全 文 ：人类活动影响下唐山湾近岸海域营养盐
及其结构变化
李志伟１∗　 崔力拓２
（ １河北农业大学海洋学院， 河北秦皇岛 ０６６００３； ２中国环境管理干部学院， 河北秦皇岛 ０６６００４）
摘　 要　 根据获取的唐山湾海域 １９９５—２０１２年 ２５个站位现场观测数据和资料，基于主成分
分析（ＰＣＡ）对人类活动影响下唐山湾海域营养盐及其结构变化进行研究．结果表明： 在人类
活动影响下，近 ２０年唐山湾海域无机氮（ＤＩＮ）呈现明显的增长趋势，磷酸盐（ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ）、硅酸
盐（ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ）则呈下降趋势；平均 Ｎ ∶ Ｐ 由 １９９５年的 ３．０ 增长到 ２０１２ 年的 ２６．０，而 Ｓｉ ∶ Ｎ 则
呈下降趋势，海水营养盐结构发生了明显的变化．据此利用主成分分析识别水质变化，共提取
了 ２个主成分，第 １主成分以 ＤＩＮ、ＮＯ３
－ ⁃Ｎ、ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ、ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 和 ＮＯ２
－ ⁃Ｎ为代表，解释了７１．５％
的方差；第 ２主成分以叶绿素（Ｃｈｌ ａ）和 ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ为代表，解释了 ２１．８％的方差，说明唐山湾水
质变化主要与 ＤＩＮ、ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 因子变化关系密切．２ 个主成分得分揭示了人类活动影响下唐山
湾水质年际变化趋势，即由 １９９５—２００５ 年开发前及开发初期的 Ｎ限制向 ２００７ 年开发后的 Ｐ
限制转变．人类活动影响下唐山湾海域营养盐及其结构已经发生了明显变化，这种变化尤其
是无机氮含量的增加，需要引起高度关注．
关键词　 营养盐结构； 主成分分析； 水质； 唐山湾
Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ｗａｔｅｒｓ ｏｆ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ ｕｎｄｅｒ
ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ． ＬＩ Ｚｈｉ⁃ｗｅｉ１∗， ＣＵＩ Ｌｉ⁃ｔｕｏ２ （ １Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｃｅａｎｏｌｏｇｙ， Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒ⁃
ｓｉｔｙ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ， Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００３， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ２Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，
Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ （ＰＣＡ）， ｄａｔａ ｆｒｏｍ ２５ ｍａｒｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｔａ⁃
ｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ ｆｒｏｍ １９９５ ｔｏ ２０１２ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｉｎ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ ｕｎｄｅｒ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ （ＤＩＮ）
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅａｒ ２０ ｙｅａｒｓ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ＰＯ４ ３
－⁃Ｐ ａｎｄ ＳｉＯ３ ２
－⁃Ｓｉ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ
ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｒｅｎｄ． Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ Ｎ：Ｐ ｒａｔｉｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ３．０ ｉｎ １９９５ ｔｏ ２６．０ ｉｎ ２０１２， ｂｕｔ ｔｈｅ ａｖｅｒ⁃
