海南島近岸海域表層海水溶解無機(jī)氮的濃度組成、分布特征和季節(jié)變化

任茂興，徐 閣，王德鴻

(國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站，海口 570311)

0 引言

近年來，隨著海南國際旅游島和海南自由貿(mào)易港的建設(shè)，海南經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展。但隨著海洋經(jīng)濟(jì)的開發(fā)，旅游產(chǎn)業(yè)帶來的生活垃圾和生活污水的排放，以及近岸海水養(yǎng)殖功能區(qū)的養(yǎng)殖廢水入海，使得海南近岸海域的生態(tài)環(huán)境問題日益突出[1]。海水中的溶解無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)是指硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮3種營養(yǎng)鹽類，是海水中浮游植物生長所必需的營養(yǎng)鹽之一，與海洋初級生產(chǎn)力密切相關(guān)[2]。溶解無機(jī)氮也是反映水體污染程度的重要監(jiān)測指標(biāo)，是構(gòu)成海水富營養(yǎng)化的重要因子，是引起赤潮、綠潮爆發(fā)的原因之一[3]。葉綠素a是存在于浮游植物中一種色素，是估算海洋生產(chǎn)力和生物量的重要指標(biāo)，同時也是赤潮監(jiān)測的重要指標(biāo)。葉綠素a的多寡反映了水體中浮游植物的生長狀況，無機(jī)氮作為浮游植物生長必需的營養(yǎng)鹽類，與葉綠素a有著密切關(guān)系。2019年，海南省海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，?？跒?、文昌清瀾港、澄邁馬村港等一部分重點(diǎn)港灣因受溶解無機(jī)氮等污染物的影響，未達(dá)到所屬海洋功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)要求[4]。目前，針對海南近岸海域的主要環(huán)境污染問題方面的研究報道已有不少，也有部分文獻(xiàn)涉及海水中溶解無機(jī)氮的研究，但大多研究年代久遠(yuǎn)或僅限于局部海域[5-7]。本研究采用2020年3個季節(jié)的無機(jī)氮和葉綠素a數(shù)據(jù)，對整個海南島近岸海域表層海水中的溶解無機(jī)氮的濃度組成和時空分布進(jìn)行研究，通過溶解無機(jī)氮的分布特征及其季節(jié)變化，探討海南近岸區(qū)域的溶解無機(jī)氮來源，為海南近岸海域污染狀況和富營養(yǎng)化等問題提供必要的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

海南島位于中國最南端，地處熱帶北緣，位于北緯18°10′～20°10′東經(jīng)108°37′～111°3′之間，北隔瓊州海峽與雷州半島對峙，西臨北部灣與越南相望，東南坐擁南海。海南島海岸線長達(dá)1 944 km，屬熱帶季風(fēng)氣候，全年高溫多雨，日照長，蒸發(fā)大，年平均氣溫22 ℃～26 ℃[8]。海南島雨量豐沛，年平均降水量約1 725 mm，有明顯的多雨期和少雨期，5～10月盛行西風(fēng)和西南風(fēng)，為多雨期；11月至次年4月盛行東北季風(fēng)，為少雨期[8]49。本研究選用2020年3個季度的調(diào)查數(shù)據(jù)：(1)春季枯水期,采樣時間為2020年4月16—28日；(2)夏季豐水期,采樣時間為2020年7月2—18日；(3)秋季平水期,采樣時間為2020年11月17日至12月12日。為保證數(shù)據(jù)的可比性，試驗(yàn)采用相同站位的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，具體站位布設(shè)如圖1所示。

圖1 海南島近岸海域三季度海水采樣站位圖

1.2 研究方法

現(xiàn)場采樣按照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T12763—2007)和《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378—2007)中的方法執(zhí)行。水樣在采樣后24 h內(nèi)使用0.45 μm醋酸纖維濾膜進(jìn)行過濾，并上機(jī)測定。其中硝酸鹽采用鋅-鎘還原法進(jìn)行測定，亞硝酸鹽采用奈乙二胺分光光度法測定，氨氮的測定采用次溴酸鹽氧化法，葉綠素a采用分光光度法進(jìn)行測定。硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和葉綠素a均使用北京普析TU-1900雙光束紫外可見分光光度計進(jìn)行測定。統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，未檢出的數(shù)據(jù)按檢出限的1/2(檢出率≥1/2)或1/4(檢出率<1/2)參與計算。由于近岸海域水深較淺，本研究僅選用各站位表層海水的數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)處理軟件為Excel和Surfer 16，平面分布插值算法采用Kriging方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 濃度組成和季節(jié)變化

