氮和磷是浮游植物生长所必须的营养元素，叶绿素a 是浮游植物体的重要组成部分，是表征其现存量的重要指标之一^[2]。研究水体中氮、磷营养盐和叶绿素的分布特征及相互联系^{[3, 4]}对于认识水体富营养化具有重要的意义。一般认为，浮游植物吸收氮、磷营养盐是按照Redfield (16∶1)比进行吸收^{[5, 6, 7]}。研究表明珠江口海域营养盐存在氮营养过量而磷不足的状况，过高的氮磷比会影响浮游植物对于营养物质的吸收，限制浮游植物的生长^{[8, 9, 10]}。目前，对于珠江口特定海域的营养盐和叶绿素a分布及生态结构有一定研究^{[11, 12, 13]}，但是对于珠江口、大亚湾和广海湾及相邻海域的整体研究较缺乏，关于营养盐浓度与比例的变化对浮游植物量及其结构的影响机制尚不明确。本文基于2006年7月(夏季)、10月(秋季)和2007年3月(春季)3次不同季节的调查数据，对珠江口及毗邻海域氮、磷营养盐和叶绿素a的空间分布特征进行分析，综合探讨不同季节该区域主要环境因子、营养盐浓度、叶绿素a浓度、两种形式的氮磷比、浮游植物优势种和多样性指数之间的相互联系，研究氮磷营养盐及氮磷比对浮游植物生长的影响。

研究范围为珠江口及毗邻海域，包括珠江八大口门近岸海域、大亚湾海域和广海湾海域，调查站位如图 1所示。调查时段为：2006年7月5—16日，开展夏季调查；2006年10月17—24日开展秋季调查；2007年3月14—25日，开展春季调查。在对珠江口及毗邻海域理化因子进行调查时，样品采集、运输、预处理及分析、鉴定方法按照《海洋监测规范》(GB17378—1998)进行。通过10升Go-Flow取水器采取水面下0.5m水样后检测。采样后立即放入冷藏箱冷冻保存，带回实验室进行测定。浮游植物的样品采集和处理均按照《海洋调查规范》(GB12763—1991)进行：用标准浮游生物III型浅水网由底到表层垂直拖拽采集，采用5%福尔马林溶液固定后带回实验室进行鉴定计数。

图 1 珠江口及毗邻海域生态环境调查站位分布 Fig.1 Sampling Stations of Pearl River Estuary and its adjacent sea areas

图选项

为了研究营养盐和叶绿素a等生态环境因子的空间分布特性，本文采用Kriging方法对测点数据进行空间插值。Kriging方法是一种局部加权平均的插值方法，通过半方差图分析获取各点权重，再通过图形来表示变量的空间变化和分布，常用于具有地理特征的等值线和等值面的处理^[14]。

浮游植物的种群多样性应用Shannon-Wiener多样性指数公式进行计算和分析：

点击浏览公式

式中,H′为多样性指数，P_i 为该站中第i种的个体数目与该站总个体数目的比值。当水体受污染时，浮游植物群落中敏感种类减少，而耐污种类的个体数增加，多样性指数下降。依据多样性指数H′与水质污染程度对应关系有^[15]：轻度污染(H′>3)，中重度污染(1<H′<3)，和重度污染(H′<1)。

