差异, 但对于夏季的低营养盐高叶绿素的海域, EI指数由于未考虑浮游植物生物量, 可能严重低估了富营养化程度。TRIX指数能够更好地反映其富营养化状况。

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