由表1可見，春季枯水期海南島近岸DIN含量范圍為0.008 19～0.239 mg·L-1，平均值為0.048 2 mg·L-1，其中最高值出現(xiàn)在?？跒澈弯伹盀掣浇Ｓ?。DIN的3種組成中，硝酸鹽占比最高(59.4%)，其濃度范圍為未檢出～0.172 mg·L-1，平均值0.028 6 mg·L-1；氨氮占比其次(34.1%)，濃度范圍為未檢出～0.049 0 mg·L-1，平均值0.016 4 mg·L-1；亞硝酸鹽占比最小(6.5%)，濃度范圍為未檢出～0.028 6，平均值為0.003 14 mg·L-1。

夏季豐水期海南島近岸DIN含量與春季相比有所降低，其含量范圍為0.109～0.074 2 mg·L-1，平均值0.028 2 mg·L-1，最高值也出現(xiàn)在鋪前灣附近海域。DIN的組成與春季也有明顯區(qū)別，氨氮占比最高(62.4%)，濃度范圍為0.007 20～0.039 3 mg·L-1，平均值0.017 6 mg·L-1；硝酸鹽占比其次(28.9%)，濃度范圍為未檢出～0.041 4 mg·L-1，平均值0.008 14 mg·L-1；亞硝酸鹽占比最低(8.7%)，濃度范圍為未檢出～0.016 5 mg·L-1，平均值0.002 45 mg·L-1。

秋季平水期海南島近岸DIN含量相比春季枯水期和夏季豐水期有所回升，其含量范圍為0.018 7～0.397 mg·L-1，平均值0.083 2 mg·L-1，為3個季節(jié)中最高。其中最高值出現(xiàn)在洋浦港內(nèi)的8號站位。在DIN的組成上，硝酸鹽占比回到最高(67.4%)，濃度范圍0.002 27～0.339 mg·L-1，平均值為0.056 1 mg·L-1；氨氮占比其次(20.9%)，濃度范圍為0.003 86～0.039 5 mg·L-1，平均值為0.017 4 mg·L-1；亞硝酸鹽占比最低(11.7%)，濃度范圍為未檢出～0.030 8 mg·L-1，平均值0.009 77 mg·L-1。

表1 海南島近岸水體表層DIN和葉綠素a的濃度

海南島近岸海域水體中DIN含量比較情況為秋季DIN含量>夏季DIN含量>春季DIN含量，其濃度隨季節(jié)變化，從春季到夏季，DIN的濃度隨時間降低，并在夏季達(dá)到最低值，此后隨時間逐漸升高，在秋季(或冬季)達(dá)到最高值。在DIN的組成上，氨氮濃度隨季節(jié)變化輻度不大，硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度與DIN具有相同特征，分別在夏季達(dá)到最低值和秋季達(dá)到最高值，說明硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度消長是無機(jī)氮含量變化的主要原因。

葉綠素a的濃度在春季枯水期最低，夏季豐水期最高，秋季平水期略低于夏季豐水期。葉綠素a代表了海洋中浮游植物的生長情況。夏季是浮游植物生長最旺盛的季節(jié)，此后逐漸消亡。夏季浮游植物的生長消耗了水體中的溶解無機(jī)氮，DIN濃度降低。秋冬季時，浮游植物生長減弱，死亡的浮游植物和生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)碎屑被海水中的微生物分解，分解產(chǎn)物補(bǔ)充海水中的無機(jī)氮，溶解無機(jī)氮的濃度升高。

2.2 平面分布特征

由圖2可以看出，春季枯水期，DIN高值區(qū)域主要集中在海南島北部近岸海域，19.5°N以南的近岸海域無機(jī)氮含量均為低值區(qū)。夏季豐水期，高值區(qū)仍然位于瓊州海峽，但在海南島東南近岸海域均有次高值分布，低值區(qū)位于三亞灣。秋季平水期，高值區(qū)轉(zhuǎn)移至洋浦港附近海域，瓊州海峽為次高值，海南島南部近岸海域仍為低值分布區(qū)。總體來看，海南島西岸和南岸水體中無機(jī)氮含量較低，高值區(qū)主要集中在瓊州海峽和西北岸洋浦附近海域，夏季時，海南島東部沿岸出現(xiàn)明顯高于其他處的高溶解無機(jī)氮區(qū)域。

(a)表層海水春季無機(jī)氮含量分布 (b)表層海水夏季無機(jī)氮含量分布圖2 海南島近岸海域表層海水無機(jī)氮含量平面分布(mg·L-1)

(c)表層海水秋季無機(jī)氮含量分布圖2(續(xù))

