氮和磷等营养盐是海洋环境中维持海洋生物体生命活动的必需元素，也是水体富营养化、赤潮暴发等环境问题的物质基础^[1]。广西北部湾海域是我国南海大陆架西北部的一个天然半封闭浅海湾，随着该区社会与经济的迅速发展，工农业生产和生活污水携带大量营养物质流入海洋，主要营养盐浓度整体上呈明显的年际上升趋势。经统计，1980-2010年，广西北部湾溶解态无机氮(DIN)均值增长了17.9倍^[2]。以《海水水质标准》(GB 3097-1997)^[3]为评价依据，1990-2000年北部湾近岸海域溶解态磷酸盐(DIP)优于一类海水水质标准；2000-2007年有所上升，但总体变化不大；而2008年后，大部分湾内湾口的DIP最高值已处于二、三类海水水质标准，甚至劣于四类海水水质标准^[4]。近年北部湾赤潮灾害明显加重，2021年暴发了高达6 400 km²的超大规模夜光藻(Noctiluca scintillans)赤潮^{[5, 6]}，赤潮生物由最近十年的球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)演变为夜光藻，有害赤潮种类增加^[7]，严重威胁北部湾海洋生态环境和经济可持续发展，急需就该地区主要海域的营养盐状况进行研究。

北部湾有多条河流汇入，水产资源丰富。珍珠湾、钦州湾、廉州湾和铁山港是北部湾沿岸分布的4个主要海水养殖区，以生蚝、虾、金鲳鱼养殖为主^{[8, 9]}。钦州湾号称“大蚝之乡”，是我国重要的蚝苗繁育基地，提供了全国70%的蚝苗^[10]；铁山港则是重要的金鲳鱼养殖基地，金鲳鱼产品连续3年出口到欧洲，连续17年出口到美国^[11]。涠洲岛位于北部湾中部，是北部湾最大的岛屿，拥有典型的珊瑚礁生态系统，是北部湾最重要的生态景观和资源之一，具有较高的初级生产力、重要的环境功能与社会效益^[12]。营养盐状况对上述海域的海洋环境质量、海洋生态环境保护和海洋产业可持续发展研究具有重要意义。目前对北部湾营养盐研究报道较多，但多只关注某一具体海域^[13-15]，同时针对北部湾多个海域多个季节的营养盐研究工作仍不多。因此，本研究于2021年8月(夏季)和2022年1月(冬季)在北部湾主要养殖水域和涠洲岛周围布设站位，分析表层海水营养盐浓度、结构和限制情况，评价水体富营养化状况，拟为北部湾海水养殖、赤潮灾害管理和海洋生态保护提供基础环境数据。

2021年8月和2022年1月在广西北部湾近岸海域进行2个航次调查(图 1)，分别对珍珠湾、钦州湾、廉州湾、铁山港和涠洲岛海域共27个站位采集表层水样(珍珠湾因疫情影响无冬季数据，廉州湾冬季采样时因潮位较低，采样站位较夏季外移至28-32)。调查站位主要选取代表性近岸海域，包括生蚝和蚝苗养殖区钦州湾、金鲳鱼养殖区铁山港、珊瑚生长海域涠洲岛等。样品采集、保存和分析按《海洋监测规范》执行^[16]，测定的海水温度、盐度、pH值、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)分析精度分别为0.2℃、2，0.01，0.085 mg/L、0.15 mg/L，测定的5项营养盐硝酸盐(NO₃^--N)、亚硝酸盐(NO₂^--N)、氨盐(NH₄⁺-N)、活性磷酸盐(PO₄^3--P)和硅酸盐(SiO₃^2--Si)检出限分别为0.04 μmol/L、0.02 μmol/L、0.03 μmol/L、0.02 μmol/L、0.10 μmol/L。

