1.暨南大学(生命科学技术学院水体富营养化与赤潮防治广东普通高校重点实验室,广东2.中国水产科学研究院东海水产研究所,上海200090)广州510632;摘要:分别于2016年11月、2018年4月、2016年7月、2014年11月采集了福建东山湾、福宁湾、浙江象山港以及江TOCTNTPBSi苏大丰港52个表层沉积物样品,分析了表层沉积物中总有机碳()、总氮()、总磷()、生物硅()、有机质(OM)及含水率(MC)的含量。TOC、TN、TP、BSi、OM及MC含量分别为:0.35%~1.52%,0.08%~0.32%,而象山港TOC含量较高。从元素之间的摩尔比来看,本研究中各港湾沉积物中的TOC均主要来自浮游植物等水生生物,而均达到域级污染标准。福宁湾及象山港TN、TOC均为域级污染。而大丰湾海域总体污染较轻,只有TN超过域级标准。关键词:生源要素;沉积物;东海;总有机碳;总氮;总磷;生物硅中图分类号:P736.4+1
文献标识码:A
文章编号:(圆园19)1001原693206原园690原08
0.020%~0.074%,0.28%~1.%,1.86%~9.53%,19.55%~52.55%。福宁湾TN和BSi含量较高,东山湾TP含量较高,TOC的分解和再生速率应远高于BSi的溶解速率。根据主要生源要素污染评价标准,东山湾海域污染较严重,TN、TP、TOC
AnalysisofdistributionandpollutionstatusofmainbiogenicelementsinsurfacesedimentsoftypicalharborsintheEastChinaSea(1.InstitutionofHydrobiology,KeyLaboratoryofEutrophicationandRedTidePreventionofGuangdongHigherEducation
Institutes,JinanUniversity,Guangzhou510632,China;2.EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute
ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090,China)
WANGWen-ting1,WANGZhao-hui1,LIULei1,KANGWei2Abstract:Fifty-twosurfacesedimentsampleswerecollectedfromtheDongshanBayandtheFuningBayofFujian,therespectively.Biogenicelementsincludingtotalorganiccarbon(TOC),totalnitrogen(TN),totalphosphate(TP),biogenicsilicaintherangeof0.35%~1.52%,0.08%~0.32%,0.020%~0.074%,0.28%~1.%,1.86%~9.53%,19.55%~52.55%,re鄄XiangshanPortofZhejiangandtheDafengPortofJiangsuinNovember2016,April2018,July2016andNovember2014,(BSi),organicmatter(OM)andwatercontent(MC)wereanalyzed.TheconcentrationsofTOC,TN,TP,BSi,OMandMCwerespectively.Withinthesefourseaareas,TNandBSiwerehigherintheFuningBay,TPwashigherintheDongshanBayandTOCwashigherintheXiangshanPort.TOCwasmainlyoriginatedfromaquaticsourcessuchasphytoplanktonbasedonthemolarratiosofbiogenicelements.AndthedecompositionandregenerationratesofTOCweremuchhigherthanthatofBSi.Accordingtothepollutionassessmentofmainbiogenicelements,theDongshanBayhasbeenmoreseriouslycontaminated,toClassIIpollution.TheDafengBaywasslightlycontaminated,andonlyTNexceededtheClassIIstandard.Keywords:biogenicelements;sediments;theEastChinaSea;TOC;TN;TP;BSiandTN袁TP袁TOCallreachedtheClassIIpollutionstandard.TNandTOCintheFuningBayandtheXiangshanPortbelonged收稿日期:2019-03-19;修订日期:2019-05-21基金项目:科技基础资源调查专项()。2018FY10020001
