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在全球气候变暖背景下，珊瑚礁正面临着严重退化，而人类活动导致的海水富营养化以及营养盐结构失衡也会加剧其退化[1]。在浅水海域，沉积物−水界面的物质交换能够调节水体营养盐的浓度及结构，所以，沉积物−水界面的营养盐交换在珊瑚礁海域营养盐的生物地球化学循环中发挥着关键作用[2]。
广西涠洲岛海域拥有珍贵的珊瑚礁，但无规划、无节制的养殖活动导致该海域水体富营养化加重，有害藻华等灾害时有发生[3]。因此，有必要进一步研究影响涠洲岛近海营养盐浓度及结构的关键因素，以期规范该海域的养殖、旅游等人类活动，从而达到保护珊瑚礁生态环境的目的。本文探究了 2018－2019年涠洲岛近海营养盐的时空变化规律，采用海岸带海陆相互作用（LOICZ）收支模型对涠洲岛南端的半封闭式海湾（以下简称南湾）进行营养盐收支估算，评价影响该海域营养盐浓度及结构变化的关键因素。另外，本研究利用流动式反应器（FTR）对该海域沉积物进行培养，进一步探讨在不同有机碳含量条件下，沉积物−水界面营养盐交换对海水营养盐浓度及结构的影响。
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本研究的调查站位分布在涠洲岛近岸潮滩区（I1－I5，5个站位）、珊瑚礁区（W1－W7，7个站位）和南湾（18个站位），具体调查站位如图1所示。
图 1 涠洲岛采样站位（黄色和红色分别代表近岸潮滩区域和珊瑚礁区域）
Figure 1. Map of sampling sites around Weizhou island (yellow and red areas are tidal flat and coral area, respectively)
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在现场使用YSI多参数水质仪测定海水温度和盐度后，利用0.45 μm孔径的针头式过滤器（聚醚砜滤膜）对海水样品进行过滤，将滤液装入聚乙烯瓶中并存放在−20 ℃冰箱中冷冻保存。在实验室解冻样品后，使用连续流动分析仪（QuAAtro，SEAL Analytical）测定海水样品的营养盐浓度。其中，铵盐（NH4+）、亚硝酸盐（NO2−）、硝酸盐（NO3−）和溶解无机磷（DIP）的检出限分别为0.04 μmol/L、0.02 μmol/L、0.01 μmol/L、0.02 μmol/L，所有分析方法的精密度均<6%。
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将涠洲岛I1－I5站位的沉积物混合并分为三等份，然后按照质量梯度依次向沉积物中添加采集自涠洲岛湿地公园的有机质，使3份沉积物最终的有机碳含量分别为0.05%、0.14%和0.23%（元素分析仪测定的结果）。将3份沉积物混匀填充至不同的FTR中（每组两个平行样），利用蠕动泵连续流动24 h。然后，在FTR的进、出水口分别采集海水，用于营养盐浓度的测定。根据进、出水口海水溶解无机氮（DIN，即NH4+、NO2−、NO3−三者之和）或DIP浓度差以及流速和横截面积计算沉积物−水界面营养盐的交换通量F，单位为mmol/（m2·h），计算公式如下：
式中：Cin和Cout分别是进、出水口中DIP和DIN的浓度；R是流速；S是沉积物柱的横截面积（12.56 cm2）；F为正值代表营养盐由沉积物向上覆水释放，F 为负值则代表营养盐由上覆水向沉积物转移，其绝对值越大，则通量越大。
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本文利用LOICZ收支模型对南湾进行营养盐的收支估算[4]。此模型将南湾视为一个独立的箱子，在垂直和水平方向上都充分混合，并假定整个系统处于稳定状态。模型的计算先从水量与盐收支开始，然后进行营养盐收支的计算。由于涠洲岛无大的河流输入，其河流径流量为0，具体的水量收支方程如下：
式中：VR为平衡水体交换的剩余流量（简称余流）；VS为南湾水体体积；VP为降雨量；VG为地下水流量；VE为蒸发量；Vin为输入南湾的水量；Vout为输出南湾的水量。体系中盐收支方程如下：
式中：SR为余流平均盐度，
$ {{S}}_{{R}}{=(}{{S}}_{\rm{syst}}{+} {{S}}_{\rm{ocn}})/2 $ ，Ssyst为南湾平均盐度，Socn为邻近海域平均盐度；VX为湾内、外海水交换或混合的水量。营养盐的收支方程如下：
式中：CR为余流的营养盐浓度，
$ {{C}}_{{R}}{=(}{{C}}_{\rm{syst}}{+} {{C}}_{\rm{ocn}}{)/2} $ ；CX为湾内、外水体交换海水的营养盐浓度，$ {{C}}_{{X}}{=}{{C}}_{\rm{syst}}{-}{{C}}_{\rm{ocn}} $ ，Csyst为湾内海水营养盐的平均浓度，Cocn为湾外海水的营养盐浓度；CP为雨水的营养盐浓度；CG为地下水的营养盐浓度。涠洲岛的年平均降雨量为1350 mm[5]，本文使用的营养盐数据（DIN为37.38 μmol/L，DIP为0.31 μmol/L）为作者于2019年春季在南宁市区采集的雨水样品所测得的数据。涠洲岛地下水的输入量为2.32×104 m3/d[6]。根据南湾所占海岸线的比例估算，南湾地下水的输入量为1.35×106 m3/a，地下水DIN、DIP浓度参考2018年北部湾海域地下水数据（DIN为191 μmol/L，DIP为3 μmol/L）[7]。沉积物−水界面营养盐的交换通量参考2019年Ning等人[8]的涠洲岛数据[DIN为−0.088 mmol/(m2·h)，DIP为0.005 mmol/(m2·h)]。