图 1 北部湾近岸海域调查站位 Fig. 1 Sampling stations in nearshore seawaters of Beibu Gulf

图选项

浮游植物生长过程中需按照一定比例吸收生源要素，以浮游植物对营养盐SiO₃^2--Si、PO₄^3--P和DIN的需求阈值2 μmol/L、0.1 μmol/L和1 μmol/L作为相应组分的绝对限制标准^{[17, 18]}，当某种营养盐含量低于对应阈值则表示该项营养盐为绝对限制因子；当含量高于阈值，则根据浮游植物对不同营养盐吸收的化学计量关系(摩尔比)评价其潜在限制情况：若N/P < 10、Si/N>1，则为潜在N限制；若Si/P>22、N/P>22，则为潜在P限制；若Si/P < 10、Si/N < 1，则为潜在Si限制^[19]。

20世纪80年代邹景忠等^[20]将富营养化指数法用于渤海湾富营养化研究，后来被学者广泛用于水体富营养化评价，计算公式如下：

式中，E为富营养化指数；COD、DIN、DIP分别为化学需氧量、溶解态无机氮、溶解态无机磷含量，其中DIN=NO₃^--N+NO₂^--N+NH₄⁺-N；单位均为mg/L。E < 1为贫营养，1≤E < 2为轻度富营养，2≤E < 5为中度富营养，5≤E < 15为重度富营养，E≥15为严重富营养。

实验数据由Excel 2010进行初步整理。使用Arcmap 10.2绘制研究区域采样图；运用Origin 2019b软件绘制营养盐浓度和分布图，同时绘制营养盐历史趋势图并进行线性拟合分析。

夏季表层海水温度为30.0-33.1℃，平均值为(31.3±0.8)℃(n=27)，最高值出现在廉州湾11号站位，最低值出现在涠洲岛22-25，27号站位。冬季表层海水温度为13.5-19.6℃，平均值为(16.7±1.8)℃(n=22)，最高值出现在钦州湾6号站位，最低值出现在涠洲岛26号站位。夏季盐度为21.2-34.0，平均值为28.0±3.3 (n=27)，最高值出现在涠洲岛23，26号站位，最低值出现在钦州湾6号站位；冬季盐度为22.4-32.8，平均值为30.2±2.5 (n=22), 最高值出现在涠洲岛24号站位，最低值出现在钦州湾6号站位。

夏季营养盐浓度较高，浓度变化范围也较冬季大。夏、冬季营养盐浓度从大到小均为SiO₃^2--Si>DIN>PO₄^3--P。DIN和SiO₃^2--Si平均值夏季高于冬季，而PO₄^3--P平均值夏季略低于冬季。NO₃^--N是DIN的主要组成部分，夏、冬季NO₃^--N平均值均占DIN的55%以上；其次为NH₄⁺-N，占比34.0%-36.1%；NO₂^--N占比最低(表 1)。

营养盐浓度及分布见图 2。夏季NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N和DIN最高浓度分别出现在钦州湾6号站位(0.298 mg/L)、铁山港16号站位(0.028 mg/L)、铁山港16号站位(0.187 mg/L)和钦州湾6号站位(0.427 mg/L)，最低浓度分别出现在珍珠湾2号站位(0.008 mg/L)、珍珠湾5号站位(0.001 mg/L)、涠洲岛24，25号站位(0.003 mg/L)和涠洲岛24号站位(0.028 mg/L)。上述营养盐冬季最高浓度分别出现在钦州湾6号站位(0.291 mg/L)、涠洲岛25号站位(0.013 mg/L)、铁山港18号站位(0.117 mg/L)和钦州湾6号站位(0.349 mg/L)，最低浓度分别出现在涠洲岛25号站位(0.008 mg/L)、钦州湾9号站位(0.001 mg/L)、涠洲岛25号站位(0.013 mg/L)和涠洲岛25号站位(0.034 mg/L)。夏季PO₄^3--P、SiO₃^2--Si最高浓度分别出现在钦州湾7号站位(0.037 mg/L)、珍珠湾1号站位(1.187 mg/L)，最低浓度分别为珍珠湾4号站位(0.007 mg/L)、涠洲岛27号站位(0.097 mg/L)。冬季PO₄^3--P、SiO₃^2--Si最高浓度均出现在钦州湾6号站位(分别为0.037 mg/L、0.706 mg/L)，最低浓度分别出现在涠洲岛23号站位(0.004 mg/L)、涠洲岛27号站位(0.120 mg/L)。空间分布上，营养盐浓度总体上涠洲岛最低，各个海湾间呈铁山港和钦州湾>廉州湾>珍珠湾>涠洲岛(表 2)，且呈湾内向湾外递减趋势。

