2000～2011年深圳灣及鄰近水域顆粒有機(jī)物的來(lái)源和時(shí)空分布

趙明輝,李緒錄(.廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心,廣東 廣州 50222；2.國(guó)家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 50300)

2000～2011年深圳灣及鄰近水域顆粒有機(jī)物的來(lái)源和時(shí)空分布

趙明輝1,李緒錄2*(1.廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心,廣東 廣州 510222；2.國(guó)家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 510300)

依據(jù)2000～2011年每月一次的調(diào)查資料,簡(jiǎn)要描述和討論了深圳灣及鄰近水域中顆粒有機(jī)物(POM)質(zhì)量濃度的時(shí)空分布,并結(jié)合鹽度和葉綠素a (Chl a)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探討POM的來(lái)源和滯留時(shí)間.結(jié)果表明深圳灣的POM質(zhì)量濃度和陸源質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為4.2mg/L,79%,而伶仃洋東部沿岸的分別約為1.9mg/L,42%.深圳灣和伶仃洋東部沿岸中現(xiàn)存浮游植物顆粒有機(jī)物(PPOM):Chl a比率分別約為92,54g/g,由此估算的PPOM質(zhì)量濃度分別為0.8,0.2mg/L左右.依據(jù)浮游植物生產(chǎn)力和累計(jì)海源POM估算的POM滯留時(shí)間在深圳灣中為1～5d,而在伶仃洋東部沿岸中約為10d.研究期間伶仃洋東部沿岸POM質(zhì)量濃度的年際變化略呈上升趨勢(shì),從1.7mg/L上升至2.0mg/L;深圳灣POM質(zhì)量濃度在2000～2005年呈上升趨勢(shì),從3.0mg/L上升至5.5mg/L,在2006～2011年則呈下降趨勢(shì),從5.4mg/L下降至3.0mg/L.

顆粒有機(jī)物；時(shí)空分布；來(lái)源；滯留時(shí)間；沿岸水；深圳灣；伶仃洋

海水中的顆粒有機(jī)物(POM)包括有生命和無(wú)生命的懸浮顆粒有機(jī)物質(zhì),由海洋生物生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生的及其死亡后形成的碎屑和浮游生物本身組成,近岸體系中也有部分來(lái)自陸源和人為輸入.POM不但作為生物食物鏈中一個(gè)重要的物質(zhì)基礎(chǔ),與海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān),是評(píng)價(jià)海洋資源的一個(gè)重要參數(shù)[1],而且還作為海水中碳固化和遷移輸出的主要形式,與其他海洋碳相之間的相互交換很活躍,在大洋和邊緣海的生物地球化學(xué)過(guò)程和碳循環(huán)中扮演著重要的角色[2].同時(shí),POM在痕量元素特別是金屬元素的遷移、轉(zhuǎn)化、清除等過(guò)程中均起著重要的作用[3].有關(guān)POM的研究受到廣泛關(guān)注[4-12].20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)學(xué)者已開(kāi)展了諸多關(guān)于POM的調(diào)查研究[4].在南海北部[5-7]、珠江口[8-9]、大鵬灣[4]、大亞灣[10]和海南西南近岸珊瑚礁[11]也有一些相關(guān)的研究報(bào)道.

眾所周知,多年長(zhǎng)時(shí)間系列數(shù)據(jù)的分析結(jié)果更具代表性.因此,本研究選取香港環(huán)境保護(hù)署(EPD)已實(shí)施的綜合調(diào)查項(xiàng)目中2000～2011年每月一次的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,簡(jiǎn)要描述和討論深圳灣及鄰近水域中POM的時(shí)空分布,并結(jié)合鹽度(S)和葉綠素a(Chl a)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從生物地球化學(xué)角度,探討研究海區(qū)中浮游植物生產(chǎn)力(PP)、POM的來(lái)源和滯留時(shí)間.

