（地球化学专业论文）象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价.pdf

苏山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响讦价 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 摘要 近年来由于海产养殖业的过度发展，海洋资源的过度开发利用与人为污染， 很多天然优良的海产养殖场的自然平衡遭到很大的破环，出现了富营养化甚至发 生赤潮现象。如何确保减小环境压力与保障人类与社会对养殖业需求的平衡，保 障和实现海产养殖业可持续性发展已成为重要的研究课题。象山港作为我国重要 的养殖基地近年来也屡次遭到赤潮的破环，损失严重。因此，本文对象山港海域 营养元素地球化学特征和生态环境健康状况的研究和探讨，为确定本区域人为作 用对环境的影响，估算该海域的养殖容量有很重要的作用，也为本海区的环境管 理和水产养殖的可持续发展提供科学依据。 通过对象山港海域2 0 0 5 年5 月至2 0 0 6 年4 月水体与表层沉积物中不同形态 营养元素的含量分析，探讨了不同形态营养元素和营养结构的时空变化特征，研 究了其时空变化的影响因素及控制规律，利用b p 神经网络对象山港海域进行了 生态环境健康评价。得到以下研究成果： 象山港海域水体中氮磷含量全年都很高，并且有逐年增高的趋势；在月季变 化上，各形态营养盐大体上表现为：春季 秋季 夏季 冬季：在水平分布上，各 形态营养盐总体趋势为：由港顶向港口处递减的趋势。表层沉积物中营养元素含 量时间变化与水体相反，为秋季高于春季：空间分布与水体中分布类似，两支港 含量明显高于港中部。 象山港海域营养元素的主要来源为陆源径流输入和海水养殖废水的排放，其 次是海洋生物和大气沉降输入。影响象山港海域水体中营养元素的时空变化的影 响因予很多，硝酸盐为浮游生物、水温、p h 和溶解氧；磷酸盐为浮游生物和p h 。 表层沉积物氮、磷含量空间分布在春季和秋季的影响因素有所不同，春季为海水 养殖和沉积物性质，秋季为海水养殖和上覆水体的理化因子。 象山港海域营养元素的海域循环过程为：春季到秋季，象山港海域沉积物是 营养元素的“汇”，有效地缓解了水体富营养化状况；而秋季到春季则变成“源”， 使象山港海域在冬季水体中营养元素含量仍非常高，富营养化严重。 采取国家海洋水质标准与依靠现有的调查数据的最大值、最小值确定相对标 准的方法确定了象山港海域生态环境健康的标准。利用b p 神经网络进行了生态 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 环境健康评价，发现该海域生态环境健康状况很差，应当引起有关部门的重视， 立即减少对海洋生态系统的破坏。 关键词：营养元素：地球化学；神经网络；健康评价；象山港 象山港舞域营养元素的地球化学特征及对环境的影响计价 g e o c h e m i c aic h a r a c t e ris t i c so fn u t ri e n t sa n d e n vir o n m e n t ala s s e s s m e n tinxia n g s h a nb a y a b s t r a c t d u et oe x c c s s i v ed e v e l o p m e n to fm a r i n eb r e e d i n ga n de x p l o i t a t i o no fm a r i n e r e s o u r c e si nt h ep a s ty e a r s ，n a t u r a lb a l a n c eo fm a n yc r u d em a r i n ea q u a c u l t u r eb a s e s h a sb e e ns e v e r e l yd e s t r o y e d a sar e s u l t , t h ee u t r o p h i c a t i o nd e g r e ea n dt h e 蕾 e q u e n c y o fr e dt i d eo c c u r r i n go ft h ew a t e rb o d yi n c r e a s e d i ti sac h a l l e n g i n gt a s kt oe n 飘珊 t h eb a l a n c eb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dh u m a nd e m a n df o rn i 椭e p r o d u c c s ，a n de o s u l et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm a r i n eb r e e d i n gi n d u s t r y a s t h em o s ti m p o r t a n td o m e s t i cm a r i n ea q u a c u l t u r eb a s e , x i a n g s h a nb a yh