夏季茅尾海主要入海河口區尿素的水平分布及影響因素

楊 斌，牛貝貝，魯棟梁*，徐 程，3，藍文陸，寧志銘

(1.北部灣大學、廣西北部灣海洋災害研究重點實驗室，廣西 欽州 535011； 2.廣西大學、廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室，廣西 南寧 530004； 3.桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西 桂林 541006； 4.廣西壯族自治區海洋環境監測中心站，廣西 北海 536000)

氮是海洋生態系統中重要的生源要素之一，其在維持海洋初級生產力中發揮了重要作用。溶解有機氮(DON)作為氮元素在海洋中一種重要的存在形式，可通過生物降解釋放溶解無機氮(DIN)參與海洋生態系統循環，是潛在的可被浮游植物吸收利用的重要營養源[1-2]。近年來，DON因其在赤潮發生過程發揮著的重要作用，被越來越多的學者所重視[3-5]。尿素作為海洋中DON的重要組成部分，不僅是構成近海富營養化的一種重要物質[6]，還可以直接被浮游植物吸收利用，對某些能引發赤潮的浮游植物生長具有潛在不同程度的促進作用[7]。近海水體尿素可分為外源和內源，外源主要是陸源排放和大氣沉降[8]，內源是海洋自身的生物化學過程，例如細菌再生、浮游動物排泄等[9-10]。隨著我國近岸海域水體富營養化程度日趨嚴重和赤潮災害頻發，分析尿素的濃度、分布、來源及溶解態氮的組成，可以為富營養化河口海灣生態環境保護與修復提供科學依據。

茅尾海位于北部灣海域最北端，屬于欽州灣內灣，總水域面積為135 km2，是一個典型的受陸地徑流影響的半封閉海灣，以欽江、茅嶺江為主要入灣徑流的河口海濱區。欽州市工業、農業、市政生活中所產生的絕大部分廢污水通過河流排放入海，近年來隨著廣西北部灣經濟區的快速發展，過量陸源營養鹽的輸入導致茅尾海水體富營養化，其中氮是關鍵污染因子[11-12]。對茅尾海水體中氮元素污染及其與生態效應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為止尚未見報道。

本研究根據2018年夏季對茅尾海主要入海河口區的現場調查，結合相關水文、化學參數，分析了水體中尿素的分布特征及其影響因素并探討其來源，以期為深入研究我國近岸河口海灣區的氮循環提供參考。

1 材料與方法

1.1 站位設置及取樣方法

2018年7月在茅尾海海域(21.76°～21.86°N，108.50°～108.60°E )進行了現場調查，沿著主要入海河流沖淡水鹽度梯度方向在調查月份大潮期漲潮時分別對茅嶺江入海河口區(站位1～9)和欽江入海河口區(站位10～15)2個斷面進行了水樣采集和水文觀測，調查站位如圖 1 所示。使用有機玻璃采水器采集表層水樣(0.5 m層)，置于保溫箱中冷藏保存，轉至實驗室立即用GF/F膜(Whatman，47 mm)過濾，使用之前450 ℃燒灼4 h，用稀鹽酸和Milli-Q超純水洗凈的聚乙烯瓶儲存濾液并在-20 ℃條件下冷凍保存待測尿素和其他相關參數。同時，過濾已搖勻的500 cm3水樣收集濾膜用于懸浮顆粒物(SPM)參數的測定。調查過程中使用AP-5000多參數分析儀(Aquaread Co，英國)現場測定海水溫度(T)、鹽度(S)、pH和溶解氧(DO)。

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

1.2 樣品的測定

尿素采用二乙酰一肟法測定，將-20 ℃的海水樣品進行常溫解凍，取15 cm3解凍后的水樣于25 cm3比色管中，先后加入1.25 g氯化鈉，3.60 cm3混合試劑Ⅰ和0.72 cm3混合顯色試劑Ⅲ[9]，用Milli-Q超純水定容后放入70 ℃恒溫水浴中反應2 h。混合試劑Ⅰ：稱取80 g NaH2PO4·2H2O溶于50 cm3超純水后加入1 dm3濃H2SO4混勻；混合顯色試劑Ⅲ：稱取3.0 g二乙酰一肟和35 mg鹽酸氨基脲溶解于50 cm3體積分數為50%的乙醇中，立即加入50 cm3混合試劑Ⅱ混勻。混合試劑Ⅱ：稱取40 g MnCl2·4H2O和0.8 g KNO3溶于100 cm3超純水。冷卻至室溫后，以超純水為參比，用分光光度計在波長520 nm處測定吸光值，所得尿素濃度以μmol/dm3表示，平行樣測定的相對標準偏差小于4%。

1.3 數據分析處理

單因子方差分析(ANOVA)和Pearson相關性分析應用SPSS 19.0軟件進行數據處理，p<0.05為顯著差異，描述性統計值采用算術平均值±標準偏差(Mean±SD)表示。利用Origin 8.5軟件繪制各要素的空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 茅尾海表層海水中尿素濃度

