冬季中國(guó)東海中溶解碳水化合物濃度分布

楊桂朋,吳冠偉,張艷萍

(中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

冬季中國(guó)東海中溶解碳水化合物濃度分布

楊桂朋,吳冠偉,張艷萍

(中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

采集了中國(guó)東海(2009-12～2010-01)35個(gè)站位的海水樣品,其中包括6個(gè)站位的垂直斷面。用TPTZ方法測(cè)定了溶解態(tài)的單糖(MCHO)、多糖(PCHO)和總糖(TCHO)的濃度,對(duì)其水平分布和PN斷面分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,受到長(zhǎng)江沖淡水和黑潮水的影響,表層海水中MCHO、PCHO和TCHO濃度的水平分布表現(xiàn)出由近岸向外海遞減的分布趨勢(shì)。PN斷面由于受冬季東北季風(fēng)的影響,水體混合強(qiáng)烈,使得MCHO、PCHO和TCHO濃度在垂直方向上分層無(wú)明顯規(guī)律。對(duì)長(zhǎng)江口外3個(gè)斷面海水中TCHO濃度與環(huán)境因子做了相關(guān)性研究。結(jié)果表明,TCHO濃度與鹽度和溫度呈顯著的線性負(fù)相關(guān),與Chl-a濃度呈線性正相關(guān)。

溶解碳水化合物;葉綠素a;濃度分布;中國(guó)東海

碳水化合物是海洋環(huán)境中普遍存在的化合物,是海洋中有機(jī)物質(zhì)的主要組成部分,分別占大洋表層和深層海水中溶解有機(jī)碳的6.5%～24%和15%～21%[1],在海洋碳循環(huán)中起著非常重要的作用。碳水化合物是浮游植物光合作用的直接產(chǎn)物,是細(xì)胞中主要的能量、存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)組分[2-4]。碳水化合物在生物體內(nèi)經(jīng)一系列的降解而釋放大量的能量,供生命活動(dòng)需要,是異養(yǎng)生物的主要能量來(lái)源[5];是蛋白質(zhì)、類脂、核酸、纖維素等的碳架及機(jī)體其它碳素的重要來(lái)源[6];也是生物體提供支撐保護(hù)作用的結(jié)構(gòu)物質(zhì),如纖維素、膠質(zhì)、殼質(zhì)等[7]。

陸架海域被認(rèn)為是生物生產(chǎn)力最活躍的區(qū)域,是陸地和海洋之間物質(zhì)傳送與轉(zhuǎn)化的交界區(qū)[8-9]。中國(guó)東海是世界上最有代表性的大陸架淺海區(qū)之一,由于水深較淺,季節(jié)變化較大,各種物質(zhì)的含量及分布也有非常大的變化。而且東海海域包括了黑潮主干及其分支水系、沿中國(guó)和九州的沿岸水、以及它們之間的混合水,水文狀況特別復(fù)雜。其PN斷面通過(guò)長(zhǎng)江淡水區(qū),橫切沖繩海槽并與黑潮主軸垂直,對(duì)研究東海的水文、化學(xué)和生態(tài)特征極具代表性[10]。

溶解態(tài)碳水化合物的分布在各海域已有一些研究,例如,印度洋[11],北冰洋[12],墨西哥灣[13]等,但對(duì)于冬季東海溶解態(tài)碳水化合物的分布研究卻未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此,本文首次研究了冬季東海溶解態(tài)碳水化合物在表層海水的水平分布和PN斷面的垂直分布,探討了溶解碳水化合物與海水中的葉綠素、溫度、鹽度等環(huán)境因素之間的關(guān)系,豐富了全球碳水化合物的海域調(diào)查資料,從而為進(jìn)一步研究碳水化合物在整個(gè)海洋環(huán)境中的生物地球化學(xué)過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 取樣