1 材料與方法

1.1 研究海區(qū)與監(jiān)測(cè)站位

深圳灣是珠江口伶仃洋東側(cè)中部一個(gè)由西向東偏北嵌入陸地約17.5km的半封閉型淺水海灣,隸屬于香港特別行政區(qū)和深圳市.周邊陸地為丘陵低山,沿岸有深圳河、大沙河及元朗河等注入,岸線長(zhǎng)約60km,水域面積約為90.8km2;灣的東部(灣頂)較淺,西部(灣口)較深,深度一般小于5m,平均為2.9m[13-14].深圳灣潮汐為不規(guī)則半日潮,灣口平均潮差1.36m,最大漲潮潮差2.47m,最大落潮潮差3.44m,灣內(nèi)潮流基本屬于西南—東北向往復(fù)流;漲潮最大流速為0.97m/s,平均為0.29m/s;落潮最大流速為0.80m/s,平均為0.26m/s[14].集水區(qū)內(nèi)發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)和密集的人口產(chǎn)生大量廢水通過(guò)小河流和地面徑流排放入海.深圳灣接受了大量的陸源物質(zhì)輸入,污染嚴(yán)重,水質(zhì)達(dá)到國(guó)家海水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)劣四類[15],屬于富營(yíng)養(yǎng)化海域[13,16].

選用EPD綜合調(diào)查項(xiàng)目中11個(gè)代表不同地理區(qū)域的監(jiān)測(cè)站,其中4個(gè)(D1～D4站)代表深圳灣海區(qū)和7個(gè)(D5、N1～N3、N5～N6和N8站)代表伶仃洋東部沿岸海區(qū).具體監(jiān)測(cè)站位見(jiàn)圖1.

1.2 樣品采樣與要素測(cè)量

Seacat19+CTD溫鹽深剖面儀結(jié)合計(jì)算機(jī)控制的多瓶式采樣器被用來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和采集海水樣品.收集表、中、底層測(cè)量數(shù)據(jù).表層指海表面下1m深的位置;中層指水深一半的位置;底層指距海底1m深的位置.水深<4m時(shí),只收集表層;水深4～6m時(shí),僅收集表、底層;水深>6m時(shí),收集表、中、底層.POM由重量法測(cè)定[4].Chl a由分光光度法測(cè)定[17].S、POM和Chl a的報(bào)告限分別為0.1,0.5mg/L,0.2mg/m3.

圖1 深圳灣及鄰近沿岸水域中水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位Fig.1 Monitoring sites for water quality in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters

1.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)所有的測(cè)量數(shù)據(jù),應(yīng)用Excel軟件,求取2000～2011年各站水柱(包括表層、中層和底層)中POM質(zhì)量濃度各月的平均值,并選取1、4、7和10月份代表冬、春、夏和秋季來(lái)分析其水平分布的季節(jié)變化;求取監(jiān)測(cè)期間所有站表層、中層和底層水中POM質(zhì)量濃度各月的平均值來(lái)分析其年內(nèi)變化;求取POM質(zhì)量濃度各航次的平均值來(lái)分析其年際變化.另外,鑒于實(shí)驗(yàn)分析可能出現(xiàn)偶然誤差,在進(jìn)行回歸分析時(shí),設(shè)置了一個(gè)濾波器濾掉個(gè)別被認(rèn)為是“偶然誤差”的離散數(shù)點(diǎn),被濾掉的數(shù)點(diǎn)控制在總數(shù)點(diǎn)的2%之內(nèi).

