海南新村潟湖潮汐、潮流特征及其對(duì)營養(yǎng)鹽的影響

張奕璞，于 碩，黃大吉,1，周澤斌

(1.河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.廣西北部灣海洋資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自然資源部第四海洋研究所，廣西 北海 536015；3.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；4.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引言

海岸潟湖是陸海之間的過渡空間，生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化快、生物生產(chǎn)力和多樣性高。然而大多數(shù)潟湖和外海的水體交換有限，加上近岸人類活動(dòng)干擾，沿海潟湖容易發(fā)生富營養(yǎng)化，導(dǎo)致潟湖生態(tài)系統(tǒng)功能下降[1]。

海南陵水新村潟湖位于海南島東南部，潟湖通過唯一口門與外海相連，口門“咽喉”處寬約260 m。新村潟湖內(nèi)分布有海草床、紅樹林和珊瑚礁等典型生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的生物多樣性，極具研究和保護(hù)價(jià)值。其中，海草床分布面積較大，海草物種多樣性高(有9～10種海草)，是我國熱帶海草生態(tài)系統(tǒng)的典型代表區(qū)域。因此，海南省在2007年成立了我國第一個(gè)省級(jí)海草床特別保護(hù)區(qū)[2]。近年來，由于過度的人類活動(dòng)干擾，如潟湖內(nèi)大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖、生活垃圾和廢水直接排放入海等，導(dǎo)致潟湖內(nèi)水質(zhì)下降，局部水域富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，藻類大量暴發(fā)，潟湖的生態(tài)環(huán)境受到負(fù)面影響[3]。王芬 等[4]研究發(fā)現(xiàn)2004—2009年新村潟湖富營養(yǎng)指數(shù)較低，自2010年以來有明顯上升的趨勢(shì)，2013年達(dá)到極值，已超過富營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)值，潟湖呈富營養(yǎng)化狀態(tài)；2006年新村潟湖暴發(fā)赤潮，氮磷比值升高至54～220。近幾年新村潟湖內(nèi)海草床生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)，且出現(xiàn)了較大程度的退化[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年，新村潟湖內(nèi)的海草床面積約為400 hm2[2]；截至2020年，新村潟湖的海草床面積已經(jīng)退化至110 hm2左右(1)楊熙 等，未發(fā)表數(shù)據(jù)。。營養(yǎng)鹽濃度過高已經(jīng)成為新村潟湖海草床退化的主要原因之一[6]。

與外海水體的交換能力是影響河口、海灣和潟湖營養(yǎng)鹽分布和濃度高低的重要因素。任明吉[7]對(duì)珠江虎門河口研究發(fā)現(xiàn)，氮營養(yǎng)鹽濃度與海水鹽度、懸沙質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明河口水體交換對(duì)氮營養(yǎng)鹽有重要影響。劉四光 等[8]發(fā)現(xiàn)在閩江口漲潮時(shí)，隨著外海海水占比的提高，營養(yǎng)鹽含量隨著鹽度的升高而逐步降低；落潮時(shí)，因?yàn)殛懺礇_淡水的作用，營養(yǎng)鹽隨著鹽度的降低而逐漸升高。李瑞環(huán)[9]研究了八門灣潟湖的潮周期和營養(yǎng)鹽變化，也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，說明外海水對(duì)潟湖內(nèi)的營養(yǎng)鹽具有一定的稀釋作用。

以往研究表明新村潟湖漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)，口門處流速較大，內(nèi)部區(qū)域流速較小，且落潮流速略大于漲潮流速[10]；新村潟湖的水體交換能力受潮差值和潮差歷時(shí)變化影響較大，潟湖口門水體交換速率較快，受地形影響，潟湖中部南岸水體交換速率較慢[11]。目前對(duì)新村潟湖中營養(yǎng)鹽和潮位變化特征之間關(guān)系的研究較少，而厘清二者之間的關(guān)系，掌握潟湖營養(yǎng)鹽分布和變化機(jī)制，可為該潟湖的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置

2020年12月在新村潟湖口門及附近區(qū)域設(shè)置了3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)研究新村潟湖的水動(dòng)力特征及其對(duì)營養(yǎng)鹽輸運(yùn)擴(kuò)散的影響。其中，S1站點(diǎn)位于潟湖口門，平均水深為10.14 m；S2站點(diǎn)位于潟湖內(nèi)漁排密集處，平均水深為3.90 m；S3站點(diǎn)位于海草床內(nèi)，平均水深為1.55 m(位置見圖1)。

圖1 海南新村潟湖觀測(cè)站點(diǎn)設(shè)置

1.2 采樣方法

自然資源部第四海洋研究所于2020年12月16日13:00至17日14:00(大潮期)和12月22日13:00至23日14:00(小潮期)在新村潟湖口門及附近區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)25 h的定點(diǎn)觀測(cè)及水樣采集。S1和S2站點(diǎn)的流速和流向用聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)觀測(cè)，ADCP測(cè)量頻率為10 min一次，測(cè)量層數(shù)為25層，單層厚度為0.50 m；S3站點(diǎn)的流速和流向用AANDERAA海流計(jì)觀測(cè)。由于S2站點(diǎn)水深較淺，ADCP 測(cè)量受盲區(qū)影響嚴(yán)重，S3站點(diǎn)位于淺水區(qū)，流速受環(huán)境因素影響較大，所以在S2和S3站點(diǎn)觀測(cè)的海流沒有用于本文的研究分析。3個(gè)站點(diǎn)的潮位用RBR潮位計(jì)觀測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