Stations 11-15 on the x-axis correspond to stations 11-15 in summer or 28-32 in winter, respectively 图 2 北部湾近岸夏季和冬季表层海水营养盐浓度及分布 Fig. 2 Nutrient concentration and distribution in nearshore surface seawater of Beibu Gulf in summer and winter

图选项

本研究营养盐含量均高于绝对限制阈值，故不存在营养盐绝对限制情况。由图 3可知，营养盐结构显示夏季N/P、Si/N和Si/P分别为4.3-35.2，0.5-6.5和12.0-139.9，对应均值为19.6±8.4，2.0±1.3和35.5±24.9 (n=27)；冬季N/P、Si/N和Si/P分别为4.3-36.2，0.8-2.0和8.4-37.1，对应均值为20.4±8.6，1.1±0.3和21.5±9.5(n=22)。夏季，涠洲岛22, 24-26号站位为潜在N限制，占所有站位的14.8%；钦州湾6, 8号站位，廉州湾11, 13号站位和铁山港16, 18, 19, 21号站位均为潜在P限制，占所有站位的29.6%，其余站位不具有营养盐限制的情况。冬季，钦州湾9号、涠洲岛25号站位为潜在N限制，占所有站位的9.1%；廉州湾11, 13-15号，铁山港21号和涠洲岛22-24号站位均为潜在P限制，占所有站位的36.4%。可见，夏、冬季潜在P限制比例均高于潜在N限制。空间分布上，夏季潜在N限制发生在涠洲岛海域，潜在P限制发生在钦州湾、廉州湾和铁山港，珍珠湾无营养盐限制情况；冬季潜在N限制发生在钦州湾和涠洲岛，潜在P限制发生在廉州湾、铁山港和涠洲岛。

Stations 11-15 on the x-axis correspond to stations 11-15 in summer or 28-32 in winter, respectively 图 3 北部湾近岸夏季和冬季表层海水N/P、Si/N、Si/P分布 Fig. 3 Distribution of N/P, Si/N, Si/P in nearshore surface seawater of Beibu Gulf in summer and winter

图选项

由图 4可知，夏季富营养化指数E为0.04-3.92，平均值为1.13±1.20 (n=27)，最高值位于钦州湾6号站位(3.92)，达到中度富营养；最低值位于涠洲岛26号站位(0.04)，属于贫营养。其中，钦州湾6-8号、廉州湾13号、铁山港16，19号站位均达到中度富营养；廉州湾12号、铁山港17，18，20，21号站位均达到轻度富营养，其余59.3%站位未达到富营养化标准，属于贫营养。冬季E为0.03-3.68，平均值为1.08±1.09 (n=22)(图 4)，最高值位于钦州湾6号站位(3.68)，达到中度富营养；最低值位于涠洲岛23，26号站位(0.03)，属于贫营养。其中，钦州湾6号、铁山港16-19号站位均达到中度富营养；钦州湾7，8号、廉州湾15号、铁山港20号站位均达到轻度富营养，其余59.1%站位未达到富营养化标准。可见，E值均值夏季较冬季略高。空间分布上，铁山港富营养化程度最高，其次为钦州湾，两者绝大部分海域均已达到中度富营养，廉州湾30.0%海域达到轻度富营养，珍珠湾、涠洲岛海域均属于贫营养。

Stations 11-15 on the x-axis correspond to stations 11-15 in summer or 28-32 in winter, respectively 图 4 北部湾近岸夏季和冬季表层海水E值 Fig. 4 E-values of nearshore surface seawater of Beibu Gulf in summer and winter