海南島北部近岸區(qū)域3個季節(jié)溶解無機(jī)氮濃度均高于南部和西部，夏季東部近岸區(qū)域也具有一定的高值區(qū)。溶解無機(jī)氮在分布上呈現(xiàn)出明顯的南北差異?？赡苡幸韵略颍?1)海南島北部人類活動更密集。海南人口主要集中在北部和東部地區(qū)，?？谑呛Ｄ鲜∪丝谧蠲芗虶DP最高的城市[9]。并且海南島北臨瓊州海峽，由于海峽的特殊地理環(huán)境，海峽區(qū)域受陸地影響和人類活動影響較其他近岸區(qū)域更為明顯，而南部為開闊海域，大洋海水的沖淡效應(yīng)大大降低了這些影響。(2)海南島南北跨2個緯度，較大的跨度導(dǎo)致南北溫度、氣候、降水等條件各不相同，不同區(qū)域的水體有其特定的水文化學(xué)特性。海南島北部為瓊州海峽，常年有自東向西流向的粵西沿岸流，將廣東省東南沿岸的近岸海水帶入北部灣[10]，粵西沿岸流帶來的海水為近岸水體，相對大洋海水具有較高營養(yǎng)鹽。海南島南部是南海，為開闊大洋，地理位置更接近赤道，具有大洋海水和赤道區(qū)域海水的低營養(yǎng)鹽特征。

2.3 海南島近岸海域溶解無機(jī)氮來源探討

對于某一自然海域來說，營養(yǎng)鹽的輸入主要有陸源輸入、與其他開放海域海水交換、沉積物與水界面交換和大氣污染源4種途徑。在沿岸、河口及陸架區(qū)域，河流輸入、沿岸污水的排放占營養(yǎng)鹽輸入的絕大部分[11]11。海南島產(chǎn)業(yè)主要以農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主，工業(yè)區(qū)少，近岸海域的營養(yǎng)鹽主要受到來自海南島陸地河流的輸入，區(qū)域性的城市生活廢水和養(yǎng)殖廢水的排放，以及海流可能帶來的高營養(yǎng)鹽海水的影響。

夏季豐水期，海南島三大水系南渡江、昌化江、萬泉河的入?？趨^(qū)域都有高于其他區(qū)域的溶解無機(jī)氮，這說明豐水期降雨量增加帶來河流徑流量的增大，入海河流輸送的溶解無機(jī)氮也相應(yīng)增加。但在枯水期和平水期，河口附近的溶解無機(jī)氮的高值并不明顯。這說明夏季豐水期時，陸地徑流貢獻(xiàn)了一部分溶解無機(jī)氮，但枯水期和平水期陸地徑流的作用并不明顯。海南島陸地河流僅在豐水期帶來少量溶解無機(jī)氮，但對于整個近岸區(qū)域影響并不大。

海南島東部近岸區(qū)域如文昌、博鰲、萬寧、陵水等地沿岸海水溶解無機(jī)氮均呈現(xiàn)不同程度高于其他區(qū)域的情況，其中以夏季豐水期最為明顯。造成這一現(xiàn)象的原因可能是瓊東上升流帶來的高營養(yǎng)鹽海水影響。瓊東上升流是在夏季西南季風(fēng)的驅(qū)動作用下引起的沿岸上升流，影響范圍為18°30′N～20°N的海南東部沿岸30 m以淺的區(qū)域，通常發(fā)生在4～9月，上升流最強(qiáng)的時間在6～7月[12-13]。瓊東上升流帶來的低溫、高鹽、高營養(yǎng)鹽的海水，提高了海南東部沿岸地區(qū)的初級生產(chǎn)力和漁業(yè)產(chǎn)量[12]。夏季，瓊東上升流帶來的營養(yǎng)鹽可能是海南島東部近岸區(qū)域溶解無機(jī)氮高于其他處的原因之一。

3 結(jié)論

(1)海南島近岸海域表層海水中溶解無機(jī)氮的濃度變化范圍為0.008 19～0.397 mg·L-1，3個季節(jié)的平均值為0.053 2 mg·L-1。表層海水中溶解無機(jī)氮的濃度在秋季時最高，夏季時最低，春季略高于夏季。在組成上，硝酸鹽是無機(jī)氮的主要構(gòu)成部分，達(dá)60%以上。

(2)海南島北部近岸區(qū)域表層海水溶解無機(jī)氮高于南部近岸區(qū)域，呈現(xiàn)出明顯的南北差異特征。北部近岸區(qū)域在3個季節(jié)都是高值區(qū)，東部近岸區(qū)域在夏季有部分高值區(qū)，西部和南部近岸均為低值區(qū)。人類活動和水團(tuán)的影響是溶解無機(jī)氮南北分布差異大的原因。

(3)海南島溶解無機(jī)氮的來源主要有陸源輸入和上升流帶來高營養(yǎng)鹽海水。陸地徑流在夏季豐水期貢獻(xiàn)了部分溶解無機(jī)氮，但枯水期和平水期較少。瓊東上升流是夏季海南島東部近岸海域溶解無機(jī)氮的來源之一。