a sa l s o s u f f e r e dg r e a tl o s s e sf r o mr e dt i d e t h i sp a p e rp r e s e n t sg e o c h e m i c a ld a t ao f n u t r i e n t s o f a n g s h a nb a y , f o l l o w e db yt h ed i s c u s s i o no ft h eh e a l t hl e v e lo ft h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，t h ee v a l u a t i o no ft h ei m p a c to fm a r t m a d ee f f e c t so nt h er e g i o n a l e n v i r o n m e n t , a n dt h ee s t i m a t i o no ft h ec u l t i v a t i o nc a p a c i t i e so ft h er e g i o n ，i nt h e h o p eo fp r o v i d i n gs c i e n t i f i cb a s i sf o rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm a r i n e a q u a c u l t u r ea n de n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ti nt h i sa r e a i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e n t r a t i o n so f d i f f e r e n tf o r m so f n u t r i t i v ee l e m e n t si nw a t e r a n ds u r f i c i a ls e d i m e n t si nx i a n g s h a nb a yf r o mm a y ，2 0 0 5t o a p r i l ，2 0 0 6 ，a r e a n a l y z e d t h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i t i v ee l e m e n t so f d i f f e r e n tf o r m sa n dt r o p h i cs t r u c t u r eh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r sa n d c o n t r o l l i n gr u e so ft h ev a r i a t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d t h eh e a l t hl e v e lo ft h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n to fx i s u g s h a nb a yw a se v a l u a t e db yb a c k - p r o p a g a t i o n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k r e s u i t sa r ea sf o l l o w s c o n c e n t r a t i o n so f m t r o g e na n dp h o s p h o r u si nw a t e rb o d ya r eh i g l la l ly e a r , 谢m a ni n c r e a s i n gt r e n do nt h ey e a rb yy e a rb a s i s o nt h em o n t hs c a l e ，n u t r i e n t so f d i f f e r e n tf o r m ss h o wh i g l lv a l u e si ns p r i n g , f o l l o w e db ya u t u m na n ds u m m e r , w i t h t h el o w e s tc o n t e n t si nw i n t e r i nt h ea s p e c to fh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o n , t h eo v e r a l l v a r i a t i o no fn u t r i e n t so fd i f f e r e n tf o r m ss h o w e dad e c r e a s i n gt r e n df r o mt h ei n n e r b a yt ot h eo u t