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水产养殖对亚热带海湾氮磷营养盐时空分布的影响——以深澳湾为例

徐淑敏 齐占会 史荣君 刘永 韩婷婷 黄洪辉

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水产养殖对亚热带海湾氮磷营养盐时空分布的影响——以深澳湾为例

    作者简介: 徐淑敏(1993—),女,硕士研究生,从事浅海养殖生态学。E-mail:18221296883@163.com;
    通讯作者: 齐占会, qizhanhui@scsfri.ac.cn
  • 中图分类号: S 912

Influence of mariculure on tempo-spatial distribution of nitrogen and phosphorus in subtropical zone: a case study of Shen'ao Bay

    Corresponding author: Zhanhui QI, qizhanhui@scsfri.ac.cn ;
  • CLC number: S 912

  • 摘要: 文章对典型的亚热带养殖海湾——深澳湾海水中无机氮(DIN)、磷酸盐(PO4-P)浓度的时空变化特征进行了分析,研究了鱼类网箱和贝藻筏式等规模化养殖活动对营养盐时空分布特征的影响,并对营养盐的潜在限制性进行了探讨。结果显示,深澳湾DIN和PO4-P浓度及分布呈明显的季节变化:DIN在秋季最高,夏季最低;PO4-P在冬季最高,夏季最低。春季网箱区的DIN浓度和氮磷比(N/P)低于贝藻养殖区和对照区,而其他3个季节,网箱区的DIN和PO4-P浓度以及N/P均高于贝藻养殖区和对照区。贝藻养殖区和对照区之间在各个季节,氮、磷营养盐和N/P之间均无显著差异。各个季节DIN和PO4-P浓度均高于理论上浮游植物生长的营养盐阈值,不存在营养盐的绝对限制。夏、冬季的N/P分别为13.6、13.1,低于Redfield值,说明存在N的潜在限制;春、秋季的N/P分别为16.6、19.0,说明P的潜在限制性较强。深澳湾的年均N/P为14.3,全湾受N潜在限制性较强。除夏季外,硝酸盐 (NO3-N)是DIN的主要组成,比例介于51.7%~92.7%,其次为NH4-N (5.2%~43.8%),亚硝酸盐 (NO2-N)比例最低(2.1%~27.2%),说明深澳湾的氮营养盐达到了热力学平衡状态。与2001年相比,深澳湾海区的DIN和PO4-P浓度均有下降,由中度营养型转变成贫营养型,年平均N/P更接近Redfield值,说明深澳湾的生产力水平依然受氮限制,营养盐的时空分布特征一定程度上体现了规模化贝藻养殖的影响。
  • 图 1  深澳湾采样站位图

    Figure 1.  Sampling stations in Shen'ao Bay

    图 2  深澳湾氮、磷营养盐浓度时空变化

    Figure 2.  Tempo-spatial variation of nitrogen and phosphate nutrients in Shen'ao Bay

    图 3  不同区域氮磷营养盐浓度和氮磷比的季节变化

    Figure 3.  Seasonal variation of nitrogen and phosphate nutrients in Shen'ao Bay

    表 1  营养级的划分原则

    Table 1.  Classification of trophic level

    级别
    grade
    营养级
    trophic level
    c (总无机氮)/μmol·L–1
    DIN
    c (磷酸盐)/μmol·L–1
    PO4-P
    氮磷比
    N/P
    贫营养 <14.28 <0.97 8~30
    中度营养 14.28~21.41 0.97~1.45 8~30
    富营养 >21.41 >1.45 8~30
    P 磷限制中度营养 14.28~21.41 >30
    P 磷中等限制潜在性富营养 >21.41 30~60
    P 磷限制潜在性富营养 >21.41 >60
    N 氮限制中度营养 0.97~1.45 <8
    N 氮中等限制潜在性富营养 >1.45 4~8
    N 氮限制潜在性富营养 >1.45 <4
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    表 2  深澳湾海水环境因子季节变化