图选项

本研究与先前多个研究均发现北部湾营养盐季节变化呈夏季高、冬季低的特征^{[21, 22]}。营养盐季节变化与气候条件、微生物活动等有关，河流输入被认为是近岸海域最大的营养源，因此，河流流量的季节性差异是造成营养盐浓度夏季高于冬季的重要原因之一^{[22, 23]}。本研究夏、冬季营养盐浓度均为SiO₃^2--Si>DIN>PO₄^3--P，与李萍等^[21]、王松鸽等^[24]的研究结果一致。硅是浮游硅藻的必需元素之一，在海洋中的浓度普遍较高，远大于无机氮和活性磷酸盐浓度^[25]。另外，本研究DIN和SiO₃^2--Si平均值均为夏季高于冬季，PO₄^3--P为夏季略低于冬季，与Guo等^[22]、韦蔓新等^[26]的研究结果一致。夏季虽为陆源影响最大的季节，但磷酸盐含量却较低，体现了以生物消耗作用影响为主、陆源补充影响为辅的特征，这可能是活性磷酸盐浓度夏季略低的原因^{[26, 27]}。

本研究中珍珠湾DIN夏季均值(0.088 mg/L)约为2004年夏季均值(0.029 mg/L)的3.0倍，2010年9月均值(0.035 mg/L)的2.5倍，与2017年均值(0.077 mg/L)相近^[28-30]；PO₄^3--P夏季均值(0.011 mg/L)为2004-2008年夏季均值(0.005 mg/L)的2.2倍，分析与近年来珍珠湾养殖业的发展和白龙码头建设污水输入有关^{[28, 30]}。前人研究发现珍珠湾夏季和冬季营养盐含量均低于钦州湾、铁山港和廉州湾，珍珠湾夏季DIN和SiO₃^2--Si含量常高于冬季^{[9, 29, 30]}。因此，尽管珍珠湾仅有夏季营养盐数据，但是依据前人研究成果可以推测本研究结论应是一致的。本研究中钦州湾DIN、PO₄^3--P夏季均值分别为0.266 mg/L、0.028 mg/L，铁山港DIN、PO₄^3--P夏季均值分别为0.296 mg/L、0.026 mg/L，两海域营养盐浓度较2005年均明显增加，这可能是北部湾经济开发区成立(2006年)后，港湾周围地区污染源种类和污水量的增加，对营养盐的输入量产生影响^[14]。铁山港SiO₃^2--Si夏季均值(0.753 mg/L)较2003-2010年夏季均值(1.07 mg/L)^[14]有所下降。河流输入是近岸硅酸盐的重要来源^[31]，而铁山港硅酸盐含量减少，可能与陆源补充减少有关。廉州湾PO₄^3--P总体呈年际增长趋势^[32]，本研究廉州湾PO₄^3--P夏季均值(0.018 mg/L)为2000年夏季均值(0.005 mg/L)^[33]的3.6倍，但与2013-2016年夏季均值(0.022 mg/L)^[9]接近。研究表明，廉州湾养殖区无机磷污染较严重与其靠近生活和工业排污口有关^[34]。前人研究发现涠洲岛DIN整体呈现上升趋势^{[1, 35]}，而本文涠洲岛DIN夏季均值(0.045 mg/L)与2010-2013年涠洲岛赤潮监控区夏季均值(0.048 mg/L)^[36]相近，但比2013-2016年涠洲岛珊瑚礁海域夏季均值(0.110 mg/L)^[37]要低，比2020年涠洲岛夏季均值(0.161 mg/L)^[38]也明显要小，分析可能与本次采样时间和采样地点差异有关。

