駱 鑫，彭小燕，藍文陸

(廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西北海 536000)

0 引言

磷是維持海洋生物生命活動的重要生源要素，其濃度和分布直接影響著海區(qū)初級生產(chǎn)力、浮游植物的種類、數(shù)量及分布[1]。近海沉積物是海洋水體中磷的重要源和匯，沉積物中的可溶性磷形態(tài)的釋出擴散是近岸海域海水溶解無機磷(Dissolved Inorganic Phosphorus，DIP)的一個主要來源[2,3]。近海疏浚工程劇烈攪動海水，引起大量底泥懸浮，往往導致內(nèi)源磷爆發(fā)性釋放，使水體磷濃度增加[4,5]。而磷的過度釋放會影響海水中營養(yǎng)鹽狀態(tài)和浮游植物的磷限制/脅迫水平，影響浮游植物的生長及其群落結構的變化和演替方向，進而對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產(chǎn)生深刻影響[6,7]，因此，開展關于疏浚工程磷釋放對生態(tài)環(huán)境影響的研究十分重要。

在疏浚工程引起的沉積物磷釋放研究方面，目前對湖泊的研究比較多[8-10]，對近岸海域和河口的研究相對較少[4,5]，在廣西近岸海域方面的研究更是趨于空白。已有的欽州灣研究結果表明，入海河流的磷濃度在2001—2010年的近十年內(nèi)增加有限，但海灣的磷濃度卻顯著上升[11]，導致這種現(xiàn)象的一個重要原因很可能是大型疏浚工程引起的沉積物磷釋放。磷的大量釋放很可能引起氮磷比結構的變化，改變欽州灣原本磷限制的狀態(tài)[7,12,13]，對浮游植物群落結構的改變產(chǎn)生重要影響。近年來，廣西局部近岸海域生態(tài)環(huán)境變化明顯，如赤潮發(fā)生頻繁[14-16]、浮游植物群落的生物量和群落結構發(fā)生變化等[17,18]，這些現(xiàn)象可能與內(nèi)源磷釋放存在密切聯(lián)系。本研究通過對比欽州灣施工期與非施工期的不同潮時跟蹤監(jiān)測結果，分析疏浚工程引起的磷釋放對海灣生態(tài)環(huán)境的影響，以期為今后疏浚工程磷釋放相關研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與站點

近十年來隨著欽州港的開發(fā)建設，欽州灣的圍填海工程及航道疏浚工程較多。2015年夏季，欽州港保稅港區(qū)東南端及三墩碼頭西南端的兩處疏浚工程仍在實施。本研究分別于2015年7月9日和7月13日,在工程海區(qū)及其附近的欽州港海區(qū)共進行4個航次的綜合調(diào)查(分別在每日高潮和低潮時各監(jiān)測1次)。在工程附近海域共布設9個監(jiān)測站點，編號為Q1—Q9。其中Q5和Q9分別位于保稅港區(qū)東南端和三墩碼頭西南端疏浚工程附近，為疏浚施工工地附近海域;Q6和Q8均遠離疏浚施工工地，且鹽度分別與Q5和Q9接近，為對照海域(圖1)。其中，2015年7月9日Q5和Q9處于施工期，7月13日處于非施工期。

