2000—2010年深圳湾及其邻近海域溶解无机氮的时空分布

张军晓，李绪录*，周毅频，梁佩喜

1. 国家海洋局南海工程勘察中心，广东 广州 510300；2. 中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301

溶解无机氮(DIN)，作为海洋和水生体系中氮循环和碳循环的动态组分，在初级生产中扮演着重要的角色。DIN作为养分被浮游植物吸收生成有机氮，海藻、浮游植物和细菌的直接分泌物、摄食浮游植物的原始及多细胞动物的排泄物以及死亡细胞的氧化分解释放DIN。各形态DIN在不同的环境条件下，经不同细菌或酶的作用，进行硝化和反硝化反应而相互转化[1]。从上世纪80年代以来，有关珠江口海水中DIN的各方面研究已有很多报道[1～8]，但有关深圳湾这方面的研究较少[9-10]，特别缺少多年长时间系列的系统DIN数据分析。

从1986年以来，香港环境保护署(EPD)已实施综合调查项目以监测其管辖海域的水质，积累了大量资料。本研究依据其中2000—2010年每月一次的水质监测资料，简要描述和讨论深圳湾及邻近水域中DIN质量浓度的时空分布，并结合海水盐度(S)、氨氮(NH3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)和硝酸盐氮(NO3-N)的实测数据，从生物地球化学角度，分析研究DIN的来源和组成，为更好地管理海湾提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究海区和监测站位

深圳湾是珠江口伶仃洋东侧中部一个由西向东偏北嵌入陆地约17.5 km的半封闭型浅水海湾，隶属于香港特别行政区和深圳市。周边陆地为丘陵低山，沿岸有深圳河、大沙河及元朗河等注入，岸线长约60 km，水域面积约为90.8 km2；湾的东部(湾顶)较浅，西部(湾口)较深，深度一般小于5 m，平均为2.9 m[10-11]。深圳湾潮汐为不规则半日潮，湾口平均潮差1.36 m，最大涨潮潮差2.47 m，最大落潮潮差3.44 m，湾内潮流基本属于西南-东北向往复流；涨潮最大流速为0.97 m·s-1，平均为0.29 m·s-1；落潮最大流速为0.80 m·s-1，平均为0.26 m·s-1[11]。集水区内发达的经济和密集的人口产生大量工农业、第三产业和生活废水通过小河流和地面径流排放入海，深圳湾接受了大量的陆源物质输入，受到严重的污染，水质达到国家海水质量标准劣四类[12]。

选用EPD综合调查项目中16个代表不同地理区域的监测站，其中4个(D1～D4站)代表深圳湾海区和6个(D5、N1～N6和N8站)代表伶仃洋东部沿岸海区。具体监测站位见图1。

图1 深圳湾及邻近海域中水质监测站位 Fig.1 Monitoring sites for water quality in the Shenzhen Bay and its adjacent zone

1.2 样品采样和要素测量

装配有SBE23Y溶解氧（膜电极）探测器的Seacat19+CTD温盐深剖面仪结合计算机控制的多瓶式采样器被用来测量现场参数和采集海水样品。收集表、中、底层测量数据。表层指海表面下1 m深的位置；中层指水深一半的位置；底层指距海底1 m深的位置。水深<4 m时，只收集表层；水深4～6 m时，仅收集表、底层；水深>6 m时，收集表、中、底层。NH3-N、NO2-N和NO3-N均由流动注射分析法测定[13-15]。每个样品的DIN质量浓度为NH3-N、NO2-N及NO3-N质量浓度之和。盐度、NH3-N、NO2-N和NO3-N的报告限分别为0.1、0.005 mg·L-1、0.002 mg·L-1和0.002 mg·L-1。

1.3 数据处理

依据所有的测量数据，应用Excel软件，求取2000—2010年各站水柱(包括表层、中层和底层)中DIN质量浓度各月的平均值，并选取1、4、7和10月份代表冬、春、夏和秋季来分析其水平分布的季节变化；求取11 a监测期间所有站表层、中层和底层水中DIN质量浓度各月的平均值来分析其年内变化；求取DIN质量浓度各航次的平均值来分析其年际变化。另外，鉴于实验分析可能出现偶然误差，在进行回归分析时，设置了一个滤波器滤掉个别被认为是“偶然误差”的离散数点，被滤掉的数点控制在总数点的0.5%之内。

2 结果与讨论

2.1 DIN的时空分布

图2表示2000—2010年春、夏、秋和冬季深圳湾及邻近海域中的代表性DIN质量浓度的水平分布。如图所示，深圳湾的DIN质量浓度远大于伶仃洋东部沿岸。各季DIN质量浓度的水平分布趋势基本一致，在深圳湾中都是从深圳河口向湾外逐步递减，而在伶仃洋东部沿岸则都略呈北高南低。在深圳湾，冬季DIN质量浓度明显高于其他季节，春、夏、秋和冬季的变化范围分别为1.392～4.304、1.327～4.045、0.849～4.484和0.871～6.018 mg·L-1，平均分别为2.738、2.589、2.552和3.204 mg·L-1。在伶仃洋东部沿岸，夏季DIN质量浓度明显高于其他季节，春、夏、秋和冬季的变化范围分别为0.378～0.911、0.479～0.972、0.232～0.470和0.154～0.576 mg·L-1，平均分别为0.593、0.752、0.395和0.300 mg·L-1。