    Table 2.  Seasonal variation in environmental parameters in Shen'ao Bay

    季节
    season
    温度/℃
    temperature
    盐度
    salinity
    ρ(溶解氧)/mg·L−1
    DO
    ρ(叶绿素a)/μg·L−1
    Chl a
    pH
    春季 spring 22.0±0.8 (20.8~23.3) 30.3±0.6 (28.8~30.9) 11.6±2.5 (8.9~11.5) 2.01±0.33 (1.62~2.69) 8.3±0.1 (8.2~8.4)
    夏季 summer 28.2±0.5 (27.6~29.1) 32.2±0.4 (31.5~32.7) 5.22±0.6 (3.9~5.9) 3.06±0.64 (1.95~4.16)
    秋季 autumn 20.7±0.3 (20.4~21.2) 32.7±0.1 (32.6~32.9) 7.0±0.2 (6.7~7.3) 1.33±0.21 (1.01~1.63) 8.0±0.1 (7.8~8.1)
    冬季 winter 14.9±0.1 (14.8~15.0) 32.5±0.0 (32.4~32.5) 7.9±0.1 (7.7~8.3) 0.99±0.21 (0.75~1.47) 7.8±0.1 (7.6~7.9)
     注:−. 没有采集到数据  Note: −. no data
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    表 3  深澳湾海水中氮磷营养盐浓度、氮磷比及营养级

    Table 3.  Seasonal variation in nitrogen and phosphate concentrations, N/P ratio and trophic level of seawater in Shen'ao Bay

    季节
    season
    c(亚硝酸盐)/μmol·L–1
    NO2-N
    c(硝酸盐)/μmol·L–1
    NO3-N
    c(氨氮)/μmol·L–1
    NH4-N
    c(总无机氮)/μmol·L–1
    DIN
    c(磷酸盐)/μmol·L–1
    PO4-P
    氮磷比
    N/P
    营养级
    trophic level
    春季 spring 0.37±0.06 4.22±0.56 3.58±0.23 8.17±0.64 0.65±0.08 16.6±3.1
    夏季 summer 1.72±0.17 2.83±1.33 1.64±0.33 6.32±1.68 0.46±0.05 13.6±2.2
    秋季 autumn 0.40±0.03 17.81±1.07 1.00±0.12 19.21±1.16 1.02±0.05 19.0±1.0
    冬季 winter 0.55±0.03 13.96±0.91 1.76±0.16 15.86±1.12 1.20±0.06 13.1±0.6
    平均值 mean 0.87±0.08 8.92±0.74 2.36±0.15 12.39±0.95 0.88±0.04 14.3±0.7
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    表 4  深澳湾不同形态氮占总无机氮的比例

    Table 4.  Seasonal variation of dissolved inorganic nitrogen composition in Shen'ao Bay

    季节
    season
    亚硝酸盐
    NO2-N
    硝酸盐
    NO3-N
    氨氮
    NH4-N
    春季 spring 4.5 51.7 43.8
    夏季 summer 27.2 44.8 25.9
    秋季 autumn 2.1 92.7 5.2
    冬季 winter 3.5 88.0 11.1
    平均值 mean 9.3 69.3 21.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-05
  • 录用日期:  2019-03-20
  • 网络出版日期:  2019-06-11

水产养殖对亚热带海湾氮磷营养盐时空分布的影响——以深澳湾为例

    作者简介:徐淑敏(1993—),女,硕士研究生,从事浅海养殖生态学。E-mail:18221296883@163.com
    通讯作者: 齐占会, qizhanhui@scsfri.ac.cn
  • 1. 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306
  • 2. 中国水产科学研究院南海水产研究所,广东省渔业生态环境重点实验室,农业农村部外海渔业开发重点实验室,广东 广州 510300