根据北海市政府相关部门统计，涠洲岛南珠养殖年产量约1000万个，马氏珠母贝NH4+和DIP的排泄速率分别为2.40 μmol/（h·ind）[9]和0.25 μmol/（h·ind）[10]，据此估算得到南湾养殖贝类的NH4+和DIP排泄量分别为1.05×105 mol/a和0.11×105 mol/a。此外，贝类收获从湾内移除的氮和磷分别为1.21×105 mol/a和0.03×105 mol/a，具体计算依据为：贝类幼苗初始软体干重、壳重分别为0.23 g/ind、16.71 g/ind[10]，贝类收获时软体干重、壳重分别为1.42 g/ind、105.18 g/ind[10]，软组织中氮、磷所占比例分别为10.28%[11]、0.642%[11-12]，壳中氮、磷所占比例分别为0.11%[11]、0.01%[11-12]，养殖平均成活率为78.9%[13]，在计算时需要扣除放苗的背景值。
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在2018年涠洲岛近海调查结果中，珊瑚礁区的水文理化参数并无显著性差异，相比之下，同年近岸潮滩区DIN和DIP浓度较高，其氮磷比（N/P）平均值明显低于珊瑚礁区，这可能与潮滩区沉积物−水界面的物质交换参与调节水体营养盐结构有关[2]（表1）。根据Justic等[14]提出的N/P标准分析整个调查海域，涠洲岛近海2018年大部分区域表现为磷限制。2019年，DIN、DIP的浓度范围分别为0.54～6.20 μmol/L和0.08～0.26 μmol/L；N/P范围为4.80～31.70，平均值为16.2。
区域 站位 采样时间 水深/m 温度/℃ 盐度 DIN/μmol·L−1 DIP/μmol·L−1 N/P 珊瑚礁区 W1 2018.5 4.9 29.4 32.3 2.41 0.09 28.6 W2 2018.5 5.2 29.6 32.21 3.65 0.1 36.7 W3 2018.5 5.5 30 32.09 2.62 0.11 23.5 W4 2018.5 7.5 29.8 32.31 3.3 0.14 23.7 W5 2018.5 5.7 29.2 32.06 2.19 0.11 19.9 W6 2018.5 4.7 28.5 32.32 5.45 0.16 33.9 W7 2018.5 3.6 28.3 32.4 4.1 0.14 29.3 平均值 5.3 29.3 32.24 3.39 0.12 27.9 近岸潮滩区 I1 2018.5 0.5 32.5 32.4 3.26 0.27 11.9 I2 2018.5 0.5 28.7 32.35 4.74 0.24 20 I3 2018.5 0.5 33.3 32.1 2.31 0.16 15.9 I4 2018.5 0.5 30.5 32.3 3.16 0.28 11.5 I5 2018.5 0.5 31.7 32.38 5.69 0.26 21.8 平均值 0.5 31.3 32.31 3.84 0.24 16.2 涠洲岛南湾 范围 2019.5 1.50~11.60 28.60~30.60 32.46~32.57 0.54~6.20 0.08~0.26 4.80~31.7 平均值 7.42 29.6 32.51 2.46 0.15 16.2 近岸潮滩区 I1 2019.5 0.50 31.7 32.55 2.70 0.26 10.7 表 1 2018年5月和2019年5月涠洲岛近海表层海水的理化特征
Table 1. Physical and chemical characteristics of surface seawater around Weizhou island in May 2018 and May 2019
2018年与2019年相同的站位为近岸潮滩站位I1，其DIN由2018年的3.27 μmol/L下降至2019年的2.70 μmol/L，DIP浓度差异较小；N/P由2018年的11.9下降至2019年的10.7。污水排放、旅游、水产养殖等人类活动增加，造成涠洲岛周围DIN浓度以及N/P逐年增加[15]。
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2019年5月，涠洲岛南湾表、底层海水的温度、盐度水平分布如图2所示。表层水温范围为28.6 ℃～30.4 ℃，其水平分布表现为由近岸向湾外逐渐递减的趋势（图2a），底层水温范围为28.3 ℃～29.8 ℃，平均值稍低于表层（图2b）。调查海域表层盐度范围为32.46～32.57（图2c），底层盐度范围为32.47～32.53（图2d），表、底层海水盐度差异不明显。调查期间，涠洲岛南湾温度、盐度总体表现为由近岸向外海递减的趋势，表明有低温、低盐的海水输入。
图 2 涠洲岛南湾海域表、底层海水的温度、盐度分布
Figure 2. The distribution of temperature and salinity in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
