夏季茅尾海主要入海河口區(qū)尿素的水平分布及影響因素

楊 斌，牛貝貝，魯棟梁*，徐 程，3，藍(lán)文陸，寧志銘

(1.北部灣大學(xué)、廣西北部灣海洋災(zāi)害研究重點實驗室，廣西 欽州 535011； 2.廣西大學(xué)、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(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541006； 4.廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536000)

氮是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的生源要素之一，其在維持海洋初級生產(chǎn)力中發(fā)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(tài)系統(tǒng)循環(huán)，是潛在的可被浮游植物吸收利用的重要營養(yǎng)源[1-2]。近年來，DON因其在赤潮發(fā)生過程發(fā)揮著的重要作用，被越來越多的學(xué)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(gòu)成近海富營養(yǎng)化的一種重要物質(zhì)[6]，還可以直接被浮游植物吸收利用，對某些能引發(fā)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(nèi)源，外源主要是陸源排放和大氣沉降[8]，內(nèi)源是海洋自身的生物化學(xué)過程，例如細(xì)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(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重和赤潮災(zāi)害頻發(fā)，分析尿素的濃度、分布、來源及溶解態(tài)氮的組成，可以為富營養(yǎng)化河口海灣生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

茅尾海位于北部灣海域最北端，屬于欽州灣內(nèi)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(qū)。欽州市工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政生活中所產(chǎn)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(jīng)濟區(qū)的快速發(fā)展，過量陸源營養(yǎng)鹽的輸入導(dǎo)致茅尾海水體富營養(yǎng)化，其中氮是關(guān)鍵污染因子[11-12]。對茅尾海水體中氮元素污染及其與生態(tài)效應(yīng)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(jù)2018年夏季對茅尾海主要入海河口區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合相關(guān)水文、化學(xué)參數(shù)，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(qū)的氮循環(huán)提供參考。

1 材料與方法

1.1 站位設(shè)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(xiàn)場調(diào)查，沿著主要入海河流沖淡水鹽度梯度方向在調(diào)查月份大潮期漲潮時分別對茅嶺江入海河口區(qū)(站位1～9)和欽江入海河口區(qū)(站位10～15)2個斷面進行了水樣采集和水文觀測，調(diào)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(zhuǎn)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(guān)參數(shù)。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(shù)的測定。調(diào)查過程中使用AP-5000多參數(shù)分析儀(Aquaread Co，英國)現(xiàn)場測定海水溫度(T)、鹽度(S)、pH和溶解氧(DO)。

圖1 調(diào)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(yīng)2 h?；旌显噭瘢悍Q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?jǐn)?shù)為50%的乙醇中，立即加入50 cm3混合試劑Ⅱ混勻?；旌显噭颍悍Q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(biāo)準(zhǔn)偏差小于4%。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

單因子方差分析(ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析應(yīng)用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，p<0.05為顯著差異，描述性統(tǒng)計值采用算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(tài)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(diào)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(nèi)，平均值分別為(0.51±0.18) μmol/dm3和3.1%±2.7%(表1)。與國內(nèi)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(dāng)，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(jīng)濟近年來快速發(fā)展，但相對于國內(nèi)外其他河口海灣周邊工農(nóng)業(yè)和城市群發(fā)展相對滯后，導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(shù)據(jù)。

2.2 溶解態(tài)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(qū)尿素占DON的3.1%±2.7%，其中欽江入海河口區(qū)尿素比例較高，占DON的5.0%±3.2%，茅嶺江入海河口區(qū)尿素比例較低，占DON的1.9%±1.5%(表1)，這意味著以工業(yè)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(zhì)。由于DON組成非常復(fù)雜，主要包括蛋白質(zhì)、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(jù)相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

圖2 茅尾海入海河口區(qū)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(qū)海水中尿素濃度分布呈現(xiàn)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(xiàn)在距離大欖江入?？谳^近的1號站位，隨后降低至離茅嶺江入?？谳^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(jīng)大欖江排放入海所致。離茅嶺江入?？谧罱?號站位尿素濃度出現(xiàn)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(wěn)定，降幅僅為0.11 μmol/dm3，說明該河口區(qū)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(qū)尿素濃度也呈現(xiàn)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?？谀蛩貪舛瘸霈F(xiàn)最高值，濃度高達(dá)1.13 μmol/dm3，比大欖江入?？诤兔X江入?？谀蛩貪舛榷家撸从吵鰵J江流域工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展相對較快，大量工業(yè)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(qū)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(qū)尿素與其他水文和化學(xué)因子相關(guān)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(qū)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(qū)-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(dāng)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(jié)果表明，盡管茅尾海主要入海河口區(qū)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(qū)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(xiàn)顯著的相關(guān)性(R=0.15，p>0.05)，這表明調(diào)查期間茅尾海主要入海河口區(qū)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(xiàn)較弱。

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

3 結(jié)論

(1)茅尾海夏季主要入海河口區(qū)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(qū)一種重要的DON組分。

(3)茅尾海主要入海河口區(qū)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(qū)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。