圖1 監(jiān)測站點分布

1.2 調(diào)查項目與測定方法

各站點采集表層海水樣品(水面下0.5 m)，使用5 L有機玻璃采水器采集水樣，同時用便攜式多參數(shù)測定儀(Multi 350i)測定水溫與鹽度。采水器水樣現(xiàn)場先分裝1 L懸浮物(Suspended Solids，SS)樣品(聚乙烯瓶)，再分裝營養(yǎng)鹽樣品。取500 mL營養(yǎng)鹽樣品經(jīng)孔徑0.45 μm醋酸纖維濾膜(濾膜預先用體積比1∶100 HCl溶液浸泡24 h，并用Milli-Q水洗至中性)過濾，濾液裝于聚乙烯瓶中，冷藏保存并在采樣完成后立即帶回實驗室測定。亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氨鹽氮和活性磷酸鹽分別采用萘乙二胺分光光度法、鎘柱還原法、次溴酸鹽氧化法和磷鉬藍分光光度法(UV759)進行測定。DIN為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氨鹽氮三者濃度之和。各要素的采集、處理和分析方法按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[19]執(zhí)行，并采取現(xiàn)場空白樣、現(xiàn)場平行樣和標準樣品進行質(zhì)量控制。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用胡明輝等[20]提出的營養(yǎng)鹽限制標準來評估近岸海域浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制因素。判斷方法：若cN/cP值<8，浮游植物受氮限制；若cN/cP值>30，浮游植物受磷限制。其中，cN為海水中的溶解無機氮摩爾濃度，cP為海水中的溶解無機磷摩爾濃度。

對環(huán)境參數(shù)的配對樣本T檢驗(Paired SamplesT-Test)采用軟件SPSS 16.0進行分析，等值線圖采用軟件Surfer 11.0進行空間插值并生成。各環(huán)境因子未檢出的監(jiān)測值在統(tǒng)計分析中按其檢出限的一半納入計算。營養(yǎng)鹽濃度增幅計算公式為

Y=[(U疏浚海域-U對照海域)/U對照海域]×100%，

其中，Y為增幅比例(%)，U疏浚海域為疏浚海域營養(yǎng)鹽濃度(μmol·L-1)，U對照海域為對照海域營養(yǎng)鹽濃度(μmol·L-1)。

2 結果與分析

2.1 施工期與非施工期鹽度、懸浮物濃度的對比

將鹽度和懸浮物濃度按不同工期、潮時，兩兩之間進行配對樣本T檢驗，結果如表1。不同潮時(高潮與低潮)的鹽度和懸浮物濃度均無顯著差異(P>0.05)。不同工期的鹽度無顯著性差異。懸浮物濃度在施工期與非施工期之間均具有顯著性差異(P<0.05)，表現(xiàn)為非施工期的濃度顯著低于施工期。

表1 不同工期鹽度和懸浮物的配對樣本T檢驗

4個航次中，調(diào)查海區(qū)的鹽度分布特征基本一致，鹽度最高值和最低值均分別出現(xiàn)在Q9和Q1，基本呈現(xiàn)由灣頸向外灣逐漸升高的平面分布特征，鹽度等值線沿著東北-西南方向分布，疏浚海域與對照海域的鹽度基本一致(圖2)。

圖2 鹽度的平面分布

施工期高潮時，研究海域懸浮物濃度最高值出現(xiàn)在保稅港區(qū)東南側Q5和三墩碼頭南側Q9，最低值出現(xiàn)在Q4；低潮時最高值出現(xiàn)在欽州港保稅區(qū)附近海域的Q5，最低值出現(xiàn)在其南方的Q7。非施工期時，研究海域高潮時懸浮物濃度最高值出現(xiàn)在Q8，最低值出現(xiàn)在Q1和Q4。低潮時濃度最高值出現(xiàn)在Q6，最低值出現(xiàn)在Q1、Q2和Q4。施工期疏浚海域的懸浮物濃度明顯高于對照海域，非施工期兩海域之間無明顯差異(圖3)。

圖3 懸浮物的平面分布

2.2 施工期與非施工期營養(yǎng)鹽濃度的對比

將溶解無機氮、溶解無機磷和cN/cP值按不同工期、不同潮時兩兩之間進行配對樣本T檢驗。結果如表2所示，相同日期不同潮時之間，3個指標均無顯著性差異(P>0.05)。cN/cP值在所有對比當中都無顯著性差異，DIN和DIP在相同日期、不同潮時之間無顯著性差異。DIN和DIP在相同潮時、不同工期之間均具有顯著性差異(P<0.05)，表現(xiàn)為非施工期的DIN和DIP濃度顯著高于施工期。