e rb a y f o rn u t r i e n t s c o n c e n t r a t i o ni ns u r f i c i a ls e d i m e n t s ，v a r i a t i o n i i i 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 s h o w e da 咒v e r s er o l ec o m p a r e dw i t ht h a to fw m c rb o d yi nt i m ea x i s ，i e ，c o n t e n t s a r ch i g h e ri na u t u m nt h a nt h a ti n s p r i n g i nt h ea s p e c to fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n , v a r i a t i o np a t t e r n sa r es i m i l a rt ot h a to fw a t e rb o d y , w i t hh i g h e rc o n t e n t si nt w o t r i b u t a r yb a y s f o rx i a n g s h a nb a y , m a i ns o u r c e so fn u t r i e n t sa l ec o n t i n e n t a lr u n o f fi n p u ta n d t h ed i s c h a r g eo fm 耐e u l t u r ew a s t ew a t e r , f o l l o w e db ym a r i n el i f ea n d 栅s p h e r i c s e d i m e n t a t i o n i n f l u e n t i a lf a c t o r sc o n t r o l l i n gt h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n p a t t e r n so f n u t r i e n t si nw a t e rb o d ya r ev a r i e d f o rn i t r a t e s ，d o m i n a n tf a c t o r si n d u e p l a n k t o n , w a t a rt e m p e r a t u r e , p ha n dd i s s o l v e do x y g e n ( d 0 ) p l a n k t o na n dp h c o n t r o l l e dt h ed i s t r i b u t i o no fp h o s p h a t e s f o rs u r f i e i a ls e d i m e n t s ，t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so f n u t r i e n t sa r ed i f f e r e n tb e t w e e ns p r i n ga n da u t u m n m a r i n ea q u a c u l t u r ea n d s e d i m a l t sp r o p e r t yc o n t r o l l e dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fn u t r i e n t si ns p r i n g , w h i l e n l f l _ 血ea q u a c u l t u r ea n dp h y s i c o - e h e m i c a lf a c t o r so f t h eo v e r l y i n gw a t e ra l et h em a i n f a c t o r si na u t u m n t h e c y c l i cp r o c e s s e so f n u t r i e n t si nx i a n g s h a nb a y a r ea sf o l l o w s ：f r o ms p n a gt o a u t u m n ，t h es u r f i c i a ls e d i m e n t si si m p o r t a n ts i n ko fn u t r i e n t s ，a l l e v i a t i n gw a t e r e u t r o p h i c a t i o ne f f e c t i v e l y ；f r o m a u t u m nt ot h ef o l l o w i n gs p r i n g , t h es u r f i e i a l s e d i m e n t s , o nt h eo t h e rh a n d 。