2012年長江口及其鄰近海域營養(yǎng)鹽分布的季節(jié)變化及影響因素*

王文濤 曹西華 袁涌銓 宋秀賢 俞志明①

(1. 中國科學院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室 青島 266071; 3. 中國科學院大學 北京 100049)

海水中的營養(yǎng)鹽控制著海洋初級生產(chǎn)力, 也是浮游植物組成的重要元素。有研究表明, 含有氮、磷、硅的營養(yǎng)鹽的濃度與比例直接影響浮游植物的種群動態(tài)和群落結(jié)構(gòu)(Hori et al, 1998; Hodgkiss et al, 2004;Mallin et al, 2004)。近年來, 受到人類活動的影響, 許多近岸海域出現(xiàn)海水富營養(yǎng)化現(xiàn)象, 導(dǎo)致有害藻華的暴發(fā)(HABs, Harmful Algal Blooms), 造成赤潮等生態(tài)災(zāi)害, 嚴重危害了海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康(Glibert et al, 2001; Diaz et al, 2008)。作為世界第三, 同時也是太平洋西岸最大的河流, 長江每年向鄰近的中國東海輸入大量營養(yǎng)鹽, 使得長江口海域富營養(yǎng)化加劇及赤潮等生態(tài)災(zāi)害頻繁暴發(fā), 對人類在這一區(qū)域的漁業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重危害(俞志明等,2001; 周名江等, 2003)。

針對這一現(xiàn)象, 許多學者對長江口海域的營養(yǎng)鹽進行了大量研究。參考近些年的營養(yǎng)鹽變化數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn), 自 1985年以來由于受到長江徑流量、輸沙量以及人類使用化肥結(jié)構(gòu)的改變, 長江口水域的 N/P比值呈M型下降趨勢(陳慧敏等, 2011)。Chai等(2009)則結(jié)合了三峽大壩的建設(shè)情況, 通過分析 2002年至2006年期間長江口及鄰近海域的營養(yǎng)鹽濃度變化,發(fā)現(xiàn)自大壩蓄水以來長江口水域的 Si/N比值降低,而由于泥沙量輸入減少導(dǎo)致這一海域的總磷含量也隨之下降。也有學者發(fā)現(xiàn)長江口海域冬季銨鹽和亞硝酸鹽的增加可能與寒冷水團中的硝化反應(yīng)降低有關(guān),而硝酸鹽與磷酸鹽的濃度在最近十年中逐漸降低(Gao et al, 2012)。

雖然許多學者對長江口海域的營養(yǎng)鹽進行了大量研究, 但是由于該區(qū)域人類活動密集, 并存在三峽等大型水利設(shè)施可能影響長江的輸運, 導(dǎo)致河口海域的營養(yǎng)鹽時空變化和年際差異等特征較為復(fù)雜, 因此需要開展持續(xù)性地調(diào)查和研究工作, 記錄并分析這一關(guān)鍵區(qū)域營養(yǎng)鹽的常年變化特征及影響因素?；谶@一背景, 本研究調(diào)查了2012年四個季節(jié)長江口及鄰近海域氮、磷、硅營養(yǎng)鹽和總氮總磷的濃度, 結(jié)合歷史資料, 分析營養(yǎng)鹽的濃度變化、結(jié)構(gòu)特點和潛在營養(yǎng)鹽限制, 并討論其不同成分的來源及年度變化特征。通過如上分析, 揭示營養(yǎng)鹽含量變化對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能和穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 采樣站位

本文涉及調(diào)查區(qū)域為長江口及其鄰近海域, 范圍為 121.0°—123.5°E、30.5°—32.0°N, 調(diào)查站位 44個(圖1), 分別于2012年3月4日—20日(冬季), 5月22日—28日(春季), 8月30日—9月6日(夏季), 12月10日—14日(秋季)共四個航次進行采樣。根據(jù)鹽度與濁度特征將調(diào)查海域分為三個區(qū)域, 區(qū)域一： 口門內(nèi),鹽度≤10; 區(qū)域二： 最大渾濁帶(文中統(tǒng)稱渾濁帶),10＜鹽度≤25; 區(qū)域三： 外海區(qū), 鹽度＞25。

