長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)浮游植物的限制

李亞力, 沈志良, 線薇微, 劉素美

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)和環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

日益增長(zhǎng)的人類活動(dòng)使得長(zhǎng)江流域和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與長(zhǎng)江口生態(tài)環(huán)境的矛盾日益突出, 長(zhǎng)江口鄰近海區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化逐年加劇[1], 有害赤潮高發(fā), 已成為我國(guó)近海水域污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。由于化肥的使用和城市污水的排放, 使得海區(qū)DIN、 P O34--P含量增加。水域上游水利工程的修建,截流大量入海泥沙, 使得河口及其鄰近海域 S iO32--Si含量減小, 進(jìn)而導(dǎo)致N/P升高、Si/N下降。水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量和結(jié)構(gòu)變化會(huì)帶來浮游植物群落組成的響應(yīng),以及浮游植物生長(zhǎng)的區(qū)域差異和生物群落演替等一系列生態(tài)效應(yīng)[3]。近年來研究報(bào)道, 在長(zhǎng)江口外東海赤潮高發(fā)區(qū), 硅藻赤潮的比例在逐漸降低, 而甲藻赤潮則呈逐漸增多趨勢(shì)[4]。因此, 研究長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征, 探討其對(duì)浮游植物的限制情況, 對(duì)認(rèn)識(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展和赤潮的防治以及了解人類活動(dòng)的生態(tài)學(xué)效應(yīng)等都具有重要意義。

本文根據(jù)2013年春季和秋季兩個(gè)航次最新調(diào)查數(shù)據(jù), 分析了長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及其結(jié)構(gòu)的分布變化, 并在此基礎(chǔ)上探討了營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物的限制情況, 為該水域生態(tài)學(xué)研究提供背景支撐, 為長(zhǎng)江口生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

于 2013年 5月(春季)、11月(秋季)完成長(zhǎng)江口及其鄰近海域2個(gè)季度月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查, 共設(shè)置39個(gè)調(diào)查站位(圖1), 其中口門內(nèi)包括35、36、37、38、39 站。調(diào)查內(nèi)容主要包括硝酸鹽(NO3--N)、亞硝酸鹽(NO-2-N)、銨鹽(NH+4-N)、磷酸鹽( P O34--P)、硅酸鹽(S iO32--Si)、葉綠素 a(Chl a)等。根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB12763-2007), 分別用南森采水器采取表層、5、10、20、30 m、底層水樣, 營(yíng)養(yǎng)鹽樣品用Whatman GF/F膜(于450℃高溫下處理6 h)現(xiàn)場(chǎng)過濾,儲(chǔ)于聚乙烯瓶(預(yù)先在1∶10HCl溶液中浸泡24 h, 洗凈烘干)中, 立即置于冰箱內(nèi)冷凍保存, 帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

圖1 長(zhǎng)江口調(diào)查站位Fig.1 Sampling stations in the Yangtze River Estuary

葉綠素a采用丙酮萃取熒光法測(cè)定, NO3--N采用鎘-銅還原法、NO-2-N采用重氮-偶氮法、NH+4-N采用水楊酸鈉法、PO34--P采用磷鉬藍(lán)法、SiO32--Si采用硅鉬藍(lán)法測(cè)定, 各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽用德國(guó)產(chǎn)Quattro營(yíng)養(yǎng)鹽連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定, NO3--N、NO-2-N、NH+4-N、PO34--P、SiO32--Si測(cè)定的檢出限、精密度分別為 0.02 μmol/L、1.6%; 0.02 μmol/L、0.3%;0.03 μmol/L、3.3%; 0.01 μmol/L、1.3%; 0.04 μmol/L 、1.1%。由于調(diào)查時(shí)間均在月初, 長(zhǎng)江營(yíng)養(yǎng)鹽輸出通量均是按照4、10月流量以及35號(hào)站位(淡水端)濃度進(jìn)行估算。溶解無機(jī)氮(DIN)為NO3--N、NO-2-N、NH+4-N的和。

