夏季茅尾海主要入海河口区尿素的水平分布及影响因素

杨 斌，牛贝贝，鲁栋梁*，徐 程，3，蓝文陆，宁志铭

(1.北部湾大学、广西北部湾海洋灾害研究重点实验室，广西 钦州 535011； 2.广西大学、广西南海珊瑚礁研究重点实验室，广西 南宁 530004； 3.桂林理工大学化学与生物工程学院，广西 桂林 541006； 4.广西壮族自治区海洋环境监测中心站，广西 北海 536000)

氮是海洋生态系统中重要的生源要素之一，其在维持海洋初级生产力中发挥了重要作用。溶解有机氮(DON)作为氮元素在海洋中一种重要的存在形式，可通过生物降解释放溶解无机氮(DIN)参与海洋生态系统循环，是潜在的可被浮游植物吸收利用的重要营养源[1-2]。近年来，DON因其在赤潮发生过程发挥着的重要作用，被越来越多的学者所重视[3-5]。尿素作为海洋中DON的重要组成部分，不仅是构成近海富营养化的一种重要物质[6]，还可以直接被浮游植物吸收利用，对某些能引发赤潮的浮游植物生长具有潜在不同程度的促进作用[7]。近海水体尿素可分为外源和内源，外源主要是陆源排放和大气沉降[8]，内源是海洋自身的生物化学过程，例如细菌再生、浮游动物排泄等[9-10]。随着我国近岸海域水体富营养化程度日趋严重和赤潮灾害频发，分析尿素的浓度、分布、来源及溶解态氮的组成，可以为富营养化河口海湾生态环境保护与修复提供科学依据。

茅尾海位于北部湾海域最北端，属于钦州湾内湾，总水域面积为135 km2，是一个典型的受陆地径流影响的半封闭海湾，以钦江、茅岭江为主要入湾径流的河口海滨区。钦州市工业、农业、市政生活中所产生的绝大部分废污水通过河流排放入海，近年来随着广西北部湾经济区的快速发展，过量陆源营养盐的输入导致茅尾海水体富营养化，其中氮是关键污染因子[11-12]。对茅尾海水体中氮元素污染及其与生态效应的研究目前主要集中在DIN，很少涉及DON，尤其是尿素的研究到目前为止尚未见报道。

本研究根据2018年夏季对茅尾海主要入海河口区的现场调查，结合相关水文、化学参数，分析了水体中尿素的分布特征及其影响因素并探讨其来源，以期为深入研究我国近岸河口海湾区的氮循环提供参考。

1 材料与方法

1.1 站位设置及取样方法

2018年7月在茅尾海海域(21.76°～21.86°N，108.50°～108.60°E )进行了现场调查，沿着主要入海河流冲淡水盐度梯度方向在调查月份大潮期涨潮时分别对茅岭江入海河口区(站位1～9)和钦江入海河口区(站位10～15)2个断面进行了水样采集和水文观测，调查站位如图 1 所示。使用有机玻璃采水器采集表层水样(0.5 m层)，置于保温箱中冷藏保存，转至实验室立即用GF/F膜(Whatman，47 mm)过滤，使用之前450 ℃烧灼4 h，用稀盐酸和Milli-Q超纯水洗净的聚乙烯瓶储存滤液并在-20 ℃条件下冷冻保存待测尿素和其他相关参数。同时，过滤已摇匀的500 cm3水样收集滤膜用于悬浮颗粒物(SPM)参数的测定。调查过程中使用AP-5000多参数分析仪(Aquaread Co，英国)现场测定海水温度(T)、盐度(S)、pH和溶解氧(DO)。

图1 调查站位分布示意Fig.1 Map of sampling stations in Maowei Sea

1.2 样品的测定

尿素采用二乙酰一肟法测定，将-20 ℃的海水样品进行常温解冻，取15 cm3解冻后的水样于25 cm3比色管中，先后加入1.25 g氯化钠，3.60 cm3混合试剂Ⅰ和0.72 cm3混合显色试剂Ⅲ[9]，用Milli-Q超纯水定容后放入70 ℃恒温水浴中反应2 h。混合试剂Ⅰ：称取80 g NaH2PO4·2H2O溶于50 cm3超纯水后加入1 dm3浓H2SO4混匀；混合显色试剂Ⅲ：称取3.0 g二乙酰一肟和35 mg盐酸氨基脲溶解于50 cm3体积分数为50%的乙醇中，立即加入50 cm3混合试剂Ⅱ混匀。混合试剂Ⅱ：称取40 g MnCl2·4H2O和0.8 g KNO3溶于100 cm3超纯水。冷却至室温后，以超纯水为参比，用分光光度计在波长520 nm处测定吸光值，所得尿素浓度以μmol/dm3表示，平行样测定的相对标准偏差小于4%。

1.3 数据分析处理

单因子方差分析(ANOVA)和Pearson相关性分析应用SPSS 19.0软件进行数据处理，p<0.05为显著差异，描述性统计值采用算术平均值±标准偏差(Mean±SD)表示。利用Origin 8.5软件绘制各要素的空间分布图。

2 结果与讨论

2.1 茅尾海表层海水中尿素浓度

表1 茅尾海不同形态氮的浓度及尿素在DON和TDN浓度中的占比Tab.1 Concentrations of different forms of nitrogen and the percentages of urea to DON and TDN in Maowei Sea