摘要: 文章对典型的亚热带养殖海湾——深澳湾海水中无机氮(DIN)、磷酸盐(PO4-P)浓度的时空变化特征进行了分析,研究了鱼类网箱和贝藻筏式等规模化养殖活动对营养盐时空分布特征的影响,并对营养盐的潜在限制性进行了探讨。结果显示,深澳湾DIN和PO4-P浓度及分布呈明显的季节变化:DIN在秋季最高,夏季最低;PO4-P在冬季最高,夏季最低。春季网箱区的DIN浓度和氮磷比(N/P)低于贝藻养殖区和对照区,而其他3个季节,网箱区的DIN和PO4-P浓度以及N/P均高于贝藻养殖区和对照区。贝藻养殖区和对照区之间在各个季节,氮、磷营养盐和N/P之间均无显著差异。各个季节DIN和PO4-P浓度均高于理论上浮游植物生长的营养盐阈值,不存在营养盐的绝对限制。夏、冬季的N/P分别为13.6、13.1,低于Redfield值,说明存在N的潜在限制;春、秋季的N/P分别为16.6、19.0,说明P的潜在限制性较强。深澳湾的年均N/P为14.3,全湾受N潜在限制性较强。除夏季外,硝酸盐 (NO3-N)是DIN的主要组成,比例介于51.7%~92.7%,其次为NH4-N (5.2%~43.8%),亚硝酸盐 (NO2-N)比例最低(2.1%~27.2%),说明深澳湾的氮营养盐达到了热力学平衡状态。与2001年相比,深澳湾海区的DIN和PO4-P浓度均有下降,由中度营养型转变成贫营养型,年平均N/P更接近Redfield值,说明深澳湾的生产力水平依然受氮限制,营养盐的时空分布特征一定程度上体现了规模化贝藻养殖的影响。

English Abstract

  • 氮(N)、磷(P)是全球环境变化的关键元素,也是水生系统最重要的营养元素[1-2]。海洋中氮、磷营养盐水平及其结构控制着浮游植物数量和群落特征,是海洋生态系统初级生产力和物质循环的基础[3-4],对水域生态系统的可持续生产能力具有显著影响[5]。海水中氮、磷营养盐的分布变化受到地面径流、大气沉降、上升流、涡动扩散、反硝化等多种物理、化学和生物作用的共同影响[6]。人类活动对河口和近岸水域的影响比远海更加深刻[7-8]。海水养殖是一种典型的人类海洋扰动行为,世界上很多近岸海域都开展了大规模的海水养殖,对近岸水域营养盐的时空分布产生了显著影响[9]。鱼类养殖过程中的投饵、吸收、排泄和同化等过程,向海水中输入大量N、P等营养物质[10],而非投饵的大型藻类(如海带、紫菜和龙须菜等)和滤食性贝类(如扇贝、牡蛎、蛤等)直接或间接吸收同化水体中的溶解态无机营养盐,并将其转化为有机态,通过收获过程移出水体[11];同时藻类、浮游植物的直接分泌、浮游动物和贝类的排泄、藻类细胞死亡后的分解又实现了N、P元素向海水的释放[12]。此外网箱和筏架等养殖设施对水流产生的阻流作用也降低了水交换速率和营养盐补充[13-14]

    深澳湾位于广东省南澳岛北侧,水域面积约13.3 km2,平均水深约4.5 m,属于典型的亚热带养殖海湾,是我国南方最大的贝类和大型藻类养殖基地之一。湾内自20世纪90年代开始近岸海水养殖,目前养殖面积约1 000 hm2,主要包括花鲈(Lateolabrax japonicus)、黑鲷(Sparus macrocephlus)等鱼类浮式网箱养殖以及长牡蛎(Crassostrea gigas)、龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)和紫菜等贝藻筏式养殖。深澳湾是离岸海岛的外湾,河流等陆源径流输入的影响较小,这种自然背景下人类养殖活动对湾内营养物质循环的扰动效应更加突出。目前关于深澳湾海水养殖区营养盐含量、结构和限制因子的时空分布特征以及影响因素的研究相对较少[15-17]

    本研究分析了深澳湾海域氮、磷营养盐结构及其时空分布特征,研究了浮游植物营养盐的限制因子,并从人类高强度海水养殖扰动角度探讨了营养盐时空分布格局的形成,旨在为加深理解规模化海水养殖对生态系统环境的影响提供基础数据。