2 結(jié)果與討論

2.1 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和分布特征

2.1.1 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和平面分布

表1列出了口門內(nèi)和口門外春、秋季表、底層海水中營(yíng)養(yǎng)鹽的平均濃度及變化范圍。由表1可見,口門內(nèi) DIN平均濃度秋季較高, 春季豐水期較低?？陂T外 DIN的平均濃度春季較高, 濃度變化范圍也較秋季大, 春、秋季 DIN表層濃度均高于底層?？陂T外NO3--N、NO-2-N表、底層濃度均為春季高于秋季, 而NH+4-N表、底層濃度秋季遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于春季, 春、秋季長(zhǎng)江NO3--N、NO-2-N、NH+4-N的輸出通量分別為37.65、0.12、0.04 kg/s和33.20 、0.08、0.8 kg/s,說明3種DIN季節(jié)變化受長(zhǎng)江輸送影響較大。從圖2看出, 春、秋季NO3--N濃度均呈現(xiàn)河口及其附近高、向外海逐漸降低的趨勢(shì), 秋季 11月份長(zhǎng)江徑流量較春季 5月份小(5、11月份徑流量分別為905.30×108、334.37×108m3), NO3--N 等值線向南偏移, 高濃度NO3--N分布區(qū)向河口收縮, 這可能是受南下黃海沿岸流的影響[5-6]。春、秋季NO-2-N高值區(qū)均在口門附近, 春季東南部濃度較低, 秋季東南部濃度較高。NH4+-N的分布除了受長(zhǎng)江徑流影響外還受生物活動(dòng)及化學(xué)因素的影響, 故其分布較復(fù)雜,春季NH4+-N高值區(qū)主要在調(diào)查區(qū)的西南和東北部,其中西南部高值區(qū)位于上海市排污口附近, 兩高值區(qū)之間的大片水域NH4+-N濃度均在0.2~0.3 μmol/L之間, 秋季NH4+-N存在西部、東北、東南三個(gè)高值區(qū), 三高值區(qū)之間NH4+-N濃度均在1.2~1.6 μmol/L之間。

圖2 長(zhǎng)江口春、秋季表層營(yíng)養(yǎng)鹽和鹽度平面分布圖Fig.2 The surface horizontal distribution of nutrients and salinity in the Yangtze River Estuary in spring and autumn

表1 長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(μmol/L)Tab.1 Concentrations of nutrients in Yangtze River Estuary(μmol/L)

口門內(nèi)、外PO34--P濃度均秋季高于春季, 其一方面原因可能與懸浮顆粒物釋放出 P O34--P有關(guān), 秋季口門內(nèi)懸浮顆粒物的平均質(zhì)量濃度高達(dá) 405.26 mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于春季 35.31 mg/L, 因此秋季長(zhǎng)江帶入的懸浮顆粒物也遠(yuǎn)多于春季。另一方面可能是夏季大量繁殖的浮游生物在秋季死亡分解, 有機(jī)磷轉(zhuǎn)換為PO34--P并在海水中積累。秋季水體垂直交換較好,PO34--P能從底層水體被連續(xù)不斷的帶入表層水體,故 P O34--P各水層分布相對(duì)均勻, 表、底層濃度差別較小。春季存在溫度躍層[7], 水體交換較差以及生物活動(dòng)較強(qiáng), 使PO34--P濃度表層低于底層。PO34--P的分布一般為口門附近高、外海低, 主要受長(zhǎng)江沖淡水的影響[8]。但由于PO34--P存在河口緩沖作用, 分布變化較其他營(yíng)養(yǎng)鹽復(fù)雜, 與NO3--N和SiO32--Si分布不同的是PO34--P濃度最高值一般不在口門內(nèi)而是在口門外(如秋季 P O34--P濃度最高值2.11 μmol/L在40號(hào)站位)。由于人類活動(dòng)的影響, 長(zhǎng)江口N營(yíng)養(yǎng)鹽濃度逐年升高, 而 P O34--P濃度本身較小, 又由于河口緩沖的作用, 其增長(zhǎng)趨勢(shì)不大明顯, 但在該調(diào)查區(qū)域內(nèi), PO34--P濃度與20世紀(jì)80年代調(diào)查結(jié)果相比也有所增加[9]。

春、秋季口門內(nèi)、外 S iO32--Si濃度均較高, 其等值線分布與海岸線基本平行, 濃度從河口向外海逐漸降低, 表明 S iO32--Si主要受長(zhǎng)江徑流的影響, 該調(diào)查結(jié)果與以往的研究結(jié)果類似[10]。春季表、底層SiO32--Si濃度在口門內(nèi)、外都遠(yuǎn)低于秋季, 其原因除了與徑流輸送有關(guān)外(春、秋季長(zhǎng)江 S iO32--Si輸出通量分別為 70.93、107.96 kg/s), 還受生物活動(dòng)影響,春季浮游植物大量繁殖, 消耗較多的 S iO32--Si, 春季表層Chl-a質(zhì)量濃度平均值為1.35 μg/L, 遠(yuǎn)高于秋季0.78 μg/L。