a c t s 勰s o b l c eo f n u t r i t i o n 。k e e p i n gt h en u t r i e n t so f t h e w a t e rb o d ya tah i 曲l e v e l b a s e do nn a t i o n a ls e aw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ，a n dt h em a x i m u ma n dm i n i m u m v a l u eo fa v a i l a b l ei n v e s t i g a t i o nd a t a , r e l a t i v es t a n d a r do fs e aw a t e rh a sb e e n p r o p o s e d b a s e do nt h i sr e l a t i v es t a n d a r d ，t h eh e a l t hs t a n d a r do ft h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to ft h ex i a n g s h a nb a yi sc o n s t i t u t e d a p p r a i s a lo ft h er e g i o n a l e c o l o g i c a ie n v i r o n m e n tw i t hb pn e u r a ln e t w o r k ss h o w e dt h a t t h ee c o l o g i c a lh e a l t h l e v e lo f x i a n g s h a nb a yi sr e a l l ya w f u l g o v e r n m e n td e p a r t m e n t sc o n c e r n e ds h o u l d t a k ea c t i o n si m m e d i a t e l yt oc u td o w nt h ep o l l u t i o no f t h eo c e a ne c o s y s t e m k e y w o r d s ：n u t r i e n t s ，g e o c h e m i s t r y , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，h e a l t ha s s e s s m e n t , x i a n g s h a nb a y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得一生国盘注太堂 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 哟躲罗诳辅 签字嗍呻月( 6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字 签字日期：年月日 电话： 邮编 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 刖吾 象山港自然环境优良，水产资源丰富，生态类型多样，既是多种经济水产资 源的集中分布区，又是浙江省乃至全国重要的海水养殖基地和泥蚶菌种产区，有 国家“大渔池”之称，属保护性的稀有国土资源。然而，近年来随着海洋开发的 迅速发展，象山港的海洋环境和海洋生态系统受到很大威胁。海水养殖业的无序 发展，养殖废水的无度排放，使象山港海洋环境受到危害，也将直接影响象山港 的养殖功能区的功能发挥。因此，了解象u j 港养殖功能区的海洋环境质量状况， 对象山港的海洋经济可持续发展、象山港海洋功能区的调整和功能发挥具有重要 的意义。 近年来由于海产养殖业的过度发展，海洋资源的过度开发利用与人为污染， 很多天然优良的海产养殖场的自然平衡遭到很大的破环，出现了富营养化甚至发 生赤潮现象。因此，如何确保减小环境压力与保障人类与社会对养殖业需求的平 衡，保障和实现海产养殖业可持续发展成为重要的研究课题。本文探讨分析了象 山港海域营养元素的时空变化规律及其影响因子和控制规律，并进一步探索氮、 磷等营养元素在该海域中迁移、分布、富集、转化和再生规律，为认识该海域营 养元素的环境容量和进一步认识人为作用对该海域环境的影响，估算该海域的养 殖容量有很重要的作用，为本海域的环境管理和水产养殖的可持续发展提供科学 依据。 目前，由于对海洋中营养元素的环境健康评价尚无统一的评价方法和评价标 准，而对于象山港海域中营养元素的环境健康评价主要集中在利用冈市友利 ( 1 9 7 2 ) 的营养指数法对海域的富营养化评价。该方法由于自身的局限性已经不 能满足于当今复杂多变的海洋生态环境健康评价之需。因此，本文采用b p 神经 网络法，通过适当的数理统计处理，对象山港海域环境健康状况进行了评价，为 今后象山港海域的环境监测工作提供依据。 