2 結(jié)果與討論

2.1 POM的時(shí)空分布

圖2 2000～2011年深圳灣及鄰近沿岸水域中平均POM質(zhì)量濃度(mg/L)的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of the average POM concentration (mg/L) in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters from 2000 to 2011

圖2是2000～2011年春、夏、秋和冬季深圳灣及鄰近沿岸水域中的代表性POM質(zhì)量濃度的水平分布.如圖2所示,深圳灣的POM質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于伶仃洋東部沿岸.各季POM質(zhì)量濃度的水平分布趨勢(shì)基本一致,在深圳灣中都是從深圳河口向?yàn)惩庵鸩竭f減,在伶仃洋東部沿岸,除了秋季的低值出現(xiàn)在深圳灣口外,其他季節(jié)的低值都出現(xiàn)在新界至大嶼山之間的海域,而高值出現(xiàn)在大嶼山西北沿岸(N8站,春、秋和冬季)或新界西沿岸(N6站,夏季).在深圳灣,冬季POM質(zhì)量濃度明顯高于其他季節(jié),夏季的也較高,春、夏、秋和冬季其變化范圍分別為1.8～6.1,2.1～7.2,2.5～4.7, 2.7～10.5mg/L,平均分別為3.5,4.6,3.3,5.9mg/L.在伶仃洋東部沿岸,春、夏季POM質(zhì)量濃度較低,秋、冬季的較高,春、夏、秋和冬季其變化范圍分別為1.2～2.0,1.3～2.5,1.8～2.7,1.3～2.7mg/L,平均分別為1.6,1.8,2.2,2.1mg/L.2000～2011年深圳灣和伶仃洋東部沿岸中POM質(zhì)量濃度分別為(4.2±4.1),(1.9±1.4)mg/L.

圖3示出2000～2011年深圳灣及伶仃洋東部沿岸中POM質(zhì)量濃度各月均值的年內(nèi)變化和各航次均值的年際變化.由圖3a可見(jiàn),在深圳灣,表層POM質(zhì)量濃度10月～次年2月連續(xù)升高,2～5月則連續(xù)降低,5～6月有所回升,6～10月又逐漸降低,呈明顯的半年周期循環(huán)特征;最高峰值出現(xiàn)在2月,次高峰值出現(xiàn)在6月,最低谷值出現(xiàn)在10月,次低谷值出現(xiàn)在5月;濕季(4～9月)的POM質(zhì)量濃度明顯低于旱季(10月～次年3月).在伶仃洋東部沿岸,表、中、底層POM質(zhì)量濃度的年內(nèi)變化波動(dòng)不大,表層最高值出現(xiàn)在2月,最低值出現(xiàn)在3月;底層最高值出現(xiàn)在10月,最低值出現(xiàn)在4月;全年各月伶仃洋平均POM質(zhì)量濃度都是底層高于表層.在研究期間,盡管POM與時(shí)間的秩相關(guān)沒(méi)有達(dá)到顯著水平,線性相關(guān)系數(shù)(R2)為0.01～0.10,但圖3b和3c中還是顯示出POM質(zhì)量濃度隨時(shí)間的不同變化趨勢(shì).在伶仃洋東部沿岸,POM質(zhì)量濃度隨時(shí)間的波動(dòng)較小, 2000～2011年略呈上升趨勢(shì)(圖3c),從1.7mg/L上升至2.0mg/L;在深圳灣,POM質(zhì)量濃度隨時(shí)間的波動(dòng)較大(圖3b),2000～2005年呈上升趨勢(shì),從3.0mg/L上升至5.5mg/L, 2006～2011年則呈下降趨勢(shì),從5.4mg/L下降至3.0mg/L.

綜上所述,深圳灣的POM質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于伶仃洋東部沿岸,主要是由于受到沿海城市香港和深圳向海排放的影響以及其特殊自然環(huán)境條件的限制所致.深圳灣屬半封閉性海灣,與開(kāi)闊的伶仃洋相比,其水動(dòng)力條件較差,水交換較弱,排放物較難向外擴(kuò)散[13,15],故營(yíng)養(yǎng)鹽終年較高[18-19],成為典型的富營(yíng)養(yǎng)化海域[13,16].研究期間,深圳灣POM質(zhì)量濃度在2000～2005年呈上升趨勢(shì),2006～2011年則呈下降趨勢(shì),表明近幾年來(lái),隨著周邊地區(qū)環(huán)境保護(hù)設(shè)施(例如污水處理廠)投入的增加,陸源POM排放已得到一定的遏制.2000～2011年伶仃洋東部沿岸POM質(zhì)量濃度略呈上升趨勢(shì),表明十幾年來(lái)珠江口伶仃洋集水區(qū)的陸源POM排放不斷增加.先前對(duì)深圳灣和伶仃洋東部沿岸中溶解無(wú)機(jī)氮和總?cè)芙獾难芯?也得出與此類似的結(jié)論[18-19].