濾液帶回實(shí)驗(yàn)室，氮、磷、硅營養(yǎng)鹽使用連續(xù)流動(dòng)分析儀(SEAL AA3)進(jìn)行測(cè)定。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理后用于分析潟湖潮位和營養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性。潮位與流速的滯后線性分析將潮位作為被解釋變量，將與當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)的4 h前的流速作為解釋變量。定義進(jìn)入潟湖的水體流速方向?yàn)檎?，從潟湖進(jìn)入外海的水體流速方向?yàn)樨?fù)。潮位為觀測(cè)水深和當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫嬷睢?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 潟湖水動(dòng)力特性

2.1.1 潮位變化特點(diǎn)

圖2和圖3分別為大、小潮期間新村潟湖3個(gè)站點(diǎn)的潮位。由觀測(cè)結(jié)果可知，新村潟湖的潮汐類型為不規(guī)則全日潮，一次全潮周期中有一次最高潮和一次最低潮，與前人的研究結(jié)果相同[14]。依據(jù)潮位的變化趨勢(shì)，可以將大潮分為兩個(gè)階段(圖2)：大潮漲潮階段(16日13:00—23:00，歷時(shí)10 h；17日9:00—14:00，歷時(shí)5 h)歷時(shí)15 h；大潮落潮階段(16日23:00—17日9:00)歷時(shí)10 h。大潮全潮歷時(shí)約25 h。

圖2 2020年12月16日—17日大潮期間新村潟湖3個(gè)站點(diǎn)潮位

小潮也可分為兩個(gè)階段(圖3)：小潮漲潮階段(22日13:00—23日3:00，歷時(shí)14 h；23日13:00—14:00，歷時(shí)1 h)歷時(shí)15 h；小潮落潮階段(23日3:00—13:00)歷時(shí)10 h。小潮全潮歷時(shí)約25 h。

圖3 2020年12月22日—23日小潮期間新村潟湖3個(gè)站點(diǎn)潮位

觀測(cè)期間3個(gè)站點(diǎn)潮位基本保持一致。大潮期間，3個(gè)站點(diǎn)的平均高潮位為0.91±0.04 m，平均低潮位為-0.76±0.04 m，平均最大潮差為1.67±0.08 m。小潮期間，3個(gè)站點(diǎn)的平均高潮位為0.27±0.03 m，平均低潮位為-0.36±0.01 m，平均最大潮差為0.63±0.04 m。

前人研究結(jié)果表明[15]，新村潟湖平均潮差為 0.50 m，最大可能潮差為1.63 m。本次觀測(cè)期間，大潮平均最大潮差與之前研究結(jié)果的最大可能潮差基本一致。

2.1.2 流速特點(diǎn)

大、小潮期間，口門處(S1站點(diǎn))的潮流可分為漲潮流和落潮流(圖4和圖5)。大潮漲潮期間，口門外海水通過潮流以入灣水體的形式進(jìn)入新村潟湖內(nèi)，漲潮最大流速為1.22 m/s，平均流速為0.68±0.29 m/s；落潮期間，灣內(nèi)水體以潮流退潮的形式離開新村潟湖，最大流速為1.42 m/s，平均流速為0.97±0.38 m/s。小潮漲潮期間，最大流速為0.56 m/s，平均流速為 0.23±0.18 m/s；落潮期間，潟湖內(nèi)水體流向指向潟湖外，最大流速為0.57 m/s，平均流速為0.30±0.15 m/s。S1站點(diǎn)潮流流向在垂向上分布一致，潮流沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，漲潮時(shí)流向指向口門內(nèi)，落潮時(shí)流向指向口門外，因此本研究使用S1站點(diǎn)的垂向平均流速和流向來指代S1站點(diǎn)的潮流狀況。

圖4 2020年12月16日—17日大潮期間S1站點(diǎn)垂向平均流速及流向變化

圖5 2020年12月22日—23日小潮期間S1站點(diǎn)垂向平均流速及流向變化

本次全潮過程中，大潮平均流速大小為0.80±0.26 m/s，小潮平均流速大小為0.25±0.17 m/s。大潮平均流速遠(yuǎn)大于小潮平均流速。大潮和小潮的全潮歷時(shí)均為25 h，漲潮歷時(shí)(15 h)明顯大于落潮歷時(shí)(10 h)。大、小潮潮流為往復(fù)流，落潮平均流速大于漲潮平均流速，這與王丹 等[16]的研究結(jié)果一致。