叶绿素a浓度与环境因子之间相关性采用Pearson相关分析，统计软件采用SPSS 18.0。文中DIN∶PO₄-P和TN∶TP均采用摩尔比。

调查海域TN和TP浓度的季节空间分布如图 2所示，其中春季3月的TN浓度变化范围0.30—3.53 mg/L，夏季7月0.58—3.40 mg/L，秋季10月0.47—3.41 mg/L，浓度均值分别为1.545、1.570和1.442 mg/L。TP浓度范围3月为0.010—0.266 mg/L，7月为0.011—0.153 mg/L，10月为0.010—0.107 mg/L。3次调查均值分别为0.056、0.058和0.034 mg/L。可见，3月春季和7月夏季TN、TP浓度均值高于10月秋季。总体上看，珠江口海域从虎门到珠海港沿岸的总氮(TN)和总磷(TP)均显示出较高浓度，在外海水稀释作用下TN和TP均呈现近岸向远海逐渐减少的趋势，黄毛海海域夏季和春季由鸡啼门和磨刀门向远海也有递减趋势，表明珠江口毗邻海域营养盐主要来自陆源口门的排放。从区域来看，大亚湾和广海湾的TN和TP浓度明显比珠江口区域低。其主要原因可能有：1)地理特性方面珠江口相对于大亚湾和广海湾开口狭窄，与外海水交换能力弱，所以陆源污染短时间不易排出，导致污染物蓄积，浓度较高；而大亚湾和广海湾开阔与外界水交换情况较好，污染物很快交换到外海。2)珠江口及毗邻海域的陆源污染大量集中于虎门、焦门、洪奇门和横门4个口门排放，而这4个口门位于珠江口内部，相对大亚湾和广海湾海域，珠江口海域接受的陆源污染负荷更大^[16]。此外，3月和7月TN和TP浓度存在明显的空间梯度变化，相比之下，10月各测站的浓度更趋于平均，此现象可能是珠江口海域具有季节性差异的径流量、降雨量、大气沉降量共同作用所导致^{[10, 17]}。

图 2 珠江口及毗邻海域总氮、总磷浓度不同季节空间分布 Fig.2 Spatial distribution of TN and TP in PRE and its adjacent area in different seasons

图选项

DIN 3次调查总体均值0.99 mg/L，大幅度超出四类海水水质标准限值，其中81.3%的水样超二类海水标准，最大值达2.45 mg/L，超过二类海水水质标准限值的8.2倍。相比DIN，PO₄-P的超标程度较低，总体均值为0.021 mg/L，仅24%的水样超二类海水标准，其最大值达0.068 mg/L，超过二类海水标准限值2.2倍。DIN和PO₄-P季节差异性与TN和TP表现出一致特征。DIN 3月、7月和10月浓度均值为1.125、1.104、0.832 mg/L，PO₄-P浓度均值分别为0.024、0.020、0.015 mg/L。可见，3月和7月DIN和PO₄-P浓度均值高于10月。 图 3所示DIN、PO₄-P空间分布，灰度间隔按照《海水水质标准》(GB 3097—1997)进行划分。可见，DIN 3个季度都以虎门口近岸海域浓度最高，部分海域已大幅度超出四类海水水质标准限值，其中尤其以7月夏季和3月春季的最为明显。7月，从虎门口、深圳湾海域延伸到广海湾海域DIN浓度均已超过四类海水水质标准；10月和3月份，从崖门口到深圳湾、黄茅海海域DIN浓度超过四类海水水质标准。3次调查期间，广海湾、担杆列岛、大亚湾一带海域的DIN浓度相对较低，其中3月和10月基本处于一到三类海水水质。相比DIN，PO₄-P的浓度相对较低，除深圳湾、虎门口附近海域含量相对较高处于四类和劣四类水质，其余大部分海域都处于一二类水质。

图 3 珠江口及其毗邻海域无机氮、活性磷酸盐不同季节空间分布 Fig.3 Spatial distribution of DIN and PO4-P in PRE and its adjacent area in different seasons

图选项

调查海域盐度空间分布如图 4所示，基本呈现出由口门处向外海增加、并由西部海域向东部增大的趋势。海域盐度空间分布明显受到上游入海径流和海洋潮汐的影响；从海区分布上看，大亚湾海域由于没有大型河流注入，湾内盐度比珠江口海域及广海湾海域高。从季节来看，盐度分布总体上具有“7月夏季<10月秋季<3月春季”的特征。7月为丰水期，降雨量充沛，10月为平水期，而3月为枯水期，不同季节珠江流域入海淡水流量^[18]和降雨量^[10]不同所造成了其毗邻海域不同季节盐度分布差异，尤其在八大口门附近海域及珠江口内部海域更显著。统计3次调查，盐度与氮磷营养盐存在一定负相关性，且与DIN的负相关性较显著(R=-0.703，P<0.001)，与PO₄-P相对要弱一些(R=-0.449,P=0.015)，这可能与近海域水体中对磷的吸附和蓄积作用有关^[19]。

图 4 珠江口及毗邻海域盐度不同季节空间分布 Fig.4 Spatial distribution of salinity in PRE and its adjacent area in different seasons