圖3 2000～2011年深圳灣及伶仃洋東部沿岸中POM質(zhì)量濃度的年內(nèi)變化和年際變化Fig.3 Intra- and inter-annual variabilities of the POM concentration in the Shenzhen Bay and coastal eastern Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

深圳灣和伶仃洋東部沿岸的多年平均POM質(zhì)量濃度分別為4.2,1.9mg/L (依Redfield關(guān)系[20],相當(dāng)于POC質(zhì)量濃度分別為1.51,0.66mg/L).深圳灣的POC質(zhì)量濃度與象山港海區(qū)的約1.12mg/L和長(zhǎng)江口的1.83～7.00mg/L相近[21-22].伶仃洋東部沿岸的POC質(zhì)量濃度與九龍江河口的約0.76mg/L相近[23],但比He等[8]于2007年4月在伶仃洋的觀測(cè)結(jié)果0.13～0.42mg/L高(然而他們的觀測(cè)數(shù)點(diǎn)均落在本研究結(jié)果的范圍之內(nèi)).更多可比較的國(guó)內(nèi)不同海域POC質(zhì)量濃度見(jiàn)文獻(xiàn)[4].

2.2 POM與鹽度(S)的關(guān)系及POM的陸源和海源質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 2000～2011年深圳灣和伶仃洋中各監(jiān)測(cè)站平均POM質(zhì)量濃度與S之間的的回歸分析結(jié)果Fig.4 Regression of the POM concentration with S averaged at various sites in the Shenzhen Bay and Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

表1 2000～2011年深圳灣和伶仃洋中各監(jiān)測(cè)站POM的平均海源和陸源質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Average marine and terrestrial fractions of the POM at various sites in the Shenzhen Bay and Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

盡管海水中POM質(zhì)量濃度的分布變化受到諸多因素的影響,但回歸分析結(jié)果顯示2000～2011年研究海區(qū)中各站平均POM與S之間關(guān)系密切,深圳灣和伶仃洋東部沿岸中POM質(zhì)量濃度均隨著鹽度的上升呈線性下降(圖4),表明研究海區(qū)的水動(dòng)力條件對(duì)POM質(zhì)量濃度分布變化的影響起決定性作用.線性趨勢(shì)表示POM與S之間密切對(duì)等.Y-軸上的截距代表海域周邊排放淡水(包括雨水)中的平均POM質(zhì)量濃度,即深圳灣周邊排放淡水的平均POM質(zhì)量濃度為20.6mg/L,而伶仃洋東部沿岸的為5.5mg/L.因?yàn)楹Ｋ甋具有保守性,所以這可被認(rèn)為研究海區(qū)中POM也具有“保守性”.因此,便可依據(jù)伶仃洋鄰近南海北部沿岸水中多年平均POM質(zhì)量濃度和S(分別為1.2mg/L,32.0)及各站的POM質(zhì)量濃度和S,用二元混合質(zhì)量平衡模式[24-25]定量估算出各站POM的陸源和海源質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1).伶仃洋東部沿岸POM的陸源質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%～54%之間,平均為42%,而深圳灣的為64%～92%,平均為79%.