2.2 營養(yǎng)鹽的時(shí)空變化特征

表1 大潮和小潮期間3個(gè)觀測(cè)站的DIN、濃度特征值

圖6 2020年12月16日—17日大潮期間S1站點(diǎn)表、中、底層濃度的時(shí)間變化

圖7 2020年12月22日—23日小潮期間S1站點(diǎn)表、中、底層濃度的時(shí)間變化

圖8 2020年12月16日—17日大潮期間新村潟湖各站點(diǎn)潮位和濃度的時(shí)間變化

圖9 2020年12月22日—23日小潮期間新村潟湖各站點(diǎn)潮位和濃度的時(shí)間變化

2.3 潮位和流速對(duì)營養(yǎng)鹽的影響

2.3.1 潮位與流速的相關(guān)分析

因?yàn)樾麓鍧暫某蔽蛔兓饕芸陂T處的海水交換影響，因此潟湖的潮位變化會(huì)受口門處流速的影響。由圖8a和圖9a可知，漲、落潮潮位的極值與口門處流速的極值在時(shí)間上存在滯后現(xiàn)象，因此對(duì)3個(gè)站點(diǎn)的平均潮位和口門處的流速進(jìn)行滯后線性分析(圖10)?？陂T處流速在時(shí)間上的積分為不同時(shí)間內(nèi)單位空間通過的海水通量之和(潮通量之和)，為驗(yàn)證潮通量對(duì)潟湖潮位變化的影響，對(duì)流速積分和3個(gè)站點(diǎn)的平均潮位進(jìn)行線性相關(guān)分析(圖11)。

圖10 大、小潮期間潮位與口門處流速的滯后分析(潮位滯后流速4 h)

在大、小潮流速和潮位的滯后分析中，口門處流速和3個(gè)站點(diǎn)平均潮位的滯后相關(guān)性都通過了可信度檢驗(yàn)(p<0.05)，說明口門處流速對(duì)3個(gè)站點(diǎn)的潮位都有一定的影響。流速的極大值和極小值出現(xiàn)在漲潮和落潮的中間時(shí)刻，而3個(gè)站點(diǎn)平均潮位的極大值和極小值出現(xiàn)在口門處潮流流向發(fā)生變化時(shí)，口門處流速與潮位存在滯后效應(yīng)，潮位約滯后流速4 h。

大、小潮口門處流速的積分與潮位之間的相關(guān)性分析也通過了可信度檢驗(yàn)(p<0.05)，之前的研究表明新村潟湖主要受到潮汐的影響，因此潮通量與潟湖的潮位變化之間存在著聯(lián)系。在漲潮期間，外海海水通過漲潮流進(jìn)入潟湖，使?jié)暫?個(gè)站點(diǎn)的潮位隨之升高；在落潮期間，潟湖內(nèi)的海水通過落潮流進(jìn)入外海，潟湖中3個(gè)站點(diǎn)的潮位隨之降低。大、小潮期間潮流流速積分與潮位相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到0.94和0.95，說明潮通量主導(dǎo)著3個(gè)站點(diǎn)的潮位變化。因?yàn)榱魉俜e分代表口門處單位時(shí)間內(nèi)通過單位體積的潮通量，在潟湖口門不發(fā)生改變的情況下，潮通量主要由口門處流速?zèng)Q定，這說明口門處流速對(duì)3個(gè)站點(diǎn)的潮位有著決定性影響。

2.3.2 潮位和營養(yǎng)鹽的相關(guān)分析

圖12 大潮期間潮位與濃度相關(guān)性分布圖

圖13 小潮期間潮位與濃度相關(guān)性分布圖

表2 不同站點(diǎn)在大、小潮時(shí)的潮位與DIN、濃度相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

(1)2020年冬季，在新村潟湖的潮汐觀測(cè)過程中，大潮期間，3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的平均最大潮差為1.67±0.08 m；小潮期間，3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的平均最大潮差為0.63±0.04 m。潟湖口門處潮流為往復(fù)流，漲潮時(shí)流速方向指向潟湖內(nèi)，落潮時(shí)流速方向指向外海。

(2)潟湖口門處的流速對(duì)潟湖內(nèi)3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的潮位有著重要影響，口門處流速和3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的潮位存在著滯后相關(guān)關(guān)系，由口門處流速?zèng)Q定的潮通量基本決定了3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的潮位變化。

(3)漲潮期間，潮流將外海低營養(yǎng)鹽的海水帶入新村潟湖，潟湖口門處和漁排密集區(qū)域的營養(yǎng)鹽濃度總體隨著潮位的上升而下降。落潮期間，潮流將新村潟湖的灣內(nèi)海水帶至外海，潟湖口門處和漁排密集處的營養(yǎng)鹽濃度總體隨潮位的下降而上升。潟湖口門處和漁排密集區(qū)域潮位與營養(yǎng)鹽之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而海草床生長處的營養(yǎng)鹽沒有隨著潮位變化呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

致謝感謝中國科學(xué)院南海所對(duì)本研究的完成給予了無私幫助，謹(jǐn)表謝忱！