東海營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布及其對(duì)浮游植物的限制*

葉 然 劉艷云 崔永平 王澤壽 葉仙森

(國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 寧波 315012)

東海是我國(guó)陸架最寬的邊緣海, 海域面積寬闊,與太平洋及南海水交換方便, 環(huán)流發(fā)育相當(dāng)充分。受到以長(zhǎng)江、錢塘江、甌江、閩江四大水系為代表的主要陸源徑流入海物質(zhì)通量的強(qiáng)烈影響及多種來源不同水團(tuán)交匯的共同作用, 東海營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)特征復(fù)雜多變, 含量較為豐富, 利于浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖,是我國(guó)海洋生產(chǎn)力最高的海域(洪華生, 2012)。近年來, 隨著沿海地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 人類社會(huì)活動(dòng)的高密度投入導(dǎo)致氮(N)、磷(P)等特征污染物大量入海, 水體富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重, 赤潮等海洋災(zāi)害頻發(fā),海洋生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力(周名江等, 2003)。

浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者, 而營(yíng)養(yǎng)鹽作為其賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ), 在海水中的輸入、擴(kuò)散的物理和生化過程對(duì)浮游植物的群落演替起著重要作用(王江濤等, 2012), 且不同環(huán)境海域的營(yíng)養(yǎng)鹽含量和結(jié)構(gòu)比例會(huì)對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成一定差異(李京, 2008)。有研究指出, 浮游植物并非完全按照一定比例吸收海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 其生長(zhǎng)將受到含量相對(duì)較少的營(yíng)養(yǎng)鹽的限制(Hecky et al,1988)。一般來說, 河口沿岸海域多以P限制為主, 而開闊海域及大洋水多發(fā)生N限制(Ryther et al, 1971)。

關(guān)于東海營(yíng)養(yǎng)鹽的分布特征及其對(duì)浮游植物生長(zhǎng)限制因子和受限機(jī)理, 已有許多國(guó)內(nèi)學(xué)者在長(zhǎng)江口及其鄰近海域(王修林等, 2004; 趙衛(wèi)紅等, 2006;米鐵柱等, 2012)以及受黑潮影響的遠(yuǎn)海區(qū)域(王芳等,2008; 張建平等, 2010; 劉超等, 2013)作了相關(guān)研究,對(duì)于東海大范圍內(nèi)的研究也有報(bào)道(王保棟, 2003;Wang et al, 2003), 但多數(shù)缺乏與過往歷史數(shù)據(jù)的比較, 難以看出變化趨勢(shì)。本文基于2013年春、夏、秋、冬四個(gè)航次的調(diào)查數(shù)據(jù), 分析東海海域不同季節(jié)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布, 討論不同季節(jié)浮游植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽限制情況, 同時(shí)結(jié)合歷史資料, 將本文研究的結(jié)果與近10年?yáng)|海區(qū)夏季營(yíng)養(yǎng)鹽的限制區(qū)域進(jìn)行比較, 為進(jìn)一步研究東海海域營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化對(duì)東海生態(tài)環(huán)境的影響提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查時(shí)間與站位布設(shè)

國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站于2013年2 月(春季)、5 月(夏季)、8 月(秋季)、11 月(冬季)分別對(duì)東海海域(120°—128°E、25°—33°N)進(jìn)行了 4 個(gè)航次的現(xiàn)場(chǎng)綜合調(diào)查。每個(gè)航次調(diào)查均布設(shè)3條斷面和15個(gè)輔助站, 共計(jì)41個(gè)站位。調(diào)查站位見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查站位圖Fig.1 Sampling sites in the East China Sea

1.2 樣品采集與分析

采用CTD (美國(guó)Seabird)獲取現(xiàn)場(chǎng)溫度、鹽度及深度數(shù)據(jù), CTD自容式采樣器采取水樣。營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧均在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定, 無機(jī)氮(DIN)為硝酸鹽(NO3–-N)、亞硝酸鹽(NO2–-N)及銨鹽(NH4+-N)的濃度之和, 分別用鋅-鎘還原分光光度法、萘乙二胺分光光度法和次溴酸鈉氧化分光光度發(fā)測(cè)定, 磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定磷酸鹽(PO43–-P), 硅鉬黃分光光度發(fā)測(cè)定硅酸鹽(SiO32–-Si)。葉綠素 a樣品經(jīng)量取 300mL水樣, 用孔徑為 0.45μm的纖維素酯微孔濾膜過濾, 用濾紙包好并干燥, 于冷凍(-20°C)環(huán)境下保存, 帶回陸基實(shí)驗(yàn)室, 用熒光分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽含量分布