本文得到欧盟第六框架与发展中国家合作项目- s p e a r ：s u s t a i n a b l e o p t i o n sf o rp e o p l e ，c a t c h m e n ta n da q u a t i cr e s o u r c e s 海岸带复合系统中的 生态海水养殖研究( i n c o - c r - 2 0 0 4 - 5 1 0 7 0 6 ) 的资助，在2 0 0 5 年5 月到2 0 0 6 年 4 月对象山港海域9 个站位进行了水质样品的采集，并于春季( 5 月) 和秋季( 1 1 象山港海域营莽元素的地球化学特征及对环境的影响评价 月) 采集了表层沉积物的样品。试验测定项目包括：水体中各形态营养元素的含 量以及相关水体理化因子；表层沉积物的粒度以及有机氮、无机氮、总氮、无机 磷、有机磷和总磷的含量 2 蒙山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 1 文献综述 1 1 港湾营养元素的研究意义 海洋覆盖着地球表面积的7 1 ，占地球表面总水量的9 7 。它是生命的摇 篮，控制着生态圈内水、氮和其他物质的循环，维持人类赖以生存的环境。海岸 带处于海陆两大自然地理单元互为衔接的过渡带，在海岸带陆海相互作用 ( l o l c z ) 计划中，海岸带范围被认为是从海岸平原延伸到外大陆架边缘的地区( 彭 晓彤，2 0 0 2 ) 海岸带是海洋能量与陆地能量相互缓冲或迭加的狭窄动态空间， 故兼有“两栖”特性，从而构成特定的海岸系统，具有物质资源、空间资源和环 境资源的优厚潜势及广泛开发途径。因此海岸带资源开发己成为人们关注的焦点 ( 李惠英，1 9 9 7 ) ，也是海洋学研究的重点海域( 陈飞舟，1 9 9 9 ；孟繁莉，2 0 0 2 ) 。 另一方面，由于陆源性污染物多经地表径流携带入海，在污染物迁移过程中，海 岸带是污染物的最先受纳者，又是污染物向外海扩散的中继站。因此，海岸带是 最容易感受污染物的场所。由于经济发达地区多集中在沿海，这些地区不仅人口 密度大，工业集中，而且大量河流、排污渠在此汇集入海。海岸带也是遭受人类 过度活动、各类污染物排放、气候变化和生态环境退化综合影响的区域( f l i n d te t a 1 ，1 9 9 9 ) 。在这些区域，海湾是最引人关注的焦点之一。在保护地球、维护生态 系统可持续发展成为全球重大议题的2 1 世纪，保护海湾资源与环境，维持生态 平衡刻不容缓，针对典型海湾生态系统进行深入的调查研究，查明其生态学过程 和动力学机制，以及动态变化规律和关键制约因子具有重要意义r 董金海，1 9 9 5 ) 。 环境因子对生物群落的调节作用是生态学需要解决的一个基本问题。所谓营 养盐是相对生物而言的，也有称为营养素或养分( 张正斌，1 9 9 9 ) 。营养盐不仅是 海洋浮游植物生长繁殖所必需的成分，也是海洋初级生产力和食物链的基础。对 某一海区营养盐的去向，不同形态间的相互转化及其与生物相关的过程的研究是 研究整个海洋生态系统的基础和关键。从2 0 世纪以来，海水营养盐一直是化学 海洋学的一项重要的研究内容。海洋中的营养元素主要包括碳( c ) 、氮o d 、磷( p ) 、 硅( s i ) 、氧( o ) 、铁( f e ) 等，它们的来源主要为大陆径流带来的岩石风化物质，有 机物分解的产物及排入河川的废弃物( 张正斌，1 9 9 9 ；z h a n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；o a oe ta 1 ， 1 9 9 3 ；h a g e r e la 1 ，1 9 9 2 ：k a m a t a n i & t a k a n o ，1 9 8 4 ：h e r b e r t , 1 9 9 9 ：j i c k e l l s ，1 9 9 8 ) 。 象山港薅域营养元素的地球化学特征及对环境舶影响评价 进入海洋后，n 、p 、s i 等营养元素与海洋动植物之间存在着食物链关系：浮游 植物吸收营养元素后又被动物所吞食，几经转换后由生物排泄物或尸骸氧化分解 重新释放到水体中。由于这些元素参与生物生命活动的整个过程，它们的存在形 态与分布受到生物的制约，同时受到化学、地质和水文因素的影响。所以，它们 在海洋中的含量和分布即不均匀也不恒定，有着明显的季节性和区域性变化。研 究它们的存在形态与分布变化规律，对了解海洋生物的生态和开发海洋生物水产 资源是很有现实意义的。比如b r o c k t o n ( 1 9 9 0 ) 对于具体营养元素在欧洲北海的循 环作了比较详尽的描述，营养元素在海洋中的分布与变化不仅与其来源、水团运 输，沉积、矿化等过程有关，而且与海洋中的细菌、浮游植物、浮游动物、鱼类 等有着密切的关系 1 2 海洋营养元素的地球化学特征 营养盐作为海洋生物食物链最基础的组成部分，在整个海洋生物地球化学循 环中意义重大。一方面，近年来随着社会经济的快速发展，使得河水和沿岸海水 富营养化更加严重，海洋中时有赤潮发生；另一方面，某种营养盐的缺乏还会限 制浮游植物的生长，成为水体中浮游生物生长的限制性因素。所以，营养物质的 循环研究是海洋生物资源持续利用的基础和前提。 l 氮( n ) 氮是海洋中最为重要的生源要素之一。氮相对于磷、硅来讲，其在海洋中的 形态也较多，除溶解的无机态和有机态，还存在着气态的n 2 。n 2 0 和n h 3 ，以 及不溶于海水的颗粒氮。