廣西近海營養(yǎng)鹽的時空分布特征

辛 明,王保棟,孫 霞,謝琳萍

(國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061)

廣西沿海位于我國海岸線的西南端,南瀕北部灣,東與廣東省交界于英羅港,西與越南交接于北侖河口。廣西沿海岸線迂回曲折,港灣眾多,岸線上分布有鐵山港(灣)、廉州灣、欽州灣、防城港(灣)、珍珠港(灣)、大風(fēng)江口等10多個大小港灣和河口。

近年來,隨著廣西沿岸經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類活動對廣西近海生態(tài)環(huán)境的影響也越來越明顯。大量污染物進入近海造成近岸、港灣和近海環(huán)境惡化,海洋污染呈加重趨勢。N、P、Si作為海洋生物所必需的營養(yǎng)成分,是海水富營養(yǎng)化的重要指標(biāo),也是浮游植物生長的主要生源要素,其生物地球化學(xué)循環(huán)對海洋生態(tài)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用[1]。因此研究該海區(qū)生源要素的分布及變化特征,對于了解該灣的水質(zhì)狀況及在該水域的生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程具有重要意義。

1 調(diào)查站位與分析方法

1.1 調(diào)查時間與站位布設(shè)

在廣西近海共布設(shè) 6條斷面(圖 1),共 53個站位。其中近岸25個站,編號為BB和GX系列; 近海27個站,編號為B系列。于2006年7月和12月、2007年4月和10月進行了夏、冬、春、秋4個航次的調(diào)查。

1.2 分析方法

樣品的采集、保存和分析均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-1998)[2]進行。營養(yǎng)鹽水樣經(jīng)0.45 μm的醋酸纖維素濾膜抽濾,磷酸鹽采用磷鉬藍(lán)法,硝酸鹽采用鋅鎘還原法,亞硝酸鹽采用萘乙二胺分光光度法,氨氮采用次溴酸鹽氧化法,硅酸鹽采用硅鉬藍(lán)法。溫度和鹽度用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI6000)現(xiàn)場測定。

圖1 廣西近海調(diào)查站位Fig.1 Sampling sites in Guangxi coastal area

2 結(jié)果與討論

2.1 平面分布

2.1.1 春季

由圖 2a、2b、2c可以看出,調(diào)查海區(qū)內(nèi)營養(yǎng)鹽的總體趨勢是近岸高、遠(yuǎn)岸低,從近岸向外營養(yǎng)鹽濃度呈梯度快速降低,與鹽度的分布趨勢相反(圖3a)。高值出現(xiàn)在近岸的3個區(qū)域,一是廉州灣內(nèi),磷酸鹽(PO4-P)濃度大于 0.5 μmol/L,SiO3-Si濃度大于 30 μmol/L,溶解無機氮(DIN=NO3-N + NO2-N +NH4-N)濃度大于15 μmol/L,顯然,其與南流江的徑流輸入有很大關(guān)系; 另一個區(qū)域是茅尾海,PO4-P濃度大于 0.4 μmol/L,SiO3-Si濃度大于 25 μmol/L; DIN濃度大于15 μmol/L,主要原因是茅尾海上游的茅嶺江和欽江徑流的影響。第三個高值區(qū)出現(xiàn)在鐵山港灣,PO4-P濃度大于 0.5 μmol/L,SiO3濃度大于 30 μmol/L,DIN濃度大于6 μmol/L,三類營養(yǎng)鹽之間較好的相關(guān)性說明其具有良好的同源性。其他海域的營養(yǎng)鹽濃度較低,PO4-P濃度低于0.3 μmol/L; SiO3-Si濃度低于20 μmol/L; DIN濃度低于5 μmol/L。尤其是西南部的開闊海域,PO4-P濃度低于0.05 μmol/L;SiO3-Si濃度低于 5 μmol/L; DIN 濃度低于 2 μmol/L。