2.3 POM與Chl a的關(guān)系及浮游植物POM (PPOM)

圖5 2000～2011年深圳灣中和伶仃洋東部沿岸表層Chl a與POM之間的回歸分析結(jié)果Fig.5 Regressions of the surface chlorophyll a with POM in the Shenzhen Bay and coastal eastern Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

PPOM是指POM的浮游植物質(zhì)量分量[4],即有生命浮游植物對(duì)POM的貢獻(xiàn)量.因?yàn)楹Ｋ蠧hl a質(zhì)量濃度是浮游植物現(xiàn)存量的代表,所以通過(guò)分析POM與Chl a的相關(guān)關(guān)系可定量確定PPOM.深圳灣和伶仃洋東部沿岸中表層POM與Chl a之間的線性回歸分析結(jié)果顯示它們之間存在著密切的關(guān)系(圖5).線性趨勢(shì)表示Chl a與POM質(zhì)量濃度之間密切對(duì)等.回歸線斜率×1000可被認(rèn)為是PPOM:Chl a比率的平均值.Y-軸上的截距代表無(wú)生命碎屑POM的平均質(zhì)量濃度(確切的說(shuō),其中還包含小部分有生命的浮游動(dòng)物POM).在深圳灣,表層PPOM:Chl a比率約為92g/g,由此結(jié)合Chl a實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算的平均PPOM質(zhì)量濃度為0.8mg/L,約占POM總量的19%,而平均碎屑POM質(zhì)量濃度為3.4mg/L,約占POM總量的81%.在伶仃洋東部沿岸,表層PPOM:Chl a比率約為54g/g,由此結(jié)合Chl a實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算的平均PPOM質(zhì)量濃度為0.2mg/L,約占POM總量的10%,而平均碎屑POM質(zhì)量濃度為1.7mg/L,約占POM總量的90%.

2.4 POM滯留時(shí)間(TPOM)

海水中TPOM受到很多因素的影響.浮游植物生產(chǎn)一旦開(kāi)始就面臨被海洋動(dòng)物攝食而被消耗,浮游植物碎屑一旦出現(xiàn)又面臨自溶和被細(xì)菌降解,只有少部分碎屑POM沉積到海底.TPOM可由水域中的POM現(xiàn)存量除以POM穩(wěn)定輸入量或輸出量求出[26].現(xiàn)場(chǎng)初級(jí)生產(chǎn)可以認(rèn)為是POM的穩(wěn)定輸入,但在研究海區(qū)中也有大量的陸源POM輸入(見(jiàn)2.2節(jié)).所以,首先依據(jù)圖4中POM與S的關(guān)系扣除各站POM的陸源質(zhì)量分量,再采用Chl a法,按照Cadee等[27]提出的簡(jiǎn)化公式計(jì)算PP [以碳(C)表示,g/(m2·d)],采用積分法求出累積海源POM(IPOM海源)現(xiàn)存量,那么依Redfield關(guān)系[20],TPOM＝IPOM海源/PP×1272/3550.

深圳灣中表層Chl a質(zhì)量濃度和透明度分別約為11.0mg/m3和0.6m.深圳河口附近海域的PP較高,灣口附近海域的較低,平均為0.33g/ (m2·d).IPOM海源現(xiàn)存量基本上與水深成正比,平均為2.1g/m2.TPOM在深圳河口附近海域中最短(1.1d),在灣口附近海域中(D4站)中最長(zhǎng)(5.1d),平均為2.7d.

伶仃洋東部沿岸中表層Chl a質(zhì)量濃度和透明度分別為4.6mg/m3和1.7m左右.PP的變化范圍為0.29～0.61g/(m2·d),平均為0.51g/(m2·d). IPOM海源現(xiàn)存量也與水深成正比,平均為14.3g/m2.TPOM的變化范圍為3～21d,平均為10d.

由上述可見(jiàn),盡管深圳灣中表層Chl a質(zhì)量濃度比伶仃洋東部沿岸的高1倍多,但由于深圳灣的透明度比伶仃洋東部沿岸的低得多,伶仃洋東部沿岸的PP反而比深圳灣的高.研究海區(qū)中TPOM基本上與大鵬灣中TPOM3～14d[4]、東海南部沿岸陸架水中POC滯留時(shí)間(TPOC)2～14d[28]和南沙永署礁水域中TPOC17d[29]一致.另外,深圳灣中TPOM(1～5d)與由潮差和水深估算的海水滯留時(shí)間(1～4d)[19]相近.