ａｇｅ Ｓｉ：Ｎ ｒａｔｉｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｓｅａｗａｔｅｒ ｈａｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎ
ｔｈｅ ｎｅａｒ ２０ ｙｅａｒｓ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＰＣＡ， ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ． Ｔｈｅ
ａｎａｌｙｓｉｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｗｏ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ （ＰＣ）． ＰＣ１ ｗａｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＤＩＮ， ＮＯ３
－ ⁃Ｎ，
ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ， ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ ａｎｄ ＮＯ２
－ ⁃Ｎ， ｗｈｉｃｈ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ７１．５％ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｎｃｅ． ＰＣ２ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ
Ｃｈｌ ａ ａｎｄ ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ， ｗｈｉｃｈ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ２１．８％ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｎｃｅ． Ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ
Ｔａｎｇｓｈａｎ ｂａｙ ｗａｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ＤＩＮ ａｎｄ ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ． Ｔｈｅ ｔｗｏ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｃｏｒｅｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ
ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｎｎｕａｌ ｃｈａｎｇｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ ｕｎｄｅｒ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ，
ｗｈｉｃｈ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｎ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｔ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （１９９５－
２００５） ｔｏ ｔｈｅ Ｐ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （ ｓｉｎｃｅ ２００７）． Ｔｈｅ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｔａｎｇｓｈａｎ
Ｂａｙ ｈａｄ ｃｈａｎｇｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｕｎｄｅｒ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ， ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｓｐｅｃｉａｌ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ
ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ ｉｎ ｓｅａｗａｔｅｒ ｏｆ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｎｉ⁃
ｔｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ； Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ．
本文由河北省应用基础研究计划重点项目（１３９６３３０２Ｄ，１５９６３３０１Ｄ）、河北省创新能力提升计划项目（１５４５７６２３５）和海洋公益性行业科研专项
