海南岛近岸海域表层海水溶解无机氮的浓度组成、分布特征和季节变化

2021-05-12任茂兴王德鸿

海南热带海洋学院学报 2021年2期

任茂兴，徐阁，王德鸿

(国家海洋局海口海洋环境监测中心站，海口 570311)

0 引言

近年来，随着海南国际旅游岛和海南自由贸易港的建设，海南经济正在快速发展。但随着海洋经济的开发，旅游产业带来的生活垃圾和生活污水的排放，以及近岸海水养殖功能区的养殖废水入海，使得海南近岸海域的生态环境问题日益突出[1]。海水中的溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)是指硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮3种营养盐类，是海水中浮游植物生长所必需的营养盐之一，与海洋初级生产力密切相关[2]。溶解无机氮也是反映水体污染程度的重要监测指标，是构成海水富营养化的重要因子，是引起赤潮、绿潮爆发的原因之一[3]。叶绿素a是存在于浮游植物中一种色素，是估算海洋生产力和生物量的重要指标，同时也是赤潮监测的重要指标。叶绿素a的多寡反映了水体中浮游植物的生长状况，无机氮作为浮游植物生长必需的营养盐类，与叶绿素a有着密切关系。2019年，海南省海洋生态环境状况公报显示，海口湾、文昌清澜港、澄迈马村港等一部分重点港湾因受溶解无机氮等污染物的影响，未达到所属海洋功能区的水质目标要求[4]。目前，针对海南近岸海域的主要环境污染问题方面的研究报道已有不少，也有部分文献涉及海水中溶解无机氮的研究，但大多研究年代久远或仅限于局部海域[5-7]。本研究采用2020年3个季节的无机氮和叶绿素a数据，对整个海南岛近岸海域表层海水中的溶解无机氮的浓度组成和时空分布进行研究，通过溶解无机氮的分布特征及其季节变化，探讨海南近岸区域的溶解无机氮来源，为海南近岸海域污染状况和富营养化等问题提供必要的数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

海南岛位于中国最南端，地处热带北缘，位于北纬18°10′～20°10′东经108°37′～111°3′之间，北隔琼州海峡与雷州半岛对峙，西临北部湾与越南相望，东南坐拥南海。海南岛海岸线长达1 944 km，属热带季风气候，全年高温多雨，日照长，蒸发大，年平均气温22 ℃～26 ℃[8]。海南岛雨量丰沛，年平均降水量约1 725 mm，有明显的多雨期和少雨期，5～10月盛行西风和西南风，为多雨期；11月至次年4月盛行东北季风，为少雨期[8]49。本研究选用2020年3个季度的调查数据：(1)春季枯水期,采样时间为2020年4月16—28日；(2)夏季丰水期,采样时间为2020年7月2—18日；(3)秋季平水期,采样时间为2020年11月17日至12月12日。为保证数据的可比性，试验采用相同站位的数据进行对比，具体站位布设如图1所示。

图1 海南岛近岸海域三季度海水采样站位图

1.2 研究方法

现场采样按照《海洋调查规范》(GB/T12763—2007)和《海洋监测规范》(GB17378—2007)中的方法执行。水样在采样后24 h内使用0.45 μm醋酸纤维滤膜进行过滤，并上机测定。其中硝酸盐采用锌-镉还原法进行测定，亚硝酸盐采用奈乙二胺分光光度法测定，氨氮的测定采用次溴酸盐氧化法，叶绿素a采用分光光度法进行测定。硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮和叶绿素a均使用北京普析TU-1900双光束紫外可见分光光度计进行测定。统计数据时，未检出的数据按检出限的1/2(检出率≥1/2)或1/4(检出率<1/2)参与计算。由于近岸海域水深较浅，本研究仅选用各站位表层海水的数据分析。数据处理软件为Excel和Surfer 16，平面分布插值算法采用Kriging方法。

2 结果与分析

2.1 浓度组成和季节变化

由表1可见，春季枯水期海南岛近岸DIN含量范围为0.008 19～0.239 mg·L-1，平均值为0.048 2 mg·L-1，其中最高值出现在海口湾和铺前湾附近海域。DIN的3种组成中，硝酸盐占比最高(59.4%)，其浓度范围为未检出～0.172 mg·L-1，平均值0.028 6 mg·L-1；氨氮占比其次(34.1%)，浓度范围为未检出～0.049 0 mg·L-1，平均值0.016 4 mg·L-1；亚硝酸盐占比最小(6.5%)，浓度范围为未检出～0.028 6，平均值为0.003 14 mg·L-1。

夏季丰水期海南岛近岸DIN含量与春季相比有所降低，其含量范围为0.109～0.074 2 mg·L-1，平均值0.028 2 mg·L-1，最高值也出现在铺前湾附近海域。DIN的组成与春季也有明显区别，氨氮占比最高(62.4%)，浓度范围为0.007 20～0.039 3 mg·L-1，平均值0.017 6 mg·L-1；硝酸盐占比其次(28.9%)，浓度范围为未检出～0.041 4 mg·L-1，平均值0.008 14 mg·L-1；亚硝酸盐占比最低(8.7%)，浓度范围为未检出～0.016 5 mg·L-1，平均值0.002 45 mg·L-1。

