海南島近岸海域表層海水溶解無機氮的濃度組成、分布特征和季節變化

任茂興，徐 閣，王德鴻

(國家海洋局海口海洋環境監測中心站，海口 570311)

0 引言

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

1 材料與方法

1.1 研究區域

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1 944 km，屬熱帶季風氣候，全年高溫多雨，日照長，蒸發大，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月盛行西風和西南風，為多雨期；11月至次年4月盛行東北季風，為少雨期[8]49。本研究選用2020年3個季度的調查數據：(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。為保證數據的可比性，試驗采用相同站位的數據進行對比，具體站位布設如圖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

現場采樣按照《海洋調查規范》(GB/T12763—2007)和《海洋監測規范》(GB17378—2007)中的方法執行。水樣在采樣后24 h內使用0.45 μm醋酸纖維濾膜進行過濾，并上機測定。其中硝酸鹽采用鋅-鎘還原法進行測定，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行測定。統計數據時，未檢出的數據按檢出限的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據分析。數據處理軟件為Excel和Surfer 16，平面分布插值算法采用Kriging方法。

2 結果與分析

2.1 濃度組成和季節變化

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，其中最高值出現在海口灣和鋪前灣附近海域。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，最高值也出現在鋪前灣附近海域。DIN的組成與春季也有明顯區別，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個季節中最高。其中最高值出現在洋浦港內的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，其濃度隨季節變化，從春季到夏季，DIN的濃度隨時間降低，并在夏季達到最低值，此后隨時間逐漸升高，在秋季(或冬季)達到最高值。在DIN的組成上，氨氮濃度隨季節變化輻度不大，硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度與DIN具有相同特征，分別在夏季達到最低值和秋季達到最高值，說明硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度消長是無機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，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系統中的有機碎屑被海水中的微生物分解，分解產物補充海水中的無機氮，溶解無機氮的濃度升高。

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氮含量均為低值區。夏季豐水期，高值區仍然位于瓊州海峽，但在海南島東南近岸海域均有次高值分布，低值區位于三亞灣。秋季平水期，高值區轉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。總體來看，海南島西岸和南岸水體中無機氮含量較低，高值區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明顯高于其他處的高溶解無機氮區域。

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

(c)表層海水秋季無機氮含量分布圖2(續)

海南島北部近岸區域3個季節溶解無機氮濃度均高于南部和西部，夏季東部近岸區域也具有一定的高值區。溶解無機氮在分布上呈現出明顯的南北差異。可能有以下原因：(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，海口是海南省人口最密集和GDP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境，海峽區域受陸地影響和人類活動影響較其他近岸區域更為明顯，而南部為開闊海域，大洋海水的沖淡效應大大降低了這些影響。(2)海南島南北跨2個緯度，較大的跨度導致南北溫度、氣候、降水等條件各不相同，不同區域的水體有其特定的水文化學特性。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域海水的低營養鹽特征。

2.3 海南島近岸海域溶解無機氮來源探討

對于某一自然海域來說，營養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、河口及陸架區域，河流輸入、沿岸污水的排放占營養鹽輸入的絕大部分[11]11。海南島產業主要以農業和旅游業為主，工業區少，近岸海域的營養鹽主要受到來自海南島陸地河流的輸入，區域性的城市生活廢水和養殖廢水的排放，以及海流可能帶來的高營養鹽海水的影響。

夏季豐水期，海南島三大水系南渡江、昌化江、萬泉河的入海口區域都有高于其他區域的溶解無機氮，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氮也相應增加。但在枯水期和平水期，河口附近的溶解無機氮的高值并不明顯。這說明夏季豐水期時，陸地徑流貢獻了一部分溶解無機氮，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氮，但對于整個近岸區域影響并不大。

海南島東部近岸區域如文昌、博鰲、萬寧、陵水等地沿岸海水溶解無機氮均呈現不同程度高于其他區域的情況，其中以夏季豐水期最為明顯。造成這一現象的原因可能是瓊東上升流帶來的高營養鹽海水影響。瓊東上升流是在夏季西南季風的驅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以淺的區域，通常發生在4～9月，上升流最強的時間在6～7月[12-13]。瓊東上升流帶來的低溫、高鹽、高營養鹽的海水，提高了海南東部沿岸地區的初級生產力和漁業產量[12]。夏季，瓊東上升流帶來的營養鹽可能是海南島東部近岸區域溶解無機氮高于其他處的原因之一。

3 結論

(1)海南島近岸海域表層海水中溶解無機氮的濃度變化范圍為0.008 19～0.397 mg·L-1，3個季節的平均值為0.053 2 mg·L-1。表層海水中溶解無機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，硝酸鹽是無機氮的主要構成部分，達60%以上。

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

(3)海南島溶解無機氮的來源主要有陸源輸入和上升流帶來高營養鹽海水。陸地徑流在夏季豐水期貢獻了部分溶解無機氮，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氮的來源之一。