（２０１００５００９）资助 Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ （１３９６３３０２Ｄ，１５９６３３０１Ｄ）， ｔｈｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ａｂｉｌｉｔｙ
Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ （１５４５７６２３５） ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｏｃｅａｎｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｃｉａｌ Ｐｕｂｌｉｃ Ｗｅｌｆａｒｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ （２０１００５００９） ．
２０１５⁃０４⁃０３ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ， ２０１５⁃１１⁃０２ Ａｃｃｅｐｔｅｄ．
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈｉｗｅｉｌｉ１９７５＠ １６３．ｃｏｍ
应 用 生 态 学 报　 ２０１６年 １月　 第 ２７卷　 第 １期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｊａｅ．ｎｅｔ
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊａｎ． ２０１６， ２７（１）： ３０７－３１４　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＤＯＩ： １０．１３２８７ ／ ｊ．１００１－９３３２．２０１６０１．０２９
　 　 海湾是连接陆地与海洋的过渡环境，生态过程
比较复杂，且容易受到人类活动的影响［１－４］ ．随着人
口的增加和经济的快速发展，沿海区域的生态环境
问题日益突显，尤其在河口和海湾区域，富营养化问
题、各种污染问题频繁发生［５－７］ ．这直接导致河口、海
湾或近岸海域水体生态环境的退化，引发赤潮、生物
多样性降低及生物资源的锐减等，造成巨大的经济
损失．因此，有关海湾生态系统、生物资源、生态环境
等研究已受到世界各国海洋科学家的广泛关
注［３－４，８－１０］ ．一些研究表明，河口、海湾或近岸水体生
态环境已明显受到沿岸人类活动的影响［１１－１２］ ．不断
增强的人类活动，使得大量 Ｎ、Ｐ 等营养物质沿江河
汇入近岸海域，导致近岸水域营养盐含量逐年升高．
唐山湾位于中国经济增长的第三极———环渤海
经济圈的中心地带．随着经济快速发展和沿海区域
快速开发，人类活动对唐山湾海域生态环境的影响
也日渐显现［１３－１５］ ．但关于唐山湾海域生态环境的研
究相对较少，张彩霞［１６］对唐山湾海域资源开发利用
情况进行了分析，杜肖等［１７］研究了唐山湾海域渔业
资源的多样性，方成等［１８］对唐山岸线资源的利用过
程中的环境效应进行研究，而在人类活动影响下海
域生态环境的变化研究尚未见报道．本文基于多年
的监测数据，全面分析了人类活动影响下唐山湾近
岸海域营养盐的长期变化特征；同时利用主成分分
析方法，识别唐山湾水体的多年变化规律，为唐山湾
及其周边地区海洋环境保护和经济协调发展提供科
学依据．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
唐山湾位于渤海湾北部（３８．７°—３９° Ｎ，１１８°—
１１９° Ｅ），以曹妃甸岛为中点，形成西起芦汉经济开
发区，东到乐亭新区的大凹湾，所涉及的主要行政区
域包括海港经济开发区、曹妃甸区、南堡经济开发
区、丰南沿海工业区和芦汉经济开发区．唐山湾海岸
线长约 １７０ ｋｍ，浅海面积近 ２０００ ｋｍ２，其中 ６０％以
上海域水深超过 １０ ｍ．唐山湾地处大陆性季风气候
区，年平均气温 １１． ２ ～ １２． ３ ℃，多年平均降水量
５５４􀆰 ９ ｍｍ，降水多集中在夏季；海水平均水温 １３．４
℃ ［１３］ ．唐山湾沿岸没有大型河流汇入，但有 ６ 条季
节性小型入海河流（沙河、双龙河、青龙河、小清河、
大清河和陡河）汇入唐山湾．２０ 世纪 ９０ 年代人口相
对较少，大多从事传统制盐、渔业或农业生产，工业
几乎空白．但随着唐山湾沿海的逐步开发，以及由曹
妃甸新区、乐亭新区、丰南沿海工业区和芦汉经济开
发区构成的 “四点一带”宏伟格局的形成，唐山湾沿
岸人口数量快速增长，由 ２０００ 年不足 ３０ 万人增长
到 ２０１２ 年 ４３ 万人［１９－２０］ ．临海工业或产业也在此期
间逐步发展起来．唐山湾沿岸主要开发区工业总产
值由 １９９３年的 ９７．７８亿元增长到 ２０１２年的 １５１５．２３
亿元，工业总产值增长了 １５．５ 倍［２０－２１］ ．随着唐山湾
工业化和城镇化进程的不断加快，大量工业、生活污
水不断汇入唐山湾海域，近年来陆源年均入海污染
物总量约为 ９３９５６万 ｔ，其中悬浮物 ４６６５９ ｔ，生化需
氧量 ２７９８ ｔ，铵氮 ２２３２ ｔ［１３，１６］ ．这些污染物主要来自
于河流汇入、沿海开发区工业废水和生活污水的排
放以及港口排污．
