海水中的营养盐是海洋浮游植物生长繁殖所必需的成分，营养盐浓度、形态和结构的变化会引起初级生产力的变化，进而产生相应的生态环境效应，影响整个海洋生物资源(颜秀利等, 2012; Ning et al, 2010; 孙萍等, 2008; Tang et al, 2003)。
莱州湾位于山东半岛北部、渤海南部，三面环陆，沿岸有黄河、小清河、白浪河等多条河流注入(刘慧等, 2003; 刘义豪等, 2011)，入海径流为其带来丰富的营养物质，是多种水生动物索饵、产卵、栖息场所，是我国北方重要渔场之一(米铁柱等, 2001; 马彩华等, 2017; Jin et al, 2013; 张锦峰等, 2015)。近年来，无机氮(DIN)污染及营养盐结构失衡已成为莱州湾环境的突出问题(杜培培等, 2017; 张锦峰等, 2015)，但对于指导莱州湾养殖业生产的研究极少。因此，研究莱州湾营养盐结构特征及限制状况分布区域，对了解莱州湾养殖生态系统具有重要的指导意义(刘爱英等, 2017)。
本研究基于2018年5、8月在莱州湾的生态调查资料，分析了该海域春、夏季营养盐平面分布，并对其结构状况及限制特征进行了探讨，旨在了解莱州湾营养盐状况及养殖风险区域，为莱州湾环境保护及海水养殖业健康发展提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 调查时间与站位2018年5、8月在莱州湾海域(37.2°~37.8°N，119.0°~120.2°E)进行2个航次的生态调查，共布设调查站位107个(图 1)。
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图 1 莱州湾调查站位 Fig.1 Location of sampling stations in Laizhou Bay |
样品采集按照海洋监测规范(GB 17378-2007)和海洋调查规范(GB 12763-2007)进行。样品分析按照海洋监测技术规程(GB/T 147-2013)进行。分析项目包括氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2–-N)、硝酸盐氮(NO3–-N)、活性磷酸盐(PO43–-P)和硅酸盐(SiO32–-Si)，均采用流动分析法测定，其中，DIN=NO3–-N+NO2–-N+NH4+-N，数据均采用表层水样数据。
1.3 数据统计及评价方法平面分布图采用Surfer 8.0软件绘制，双变量相关性采用SPSS 19.0软件分析。
本研究采用Nelson等(1990)提出的营养盐绝对限制法则、Justic等(1995)提出的相对限制法则和郭卫东等(1998)提出的潜在性富营养化评价模式(表 1)对莱州湾营养状况进行评价。
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表 1 潜在性富营养化评价标准 Tab.1 Potential eutrophication assessment standards |
5月，DIN浓度范围为7.52~106.36 μmol/L，平均值为(29.33±17.95) μmol/L，基本呈西南部近岸海域高、东北部海域低的分布特征，高值区主要位于小清河口附近海域；8月，DIN浓度范围为1.64~88.98 μmol/L，平均值为(19.02± 22.54) μmol/L。8月明显低于5月，基本呈现西部近岸海域高、中部低的分布特征。2个高值区主要位于小清河口及黄河口附近海域，浓度均超过42.9 μmol/L，受入海径流及莱州湾潮流影响(郭富等, 2017)，DIN含量自西向东逐渐降低(图 2)。
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图 2 2018年莱州湾DIN平面分布 Fig.2 Horizontal distribution of inorganic nitrogen in Laizhou Bay, 2018 (μmol·L–1) |
5月，PO43–-P浓度为0~0.545 μmol/L，平均值为(0.148±0.129) μmol/L，研究海域PO43–-P浓度整体较低，无明显的高值区；8月，PO43–-P浓度范围为0~2.010 μmol/L，平均值为(0.216±0.319) μmol/L，呈西南部近岸海域高、东部海域低的分布特征，丰水期PO43–-P受河流输入增加明显，在小清河口附近海域出现了1个高值区(图 3)。
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图 3 2018年莱州湾PO43–-P平面分布 Fig.3 Horizontal distribution of phosphorus in Laizhou Bay, 2018 (μmol·L–1) |