    • 根据深澳湾内的养殖分布特征,设置了13个调查站位(图1),S1~S3站分布在鱼类网箱养殖区,S4~S10站为湾内牡蛎和龙须菜筏式养殖区,S11~S13站为湾口非养殖区。于2011—2012年,秋季(2011年11月)、冬季(2012年3月)、春季(2012年5月)和夏季(2012年8月),对深澳湾海水无机氮(DIN)、磷酸盐(PO4-P)的时空分布特征进行了调查分析。

      图  1  深澳湾采样站位图

      Figure 1.  Sampling stations in Shen'ao Bay

    • 采用YSI556多功能水质分析仪现场测定调查海区的表层海水(0.5 m深处)温度、盐度和pH。用5 L颠倒式有机玻璃采水器采集各个站位表层水样(1 000 mL),低温保存并尽快带回实验室分析。水样经0.45 μm Whatman GF/C玻璃纤维滤膜过滤后,主要测定亚硝酸盐(NO2-N)、硝酸盐(NO3-N)、氨态氮(NH4-N)和PO4-P的浓度。采样到测定的时间一般不超过24 h。水样分析按照《海洋监测规范》(GB 17378.1—2007),NO2-N采用萘乙二胺分光光度法,NO3-N采用锌-镉还原法,NH4-N采用次溴酸钠氧化法,总DIN为以上三态氮之和。PO4-P采用磷钼蓝法。

    • 海水中DIN和P的含量充足,且达到一定比例,是水体出现富营养化和浮游植物爆发性生长的必要条件。高于浮游植物生长阈值,超出Redfield值的氮、磷营养盐不能被浮游植物利用,不能为实质性的富营养化做贡献,应归为潜在性富营养化。本文采用郭卫东等[18]水体富营养化评价模式对水体进行营养化评价,从海水DIN和P的含量及比例,揭示深澳湾水体营养状况,划分原则见表1

      级别
      grade
      营养级
      trophic level
      c (总无机氮)/μmol·L–1
      DIN
      c (磷酸盐)/μmol·L–1
      PO4-P
      氮磷比
      N/P
      贫营养 <14.28 <0.97 8~30
      中度营养 14.28~21.41 0.97~1.45 8~30
      富营养 >21.41 >1.45 8~30
      P 磷限制中度营养 14.28~21.41 >30
      P 磷中等限制潜在性富营养 >21.41 30~60
      P 磷限制潜在性富营养 >21.41 >60
      N 氮限制中度营养 0.97~1.45 <8
      N 氮中等限制潜在性富营养 >1.45 4~8
      N 氮限制潜在性富营养 >1.45 <4

      表 1  营养级的划分原则

      Table 1.  Classification of trophic level

    • 鱼类网箱养殖区、贝藻筏式养殖区和非养殖对照区的氮、磷营养盐和氮磷比[c(N)/c(P),N/P]在相同季节内的差异采用单因素方差分析(One-Way ANOVA),进行方差齐性检验(homogeneity of variance test),差异显著时采用Tukey多重比较(Post Hoc multiple comparison),显著差异水平设为0.05 (P<0.05)。统计分析采用SPSS 16.0软件进行,数值以“平均值±标准差($ \overline X \pm {\rm SD} $)”表示。

    • 深澳湾春、夏、秋和冬季的表层水温分别为(22.0±0.8) ℃、(28.2±0.5) ℃、(20.7±0.3) ℃和(14.9±0.1) ℃,同一季节各个采样区域间的温度没有显著差异;春季盐度(30.3±0.6)低于其他季节,夏、秋、冬季间盐度没有显著差异;春季溶解氧浓度显著高于其他3个季节,夏季最低;叶绿素a浓度夏季最高,其次是春、秋季,冬季最低。海水pH冬季低于春、秋季。