1995原作者简介:王文婷(),硕士研究生,主要从事海洋环境科学研究。电子邮箱:gwwwt@163.com。通讯作者:王朝晖,博士,教授。电子邮箱:twzh@jnu.edu.cn。6期王文婷等:东海典型港湾表层沉积物中主要生源要素分布及污染状况分析691生源要素是指生物体所必需的及与生物过程相关的化学元素,在海洋环境研究中主要指碳、氮、磷、硅。进入水体的生源要素会通过生化和物理反应从水转移到沉积物,因此沉积物的生源要素是反映海洋环境变化的潜在指标(Carpenter,2005)。同时,由于物理化学因素的变化和频繁的水动力扰动,沉积物中累积的生源要素可以释放到上层水体中,从而导致水污染和富营养化()。Yanetal,2017所以,海洋沉积物是海洋生态系统中碳、氮、磷、硅的重要储存库和供给源,在整个海洋生态系统运转中起着非常重要的作用,有着不可替代的生态学功能,其分布及含量对于研究物质来源及沉积环境具有重要意义。港湾是海洋经济开发及生态保护的重要区域,也是受水产养殖、船舶运输、电厂建设等人类活动和陆源输入影响最大的区域。港湾区海洋生态环境的健康状况对沿岸城市社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。随着改革开放及经济发展,东海近岸港湾污染情况愈发严重,因人类活动导致的近海沉积物污染问题逐渐成为海洋生态环境研究者关116毅00忆00义E36毅00忆00义N120毅00忆00义E注的热点(宋金明等,2018)。九龙江和闽江汇入东海的河口处沉积物生源要素皆受到了一定程度的污染(余小青等,2012;胡敏杰等,2014),长江口海域有机碳和氮含量较几年前有明显降低的趋势,而总磷和生源硅含量均略有增加(张珊珊,)。2017本文采集了东海4个典型港湾表层沉积物样品,对沉积物中的主要生源要素进行了分析,并对主要生源要素(TOC、TN与TP)污染进行了评价,本研究可为东海典型港湾海域海洋环境研究提供背景资料,对该海域海洋环境保护及可持续发展具有重要意义。1材料与方法本次研究海域为东海4个典型港湾,包括福建1.1采样点分布漳州东山湾、福建宁德福宁湾、浙江宁波象山港及江苏盐城大丰港(图1)。东山湾位于福建省漳州市云霄县列屿镇刺仔120毅20忆00义E120毅40忆00义E121毅00忆00义E121毅20忆00义E124毅00忆00义E33毅40忆00义N33毅20忆00义N33毅00忆00义N33毅00忆00义N30毅00忆00义N29毅40忆00义N29毅30忆00义N29毅20忆00义N24毅00忆00义N121毅40忆00义E122毅00忆00义E27毅00忆00义N120毅00忆00义E26毅50忆00义N120毅20忆00义E21毅00忆00义N117毅30忆00义E23毅55忆00义N26毅40忆00义N23毅50忆00义N23毅45忆00义N23毅40忆00义N图1本研究中四个典型港湾及采样点的位置http://hytb.nmdis.org.cn692海洋通报38卷尾,三面为陆地,海口狭窄朝南,漳江自北部湾顶入海,是一个半封闭的不规则梨形海湾。东山湾是福建省重要的水产养殖水域,主要养殖对象包括紫菜、海带等大型藻类和波纹巴非蛤、长牡蛎等(孙鲁峰等,2017)。福宁湾位于福建省东北部霞浦县,地势平坦,大多为泥沙底质。福宁湾是霞浦县重要的养殖基地,但自21世纪起,福宁湾频发赤潮,是三都湾主要赤潮监控区。福宁湾浮游植物群落主要由硅藻、甲藻组成,还包括少数绿藻、裸藻、黄藻、金藻、蓝细菌等(全汉锋等,2015)。象山港是一个位于浙江省宁波市中部偏北的一个半封闭狭长形海峡,北靠杭州湾,东邻舟山群岛,港内有西沪港、黄墩港、铁港三大支港。象山港是浙江省最大的水产养殖基地,同时也有海洋旅游及湿地保护的重要功能。近年来,随着沿岸地区工农业发展及其他人类活动影响,象山港水质处于严重的富营养2008)。化状态,赤潮频发(张丽旭等,大丰港位于江苏省盐城市大丰区,是江苏重点建设的沿海三大海港之一,同时也是江苏中部地区唯一的深水大港。大丰港岸线东侧有小阴沙及瓢儿沙等干沙丘作为天然屏障,附近有王港河、黄沙港、斗龙港、四卯酉河、新洋港等河流入海,后方分布有石化、冶金、石材、生物医药等临港产业园区,南侧为大丰风电场1.2(李飞等,2014)。在福建东山湾、福宁湾、浙江象山港以及江苏样品采集及预处理大丰港分别设置了10~18个采样点(图1),分别于20142016年11月、2018年4月、2016年7月、积物样品。