１􀆰 ２　 采样与分析方法
分析所用数据来自于河北省海洋环境监测中心
（２００２—２０１２ 年） 和唐山市海洋环境监测中心
（１９９５—２００１年）．唐山湾海域生态环境监测开始于
１９９５ 年，止于 ２０１２年，其中 １９９８、２００１和 ２００６年监
测站位与其他年份有所出入，故在分析中将这 ３ 个
年份的数据予以舍弃．每年的 ３、５、８、１０ 月分别采集
唐山湾海水底层和表层样品，共 ２５ 个站位，采样站
位分布见图 １．水质监测的采样及分析方法均按《海
洋监测规范》 ［２２－２３］执行．主要监测指标包括温度（温
度表法）、盐度（盐度计法）、ｐＨ（ｐＨ 计法）、溶解氧
（ＤＯ，碘量法）、化学需氧量（ＣＯＤ，碱性高锰酸钾法）、
亚硝酸盐氮（ＮＯ２
－⁃Ｎ，盐酸萘乙二胺分光光度法）、
硝酸盐氮 （ＮＯ３
－⁃Ｎ，锌镉还原法）、铵氮 （ＮＨ４
＋⁃Ｎ，
靛蓝分光光度法法）、活性磷酸盐（ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ，磷钼蓝
分光光度法）、活性硅酸盐（ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ，硅钼黄法）、叶
绿素 ａ（Ｃｈｌ ａ，丙酮萃取分光光度法）．无机氮（ＤＩＮ）
为 ＮＯ２
－ ⁃Ｎ、 ＮＯ３
－ ⁃Ｎ和 ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ三者含量之和．
１􀆰 ３　 数据处理
为了识别唐山湾海域营养盐结构的变化，本研
图 １　 唐山湾海域监测站位
Ｆｉｇ．１　 Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ．
８０３ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
究主要选取了磷酸盐、铵氮、硝态氮、亚硝态氮、硅酸
盐、无机氮、叶绿素 ７项指标．根据监测资料，对唐山
湾各指标 １９９５—２０１２ 年（１９９８、２００１、２００６ 年除外）
逐年的均值进行分析．基于 １５ 年 ７ 项指标逐年的均
值，利用主成分分析（ＰＣＡ）来识别唐山湾水质变化
趋势．全部数据的计算及统计分析采用 ＳＰＳＳ １２．０及
ＳｉｇｍａＰｌｏｔ １２．０软件实现．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 含氮营养盐时空变化特征
从图 ２可以看出，铵氮（ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ）在 １９９５ 年平
均浓度为 ０．３８９ μｍｏｌ·Ｌ－１，到 ２０１２ 年增加到 ２．５７７
μｍｏｌ·Ｌ－１，年增加速率为 ０．１２９ μｍｏｌ·Ｌ－１；１９９５ 年
硝酸盐氮（ＮＯ３
－ ⁃Ｎ）平均浓度为 ０．５４４ μｍｏｌ·Ｌ－１，到
２０１２年增加到 ２．９４ μｍｏｌ·Ｌ－１，年增加速率为 ０．１４１
μｍｏｌ·Ｌ－１；亚硝酸盐氮（ＮＯ２
－ ⁃Ｎ）在 １９９５ 年平均浓
度为 ０． ２２７ μｍｏｌ· Ｌ－１，到 ２０１２ 年增加到 ０􀆰 ６６６
μｍｏｌ·Ｌ－１，年增加速率为 ０．０２ μｍｏｌ·Ｌ－１ ．无机氮浓
度均有增加的趋势，ＮＯ３
－⁃Ｎ浓度增加的速度最大，其
次为 ＮＨ４
＋⁃Ｎ，最小的为 ＮＯ２
－⁃Ｎ．ＮＨ４
＋⁃Ｎ 和 ＮＯ３
－⁃Ｎ
一直为无机氮的主要形态，ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ占无机氮的百分
比根据年份不同在 ３０％ ～４５％之间波动，ＮＯ３
－ ⁃Ｎ 所
占比例在 ４０％～５５％之间波动，而 ＮＯ２
－ ⁃Ｎ含量占无
机氮百分比基本低于 ２０％．
以 ２０００、２００５和 ２０１２ 年唐山湾海域营养盐监
测结果为例，分析唐山湾海域营养盐的平面分布情
况 （图３） ．２０００年无机氮分布的高值区主要出现在
图 ２　 无机氮含量及其组成变化
Ｆｉｇ．２　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＩＮ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．
图 ３　 典型年份海水中无机氮的分布
Ｆｉｇ．３　 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＤＩＮ ｉｎ ｓｅａｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｙｅａｒｓ．
曹妃甸岛以东大清河口和双龙河口附近海域，无机
氮分布基本呈现由东向西、由近岸向远岸逐渐降低
的趋势；２００５年无机氮的高值区主要出现在曹妃甸
以西海域（即丰南沿海区域），无机氮分布基本呈现
由东向西逐渐升高、由近岸向远岸逐渐降低的趋势；
２０１２年无机氮的分布与 ２００５ 年分布基本一致，所
不同的是曹妃甸以西海域无机氮上升更加明显．总
体上，唐山湾海域无机氮浓度呈现升高的趋势，曹妃
甸以西海域比东部海域上升速度快；唐山湾海域无
机氮的分布从近岸到远岸逐渐降低，高值区由曹妃
甸东部海域转向曹妃甸西部海域．
２􀆰 ２　 活性磷酸盐变化特征
