南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節(jié)變化及潛在性富營(yíng)養(yǎng)化分析

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 凌云, 沈輝, 高繼先, 劉培廷, 張朝暉

江蘇省海洋水產(chǎn)研究所, 南通 226007

南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節(jié)變化及潛在性富營(yíng)養(yǎng)化分析

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 凌云, 沈輝, 高繼先, 劉培廷, 張朝暉*

江蘇省海洋水產(chǎn)研究所, 南通 226007

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 等. 南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節(jié)變化及潛在性富營(yíng)養(yǎng)化分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(2): 75-80.

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根據(jù)2011年5、8、10月以及2012年2月對(duì)南黃海輻射沙脊群海域4個(gè)航次海水水質(zhì)的調(diào)查資料, 分析了該海水營(yíng)養(yǎng)鹽的分布特征和季節(jié)變化, 利用潛在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模式評(píng)價(jià)水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況。結(jié)果表明, 無機(jī)氮年平均濃度為0.476 mg·L-1, 春季最高, 平均為0.636 mg·L-1。4個(gè)季節(jié)中溶解無機(jī)氮以硝態(tài)氮(NO3—N)為主要存在形式, 占年平均含量的 76.6%, 其中以春季比例為最高, 氨氮(NH4—N)占無機(jī)氮年平均含量的 23.3%, 亞硝氮(NO2—N)含量較低,全年基本未檢出。磷酸鹽的年平均濃度為 0.164 mg·L-1, 季節(jié)變化呈現(xiàn)春季至冬季遞增的分布特征。氮和磷的空間分布基本符合由陸向海逐漸降低的趨勢(shì)。本海域春季和夏季屬于中度營(yíng)養(yǎng)水平, 秋季和冬季屬于氮限制中度營(yíng)養(yǎng)水平。

南黃海; 輻射沙脊群; 氮; 磷; 潛在性富營(yíng)養(yǎng)化

1 前言

南黃海輻射沙脊群位于江蘇省岸外海域, 南北長(zhǎng)近200 km, 東西寬90 km, 面積約2.8萬km2, 由70多條沙脊和沙脊間潮流通道組成, 呈褶扇狀向海輻射, 是世界上最大的潮間帶輻射狀水下沙脊[1-4]。南黃海輻射沙脊群是優(yōu)越的“海洋牧場(chǎng)”, 豐富的海洋生物資源交織成復(fù)雜的海洋生物網(wǎng)。據(jù)報(bào)道,南黃海輻射沙脊群及其附近海域的生物資源種類眾多, 主要包括魚類約400種、貝類約40種、甲殼類約50種、鳥類約210種、爬行類約40余種、海生哺乳動(dòng)物約15種以及海生植物近300種。其中珍稀品種達(dá) 10%以上, 有曾經(jīng)被國(guó)際鳥類委員會(huì)認(rèn)定已絕跡的“黑咀鷗”、“扁咀海雀”以及產(chǎn)天然珍珠的斧文蛤等。南黃海輻射沙脊群盛產(chǎn)泥螺、螃蟹、文蛤、青蛤、四角蛤、縊蟶、牡蠣等水產(chǎn)品, 年產(chǎn)量超10萬t。近年來, 關(guān)于南黃海輻射沙脊群附近海域的水文動(dòng)力及地質(zhì)地貌等方面的研究報(bào)道較多[5-7],但此海域的氮磷分布特點(diǎn)及富營(yíng)養(yǎng)化狀況還少有報(bào)道。本研究旨在對(duì)2011—2012年南黃海輻射沙脊群海域春夏秋冬四個(gè)季節(jié)海水環(huán)境因子調(diào)查的基礎(chǔ)上,分析海水中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的季節(jié)變化和空間分布, 對(duì)該海域的富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià), 研究結(jié)果對(duì)南黃海輻射沙脊群的開發(fā)具有指導(dǎo)意義, 為進(jìn)行海洋環(huán)境的污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 站位設(shè)置及調(diào)查時(shí)間