研究海域四季表層營(yíng)養(yǎng)鹽含量、變化范圍及平面分布如表1、圖2所示。由此可見, 三種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度大體呈現(xiàn)自西向東遞減的變化趨勢(shì), 春、夏季DIN、含量的高值區(qū)均集中在 123°E以西的長(zhǎng)江口海域, 此處等值線分布密集, 形成營(yíng)養(yǎng)鹽鋒面, 自此向外開始迅速遞減, DIN和PO43–-P在東海中部混合水區(qū)域幾乎被消耗殆盡; 而秋、冬季則基本南遷至123°E以西、28°N附近的浙南沿岸海域,和還在 124°—125°E、30°—31°N 附近的東海北部區(qū)域存在部分高濃度現(xiàn)象。顯然, 秋、冬季黃海沿岸流的南下入侵是造成上述分布格局的主要原因(王正方等, 1983; 王保棟, 2003)?？傮w看來, 秋、冬季營(yíng)養(yǎng)鹽的含量要高于春、夏兩季, 且高值區(qū)(特別是的東擴(kuò)現(xiàn)象更為明顯。

表1 東海四季表層營(yíng)養(yǎng)鹽含量(μmol/L)Tab.1 Contents of nutrients at surface water in 4 seasons overthe East China Sea

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)分布

表2和圖3分別顯示了研究海域表層營(yíng)養(yǎng)鹽四個(gè)航次中DIN/P、Si/DIN、Si/P比值的變化范圍、均值及平面分布, 圖4為表層葉綠素a含量的平面分布。

春季航次DIN/P比值呈現(xiàn)長(zhǎng)江口門處較高, 其它海域相對(duì)較低的分布格局。在 123°E以西、31°N以北的長(zhǎng)江入?？陂T處形成一個(gè)以 1號(hào)站為中心的舌狀高值區(qū), 最高至44.7。長(zhǎng)江口門處是赤潮高發(fā)地區(qū),初級(jí)生產(chǎn)力水平較高(周偉華等, 2003), 本航次調(diào)查中的1號(hào)站DIN濃度高達(dá)33.50μmol/L, PO43–-P含量?jī)H為0.34μmol/L, 與表層葉綠素a的峰值分布有較好的對(duì)應(yīng)。這表明了以高DIN/P比值為特征的長(zhǎng)江沖淡水等陸地徑流向東海近岸海區(qū)的輸入, 同時(shí)由于近岸海域相對(duì)受到沿岸流的限制作用使得入海營(yíng)養(yǎng)鹽難以向外擴(kuò)散, 易于積累(Liu et al, 2003), 因而在長(zhǎng)江口門處形成了高DIN/P比值分布區(qū)。相比受到光照條件限制的長(zhǎng)江口內(nèi)部的渾濁水域(趙衛(wèi)紅等, 2006),在長(zhǎng)江口羽狀鋒區(qū), 海水透明度開始增大, 加之春季適宜的水溫使浮游植物大量繁殖并攝取營(yíng)養(yǎng)鹽(朱建榮, 2004), PO43–-P含量被消耗殆盡, 其生長(zhǎng)活動(dòng)顯然受到PO43–-P的限制(Harrison et al, 1990)。其他區(qū)域DIN/P比值基本低于 35, 部分海域還出現(xiàn)低于Redfield的16∶1比值現(xiàn)象。Si/DIN在研究海域的比值均大于 1, 在濟(jì)州島以南的東海東北部海域有一個(gè)渦狀分布的高值區(qū), 中心值可達(dá)19.8, 而葉綠素a均值濃度僅在 1.5μg/L左右, 由此表明在寡營(yíng)養(yǎng)鹽的黑潮表層水影響下, 外海浮游植物的生長(zhǎng)可能相對(duì)受限于DIN, 同時(shí)也體現(xiàn)了以SiO32–-Si為主的九州島入海徑流對(duì)東海東北部高Si/DIN比值的貢獻(xiàn)(張建平等,2010)。Si/P比值介于28.1—373之間, 其高值區(qū)集中在浙南近岸水域, 與高生泉等(2004)的研究結(jié)果相一致。對(duì)比長(zhǎng)江口海域, 該區(qū)域的PO43–-P被浮游植物大量消耗, 含量更低(0.07—0.21μmol/L), 增高了Si/P比值?？傮w看來, 春季航次DIN/P、Si/DIN及Si/P比值的平面分布均表現(xiàn)為高值區(qū)域較為集中、向外擴(kuò)展影響較小的特征。

