海南新村潟湖潮汐、潮流特征及其对营养盐的影响

张奕璞，于 硕，黄大吉,1，周泽斌

(1.河海大学海洋学院，江苏 南京 210098；2.广西北部湾海洋资源环境与可持续发展重点实验室，自然资源部第四海洋研究所，广西 北海 536015；3.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；4.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引言

海岸潟湖是陆海之间的过渡空间，生态环境动态变化快、生物生产力和多样性高。然而大多数潟湖和外海的水体交换有限，加上近岸人类活动干扰，沿海潟湖容易发生富营养化，导致潟湖生态系统功能下降[1]。

海南陵水新村潟湖位于海南岛东南部，潟湖通过唯一口门与外海相连，口门“咽喉”处宽约260 m。新村潟湖内分布有海草床、红树林和珊瑚礁等典型生态系统，具有较高的生物多样性，极具研究和保护价值。其中，海草床分布面积较大，海草物种多样性高(有9～10种海草)，是我国热带海草生态系统的典型代表区域。因此，海南省在2007年成立了我国第一个省级海草床特别保护区[2]。近年来，由于过度的人类活动干扰，如潟湖内大量的水产养殖、生活垃圾和废水直接排放入海等，导致潟湖内水质下降，局部水域富营养化现象严重，藻类大量暴发，潟湖的生态环境受到负面影响[3]。王芬 等[4]研究发现2004—2009年新村潟湖富营养指数较低，自2010年以来有明显上升的趋势，2013年达到极值，已超过富营养标准值，潟湖呈富营养化状态；2006年新村潟湖暴发赤潮，氮磷比值升高至54～220。近几年新村潟湖内海草床生态系统处于亚健康状态，且出现了较大程度的退化[4-5]。据统计，2009年，新村潟湖内的海草床面积约为400 hm2[2]；截至2020年，新村潟湖的海草床面积已经退化至110 hm2左右(1)杨熙 等，未发表数据。。营养盐浓度过高已经成为新村潟湖海草床退化的主要原因之一[6]。

与外海水体的交换能力是影响河口、海湾和潟湖营养盐分布和浓度高低的重要因素。任明吉[7]对珠江虎门河口研究发现，氮营养盐浓度与海水盐度、悬沙质量浓度呈显著负相关，说明河口水体交换对氮营养盐有重要影响。刘四光 等[8]发现在闽江口涨潮时，随着外海海水占比的提高，营养盐含量随着盐度的升高而逐步降低；落潮时，因为陆源冲淡水的作用，营养盐随着盐度的降低而逐渐升高。李瑞环[9]研究了八门湾潟湖的潮周期和营养盐变化，也发现了类似的规律，说明外海水对潟湖内的营养盐具有一定的稀释作用。

以往研究表明新村潟湖涨潮历时略大于落潮历时，口门处流速较大，内部区域流速较小，且落潮流速略大于涨潮流速[10]；新村潟湖的水体交换能力受潮差值和潮差历时变化影响较大，潟湖口门水体交换速率较快，受地形影响，潟湖中部南岸水体交换速率较慢[11]。目前对新村潟湖中营养盐和潮位变化特征之间关系的研究较少，而厘清二者之间的关系，掌握潟湖营养盐分布和变化机制，可为该潟湖的生态环境保护和治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置

2020年12月在新村潟湖口门及附近区域设置了3个观测站点，采集相关数据研究新村潟湖的水动力特征及其对营养盐输运扩散的影响。其中，S1站点位于潟湖口门，平均水深为10.14 m；S2站点位于潟湖内渔排密集处，平均水深为3.90 m；S3站点位于海草床内，平均水深为1.55 m(位置见图1)。