分析水樣于2009-12-23～2010-01-05隨“東方紅2”號(hào)科學(xué)考察船在東海近海海域(25°N～33°N,119°E～128°E)用12 L Niskin采水器或10 L塑料桶采集。采集后立即取300 mL海水樣品用Whatman GF/F玻璃纖維濾膜低壓過(guò)濾(不大于5 mm Hg),濾液分別裝入2個(gè)干凈玻璃樣品瓶中,一份于-20℃冷凍保存,用于測(cè)定碳水化合物;另一份滴加1～2滴飽和氯化汞于4℃冷藏保存,用于測(cè)定溶解有機(jī)碳。濾膜對(duì)折并用錫紙包好后于-20℃冷凍保存用于葉綠素a(Chl-a)測(cè)定。采樣過(guò)程中使用的所有濾膜及玻璃樣品瓶均經(jīng)500℃灼燒5 h。采樣站位如圖1所示。

圖1 中國(guó)東海的調(diào)查站位圖Fig.1 Locations of the sampling stations in the East China Sea

1.2 溶解碳水化合物的測(cè)定

本文通過(guò)TPTZ(2,4,6-三砒啶-s-三嗪,C18H12N6)分光光度法測(cè)定海水中溶解態(tài)單糖(MCHO)、多糖(PCHO)和總糖(TCHO)[14]。主要原理為:Fe3+被海水中的還原糖還原成Fe2+,Fe2+與TPTZ發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),生成紫色產(chǎn)物;然后通過(guò)紫外-可見分光光度計(jì)在特定波長(zhǎng)下檢測(cè)其吸光度。

簡(jiǎn)要步驟為:取1 mL海水于具塞試管中,加入1 mL堿性鐵氰化鉀溶液(0.7 mmol/L),混合均勻,水浴加熱10 min,立即加入1 mL三氯化鐵溶液(2.0 mmol/L)和2 mL TPTZ溶液(2.5 mmol/L),充分搖勻后,通過(guò)紫外-可見分光光度計(jì)(UV-2550,Shimadzu Co.,Japan)用1 cm石英比色皿在596 nm下測(cè)定其吸光度。根據(jù)葡萄糖工作曲線求得MCHO濃度。對(duì)于TCHO,首先取4 mL海水樣品于安瓿瓶中,加入0.4 mL 1 mol/L HCl,火焰密封后,在100℃下水解20 h,冷卻后打開,用1 mol/L NaOH中和,然后依照上述測(cè)MCHO的步驟測(cè)定TCHO濃度,由工作曲線得到的濃度乘以1.2即為TCHO濃度。PCHO濃度為TCHO與MCHO濃度之差。此方法的變異系數(shù)為2%～10%,檢出限為2.2μmol/L。1.3海水中葉綠素a的分析方法

圖2 冬季中國(guó)東海表層海水中MCHO、PCHO、TCHO(μmol/L)、以及Chl-a(μg/L)的濃度、溫度(℃)和鹽度的水平分布Fig.2 Horizontal distributions of concentrations of MCHO,PCHO,TCHO(μmol/L),Chl-a(μg/L),temperatuer(℃)and salinity in the surface seawater of the East China Sea during winter

Chl-a的含量采用熒光法測(cè)定[15],即將濾膜用10 mL 90%的丙酮溶液在4℃黑暗條件下萃取24 h,在4 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min,取上清液,在激發(fā)波長(zhǎng)為436 nm、發(fā)射波長(zhǎng)為670 nm條件下,用分子熒光分光光度計(jì)(F-4500,Hitachi Co.,Japan)測(cè)定其熒光信號(hào),由Chl-a工作曲線直接求得Chl-a的濃度,該方法檢出限為0.01μg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 東海表層海水中MCHO、PCHO和TCHO的濃度的水平分布

2009年冬季航次調(diào)查結(jié)果表明,TCHO的濃度范圍為2.8～24.0μmol/L,平均濃度為12.0μmol/L。其中MCHO的濃度范圍為0.7～11.4μmol/L,平均濃度為4.3μmol/L;PCHO的濃度幾乎是MCHO濃度的2倍,其濃度范圍為1.4～20.7μmol/L,平均為8.5μmol/L。與其它海域所測(cè)結(jié)果相比,本文所測(cè)得的TCHO濃度低于張艷萍和楊桂朋[16]測(cè)定的北黃海的值,略高于墨西哥灣[13]、白令海[17]以及北冰洋[12]海水中的濃度。同航次Chl-a在表層海水中的濃度范圍為0.20～1.06μg/L,平均濃度為0.53μg/L,與黃邦欽等[18]的研究結(jié)果相吻合。