涠洲岛南湾海域表、底层营养盐的平面分布特征如图3和图4所示。表、底层NH4+的分布趋势基本一致，浓度为0.01～0.86 μmol/L，底层浓度稍高于表层，湾中部海域出现高值区，这可能与该区域的养殖活动有关（图3a和图3b）。表、底层NO3−分布趋势的差异较为明显，表层NO3−浓度（0.01～4.83 μmol/L）呈现湾内低、湾口高的趋势，底层NO3−浓度（4.06～7.41 μmol/L）明显高于表层，高值出现在养殖活动密集的区域（图3c和图3d）。
图 3 涠洲岛南湾海域表、底层海水中NH4+和NO3−的浓度分布
Figure 3. The distribution of NH4+ and NO3− concentrations in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
图 4 涠洲岛南湾海域表、底层海水中DIP浓度和N/P分布
Figure 4. The distribution of DIP concentration and N/P ratio in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
表、底层DIP浓度分布趋势基本一致（图4a和图4b），DIP浓度分别为0.08～0.26 μmol/L和0.11～0.35 μmol/L，底层浓度略高于表层。表、底层海水的N/P差异较大（图4c和图4d），表层海水的N/P普遍较低，范围为3.4～31.7，平均值为16.2，湾外高于湾内。底层N/P较高，范围为15～84，平均值为44，呈现由湾内中心向四周递减的趋势。受养殖投料及生物排泄等活动的影响，养殖活动密集区域的有机质含量较高，其在沉降过程中降解释放DIN[16]，使湾内底层海水的DIN浓度明显高于表层，导致涠洲岛南湾底层海水N/P远高于表层。总体来说，涠洲岛南湾的营养盐水平分布总体呈现湾外高、湾内低的趋势，由此推断，外海输入是涠洲岛海域营养盐的主要来源。垂直分布上，由于湾内养殖贝类排泄的有机质会降解释放大量的营养盐[17]，所以底层水营养盐浓度高于表层。
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DIN来源于地下水（47.74%）、贝类排泄释放（21.57%）、降水（17.59%）和外海交换（13.10%），通过沉积物−水界面交换（91.42%）、贝类收获移除（8.46%）和余流（0.12%）输出，2019年涠洲岛南湾DIN净收支为−9.45×105 mol/a（表2）。DIP来源于沉积物−水界面交换（76.50%）、贝类排泄释放（11.25%）、外海交换（7.76%）、地下水（3.76%）以及降水（0.73%），通过贝类收获移除（96.58%）和余流（3.42%）输出，2019年涠洲岛南湾DIP净收支为0.95×105 mol/a（表2）。
表 2 涠洲岛南湾营养盐的收支计算结果（×105 mol/a）
Table 2. Nutrient budgets for the south bay of Weizhou island (×105 mol/a)
海底地下水排放的营养盐年输入量接近降水年输入量的3倍，地下水的排放是南湾海域营养盐的主要来源（表2）。余流将营养物质从湾内输送到湾外，而外海交换的输送方向相反，且外海交换输入量远大于余流输出量。贝类养殖影响海域营养盐的形式包括贝类排泄释放和贝类收获移除。由营养盐收支模型计算得出，贝类释放是南湾DIN和DIP重要的输入途径，养殖贝类释放因其营养盐浓度高、范围广成为营养盐输入的重要组成部分，而贝类收获移除也是营养盐输出的重要途径。
沉积物−水界面营养盐的交换是DIN的主要移除途径，是DIP的主要来源。但值得注意的是，沉积物−水界面营养盐交换的估算存在一定的不确定性，一方面，FTR实验结果不能完全代表原位的沉积物−水界面交换通量，具体原因可以参照Ning等[18]的解释；另一方面，涠洲岛南湾包括不同珊瑚种类、沉积物、礁石等底质类型，但是本研究仅用少数站位的沉积物−水界面营养盐交换通量来估算整个南湾海底界面的营养盐交换通量。
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DIN由海水迁移至沉积物中，且通量随有机碳含量的增加而增大（图5a）。过量有机质可为反硝化细菌提供更多的能量，而反硝化作用将氮转化为N2，这可能有助于缓解水体的氮过剩[2, 16]。DIP由沉积物释放至海水中，其通量随有机碳含量的增加而增大（图5a）。海水的磷通量同样取决于诸多因素，如有机磷再矿化、碳酸钙沉淀溶解释放DIP，沉积物−水界面的营养盐交换可以缓解磷限制。有机质降解的同时产生CO2，促进沉积物碳酸钙溶解，进而使钙结合态磷释放出来[18-19]。
图 5 不同有机碳浓度梯度下沉积物−水界面DIN和DIP的交换通量
Figure 5. Fluxes of DIN and DIP at sediment-seawater interface under different gradients of organic carbon contents
在培养过程中，海水流过沉积物后，N/P明显降低，其降低幅度随有机碳含量的增加而增大（图5b）。历史数据表明，涠洲岛近海N/P失衡并以N/P偏高为主[15]，而N/P偏高会导致珊瑚对热白化的响应敏感性增加[1]，所以，沉积物−水界面营养盐交换导致的N/P降低可能有利于珊瑚礁区的珊瑚生长[8, 18]。