近 ２０ 年来，活性磷酸盐 （ ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ ）浓度呈现
降低的趋势，由 １９９５ 年 ０． ４４５ μｍｏｌ·Ｌ－１降低到
２０１２ 年的 ０．２３８ μｍｏｌ · Ｌ－１，年递减速率为 ０．０１２
μｍｏｌ·Ｌ－１（图 ４）．磷酸盐在生物循环过程中处于比
较稳定的状态，春季是浮游植物和浮游动物繁殖的
季节，大量消耗水体中的营养盐，同时此时雨量较
少，陆地径流并不能带来充足的营养盐补充，因此磷
酸盐含量降低．夏秋季节处于雨季时期，陆地径流带
图 ４　 磷酸盐和硅酸盐含量变化趋势
Ｆｉｇ．４　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ ａｎｄ ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ ｃｏｎｔｅｎｔｓ．
９０３１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李志伟等： 人类活动影响下唐山湾近岸海域营养盐及其结构变化　 　 　 　 　 　
来丰富的营养盐，磷酸盐浓度逐渐升高．冬季温度下
降，浮游植物和浮游动物出现衰退和死亡，分解的磷
酸盐一部分重新溶解在水体中，另一部分则形成有
机磷沉积在底层［２４］ ．
根据 ２０００、２００５ 和 ２０１２ 年唐山湾海域各监测
站点 ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 的分布情况 （图 ５） 来看， ２０００ 年
ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 普遍较高，高值区主要分布在曹妃甸以东
海域，并呈现由近岸向远岸逐步降低的趋势．２００５年
ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 含量有所降低，分布的高值区仍然在曹妃
甸以东海域，但在曹妃甸西部海域，尤其是丰南沿海
区域， ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 含量降低不明显，甚至个别站点
ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 含量略有升高． ２０１２ 年曹妃甸以东海域
ＰＯ４ ３
－⁃Ｐ 含量明显降低，曹妃甸西部海域成为 ＰＯ４ ３
－⁃Ｐ
的高值区．总体上，唐山湾海域 ＰＯ４ ３
－⁃Ｐ 含量呈现降
低趋势，个别站点略有升高；与无机氮的分布类似，
ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 的高值区由曹妃甸东部海域转向西部海域．
２􀆰 ３　 硅酸盐变化特征
唐山湾海域硅酸盐（ＳｉＯ３ ２
－⁃Ｓｉ）含量在 １９９５—
２０１２年间为 ６．４３１～７．１８９ μｍｏｌ·Ｌ－１，呈现下降趋势，
但下降幅度不大，年递减速率为 ０．０３８ μｍｏｌ·Ｌ－１（图
４）．硅酸盐是浮游植物生长必需的重要营养源之一．当
浮游植物生长、繁衍的盛期，硅酸盐被浮游植物吸收，
导致海水中的硅盐含量下降．当浮游植物生长受到抑
制时，如水温升高，海水中硅酸盐含量又有一定的回
升．但海水中硅酸盐含量的变化及分布除受生物影响
外，还受到大陆排水和水体运动的影响［２５］ ．从 ２０００、
２００５和 ２０１２年唐山湾海域各监测站点硅酸盐的分布
情况来看（图 ６），ＳｉＯ３ ２
－⁃Ｓｉ 整体分布比较均匀，其高
值区基本都分布在沿岸河流汇入区域．唐山湾沿岸
虽然没有大河的汇入，但沿岸分布的大清河、双龙河
等小型河流的汇入，使硅酸盐得以补充．加之水体垂
直循环作用，使底层硅盐不断补充到上层．
图 ５　 典型年份海水中磷酸盐的分布
Ｆｉｇ．５　 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ ｉｎ ｓｅａｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｙｅａｒｓ．
图 ６　 典型年份海水中硅酸盐的分布
Ｆｉｇ．６　 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ ｉｎ ｓｅａｗａｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｙｅａｒ．
２􀆰 ４　 营养盐结构变化特征
海水中 Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ 是重要的海洋化学与海洋生
物学参数，是研究浮游植物限制因子的关键指标．根
据 １９６３年 Ｒｅｄｆｉｅｌｄ 提出的三者之间按浮游植物光
合作用同化比例为 １６ ∶ １６ ∶ １，若偏离该比例预示
着浮游植物受到 Ｎ、Ｐ 或 Ｓｉ 限制［２６－２７］ ．一些研究表
明：若 Ｎ ∶ Ｐ＜１０与 Ｓｉ ∶ Ｎ＞１，表明 Ｎ 限制；若 Ｓｉ ∶ Ｎ
＜１与 Ｓｉ ∶ Ｐ＜３，表明 Ｓｉ 限制；当 Ｓｉ ∶ Ｐ ＞２０ ～ ３０ 时，
表明 Ｐ 限制［２８－３０］ ．利用多年监测的数据，采用 Ｒｅｄ⁃
ｆｉｅｌｄ标准（Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ ＝ １６ ∶ １６ ∶ １），对唐山湾海域