圖2 廣西近海表層海水營養(yǎng)鹽的平面分布Fig.2 Horizontal distributions of nutrients in surface waters of Guangxi coastal area

圖3 廣西近海表層海水鹽度的平面分布Fig.3 Horizontal distributions of salinity in surface waters of Guangxi coastal area

2.1.2 夏季

調(diào)查海區(qū)內(nèi)SiO3-Si和DIN的總體趨勢也是近岸高、遠(yuǎn)岸低,從近岸向外營養(yǎng)鹽濃度呈梯度快速降低,且等值線較春季更為密集。但 PO4-P的分布趨勢則剛好相反,即近岸低、遠(yuǎn)岸高。近岸海域,絕大部分站位PO4-P濃度低于0.15μmol/L,而遠(yuǎn)岸海域則普遍高于 0.15μmol/L,最高值出現(xiàn)在雷州半島與潿州島之間的海域,PO4-P濃度大于 0.4 μmol/L(圖 2d)。PO4-P的這一分布趨勢與葉綠素a的分布趨勢(圖略)相反,說明浮游植物對PO4-P的消耗有一定影響; 此外,PO4-P濃度高值區(qū)往往是鹽度高值區(qū)(S＞ 33.0,圖3b),說明外海高PO4-P濃度海水的輸入也有一定的貢獻。SiO3-Si與DIN濃度都是從海區(qū)北部廉州灣和茅尾海向外逐漸降低(圖 2e、f),具有明顯的河口特征。SiO3-Si與DIN濃度在2處高值區(qū)均分別大于25 μmol/L和 15 μmol/L,而在南部開闊海域兩者濃度分別低于5 μmol/L和1 μmol/L。大風(fēng)江、南流江等徑流的輸入,是造成廉州灣及茅尾海 SiO3-Si和DIN濃度高的主要原因,而外海水的入侵是造成西南開闊海域營養(yǎng)鹽濃度較低的主要因素。

2.1.3 秋季

三類營養(yǎng)鹽的分布趨勢基本相似,高值區(qū)均出現(xiàn)在茅尾海海域,雷州半島沿岸出現(xiàn)中值區(qū),西南海域仍為最低值(圖 2g、h、i)。其中,PO4-P在茅尾海的濃度大于 0.4 μmol/L,SiO3-Si濃度大于 40 μmol/L; DIN濃度大于20 μmol/L; 而西南部海域的營養(yǎng)鹽濃度依次低于 0.05、5 和 2 μmol/L。在鐵山港內(nèi)的GX01測站為第二高值區(qū),PO4-P濃度為0.24 μmol/L; SiO3-Si濃度為26.5 μmol/L; DIN濃度為16.6 μmol/L。在茅尾海的入海處和鐵山港最北部濃度較高,其他海域相對較低,而在南流江、大風(fēng)江等河口沒有出現(xiàn)高值。此分布趨勢與鹽度分布(圖3c)剛好相反,說明其主要影響因素是陸源輸入。

2.1.4 冬季

PO4-P和 DIN在海區(qū)內(nèi)分布較其他季節(jié)均勻,大體上呈現(xiàn)出中間低,四周高的趨勢(圖2j、l),在調(diào)查海區(qū)東南部 PO4-P和 DIN的濃度分別高于 0.15 μmol/L和 7.5 μmol/L,其他海域兩者濃度普遍低于0.1 μmol/L 和 4.5 μmol/L。SiO3-Si在欽州灣海域濃度較其他海區(qū)高(圖 2k),其濃度大于 18 μmol/L,其余海區(qū)普遍低于10 μmol/L。此分布趨勢與鹽度分布(圖3d)基本相反,說明其的影響因素主要是陸源輸入。此外,由于冬季徑流輸減少,導(dǎo)致三類營養(yǎng)鹽同時出現(xiàn)一年中的最低值。