图选项

图 5显示叶绿素a浓度和各环境因子间的Pearson相关性，可以看出，夏季调查中叶绿素a浓度与TN∶TP和pH呈极显著正相关，与TP、PO₄-P、COD_Mn、NH₄-N呈显著负相关，和盐度、DIN∶PO₄-P呈显著正相关。春季调查中与PO₄-P呈极显著负相关，与pH，TN∶TP呈显著正相关，与NH₄-N，DIN呈显著负相关。3次调查时间分别于2006年7月、2006年10月和2007年3月，在此期间季节性差异的温度、光照时间、径流入海量的不同所带来的营养盐陆源输入的差异，以及海洋动力过程乃至不同季节浮游植物的生长状态都会影响到环境因子与叶绿素a的相关性。综合春夏季调查，温度、pH、PO₄-P、TN∶TP与叶绿素a有非常显著的相关性。研究表明，水中温度不同会对浮游植物细胞代谢、酶活性、营养盐吸收效率及繁殖生长造成一定影响，而水温的增加更有利于藻类的生长^[20]；pH与浮游植物光合作用密切相关，利用pH与藻类数量间明显的相关性可对藻类的“水华”现象进行检测与预报^[21]。与温度和pH存在较显著的正相关，这可能由于温度越高越有利于植物的光合作用，同时叶绿素a浓度越高，藻类数量越多，光合作用越强，同时消耗CO₂越多，导致环境水体CO₂含量降低而使得水体pH值升高。叶绿素a浓度与PO₄-P有较显著的负相关性，这是由于叶绿素a浓度高的区域，浮游植物生长代谢旺盛，吸收营养盐的量很大，营养盐被高度利用而得不到及时的补给，从而使PO₄-P和叶绿素a呈现负相关关系^[22]；与磷酸盐浓度之间的明显负相关性也表明磷可能成为珠江口海域浮游植物生长的限制因子。刘玉等^[23]也曾发现,藻类生长与珠江口外滩水域中活性磷酸盐、硝酸盐则呈负相关关系，与本调查结果相符。叶绿素a浓度与氮、磷营养盐的关系中还可以看出，与PO₄-P，TP的相关性较NO₃-N，NO₂-N，DIN，TN的相关性要显著，表明珠江口海域浮游植物生长对于磷营养盐的响应要优于氮营养盐，这可能由于海域氮营养盐过量，磷营养相对不足有关，相对过量的氮营养盐，磷对于浮游植物生长的控制作用要更明显。本次调查中，非营养盐的环境因子COD_Mn，盐度，DO，悬浮物ss与叶绿素a之间的相关性不显著。COD_Mn多考虑为多种生物过程的结果，而大气复氧、河水的流入及降雨等都会影响近岸水体中DO含量，多方面的影响也使他们与叶绿素a相关性不明显。叶绿素a与悬浮物ss的关系则较复杂，在高浊度的区域，过高的ss会降低水体透明度而影响植物对光的吸收；而在浊度相对低的区域，光限制作用则并不明显。可见，相比其他环境因子，营养盐与叶绿素a浓度的联系要更为显著些，它是珠江口海域浮游植物生长的重要影响因子。

图 5 春夏调查各环境因子与叶绿素a之间相关性 Fig.5 Correlation coefficients between chlorophyll a and main environmental factors during spring and summer survey P为显著性检验结果，P<0.01极显著相关，0.01<P<0.05显著相关，P>0.05不显著

图选项

海域调查期间DIN均值0.99mg/L，PO₄-P均值0.021mg/L。依据《海洋赤潮监测技术规程》中单项富营养化的阈值，DIN为0.2—0.3mg/L，PO₄-P为0.045mg/L，DIN富营养化程度要高于PO₄-P。由图 3也可看出，3次调查大部分近岸海域DIN浓度处于富营养化状态，而PO₄-P仅是在夏季虎门口，春季深圳湾附近处于富营养化状态。Redfield^{[5, 6]}提出，满足海洋浮游植物对营养物质需求的碳、氮、磷原子比为106∶16∶1，这一比值被称为Redfield 比值。Redfield 比值代表了浮游植物吸收利用营养物质时最适宜比例的平均值，在海洋浮游植物营养盐限制性的研究中已经广泛应用，海水中的氮磷比大于22∶1，认为存在磷限制，小于10∶1时存在氮限制^[24]，图 6可以看出调查海域的DIN∶PO₄-P比值远远超越22∶1。可见，珠江口地区营养盐比例严重失调，氮营养过量，存在潜在的磷限制作用。此外，DIN∶PO₄-P与叶绿素a相关性不显著(R=0.122，P=0.429)，其值高于22∶1的站位，叶绿素a浓度却有高值出现；而TN∶TP比值与叶绿素a含量有相对较好的关联性(图 6)。Redfield比描述的是浮游植物对营养盐需求的比，因为无机氮和活性磷酸盐可以被植物直接吸收利用，所以在实验室研究氮磷比时往往用DIN∶PO₄-P为标准，但是其作为室外环境水体中营养盐限制因子的判断工具却忽略了浮游植物细胞对氮、磷营养盐的贮存的问题，同时也未考虑植物在水体无机磷限制情况下通过合成碱性磷酸酶对与有机磷的吸收作用^{[25, 26]}。可见。而TN∶TP不仅考虑了水体中可以直接被浮游植物吸收生长所利用的无机形态营养盐，同时可考虑水体中其他形式的氮、磷营养盐向无机态的转化或者直接被浮游植物吸收利用^{[27, 28]}，体现了海域所有可能被浮游植物所吸收利用的营养盐的总量。