1.2 調(diào)查方法

根據(jù)各站位的水深, 采用顛倒式采水器分別采集表層、5m、10m、20m、30m和底層水樣, 調(diào)查內(nèi)容包括溫度、鹽度、葉綠素a(chl a)、硝酸鹽(NO3)、亞硝酸鹽(NO2)、氨氮(NH4)、磷酸鹽(PO4)、硅酸鹽(SiO3)、總氮(TN)及總磷(TP)等。采集的部分水樣經(jīng)高溫灼燒處理過的Whatman GF/F濾膜過濾后裝入潔凈的聚乙烯瓶, 滴入氯仿固定并保存在-20°C下, 待測溶解態(tài)營養(yǎng)鹽; 另有部分水樣直接裝入潔凈的聚乙烯瓶中, 滴入濃硫酸固定并置于-20°C保存, 用于測定海水中的TN、TP。

1.3 分析方法

使用顛倒水溫表測定海水溫度, 儀器誤差為±0.01°C, 使用 8803型鹽度計測定海水鹽度, 儀器誤差為±0.01。Chl a 通過丙酮萃取后用熒光法測定, 檢測限為0.01mg/m3(Parsons et al, 1984)。營養(yǎng)鹽的測定參照《海洋調(diào)查規(guī)范》進行, 使用鎘銅還原法測定硝酸鹽, 重氮-偶氮法測定亞硝酸鹽, 靛酚藍法測定氨氮, 磷鉬藍法測定磷酸鹽, 硅鉬藍法測定硅酸鹽。用過硫酸鉀氧化總氮總磷后, 分別使用鎘銅還原法和磷鉬藍法測定。使用荷蘭制造的 SKALAR連續(xù)流動分析儀測定各項營養(yǎng)鹽濃度, 標準曲線滿足相關(guān)系數(shù)≥0.999, 并借助標準溶液進行中間校準以控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。總?cè)芙鉄o機氮(DIN)為 NO3、NO2、NH4之和。

文中采樣站位圖使用 Surfer 12制作, 營養(yǎng)鹽比值圖用 Sigma Plot 12繪制, 相關(guān)性及潛在限制圖用Excel 2010繪制。由于缺少秋季TN、TP與鹽度的對應(yīng)站位, 因此在該季節(jié)僅分析DIN、PO4和SiO3與鹽度的相關(guān)性; 營養(yǎng)鹽濃度均值差異及相關(guān)性的顯著分析利用 SPSS Statistics 19中的單因素方差法(ANOVA)。

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽時空分布

將調(diào)查海域劃分為口門內(nèi)、渾濁帶和外海區(qū), 分別代表長江河口淡水端、咸淡水混合區(qū)域和高鹽外海水影響海域。在四個季節(jié)各區(qū)域內(nèi)全水層營養(yǎng)鹽的濃度范圍及平均值如表1所示。

DIN、SiO3、TN和 PO4的濃度均表現(xiàn)出自口門內(nèi)向外海區(qū)逐漸降低的分布特征, 前三者的降低幅度較為明顯, 降低倍數(shù)約在 4—10倍之間; 隨著遠離河口區(qū)域, PO4平均濃度的降低幅度相對減弱, 最大濃度差不超過3倍, 且季節(jié)性差異較小。與其它營養(yǎng)鹽不同, TP在渾濁帶區(qū)域表現(xiàn)出最高平均濃度, 且在冬季呈現(xiàn)最高值。DIN和TN在長江口全海域的變化規(guī)律相似, 其平均濃度自冬季開始降低, 在夏季達到最低值后又逐漸升高(表1)。

表1 長江口及鄰近海域全水層DIN、PO4、SiO3、TN、TP濃度(μmol/L)范圍及平均值的季節(jié)變化特征Tab.1 Seasonal changes of DIN, PO4, SiO3, TN and TP concentrations in the whole layers of Changjiang River estuary and adjacent area