浮游植物营养盐限制因子进行评价．根据研究海域
近 ２０年 Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ 的监测结果（表 １），总体上表现
出硅酸盐相对过剩，而 Ｎ和 Ｐ 则表现出明显的阶段
性．唐山湾海域 Ｎ ∶ Ｐ 值为 ３．０ ～ ２６．０，平均 Ｎ ∶ Ｐ 为
１２．３７；其中，在 ２００５ 年以前 Ｎ ∶ Ｐ 均在 １６．０ 以下，
磷酸盐相对过剩，无机氮相对缺乏；２００７ 年以后，
Ｎ ∶ Ｐ值为 １６．０～２６．０，表明海水中无机氮相对过剩，
磷酸盐相对缺乏．唐山湾近 ２０ 年 Ｎ ∶ Ｐ 与 Ｓｉ ∶ Ｎ 变
化结果如图 ７所示．Ｓｉ ∶ Ｎ 具有下降的趋势，因为无
机氮浓度近２０年为增长趋势，而硅酸盐则为负增
图 ７　 Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ 变化趋势
Ｆｉｇ．７　 Ｃｈａｎｇｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｉ：Ｎ：Ｐ ｒａｔｉｏ．
０１３ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
表 １　 Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ值的变化
Ｔａｂｌｅ １　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉ：Ｎ：Ｐ ｒａｔｉｏ
１９９５ １９９６ １９９７ １９９９ ２０００ ２００２ ２００３ ２００４
Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ １６ ∶ ３ ∶ １ １５ ∶ ３ ∶ １ １５ ∶ ３ ∶ １ １６ ∶ ３ ∶ １ １７ ∶ ６ ∶ １ １７ ∶ ８ ∶ １ １８ ∶ ９ ∶ １ １８ ∶ １４ ∶ １
２００５ ２００７ ２００８ ２００９ ２０１０ ２０１１ ２０１２
Ｓｉ ∶ Ｎ ∶ Ｐ １９ ∶ １５ ∶ １ ２０ ∶ １６ ∶ １ ２１ ∶ １７ ∶ １ ２１ ∶ １９ ∶ １ ２２ ∶ ２１ ∶ １ ２４ ∶ ２２ ∶ １ ２７ ∶ ２６ ∶ １
表 ２　 变量相关系数
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ
变量 Ｖａｒｉａｂｌｅ ＰＯ４ ３－ ⁃Ｐ ＮＨ４ ＋ ⁃Ｎ ＮＯ３ － ⁃Ｎ ＮＯ２ － ⁃Ｎ ＤＩＮ ＳｉＯ３ ２－ ⁃Ｓｉ
ＮＨ４ ＋ ⁃Ｎ －０．９５５∗∗
ＮＯ３ － ⁃Ｎ －０．９３９∗∗ ０．９８４∗∗
ＮＯ２ － ⁃Ｎ －０．８７１∗∗ ０．９２５∗∗ ０．９３７∗∗
ＤＩＮ －０．９５３∗∗ ０．９９５∗∗ ０．９９６∗∗ ０．９４２∗∗
ＳｉＯ３ ２－ ⁃Ｓｉ －０．４６５ ０．３１２ ０．３５０ ０．２２８ ０．３３５
Ｃｈｌ ａ －０．０８９ ０．２３１ ０．２９３ ０．４３４ ０．２７１ －０．４６４
∗∗Ｐ＜０．０１．
长．Ｎ ∶ Ｐ 具有增加的趋势，一方面无机氮浓度增加，
另一方面活性磷酸盐浓度减小．因此，唐山湾海域
１９９５—２００５年为 Ｎ 限制阶段，２００７ 年以后为 Ｐ 限
制阶段．说明唐山湾海域水质从 Ｐ 贡献向 Ｎ 贡献转
变，人类活动已经影响到唐山湾水体的营养盐结构．
２􀆰 ５　 水质变化趋势
运用 １５年每年 ４个季度共 ６０组 ７个变量组成
的数据矩阵，采用主成分分析识别水质的年变化趋
势和年份之间的差别（表 ２，表 ３），主成分分析提取
了前 ２个主成分，共解释 ９３．３％原始数据的方差．其
中，第 １主成分解释 ７１．５％的方差，以 ＤＩＮ、ＮＯ３
－ ⁃Ｎ、
ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ、ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 和 ＮＯ２
－ ⁃Ｎ 为代表，表明此主成分
为 Ｎ、Ｐ 因子，即人类活动因子；第 ２ 主成分解释
２１􀆰 ８％的方差，以 Ｃｈｌ ａ 和 ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ 为代表，表征水
质状态因子．
表 ３　 变量载荷
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｌｏａｄｉｎｇｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅｓ
变量
Ｖａｒｉａｂｌｅ
主成分 １
ＰＣ１
主成分 ２
ＰＣ２
ＤＩＮ ０．９９５ ０．０２０
ＮＯ３ － ⁃Ｎ ０．９９２ ０．０２６
ＮＨ４ ＋ ⁃Ｎ ０．９８６ ０．００７
ＰＯ４ ３－ ⁃Ｐ －０．９６２ ０．１７１
ＮＯ２ － ⁃Ｎ ０．９５５ ０．１８７
Ｃｈｌ ａ ０．２７８ ０．８８４
ＳｉＯ３ ２－ ⁃Ｓｉ ０．３８１ －０．８２１
特征值
Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ
５．００６ １．５２２
方差贡献
Ｖａｒｉａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ （％）
７１．５ ２１．８
方差累计贡献
Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｖａｒｉａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ （％）
７１．５ ９３．３
图 ８　 水质年际变化
Ｆｉｇ．８　 Ｉｎｔｅｒａｎｎｕａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ．
　 　 水质年变化趋势见图 ８，表示 ２ 个不同阶段的
水质状态．第 １ 阶段为 １９９５—２００５ 年，此阶段为高
磷低氮，主成分得分主要来自于 ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 的贡献，但
在 ２０００ 以后，氮的含量有较大的增长，在第 １ 主成
分轴向正方向移动．第 ２ 阶段为 ２００７ 以后的阶段，
是主要以氮为特征的阶段．唐山湾水域水质具有明
显的变化趋势，这与前述营养盐单因子之间结构变
化一致．
３　 讨　 　 论
以上研究表明， 随着唐山湾海域人类活动强度
的增加， 营养盐的浓度和结构均发生了明显的变
化， 主要表现为两个方面： 一是唐山湾总溶解无机
氮含量持续上升， 磷酸盐、硅酸盐含量下降，尤其在
２００３年以后无机氮含量升高更加明显；二是营养盐
结构的改变， ２００５年以前磷酸盐相对过剩，无机氮
相对缺乏；２００７年以后海水中无机氮相对过剩，磷
１１３１期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李志伟等： 人类活动影响下唐山湾近岸海域营养盐及其结构变化　 　 　 　 　 　
图 ９　 唐山湾海域 ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ和 ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 年入海量
Ｆｉｇ．９ 　 Ａｍｏｕｎｔａ ｏｆ ＮＨ４
＋ ⁃Ｎ ａｎｄ ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ ｉｎｔｏ ｔｈｅ Ｔａｎｇｓｈａｎ
Ｂａｙ．
酸盐相对缺乏．
根据营养盐输入的途径， 唐山湾（海港经济开
发区、曹妃甸新区、南堡经济开发区、丰南沿海工业
区、芦汉经济开发区）海域营养盐的来源主要包括
陆源排放和海水养殖．２０ 世纪 ９０ 年代，唐山湾沿岸
人口密度较小，主要从事海洋渔业、农业和制盐业．
到 ２０００年，唐山湾沿岸人口不足 ３０万人，而且基本
集中在曹妃甸以东区域．２００３年以后，随着沿海开发
战略的实施，唐山湾沿岸以工业为主导的产业结构
使人口明显增加，尤其是曹妃甸区域的开发和建设，
如曹妃甸港、华润电厂、首钢京唐钢铁、中石化炼油
厂、三友化工等相继建设和投产，使得曹妃甸及其以
西区域人口明显增加．至 ２０１２ 年，唐山湾沿岸人口
增加到近 ４３万人，比 ２００３ 年增加了 １３ 万人，其中
曹妃甸新区人口增长了近 ６ 万人，南堡经济开发区
增长了近 ３ 万人［１９－２０］ ．同时，随着区域的开发及围
填海工程的实施，具有水质净化功能的滨海湿地被
大量占用，２０１２年唐山湾沿岸滨海湿地已经减少到
１２􀆰 ０９万 ｈｍ２，比 ２０００年减少了 ４．４万 ｈｍ２［１９－２０］ ．
１９９５—２０１２年唐山市统计年鉴的统计数据显
示（图 ９）， 随着工业的发展以及人口的增加， 近 ２０
年来唐山湾入海铵氮由 １９９５ 年的 ５１０．５ ｔ 增加到
２０１２ 年的 ２５６７．７ ｔ， 达到 １９９５ 年 ５ 倍以上［２０，３１］ ．从
入海污染物的来源来看， ２０００ 年唐山湾入海的
２１８３．１ ｔ的总氮中，工业排放量占 ６．２％，生活污染源
占 ５１． ８％，农业污染源占 ２６． ７％，养殖污染占
１５􀆰 ３％；２０１２年唐山湾总氮入海量达到 ９５３２．２ ｔ，其
中来自工业排放量占到 ６３． ６％，生活污染源占
３４􀆰 ０％，农业污染源占 １．６％，养殖业占 ０．８％［２０］ ．由
此可见，随着工业发展、人口增加、各种开发建设等
人类活动强度的加大，唐山湾海域氮类污染物入海
量不断增加，其主要来源也由生活污染源逐渐转变
为工业污染源．
唐山湾海域进入 ２０ 世纪 ９０ 年代以后，海水养
殖业快速发展，曹妃甸以东河口区域及近岸海域逐
步形成了唐山湾沿岸重要的海水养殖区．根据相关
统计和监测，唐山湾海域年入海的磷酸盐主要来自
于生活污染源和养殖业污染源，二者占到入海总量
的 ９８．５％，其中海水养殖占到 ６０％以上［１３］，使得曹
妃甸以东海域成为磷酸盐的高值区．但在 ２００３ 年以
后，随着唐山湾的开发，原有的部分养殖区被围填海
工程所占据，尤其 ２０１０以后在曹妃甸以东海域实施
的海岸带综合整治修复工程，大面积的养殖区被退
养还滩，海水养殖面积明显萎缩．截止到 ２０１２ 年唐
山湾海水养殖区面积减少到 ２０９６２ ｈｍ２，仅为 ２０００
年的 ４９．７％［２０］ ．唐山湾入海磷酸盐总量由 １９９５年的
４２４．６ ｔ降低到 ２０１２年 １９５．９１ ｔ（图 ９），且生活污染
源所占比重达到 ８０．６％（２０１２ 年） ［２０，３１］ ．唐山湾入海