图1 海南新村潟湖观测站点设置

1.2 采样方法

自然资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)在新村潟湖口门及附近区域进行了连续25 h的定点观测及水样采集。S1和S2站点的流速和流向用声学多普勒流速仪(ADCP)观测，ADCP测量频率为10 min一次，测量层数为25层，单层厚度为0.50 m；S3站点的流速和流向用AANDERAA海流计观测。由于S2站点水深较浅，ADCP 测量受盲区影响严重，S3站点位于浅水区，流速受环境因素影响较大，所以在S2和S3站点观测的海流没有用于本文的研究分析。3个站点的潮位用RBR潮位计观测。

1.3 数据分析

滤液带回实验室，氮、磷、硅营养盐使用连续流动分析仪(SEAL AA3)进行测定。

所有数据经Matlab处理后用于分析潟湖潮位和营养盐之间的相关性。潮位与流速的滞后线性分析将潮位作为被解释变量，将与当前时刻对应的4 h前的流速作为解释变量。定义进入潟湖的水体流速方向为正，从潟湖进入外海的水体流速方向为负。潮位为观测水深和当地平均海平面之差。

2 结果与讨论

2.1 潟湖水动力特性

2.1.1 潮位变化特点

图2和图3分别为大、小潮期间新村潟湖3个站点的潮位。由观测结果可知，新村潟湖的潮汐类型为不规则全日潮，一次全潮周期中有一次最高潮和一次最低潮，与前人的研究结果相同[14]。依据潮位的变化趋势，可以将大潮分为两个阶段(图2)：大潮涨潮阶段(16日13:00—23:00，历时10 h；17日9:00—14:00，历时5 h)历时15 h；大潮落潮阶段(16日23:00—17日9:00)历时10 h。大潮全潮历时约25 h。

图2 2020年12月16日—17日大潮期间新村潟湖3个站点潮位

小潮也可分为两个阶段(图3)：小潮涨潮阶段(22日13:00—23日3:00，历时14 h；23日13:00—14:00，历时1 h)历时15 h；小潮落潮阶段(23日3:00—13:00)历时10 h。小潮全潮历时约25 h。

图3 2020年12月22日—23日小潮期间新村潟湖3个站点潮位

观测期间3个站点潮位基本保持一致。大潮期间，3个站点的平均高潮位为0.91±0.04 m，平均低潮位为-0.76±0.04 m，平均最大潮差为1.67±0.08 m。小潮期间，3个站点的平均高潮位为0.27±0.03 m，平均低潮位为-0.36±0.01 m，平均最大潮差为0.63±0.04 m。

前人研究结果表明[15]，新村潟湖平均潮差为 0.50 m，最大可能潮差为1.63 m。本次观测期间，大潮平均最大潮差与之前研究结果的最大可能潮差基本一致。

2.1.2 流速特点

大、小潮期间，口门处(S1站点)的潮流可分为涨潮流和落潮流(图4和图5)。大潮涨潮期间，口门外海水通过潮流以入湾水体的形式进入新村潟湖内，涨潮最大流速为1.22 m/s，平均流速为0.68±0.29 m/s；落潮期间，湾内水体以潮流退潮的形式离开新村潟湖，最大流速为1.42 m/s，平均流速为0.97±0.38 m/s。小潮涨潮期间，最大流速为0.56 m/s，平均流速为 0.23±0.18 m/s；落潮期间，潟湖内水体流向指向潟湖外，最大流速为0.57 m/s，平均流速为0.30±0.15 m/s。S1站点潮流流向在垂向上分布一致，潮流没有出现分层现象，涨潮时流向指向口门内，落潮时流向指向口门外，因此本研究使用S1站点的垂向平均流速和流向来指代S1站点的潮流状况。

图4 2020年12月16日—17日大潮期间S1站点垂向平均流速及流向变化

图5 2020年12月22日—23日小潮期间S1站点垂向平均流速及流向变化

本次全潮过程中，大潮平均流速大小为0.80±0.26 m/s，小潮平均流速大小为0.25±0.17 m/s。大潮平均流速远大于小潮平均流速。大潮和小潮的全潮历时均为25 h，涨潮历时(15 h)明显大于落潮历时(10 h)。大、小潮潮流为往复流，落潮平均流速大于涨潮平均流速，这与王丹 等[16]的研究结果一致。