      季节
      season
      温度/℃
      temperature
      盐度
      salinity
      ρ(溶解氧)/mg·L−1
      DO
      ρ(叶绿素a)/μg·L−1
      Chl a
      pH
      春季 spring 22.0±0.8 (20.8~23.3) 30.3±0.6 (28.8~30.9) 11.6±2.5 (8.9~11.5) 2.01±0.33 (1.62~2.69) 8.3±0.1 (8.2~8.4)
      夏季 summer 28.2±0.5 (27.6~29.1) 32.2±0.4 (31.5~32.7) 5.22±0.6 (3.9~5.9) 3.06±0.64 (1.95~4.16)
      秋季 autumn 20.7±0.3 (20.4~21.2) 32.7±0.1 (32.6~32.9) 7.0±0.2 (6.7~7.3) 1.33±0.21 (1.01~1.63) 8.0±0.1 (7.8~8.1)
      冬季 winter 14.9±0.1 (14.8~15.0) 32.5±0.0 (32.4~32.5) 7.9±0.1 (7.7~8.3) 0.99±0.21 (0.75~1.47) 7.8±0.1 (7.6~7.9)
       注:−. 没有采集到数据  Note: −. no data

      表 2  深澳湾海水环境因子季节变化

      Table 2.  Seasonal variation in environmental parameters in Shen'ao Bay

    • 深澳湾DIN和PO4-P浓度的季节变化见表3图2。深澳湾NO2-N浓度介于0.07~3.69 μmol·L–1(平均为0.87 μmol·L–1),春季最低,夏季最高(图2)。NO2-N空间分布的波动在夏季最为明显,呈V形,即在湾底网箱养殖区(S1~S3站)和湾口非养殖区(S11~S13站)较高,而湾内贝藻筏式养殖区(S4~S10站)较低,其他季节趋势比较平稳(图2-A)。NO3-N浓度介于0.84~29.41 μmol·L–1(平均为8.92 μmol·L–1),秋、冬季较高,春、夏季较低;NO3-N是构成DIN的主要成分,其浓度变化趋势与DIN最为接近。整体上,秋、冬季的NO3-N浓度在近岸网箱养殖区高于其他区域(图2-B)。深澳湾海水中NH4-N浓度变化介于0.40~5.60 μmol·L–1(平均为2.36 μmol·L–1),最高和最低浓度分别出现在春季和秋季,NH4-N空间分布波动较大,除春季外,总体上是湾底网箱养殖区浓度最高(图2-C)。各季节海水中总DIN浓度变化介于3.17~31.62 μmol·L–1(平均为12.39 μmol·L–1),从季节变化来看,DIN浓度为秋季>冬季>春季>夏季,总体上是湾底鱼类网箱养殖区(S1~S3站)高于其他区域(图2-D)。值得注意的是,除NO2-N外,S3站的NO3-N、NH4-N和DIN都在夏季出现高值。

      季节
      season
      c(亚硝酸盐)/μmol·L–1
      NO2-N
      c(硝酸盐)/μmol·L–1
      NO3-N
      c(氨氮)/μmol·L–1
      NH4-N
      c(总无机氮)/μmol·L–1
      DIN
      c(磷酸盐)/μmol·L–1
      PO4-P
      氮磷比
      N/P
      营养级
      trophic level
      春季 spring 0.37±0.06 4.22±0.56 3.58±0.23 8.17±0.64 0.65±0.08 16.6±3.1
      夏季 summer 1.72±0.17 2.83±1.33 1.64±0.33 6.32±1.68 0.46±0.05 13.6±2.2
      秋季 autumn 0.40±0.03 17.81±1.07 1.00±0.12 19.21±1.16 1.02±0.05 19.0±1.0
      冬季 winter 0.55±0.03 13.96±0.91 1.76±0.16 15.86±1.12 1.20±0.06 13.1±0.6
      平均值 mean 0.87±0.08 8.92±0.74 2.36±0.15 12.39±0.95 0.88±0.04 14.3±0.7