秋季平水期海南岛近岸DIN含量相比春季枯水期和夏季丰水期有所回升，其含量范围为0.018 7～0.397 mg·L-1，平均值0.083 2 mg·L-1，为3个季节中最高。其中最高值出现在洋浦港内的8号站位。在DIN的组成上，硝酸盐占比回到最高(67.4%)，浓度范围0.002 27～0.339 mg·L-1，平均值为0.056 1 mg·L-1；氨氮占比其次(20.9%)，浓度范围为0.003 86～0.039 5 mg·L-1，平均值为0.017 4 mg·L-1；亚硝酸盐占比最低(11.7%)，浓度范围为未检出～0.030 8 mg·L-1，平均值0.009 77 mg·L-1。

表1 海南岛近岸水体表层DIN和叶绿素a的浓度

海南岛近岸海域水体中DIN含量比较情况为秋季DIN含量>夏季DIN含量>春季DIN含量，其浓度随季节变化，从春季到夏季，DIN的浓度随时间降低，并在夏季达到最低值，此后随时间逐渐升高，在秋季(或冬季)达到最高值。在DIN的组成上，氨氮浓度随季节变化辐度不大，硝酸盐和亚硝酸盐浓度与DIN具有相同特征，分别在夏季达到最低值和秋季达到最高值，说明硝酸盐和亚硝酸盐浓度消长是无机氮含量变化的主要原因。

叶绿素a的浓度在春季枯水期最低，夏季丰水期最高，秋季平水期略低于夏季丰水期。叶绿素a代表了海洋中浮游植物的生长情况。夏季是浮游植物生长最旺盛的季节，此后逐渐消亡。夏季浮游植物的生长消耗了水体中的溶解无机氮，DIN浓度降低。秋冬季时，浮游植物生长减弱，死亡的浮游植物和生态系统中的有机碎屑被海水中的微生物分解，分解产物补充海水中的无机氮，溶解无机氮的浓度升高。

2.2 平面分布特征

由图2可以看出，春季枯水期，DIN高值区域主要集中在海南岛北部近岸海域，19.5°N以南的近岸海域无机氮含量均为低值区。夏季丰水期，高值区仍然位于琼州海峡，但在海南岛东南近岸海域均有次高值分布，低值区位于三亚湾。秋季平水期，高值区转移至洋浦港附近海域，琼州海峡为次高值，海南岛南部近岸海域仍为低值分布区。总体来看，海南岛西岸和南岸水体中无机氮含量较低，高值区主要集中在琼州海峡和西北岸洋浦附近海域，夏季时，海南岛东部沿岸出现明显高于其他处的高溶解无机氮区域。

(a)表层海水春季无机氮含量分布 (b)表层海水夏季无机氮含量分布图2 海南岛近岸海域表层海水无机氮含量平面分布(mg·L-1)

(c)表层海水秋季无机氮含量分布图2(续)

海南岛北部近岸区域3个季节溶解无机氮浓度均高于南部和西部，夏季东部近岸区域也具有一定的高值区。溶解无机氮在分布上呈现出明显的南北差异。可能有以下原因：(1)海南岛北部人类活动更密集。海南人口主要集中在北部和东部地区，海口是海南省人口最密集和GDP最高的城市[9]。并且海南岛北临琼州海峡，由于海峡的特殊地理环境，海峡区域受陆地影响和人类活动影响较其他近岸区域更为明显，而南部为开阔海域，大洋海水的冲淡效应大大降低了这些影响。(2)海南岛南北跨2个纬度，较大的跨度导致南北温度、气候、降水等条件各不相同，不同区域的水体有其特定的水文化学特性。海南岛北部为琼州海峡，常年有自东向西流向的粤西沿岸流，将广东省东南沿岸的近岸海水带入北部湾[10]，粤西沿岸流带来的海水为近岸水体，相对大洋海水具有较高营养盐。海南岛南部是南海，为开阔大洋，地理位置更接近赤道，具有大洋海水和赤道区域海水的低营养盐特征。

2.3 海南岛近岸海域溶解无机氮来源探讨

对于某一自然海域来说，营养盐的输入主要有陆源输入、与其他开放海域海水交换、沉积物与水界面交换和大气污染源4种途径。在沿岸、河口及陆架区域，河流输入、沿岸污水的排放占营养盐输入的绝大部分[11]11。海南岛产业主要以农业和旅游业为主，工业区少，近岸海域的营养盐主要受到来自海南岛陆地河流的输入，区域性的城市生活废水和养殖废水的排放，以及海流可能带来的高营养盐海水的影响。

夏季丰水期，海南岛三大水系南渡江、昌化江、万泉河的入海口区域都有高于其他区域的溶解无机氮，这说明丰水期降雨量增加带来河流径流量的增大，入海河流输送的溶解无机氮也相应增加。但在枯水期和平水期，河口附近的溶解无机氮的高值并不明显。这说明夏季丰水期时，陆地径流贡献了一部分溶解无机氮，但枯水期和平水期陆地径流的作用并不明显。海南岛陆地河流仅在丰水期带来少量溶解无机氮，但对于整个近岸区域影响并不大。

海南岛东部近岸区域如文昌、博鳌、万宁、陵水等地沿岸海水溶解无机氮均呈现不同程度高于其他区域的情况，其中以夏季丰水期最为明显。造成这一现象的原因可能是琼东上升流带来的高营养盐海水影响。琼东上升流是在夏季西南季风的驱动作用下引起的沿岸上升流，影响范围为18°30′N～20°N的海南东部沿岸30 m以浅的区域，通常发生在4～9月，上升流最强的时间在6～7月[12-13]。琼东上升流带来的低温、高盐、高营养盐的海水，提高了海南东部沿岸地区的初级生产力和渔业产量[12]。夏季，琼东上升流带来的营养盐可能是海南岛东部近岸区域溶解无机氮高于其他处的原因之一。