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（1）2018－2019年，涠洲岛海域近岸潮滩区营养盐浓度高于珊瑚礁区，但其N/P低于珊瑚礁区，南湾海域营养盐浓度呈现湾外高、湾内低的趋势，主要受低温、低盐、高营养盐的外海输入影响。
（2）2019年，涠洲岛南湾的DIN和DIP净收支分别为−9.45×105 mol/a和0.95×105 mol/a。地下水输入和沉积物−水界面营养盐交换分别是湾内DIN和DIP的主要来源，而沉积物−水界面营养盐交换和贝类收获分别是湾内DIN和DIP的主要输出途径。
（3）沉积物−水界面在调控涠洲岛海域营养盐浓度及结构方面起到关键作用，可能有利于该海域珊瑚礁区的珊瑚生长。
致谢：在2019年5月广西大学海洋科学专业实习期间，2016级全体本科生参与了涠洲岛南湾的水质分析和样品采集，在此表示谢意。
基于LOICZ收支模型的涠洲岛近海营养盐浓度及结构变化的关键影响因素研究
Key factors affecting the concentrations and structures of nutrients around Weizhou island based on the LOICZ model
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摘要: 本文根据2018－2019年广西涠洲岛近海营养盐的时空变化数据，采用海岸带海陆相互作用（LOICZ）营养盐收支模型对涠洲岛南湾营养盐进行收支估算，研究了影响营养盐浓度及结构变化的关键因素。此外，本研究利用流动式反应器（FTR）模拟实验，探究了在不同的有机碳含量条件下，沉积物−水界面营养盐交换对海水营养盐浓度及结构的影响。研究结果表明：（1）受南湾湾外营养盐输入的影响，溶解无机氮（DIN）和溶解无机磷（DIP）的浓度均呈现湾外高、湾内低的趋势；（2）南湾DIN和DIP净收支分别为−9.45×105 mol/a和0.95×105 mol/a，地下水输入和沉积物−水界面营养盐交换分别是湾内DIN和DIP的主要来源，沉积物−水界面营养盐交换是湾内DIN的主要输出途径，而贝类收获移除了湾内96.6%的DIP；（3）在有机碳含量（0.05%~0.23%）梯度变化的FTR实验中，海水流经沉积物后，DIN浓度降低，DIP浓度升高，沉积物−水界面营养盐的交换可以有效降低海水的氮磷比（N/P）。该研究结果可为科学评估营养盐对涠洲岛周围海域珊瑚礁的潜在影响以及近海环境生态管理提供科学依据。Abstract: We investigated the spatiotemporal variation of nutrients in the coastal seawater around Weizhou island, Guangxi from 2018 to 2019, and clarified the key factors affecting the nutrient concentration and structure using nutrient budget model from the Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ) research program. Furthermore, a flow-through reactor (FTR) experiment was implemented to assess the effects of benthic nutrient fluxes on nutrient concentrations and structures under different organic carbon conditions. The results were as followed: (1) The concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) were affected by nutrient inputs outside the south bay, and their concentrations were higher outside the bay than those inside the bay; (2) The net budget values of DIN and DIP were −9.45×105 mol/a and 0.95×105 mol/a. The DIN input to the bay was mainly attributed to the discharge of groundwater, while the DIN output was mainly due to the uptake of DIN by sediments; the release of phosphorus from the sediments contributed the most of DIP input, and the harvest of shellfish removed 96.6% of DIP; (3) In the FTR experiment, DIN concentration decreased and DIP concentration increased after the seawater flowing through the sediments, and thus the nitrogen phosphorus ratio (N/P) in seawater was reduced. The research can provide a basis for scientific assessment of the potential impact of nutrients on the coral reefs around Weizhou island and reasonable suggestions for the management of coastal environment.