      表 3  深澳湾海水中氮磷营养盐浓度、氮磷比及营养级

      Table 3.  Seasonal variation in nitrogen and phosphate concentrations, N/P ratio and trophic level of seawater in Shen'ao Bay

      图  2  深澳湾氮、磷营养盐浓度时空变化

      Figure 2.  Tempo-spatial variation of nitrogen and phosphate nutrients in Shen'ao Bay

      深澳湾海水中PO4-P浓度在秋、冬季较高,春、夏季较低,整体波动不大(0.19~1.53 μmol·L–1,平均为0.88 μmol·L–1),PO4-P浓度为冬季>秋季>春季>夏季,总体呈湾内向湾口略降低的空间分布特征(图2-E)。

      深澳湾海域,DIN季节变化明显,其中春季总DIN浓度均低于一类海水标准值(200 μg·L–1),夏季仅有1个站位超过一类海水标准,而秋季13个站位DIN浓度全部高于一类海水标准,冬季8个站位的DIN浓度超过一类海水标准,超标率为53.8%。海水PO4-P浓度超一类海水标准值(15 μg·L–1)的站位较多,春季和夏季分别有9个和4个站位超一类海水标准值,超标率分别为69.2%和30.8%;本文调查期间深澳湾秋季和冬季全部站位的海水PO4-P浓度均高于一类海水标准值。N/P变化介于4.4~43.98,年平均值为14.3,在夏季的S3站和春季的S11站出现一个明显上突(图2-F)。除春、夏季的部分站位外,其余站位的N/P均低于16,说明N的限制性更大。深澳湾春、夏季划分为贫营养,秋、冬季划分为中度营养,全年为贫营养(表3)。

    • 春季网箱区的DIN浓度和N/P均低于贝藻养殖区和对照区,其他3个季节,网箱区的DIN浓度、PO4-P浓度及N/P均高于贝藻养殖区和对照区。贝藻养殖区和对照区之间在各个季节氮、磷营养盐和N/P之间均无显著差异(图3)。

      图  3  不同区域氮磷营养盐浓度和氮磷比的季节变化

      Figure 3.  Seasonal variation of nitrogen and phosphate nutrients in Shen'ao Bay

    • 3种形态的无机氮占DIN的比例存在明显差异(表4),DIN主要以NO3-N为主,比例介于44.8%~88.0%,平均为69.3%,夏季最低,秋季最高;NH4-N次之(5.2%~43.8%,平均为21.5%),春季和秋季分别具有最高和最低值;NO2-N的比例最低(2.1%~27.2%,平均为9.3%),夏季最高,秋季最低。

      季节
      season
      亚硝酸盐
      NO2-N
      硝酸盐
      NO3-N
      氨氮
      NH4-N
      春季 spring 4.5 51.7 43.8
      夏季 summer 27.2 44.8 25.9
      秋季 autumn 2.1 92.7 5.2
      冬季 winter 3.5 88.0 11.1
      平均值 mean 9.3 69.3 21.5

      表 4  深澳湾不同形态氮占总无机氮的比例

      Table 4.  Seasonal variation of dissolved inorganic nitrogen composition in Shen'ao Bay

    • 近岸海域的营养盐时空分布特征受到地表径流、大气沉降、上升流、涡动扩散、反硝化和养殖活动等多种物理、化学和生物的共同作用,这些因素决定了营养盐时空分布的复杂性[19-22]。海水盐度具有保守性,可以在一定程度上表征河口和海湾区域的陆源径流量以及营养盐输入通量,有研究发现伶仃洋东部沿岸总溶解态氮 (TDN)与盐度存在密切相关性,TDN浓度随着盐度的上升呈线性下降[23]。调查期间深澳湾各个季节近岸海域的盐度与湾中部和湾口没有明显差异。说明深澳湾受到沿岸径流输入的影响较小,营养盐的分布格局主要受到海水交换和内生循环的影响。海湾营养盐时空分布特征主要受到相对水交换速率和水体内部生物化学过程的控制调节[24]