2.2 營養(yǎng)鹽變化特點及影響因素

2.2.1 磷營養(yǎng)鹽 與DIN、SiO3和TN相比, 自口門內(nèi)向外海區(qū) PO4濃度的降低幅度較小(表 1), 且與鹽度的相關(guān)性相對較低(圖 2), 可能是由于除長江沖淡水外, PO4還存在其它重要來源。作為重要的非保守性營養(yǎng)要素, PO4濃度在河口海域受到多種因素影響, 一方面受到浮游植物的吸收消耗所轉(zhuǎn)移, 另一方面受到泥沙吸附和釋放的影響(徐明德等, 2006), 咸淡水混合區(qū)域磷酸鹽的含量相對穩(wěn)定(黃自強等,1994)。另外, 黑潮水入侵東海(包括長江口及其鄰近海域)被認為是 PO4的重要來源(Chen, 1999; Fang,2004), 本次調(diào)查也發(fā)現(xiàn)在 27和 34站底層出現(xiàn)鹽度＞34的高值區(qū), 可能是外海高鹽水入侵所致。Wang等人(2016)的研究也證實, 富含磷酸鹽的黑潮東海分支可以入侵至外海區(qū)31°N的123°—123.5°E附近, 從而向該海域補充高濃度PO4。

與其它營養(yǎng)物質(zhì)不同, 四個季節(jié)中 TP的最大平均值均出現(xiàn)在長江口渾濁帶海域(表 1)。陳野等人(2014)的研究表明, 靠近河口的渾濁帶海域蘊含的泥沙可以吸附大量顆粒態(tài)磷(PP), 而PP是TP的主要組成部分, 其濃度可以達到溶解態(tài)磷酸鹽的 2—5倍(Froelich, 1988; 徐開欽等, 2004)。本文調(diào)查結(jié)果也顯示, 各個季節(jié)長江口渾濁帶的 TP平均濃度均為 PO4濃度的5倍以上。此外, Liu 等(2003)發(fā)現(xiàn)長江干流懸浮體濃度與 TP濃度呈現(xiàn)正相關(guān)特征, 因此推測 TP在渾濁帶出現(xiàn)高值是由于泥沙吸附所致。

圖2 長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽與鹽度的相關(guān)性Fig.2 Correlations between nutrients and salinity in the Changjiang River estuary and adjacent area

2.2.2 氮營養(yǎng)鹽 DIN及TN在夏季表現(xiàn)出較低的平均值, 其中DIN的分布特點與王江濤等(2012)總結(jié)的近50年來長江口DIN的季節(jié)變化特征相似, 即低濃度出現(xiàn)在春夏季節(jié), 這一特征可能是由于浮游植物生長吸收所致。Chl a的季節(jié)變化顯示, 在本研究四個季節(jié)的調(diào)查中chl a的平均濃度在夏季達到最高值, 而在秋季(12月)處于最低水平(圖 3), 與 DIN和TN的變化特點相反。楊紅等(2008)利用BOX模型研究發(fā)現(xiàn), 在長江口及其鄰近海域夏季河流輸入 DIN通量小于交換流帶出系統(tǒng)的 DIN通量。近些年甲藻赤潮逐漸增多, 對含氮營養(yǎng)鹽的影響也更為顯著(王江濤等, 2012), 因此推測夏季DIN和TN的低濃度是受浮游植物生長吸收所致。

此外, DIN和TN的平均濃度表現(xiàn)出口門內(nèi)＞渾濁帶＞外海區(qū)的規(guī)律, 且與鹽度呈顯著負相關(guān)(P＜0.01,圖2), 推測DIN和TN在長江口及鄰近海域的主要來源是長江沖淡水。此特征與眾多研究結(jié)果一致, 沈志良(1997)報道了在長江入海口區(qū)域 DIN的通量處于較高水平, 而 Wang等(2003)的研究也發(fā)現(xiàn)長江河口以東及東北區(qū)域的高營養(yǎng)鹽來自長江沖淡水的貢獻。

圖3 長江口及鄰近海域葉綠素a的平均濃度分布Fig.3 Distributions of average chl a concentrations in the Changjiang River estuary and adjacent area

2.2.3 年際變化分析 為了便于與以往的研究結(jié)果進行對比, 將本次調(diào)查區(qū)域的渾濁帶與外海區(qū)統(tǒng)稱為口門外區(qū)域, 口門內(nèi)仍為長江口淡水端。本研究中主要營養(yǎng)鹽濃度與以往調(diào)查結(jié)果的比較如表2所示, 本次調(diào)查的營養(yǎng)鹽濃度范圍取相應(yīng)海域各個季節(jié)的平均值。