5月，SiO32–-Si浓度范围为0.97~33.89 μmol/L，平均值为(10.64±10.21) μmol/L，无明显高值区，基本呈东部、南部海域较高，其他海域较低的特征；8月，SiO32–-Si浓度范围为1.71~78.93 μmol/L，平均值为(25.95±20.48) μmol/L。8月明显高于5月，基本呈南部海域较高、北部海域低的分布特征，高值区主要位于莱州湾底部海域，较5月有明显增高(图 4)。
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图 4 2018年莱州湾SiO32–-Si平面分布 Fig.4 Horizontal distribution of silicate in Laizhou Bay, 2018 (μmol·L–1) |
5月，N/P值范围为38~2446，平均值为355±411。平面分布基本呈斑块状分布，高值区主要分布在黄河口附近海域。8月，N/P值范围为9~1287，平均值为166±247，平面分布基本呈东北部海域高、其他海域低的分布特征，高值区主要分布在东北部海域，明显低于5月。表明丰水期河流输入有利于莱州湾N/P值的降低(图 5)。
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图 5 2018年莱州湾N/P平面分布 Fig.5 Horizontal distribution of N/P in Laizhou Bay, 2018 |
5月，Si/N值范围为0.02~2.71，平均值为0.573±0.716，平面分布与SiO32–-Si分布特征相似，基本呈东部海域较高、其他海域较低的特征，高值区主要位于招远–龙口近岸海域；8月，Si/N值范围为0.09~31.3，平均值为4.02±6.55，平面分布基本呈南部海域高、其他海域较低的特征，高值区主要位于湾底部海域，较5月有明显增高(图 6)。
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图 6 2018年莱州湾Si/N平面分布 Fig.6 Horizontal distribution of Si/N in Laizhou Bay, 2018 |
5月，Si/P值范围为4.09~751，平均值为115±154，平面分布与SiO32--Si平面分布特征相似，基本呈东部、南部海域较高，西北部海域较低的特征，高值区主要位于莱州湾底部海域；8月，Si/P值范围为7.43~2259，平均值为339±498。8月平面分布与5月相似，高值区主要位于莱州湾底部海域，明显高于5月(图 7)。
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图 7 2018年莱州湾Si/P平面分布 Fig.7 Horizontal distribution of Si/P in Laizhou Bay, 2018 |
根据营养盐的绝对限制法则(Nelson et al, 1990)，浮游植物生长所需的DIN最低阈值为1 μmol/L，PO43–-P最低阈值为0.1 μmol/L，SiO32–-Si最低阈值为2 μmol/L。若海水中某种营养盐浓度低于最低阈值，则表明该种营养盐是初级生产力的限制因子。
从表 2可以看出，5月，莱州湾DIN均高于最低阈值；有51个站位PO43–-P低于阈值，占比为47.66%；有36个站位SiO32–-Si低于阈值，占比为33.64%；有22个站位PO43–-P、SiO32–-Si同时低于阈值，占比为20.56%；在65个站位中，有1项营养盐低于阈值，占比为60.75%。8月，莱州湾DIN均高于最低阈值；有42个站位PO43–-P低于阈值，占比为39.25%；1个站位SiO32–-Si低于阈值，占比为0.93%(图 8)。
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表 2 莱州湾DIN、PO43–-P和SiO32–-Si与最低阈值比较 Tab.2 Comparison between the DIN, PO43–-P, SiO32–-Si and the minimum threshold in Laizhou Bay |