取上表层年11月用彼得逊抓斗式采样器采集了表层沉0~3m沉积物样品用封口袋密封,带回实验室后-20益避光保存。实验前,称取约15g左右湿沉积物样品平铺于培养皿,放入烘箱于10045益烘干至恒重,使用玛瑙研钵研磨后过1.3滋m网筛,放入密封袋中保存待测。1.3.1样品采集及预处理将总有机碳3g沉积物干样品置于(TOC)测定10mL离心管中,加入5mL1mol/L的HCl后,以适量双蒸水稀释。超声波震荡15min,4000r/min离心10min,移除上清液;再次重复以上步骤,加入双蒸水,超声震荡http://hytb.nmdis.org.cn及离心后,移除上清液。置于烘箱以60益干燥至恒重,研磨至粉末状态,使用美国2400Perkin-Elmer20101.3.2)Series。域型元素分析仪进行测定(谷阳光等,使用过硫酸盐同步消化法总氮(TN)和总磷(TP)(邢殿楼测定等,2006)测定TN和TP的含量。称取20g过硫酸钾及3g氢氧化钠,溶于水中并稀释至1000mL,制成消化液。在50mL比色管中加入10~50mg研磨过筛沉积物样品及5025mL消化液,用去离子水稀释至取上清,一份测定mL。在高压灭菌锅氧化220nm和30275minnm,冷却至室温后处吸光值,并计算TN含量。另一份按水样10%加入钼锑抗混合显色剂,还原显色20min后,在700nm波长下测定吸光值,计算1.3.3生物硅(BSi)TP含量。et体积分数为al,生物硅2002)(。称取BSi)采用化学连续提取法提取测定30~50mg沉积物样品,用(3LiumL510%的过氧化氢处理30min,加入上清液,将mL1mol/L45的益HCl烘干至恒重的样品加入,超声震荡30min,离心去除0.5mol/L碳酸钠溶液,90益水浴提取5h,离心后取2mL上清液稀释至1.3.425采用灼烧法测定有机质含量。称取生物有机质mL(,用硅钼蓝法测定OM)测定BSi含量。2~3g过筛后的样品置于陶瓷坩埚中,放于马弗炉中在550益下灼烧5h,取出后冷却至室温称重。重量差值即为有机质含量,以有机质重量占样品重量的百分比表示有机质含量。1.3.5准确称取称量样品湿重后,将样品在干燥箱中含水率(MC)测定烘干至恒重,计算含水率1.4(%)。本研究使用数据分析和图像处理ArcGIS10.2进行地图绘制,标记分析采样点及生源要素含量。2结果与讨论2.1生源要素的分布规律0.16东山湾海域表层沉积物范围为%~0.210.050%%~0.074,平均值为TN含量的变化范围为%,平均值为0.19%;TP0.063含量的变化%;TO6期王文婷等:东海典型港湾表层沉积物中主要生源要素分布及污染状况分析693含量为1.12%~1.38%,平均值为1.24%;OM含量为7.33%~9.09%,平均值为8.13%。TN、TP、TOC、OM总体均呈现沿岸高远岸低的趋势,其中在漳江入海口以及八尺门养殖区及列屿沿海养殖区,生源要素含量较高。孙鲁峰等()研究结2017数为0.80%~1.48%,平均值为1.19%。BSi总体分布由南向北递增,漳江携带大量生活生产废水,营养物质含量高,从而导致硅藻的生产力较高。而八尺门附近养殖以贝类为主,可能由于高密度贝类滤食压力导致BSi含量较低(图2)。MC为果表明,东山湾浮游动物也在列屿沿岸、八尺门海域及漳江入海口丰度较高。东山湾海域BSi质量分117毅30忆0义E
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36.38%~50.87%,平均值为44.13%。福宁湾海域TN、TP、BSi、TOC、OM生源要117毅30忆0义E
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图2福建东山湾生源要素分布素的分布规律总体均呈现由西北向东南递增的趋势(图3),TN质量分数在0.25%~0.32%,平均值为0.29%;TP质量分数在0.020%~0.032%,平均值象山港海域TN质量分数在0.25%~0.32%,平均值为0.29%;TP质量分数在0.020%~0.032%,平均值为0.025%;BSi质量分数为0.95%~1.45%,平均值为1.27%。TN、TP、BSi在铁港及黄墩港旁和西沪港含量较高,港顶及峡湾含量较低。铁港、黄墩港及西沪港都有养殖区和居住区,且含量最高区域靠近旅游区横山岛,受人为活动影响较大。乌沙山电厂旁沉积物中硅含量较高,电厂温排水对邻近海域温升影响程度较大,进而有利于硅藻生长http://hytb.nmdis.org.cn为0.025%;TOC质量分数为1.13%~1.52%,平均值为1.28%;OM质量分数为7.39%~9.97%,平均值为8.41%;BSi质量分数为0.70%~1.69%,平均值为1.37%;MC质量分数为32.65%~52.55%。这与全汉峰等()得到的浮游植物丰度分布规2015律相吻合。694120毅0忆0义E