表2 不同工期營養(yǎng)鹽的配對樣本T檢驗

施工期研究海域高潮時DIN的濃度最高值出現(xiàn)在Q3，最低值出現(xiàn)在Q8；低潮時濃度最高值出現(xiàn)在Q2，最低值出現(xiàn)在Q8。非施工期高潮時DIN的濃度最高值出現(xiàn)在Q2，最低值出現(xiàn)在Q8；低潮時濃度最高值出現(xiàn)在Q1，最低值出現(xiàn)在Q9。

4個航次均基本呈現(xiàn)由灣頸向外灣逐漸降低的平面分布特征。施工期，疏浚海域附近的Q7和疏浚海域的Q9 DIN濃度高于對照海域的Q6、Q8。非施工期時，疏浚附近海域DIN濃度與對照海域無明顯區(qū)別(圖4)。

圖4 溶解無機氮的平面分布

施工期時，研究海域DIP的濃度高值區(qū)出現(xiàn)在灣頸的Q1和Q2(圖5)，此時處于疏浚海域Q5的DIP濃度明顯高于周邊海域，Q9則明顯高于Q7的DIP濃度(圖5)。非施工期時，DIP的濃度最高值與施工期一致(圖5)，此時DIP濃度的水平分布呈規(guī)律的、由北向南逐漸降低的分布特征，疏浚海域Q9的DIP濃度和對照海域的Q8無明顯差異(圖4)。

圖5 溶解無機磷的平面分布

2.3 施工期與非施工期營養(yǎng)鹽結構的對比

將疏浚海域(Q5，Q9)的數(shù)據(jù)與對照海域(Q6，Q8)的數(shù)據(jù)進行比較，結果如表3。在施工期高潮和低潮時，疏浚海域DIN的平均濃度分別比對照海域高出151.7%和62.9%，DIP平均濃度分別比對照海域高出580.0%和84.0%，磷的增幅比氮更顯著。在非施工期的高潮和低潮時，氮和磷的增幅較小，疏浚海域DIN平均濃度分別比對照海域高58.8%和低2.1%，DIP平均濃度分別比對照海域高18.1%和36.4%。

表3 疏浚海域與對照海域氮磷濃度變化的比較

表4列出了4個航次研究海域的cN/cP情況，從表4中可以看出：(1)施工期研究海域cN/cP平均值要低于非施工期；(2)施工期處于疏浚海域的Q5、Q9cN/cP值明顯低于對照海域的Q6、Q8，這種現(xiàn)象在非施工期不明顯，說明工程疏浚會直接影響氮磷結構。

表4 不同工期各站點的cN/cP值

3 討論

3.1 疏浚工程對海灣營養(yǎng)鹽分布格局的影響

河口海域的鹽度可以用來反映入海徑流匯在海水當中的比例，其主要受入海徑流流量和降水量的影響[21,22]。在本研究的跟蹤監(jiān)測期間，研究海域及其入海河流上游區(qū)域無明顯降雨，因此4個航次鹽度平均值基本無變化(表1)，平面分布特征也基本一致(圖2)。匯入欽州灣的欽江和茅嶺江的入海口主要位于茅尾海的北端，離本研究海域較遠，因而高、低潮時鹽度差距較小，加上監(jiān)測調(diào)查的日期接近，不同日期的鹽度也變化很小。

本研究結果顯示DIN和DIP的濃度都呈現(xiàn)由灣頸到灣外逐漸降低的趨勢(圖4，5)，總體上與鹽度的分布趨勢相反，這與大多數(shù)河口營養(yǎng)鹽的研究結果一致[23]。高、低潮之間不論是平均濃度還是分布情況均基本一致(圖4，5)，說明不同潮時不同水動力條件對于欽州港海區(qū)DIN和DIP濃度影響比較小。相同潮時，施工期時研究海域的DIN和DIP濃度均顯著低于非施工期(表2)，可能是非施工期入海河流或欽州港周邊輸入的氮磷污染物總量有所增加導致的，也有可能與海區(qū)連續(xù)疏浚使得沉積物營養(yǎng)鹽在水體中不斷累積有關。三墩碼頭和三墩公路的半封閉作用減弱了海水的水交換能力，一定程度上加強了營養(yǎng)鹽濃度的累積效果。