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图 8 莱州湾营养盐限制特征 Fig.8 Characteristics of nutrient limitation in Laizhou Bay ★：无限制；▲：PO43–-P限制；●：SiO32–-Si限制 ★: Unlimited; ▲: PO43–-P limiting; ●: SiO32–-Si limiting |
根据营养盐的相对限制法则(Justic et al, 1995)，当N/P < 10(原子数比，下同)、Si/N > 1时，DIN为限制因子；当Si/P > 22、N/P > 22时，PO43–-P为限制因子；当Si/P < 10、Si/N < 1时，SiO32–-Si为限制因子。
从表 3可以看出，5月，14个站位的SiO32–-Si受限制，占比为13.08%；20个站位无限制，占比为18.69%；73个站位PO43–-P受限制，占比为68.22%。8月，1个站位DIN受限制，占比为0.93%；2个站位SiO32–-Si受限制，占比为1.87%；15个站位无限制，占比为14.02%；89个站位PO43–-P受限制，占比为83.18%。
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表 3 莱州湾相对限制法则营养状况 Tab.3 Nutritional status of relative restriction rule in Laizhou Bay |
依据杨东方等(2001)对营养盐限制的判断方法，要确定浮游植物生长限制的营养盐元素，必须同时满足绝对限制法则和相对限制法则，才能确定浮游植物生长限制的营养盐元素。
从表 4可以看出，5月，11个站位SiO32–-Si受限制，占比为10.28%，主要分布在莱州湾东南部海域及小清河口外海海域；55个站位无限制，占比为51.40%，主要分布在近岸海域；41个站位PO43–-P受限制，占比为38.32%，分布在莱州湾中部海域。8月，1个站位SiO32–-Si受限制，占比为0.93%；64个站位无限制，占比为59.81%，主要分布在莱州湾西南部及中部海域；42个站位PO43–-P受限制，占比为39.25%，分布在莱州湾底部海域及东北部海域。5月，莱州湾营养盐限制因子为磷限制与硅限制；8月，限制因子为磷限制。
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表 4 莱州湾营养状况 Tab.4 Nutritional status in Laizhou Bay |
潜在性富营养化评价模式见表 5。从表 5可以看出，5月，11个站位无限制，占比为10.28%，主要分布在莱州湾东北部海域；74个站位磷限制潜在性富营养，占比为69.16%，主要分布在莱州湾中部、西部海域；22个站位磷限制中度营养，占比为20.56%，分布在莱州湾大部分海域。8月，40个站位无限制，占比为37.38%，主要分布在莱州湾东、南部海域；23个站位贫营养，占比为21.50%，主要分布在莱州湾东南部及中部海域；1个站位富营养，占比为0.93%；21个站位磷限制中度营养，占比为19.63%，主要分布在莱州湾中部及东北部海域；1个站位磷中等限制潜在性富营养，占比为0.93%；21个站位磷限制潜在性富营养，占比为19.63%，主要分布在莱州湾西南部海域(图 9)。
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表 5 莱州湾潜在性富营养化状况 Tab.5 Potential eutrophication in Laizhou Bay |
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图 9 潜在性富营养化评价营养盐限制特征 Fig.9 Characteristics of nutrient limitation by potential eutrophication ★：无限制；▲：磷限制中度营养；●：磷限制潜在性富营养；■：贫营养；□：富营养；△：磷中等限制潜在性富营养 ★: Unlimited; ▲: Medium nutrient with phosphorous limiting; ●: Potential eutrohpication with phosphorous limiting; ■:Poor nutrient; □: Rich nutrient; △: Potential eutrophication with medium nitrogen limiting |
