营养盐是海洋生态系统的重要组成部分，是评价海水营养状态的重要指标，其浓度、组成和时空分布可影响海水水质，改变浮游植物的生物量和群落结构，与赤潮、绿潮等生态灾害紧密相关^[1]。近几十年来，随着我国沿海地区经济的快速发展和人类活动强度的增加，大量营养盐从陆地输入海洋，造成近海营养盐浓度和结构的变化。以渤海为例，过去几十年中DIN浓度增加了约5倍，DIP和DSi浓度下降了约30%和60%，造成了赤潮频发、海洋生态系统失衡、渔业资源衰退等生态问题^[2]。面对严峻的海洋环境保护形势，国家“十三五”规划提出“深入实施以海洋生态系统为基础的综合管理，推进海洋主体功能区建设，优化近岸海域空间布局，科学控制开发强度。严格控制围填海规模，加强海岸带保护与修复”的要求，将近海水环境的综合治理列为下一步的重点工作。

曹妃甸位于渤海湾北部，自2004年开始实施围填海，到2011年完成造陆面积274.7 km^{2 [3]}，此后围填活动基本停止，进入消化利用已有土地的阶段。围填海对近海富营养化具有不可忽视的影响，其作用往往是首先改变水动力环境，导致营养物质的转移和扩散发生改变，从而间接地改变水体营养状态^[4]。例如，日本有明海(Ariake Sea)围填海之后，潮流流速下降了10%~30%，河流输入的营养盐在海湾表层水体汇集，DIN浓度甚至超过40 μmol/L，藻华出现频次也急剧上升^[5]。曹妃甸围填海之后，周边海域水动力环境已经发生了诸多变化，并且具有一定的空间差异：甸头西侧海域潮流流速增加2%~5%，东南侧海域略有降低，幅度在2%~5%之间，东北侧海域降低幅度最为显著，甚至超过10%^[6-7]。潮流流速的上述变化可能导致营养盐的空间格局发生改变，尤其是东北侧海域潮流流速的显著降低会造成营养盐难以向外输运，从而影响富营养化程度。然而，目前围绕曹妃甸海域开展的研究较少，尤其是围填海之后其营养盐、Chl a等的空间分布特征、相互关系及其影响因素尚模糊不清，这也给讨论围填海对生态环境的影响带来了困难。

本研究通过2013—2014年间在曹妃甸海域春季、夏季两个航次的开展，对温度、盐度、COD、SPM、营养盐、Chl a等生化因子的空间分布特征进行了分析，采用营养状态质量指数法评价了营养状态，基于营养盐结构讨论了营养盐限制情况，通过主成分分析法探讨了Chl a与环境因子之间的关系，并通过与历史资料的对比，讨论了围填海对海区营养状况的影响。研究结果对近海水环境治理以及围填海区域的补偿性环境整治具有重要的意义。

1   材料与方法

1.1   研究区域与站位布设

曹妃甸在2004年围填海实施之前是一离岸约18 km的沙岛，长约8 km，宽约0.4~0.7 km，沙岛北侧为平均水深约1.5 m的浅滩，南侧为最大水深可达41 m的潮汐深槽^[8]，围填海之后北侧浅滩成为陆地，东北侧海域成为一个内湾(图 1)。曹妃甸海域的潮流以往复流为主，平均涨潮流速为0.36~0.56 m/s，落潮为0.24~0.44 m/s，潮致余流流速一般低于0.10 m/s，部分区域可达0.20 m/s，南侧深槽区是潮汐动力最强的海域^[8]。近岸水体的悬浮泥沙含量明显大于外海，西侧海域大于东侧海域。风浪是影响海域悬浮泥沙含量的主要原因，风浪波高一般为0.7~1.1 m^[8]。

图  1  研究区域水深及采样站位

Fig.  1  Sampling sites and bathymetry of study area

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本研究于2013年8月和2014年5月在曹妃甸近岸海域(118.319°E—118.936°E，38.738°N—39.122°N)先后实施了夏季、春季航次，共布设11个采样站位(图 1)，具体为：参考2004年开展的《河北省海洋资源调查与评价》^[9]在曹妃甸西侧、南侧和东侧布设A、B、C3个断面，每个断面设置3个采样站位，此外在曹妃甸东北侧的内湾海域增设D1和D2站位。