調(diào)查海區(qū)表層海水中MCHO、PCHO和TCHO濃度的水平分布如圖2所示,MCHO濃度高值集中分布在近岸海區(qū),并由近岸向外海呈迅速遞減趨勢(shì)。這是由于冬季長(zhǎng)江徑流量小并受東北風(fēng)的影響,長(zhǎng)江沖淡水穿過(guò)杭州灣南下,并限于靠岸的一狹帶,使得東海近岸海域營(yíng)養(yǎng)鹽含量很高,且等值線幾乎與海岸線平行,呈現(xiàn)明顯的由近岸向外海方向遞減的趨勢(shì)[19]。在長(zhǎng)江口附近海域PCHO濃度出現(xiàn)高值區(qū),在站點(diǎn)PN10、DH01和DH02的濃度分別達(dá)到15.6、12.8、14.5μmol/L,這是由于長(zhǎng)江徑流攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)鹽向河口鄰近海域輸送,成為生物生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。另外,PCHO濃度在臺(tái)灣西北部附近海域也出現(xiàn)了高值區(qū),在站點(diǎn)KP04的濃度高達(dá)20.7μmol/L。與此同時(shí),在臺(tái)灣暖流和東海沿岸流的共同作用下,此海區(qū)形成高密度的浮游植物聚集區(qū),Chl-a濃度出現(xiàn)高值,達(dá)到1.06μg/L,兩者相吻合,說(shuō)明較高的浮游植物密度促進(jìn)了碳水化合物的合成和向海水中的釋放,導(dǎo)致此海區(qū)出現(xiàn)PCHO濃度高值。

高溫(>20℃)、高鹽(>34)、低營(yíng)養(yǎng)鹽(NO-3, PO3-4,SiO2-3分別小于1,0.2,5μmol/L)的黑潮表層水控制著東海東部海區(qū)[20],特別是冬季高溫高鹽的黑潮上層低營(yíng)養(yǎng)鹽水入侵陸架達(dá)100 m等深線以西,是一年中黑潮上層水西進(jìn)陸架最深入的季節(jié)[21],使得相應(yīng)區(qū)域的MCHO、PCHO、TCHO的濃度明顯偏低。

2.2 東海PN斷面海水中MCHO、PCHO和TCHO濃度的垂直分布

冬季東海PN斷面MCHO、PCHO、TCHO、Chla、溫度和鹽度的分布如圖3所示。其中MCHO、PCHO、TCHO的濃度范圍分別為0.1～9.0,0.2～15.6,0.7～17.5μmol/L,平均濃度分別為2.4,7.0, 8.6μmol/L。PCHO平均濃度占TCHO濃度的81.4%,說(shuō)明PCHO是海水中TCHO的主要組分。

由圖中溫鹽的分布發(fā)現(xiàn),冬季100 m以上海水垂直混合均勻,PN09站位以西出現(xiàn)了較強(qiáng)的鹽度鋒,表明是受到了長(zhǎng)江沖淡水的影響,因此該斷面西北側(cè)的MCHO和PCHO濃度也呈現(xiàn)出由近岸向外海方向迅速遞減的趨勢(shì)。在PN斷面東南側(cè)兩站位100 m以上水體中出現(xiàn)了PCHO濃度小于1μmol/L的低值區(qū),從圖3可以看出這2個(gè)站位的溫、鹽分布符合黑潮水的特征,表明黑潮水主流從該處經(jīng)過(guò),因此100 m以上水體中低濃度的PCHO主要是受貧糖的黑潮表層水和次表層水的影響。此外,還觀測(cè)到等鹽線隱約沿陸坡向陸架楔入(見圖3),表明黑潮次表層水有沿陸坡向陸架爬升的現(xiàn)象。受黑潮水對(duì)東海入侵的影響, PN03b站位的水體中,浮游植物生物量比較低,Chl-a濃度明顯低于相鄰站位。另外,在陸架邊緣的PN04站近底層海水中出現(xiàn)一PCHO濃度高值區(qū),其最高濃度可達(dá)14.7μmol/L,該區(qū)域水體中Chl-a含量(> 0.55μg/L)明顯高于相鄰站位,意味著該P(yáng)CHO濃度高值區(qū)的形成與生物活動(dòng)有密切的聯(lián)系。這也可能是底層沉積物再懸浮作用所致[3]。