图3示出2000—2010年深圳湾及邻近海域中DIN质量浓度各月均值的年内变化和各航次均值的年际变化。从图3a中可见，在深圳湾，表层DIN质量浓度1～5月连续降低，5～6月略有回升，6～8月又连续降低，8～12月则连续升高，最低值出现在5月，最高值出现在12月。在伶仃洋东部沿岸，表、中、底层DIN质量浓度的年变化特征都是1～6月连续升高，6～12月则连续降低，6月最高，12月最低。全年各月平均DIN质量浓度都是表层高于底层。如图3b所示，在深圳湾，DIN质量浓度的年际变化波动较大，2000～2004年呈上升趋势，2005～2010年则呈下降趋势；在伶仃洋东部沿岸，DIN质量浓度的变化呈明显的年周期循环特征，2000～2010年DIN质量浓度的年际变化略呈上升趋势。

综上所述，深圳湾的DIN质量浓度远高于伶仃洋东部沿岸，主要是受到沿海城市香港和深圳的陆源排放的影响以及其特殊自然环境条件的限制所致。深圳湾属半封闭性海湾，水动力条件差，水交换弱，排放物难以向外扩散[10,12]，故营养盐质量浓度终年较高。伶仃洋东部沿岸DIN质量浓度的变化呈明显的年周期循环特征，表明该海域DIN质量浓度的时空分布受到珠江径流量的控制。夏季属华南地区雨季，集水区内的大量降水使珠江径流量急速增大，给伶仃洋带来丰富的营养盐，这也是夏季伶仃洋东部沿岸DIN质量浓度达到全年最高的主要原因。11 a研究期间，深圳湾DIN质量浓度2000—2004年呈上升趋势，2005—2010年则呈下降趋势，表明近几年来，随着周边地区环境保护设施（例如污水处理厂）投入的增加，陆源氮排放已得到一定的遏制。然而，深圳湾中平均DIN质量浓度超出其海洋功能区规划要求的国家三类水质标准5倍多，目前迫切需要解决的问题是如何进一步进行污染物减排和加强排放总量控制。2000—2010年伶仃洋东部沿岸DIN质量浓度略呈上升趋势，表明珠江口水受到陆源氮排放的负面影响程度日益严重。深圳湾和伶仃洋东部沿岸的多年平均DIN质量浓度分别为(2.445±1.841) mg·L-1和(0.517±0.366) mg·L-1。

图2 深圳湾及邻近海域中DIN质量浓度(mg·L-1)多年平均的水平分布 Fig.2 Multi-year averaged horizontal distribution of DIN concentration in Shenzhen Bay and its adjacent zone

图3 2000—2010年深圳湾及邻近海域中DIN质量浓度的年内变化和年际变化 Fig.3 Intra- and inter-annual variabilities of DIN concentration in Shenzhen Bay and its adjacent zone from 2000 to 2010

2.2 DIN的组成

表1列出深圳湾及邻近海域中各测站NH3-N、NO3-N和NO3-N占DIN的多年平均质量分数。从表中可以看到，在深圳湾中，NH3-N质量分数从湾顶向湾外逐步递减，而NO3-N和NO2-N质量分数则从湾顶向湾外逐步递增。内湾(D1～D3站)海水中NH3-N是DIN的主要组成形态，其质量分数在D1站最高达84.9%，各形态DIN质量分数的大小顺序是NH3-N>NO3-N>NO2-N，这与大鹏湾的相同[16～18]，表明DIN的各形态处于热力学不平衡状态[9]。在近湾口的D4站，DIN的主要成分为NO3-N，其质量分数为53.6%，各形态DIN质量分数的大小顺序是NO3-N>NH3-N>NO2-N，这与珠江口[5-7]和大亚湾[19]的一致。在伶仃洋东部沿岸，NH3-N质量分数基本上呈北高南低的分布趋势，其变化范围为14.7%～30.9%，平均为25.0%；而NO3-N和NO2-N质量分数则呈北低南高，变化范围分别为56.0%～ 71.3%和13.1%～13.8%，平均分别为61.6%和13.4%；各形态DIN质量分数的大小顺序也是NO3-N> NH3-N>NO2-N。总而言之，距离氮排放源地越远，NH3-N质量分数越低，而NO3-N质量分数越高。

表1 深圳湾及邻近海域中的多年平均NH3-N、NO3-N 和NO3-N质量分数 Tab.1 Multi-year averaged fractions of NH3-N, NO3-N and NO3-N in the Shenzhen Bay and its adjacent zone