圖2 研究海域四季表層營(yíng)養(yǎng)鹽含量的平面分布(μmol/L)Fig.2 Horizontal distributions of nutrients in the surface water in four season of the study area

夏季DIN/P比值達(dá)到全年最高, 平均43.6。與春季相似, DIN/P=16的等值線出現(xiàn)在125°E附近區(qū)域。有兩個(gè)高于均值的高值區(qū), 第1個(gè)高值區(qū)位于研究海域的東北方向(124.5°E, 32°N), 與夏季長(zhǎng)江沖淡水入海后的主體流向相同(朱建榮等, 2003), 32號(hào)站和1號(hào)站分別達(dá)到最高值(97.0)和次高值(93.0), 葉綠素a含量也在32號(hào)站出現(xiàn)峰值(26.1μg/L)。與春季航次相比,夏季DIN/P比值即使是在濟(jì)州島附近海域, 依然維持在30以上的水平(春季航次只有10左右)。王保棟等(2002)的研究指出夏季長(zhǎng)江沖淡水中的營(yíng)養(yǎng)鹽向東北最遠(yuǎn)可擴(kuò)散至127°E, 33°N附近, 本航次6號(hào)和7號(hào)站表層DIN濃度依舊維持在高于10.71μmol/L的水平,但PO43–-P已降至0.10μmol/L左右。因此推斷東海北部海域夏季 DIN/P比值異常偏高是在長(zhǎng)江充沛的徑流量影響下, 水體中的 DIN含量過剩且浮游植物的生長(zhǎng)對(duì) PO43–-P的過量消耗而引起的(宋秀賢等,2013)。第2個(gè)高值區(qū)分布在123°E以西、27°N以南的浙江沿岸上升流區(qū)(曹欣中, 1986), 隨東海陸架抬升的上升流使底層的高營(yíng)養(yǎng)鹽水不斷向上涌升, 與北上的浙江沿岸水交匯, 在此形成均值達(dá) 15.5μg/L的葉綠素a高值區(qū), 表明浮游植物的生長(zhǎng)活動(dòng)異常旺盛, PO43–-P 含量更是被消耗至 0.03—0.09μmol/L; 但沿岸水帶來的陸源農(nóng)業(yè)排污補(bǔ)充了 DIN含量, 由此形成第2個(gè)高DIN/P比值區(qū)域, Si/P比值分布情況與之相似。Si/DIN的分布與DIN/P相反, 123.5°以西、28°N以北的浙江近岸海域和127°以西、31°N以北的長(zhǎng)江口及其鄰近海域的 Si/DIN比值多介于 1—5, 部分站位＜1(27號(hào)站), 說明N 營(yíng)養(yǎng)元素相對(duì)平衡, Si/DIN比值有利于浮游植物的生長(zhǎng); 臺(tái)灣島東北部黑潮區(qū)海域的含 量 介 于 9.57—13.39μmol/L之間, 同時(shí) DIN 含量降至最低值(均值1.79μmol/L), 導(dǎo)致這一區(qū)域的 Si/DIN 比值高達(dá)10.1—20.6, 并向沖繩海槽的東南方向擴(kuò)展。這與劉超等(2012)認(rèn)為東海黑潮區(qū)表層水的 Si/DIN比值在7—8月達(dá)到最大值的研究結(jié)果相符。

秋季, 研究海域的 DIN/P比值達(dá)到全年最低(均值僅9.3), Si/DIN也相對(duì)較低(均值4.1), 分別接近于Redfield的16∶1和1∶1的比值。與DIN/P高值區(qū)相對(duì)應(yīng), 在124°E以西、30°N以北海域 DIN的含量依舊很高(1、2、3號(hào)站含量均高于21.43μmol/L), 使得這一區(qū)域的Si/DIN比值可降至1左右, 但在125°E以東的外部海域則相反, 暗示比其遠(yuǎn)海區(qū)域, 近岸水域浮游植物的生長(zhǎng)可能更需要大量的硅元素(孫松,2012)。與春、夏兩季相比, 秋季高 DIN/P區(qū)域主要集中在 123°附近的舟山群島外部海域, 其周圍海域亦維持在較高水平。而攜帶高濃度SiO32–-Si的蘇北沿岸流受到東北季風(fēng)的作用南下, 與少部分輸送至東海東北部的長(zhǎng)江沖淡水混合后向東南方向入侵, 從而形成124—125°E海域的Si/DIN高值區(qū)(王保棟等,2002; 王奎等, 2013)。Si/P比值較前兩個(gè)季節(jié)變化幅度較小, 降至 11—60.7, 其高值區(qū)的分布分別與本航次的DIN/P和Si/DIN具有相同的成因機(jī)制。