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图3福建福宁湾生源要素分布(刘懂等,2016),导致BSi含量在此处出现最高值。TOC质量分数为1.13%~1.52%,平均值为1.28%;OM质量分数为6.25%~9.53%,平均值为8.34%。TOC及OM含量由湾内向湾口逐渐减小,西沪湾121毅40忆0义E
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口及横山岛附近出现高值。MC质量分数为29.36%~45.%,平均值为34.31%,总体呈现南高北低的趋势(图4)。大丰海域TN质量分数为0.08%~0.13%,平122毅0忆0义E
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图4浙江象山港生源要素分布均值为0.11%;TP质量分数为0.042%~0.073%,平均值为0.057%。TOC质量分数为0.35%~1.14%,平均值为0.77%;OM质量分数为1.86%~6.00%,平均值为3.78%;BSi质量分数为0.28%~1.06%,平均值为0.58%;MC质量分数为19.55%~43.08%,平均值为24.86%。TN、TP、TOC、BSi及OM总体呈现斑状分布,靠近河口地区受陆源排水影响较大,含量较高,北部高于南部(图5)。2.2生源要素的来源分析影响TOC含量的主要因素为水生生物生产力和陆源输入。由于陆地植物体内含大量纤维素,而水生植物富含蛋白质,其含量远高于陆地植物,因http://hytb.nmdis.org.cn),也有文章使用碳稳定同位素及C/N比值两2014个方法分析有机质来源,结果显示两种方法分析结果相似(曲宝晓等,2018;Volvoikaretal,2014)。本文运用了C/N比值对研究海域TOC的来源进行了分析。东山湾、大丰港及福宁湾海域采样点C/N比值均小于7,说明这三个海域TOC含量主要来此可以使用C/N比值分析有机质来源,当C/N比值大于14时,可认为TOC主要来源于陆地植物有机质,而当C/N比值小于7时,则认为TOC值主Bordowsky,1965要受海洋浮游植物影响()。目前已经有大量文献利用C/N比值对海洋沉积物中有机物来源进行分析(韩天伟等,2017;胡敏杰等,6期120毅20忆0义E
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王文婷等:东海典型港湾表层沉积物中主要生源要素分布及污染状况分析695121毅20忆0义E
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图5江苏大丰港生源要素分布自海洋浮游植物。象山港海域靠近湾内采样点C/N比在7~9之间,湾顶采样点C/N比小于7,说明靠近湾顶处TOC主要来源于水生植物,而靠近湾口处TOC除来源于浮游植物外还受陆源输入影响。硅作为控制海洋中碳循环的重要元素之一,沉积物中的BSi和有机质在来源和保存上都存在着密切的关系(李学刚等,2005)。东山湾、福宁湾、象山港、大丰港的TOC/BSi的范围分别为0.86~1.65,0.83~1.61,0.67~1.09,0.42~1.05。四个研究海域TOC/BSi都低于Redfield比值()TOC/BSi=6.63(闫慧敏等,2008)。这说明在相同条件下有机质的分解速率远高于BSi的溶解和降解速率,沉降到沉积物中的大部分TOC被分解再次参与循环,而大部分BSi被埋藏,未参与再循环。2.3生源要素的污染状况分析与比较染基线调查技术规程”中沉积物总氮、总磷评价标准分别是550mg/kg和600mg/kg,与加拿大安大略省环境和能源部的沉积物质量评价指南()中1992引起最低级别生态风险效应的总氮和总磷的浓度一致。该评价指南中评价分为三级,包括淤玉级标准:为安全级别,尚未对底栖生物产生危害;于域级标准:大多数底栖生物可承受的污染程度;盂芋级标准:污染严重,底栖生物受到严重损害(表1)。域级污染,大丰港只有TN超过域级标准,TP、TOC污染较轻为玉级,福宁湾及象山港TP为玉级污染,TN、TOC均为域级污染(表2)。说明东山依据此标准,东山湾海域TN、TP、TOC皆为湾污染较为严重,这与东山湾沿海养殖业发达,沿岸工厂较多有关,且漳江于东山湾入海,对生源要素污染有一定影响。福宁湾、象山港TOC及TN的污染相对严重,主要受较强人类活动影响,磷污染较轻。而大丰港海域总体污染较轻,尚未对底栖生物造成损害。与我国其他海域相比,东山湾、福宁湾及象山港海域污染情况与其他海域相当,大丰港地区污染情况较轻,但是仍需防范养殖污染以及生活废水的排入所导致水体富营养化。