1.2   样品采集与分析

本次调查使用5 L卡盖式采水器(国家海洋技术中心)采集海水。温度(T)和盐度(S)采用YSI 6920型多参数水质分析仪现场测定。将500 mL海水样品置于-20℃下冷冻保存，用于COD测定；将3 L海水等分为3个平行样，用GF/F滤膜进行现场过滤，滤膜于-20℃下避光冷冻保存，用于Chl a测定，结果取平均值；取300~500 mL水样用0.45 μm孔径的醋酸纤维滤膜过滤，滤膜和滤液均置于-20℃下冷冻保存，滤膜用于测定SPM，滤液用于测定营养盐。测定过程主要参照《海洋监测规范》进行，COD采用碱性高锰酸钾法，Chl a采用分光光度法，SPM采用称重法，溶解无机氮(DIN)、磷酸盐(DIP)和硅酸盐(DSi)由连续流动分析仪(AA3，Seal，UK)测定，其中DIN为氨氮(NH₄-N)、硝态氮(NO₃-N)和亚硝氮(NO₂-N)三者浓度之和。

1.3   数据分析

营养盐限制情况参考Justić等提出的标准阈值^[10](表 1)。营养状态评价采用营养状态质量指数法^[11]：

表  1  营养盐限制因素标准^[10]

Tab.  1  The limitation criterion of nutrients ^[10]

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其中：C_COD、C_DIN、C_DIP和C_{Chl a}代表实测值，CS_COD、CS_DIN、CS_DIP和CS_{Chl a}代表标准值，分别为3 mg/L、0.3 mg/L、0.03 mg/L和5 μg/L。NQI < 2，为贫营养状态；NQI在2~3之间，为中营养状态；NQI>3，为富营养状态。环境因子的空间等值线分布图采用Surfer 12.0绘制。环境因子之间关系的分析采用主成分分析法(principal component analysis，PCA)。由于研究海域水深较浅，垂直变化较小，空间分布、营养状态评价和PCA分析主要针对表层海水进行。

2   结果与讨论

2.1   温盐、SPM和COD的时空分布特征

受大陆季风气候影响，研究海域春季和夏季的海水温度、盐度具有明显差异(图 2)。春季，表层海水的温度范围为12.95℃~17.30℃，近岸浅水区水温较高，远岸深水区水温较低。表层海水盐度范围为31.15~31.71，从西向东盐度逐渐升高，表明春季河流的淡水输入主要影响西侧海域，而东侧海域受外海影响更强。夏季，水温范围为17.72℃~27.08℃，依然为近岸高、远岸低。盐度范围为27.41~29.09，其空间分布与春季存在较大差异，表现为从北部近岸向南部远岸逐渐升高。曹妃甸地区的降水主要集中在夏季，因此夏季河流输入的影响比春季更明显，对曹妃甸两侧的近岸海域均具有不可忽视的影响。

图  2  曹妃甸海域温盐的时空分布特征

Fig.  2  Temporal and spatial variations of temperature and salinity in Caofeidian coastal waters

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春季SPM浓度范围为1.32~19.32 mg/L，夏季SPM浓度范围为7.00~41.67 mg/L，均体现为近岸高、远岸低的分布特点(图 3)，这种分布格局一方面是由于近岸海域水深较浅，容易受到波浪的搅拌作用而造成沉积物再悬浮^[7]，另一方面也与河流输沙有关，周边河流夏季入海水量远远大于春季^[12]，带来了较多的泥沙使得研究区夏季SPM浓度高于春季，且近岸高、远岸低的分布规律更显著。

图  3  曹妃甸海域SPM和COD的时空分布特征

Fig.  3  Temporal and spatial variations of SPM and COD in Caofeidian coastal waters

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春季COD浓度范围为0.64~1.67 mg/L，夏季COD浓度范围与春季相差不大，为0.69~1.53 mg/L，而同处渤海湾的天津、沧州等富营养海域的COD浓度往往可达到2 mg/L以上^[13]，这在一定程度上体现出曹妃甸海域的营养水平并不高。研究区COD的空间分布在不同季节间差别较大，春季为东部浓度较高，西部较低(图 3)，这与盐度的空间分布具有一定的相似性(图 2)，夏季为近岸、南侧以及西侧海域浓度较高，东侧海域浓度较低(图 3)，意味着河流并不是影响COD空间分布格局的主导因素，生物等其他因素也具有不可忽视的影响。