2.3 DIN与S的关系

图4 伶仃洋东部沿岸水中DIN与S之间的回归分析结果 Fig.4 Regression of DIN with S in the coastal waters of the eastern Lingdingyang Estuary

图4表示2000～2010年伶仃洋东部沿岸中DIN与S之间的回归分析结果。显然，DIN与S之间呈显著负相关，表明它们之间存在着密切的关系。因为海水S具有保守性，所以这可被认为伶仃洋中DIN也具有“保守性”。伶仃洋邻近南海北部沿岸水中多年平均DIN质量浓度和S分别为0.121 mg·L-1和32.00，这样，便可依据各测站的盐度和DIN质量浓度，用二元混合质量平衡模式定量估算其DIN的陆源和海源质量分数(见表2)。由表2中可见，伶仃洋东部沿岸DIN的陆源质量分数为69.6%～ 82.2%，平均为77.9%，而深圳湾的都>92%，最高达98.7%(D1站)，这表明研究海区中DIN质量浓度的分布变化基本上受到陆源氮排放的制约。

表2 深圳湾及邻近海域中DIN的海源和陆源质量分数 Tab.2 Marine and terrestrial fractions of DIN in the Shenzhen Bay and its adjacent zone

图5 伶仃洋和深圳湾中各监测站多年平均DIN质量浓度 与S之间的关系图 Fig.5 Diagram of correlation between multi-year averaged DIN concentration and S at various sites in the Lingdingyang Estuary and Shenzhen Bay

图5表示伶仃洋和深圳湾中各测站多年平均DIN质量浓度与S之间的关系。伶仃洋的陆源淡水主要来自珠江四大口门(虎门、蕉门、洪奇门和横门)，口门处的平均DIN质量浓度和S分别为1.40 mg·L-1[4,8,20]和3.75[21]，而伶仃洋邻近外海水平均DIN质量浓度和S分别为0.121 mg·L-1和32.00，所以可以把此两点的连线作为外海水入侵伶仃洋的理论稀释线。从图5中可以看到，各测站多年平均DIN质量浓度随盐度的升高而下降，显示出外海水入侵稀释作用的影响。数点偏离理论稀释线，反映了从河口向海输运过程中浮游植物光合作用对DIN的吸收、微生物降解作用使DIN再生和外部新的氮源补充。深圳湾中的数点都明显正偏离理论稀释线，显然是香港、深圳陆源排放造成的新氮源补充所致。伶仃洋东部沿岸中的所有数点都落在理论稀释线上方略有正偏离，显示来自外部新的氮源补充与微生物降解作用的DIN再生之和多于浮游植物光合作用对DIN的消耗，这与林以安等[8]的研究结果一致。

3 结论

（1）由于受到沿岸陆源排放的影响，深圳湾的DIN质量浓度一年四季都远高于伶仃洋东部沿岸。深圳湾和伶仃洋东部沿岸多年平均DIN质量浓度分别为(2.445±1.841) mg·L-1和(0.517±0.366) mg·L-1。在深圳湾，DIN质量浓度的分布变化主要受到周边陆源氮排放的制约，年内变化特征为丰水期较低，而枯水期较高。在伶仃洋东部沿岸，DIN质量浓度的时空分布主要受到珠江径流量的控制，年内变化呈明显的年周期循环特征，夏季达到最高而冬季最低。

（2）11 a研究期间，深圳湾DIN质量浓度2000—2004年呈上升趋势，2005—2010年则呈下降趋势，显示近几年来，随着周边地区环境保护设施投入的增加，陆源氮排放已得到一定的遏制。然而，目前深圳湾中平均DIN质量浓度仍超出其海洋功能区规划要求的国家三类水质标准5倍多，迫切需要解决的问题是如何进一步进行污染物减排和加强排放总量控制。2000—2010年伶仃洋东部沿岸DIN质量浓度的年际变化略呈上升趋势，表明伶仃洋水受到陆源氮排放的负面影响程度日益严重。

（3）各形态DIN质量分数的大小顺序从深圳湾内的NH3-N>NO3-N>NO2-N(处于明显的热力学不平衡状态)转变至湾外的NO3-N>NH3-N>NO2-N；距氮排放源地越远，NH3-N质量分数越低，而NO3-N质量分数越高。

（4）回归分析表明，DIN与S之间存在着显著负相关，暗示DIN具有“保守性”。由二元混合质量平衡模式估算的伶仃洋东部沿岸DIN的陆源质量分数约为77.9%，而深圳湾的都>92%，这表明研究海区中DIN质量浓度的分布变化基本上受到陆源氮排放的制约。从河口向海输运过程中，来自外部新的氮源补充与微生物降解作用的DIN再生之和多于浮游植物光合作用对DIN的消耗。

致谢：感谢香港特别行政区环境保护署提供并允许使用相关数据。

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