图 6 春夏调查站位叶绿素a的浓度与氮磷比的关系 Fig.6 The relations of chlorophyll-a concentration and N∶P during spring and summer survey

图选项

由图 7 可见，夏季(7月)叶绿素a浓度明显高于春季(3月)叶绿素a的浓度。2006年7月的叶绿素a最高浓度并没有出现在高营养盐浓度的内伶仃洋海域，却出现在珠海香港海域内万山群岛、桂山岛处和大亚湾内部，而内伶仃洋的叶绿素a浓度却处于最低值。叶绿素a浓度处于高值的区域(珠海香港海域和大亚湾内部)，氮磷营养盐浓度并不高；2007年3月广海湾的上川岛、下川岛处的叶绿素a浓度最高，此处氮磷浓度也很低，TN浓度大约1 mg/L，TP约0.02 mg/L，DIN约0.6 mg/L，PO₄-P约0.012 mg/L(图 2和图 3)。Guildford等^[29]曾提出在海洋中普遍存在磷限制的现象，相比DIN∶PO₄-P，TN∶TP的大小也可以指示海洋和湖泊中氮磷营养限制作用，并提出营养物限制性分类标准: TN∶TP大于50为磷限制状态,而TN∶TP小于20为氮限制状态。按照此标准，珠江口的整体区域也都处于磷限制的状态，且两次调查TN∶TP处于80∶1—90∶1的区域的叶绿素a浓度都表现出较高的测值。此外，内伶仃洋是污染物直排入海区域，虽然营养盐浓度较高，但近岸区水体不稳定且垂直流动明显，会影响水体表面的浮游植物的生长；同时由于陆源排放含悬浮颗粒物较多，水体浊度高，这会影响植物对光的吸收，光限制作用也会导致叶绿素a浓度处于低位^[10]。

图 7 春、夏调查珠江口及其毗邻海域叶绿素a浓度空间分布 Fig.7 Spatial distribution of chlorophyll-a concentration in PRE and its adjacent area during spring and summer survey

图选项

图 8 显示了调查期间浮游植物种群多样性指数、DIN∶PO₄-P和叶绿素a浓度之间的关系。珠江口海域多样性指数总体偏低，多属于中重度和重度污染。并且多样性指数和叶绿素a、DIN∶PO₄-P之间存在一定联系：

1)多样性指数和叶绿素a浓度成负相关关系(R=-0.4274，P=0.003)。多样性指数越高，相对污染程度越低的站位叶绿素a浓度越低，而重度污染站位的叶绿素a的浓度大体要高于轻度及中重度污染站位。这是由于种群多样性指数越低，优势种越明显，优势种的过量生长使浮游植物生物量增加，相应的叶绿素a浓度处于高位。

图 8 浮游植物种群多样性指数、DIN∶PO4-P和叶绿素a浓度关系图 Fig.8 The relations of phytoplankton diversity index,DIN∶PO4-P and chlorophyll-a concentration