2.2   营养盐的时空分布及影响因素

如图 4所示，春季DIN浓度范围为6.36~13.25 μmol/L，高值多出现在D1、D2和A1等近岸站位，位于南侧海域的B3站位浓度也较高。DIP浓度范围为0.13~0.16 μmol/L，DSi浓度范围为0.71~2.62 μmol/L，两者空间分布较为相似，高值区主要分布在西侧海域，内湾海域浓度也较高。夏季，DIN浓度范围为1.01~19.39 μmol/L，高值主要分布在曹妃甸西侧的近岸站位，向东南方向浓度逐渐降低。DIP和DSi浓度范围分别为0.09~0.11 μmol/L和0.90~9.52 μmol/L，曹妃甸西侧海域浓度最高，东侧海域次之，内湾和南侧部分海域浓度较低。

图  4  曹妃甸海域营养盐的时空分布特征

Fig.  4  Temporal and spatial variations of nutrients in Caofeidian coastal waters

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近海营养盐的空间分布受河流输入、沉积物释放、大气沉降等多种因素的影响。曹妃甸周边地区无大型河流，但部分河口受N、P污染极其严重。沙河、陡河和双龙河是唐山市重点监测的入海排污河流，附近海域水质通常较差^[13]。曹妃甸西侧双龙河口附近海域在夏季出现的DIN和DSi的高值区(图 4)，即反映了双龙河输入带来的影响。部分河口虽然距曹妃甸较远，但在海流的作用下也可对研究海域带来一定影响。位于天津的海河口是渤海湾受N、P污染最为严重的河口之一，其TN和TP浓度分别可达到405 μmol/L和7 μmol/L，超过Ⅴ类水质标准^[14]。秦延文等认为渤海湾西北角存在一顺时针沿岸余流^[15]，海河、沙河和陡河输入的营养物质会在此余流作用下向东移动，从而对曹妃甸西侧海域的DIN和DIP高浓度现象具有一定贡献。曹妃甸东北侧海域在围填海之后形成一个内湾，溯河输入的营养物质较难交换到外部海域，这样就使得此处海域也出现DIN和DIP的高值区。根据《北海区海洋环境公报》，曹妃甸东西两侧的近岸海域水质较差，而南侧开阔海域的水质通常可以达到Ⅰ类海水标准^[16]，这与本研究中DIN和DIP的空间分布规律较为吻合(图 4)。

沉积物的释放作用对上层水体营养盐也具有一定贡献^[17]，在此结合底层水体的SPM(图 5)和营养盐(图 6)进行分析。曹妃甸两侧近岸的浅水区受风浪的搅拌作用，沉积物再悬浮作用较强，悬浮泥沙含量甚至可达外侧海域的数倍^[8]，在本研究中表现为西侧海域是SPM的高值区，且底层明显高于表层(图 3，图 5)，这促进了营养盐从沉积物释放进入上层水体。春季，曹妃甸西侧海域的DIN受沉积物释放影响最为显著，底层浓度接近表层浓度的两倍，然而对于DIP和DSi而言，表层和底层基本没有差别。根据Liu等研究，渤海水体中仅有8%的DIP来自于沉积物^[17]，因此沉积物释放特征十分容易受到其他因素的干扰。本研究中DIP高值区通常不出现在SPM浓度最高的A1站位，而是A2站位，即表明可能受到更西侧海域的影响^[15]；渤海水体中高达60%的DSi来自于沉积物^[17]，但春季调查海域普遍处于Si限制状态，沉积物释放的Si可以迅速被浮游植物利用，这可能是造成DSi没有出现表底差别的原因。夏季，河流输入对营养盐的空间分布占主导地位，沉积物释放的影响相对较弱，只在东侧海域有所体现。

图  5  曹妃甸海域底层水体SPM的时空分布特征

Fig.  5  Temporal and spatial variations of SPM in bottom waters of Caofeidian

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图  6  曹妃甸海域底层水体营养盐的时空分布特征

Fig.  6  Temporal and spatial variations of nutrients in bottom waters of Caofeidian

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浮游植物生长对营养盐的消耗作用也不可忽视，例如夏季内湾海域受到溯河输入影响，然而其DIN、DIP和DSi浓度均不高。此处为Chl a的高值区(图 7)，意味着浮游植物对营养盐产生了强的消耗作用，导致营养盐浓度较低，而曹妃甸西侧的高营养盐和相对低的Chl a浓度可能与高浓度SPM减弱光照而影响了浮游植物生长有关。