磷酸盐中由海水养殖污染为主转变为生活污染源
为主．
关于唐山湾营养盐比例的改变， 目前尚无相关
研究．本文研究表明，唐山湾营养盐结构严重失衡，
逐渐由原来的氮限制转变为磷限制．这种现象主要
是由于研究时段内无机氮浓度为增长趋势，而硅酸
盐、磷酸盐则为负增长．因此， 唐山湾营养盐控制的
重点仍然是降低总溶解无机氮的增长幅度．唐山湾
营养盐的结构特征与渤海海域营养盐变化情况类
似．近 ２０ 年来，渤海中部营养盐的浓度和结构均发
生了显著变化，表现为硝酸盐、亚硝酸盐、总无机氮
持续增加， 活性磷和硅显著降低， Ｎ ∶ Ｐ 值升高，
Ｓｉ ∶ Ｎ值下降［３２］ ．郑丙辉等［３３］发现，１９８５—２００３ 年
间， 渤海天津近岸海域氮磷营养盐结构发生了很大
变化， 从 １９８５ 年的氮限制状态转变为磷限制状态．
大亚湾近 ２０ 年来 Ｎ ／ Ｐ 的平均值由 ２０ 世纪 ８０ 年代
的 １ ∶ １．５上升到近年的＞５０， 营养盐限制因子由氮
限制过渡到目前的磷限制［１０，２４］ ．受陆源污染通量的
不断增加、大型工程的修建等所引起的水动力环境
改变等因素的影响， 唐山湾营养盐浓度与结构变化
规律与趋势需要引起高度关注．由于营养盐结构的
变化会直接影响海洋浮游植物群落结构的变化，进
而引起整个生态系统结构与功能的改变， 因此控制
唐山湾营养盐含量，尤其是无机氮含量的增加， 对
于维持唐山湾生态系统的健康至关重要．
４　 结　 　 论
近 ２０年来，唐山湾海域营养盐含量呈现不同
２１３ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷
的变化规律，无机氮含量持续上升，而 ＰＯ４ ３
－ ⁃Ｐ 与
ＳｉＯ３ ２
－ ⁃Ｓｉ则呈现降低的趋势，尤其在 ２００３ 年唐山湾
海域开发以后，无机氮含量升高更加明显．唐山湾海
域营养盐结构发生变化，Ｓｉ ∶ Ｎ呈现下降趋势，而
Ｎ ∶ Ｐ呈现上升趋势，表现为 ２００５ 年以前磷酸盐相
对过剩，无机氮相对缺乏；２００７ 年以后海水中无机
氮相对过剩，磷酸盐相对缺乏．主成分分析显示，唐
山湾海域水质变化与 Ｎ、Ｐ 因子关系密切．在人类活
动影响下，唐山湾海域水质由开发前及开发初
（１９９５—２００５ 年）高磷低氮的特征转变为开发后
（２００７年以后）高氮低磷的特征．唐山湾营养盐浓度
与结构变化规律与趋势需要引起高度关注，尤其应
重点控制无机氮的增长．
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量监督检验检疫总局）． Ｔｈｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｍａｒｉｎｅ
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ （ＧＢ １７３７８－ １９９８）． Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ Ｓｔａｎｄ⁃
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ｒｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ （海洋环境科学）， ２０００， １９
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ｔｒｉｅｎｔｓ ｉｎ ｗａｔｅｒｓ ｏｆ Ｂｏｈａｉ Ｂａｙ ｆｒｏｍ １９８５ ｔｏ ２００３． Ｅｎｖｉ⁃
ｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ （环境科学）， ２００７， ２８（３）： ４９４－
４９９ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介　 李志伟，女，１９７５ 年生． 主要从事海洋生态环境
修复技术及安全评价研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈｉｗｅｉｌｉ １９７５＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 肖　 红
李志伟， 崔力拓． 人类活动影响下唐山湾近岸海域营养盐及其结构变化． 应用生态学报， ２０１６， ２７（１）： ３０７－３１４
Ｌｉ Ｚ⁃Ｗ， Ｃｕｉ Ｌ⁃Ｔ． Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｃｏａｓｔａｌ ｗａｔｅｒｓ ｏｆ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｂａｙ， Ｈｅｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ ｕｎｄｅｒ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， ２０１６， ２７（１）： ３０７－３１４ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
４１３ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２７卷