2.2 季節(jié)變化

廣西近海PO4-P、SiO3-Si、DIN濃度的平均值全年變化范圍分別為 0.065～0.22 μmol/L、8.45～14.74 μmol/L、2.89～4.51 μmol/L。PO4-P 濃度的季節(jié)變化為夏季最高,春季次之,秋季再次,而冬季最低。SiO3-Si和DIN的濃度為秋季最高,春夏季次之且相差較少,3類營養(yǎng)鹽濃度最低值都出現(xiàn)在冬季(圖4)。

圖4 廣西近海營養(yǎng)鹽平均值的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of nutrients in Guangxi coastal area

從圖4可以看出,PO4-P的季節(jié)變化呈春、夏高,秋、冬低的趨勢,且變化較大,春夏明顯高于秋冬;DIN與SiO3-Si則呈現(xiàn)出秋高、冬低,春夏居中的變化趨勢,且四個季節(jié)變化較小,春夏基本持平。夏季和秋季調(diào)查海區(qū)正處于豐水期,存在較大的河流徑流輸入,陸源輸入影響最大,使?fàn)I養(yǎng)鹽出現(xiàn)高值。但由于夏季水溫高、光照強,浮游植物活動旺盛,消耗的營養(yǎng)鹽較多,從而使SiO3-Si和DIN此時出現(xiàn)低值,高值出現(xiàn)在水溫稍低的秋季,而 PO4-P的季節(jié)變化與兩者不同,夏季高于其他季節(jié),秋季大約為夏季的一半,這說明 PO4-P的濃度是多種因素的綜合影響。調(diào)查顯示,春秋兩季的葉綠素a濃度比夏冬兩季要低,冬季正值枯水期,陸地徑流輸入較少,所以補充源較少,而冬季的葉綠素 a分布顯示浮游植物依然較強,使得消耗速率大于補充速率,因此3類營養(yǎng)鹽均出現(xiàn)最低值。

表1 廣西近海海域營養(yǎng)鹽濃度及其比值的平均值Tab.1 Nutrient concentrations and ratios in Guangxi coastal area

2.3 營養(yǎng)鹽比值

Si∶N∶P的摩爾比可用來判斷海域浮游植物營養(yǎng)鹽的限制情況。研究表明[4],浮游植物吸收硅鹽、氮鹽和磷鹽通常按當(dāng) Si∶N∶P的原子比應(yīng)為16∶16∶1這一比例(Redfield系數(shù)[5～7]),某一元素濃度偏離過高或過低都可能引起浮游植物的生長受到這一元素的限制。Justic[8]總結(jié)了營養(yǎng)鹽限制浮游植物生長需要的硅、無機氮和無機磷閾值(Si=2 μmol/L,DIN=1 μmol/L,DIP=0.1 μmol/L),此法則為營養(yǎng)鹽限制的絕對法則[9]。Dortch等[10]提出了一個更為保守的營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn),N 限制：DIN＜1μmol/L,DIN/PO4-P＜10; P 限制：PO4-P ＜0.2 μmol/L,DIN/PO4-P ＞30; Si 限制：SiO3-Si＜2 μmol/L,SiO3-Si/DIN＜1,SiO3/PO4-P＜3。采用后者[11]應(yīng)用于廣西近海海域。調(diào)查結(jié)果表明(表1),海區(qū)四季SiO3-Si濃度始終大于2 μmol/L,SiO3-Si/DIN＞2,SiO3/PO4-P＞40,SiO3- Si在該海域濃度豐富; DIN濃度四季始終大于 1 μmol/L,DIN/PO4＞14,DIN濃度較高,因此DIN不會成為該海域浮游植物的限制性因素; PO4-P濃度在該海區(qū)的變化范圍是 0.06～0.22 μmol/L,僅在夏季 PO4-P ＞0.2 μmol/L,春秋冬三季均小于0.2 μmol/L,且在秋冬季DIN/ PO4-P ＞30,因此在該海域PO4-P為浮游植物的限制性因素,為貧P型海區(qū),符合磷限制已成為中國近海河口區(qū)域的特征[12],在春季由于水溫升高,浮游植物活動旺盛,消耗較多的營養(yǎng)鹽,使得海域的DIN與PO4-P濃度均較低,因此,在春季該海區(qū)為寡營養(yǎng)鹽海區(qū)。