本研究中的东海4个内湾港口生源要素含量明显高于离海岸较远的东海泥质区,说明人类活动对沉积物生源要素含量有较大影响(李万超,2008)。本次调查的东海港湾生源要素含量高于黄海区域,http://hytb.nmdis.org.cn沉积物作为水生环境中污染物的汇和源,当TN、TP、TOC含量达到一定浓度后,可能会对底栖生物的生存造成危害(岳维忠等,2007)。研究表明,沉积物中TOC与底层溶解氧之间为负相关,TOC含量增高会降低溶解氧含量进而导致硫化氢Hylandetal,等还原性气体增加,毒害底栖生物(2005)。》(GB18668-根据国家标准《海洋沉积物质量2002TOC)评价总有机碳(),其中,一类标准总有机碳臆2%,二类标准总有机碳臆3%。此次调查样点TOC均小于2%。在“第二次全国海洋污696海洋通报38卷表1生源要素危害评价标准生源要素玉级标准域级标准芋级标准TN/%约0.055跃0.480TOC/%TP/%
约0.060.055~0.480约10.06~0.21~10跃0.2跃10表2本研究4个港湾中TOC、TN、TP含量及其潜在生态危害评估研究区域w/%TN危害等级TPw/%TOC东山湾0.1917域0.06w/%3危害等级域1.2409危害等级域福宁湾0.2925域0.0249玉1.2843域象山港0.2001域0.0404玉1.2726域大丰港0.1081
域
0.0568
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0.5711
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与广东沿海港湾含量相近。BSi主要反映水体中硅藻含量,本文研究区域BSi与其他区域港湾相比含量皆较低,但高于黄海、长江口及东海泥质区,说明本研究海域硅藻生产力略低于南海近岸港湾,但高于其他海湾(表3)。对比本次研究的4个海域,福宁湾TN和BSi含量较高,东山湾TP含量较高,而象山港TOC含量较高(表3)。与东海其他港湾及入海口比较,本次研究的4个港湾主要生源要素含量略高,初级生产力较强,其中大丰港含量较低,这可能与东山湾、福宁湾、象山港均为养殖业发达地区有关,同样广东柘林湾也分布有养殖区,氮、磷含量较高(冯杰等,2011)(表3)。表3本研究中各港湾生源要素平均值与国内其他海域的比较研究区域(w/%TN)(w/%TP)(w/%TOC)(w/%BSi)参考文献东山湾0.190.0631.241.19本文研究福宁湾0.290.0251.281.37本文研究象山港0.200.0401.531.27本文研究大丰港0.110.0570.570.77
本文研究九龙江口0.1570.0481.26(余小青等,2012)闽江河口0.170.0732.43/(胡敏杰等,2014)杭州湾0.0530.0450.52/(鲍根德,1988)长江口0.0410.0660.320.45(张珊珊,2017)东海泥质区0.081
/0.570.(李万超,2008)海南海口港0.150.031.212.59(梁采莹等,2016)海南新海港0.160.031.172.69(梁采莹等,2016)广东湛江港0.20.041.214.56(梁采莹等,2016)广东柘林湾0.190.051.092.22(冯杰等,2013)粤西海域0.160.0240.74/
(谷阳光等,2010)南黄海0.0670.0240.48(韩天伟等,2017)胶州湾0.029
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/(李学刚等,2005)http://hytb.nmdis.org.cn3小结(1)本文分析了东海4个典型港湾主要生源要素含量,福宁湾TN和BSi含量较高,东山湾TP含量较高,象山港TOC含量较高,而大丰港生源要素含量较低。东山湾海域TN、TP、TOC、OM总体呈现沿岸高远岸低的趋势,BSi分布由南向北递增;福宁湾海域生源要素呈现由西北向东南递增的总体趋势;象山港海域TN、TP、BSi在支港处含量较高,港顶及峡湾含量较低,TOC及OM含量湾内高湾口低;大丰港海域生源要素靠近河口地区含量较高,北部较高于南部。(2)根据生源要素污染评价表明,东山湾海域污染较严重,TN、TP、TOC都达到域级污染标准;福宁湾及象山港TP为玉级污染,TN、TOC均为域级污染;而大丰湾海域总体污染较轻,只有TN超过域级标准。(3)从TOC/TN值,得出所研究港湾有机碳均主要来自浮游植物,受陆源影响较小;而且4个研究海域碳硅比均低于Redfield比值,说明有机质的分解速率高于BSi的溶解速率。参考文献BordowskyMarineOGeology,K,1965.3:5-31.
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