冬季DIN/P以30號(hào)站(32.3)和26號(hào)站(28.5)為中心分別形成浙南近海和臺(tái)灣島東北部?jī)蓚€(gè)渦狀高值中心。這一帶的 DIN含量即使在冬季也可維持在14.07—47.64μmol/L 的水平, 但 PO43–-P 含量卻只有0.20—0.60μmol/L, 主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江沖淡水的南下與入侵東海陸架區(qū)的高溫高鹽、低低的黑潮表層營(yíng)養(yǎng)鹽水匯合, 而在西侵過程中黑潮次表層水的涌升作用又為東海陸架區(qū)帶來了高含量營(yíng)養(yǎng)鹽, 由此形成了高DIN/P區(qū)域(陸賽英, 1996; Chen,1996), 對(duì)應(yīng)此處比值介于1.2—2.1的Si/DIN低值區(qū)。調(diào)查海域的Si/P和Si/DIN比值的分布相似, 中部的東?；旌纤畢^(qū)域相對(duì)較低, 二者在 127—128°E、29—30°N 均有一個(gè)相對(duì)高值區(qū), 這可能與 SiO32–-Si本身在海水中的高含量以及冬季外海硅藻的生物活動(dòng)量較低有關(guān)。

表2 東海四季DIN/P、Si/DIN及Si/P比值Tab.2 Ratio of DIN/P, Si/DIN and Si/P in surface water in four seasons of the East China Sea

2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物限制的季節(jié)變化

關(guān)于營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)限制的標(biāo)準(zhǔn), 已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過相應(yīng)研究(胡明輝等, 1989; Justi? et al, 1995), 但這些標(biāo)準(zhǔn)或不夠全面或只能判斷營(yíng)養(yǎng)鹽的潛在限制作用而不能說明限制是否會(huì)發(fā)生。本文選用 Fisher等(1992)提出的營(yíng)養(yǎng)鹽半飽和常數(shù)(Ks)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 判斷研究海域的浮游植物生長(zhǎng)是否受到營(yíng)養(yǎng)鹽的限制, 當(dāng)Si/DIN＞1, DIN/P＜10, 且 DIN＜2.0μmol/L時(shí), 為N限制; 當(dāng)Si/P＞22, DIN/P＞22, 且P＜0.20μmol/L 時(shí), 為 P 限制; 當(dāng) Si/P＜10, Si/DIN＜1, 且 Si＜2.0μmol/L 時(shí), 為 Si限制。

圖3 研究海域四季表層營(yíng)養(yǎng)鹽DIN/P、Si/DIN、Si/P比值平面分布Fig.3 Horizontal distributions of DIN/P, Si/DIN and Si/P in surface water in four seasons of the study area

圖4 研究海域四季表層葉綠素a含量平面分布(μg/L)Fig.4 Horizontal distributions of chlorophyll-a in surface water in four seasons of the sea area

根據(jù)本文的調(diào)查結(jié)果(圖5), 春季航次N限制和P限制分別占總調(diào)查站位數(shù)的百分比分別為 9.8%和22%; 無Si限制站位。夏季調(diào)查海域以 P限制為主,60%的調(diào)查站位受到P限制; N限制站位占到19.5%;同樣, 本航次無Si限制情況。秋季營(yíng)養(yǎng)鹽限制站位較前兩航次大幅度減少, 全航次僅長(zhǎng)江口海域的7個(gè)站位受到P限制, 無N和Si限制情況, 而冬季由于海水垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈, 研究海域水體營(yíng)養(yǎng)鹽平衡狀況較好,浮游植物的生長(zhǎng)不受營(yíng)養(yǎng)鹽限制的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)受 N限制的站位基本出現(xiàn)在 126°E以東、受黑潮影響強(qiáng)烈的海域。以往的研究表明東海黑潮區(qū)全年50m以淺水域的DIN/P比值基本低于10(項(xiàng)有堂等, 1994),而春季正值浮游植物生長(zhǎng)繁殖的旺季, 雖然黑潮區(qū)高溫、高鹽的性質(zhì)使得浮游植物生物量全年差異并不大, 但該區(qū)域的DIN含量春、夏季(0.50—1.43μmol/L)明顯低于秋、冬兩季(2.50—4.21μmol/L), 基本低于本文所采用的浮游植物生長(zhǎng)所需 N元素的閾值(2.0μmol/L), 故春、夏季 N限制站位多集中在此。P限制站位大都位于 200m等深線以西的東海陸架區(qū),但夏季受限范圍要比春、秋季更大, 除126°E以東的黑潮區(qū)站位外, 近岸及中部海域的大部分站位為P限制。夏季臺(tái)灣暖流和黑潮在該區(qū)域勢(shì)力的強(qiáng)盛, 使低營(yíng)養(yǎng)鹽含量區(qū)域擴(kuò)大(王芳, 2006), 且溫躍層的形成阻礙了下層水體營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)上層水體的補(bǔ)充, 導(dǎo)致浮游植物生長(zhǎng)受P限制的區(qū)域面積擴(kuò)大(謝琳萍, 2012)。Si在全年均無限制情況。由此看來, 研究海域浮游植物的生長(zhǎng)主要受到N和P的限制, 126°以西的近岸及大陸架海域以P限制為主, 而126°以東的黑潮區(qū)受N限制; 在季節(jié)變化上又以夏季受到營(yíng)養(yǎng)鹽的限制最明顯, 冬季則無營(yíng)養(yǎng)鹽限制情況。