2.3   海域营养状况评价

为综合考虑营养盐和浮游植物生长对海域营养状态的影响，本文选取NQI指数^[11]对曹妃甸表层水体的营养状况进行评价。此次调查中NQI范围为1.07~2.23，大部分站位为贫营养状态，只有少数站位属于中营养状态，没有出现富营养现象(表 2)。春季NQI值范围为1.07~2.23，较高值出现在C和D断面，其中C3和D2的NQI值分别为2.23和2.01，属于中营养状态。夏季NQI值比春季略低，其范围为1.08~2.13，较高值出现在A和D断面，其中A1站位NQI值最高，达到2.13，为中营养状态。《北海区海洋环境公报》的富营养化评价结果与本研究相似，同样表明曹妃甸大部分海域的富营养化程度较为轻微^[16]。本次调查结果虽然表明海河、沙河、陡河、双龙河和溯河等会对研究海域造成一定影响，但由于多为小型河流或者距离较远，其影响仅限于近岸地区，曹妃甸南侧和东侧的大片开阔海域受到河流输入的影响十分有限，加上潮流较强，河流输入的营养盐可以较快地输运至外海，造成了研究区整体上DIN和DIP的浓度均不高。然而需要关注的是，两侧近岸站位营养状态相对较高，部分年份甚至可以达到重度富营养程度^[16]，这是由其容易受到河流输入以及水体交换能力较弱的特点决定的。因此，两侧的近岸海域需要在以后的环境监测、水环境治理、藻华灾害防治等方面给予更多关注。

表  2  曹妃甸近海营养盐比例及营养状态质量指数评价结果

Tab.  2  The nutrient ratios and NQI in Caofeidian coastal waters

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营养盐浓度和比例是评价近海营养状态的重要指标。曹妃甸海域的N/P通常大于10，不存在N限制的情况(表 2)。春季曹妃甸东侧海域DSi浓度低于2 μmol/L(图 4)，处于Si的绝对限制状态，其他海域没有出现营养盐限制情况。夏季几乎全部海域N/P和Si/P均高于22，这表明研究区处于P的相对限制状态，其中内湾和南侧海域DIP浓度低于0.1 μmol/L，为P的绝对限制。营养盐限制因子的季节差异与周边河流的入海水量有一定关系，沙河、陡河、双龙河和溯河等的夏季流量可达春季的4~7倍^[12]，因此对近海DSi的补充作用也就相对更强，缓解了Si限制的状况。从调查期间的浮游植物群落来看，虽然Chl a浓度在季节之间相差不大，但浮游植物丰度在夏季显著高于春季。这表明夏季相对充足的DSi为浮游植物生长提供了充分的物质保障，从而出现了夏季浮游植物丰度远高于春季的情况，而浮游植物的快速增殖消耗掉水体中大量DIP，导致DIP较为不足，使得夏季研究海域的P限制状况较为显著。

2.4   Chl a的时空分布及与环境因子之间的关系

如图 7所示，春季Chl a浓度范围为1.68~6.25 μg/L，从甸头向东西两侧浓度逐渐升高，内湾海域浓度也较高，夏季Chl a浓度范围为2.35~6.09 μg/L，高值区包括曹妃甸前沿以及内湾部分海域。Chl a的空间分布与温度、盐度、营养盐等多种环境因子有关，PCA分析结果表明春季Chl a与温度的关系不明显，与盐度有正相关关系(图 8)。渤海湾的浮游植物种类多是广温广盐种，但不同种类与温度、盐度的关系十分复杂，随着浮游植物优势种的变化，Chl a与温度、盐度的关系也有所差异，因此需要在物种水平上做进一步分析。DIN与Chl a的相关性较弱，与N过剩的营养状态是相符的。DIP、DSi与Chl a之间的负相关性与浮游植物生长消耗大量的DIP和DSi有关。4个断面较好地分离开来，A断面具有较高浓度的DIP和DSi，而B断面(B1、B2)营养盐浓度通常较低，C断面盐度和Chl a浓度较高，D1和D2站位的DIN和DSi浓度较高，这显示出调查海域东西之间存在着显著差异。夏季Chl a与温度、盐度的关系均可忽略不计，而与DIP、DSi具有明显的负相关关系(图 8)，这同样是浮游植物的利用造成的，与研究区的P限制状态相符。近岸站位与远岸站位较好地分离开来，B、C断面等远岸站位往往具有较高的盐度以及较低浓度的营养盐，近岸的A1、A2站位营养盐浓度较高，D1、D2站位盐度较低且Chl a浓度较高，这证明了溯河淡水输入的影响以及浮游植物生长对营养盐的消耗作用。