周偉華等[22]的研究結(jié)果表明,由于冬季東北季風(fēng)強(qiáng)烈引起劇烈的海水垂直運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致水體強(qiáng)烈混合,使得40 m以上的表層、中層和底層3個(gè)水層的Chl-a濃度非常接近,這與作者的研究結(jié)果大致吻合,如圖3所示,在PN08站位以東,40 m以上水體中的Chl-a濃度在垂直方向上變化不是很明顯,相應(yīng)水體中MCHO、PCHO和TCHO濃度在垂直方向上表現(xiàn)得比較復(fù)雜,沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。在PN08站位以西,是MCHO、PCHO和TCHO濃度的高值區(qū),這是由于近岸的沖淡水和外海入侵的底部高鹽水在近海區(qū)混合劇烈,使得近岸水體含有豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽,造成底層葉綠素a高值基本上均勻分布在近岸區(qū)[22]。

圖3 冬季中國(guó)東海PN斷面MCHO、PCHO、TCHO(μM C)以及Chl-a(μg/L)的濃度、溫度(℃)和鹽度的分布Fig.3 Vertical profiles of the concentrations of MCHO,PCHO,TCHO(μmol/L),Chl-a(μg/L),temperature(℃)and salinity at PN transect in the East China Sea during winter

2.3 長(zhǎng)江口外3個(gè)斷面表層海水中TCHO濃度分布與環(huán)境因子之間的關(guān)系

長(zhǎng)江是我國(guó)最大的河流,其年均徑流量達(dá)9.24× 1011m3,懸浮沉積物入海達(dá)4.86×108t/a[23]。強(qiáng)大的徑流不斷地把大量的懸浮泥沙和豐富的溶解營(yíng)養(yǎng)鹽帶入海洋,成為有機(jī)生命生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。黑潮從臺(tái)灣以東海域流入東海后沿陸坡北上,高溫、高鹽、貧營(yíng)養(yǎng)鹽的黑潮表層水入侵到東海陸架上,是影響碳水化合物分布的重要因素。為了了解長(zhǎng)江徑流輸入和黑潮入侵大陸架對(duì)東海溶解碳水化合物分布的影響,分別對(duì)冬季調(diào)查中長(zhǎng)江口外的DH(01～05)、PN和DH (31a～37)3個(gè)斷面表層海水中TCHO濃度與鹽度和溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖4a、4b所示。由圖可見,表層海水中TCHO濃度與鹽度和溫度具有顯著的線性負(fù)相關(guān)性,其相關(guān)關(guān)系可分別用如下公式表示:

TCHO(μM C)=-3.42(±1.03)S+124.9(± 34.6)

TCHO(μM C)=-1.42(±0.26)T+33.91(± 4.55)

圖4 冬季中國(guó)東海表層海水中TCHO濃度與鹽度(S)、溫度(T)和Chl-a的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationships between the concentrations of TCHO and seawater salinity(S),temperature(T)or Chl-aconcentrations in the surface water of the East China Sea during winter

表明受到長(zhǎng)江沖淡水和黑潮水的共同影響,長(zhǎng)江口外3個(gè)斷面表層海水中TCHO濃度均隨鹽度和溫度增加而降低。河流輸入淡水,導(dǎo)致河口水域鹽度較低,而碳水化合物濃度較高;受高溫高鹽的黑潮水影響,外海水鹽度和溫度較高,碳水化合物濃度較低。