2.4 與歷史資料相比

根據(jù)本文的分析, 2013年?yáng)|海四季營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物的限制以夏季最為明顯, 為達(dá)到與歷史資料比對(duì)的時(shí)空一致性, 本文選取 2001—2010年?yáng)|海海域夏季航次(內(nèi)部資料, 尚未發(fā)表)與 2013年夏季航次的營(yíng)養(yǎng)鹽限制情況作比對(duì)分析(表3)。

由表3可知, 2001—2010年近10年間東海海域夏季受到P限制的站位數(shù)量較少、范圍較小, 均位于123°E以西的長(zhǎng)江口及浙北沿岸海域, 除了2004年夏季航次所有站位均未受到營(yíng)養(yǎng)鹽的限制之外,2001—2003年受到 P限制的站位比例逐年小幅度上升, 自2005年起至2010年受P限制的站位數(shù)又開始緩慢增加。本次調(diào)查的結(jié)果顯示, 研究海域P限制站位數(shù)比過往 10年間有所增加, 且 P限制范圍由28°—32°N、123°E 以西的長(zhǎng)江口及浙北沿岸海域擴(kuò)展到了125°E以西的東海中部及浙江近岸水域, 這主要與東海沿岸人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生的高 DIN/P比值的農(nóng)業(yè)廢水隨著陸源徑流不斷入海密切相關(guān)。N限制情況僅在 2007年發(fā)生, 與本次調(diào)查的結(jié)果相同, 受到限制的站位也位于126°—127°E以東的黑潮區(qū), 但本航次的N限制范圍要大于往年同期。

表3 東海2001—2010年夏季航次表層營(yíng)養(yǎng)鹽限制站位及范圍Tab.3 Patterns of nutrient limitation in the surface water in summer of 2001—2010 in the East China Sea

3 結(jié)論

(1)東海 DIN/P、Si/DIN及Si/P比值受各種水團(tuán)及浮游植物生長(zhǎng)周期的影響較為明顯, 長(zhǎng)江沖淡水與沿岸水的交匯作用控制著全航次DIN/P比值, 基本呈近岸高、遠(yuǎn)海低的分布規(guī)律, 而冬季由于黑潮次表層水的涌升向大陸架的入侵作用, 在東海南部也有個(gè)渦狀高值中心; 受近岸高DIN/P比值陸源徑流入海及浮游植物生長(zhǎng)周期的影響, 近岸 Si/DIN高值區(qū)基本對(duì)應(yīng)DIN/P低值區(qū), 而受黑潮影響的遠(yuǎn)海區(qū)域則相反; 春、夏季Si/P高值區(qū)主要分布在近岸, 而秋、冬季則開始由中部海域向遠(yuǎn)海擴(kuò)展。

(2)研究海域浮游植物的生長(zhǎng)主要受到N和P的限制, 126°以西的近岸及中部海域以 P限制為主, 而126°以東的黑潮區(qū)受 N 限制; 在季節(jié)變化上又以夏季受到營(yíng)養(yǎng)鹽的限制最明顯, 冬季則無營(yíng)養(yǎng)鹽限制情況。

(3)與2001—2010年同期歷史資料相比, 2013年夏季航次受 P限制站位數(shù)量比過往 10年有所增加,限制范圍由 28°—32°N、123°E以西的長(zhǎng)江口及浙北沿岸海域擴(kuò)展到了 125°E以西的東海中部及浙江近岸水域; 受N限制站位基本集中在126°—127°E以東黑潮區(qū)海域, 但受限范圍更大。

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