對比結(jié)果顯示, 自上世紀八十年代以來 DIN和PO4在口門內(nèi)的濃度呈現(xiàn)顯著升高的特征, 其中第一個階段的升高更為明顯, 長江流域及沿海城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來大量的工農(nóng)業(yè)污水排放是該海域氮磷營養(yǎng)鹽增加的主要原因(王奎等, 2011); 近十年氮、磷營養(yǎng)鹽濃度也有一定程度的提升, 但變化幅度不大。在口門外海域, DIN與PO4也呈現(xiàn)出逐漸升高的特點, 第一階段的升高幅度明顯小于口門內(nèi)的淡水端。然而, 口海域 SiO3的濃度則呈現(xiàn)相反特征, 第一階段 SiO3濃度呈現(xiàn)下降特征, 近十年來變化幅度較小, Li等(2007)認為長江流域水利工程的修建攔截了大量沉積物質(zhì),導(dǎo)致入海的SiO3濃度明顯降低。

2.3 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征及影響因素

2.3.1 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的時空變化 海水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量及結(jié)構(gòu)組成, 不僅影響著海域的初級生產(chǎn)力, 對浮游植物群落組成也起著至關(guān)重要的作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)N/P比值表現(xiàn)出遠離河口而逐漸減小的特點。在2.2中討論了調(diào)查海域內(nèi)DIN主要來自于長江沖淡水, 而磷酸鹽主要來自于顆粒物分解以及外海輸入, 由于從口門內(nèi)至外海區(qū)長江沖淡水的影響逐漸減弱而外海水影響增強, 因此N/P比值表現(xiàn)出遠離河口而逐漸減小的特點(圖 4)。渾濁帶較低的透光率限制了浮游植物的生長, 由此也抑制了浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收利用, 因此該區(qū)域N/P比值無明顯周年變化特征(諸大宇等, 2008)。

在口門內(nèi)、渾濁帶及外海區(qū), Si/N平均值的最高值均出現(xiàn)在夏季(圖4), 差異性非常顯著(P＜0.01); 而在調(diào)查全海域中, 可以發(fā)現(xiàn)秋季的 Si/P比值相對較低(圖 4), 該季節(jié)減弱的長江水輸送可能是導(dǎo)致此特征的重要原因。

表2 長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽濃度(μmol/L)變化Tab.2 Variations of nutrients concentrations (μmol/L) in the Changjiang River estuary and adjacent area

圖4 長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化特征Fig.4 Variations of nutrients structures in the Changjiang River estuary and adjacent area

2.3.2 浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制 N、P、Si等元素作為浮游植物生長繁殖的重要營養(yǎng)成分, 其在海水中的含量組成可以直接影響海洋初級生產(chǎn)力與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能(Hodgkisset al,1997; Flynn,2002)。早在1963年Redfield等就提出浮游植物吸收海水中營養(yǎng)鹽按照 N∶P∶Si = 16∶1∶16的濃度比例進行(Redfieldet al, 1963); 此后, Justi?等(1995)定義一般情況下海水中的營養(yǎng)鹽 SiO3= 2μmol/L, DIN=1μmol/L, PO4= 0.1μmol/L 可作為浮游植物生長的最低閾值。依據(jù)此限制條件, 發(fā)現(xiàn)調(diào)查期間僅在春季33號站位存在絕對P限制(PO4= 0.03μmol/L)。