      人类大规模的海水养殖活动对近岸海域尤其是养殖区局部海域的营养盐浓度和结构具有显著影响[25]。鱼类网箱养殖过程中以饵料的形式输入营养元素,平均仅有36%的N和33%的P被养殖鱼类同化吸收,其余以各种形态散失在养殖环境中[9]。而采用鲜杂鱼作为饵料时仅有17%的N和10%的P被鱼体吸收,其余83%的N和90%的P均进入养殖水域中[26],这是引起许多海域富营养化的重要原因[9]。另外,滤食性贝类和大型藻类又具有生物滤器的功能,能够直接或间接地利用海水中的氮、磷营养盐,这些种类的收获具有N、P移除效应[27-29]。深澳湾既有鱼类网箱养殖,也有牡蛎和龙须菜等贝藻筏式养殖,海水养殖活动遍布整个海湾并继续向湾口扩展。因此,本文重点从养殖角度对深澳湾氮、磷营养盐的时空分布特征进行探讨。

      深澳湾近岸网箱养殖区的DIN浓度相对较高,养殖过程中产生的残饵的分解释放以及养殖鱼类的排泄可能是主要原因。由于几乎整个深澳湾都开展了养殖活动,大量养殖设施的阻滞作用减弱了流速和水交换作用,降低了湾外营养盐的扩散和输送,而对波浪的衰减作用也降低了海底颗粒物的再悬浮,减少了底层营养盐对上层水环境的补充[13-30],并且也使养殖生物排泄的含N、P的营养物质不能及时被稀释和扩散,导致养殖区及周围局部水域中营养盐浓度升高,进而使化学和生物过程的作用更加显现,结果使海区营养盐时空分布呈现差异[31-32]。但值得注意的是,春季网箱区氮营养盐浓度低于其他区域,可能的原因是春季网箱养殖投饵相对较少,而此时浮游植物生长旺盛,大量吸收了水体中的N。而且其他3个季节,网箱区的氮、磷营养盐均高于贝藻养殖区和对照区,主要是由于网箱养殖投饵和鱼类排泄造成营养盐输入。

      深澳湾年均DIN和PO4-P浓度分别低于一类和二类海水水质标准,说明总体上水质较好。春、夏季可划分为贫营养,秋、冬季划分为中度营养(表1)。深澳湾的NO3-N和DIN浓度在春、夏季低于秋、冬季,这一现象可解释为,大规模养殖的龙须菜是湾内主要的营养盐消耗者,一般在11月开始养殖,龙须菜的快速生长从海水中吸收了大量N元素[33-37],导致冬季和春季水体DIN浓度较秋季降低,到夏初收获前降至最低,与所观测到的夏季最低值相一致。夏、秋季由于水温较高,海区内大型藻类较少,对营养盐的吸收作用减弱,并且由于收获和篮子鱼(Siganus sp.)啃食而断裂的龙须菜残体在高温条件下被微生物分解腐烂也释放出部分营养盐,对水体营养盐起到补充作用,致使DIN在秋季出现峰值。这种水体营养盐浓度变动与大规模藻类养殖活动相关的现象,也出现在桑沟湾和荣成湾等规模化养殖海带的海湾[31-32,38]。牡蛎养殖活动对水域营养盐的调节也不可忽视,秋季DIN水平达到最高,NH4-N和PO4-P整体上呈由近岸网箱养殖区向湾外降低的趋势,牡蛎的排泄活动具有一定的贡献[39]。另外,有研究显示深澳湾网箱养殖区底质中总磷含量为贝藻养殖区及对照区的2倍以上,底质有机物的分解也对水体中P起到了补充作用[40-41]。中部贝藻筏式养殖区,龙须菜的吸收则有效降低了N、P的浓度。