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

注：CU表示尿素濃度，下同。

在本次調查研究中，茅尾海水體中尿素濃度和尿素在DON中占比分別為0.40～1.13 μmol/dm3和0.8%～10.3%范圍內，平均值分別為(0.51±0.18) μmol/dm3和3.1%±2.7%(表1)。與國內外河口海灣相比，茅尾海尿素濃度低值及其在DON中所占比例基本相當，但濃度高值與Chesapeake灣[16]和Florida灣[17]相接近，低于Allen海灣[18]、波羅的海Riga海灣[19]、馬里蘭Manokin河口[20]，也低于大亞灣[21]、杭州灣[22]、膠州灣[23]、海南島近岸海灣[24]、長江口及其鄰近海域[25](表2)。盡管廣西北部灣社會經濟近年來快速發展，但相對于國內外其他河口海灣周邊工農業和城市群發展相對滯后，導致氮污染物排放量相對較低，尿素濃度總體水平較低。此外，茅尾海水動力過程主要受茅嶺江和欽江較強徑流的推動作用，潮流以往復流運動形式為主，是廣西沿海港灣平均漲落潮流速最大的海灣[26]，水動力交換條件好，對污染物的遷移極為有利[27]，導致尿素濃度較其他河口海灣更低。

表2 近岸河口海灣尿素濃度對比Tab.2 Comparison of urea concentrations in various estuaries and bays

注：“—”表示未獲得數據。

2.2 溶解態氮的組成

同時，從圖2可以看出，尿素是DON的重要組成部分。在研究海區尿素占DON的3.1%±2.7%，其中欽江入海河口區尿素比例較高，占DON的5.0%±3.2%，茅嶺江入海河口區尿素比例較低，占DON的1.9%±1.5%(表1)，這意味著以工業廢水和市政生活污水為主要污染物來源的欽江入海河流中含有較為豐富的尿素物質。由于DON組成非常復雜，主要包括蛋白質、氨基酸、核酸、尿素和葉綠素等眾多種類[32]，而且含量均較低，其中生物可利用的小分子DON含量更低，尿素作為一種小分子量的DON，是多種浮游植物所需生物可利用的氮來源[23]，在溶解有機氮中占據相當的比例。

圖2 茅尾海入海河口區氮的組成Fig.2 Composition of different forms of nitrogen in Maowei Sea

2.3 尿素的分布特征及影響因素

由圖3 可見，茅嶺江入海河口區海水中尿素濃度分布呈現隨著鹽度遞增先降低后升高再降低的變化特征。最高值(0.57 μmol/dm3)出現在距離大欖江入海口較近的1號站位，隨后降低至離茅嶺江入海口較近的3號站位，降幅為0.15 μmol/dm3，這可能是由于部分市政生活污水流經大欖江排放入海所致。離茅嶺江入海口最近的4號站位尿素濃度出現次高值(0.51 μmol/dm3)，并由此隨鹽度逐漸上升尿素濃度向外海略有降低并逐漸保持相對穩定，降幅僅為0.11 μmol/dm3，說明該河口區水體中尿素含量受茅嶺江沖淡水的影響較弱。欽江入海河口區尿素濃度也呈現由河口至灣口隨鹽度遞增而逐漸降低的分布特征，但降幅較大，濃度差值為0.73 μmol/dm3，欽江入海口尿素濃度出現最高值，濃度高達1.13 μmol/dm3，比大欖江入海口和茅嶺江入海口尿素濃度都要高，反映出欽江流域工業化、城鎮化發展相對較快，大量工業廢水和市政生活污水中含有較高的尿素含量。

圖3 茅尾海兩個主要入海河口區尿素濃度與鹽度分布Fig.3 Distribution of urea concentrations and salinities in two major estuaries of Maowei Sea

表3 茅尾海兩個主要入海河口區尿素與其他水文和化學因子相關性分析

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茅嶺江入海河口區0.41-0.550.080.50-0.11-0.020.79b0.71b-0.670.100.15-0.05欽江入海河口區-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 尿素對DON生物可利用性的指征

通常情況下，當水體中尿素絕對含量超過1 μmol/dm3或尿素在DON中所占百分比大于5%時，尿素可以作為一種促進浮游植物生長的有效氮源[16，37]。本研究結果表明，盡管茅尾海主要入海河口區有個別站位尿素絕對含量超過1 μmol/dm3或在DON中所占比例超過5%，但整個海區尿素含量平均值低于1 μmol/dm3，尿素占DON比例的平均值為3%，且如圖4所示，尿素含量與尿素在DON中的占比并不呈現顯著的相關性(R=0.15，p>0.05)，這表明調查期間茅尾海主要入海河口區以尿素為代表的DON生物可利用性對促進浮游植物的生長貢獻較弱。

圖4 茅尾海主要入海河口區尿素含量與尿素在 DON中占比的相關性分析Fig.4 Correlation of urea concentrations and Urea/DON ratios in two major estuaries of Maowei Sea

3 結論

(1)茅尾海夏季主要入海河口區水體尿素的平均濃度為(0.51±0.18) μmol/dm3，其濃度范圍為0.40～1.13 μmol/dm3之間，在DON中的占比在0.8%～10.3%之間，是該海區一種重要的DON組分。

(3)茅尾海主要入海河口區水體尿素濃度普遍低于1 μmol/dm3且在DON中所占比例不超過5%，表明該海區以尿素為代表的DON生物可利用性對浮游植物生長及其種群演變具有的潛在影響并不顯著。