2.1.2 DIN的形態(tài)特征

海水中的DIN包括NO3--N、NO-2-N、NH+4-N 3種形態(tài), 它們對(duì)海洋生物餌料循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[11]。從圖3可見在長(zhǎng)江口及其鄰近海域春、秋季表、底層DIN的主要存在形式都是NO3--N, 春季表、底層NO-2-N和NH+4-N的含量相近, 秋季表、底層NH+4-N的含量大于NO-2-N。春季表、底層NO3--N、NO-2-N、NH+4-N占總?cè)芙鉄o機(jī)氮的百分比分別是94.76%、2.77%、2.47%和95.43%、2.21%、2.36%; 秋季表、底層NO3--N、NO-2-N、NH+4-N占總?cè)芙鉄o機(jī)氮的百分比分別是 84.07%、2.17%、13.76%和82.51%、2.28%、15.21%?？梢钥闯鯪O3--N、NO-2-N的相對(duì)含量為春季高于秋季, 而NH+4-N相對(duì)含量秋季高出春季約5倍。秋季口門內(nèi)NH+4-N高,外海區(qū)亦高, 春季口門內(nèi)NH+4-N低, 外海區(qū)亦低,表明秋季NH+4-N濃度高于春季主要是受長(zhǎng)江輸送影響。此外, NH+4-N還可能與生物活動(dòng)有關(guān), 長(zhǎng)江口NH+4-N的主要來源是長(zhǎng)江沿岸城市工、農(nóng)業(yè)及生活污水排放, 在由河口向外海的輸送過程中, 部分NH+4-N會(huì)被亞硝化菌和硝化菌氧化為NO-2-N和NO3--N, 這種硝化反應(yīng)會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)[12],秋季水溫高于春季(春、秋季海水溫度平均值分別為17.61℃、20.69℃), 細(xì)菌的活動(dòng)加強(qiáng), 加快了有機(jī)質(zhì)的降解[11]。

圖3 長(zhǎng)江口春、秋季NO3--N、NO-2-N、NH+4-N的相對(duì)含量Fig.3 The relative content of NO-3-N,NO-2-N andNH+4-N in the Yangtze River Estuary in spring and autumn

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽的結(jié)構(gòu)分布特征

春季, 長(zhǎng)江口及其鄰近海域 Si/DIN值(S iO32--Si/DIN)大部分小于 1(見圖4), 長(zhǎng)江河道內(nèi)其平均值、變化范圍分別是0.92和0.81~1.13。海水中DIN主要來自工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活廢水的排放[13], 而SiO32--Si主要來自河流攜帶的巖石風(fēng)化[14], 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明 DIN排放量逐年升高, 而 S iO23--Si溶出量逐年降低, 因此輸入海水的長(zhǎng)江水體中 Si/DIN值呈降低趨勢(shì)[15]。此外, 圖4中北-西北部存在一舌狀Si/DIN高值區(qū), 可能與蘇北沿岸流和黃海沿岸流有關(guān)[16], 東北部 31.5°~32°N、122.75°~123.25°E 海區(qū)存在一 Si/DIN低值區(qū), 最低至 0.18, 此處正位于長(zhǎng)江口赤潮高發(fā)區(qū)[17-18], 也是葉綠素高值區(qū), 7號(hào)站位(31.75°N, 123°E)葉綠素值最高, 可達(dá) 10.23 μg/L,SiO32--Si濃度則低至 2.05 μmol/L。有些站位(如31.5°N, 123°E)更是低至 1.06 μmol/L, 進(jìn)而導(dǎo)致異常低的Si/DIN值。春季口門內(nèi)、外DIN/P(DIN/PO34--P)平均值分別為 60.76和 58.91, 且長(zhǎng)江河道內(nèi) DIN/P變化范圍是46.77~149.49, 暗示河流輸入以高DIN/P值為特征, 與以往研究結(jié)果相符[19]。此外, 長(zhǎng)江口東北部赤潮高發(fā)區(qū)內(nèi)的 Si/DIN低值區(qū)對(duì)應(yīng)DIN/P的高值區(qū), 最高可達(dá)270以上, 葉綠素值最高的 7號(hào)站位對(duì)應(yīng)的PO34--P濃度為 0.04 μmol/L,部分站位更是低至 0.02 μmol/L, 這種局部異常應(yīng)該與赤潮高發(fā)區(qū)內(nèi)浮游植物短時(shí)間吸收大量PO34--P有關(guān)。