2.2 营养盐的时空变化特征

表1 大潮和小潮期间3个观测站的DIN、浓度特征值

图6 2020年12月16日—17日大潮期间S1站点表、中、底层浓度的时间变化

图7 2020年12月22日—23日小潮期间S1站点表、中、底层浓度的时间变化

图8 2020年12月16日—17日大潮期间新村潟湖各站点潮位和浓度的时间变化

图9 2020年12月22日—23日小潮期间新村潟湖各站点潮位和浓度的时间变化

2.3 潮位和流速对营养盐的影响

2.3.1 潮位与流速的相关分析

因为新村潟湖的潮位变化主要受口门处的海水交换影响，因此潟湖的潮位变化会受口门处流速的影响。由图8a和图9a可知，涨、落潮潮位的极值与口门处流速的极值在时间上存在滞后现象，因此对3个站点的平均潮位和口门处的流速进行滞后线性分析(图10)。口门处流速在时间上的积分为不同时间内单位空间通过的海水通量之和(潮通量之和)，为验证潮通量对潟湖潮位变化的影响，对流速积分和3个站点的平均潮位进行线性相关分析(图11)。

图10 大、小潮期间潮位与口门处流速的滞后分析(潮位滞后流速4 h)

在大、小潮流速和潮位的滞后分析中，口门处流速和3个站点平均潮位的滞后相关性都通过了可信度检验(p<0.05)，说明口门处流速对3个站点的潮位都有一定的影响。流速的极大值和极小值出现在涨潮和落潮的中间时刻，而3个站点平均潮位的极大值和极小值出现在口门处潮流流向发生变化时，口门处流速与潮位存在滞后效应，潮位约滞后流速4 h。

大、小潮口门处流速的积分与潮位之间的相关性分析也通过了可信度检验(p<0.05)，之前的研究表明新村潟湖主要受到潮汐的影响，因此潮通量与潟湖的潮位变化之间存在着联系。在涨潮期间，外海海水通过涨潮流进入潟湖，使潟湖中3个站点的潮位随之升高；在落潮期间，潟湖内的海水通过落潮流进入外海，潟湖中3个站点的潮位随之降低。大、小潮期间潮流流速积分与潮位相关分析的相关系数R2分别达到0.94和0.95，说明潮通量主导着3个站点的潮位变化。因为流速积分代表口门处单位时间内通过单位体积的潮通量，在潟湖口门不发生改变的情况下，潮通量主要由口门处流速决定，这说明口门处流速对3个站点的潮位有着决定性影响。

2.3.2 潮位和营养盐的相关分析

图12 大潮期间潮位与浓度相关性分布图

图13 小潮期间潮位与浓度相关性分布图

表2 不同站点在大、小潮时的潮位与DIN、浓度相关分析

3 结论与讨论

(1)2020年冬季，在新村潟湖的潮汐观测过程中，大潮期间，3个观测站点的平均最大潮差为1.67±0.08 m；小潮期间，3个观测站点的平均最大潮差为0.63±0.04 m。潟湖口门处潮流为往复流，涨潮时流速方向指向潟湖内，落潮时流速方向指向外海。

(2)潟湖口门处的流速对潟湖内3个观测站点的潮位有着重要影响，口门处流速和3个观测站点的潮位存在着滞后相关关系，由口门处流速决定的潮通量基本决定了3个观测站点的潮位变化。

(3)涨潮期间，潮流将外海低营养盐的海水带入新村潟湖，潟湖口门处和渔排密集区域的营养盐浓度总体随着潮位的上升而下降。落潮期间，潮流将新村潟湖的湾内海水带至外海，潟湖口门处和渔排密集处的营养盐浓度总体随潮位的下降而上升。潟湖口门处和渔排密集区域潮位与营养盐之间呈现显著的负相关关系，而海草床生长处的营养盐没有随着潮位变化呈现出明显的变化规律。

致谢感谢中国科学院南海所对本研究的完成给予了无私帮助，谨表谢忱！