注：CU表示尿素浓度，下同。

在本次调查研究中，茅尾海水体中尿素浓度和尿素在DON中占比分别为0.40～1.13 μmol/dm3和0.8%～10.3%范围内，平均值分别为(0.51±0.18) μmol/dm3和3.1%±2.7%(表1)。与国内外河口海湾相比，茅尾海尿素浓度低值及其在DON中所占比例基本相当，但浓度高值与Chesapeake湾[16]和Florida湾[17]相接近，低于Allen海湾[18]、波罗的海Riga海湾[19]、马里兰Manokin河口[20]，也低于大亚湾[21]、杭州湾[22]、胶州湾[23]、海南岛近岸海湾[24]、长江口及其邻近海域[25](表2)。尽管广西北部湾社会经济近年来快速发展，但相对于国内外其他河口海湾周边工农业和城市群发展相对滞后，导致氮污染物排放量相对较低，尿素浓度总体水平较低。此外，茅尾海水动力过程主要受茅岭江和钦江较强径流的推动作用，潮流以往复流运动形式为主，是广西沿海港湾平均涨落潮流速最大的海湾[26]，水动力交换条件好，对污染物的迁移极为有利[27]，导致尿素浓度较其他河口海湾更低。

表2 近岸河口海湾尿素浓度对比Tab.2 Comparison of urea concentrations in various estuaries and bays

注：“—”表示未获得数据。

2.2 溶解态氮的组成

同时，从图2可以看出，尿素是DON的重要组成部分。在研究海区尿素占DON的3.1%±2.7%，其中钦江入海河口区尿素比例较高，占DON的5.0%±3.2%，茅岭江入海河口区尿素比例较低，占DON的1.9%±1.5%(表1)，这意味着以工业废水和市政生活污水为主要污染物来源的钦江入海河流中含有较为丰富的尿素物质。由于DON组成非常复杂，主要包括蛋白质、氨基酸、核酸、尿素和叶绿素等众多种类[32]，而且含量均较低，其中生物可利用的小分子DON含量更低，尿素作为一种小分子量的DON，是多种浮游植物所需生物可利用的氮来源[23]，在溶解有机氮中占据相当的比例。

图2 茅尾海入海河口区氮的组成Fig.2 Composition of different forms of nitrogen in Maowei Sea

2.3 尿素的分布特征及影响因素

由图3 可见，茅岭江入海河口区海水中尿素浓度分布呈现随着盐度递增先降低后升高再降低的变化特征。最高值(0.57 μmol/dm3)出现在距离大榄江入海口较近的1号站位，随后降低至离茅岭江入海口较近的3号站位，降幅为0.15 μmol/dm3，这可能是由于部分市政生活污水流经大榄江排放入海所致。离茅岭江入海口最近的4号站位尿素浓度出现次高值(0.51 μmol/dm3)，并由此随盐度逐渐上升尿素浓度向外海略有降低并逐渐保持相对稳定，降幅仅为0.11 μmol/dm3，说明该河口区水体中尿素含量受茅岭江冲淡水的影响较弱。钦江入海河口区尿素浓度也呈现由河口至湾口随盐度递增而逐渐降低的分布特征，但降幅较大，浓度差值为0.73 μmol/dm3，钦江入海口尿素浓度出现最高值，浓度高达1.13 μmol/dm3，比大榄江入海口和茅岭江入海口尿素浓度都要高，反映出钦江流域工业化、城镇化发展相对较快，大量工业废水和市政生活污水中含有较高的尿素含量。

图3 茅尾海两个主要入海河口区尿素浓度与盐度分布Fig.3 Distribution of urea concentrations and salinities in two major estuaries of Maowei Sea

表3 茅尾海两个主要入海河口区尿素与其他水文和化学因子相关性分析

Tab.3 Correlation coefficients of urea with other hydrological and chemical parameters in two major estuaries of Maowei Sea

海域TSpHCDOCSPMCNO-2-NCNO-3-NCNH+4-NCDONCDIPCDOPCSiO2-3-Si茅岭江入海河口区0.41-0.550.080.50-0.11-0.020.79b0.71b-0.670.100.15-0.05钦江入海河口区-0.63-0.84b-0.720.87b-0.69-0.620.88b0.91b0.84b0.94a-0.68-0.69

注：“a”表示p< 0.01，“b”表示p< 0.05。

2.4 尿素对DON生物可利用性的指征

通常情况下，当水体中尿素绝对含量超过1 μmol/dm3或尿素在DON中所占百分比大于5%时，尿素可以作为一种促进浮游植物生长的有效氮源[16，37]。本研究结果表明，尽管茅尾海主要入海河口区有个别站位尿素绝对含量超过1 μmol/dm3或在DON中所占比例超过5%，但整个海区尿素含量平均值低于1 μmol/dm3，尿素占DON比例的平均值为3%，且如图4所示，尿素含量与尿素在DON中的占比并不呈现显著的相关性(R=0.15，p>0.05)，这表明调查期间茅尾海主要入海河口区以尿素为代表的DON生物可利用性对促进浮游植物的生长贡献较弱。

图4 茅尾海主要入海河口区尿素含量与尿素在 DON中占比的相关性分析Fig.4 Correlation of urea concentrations and Urea/DON ratios in two major estuaries of Maowei Sea

3 结论

(1)茅尾海夏季主要入海河口区水体尿素的平均浓度为(0.51±0.18) μmol/dm3，其浓度范围为0.40～1.13 μmol/dm3之间，在DON中的占比在0.8%～10.3%之间，是该海区一种重要的DON组分。

(3)茅尾海主要入海河口区水体尿素浓度普遍低于1 μmol/dm3且在DON中所占比例不超过5%，表明该海区以尿素为代表的DON生物可利用性对浮游植物生长及其种群演变具有的潜在影响并不显著。