相同潮時，施工期海灣水體中懸浮物濃度明顯高于非施工期，靠近三墩公路及三墩碼頭的Q5和Q9均是研究海域懸浮物濃度的高值區(qū)。高濃度的懸浮物會降低水體的透光率，這有可能對浮游植物的生長造成負面影響。施工期時，疏浚海域懸浮物、DIN和DIP的濃度都比對照海域高(圖4，5)，表明疏浚工程會引起沉積物中氮與磷的釋放，尤其是DIP濃度增幅更明顯(表3)。

人口密集且經(jīng)濟快速發(fā)展的河口地區(qū)，河口中營養(yǎng)鹽濃度梯度線與鹽度梯度線具有高度重合的特征[21,22]。本研究中營養(yǎng)鹽濃度總體上與鹽度分布趨勢相反，但營養(yǎng)鹽濃度梯度線與鹽度的梯度線卻有一定夾角，并不是完全重合，尤其是施工期的DIP濃度梯度線，夾角最大。這是由于圍填海與挖掘等施工會使土壤與沉積物當中的營養(yǎng)鹽溶解于海水當中，使得營養(yǎng)鹽的濃度上升[24]。施工期間，灣外東部三墩碼頭的施工引起附近海域(Q7和Q9)營養(yǎng)鹽濃度升高，東部海域營養(yǎng)鹽濃度總體高于對照海域，使得營養(yǎng)鹽梯度線與鹽度梯度線之間出現(xiàn)夾角，表明疏浚工程引起沉積物營養(yǎng)鹽釋放能夠明顯改變局部海區(qū)水體營養(yǎng)鹽的分布格局。到了非施工期(7月13日)，東部與中部海域的營養(yǎng)鹽仍存在較小濃度差，這可能由于停工的時間還不足以供東部海域完成海水的全部交換，加上疏浚營養(yǎng)鹽釋放的累積效應，營養(yǎng)鹽等梯度線與鹽度梯度線仍存在著較小的夾角。

3.2 疏浚工程引起的磷釋放對浮游植物的影響

欽州灣近海工程疏浚使得沉積物營養(yǎng)鹽釋放到水體中，不僅導致附近水體營養(yǎng)鹽的濃度升高，也改變了水體中營養(yǎng)鹽的結構比例(表3，4)。營養(yǎng)鹽是浮游植物生長必要因子，不同營養(yǎng)鹽的結構比例會顯著影響浮游植物的生長狀況，因此疏浚工程造成水體營養(yǎng)鹽及其結構比例變化，很可能會對浮游植物產(chǎn)生影響[1-3]。施工期間所調(diào)查的欽州灣站點，除了個別站點之外，cN/cP值均大于30，根據(jù)浮游植物生長的最適cN/cP值[25]、營養(yǎng)鹽限制因素分析和評價方法[20]可以判斷，研究海域的浮游植物受到磷限制，這也與欽州灣前期的研究結果相符[7,12,13]。欽州灣疏浚施工期間，沉積物開挖、吹沙、疏浚等大型工程的施工劇烈攪動了海灣中的沉積物，引起施工附近海域(Q5、Q7和Q9)的DIN和DIP濃度上升(圖4，5)。與此同時，施工引起的磷釋放幅度高于氮(表4)，導致施工期間附近海域cN/cP值相對于未施工期間有不同程度減小(表3)，尤其是靠外灣磷酸鹽濃度很低的Q7和Q9，施工期cN/cP值顯著降低。這種變化導致部分海域解除磷限制狀態(tài)，甚至個別站點cN/cP值接近最適值[25]，為浮游植物的生長創(chuàng)造了良好的條件。在非施工期，除靠外海域之外，調(diào)查海區(qū)的cN/cP值均小于30，表明調(diào)查海域的浮游植物已不受磷限制，這可能主要受到茅尾海、金鼓江及欽州港附近輸入的磷酸鹽增加的影響。另外，該現(xiàn)象可能與海區(qū)疏浚內(nèi)源磷釋放的累積效應有一定關系，因為非施工期的鹽度沒有明顯減少，而且Q1—Q4附近的懸浮物濃度很低，本研究中也發(fā)現(xiàn)疏?；顒訉е碌臓I養(yǎng)鹽釋放過程中，水體DIP增幅明顯大于DIN。