本研究各海域的营养盐浓度符合其长期变化趋势。以中国知网有关北部湾研究的营养盐数据作图，发现1980年至今，北部湾海域DIN和PO₄^3--P含量明显增加(图 5)。除廉州湾(P>0.05)外，钦州湾、铁山港、涠洲岛和整个北部湾海域DIN均经历了显著增加，呈明显年际上升趋势(P < 0.05)；钦州湾、廉州湾、铁山港、涠洲岛和整个北部湾海域的PO₄^3--P亦呈明显年际上升趋势(P < 0.05)；与DIN和PO₄^3--P不同的是，在过去几十年除涠洲岛SiO₃^2--Si含量呈明显下降趋势(P < 0.05)外，钦州湾、廉州湾、铁山港和整个北部湾海域的SiO₃^2--Si含量均比较稳定，未发现明显的变化趋势(P>0.05)(图 5)。区域经济发展、土地利用开发和海水养殖是北部湾营养盐浓度升高的重要因素^{[9, 39]}。据统计，20世纪80年代至2015年，北部湾各经济区工业总产值增加了98.1-22 703.3倍^[2]，2015年北部湾海岸带土地建设用地面积占比(13.42%)为2000年的2.9倍，且同年北部湾近岸未达到一类海水水质标准的海域面积达4 397 km²，为2012年的1.7倍^[39]。而1978-2015年，北部湾海水养殖面积增加了291倍，海水人工养殖产量增加了2 606倍^[2]。上述活动为北部湾海域特别是近岸海湾生态系统输入了大量的氮、磷营养盐^{[30, 40]}。

The straight line indicates the long term trend.For P < 0.05, at the 0.05 level, the slope is significantly different from zero, and there is an obvious long-term trend in nutrient concentrations; for P>0.05, at the 0.05 level, the slope is not significantly different from zero, and the long-term change trend of nutrient concentration is not obvious 图 5 1980-2021年钦州湾(a)、廉州湾(b)、铁山港(c)、涠洲岛(d)、北部湾(e)海水营养盐浓度的时间变化 Fig. 5 Temporal changes in seawater nutrient concentration between 1980 and 2021 in Qinzhou Bay (a), Lianzhou Bay (b), Tieshan Bay (c), Weizhou Island (d) and Beibu Gulf (e)

图选项

海水中DIN包括NO₃^--N、NO₂^--N和NH₄⁺-N 3种形态，它们在海洋生物循环中起着重要的作用^[41]。本研究夏、冬季NO₃^--N平均值均占DIN的55%以上；其次为NH₄⁺-N，占比34.0%-36.1%；NO₂^--N占比最低。可见NO₃^--N是研究海域DIN的主要存在形式，与张际标等^[25]、蓝文陆等^[14]研究结果相似，与以NH₄⁺-N为主要存在形式的一些近海区域(如胶州湾^[42]、深圳湾^[43])的研究结果不同。分析可能因为北部湾的氮源主要以长距离的河流输送为主，从河流到北部湾的长距离输送过程中，生活污水和农业化肥的NH₄⁺-N部分已被氧化为NO₃^--N，DIN已达到热动力平衡状态。

海水中适宜的Si、N、P含量和比值(摩尔比)有利于浮游植物的生长和繁殖^[44]。本研究发现北部湾近岸海域夏季和冬季营养盐含量均大于浮游植物对营养盐SiO₃^2--Si、PO₄^3--P和DIN的需求阈值，因此需考虑潜在营养盐限制情况。本研究海域夏季主要为潜在P限制，钦州湾、廉州湾和铁山港均为潜在P限制。1990-2014年钦州湾、廉州湾水体N/P长期大于Redfiled比值^[4]，2013年铁山港夏季表现为潜在P限制^[26]，2015年北部湾绝大部分海域表现为潜在P限制^[45]，与本研究夏季主要为潜在P限制一致。冬季亦主要为潜在P限制，主要发生在廉州湾和涠洲岛，与2005-2015年廉州湾和2010-2013年涠洲岛赤潮监控区主要为潜在P限制一致^{[32, 36]}；而钦州湾除9号站位为N限制外，该海域其余站位不存在营养盐限制，与2003-2010年钦州湾主要为潜在P限制不同^[46]。分析可能与冬季无机氮补充源输入减少、浮游植物消耗较多无机氮有关^{[46, 47]}。本研究5个近岸海域均未发现潜在Si限制，而北部湾远岸海域有潜在Si限制情况，与远岸海域陆源Si补充欠缺以及夏季硅藻繁盛消耗大量Si密切相关^{[26, 38]}。基于近年来涠洲岛海域DIN浓度整体呈现年际下降、PO₄^3--P浓度较稳定^[37]，SiO₃^2--Si浓度呈明显下降趋势的结论^[1]，认为浮游植物对N、Si的消耗增加与P的相对稳定使得涠洲岛海域限制因素由P向N限制转化^[38]，与本研究涠洲岛夏季主要为潜在N限制相似。2001-2010年，北部湾70%赤潮发生在涠洲岛海域，2011年之后赤潮在北部湾更多海域出现^[48]。涠洲岛海域营养盐浓度下降，营养盐结构发生显著变化，可能是该海域赤潮发生率在2010年之后显著降低的原因之一^[38]。