图  7  曹妃甸海域Chl a的时空分布特征

Fig.  7  Temporal and spatial variations of Chl a in Caofeidian coastal waters

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图  8  曹妃甸海域Chl a与环境因子的PCA分析

Fig.  8  PCAordination between Chl a and environment variables in Caofeidian coastal waters

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2.5   营养状况在围填海前后的变化情况

索安宁等基于2004年和2007年曹妃甸海域调查资料的分析结果表明DIN和DIP在围填海后明显升高，水质状况出现恶化趋势^[18]。近年来，水动力环境的相关研究进一步表明围填海后水动力环境的变化具有空间差异，西侧海域的潮流流速增加了2%~5%，而东南侧海域潮流流速降低了2%~5%之间，内湾海域降低幅度甚至在10%以上^[6-7]。戚健文等甚至认为甸头前沿海域潮流流速增大10%~40%，东部前沿海域流速减小约10%~20%^[19]。潮流变化的空间差异意味着营养盐的重新分布，因此曹妃甸海域营养状态的变化应不仅仅是整体加重的趋势^[18]，也存在着空间上的差异。如表 3所示，本次调查的DIP浓度相对于2004年进一步降低，这延续了渤海湾DIP在20世纪80年代和90年代的降低趋势。DIN、NQI和Chl a等3个参数的变化因季节而有所不同。春季，从整个海域来看，3个参数变化不大，这与索安宁等研究^[18]中出现的恶化不同，这可能与调查季节和站位的不同或营养盐的年际变化有关。从空间上看，DIN、NQI和Chl a在不同断面上的变化差别很大，即西侧断面均有所降低，东侧断面均有所升高。围填海后，水动力环境的变化具有空间差异应是造成这一现象的重要原因。从海河、陡河、沙河和双龙河等河流输入的营养盐主要影响西侧海域，由于研究海域以东西方向的往复流为主^[8]，西侧海域的潮流流速加快有助于营养盐向其他海域输运，而东侧海域潮流流速的减慢使得营养盐更易在此存留，这造成了营养盐空间格局的变化，最终出现了西侧海域营养状态减弱，东侧海域营养状态加重的现象。夏季，整个研究海域或不同断面的DIN和NQI多有所降低，而Chl a均有所升高，这不能证明营养状态的减弱，而是表明营养盐已经被浮游植物充分利用，无机形态转化为有机形态，因此围填海的影响需要结合浮游植物群落结构的变化做进一步分析。DSi的历史资料十分有限，2004年调查^[9]未涉及DSi，因此本研究无法按照区域比较DSi的变化趋势，只能对其平均浓度进行分析。Wang等在渤海的研究表明曹妃甸海域2002年夏季DSi浓度约为9 μmol/L^[20]，本研究中夏季DSi浓度为5 μmol/L，下降幅度超过40%，这与渤海范围内DSi持续降低的趋势相同，与周边河流入海水量的减少有关^[2]。

表  3  曹妃甸海域围填海后营养状态的变化

Tab.  3  Changes of trophic status in Caofeidian coastal waters after reclamation

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3   结论

(1) 曹妃甸海域营养盐的空间分布主要受河流输入和沉积物释放作用的影响，高值区分布在西侧以及内湾等近岸海域，远岸海域营养盐浓度通常较低。

(2) 研究海域的NQI范围在1.07~2.23之间，属于贫营养或中营养状态，其中两侧近岸海域NQI相对较高。营养盐限制具有季节差异，春季主要为Si限制，夏季主要为P限制。

(3) Chl a在春季的高值区主要分布在东侧远岸海域和东北侧内湾海域，与盐度、P和Si的关系较为密切；Chl a在夏季的高值区主要出现在甸头和内湾附近海域，与P和Si的关系相对较强。

(4) 围填海前后的营养状态具有一定差别：春季，西侧海域的DIN、NQI和Chl a有所降低，而东侧海域有所升高，这与围填海后潮流流速的变化具有空间差异而使得营养盐重新分布有关；夏季，DIN和NQI有所降低，而Chl a有所升高，表明营养盐被浮游植物充分利用，围填海的影响需要结合浮游植物群落做进一步分析。