欽州灣近海疏浚工程可能解除附近海域的磷限制狀態(tài)，使海水的cN/cP值達到適合浮游植物生長的理想水平，進而可能引發(fā)浮游植物的大量增殖，甚至暴發(fā)赤潮。已有研究[7,12，13]表明，相對于DIN，欽州灣DIP濃度較低，使得該海域cN/cP值普遍較高，處在磷脅迫或磷限制狀態(tài)，這與本研究于施工期的研究結果基本一致(表4)。2011年莊軍蓮等[14]研究發(fā)現(xiàn)，欽州灣外灣及疏浚工程附近海域水體中的DIP濃度明顯高于周邊海域，這與本文“疏浚海域營養(yǎng)鹽濃度高于周邊對照海域”的結果基本一致，莊軍蓮等[14]認為這是導致當時該海域發(fā)生萎軟幾內(nèi)亞藻和夜光藻赤潮的主要原因。在相對靠外的海區(qū)，營養(yǎng)鹽濃度較低，浮游植物的吸收消耗使得營養(yǎng)鹽接近枯竭，在這種情況下，即使較少的營養(yǎng)鹽補充也能夠被受營養(yǎng)鹽限制的浮游植物高效利用而使其快速生長繁殖，因此在獲得海底營養(yǎng)鹽補充情況下出現(xiàn)低營養(yǎng)鹽濃度、高浮游植物生物量的現(xiàn)象[26]。由此可見，雖然疏浚導致的磷釋放量難以跟外部輸入的相比，但持續(xù)的沉積物磷釋放，使磷補充到表層水體對低營養(yǎng)鹽海區(qū)浮游植物有著重要的意義。近年來欽州灣外源性磷輸入變化不大[11]，在疏浚施工較少的十年前欽州灣鮮有赤潮的報道，但自2008年國務院批準欽州灣圍填海工程項目以來，赤潮或水華的發(fā)生愈加頻繁[14-16]，說明兩者存在重要聯(lián)系。加上欽州港所建的三墩公路和三墩碼頭引起海水動力條件的減弱，使得沉積物內(nèi)源磷釋放在海水中進行累積，cN/cP值可能持續(xù)向有利于浮游植物大量增殖的方向發(fā)展，赤潮的暴發(fā)的可能性增加，可能造成水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游業(yè)和漁業(yè)捕撈的重大損失，需要加大這方面的關注。

4 結論

本研究表明，疏浚工程施工的擾動使水體中懸浮物濃度顯著增加的同時，也使得水體中溶解無機氮和溶解無機磷的濃度顯著增加。疏浚海域的DIN和DIP濃度比附近對照海域增幅分別可達到151.7%和580%，DIP增幅大于DIN增幅。疏浚工程導致沉積物營養(yǎng)鹽釋放，會明顯改變局部海域的營養(yǎng)鹽濃度及其分布格局。在欽州灣外灣，疏浚工程引起的內(nèi)源磷元素釋放要強于氮元素，這改變了海灣cN/cP值等營養(yǎng)鹽結構特征，可能消除浮游植物磷脅迫/限制狀態(tài)并引發(fā)水華或赤潮，因此對疏浚工程引發(fā)的不良生態(tài)影響需要加以關注。