浮游植物是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者,初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程是碳的生物地球化學(xué)循環(huán)的基礎(chǔ),它啟動(dòng)了海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量流和物質(zhì)流[18]。海水中的Chl-a濃度是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo),其分布反映出了水體中浮游植物的豐度及其變化規(guī)律。迄今為止所做的研究表明,MCHO、PCHO與Chl-a并非存在簡(jiǎn)單的相關(guān)關(guān)系,得到的結(jié)論也不盡相同[6,13,24]。這是因?yàn)椴煌^(qū)浮游植物物種組成不盡相同甚至存在很大差異,以及不同種類的浮游植物對(duì)Chl-a的貢獻(xiàn)不同,生產(chǎn)MCHO、PCHO的能力也不同,使得MCHO、PCHO與Chl-a的關(guān)系在各海區(qū)不同區(qū)域不同時(shí)間都不盡相同。Biddanda和Benner[25]實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)浮游植物研究發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)的4種藻(Synechococcus,Phaeocystis, Emiliania和Skeletonema)中,Phaeocystis生產(chǎn)釋放的溶解碳水化合物濃度最高,約100μmol/L,而且浮游植物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期生產(chǎn)釋放碳水化合物的能力也不同,隨著浮游植物的生長(zhǎng),MCHO濃度隨著PCHO濃度的增加而增加。本文中,圖4c是選取了同圖4a、b

相同的3個(gè)斷面表層海水,對(duì)其TCHO濃度和Chl-a

進(jìn)行了相關(guān)性研究。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,兩者存在一

定線性正相關(guān),其相關(guān)關(guān)系可用如下公式表示:

TCHO(μmol/L)=21.7(±9.71)Chl-a+0.8913(±4.41)可見長(zhǎng)江口外3個(gè)斷面表層海水中TCHO濃度

隨著Chl-a濃度的增加而有所增加。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)東海中碳水化合物的分布主要受長(zhǎng)江沖淡水、黑潮水、臺(tái)灣暖流等多個(gè)水團(tuán)以及東北季風(fēng)的影響。冬季東海表層海水中MCHO和PCHO濃度的水平分布明顯受到長(zhǎng)江沖淡水和來(lái)自太平洋的黑潮水影響,總體上呈現(xiàn)出由近岸向外海遞減的趨勢(shì)。在垂直方向上,冬季東北季風(fēng)引起劇烈的海水垂直運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致水體強(qiáng)烈混合,使得MCHO、PCHO和TCHO濃度在垂直方向上變化復(fù)雜,沒(méi)有明顯規(guī)律。另外,對(duì)長(zhǎng)江口外的DH(01～05)、PN和DH(31a～37)3個(gè)斷面表層海水中TCHO濃度分別與鹽度、溫度和Chl-a做了相關(guān)性研究。結(jié)果表明,TCHO濃度與鹽度和溫度呈顯著的線性負(fù)相關(guān),與Chl-a濃度呈線性正相關(guān)。

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Abstract: Seawater samples were collected at 35 stations,including 6 stations in the vertical section,in the East China Sea from December 2009 to January 2010.Concentrations of monosaccharides(MCHO), polysaccharides(PCHO),total dissolved carbohydrate(TCHO)were measured with TPTZ method,and their horizontal and PN vertical distributions were studied.The results showed that the horizontal distributions of MCHO,PCHO and TCHO were obviously influenced by the Yangtze River effluent and the oligotrophic Kuroshio waters,and displayed a decreasing trend from inshore to offshore sites.At transect PN,because of strong vertical mixing of seawater caused by strong northeast monsoon in winter,no obvious change pattern was observed in the profiles of concentrations of MCHO,PCHO and TCHO.Linear regressive analyses were made between the concentrations of TCHO and environmental parameters measured at three transects outside the Yangtze River estuary.The results indicated that the concentrations of TCHO was negatively correlated with salinity and temperature,while it was positively correlated with chlorophylla.

Key words: dissolved carbohydrates;chlorophylla;distribution;the East China Sea

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Distribution of Dissolved Carbohydrates in the East China Sea During Winter

YANG Gui-Peng,WU Guan-Wei,ZHANG Yan-Ping
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education,College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P734.4+3

A

1672-5174(2011)06-075-07

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(40525017);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030858);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB428904);教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃和山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

2010-09-04;

2011-04-07

楊桂朋(1963-),男,山東諸城人,博士,教授,博導(dǎo),主要從事海洋化學(xué)研究。E-mail:gpyang@ouc.edu.cn