图选项

2)DIN∶PO₄-P上限随着多样性指数增高有所降低；轻度污染和中重度污染区的DIN∶PO₄-P上限略低于重度污染区域。不同营养盐水平及营养盐之间的比例不但对浮游植物吸收利用营养盐起到潜在限制作用，而且对浮游植物种群生态结构有一定调控作用^{[30, 31, 32, 33]}。不同种类植物细胞元素的组成不同^[31]，当研究海域营养盐含量对于浮游植物未达到完全饱和时，某一些浮游植物会由于某种营养盐缺乏而生长受限，而另一些对该营养盐需求相对低的浮游植物则可以快速生长，形成优势种。同一营养水平下不同种浮游植物之间存在竞争^[33]。海洋水域中营养盐构成，尤其是氮磷比的变化会引起浮游植物间的竞争和种群结构的改变^{[34, 35]}。也就是说，在珠江口海域，水体中氮过量磷不足的情况下，对于磷利用率差的浮游植物逐渐衰亡减少，而对于适于在高DIN∶PO₄-P情况下生长生存，磷利用率高的浮游植物将会快速生长，形成优势种群，这将导致多样性指数下降。已有实验结果表明氮磷比偏离Redfield比(16∶1)越远，种群多样性指数越低^[36]，这与本次调查结果一致。当然，海洋生态系统是一个动态过程，除氮磷比外，氮磷的绝对浓度、光照、PH、捕食关系等因素都会对浮游植物群落结构和演替产生影响。而且通过氮磷比了解哪种营养盐存在潜在限制趋势的同时，也应该考虑浮游植物的氮磷吸收过程对于氮磷比的反馈影响。氮磷比亦可看成浮游植物利用后留下的氮磷结果，反映了以前的浮游植物利用氮磷的效率。此外，春、夏季浮游植物种类调查结果发现，绝大多数站位的优势种为中肋骨条藻。中肋骨条藻(Skeletonema costatum)是属于海洋硅藻中分布较广具有代表性的物种，是最常见的赤潮生物之一。2000—2009珠江口海域发生的赤潮统计分析表明：近年珠江口西部珠海沿岸海域赤潮多发种为中肋骨条藻(Skeletonema costatum)^[1]。已有实验表明：环境中不同氮磷比会影响中肋骨条藻(Skeletonema costatum)比生长率和细胞状态，氮浓度对它们的生长制约作用要大于磷浓度的影响；氮限制(N∶P<16∶1)条件下的细胞数量和比生长率远低于磷限制条件(N∶P>16∶1)^{[37, 38, 39]}下的情况。中肋骨条藻可以在无机磷限制的条件下，吸收利用有机磷化合物^[40]。这与本次调查结果相符，中肋骨条藻在氮磷比高的水体中的生长状态要优于氮磷比低的水体，即在珠江口海域较高氮磷比的水质情况下，也能很好生长。

(1)珠江口及毗邻海域营养盐含量超标现象较为严重，大面积水体处于劣四类水质，尤其夏季最为明显。DIN总体均值0.99 mg/L，超出四类海水标准，PO₄-P总体均值0.021 mg/L，未超出二类标准，DIN∶PO₄-P均值130，远高于浮游植物吸收营养盐适宜的Redfield比，珠江口近海存有潜在的磷限制特性。此外，海水中氮磷营养盐表现出较强的季节和空间差异特性，春夏季营养盐浓度高，且空间梯度变化明显；空间分布上大亚湾和广海湾的营养盐浓度明显比珠江口区域低。叶绿素a浓度与温度、pH和营养盐相关性显著，它们是珠江口海域浮游植物生长的主要影响因子。

(2)海域浮游植物数量与分布不均匀，优势种明显，最主要的优势种为中肋骨条藻(Skeletonema costatum)；优势种明显是导致站位浮游植物多样性指数低的重要原因。DIN∶PO₄-P值上限随多样性指数增高而有所下降，而在种群多样性指数偏低，优势种群明显的站位，往往有较高的叶绿素a浓度。

(3)面对海域氮过量、磷不足，高氮磷比的水质状况，已有的一些观点认为，因为水体磷限制的特性会抑制浮游植物生长，故将减排重点放在削减磷营养盐的排放上，这种观点在一定程度上具有积极的意义。但过高的氮磷比在限制浮游植物对于营养盐吸收的同时，也会引起浮游植物群落结构发生改变，多样性降低，形成优势种，而优势种的过量繁殖，严重时会引发赤潮。所以，在制定污染消减控制方案时，应更加注重对于氮、磷营养盐的协同控制，以有效降低水体氮磷比，保护水体中浮游植物的多样性，限制优势种的生长，降低出现赤潮的可能。