3 結(jié)論

3.1 深圳灣和伶仃洋東部沿岸多年平均POM質(zhì)量濃度分別為(4.2±4.1)和(1.9±1.4)mg/L.深圳灣中POM質(zhì)量濃度一年四季都遠(yuǎn)高于伶仃洋東部沿岸,主要是由于受到沿海城市香港和深圳向海排放的影響以及其半封閉性特殊自然環(huán)境條件的限制所致.

3.2 研究期間,深圳灣POM質(zhì)量濃度在2000～2005年呈上升趨勢(shì),2006～2011年則呈下降趨勢(shì),表明近幾年來(lái),隨著周邊地區(qū)環(huán)境保護(hù)設(shè)施(例如污水處理廠)投入的增加,陸源POM排放已得到一定的遏制.2000～2011年伶仃洋東部沿岸POM質(zhì)量濃度略呈上升趨勢(shì),表明十幾年來(lái)珠江口伶仃洋集水區(qū)的陸源POM排放不斷增加.

3.3 研究海區(qū)中各站平均POM與S之間關(guān)系密切, POM質(zhì)量濃度隨著鹽度的上升呈線性下降,表明研究海區(qū)的水動(dòng)力條件對(duì)POM質(zhì)量濃度的分布變化的影響起決定性作用.由二元混合質(zhì)量平衡模式估算的深圳灣和伶仃洋東部沿岸中陸源POM質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為79%,42%.

3.4 表層POM與Chl a之間存在著密切的關(guān)系.深圳灣和伶仃洋東部沿岸中表層平均PPOM: Chl a比率分別為92,54g/g,由此結(jié)合Chl a質(zhì)量濃度估算的平均PPOM質(zhì)量濃度分別為0.8, 0.2mg/L,分別約占POM總量的19%,10%.

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Temporal and spatial distributions and sources of particulate organic matter in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters from 2000 to 2011.

ZHAO Ming-hui1, LI Xu-lu2*(1.Ocean Develop Plan Research Center of Guangdong Province, Guangzhou 510222, China；2.South China Sea Marine Engineering Surveying Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2905～2911

Based on the data obtained from monthly cruises from 2000 to 2011, temporal and spatial distribution of the particulate organic matter (POM) concentration in Shenzhen Bay and the coastal eastern Lingdingyang Estuary were discussed. Sources and residence time of POM were also investigated by combining measurements of the salinity with chlorophyll a (Chl a). The results showed that POM concentration and terrestrial fraction were about 4.2mg/L and 79% in Shenzhen Bay, and about 1.9mg/L and 42% in the coastal eastern Lingdingyang Estuary respectively. The ratios of the phytoplankton POM (PPOM):Chl a were about 92 and 54g/g, based on which the PPOM concentrations were estimated at about 0.8 and 0.2mg/L, in Shenzhen Bay and the coastal eastern Lingdingyang Estuary respectively. On the basis of the phytoplankton productivity and integrated marine POM, the POM residence time was estimated to be from 1～5 days in the Shenzhen Bay and about 10days in the coastal eastern Lingdingyang Estuary. The POM concentration increased slightly from 1.7 to 2.0mg/L in the coastal eastern Lingdingyang Estuary in the period 2000～2011, while increased from 3.0 to 5.5mg/L in the period 2000～2005 and decreased from 5.4 to 3.0mg/L in the period 2006～2011 in the Shenzhen Bay.

particulate organic matter；temporal and spatial distributions；sources；residence time；coastal waters；Shenzhen Bay；Lingdingyang

X142

A

1000-6923(2014)11-2905-07

李緒錄(1960-),男,廣東汕頭人,高級(jí)工程師,主要從事海洋化學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.

2014-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376091);國(guó)家“973”項(xiàng)目(2013CB956101);國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金(2013509)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, benlixulu@sohu.com