3 結(jié)語

廣西近海營養(yǎng)鹽的分布趨勢是由北向南呈梯度快速遞減,高值區(qū)主要是出現(xiàn)在廉州灣、茅尾海和鐵山港海域,其中春、夏及秋季廉州灣海域和鐵山港海域營養(yǎng)鹽濃度近岸較高,這說明海區(qū)營養(yǎng)鹽的濃度主要受陸地徑流的影響; 在冬季,營養(yǎng)鹽在海區(qū)分布較均勻,高低值相差不大。西南海區(qū)常年出現(xiàn)最低值,主要原因是外來海水的入侵。

從季節(jié)變化來看,PO4-P為夏季最高,春季次之,秋季再次,冬季最低; SiO3-Si和 DIN的濃度為秋季最高,春夏季次之,冬季最低。

該海區(qū)SiO3-Si濃度較豐富,DIN四季濃度均大于浮游植物生長所需最低值,因此兩者都不是浮游植物的限制性因素。春季,PO4-P和DIN濃度均較低,此時為寡營養(yǎng)狀態(tài); 夏季 PO4-P濃度能滿足浮游植物生長需要; 在秋冬兩季磷是該海區(qū)浮游植物生長的限制性元素。

致謝：本文是廣西 908專項之水體調(diào)查和成果集成項目的一部分,文中使用了由廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院提供的ST09區(qū)塊的部分站位的調(diào)查數(shù)據(jù),在此表示感謝。

[1]宋金明,羅延馨,李鵬程.渤海沉積物-海水界面附近磷和硅的生物地球化學(xué)循環(huán)模式[J].海洋科學(xué),2000,24(12)：30-32.

[2]GB17378-1998,海洋監(jiān)測規(guī)范[S].

[3]高生泉,林以安,金明明,等.春秋季東黃海營養(yǎng)鹽的分布變化特征及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[J].東海海洋,2004,22(4)：38-50.

[4]韋蔓新,童萬平,何本茂,等.北海灣溶解性Si的地球化學(xué)特征[J].海洋環(huán)境科學(xué),2001,20(4)：26-29.

[5]王保棟.黃海和東海營養(yǎng)鹽分布及其對浮游植物的限制[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(7)：1 122-1 126.

[6]王保棟,戰(zhàn)閏,藏家業(yè).黃海、東海浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制性因素初探[J].海洋學(xué)報,2003,25(2)：190-195.

[7]王保棟,陳愛萍,劉峰.海洋中 Redfield比值的研究[J].海洋科學(xué)進展,2003,21(2)：232-235.

[8]Justic D,Rabalais N N,Turner R E,et al.Changes in nutrient structure of river-dominated coastal waters：stoichiometric nutrient balance and its consequences [J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,1995,40：339-356.

[9]楊東方,張經(jīng),陳豫,等.營養(yǎng)鹽限制的唯一性因子探究[J].海洋科學(xué),2001,25(12)：49-51.

[10]Dortch Q,Whitedge T E.Does nitrogen or silicon limit phytoplankton production in the Mississippi River plume and nearby region? Cont[J].Shelf Res,1992,12：1 293-1 309.

[11]王保棟.長江口及鄰近海域富營養(yǎng)化狀況及其生態(tài)效應(yīng)[D].中國海洋大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.

[12]郭衛(wèi)東,章小明,楊逸萍,等.中國近岸海域潛在性富營養(yǎng)化程度的評價[J].臺灣海峽,1998,17(1)：64-70.

[13]任玲,楊軍.海洋中氮營養(yǎng)鹽循環(huán)及其模型研究[J].地球科學(xué)進展,2000,15(1)：58-64.