通过不同模式评价，莱州湾整体表现为明显的磷限制和枯水期的硅限制，且N/P值较高。研究发现，从20世纪80年代开始，莱州湾海域N/P值逐渐升高，营养盐结构由氮限制演化为现今的磷限制(赵玉庭等, 2016)，主要原因首先是限磷政策的出台导致陆源排磷量大幅降低(山东省环境保护局, 2000)，其次是氮肥在农业中大量使用，导致陆源氮输入量的增加(王修林等, 2008)。N/P值夏季明显低于春季，8月，虽然陆源输入较高，但由于夏季水温及光照的影响，导致浮游植物生长旺盛。8月莱州湾浮游植物密度为1.14×106 cells/m3，是5月的15倍。浮游植物的暴发会大量消耗DIN，导致DIN浓度较5月下降明显；同时，浮游植物间的化感效应和藻间竞争作用等引起噬氮浮游植物大量繁殖，需磷浮游植物受到限制(彭喜春等, 2007; 康燕玉等, 2006; Yuh et al, 2004; 李丽等, 2018)，这也可能是造成夏季N/P值下降的主要原因。
研究发现，莱州湾呈枯水期的硅限制。莱州湾东南部海域有较多站位的SiO32–-Si低于阈值，且Si/P < 10、Si/N < 1，均符合硅限制特征，这不利于硅藻生长，从而间接地助长甲藻繁殖，易引发赤潮，这也是该区域春季赤潮频发的原因之一(姜会超等, 2018)，对春季莱州湾东南岸养殖业造成一定的风险。受丰水期陆源输入SiO32–-Si补充的影响，8月硅限制得到了有效的缓解，说明陆源输入是缓解莱州湾硅限制的重要因素。
对莱州湾盐度及叶绿素a(Chl-a)与营养盐相关性分析，结果显示，5月，盐度与DIN、PO43–-P呈极显著负相关(P < 0.01)，与SiO32–-Si呈显著正相关(P < 0.05)；在8月，盐度与DIN、PO43–-P和SiO32–-Si均呈极显著负相关(P < 0.01)，与5月相比，相关系数增高。表明河流陆源输入对莱州湾营养盐浓度影响较大，且在丰水期尤其明显，这与小清河口、黄河口等河口区域营养盐浓度较高相一致(表 6)。
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表 6 营养盐与盐度及Chl-a相关性分析 Tab.6 Pearson correlation coefficient between nutrients with salinity and Chl-a |
Chl-a在5月与Si/P值呈极显著正相关(P < 0.01)，表明PO43–-P和SiO32–-Si是5月初级生产力的主要限制因子；Chl-a在8月与DIN、PO43–-P相比呈极显著正相关(P < 0.01)(表 6)。8月，在莱州湾中北部海域，DIN、PO43–-P含量均较低，有23个站位呈贫营养化状态，成为限制8月初级生产力的主要原因。
莱州湾内海水养殖区分别位于湾东南岸的莱州–招远–龙口养殖区和西南岸的东营–潍坊养殖区。春季，莱州–招远养殖区营养盐结构基本为磷限制和硅限制特征，易引发甲藻赤潮，对该海域养殖业造成一定的风险。招远–龙口养殖区基本为无限制或磷限制特征；东营–潍坊养殖区基本为无限制或磷限制特征，少数为硅限制特征。夏季，莱州–招远养殖区营养盐结构基本为无限制或贫营养特征，该海域初级生产力受到一定限制，对其海水养殖业造成一定的影响；招远–龙口养殖区基本为磷限制；东营–潍坊养殖区基本为无限制或磷限制特征，富营养化程度较高，易引发硅藻赤潮(山东省生态环境厅, 2019)，对该海域养殖业造成一定的风险。
4 结论2018年春、夏季莱州湾DIN的浓度变化范围为1.64~106.36 μmol/L，平均值为24.18 μmol/L，5月明显高于8月。PO43–-P浓度变化范围为0~2.010 μmol/L，平均值为0.182 μmol/L，8月明显高于5月。SiO32–-Si浓度变化范围为0.97~78.93 μmol/L，平均值为18.30 μmol/L，8月明显高于5月。
2018年莱州湾N/P值的范围为9~2 446，平均值为261，5月明显高于8月；Si/N值的范围为0.02~ 31.3，平均值为2.30，8月明显高于5月；Si/P值的变化范围为4.09~2259，平均值为227，8月明显高于5月；DIN、PO43–-P、N/P高值区主要位于莱州湾西部的小清河口和黄河口附近海域；SiO32–-Si、Si/N、Si/P高值区主要位于莱州湾底部、龙口–莱州近岸海域。
对营养盐结构的分析表明，莱州湾存在明显的磷限制和枯水期的硅限制；河流的陆源输入对莱州湾营养盐有较大贡献，且这种贡献在丰水期尤其明显。PO43–-P和SiO32–-Si是5月初级生产力的主要限制因子，PO43–-P是8月初级生产力的主要限制因子。
营养盐结构限制平面分布表明，春季莱州–招远养殖区和夏季东营–潍坊养殖区易引发赤潮，对相关海域海水养殖业造成一定的风险；夏季莱州–招远养殖区初级生产力受到一定限制，对该海域海水养殖业造成一定的影响。
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