北部湾近岸海域富营养化指数E为0.03-3.92，总体上已达到轻度富营养化，富营养化程度为铁山港>钦州湾>廉州湾>珍珠湾>涠洲岛。北部湾为半封闭海湾，富营养化指数从湾内向湾外降低的趋势与沿岸水团、混合水团等的形成有关。沿岸水团由内陆径流与海水混合形成，而混合水团由粤西沿岸经琼州海峡进入北部湾形成，在一定程度上阻挡了沿岸水团富营养化污染物向外输送^[4]。研究表明，2015年北部湾海域整体处于贫营养化，2016年后各海湾内湾及入海口富营养化明显^[40]。铁山港是北部湾水产养殖的重要海域，养殖区污水排入对营养盐的补充作用影响明显^[14]。近年来，铁山港大力发展深水抗风浪养殖产业，截至2019年，建成核心示范区面积280万m³，养殖面积超过35万m³，已发展成为广西最大的网箱养殖基地，为广西较大的海水养殖基地之一^[11]。2006年之前，钦州湾富营养化指数E < 1.00, 但2006-2010年，E值呈逐渐增高的趋势^[46]。杨静等^[4]指出，自2000年后廉州湾和钦州湾是主要的氮污染区，与本研究钦州湾氮污染较严重的结果相似。李萍等^[9]认为，2013-2016年钦州湾富营养化程度已较严重，其次是廉州湾，而珍珠湾水质状况较好，属于贫营养。钦州湾海域污染的最主要来源是河流输入，入海污染物以有机物和营养盐为主^[40]。钦州湾茅尾海受到钦江和茅岭江大量营养盐和泥沙的输入、粗放的围海养殖的影响，富营养化程度较高^{[9, 49]}。本研究涠洲岛整体处于贫营养状态，与韩丽君等^[1]、陈继艺等^[37]的研究结果一致。北部湾北部海水受入海径流、季风驱动和琼州海峡水体输送共同作用，夏季海水呈反气旋涡，冬季呈气旋式环流，营养盐浓度与分布随海流变化而变化，因此，涠洲岛海域受海流作用影响明显^[50-53]，这可能是造成其夏、冬季营养盐分布无明显特征与富营养程度较低的原因。

(1) 北部湾近岸海域夏季DIN、PO₄^3--P、SiO₃^2--Si均值分别为0.177 mg/L、0.019 mg/L和0.578 mg/L，冬季分别为0.162 mg/L、0.021 mg/L和0.324 mg/L，营养盐浓度均为SiO₃^2--Si>DIN>PO₄^3--P，其中DIN和SiO₃^2--Si平均值夏季高于冬季，而PO₄^3--P夏季略低于冬季。

(2) 夏季N/P、Si/N和Si/P均值分别为19.6，2.0和35.5，冬季三者均值分别为20.4，1.1和21.5，夏季和冬季均以潜在P限制为主，未发现潜在Si限制。

(3) 富营养化指数E为0.03-3.92，北部湾近岸铁山港富营养化程度最高，其次为钦州湾，两者绝大部分海域均已达到中度富营养化，廉州湾30.0%海域达到轻度富营养化，而珍珠湾和涠洲岛均属于贫营养。