根據(jù)南黃海輻射沙脊群的地理位置及海洋環(huán)境資料[2-5], 本次調(diào)查在“東沙”和“高泥”人工島工程海域(32.3°—33.5°N, 120.6°—岸線)設(shè)置5條調(diào)查斷面, 共30個(gè)站位。調(diào)查時(shí)間為2011年5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)及2012年2月(冬季), 站位分布見圖1。

圖1 南黃海輻射沙脊群海域調(diào)查站位分布Fig. 1 Distribution of sampling stations

2.2 分析項(xiàng)目和方法

水樣的采集、保存及分析方法均參照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范—海水分析》進(jìn)行[8]。采集表層水樣, 水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜(450 ℃灼燒4 h) 過濾后置于聚乙烯瓶中, –20℃冷凍保存。水樣測(cè)定分析項(xiàng)目包括NO3—N、NO2—N、NH4—N、PO4—P。樣品采用LACHAT 8500 S2型流動(dòng)注射分析儀進(jìn)行測(cè)定, 總?cè)芙鉄o機(jī)氮(DIN)以NO3—N、NO2—N 及NH4—N三項(xiàng)之和計(jì)算。其中NO3—N采用鎘柱還原法(檢出限為5 μg·L-1)、NO2—N采用萘乙二胺分光光度法(檢出限為5 μg·L-1)、NH4—N采用靛酚藍(lán)法(檢出限為5 μg·L-1)、PO4—P分別采用磷鉬藍(lán)分光光度法(檢出限為5 μg·L-1)進(jìn)行分析。

1.3 潛在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

本文采用了郭衛(wèi)東等[13]提出的潛在性富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)級(jí)分級(jí)模式對(duì)調(diào)查海域的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),這是基于N/P 值的一種新的富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的評(píng)價(jià)模式, 進(jìn)一步評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)級(jí)類型, 其營(yíng)養(yǎng)級(jí)劃分原則見表1。當(dāng)N:P比大于30時(shí), 劃為磷限制海區(qū); N:P比小于8時(shí), 劃為氮限制海區(qū)。

3 結(jié)果與討論

3.1 南黃海輻射沙脊群海域無機(jī)氮的季節(jié)變化及平面分布

氮是海洋浮游植物生長(zhǎng)繁殖所必需的營(yíng)養(yǎng)鹽, 氮濃度過低是浮游植物生長(zhǎng)的限制因素, 可降低海洋初級(jí)生產(chǎn)力; 氮濃度過高則會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化和赤潮發(fā)生,損害海洋生態(tài)環(huán)境[9,10]。研究表明, 南黃海輻射沙脊群海域DIN含量普遍較高, 全年平均濃度為0.476 mg·L-1,其中以春季的DIN含量最高, 濃度范圍在0.30—1.29 mg·L-1之間, 平均值為0.64 mg·L-1; 夏季次之,濃度范圍在0.27—0.75 mg·L-1, 平均值為0.51 mg·L-1;秋季再次, 濃度范圍在0.199—0.595 mg·L-1, 平均值為0.406 mg·L-1; 冬季最低, 濃度范圍在0.157—0.564 mg·L-1之間, 平均值為0.356 mg·L-1。如圖2(A)所示, 春季由于河口營(yíng)養(yǎng)鹽的注入, 致使入?？诟浇Ｓ蛴袃蓚€(gè)明顯的DIN高值區(qū); 夏季調(diào)查海域南部的水體受到長(zhǎng)江沖淡水的影響, DIN水平較高, 向北依次遞減。另外, 由于浮游植物在夏季光合作用較強(qiáng) DIN的消耗速率加快, DIN的水平分布較為均勻, 其濃度由沿岸到海洋逐漸降低, 如圖 2(B)所示; 秋季和冬季 DIN含量持續(xù)降低, 分布與夏季類似, 均呈現(xiàn)由陸向海逐漸降低的規(guī)律。

表1 潛在性富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模式營(yíng)養(yǎng)級(jí)的劃分原則Tab. 1 The principles on classification of nutrient levels with the potential eutrophication assessment model

圖2 南黃海輻射沙脊群海域DIN的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal variation of DIP in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