圖4 長(zhǎng)江口春、秋季表層Si/DIN和DIN/P平面分布Fig.4 The surface horizontal distribution of Si/DIN and DIN/P in the Yangtze River Estuary in spring and autumn

秋季, 口門內(nèi)、外 DIN/P平均值分別為 63.32和 25.62, 其高值區(qū)位于口門附近, 并由近岸向外海遞減, 最高值73.27位于長(zhǎng)江河道里。因口門外DIN平均濃度比春季低, SiO32--Si平均濃度比春季高,故Si/DIN秋季比春季高, 正如圖4所顯示在調(diào)查區(qū)內(nèi)Si/DIN均大于1, 北部部分區(qū)域大于2。長(zhǎng)江口春、秋季口門內(nèi) Si/DIN的平均值分別是 0.92、1.48, 可看出秋季長(zhǎng)江水體以高Si/DIN為特征。在調(diào)查區(qū)北部Si/DIN呈現(xiàn)一舌狀高值區(qū), 可能是受高 S iO32--Si、低DIN的蘇北沿岸流影響[20]。

2.3 營(yíng)養(yǎng)鹽限制的判斷

2.3.1 潛在相對(duì)限制

Redfield[21]提出海洋浮游植物是按一定的比例吸收水體中的碳、氮、磷元素, 即 C∶N∶P=106∶16∶1(此值被稱作 Redfield比值), 硅藻一般吸收硅和氮的摩爾比是 1∶1[22], 這是判斷浮游植物受哪種營(yíng)養(yǎng)鹽限制的基礎(chǔ)[23]。雖不同藻類的限制閾值不同,但對(duì)于尺度較大的河口浮游植物, 仍可以依據(jù)Redfield比值有效的進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽潛在相對(duì)限制的判斷[24]。本文采用 Si∶DIN=1∶1、DIN∶P=16∶1作為營(yíng)養(yǎng)鹽潛在相對(duì)限制的判別依據(jù)。

圖5是春、秋季表層營(yíng)養(yǎng)鹽摩爾濃度比的散點(diǎn)分布圖。由于受含過量 S iO23--Si和 DIN[13]的長(zhǎng)江和錢塘江等陸地徑流的影響, 調(diào)查區(qū)域內(nèi)春、秋季營(yíng)養(yǎng)鹽皆為PO34--P潛在相對(duì)限制。此外, 春季的數(shù)據(jù)點(diǎn)較秋季分散, 且大部分位于Si∶DIN=1∶1斜線的下方, 雖然長(zhǎng)江峰面區(qū) Si/DIN一直在下降(從 1959年的 3.8到 2002年的 0.85[15]), 但相比之下其仍然受PO34--P潛在相對(duì)限制。而秋季數(shù)據(jù)點(diǎn)集中, 數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎全部位于 Si∶DIN=1∶1斜線的上方, 且有向DIN潛在相對(duì)限制轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖5 長(zhǎng)江口春、秋季表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度比值散點(diǎn)分布Fig.5 The scatter distribution of nutrient ratios in the Yangtze River Estuary in spring and autumn

2.3.2 絕對(duì)限制

每一種營(yíng)養(yǎng)鹽化學(xué)計(jì)量限制因素的成立并不代表實(shí)際限制因素就成立, 只有通過比較環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度和可能限制營(yíng)養(yǎng)鹽吸收的濃度之后才能確定可能的限制因素[25]?；趯?duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收動(dòng)力學(xué)的研究, Nelson 等[26]提出: DIN:1 μmol/L、P:0.1 μmol/L、Si:2 μmol/L為浮游植物生長(zhǎng)所需要的最低閾值。Fisher等[27]也提出營(yíng)養(yǎng)鹽的限制濃度為 DIN:2 μmol/L,P:0.2 μmol/L; 本文在討論絕對(duì)限制濃度時(shí)采用前者作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