      浮游植物的生长受到营养盐绝对值和N/P的影响。深澳湾各季节DIN和PO4-P的水平均高于浮游植物的生长阈值[c(DIN)=1 μmol·L–1c(P)=0.1 μmol·L–1[42]],说明不存在绝对限制情况。超过阈值部分的N、P可利用性受到Redfield值[c(N)∶c(P)=16∶1]的控制[43]。浮游植物一般以16∶1的比例吸收海水中溶解的N和P,过高或过低于此比值,均会限制浮游植物的生长[44-46]。本研究结果显示深澳湾海水N/P存在季节性差异,春、秋季的N/P略高于Redfield比值,夏、冬季均低于Redfield比值,春、秋季为潜在的磷限制,夏、冬季则为潜在氮限制。全年平均N/P低于Redfield比值,在总共48站次检测中,N/P>16出现19次,N/P<16出现29次,说明N限制的可能性强于P。N/P的成因和演变受到多种因素的影响。束毛藻(Trichodesmium sp.)等蓝藻的固氮作用是水体中N的重要来源,常使P成为初级生产力的调节因子[47],但在盐度较高(>12)的海域,固氮反应即使在氮限制的情况下发生的也较少[48],因而浮游植物的固氮反应对水体N/P的影响较小。此外,南海陆架区海水的N/P远高于Redfield比值,但由于N、P的浓度均较低[49],理论上水交换作用对湾内N/P的影响也较有限。一般来说,沿岸和较封闭海域易发生磷限制,如Frede等[50]、Zohary和Robarts[51]报道地中海发生磷限制,同样在芬兰Archipelago海域[52]、亚得里亚海的中部和南部[53]等海域也均存在磷限制。大亚湾在1985年的N/P为1.4[54],处于氮限制,而目前大亚湾的N/P约为27,也处于磷限制状态。这可能与大亚湾周边深圳市、惠州市等区域的工农业点源和面源输入的含氮物质较高有关。深澳湾和桑沟湾都属于典型的养殖海湾,而且均以贝藻养殖为主体,与桑沟湾进行对比,DIN和PO4-P浓度及比值的季节变化趋势一致,深澳湾DIN浓度均是秋季>冬季>春季>夏季,并且在鱼类网箱养殖区(S1~S3站)高于其他区域;PO4-P的浓度均是冬季>秋季>春季>夏季,均明显受到鱼类、贝类和藻类养殖周期的影响[55]

      周凯[56]报道2001—2002年深澳湾海水DIN和PO4-P浓度分别为15.1 μmol·L–1和1.7 μmol·L–1,比值为8.8,显示深澳湾N、P浓度均有所下降,年平均N/P则明显升高,更接近Redfield比值,说明潜在的氮限制作用增强,N是初级生产力的控制因子。深澳湾的水质由2001年的中度营养型转变成贫营养型,营养盐水平及其结构的变化主要体现了近年来大规模牡蛎和龙须菜养殖的深刻影响,收获贝类和藻类产品相当于把N、P等营养物质从养殖水域中移出,产生环境净化效果,一定程度上抑制水体富营养化[25,57-58]

      深澳湾各季节水体中N均以NO3-N为主,而桑沟湾以NH4-N为主[55]。NO3-N是有机氮硝化过程的最终产物,是海水中最稳定的无机氮成分,是热力学最稳定的化合氮形式,水温较高的条件下有利于有机氮的氧化和NO2-N、NH4-N的进一步氧化。深澳湾以NO3-N为主体的无机氮结构表明除夏季外,其他季节无机氮达到了热力学平衡[59]。深澳湾NO3-N的比例在夏季最低,而此时NO2-N的比例达到最高,主要是由于夏季水温较高,水体溶解氧含量较低(表2)。有研究表明在水体溶氧充足的条件下,水中的硝化作用增强,NO3-N比例升高[60-61]。龙须菜等藻类的残体在高温季节腐烂,也消耗了水体中的溶解氧。另外,养殖牡蛎的排泄和浮游植物的吸收也是影响无机氮结构的重要因素,尤其会对NH4-N浓度产生影响,因为NH4-N是贝类氮排泄的主要成分,约占总排泄氮的70%~80%[62],也是浮游植物优先吸收的氮源[63]

参考文献 (63)

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