海水中的溶解性DIN包括NO3—N、NO2—N 和NH4—N三種, 是海水富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一。南黃海輻射沙脊群海域的四季研究結(jié)果顯示, NO3—N 在DIN組成中占較大比例, 范圍在1.4—98.3%, 平均值為76.6%, 春季為1.4%—73.2%, 夏季為88.3%—94.6%, 秋季為79.0%—92.8%, 冬季為49.7%—91.8%,其中夏季最大, 平均值為94.6%, 除了春季, 其他三季均在 80%以上(見圖 3)。NH4—N所占比例在1.68%—56.7%之間, 其中春季最高, 約占 56.7%。NH4—N被認(rèn)為是浮游植物和大型海藻首先吸收的氮源, 無需改變氮的價(jià)態(tài)即可被浮游植物直接吸收利用, 當(dāng)海水中 NH4—N幾乎被耗盡時(shí), 才會(huì)吸收其他形態(tài)的氮[9]。由圖3所示, 相對(duì)于春季, 夏季浮游植物迅速生長(zhǎng)繁殖, NH4—N所占比例顯著降低。浮游植物對(duì)氮的吸收利用究竟以何種形態(tài)為主, 一方面取決于浮游植物的種類和其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài), 另一方面還與NH4—N及NO3—N的相對(duì)濃度密切相關(guān)。夏季高溫時(shí), 在海水硝化細(xì)菌的作用下, NH4—N能過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為 NO3—N的速率增加, 也是造成夏季NH4—N大輻降低的原因之一。NO2—N在一年四季中所占比例極小, 絕大多數(shù)站位都未檢出,這與亞硝酸鹽的熱力學(xué)不穩(wěn)定性有關(guān)。因此, 南黃海輻射沙脊群海域營(yíng)養(yǎng)鹽水平是營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充和生物活動(dòng)消耗之間消長(zhǎng)和平衡的結(jié)果, 該海域作為潮流變化較大的海域, 同時(shí)又是重要的漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū), 無機(jī)氮水平受多種因素影響, 具有變化幅度大、速度快的特點(diǎn)[10,11]。

3.2 南黃海輻射沙脊群海域無機(jī)磷的季節(jié)變化和平面分布

PO4-P也是海水富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一, 磷是海洋浮游植物繁殖和生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)要素之一, 也是海洋生物產(chǎn)量的控制因素之一, 在全部生物代謝過程中起著重要作用[9,12]。南黃海輻射沙脊海域中 PO4—P的含量較為豐富, 全年平均濃度為0.164 mg·L-1, 輻射沙脊群海域春季PO4—P含量的平均值為0.09 mg·L-1, 最低值為0.03 mg·L-1, 最高值為0.35 mg·L-1; 夏季PO4—P含量的平均值為0.14 mg·L-1,最低值為0.03 mg·L-1, 最高值為1.66 mg·L-1; 秋季PO4—P含量的平均值為0.19 mg·L-1, 最低值為0.06 mg·L-1,最高值為0.38 mg·L-1; 冬季PO4—P含量的平均值為0.24 mg·L-1, 最低值為0.12 mg·L-1, 最高值為0.50 mg·L-1。PO4—P全年含量以冬季最高, 夏、秋次之, 春季最低?？臻g分布如圖4所示, PO4—P的分布整體上呈現(xiàn)陸向海逐漸降低的規(guī)律, 春季這個(gè)趨勢(shì)較明顯,而夏季在調(diào)查海域中部出現(xiàn)一個(gè)高值中心, 秋冬兩季分布相似, 在近岸海域有兩個(gè)高值區(qū), 向外則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖3 南黃海輻射沙脊群海域DIN的形態(tài)組成Fig. 3 Formation of DIN in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