因此，氮在海洋环境中的循环较磷、硅更复杂( i v a n , 1 9 9 5 ：任玲，2 0 0 0 ) 。海水中的氮气几乎处于饱和状态，但它不能被绝大多数的 植物所利用，气态氮只有转化为氮的化合物后才能被大多数植物所利用。海洋中 只有蓝藻和少数种类的细菌具有固氮作用，能将单质分子氮转化为可吸收的氮源 ( m e y b e c k , 1 9 8 8 ；h e r b e r t ，1 9 9 9 ) 海水中的无机氮主要包括硝氮( s 0 3 - n ) 、亚 硝氮( n 0 2 n ) 及氨氮( n i - 1 4 - n ) 。其中n 0 3 - n 是无机氮盐的主要形式，而n 0 2 n 的含量通常是最低的，是n h 4 - n 氧化为n 0 3 - n 的中间产物，稳定性较差。海水 中的有机氮包括溶解态和颗粒态有机氮溶解态有机氮( d o n ) 是由许多氨基酸、 多肽、蛋白质中非取代氨基的氮所构成的，颗粒有机氮包括活的微生物的肌体组 4 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 织和碎屑物质( 张正斌，1 9 9 9 ) 。海洋生物固氮是海洋中氮循环的重要过程，其对 海洋吸收c o ：有重要影响。 在氮的循环中，生物过程起主导作用，几乎所有海洋生物在生命活动中为合 成自身必需的多种组分，都直接或间接地利用海洋中各种形式的氮。海洋生物碎 屑中的含氮物质，经过分解和细菌的营养化作用，大部分有机氮以n h 4 - n 的形 式释放出来，或被食植动物摄取而进入食物网链：氮也可由动物以可溶氮的形式 排泄出来，如n i - h - n 、尿素、氨基酸( d a a ) 。海洋中的有机氮一般是不能被浮游 植物利用的，虽然动物能摄取可溶性氨基酸，但也很少( 陆田生等，1 9 9 0 ) 。因此， 有机氮的大部分直接或间接地通过细菌来进行再循环，通过去营养化作用( 脱氮 作用) ，细菌利用蛋白质中的氨基酸释放n h 4 - n ，但是目前尚难以区分有多少 n f h - n 是由细菌的作用直接释放到海洋中，有多少是由于细菌的同化作用以及随 后细菌被颗粒捕食者所摄取而再循环的。铵盐为浮游植物利用，但当浮游植物不 能迅速有效地利用n h 4 - n 时，n h 4 n 就要转化为n 0 3 _ n ，n i - h - n 的氧化是n 0 3 - n 的主要来源。当溶解氧浓度较低时，某些海洋异养菌通过营养化作用而生成的亚 硝酸盐可被进一步还原为n i - h - n ，表现为大洋真光层中n 0 2 n 和n h 4 n 在生物 作用下的此消彼长( 宋金明，1 9 9 7 ) 。此外，生成的亚硝酸盐也可通过去营养化作 用还原为n 2 或n 2 0 。如果一些海区发生明显的脱氮作用，其很可能是氮循环的 区域，如太平洋缺氧海区，脱氮作用是维持氮的地球化学循环所必须的。氮也是 生物过程中最重要的限制性因素，在海洋环境中常常制约着生物生产的过程和规 模。在西英吉利海峡沿岸区域，异常的水文状况将大量浮游植物挟带至真光层下， 限制了氮的吸收，制约了这一区域生物的生产。但l h e l g u e n 等( 1 9 9 6 ) 还发现， 垂直混合也增加了微生物作用下有机质的降解和再成矿，n - h 4 - n 被重新注人到真 光层中，一定程度上缓和了可能的氮限制，同时也解释了总氮吸收中n h 4 - n 占 较大比例的原因。这表明n 1 4 n 对浮游植物的生产量有很重要的作用。浮游动 物也影响了n h 4 - n 的再生，n h g 的初级再生者是小于1 5i lm 的生物，沿食物链 传递顺序是：小于1 5 肛m 生物一微浮游动物一挠足类一甲壳动物( c o p c l x ) d s ) ， c o p e p o d s 减轻了对初级再生者的摄食压力，从而有利于n r h + 的再生( m i l l e ro t a 1 1 9 9 5 ) - 海洋沉积物中的氮既能成为水体氮的氮源，也可成为水体氮的氮汇，起到调 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 控水体生态环境的作用。海洋沉积物中的氦循环包括两大体系，其一为沉积物间 隙水体系，其二为沉积物固体( 颗粒) 本身。对英国g r e a t o u s e 河1 2 1 沉积物海水界 面n 0 3 。，n 0 2 和n l - h + 的扩散通量研究，发现沉积物一直是n o r 的一个有效汇( 年 均吸收通量3 1 0 t t m o f ( m 3 - h ) ，以n 计) 和n t h - 的一个有效源( 年均释放通量 2 7 0 t i m o f ( m 3 h ) ，以n 计) ，但几乎没有n 0 2 进出沉积物。波罗的海f i n l a n d 湾沉 积物海水界面n 0 3 ，n 0 2 和t m 4 + 的扩散通量变化分别于- 6 8 1 2 4 5 ，o 1 0 2 4 5 ， 9 3 7 3 4 7 1 m l o l ( m 3 h ) ( 以n 计) 之间；渤海莱州湾沉积物海水界面n 0 3 和n h 4 + 的扩散通量分别是2 - 1 5 2 和4 0 1 0 5 岬o l ，( m 3 h ) ( 以n 计) 在1 9 9 8 2 0 0 2 年 南黄海的调查显示，1 n 含量范围为1 6 9 9 9 6 8 7 1 m a o f g ，平均为5 7 5 6 1 s m o l g 。 