受長(zhǎng)江沖淡水的影響, 調(diào)查區(qū)域內(nèi)春、秋季均不存在 DIN的絕對(duì)限制站位(表2)。春季PO34--P絕對(duì)限制的站位除34站位外均位于葉綠素高值區(qū), 即赤潮高發(fā)區(qū)以內(nèi), 說明浮游植物大量生長(zhǎng)繁殖導(dǎo)致PO34--P被過量消耗, 從而低于閾值0.1μmol/L。春季SiO32--Si的絕對(duì)限制站位亦除34站位均位于赤潮高發(fā)區(qū), 與PO34--P一致, 說明浮游植物也吸收了大量的 S iO32--Si。東海赤潮高發(fā)區(qū)浮游植物優(yōu)勢(shì)種呈“硅藻—甲藻—硅藻”的演替態(tài)勢(shì)[28], 且 N/P隨硅藻的生長(zhǎng)而迅速升高, 并伴隨消耗大量的 S iO32--Si[29],因此可判斷春季長(zhǎng)江口海域浮游植物優(yōu)勢(shì)種可能是硅藻。34站位存在PO34--P、SiO32--Si絕對(duì)限制, 其原因可能與低營(yíng)養(yǎng)鹽的黑潮表層水入侵有關(guān), 這說明黑潮表層水中 S iO32--Si相對(duì)較為缺乏。此外, 因秋季海水的垂直混合作用相對(duì)強(qiáng)烈, 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度相對(duì)較高, 故秋季不存在營(yíng)養(yǎng)鹽絕對(duì)限制。

表2 長(zhǎng)江口春、秋季表層DIN、 P O43--P和 S iO23--Si絕對(duì)限制站位統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistics of the stations which appear DIN, P O43--P and SiO23--Si absolute limitations in the Yangtze River Estuary in spring and autumn

2.3.3 營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的影響

近年來隨著 DIN和 P O34--P含量的增加,SiO32--Si含量的降低, DIN/P和Si/DIN比例也隨之變化[8,30]。從表3可知當(dāng)同時(shí)考慮絕對(duì)限制和潛在相對(duì)限制時(shí), 20世紀(jì)80年代長(zhǎng)江口及其鄰近海域不存在氮、磷、硅營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物的限制, 從90年代開始出現(xiàn) P O34--P限制, 且2003年 P O34--P限制情況較90年代更加突出, 這種變化趨勢(shì)不得不引起人類對(duì)該海區(qū)浮游植物生長(zhǎng)和群落組成更大的關(guān)注。

表3 長(zhǎng)江口不同年份春、秋季營(yíng)養(yǎng)鹽限制的出現(xiàn)頻率Tab.3 The probability of nutrient limitations in the Yangtze River Estuary in spring and autumn of different years

綜合考慮營(yíng)養(yǎng)鹽絕對(duì)限制和潛在相對(duì)限制后,得出調(diào)查區(qū)域春季存在 P O34--P限制區(qū)域, 約占總站位數(shù)的 15.38%, 且主要位于葉綠素高值區(qū), 因硅藻的生長(zhǎng)使海水中 N/P升高, 并伴隨消耗大量的SiO32--Si, 故導(dǎo)致了調(diào)查區(qū)域較高的 N/P和較低的SiO32--Si、 P O34--P濃度。此外, 低 N/P和高濃度PO34--P有利于硅藻的生長(zhǎng), 而高 N/P和低濃度PO34--P有利于甲藻的生長(zhǎng), 同時(shí)PO34--P的相對(duì)不足和 DIN/P比例的增大是引起該海域浮游植物群落結(jié)構(gòu)由硅藻向甲藻演替的條件[4]。因此調(diào)查海區(qū)PO34--P限制區(qū)域內(nèi)硅藻的生長(zhǎng)將受到PO34--P的限制, 并且還有可能引起甲藻的大量繁殖。

3 結(jié)論

(1) 春季、秋季 DIN的主要形態(tài)均為NO3--N,NO3--N、NO-2-N濃度春季高于秋季, NH+4-N則相反?？陂T內(nèi)、外PO34--P、SiO32--Si濃度均為秋季高春季低, P O34--P秋季垂直分布均勻, 春季分層明顯。NO3--N、 P O34--P、 S iO32--Si濃度從近岸向外海逐漸降低, NO-2-N、NH+4-N分布規(guī)律不明顯。

(2) 春、秋季長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)均處于高DIN/P狀態(tài), 春季Si/DIN大部分小于1, 秋季Si/DIN幾乎全部大于1。春季硅藻的局部大量生長(zhǎng)使DIN/P值異常升高和 Si/DIN值異常降低, 而秋季存在低 DIN/P和高Si/DIN的分布。

(3) 春、秋季均為PO34--P潛在相對(duì)限制, 春季存在局部PO34--P和SiO32--Si的絕對(duì)限制, 當(dāng)同時(shí)考慮絕對(duì)限制和潛在相對(duì)限制時(shí), 春季 15.38%站位受PO34--P限制, 限制情況較20世紀(jì)90年代更突出。

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