海水中的磷含量受生物活動(dòng)規(guī)律及其他因素的影響而存在著季節(jié)變化。夏季表層海水的光合作用強(qiáng)烈, 浮游植物快速繁殖, 會(huì)攝取海水中較多的磷,而冬季海水對(duì)流混合劇烈, 使底部沉積物中的 PO4—P補(bǔ)充到上覆蓋海水中, 含量上升, 達(dá)到全年最高值[12], 輻射沙脊群海域的 PO4—P變化也符合此規(guī)律。張正斌[12]所做的調(diào)查結(jié)果表明, 我國(guó)近海水域PO4—P含量的季節(jié)變化特征明顯, 呈現(xiàn)春、夏、秋、冬依次遞增的規(guī)律, 福建海岸帶東的大鵬灣和珠江口的深圳灣, 以及大亞灣西南部海區(qū)的PO4—P季節(jié)變化也表現(xiàn)出相同的特征[16,17,20]。

3.3 南黃海輻射沙脊群海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

由于營(yíng)養(yǎng)鹽的限制, 海水中部分氮(對(duì)磷限制水體而言)或磷(對(duì)氮限制水體而言)相對(duì)過剩。而根據(jù)現(xiàn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或評(píng)價(jià)模式, 這部分過剩的氮或磷可使海區(qū)的營(yíng)養(yǎng)化水平提高, 甚至出現(xiàn)通常意義上的富營(yíng)養(yǎng)化, 但實(shí)質(zhì)上卻并不能全部被浮游植物所利用。這部分過剩的營(yíng)養(yǎng)鹽不應(yīng)被視為對(duì)實(shí)質(zhì)上的富營(yíng)養(yǎng)化作了貢獻(xiàn), 而應(yīng)看作只具有潛在性[18-20]。即只有當(dāng)?shù)拗扑w得到適量的磷補(bǔ)充, 或磷限制水體得到適應(yīng)的氮的補(bǔ)充時(shí), 使N/P值接近 Redfield值, 這部分過剩的氮或磷對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)才能真正體現(xiàn)出來。這種現(xiàn)象稱為潛在性富營(yíng)養(yǎng)化[13]。

圖4 南黃海輻射沙脊群海域PO4—P的季節(jié)變化Fig. 4 Seasonal variation of DIP in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

南黃海輻射沙脊群海域的磷含量在0.03—045 mg·L-1之間, 春季和夏季氮磷比值在8—30之間, 根據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)劃分原則, 屬于中度營(yíng)養(yǎng), 秋季和冬季氮磷比小于8, 根據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)劃分原則, 屬于氮限制中度營(yíng)養(yǎng)海域, 詳細(xì)分析見表 2?？梢钥闯? 從春季至冬季, 氮磷比值不斷降低, 從中度營(yíng)養(yǎng)水平逐漸變?yōu)榈拗菩灾卸葼I(yíng)養(yǎng)水平, 這由于 DIN隨季節(jié)不斷降低和PO4—P不斷升高, 盡管從春季開始, 浮游植物的大量繁殖消耗了大量營(yíng)養(yǎng)鹽, 但海域的本底濃度較高,加上沿岸河口不斷有新的營(yíng)養(yǎng)鹽注入, 使得輻射沙脊群海域全年都保持較高的營(yíng)養(yǎng)鹽水平, 這與輻射沙脊群海域海岸坡度平緩, 水深較淺, 而且導(dǎo)致海水的稀釋能力差也有一定關(guān)系。另外, 沙脊群海域含沙量較高, 且冬季較夏季高[24-25]。當(dāng)冬季海水對(duì)流混合劇烈時(shí), 使懸浮泥沙以及沉積物中的PO4—P迅速補(bǔ)充到上覆蓋海水中, 從而含量達(dá)到全年最高值[12]。

根據(jù)郭衛(wèi)東的研究結(jié)果, 秦皇島沿岸(1986—1990年)的枯水期和大鵬灣(1991年)為氮限制潛在富營(yíng)養(yǎng), 其他中國(guó)近岸海域基本處于磷限制或磷中等限制潛在富營(yíng)養(yǎng)化[14-15]。南黃海輻射沙脊群海域的富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)相對(duì)少見, 與中國(guó)近岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化特征不符, 而國(guó)外近岸海域的N/P一般小于15(如紐約灣等), 這種結(jié)果可能與輻射沙脊群海域的地型特征、水文動(dòng)力及相關(guān)海域水產(chǎn)養(yǎng)殖模式有關(guān)[22-23]。輻射沙脊群海域整體水深較淺, 水體中泥沙含量較高, 在潮流動(dòng)力的作用下, 泥沙及底部沉積物更容易將吸附的PO4—P釋放到水體中[24-25],而其他大部分(如膠州灣, 大鵬灣等)海區(qū)多為基巖海岸, 其水體較深, 泥沙含量少, 從而使輻射沙脊群海域呈現(xiàn)與其他海域不一樣的富營(yíng)養(yǎng)狀況。