其中可转化态氮的含量占总氮的3 8 5 6 ，其转化态氮的含量占6 1 4 4 ( 宋金明， 2 0 0 4 ) 长江口滨岸潮滩沉积物和孔隙水中n h 4 - n ，n 0 3 - n ，n 0 2 n 剖面图基本 一致，其中n i - h - n 含量最高；沉积物中有机质含量与n i - h n 含量线性相关：n 0 3 n 和n 0 2 n 在剖面中以0 2 0 c m 变化剧烈( 刘巧梅，2 0 0 4 ) 。 2 磷( p ) 磷的气态化合物很少，所以磷经过大气圈的循环通量也较少，磷的来源途径 主要是指岩石风化、土壤经地表径流带入河流湖泊再输入海洋中( 张秀梅，2 0 0 1 ) 。 河流是海洋中磷的主要来源( f r o e l i a he ta 1 ，1 9 8 2 ；g r a h a m & d u c e , 1 9 7 9 ) 。海水中 的磷包括颡粒磷( p o p ( 活有机体内的磷和有机碎屑的磷) 、溶解有机磷( d o p ) 和 溶解无机磷p ) 。海水中的无机磷酸盐以正磷酸盐为主，主要以h p 0 4 2 和p 0 4 3 。 的离子形式存在，其中h p 0 4 2 占8 7 ，p 0 4 3 。占1 2 杈张正斌，1 9 9 9 ) 磷酸盐含量 受多种因素的影响，如m i s s i s s i p p i 河溶解无机磷的含量受沉积物水解平衡的影 响，沉积物表层大量的轻磷灰石水解释放出磷( l e w i s 1 9 8 5 ) 。a m a z o n 河口溶解 磷的含量受河流输入，沉积物释放，低磷海水稀释等多方面混合作用的影响( f o x 。 1 9 8 6 ) 。磷酸盐在河口具有缓冲现象，这是s t e f a n s s o n 和r j c h a r d s ( 1 9 6 3 ) 在哥伦 比亚河1 2 1 首先发现的。此后，陆续报道世界上许多重要河流( f o x c ta 1 ，1 9 8 5 ；b a l l s ， 1 9 9 4 ；r e n d e l lc ta 1 ，1 9 9 7 ) ，包括我国的长江( e d m o n de ta 1 ，1 9 8 5 ) 和黄河( 林荣根， 1 9 9 4 ) 等河口也存在这种缓冲现象。研究表明，产生这种缓冲现象的原因，是由 于磷酸盐与悬浮颗粒物发生了固一液截面的吸附解吸作用，即河口悬浮物能从 富含磷酸盐的水体吸附磷酸盐，而后又能在低浓度水中释放出磷酸盐，这样就使 6 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 水体的磷酸盐浓度保持在一个相对恒定的范围内。除了颗粒物对磷酸盐的大量吸 附，浮游植物对无机磷的快速吸收也是水体中无机磷酸盐含量很低的重要原因 无机磷酸盐是浮游植物能吸收的主要成分( c e m b a l l ae ta 1 ，1 9 8 4 0 ，但新近的研究 表明，有些浮游生物，不仅能吸收利用无机磷酸盐，也能吸收利用有机态的磷酸 盐( c u r r i e , 1 9 8 6 ；a a r o n s o n p a t n i 1 9 7 6 ；c o t n e r , 1 9 9 2 ) ，如甘油磷酸盐、胞昔酸 和腺普酸等。此外，有机态磷酸盐远比无机态磷酸盐更能使一些赤潮生物( 如褐 毛藻类等) 大量繁殖( 林琼芳，1 9 8 8 ) 。s o n z o g n i 等( 1 9 8 2 ) 发现当水体中的溶解无机 磷含量降低到一定水平时，部分颗粒磷可通过解吸、溶解或生物过程的作用转化 为生物可利用的无机磷而被生物所利用，并把这部分颗粒磷称为潜在生物可利用 磷( p b a p ) f i t z g e r a l d ( 1 9 7 0 ) 用磷酸盐矿物为磷源培养藻类，发现5 0n a g 矿物几 所产生的藻类生物量与o 0 5n a g p 0 4 p l 相当。s a g h e r ( 1 9 7 0 ) 等用w i s c o n s i n 湖底 表层沉积物为磷源培养淡水藻类，经过2 8 天后，沉积物中总磷的8 - 5 0 被藻类 所利用( 杨逸萍，1 9 9 6 ) 。 磷在海洋中的循环主要是靠生物作用进行的，生物作用是造成海洋磷分布不 均的主要因素。生活于表层水的( 透光带) 中的海洋植物对营养元素的摄取可造成 它们在表层水中浓度的下降，而海洋生物( 包括藻类和细菌) 死亡和海洋动物食取 海洋植物和死亡后最终都会以生物碎屑( 动植物残体和粪便等) 等形式沉向海底。 沉降过程中大部分被分解，变成可溶性组分重新返回海水并造成深层水中这种元 素浓度的升高，而其它不易分解的生物碎屑沉入海底，成为海洋沉积物的组成部 分。关于导致磷酸盐在深层浓度增高的研究，东野脉兴( 1 9 9 6 ) 的研究表明，磷进 入表层水后几乎全部为生物所摄取并转化成生物碎屑物质，生物碎屑落入深水后 又大多数被分解( 微生物在促进有机质分解中起巨大作用) ，重新溶于海水，只有 未被分解的部分进入海底沉积物。根据许多研究者估计海洋浮游植物每年可生产 l 一7 x 1 0 1 0 t 有机磷，同时消耗1 7x l e t 磷，相当于大洋透光层中磷的含量，透 光层中的磷几乎全部参与生物循环，可见磷在海洋中的循环主要是靠生物作用进 行的。