由于長江口海域營養(yǎng)鹽常年處于較高濃度的狀態(tài), 因此對浮游植物生長形成絕對限制的情況很少。但營養(yǎng)鹽比例失衡將影響并改變海域浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和組成, 所以我們進一步考察了調(diào)查海域浮游植物生長潛在營養(yǎng)鹽限制的狀況。通常認為, 當N∶P＞22、Si∶P＞22時, 處于潛在磷限制狀態(tài); 當 N∶P＜10、Si∶N＞1 時, 處于潛在氮限制狀態(tài); 當 Si∶N＜1、Si∶P＜10 時, 處于潛在硅限制狀態(tài)(Justi?et al,1995)。依據(jù)該標準, 發(fā)現(xiàn)冬季有超過60%的站位處于潛在磷限制狀態(tài)(圖 5), 春季、夏季和秋季這一比例分別為90%、92%和41%(表3), 這一特征與chla的時空變化相似, 說明浮游植物的吸收是引起潛在營養(yǎng)鹽限制的重要原因之一。而出現(xiàn)P限制特征的站位均位于外海區(qū), 推測輸送至外海區(qū)的磷酸鹽被浮游植物進一步吸收利用, 引起這一海域大范圍的潛在P限制特點。與潛在P限制不同, 調(diào)查期間的所有海域基本未發(fā)現(xiàn)潛在 N限制特征; 僅在秋季發(fā)現(xiàn)四個位于長江口外海區(qū)的站位有潛在Si限制的可能性。

圖5 長江口及其鄰近海域潛在營養(yǎng)鹽限制特征Fig.5 Potential limitations of nutrients in the Changjiang River estuary and adjacent area a： P 限制; b： N 限制; c： Si限制

2.3.3 潛在限制特征的年際變化 與文獻報道(王奎等, 2013)的 2006—2007年期間調(diào)查結(jié)果比較, 發(fā)現(xiàn)本次調(diào)查中春季和夏季潛在 P限制的站位比例呈現(xiàn)增加的特點, 而潛在 N限制和潛在 Si限制的站位則明顯減少(表 3)。這一特征可能是由于營養(yǎng)鹽輸入增加和浮游植物種類演替所致。一方面, 根據(jù)之前的對比結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)近 10年來長江輸送的氮營養(yǎng)物質(zhì)均有一定程度增加, 導(dǎo)致調(diào)查區(qū)域存在較高濃度的 N營養(yǎng)鹽(表2), 因此基本無潛在N限制。另一方面, 研究還發(fā)現(xiàn)(王江濤等, 2012), 隨著長江沖淡水輸送營養(yǎng)鹽的增多, 赤潮暴發(fā)的頻率也大大增加, 而且優(yōu)勢種由硅藻逐漸向甲藻轉(zhuǎn)變。另據(jù)報道, 2006年在長江河口赤潮發(fā)生海區(qū)優(yōu)勢種為中肋骨條藻和東海原甲藻赤潮(國家海洋局, 2011), 而在2012年赤潮優(yōu)勢種則為東海原甲藻和米氏凱倫藻(國家海洋局, 2013)。優(yōu)勢種的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致對 Si營養(yǎng)鹽的吸收降低, 可能是這一區(qū)域潛在Si限制減少的原因之一。

3 結(jié)論

(1) 在調(diào)查期間, DIN、SiO3和TN等營養(yǎng)鹽主要受長江沖淡水的影響, 平均濃度表現(xiàn)出從長江口門內(nèi)至外海區(qū)逐漸減小的特征, 且均與鹽度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)特征。PO4除受沖淡水影響外, 可能還受外海水輸送和泥沙吸附的作用, 因此與鹽度的相關(guān)性相對較低。由于渾濁帶富含的泥沙吸附了較高含量的PP, 使得 TP在這一區(qū)域表現(xiàn)出最大濃度。受浮游植物生長吸收作用的影響, DIN和TN在長江徑流量最高的夏季全海域出現(xiàn)最低平均濃度。

表3 長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽限制特征Tab.3 Characteristics of nutrients limitations in the Changjiang River estuary and adjacent area

(2) N∶P比值呈遠離河口而逐漸減小的特征, 其中渾濁帶區(qū)域因浮游植物光合作用低, 因此各季節(jié)間無明顯氮磷比變化。受到長江徑流高營養(yǎng)鹽輸入的影響, 除春季外海區(qū)有一個站位出現(xiàn)絕對 P限制外,調(diào)查海域均未表現(xiàn)出絕對營養(yǎng)鹽限制。然而調(diào)查海域中多數(shù)站位存在潛在P限制特征, 春季和夏季的比例超過90%; 潛在N限制站位比例減小, 可能是受到長江輸送氮營養(yǎng)鹽增多所致; 而潛在 Si限制站位比例降低, 推測是由于調(diào)查海域浮游植物種類演替所致。

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