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Key words:
- Weizhou island /
- nutrients /
- sediment-seawater interface /
- aquaculture activities /
- N/P
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图 1 涠洲岛采样站位（黄色和红色分别代表近岸潮滩区域和珊瑚礁区域）
Figure 1. Map of sampling sites around Weizhou island (yellow and red areas are tidal flat and coral area, respectively)
图 2 涠洲岛南湾海域表、底层海水的温度、盐度分布
Figure 2. The distribution of temperature and salinity in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
图 3 涠洲岛南湾海域表、底层海水中NH4+和NO3−的浓度分布
Figure 3. The distribution of NH4+ and NO3− concentrations in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
图 4 涠洲岛南湾海域表、底层海水中DIP浓度和N/P分布
Figure 4. The distribution of DIP concentration and N/P ratio in surface and bottom seawater in the south bay of Weizhou island
图 5 不同有机碳浓度梯度下沉积物−水界面DIN和DIP的交换通量
Figure 5. Fluxes of DIN and DIP at sediment-seawater interface under different gradients of organic carbon contents
表 1 2018年5月和2019年5月涠洲岛近海表层海水的理化特征
Table 1. Physical and chemical characteristics of surface seawater around Weizhou island in May 2018 and May 2019
区域 站位 采样时间 水深/m 温度/℃ 盐度 DIN/μmol·L−1 DIP/μmol·L−1 N/P 珊瑚礁区 W1 2018.5 4.9 29.4 32.3 2.41 0.09 28.6 W2 2018.5 5.2 29.6 32.21 3.65 0.1 36.7 W3 2018.5 5.5 30 32.09 2.62 0.11 23.5 W4 2018.5 7.5 29.8 32.31 3.3 0.14 23.7 W5 2018.5 5.7 29.2 32.06 2.19 0.11 19.9 W6 2018.5 4.7 28.5 32.32 5.45 0.16 33.9 W7 2018.5 3.6 28.3 32.4 4.1 0.14 29.3 平均值 5.3 29.3 32.24 3.39 0.12 27.9 近岸潮滩区 I1 2018.5 0.5 32.5 32.4 3.26 0.27 11.9 I2 2018.5 0.5 28.7 32.35 4.74 0.24 20 I3 2018.5 0.5 33.3 32.1 2.31 0.16 15.9 I4 2018.5 0.5 30.5 32.3 3.16 0.28 11.5 I5 2018.5 0.5 31.7 32.38 5.69 0.26 21.8 平均值 0.5 31.3 32.31 3.84 0.24 16.2 涠洲岛南湾 范围 2019.5 1.50~11.60 28.60~30.60 32.46~32.57 0.54~6.20 0.08~0.26 4.80~31.7 平均值 7.42 29.6 32.51 2.46 0.15 16.2 近岸潮滩区 I1 2019.5 0.50 31.7 32.55 2.70 0.26 10.7 
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表 2 涠洲岛南湾营养盐的收支计算结果（×105 mol/a）
Table 2. Nutrient budgets for the south bay of Weizhou island (×105 mol/a)
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