浮游生物在生命活动中，每天向周围水体分泌的磷总量是生物体内总磷量 的5 0 , - 1 0 0 ，生物体本身也是一个平衡系统，每天电需从环境中摄取同等数量 的磷，表明浮游生物每昼夜循环的磷是自身磷的半数到全部。这既是生物体内磷 循环的量，也说明磷的循环速度。深层水中的磷除少部分加入海底沉积物外，在 7 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 有上升流存在时，大部分又随之带到表层水体中，被生物吸收，重复上述循环。 水体中溶解磷的含量越低及水中浮游植物和细菌的种群越多，则循环完成得越 快，例如在某些有生物大量繁衍的湖泊中，溶解无机磷周转一次的时间只需几分 钟，而在有生物大量繁衍的近岸大洋水中则需1 5 天，在亚速海的海水中，全部 的磷在一年中可以周转8 次( 东野脉兴，1 9 9 6 ) 。 1 3 营养元素对环境的影响及评价方法 1 营养元素对生态环境的影响 氮、磷等营养元素是浮游植物生长所必需的物质，它们构成浮游植物细胞的 结构分子，并参与植物生长的新陈代谢，也是某些海区的初级生产力的限制因子 ( 李文权等，1 9 9 3 ) ；同时水体营养结构的变化对海湾生态系统的结构和功能有着 重要影响。不仅可改变浮游植物生产力和生物量，还会改变浮游生物和底栖生物 的群落结构和季节循环( 丘耀文等，2 0 0 5 ) ，改变传统食物链和微生物环的能量 负荷，及引起高营养级生物( 鱼、虾、贝) 资源量的变化因此，海洋中营养盐的 浓度、存在形态及其组成结构对海洋生态状况具有重大的影响。有学者对大鹏湾 水域的氮营养盐的研究表明，赤潮生物的繁殖与氮盐密切相关，每次氮盐异常增 高，再热上其它营养盐及环境参数的异常变化，可能是赤潮发生的前奏( 徐春梅 等，1 9 9 7 ) 。在各种形式的氮化合物中，能被海洋浮游植物直接利用的是溶解无 机氮( d i n ) 其中，n h 4 4 无须改变氮的价态即可在酶的作用下合成为氨基酸，故 通常认为浮游植物首先吸收n h 4 - n ，当海水中t q h , + 几乎被耗尽时才会大量吸收 n 0 3 州冯士竿，1 9 9 9 ) 。但也有研究资料表明，实验培养的海洋原甲藻在加入不 同浓度的n 0 3 的情况下，l o 天后海洋原甲藻明显增长，且与n 0 3 - n 的浓度呈正 相关( 齐雨藻等，1 9 9 4 ) 。 营养元素的含量变化、输入时机等对海洋生态环境质量也具有显著影响，在 一定条件下会引起水体富营养化、藻类水华以及有害赤潮的形成。营养负荷的增 加与高生物量水华的增多相联系。而控制水域生态系统的营养输入后，浮游植物 生物量或有害藻类水华事件也相应减少m a r c h e t t i 等调查分析了意大利亚得里 亚海在最近1 0 0 年发生的赤潮事件，发现河流输入营养物质的不断增多引起亚得 里亚海的富营养化现象，而富营养化的不断加剧正是赤潮频发的重要原因( x u ne t 象山港海域营养元素的地球化学特征及对环境的影响评价 a 1 ，2 0 0 4 ) 。日本濑户内海最近6 0 年的环境变迁是一个先污染后治理的典型范例。 二战后，濑户内海由于工业化和随之而来的城市化，给当地造成了严重污染，使 濑户内海的水质急剧恶化。水华现象不断发生从2 0 世纪6 0 年代中期开始，日 本政府采取措施治理濑户内海，附近海域水质明显改善。当水体富营养化程度降 低后，大生物量水华事件明显减少，浮游植物的种类组成也发生了变化( x u ne t a 1 ，2 0 0 4 ) 。营养输入对水华的促进作用可以从两个方面来解释。首先，营养增 加会有利于某些浮游植物的增殖，使其密度增大另外，营养输入会引起水体原 有的营养状况发生改变，而特别有利于某种或某类浮游植物的增殖。当然，营养输 入对水域生态系统的影响还受到水深、水循环状况等因素的制约。高生物量水华 会导致水体缺氧，对渔业资源、生态系统、人类健康、旅游业产生有害影响。值 得注意的是，控制营养输入虽然能减少水华的发生次数，但并不能完全消除有害 藻华造成的危害。这是由于水体营养状况发生改变以后，或许适合其它有毒、有 害藻类的生长，并可能在合适的环境条件下引发水华。 浮游植物对限制性营养的竞争是决定浮游植物群落组成的重要因素；在营养 限制条件下，那些对限制性资源需求最低或者利用能力最强的浮游植物种类会在 竞争中胜出( t i l l i md ，1 9 7 7 ；t i l m a nd ，1 9 8 2 ；t i l m a nd e ta 1 ，1 9 8 2 ) 。资源竞 争理论的延伸是对资源比率的假设：共同生存的生物种类的相对丰度取决于限制 性资源的比率，而不是绝对浓度( t i l m a nd ，1 9 8 2 ；t i l m a nd e ta 1 ，1 9 8 2 ) 。依 据这一理论，处于最适营养比率的浮游植物在群落中占据优势而营养比率改变 后，则由别种浮游植物取代。即营养比率决定浮游植物群落的演替方向。营养比 率在浮游植物的营养竞争中发挥着关键作用。研究表明，在高s i ：n 比率( 氮限 制) 和高s i ：p 比率( 磷限制) 条件下，硅藻胜过非硅藻而占据优势( s o m m e ru ， 1 9 8 3 1s o m m e ,