表2 輻射沙脊群海域氮磷含量、氮磷比及潛富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)Tab. 2 Contents of nitrogen, phosphorus, N/P and eutrophication levels in sea waters

4 結(jié)論

(1) 2011-2012年南黃海輻射沙脊群海域氮磷含量都處于較高水平, DIN的年平均濃度為0.476 mg·L-1,春季最高, 平均為0.636 mg·L-1, 夏秋次之, 冬季最低; PO4—P的年平均濃度為0.164 mg·L-1, 呈現(xiàn)春、夏、秋、冬依次上升的趨勢(shì)。PO4—P的濃度最高值為1.66 mg·L-1, 出現(xiàn)在夏季。

(2) 南黃海輻射沙脊群海域 4個(gè)季節(jié)中溶解DIN以NO3—N為主要存在形式, 占年平均含量的76.6%, 其中以夏季含量最高, 為 94.63%; NH4—N 占 DIN年平均含量的 23.3%, 其中以春季最高, 占56.68%; NO2-N全年含量均較低, 基本未被檢出, 僅占DIN年平均含量的0.02%。

(3) 南黃海輻射沙脊群海域氮磷的平面分布差異不大, 整體上呈現(xiàn)近海岸濃度高、外海濃度低的特點(diǎn), 空間分布基本符合由陸向海逐漸降低的趨勢(shì)。

(4) 南黃海輻射沙脊群海域春季和夏季屬于中度營(yíng)養(yǎng), 秋季和冬季屬于氮限制中度營(yíng)養(yǎng)。對(duì)南黃海輻射沙脊群海域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果, 對(duì)相關(guān)海域的海洋環(huán)境保護(hù)、海岸帶管理及適度開發(fā)利用水域潛力、水產(chǎn)養(yǎng)殖等提供了詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。

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Seasonal change of nitrogen and phosphorus and analysis of potential eutrophication in radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

LI Hui, WAN Xihe, WANG Libao, LING Yun, SHEN Hui, GAO Jixian, LIU Peiting, ZHANG Chaohui*
Institute of Oceanology and Marine Fishersies,Jiangsu Nantong226007,China

The distribution characteristics and variations of nutrients in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea were analyzed on May, August and October of 2011, and February of 2012, and the potential eutrophication of water quality was assessed. Our results showed that the annual mean concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) were 0.476 mg·L-1. The concentration of DIN in spring was 0.636 mg·L-1, higher than those of other seasons. NO3—N was dominant in spring, contributing to 76.6% of annual mean DIN content. NH3—N accounted for 23.3% of annual DIN concentration. The concentration of NO2—N was not detected at almost all stations. The annual mean concentration of active phosphate was 0.164 mg·L-1, higher than values of other seasons. The spatial distribution of nutrients was in line with trend that the nutrient concentration gradually downward from neritic areas to offshore areas. The seawater of this area was in medium trophic level state in spring and summer, and in medium nitrogen- limiting trophic level in autumn and winter.

South Yellow Sea; the radial sand ridge group region; nitrogen; phosphorus; potential eutrophication

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.012

X834

A

1008-8873(2016)02-075-06

2014-12-10;

2015-02-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC07B03); 國(guó)家海洋局海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013年度開放基金(MESE-2012-03); 2014江蘇省科技條件建設(shè)財(cái)政專項(xiàng)(BM2014040)

黎慧(1985—), 女, 山東泰安人, 碩士, 助理研究員, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, E-mail: xh0922@163.com

*通信作者:張朝暉, 男, 博士, 研究員, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zzh6495@sohu.com