2015年春季長江口表層沉積物生源要素分布和來源

張珊珊, 線薇微, 梁 翠, 沈志良

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2015年春季長江口表層沉積物生源要素分布和來源

張珊珊1, 3, 線薇微1, 2, 梁 翠1, 沈志良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, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

根據(jù)2015年5月對長江口及其鄰近海域的生態(tài)環(huán)境調查資料, 探討長江口春季表層沉積物總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)和生源硅(BSi)4類生源要素的空間分布和來源。結果表明: 2015年春季長江口表層沉積物TOC、TN、TP和BSi平均含量分別為0.315%、0.041%、0.066%和0.450%, 其中, 沉積物中TOC、TN受到陸源輸入和海洋自生輸入雙重影響, 且海洋自生組分的貢獻較大, 二者空間分布均呈現(xiàn)南部分布最高并沿西北方向遞減趨勢; TP分布主要受陸源輸入影響, 并呈西北向東南遞減趨勢; BSi來源于生物沉積, 總體呈現(xiàn)南部高、北部低的分布趨勢。與2007年相比, 長江口表層沉積物有機碳、氮含量降低, 東南外海區(qū)域替代渾濁區(qū)域成為表層沉積物生源要素含量最高區(qū)域, 且陸源輸入對長江口表層沉積物生源要素的貢獻趨于減弱。

長江口; 表層沉積物; 生源要素; 分布; 來源

生源要素(主要為碳、氮、磷和生源硅等元素)是海洋生物成長所必需的重要營養(yǎng)元素, 是海洋初級生產過程和食物鏈的基礎。生源要素循環(huán)一直是海洋生物地球化學研究的焦點, 也是全球變化研究和整個生物圈物質流動、能量循環(huán)研究的重要組成部分[1-3]。近海沉積物是海洋生態(tài)系統(tǒng)生源要素的重要儲庫和補給源[4], 人類活動引起的生態(tài)環(huán)境變化均被記錄于此。近年來有學者對重要湖泊、海灣沉積物中的TOC、TN及BSi空間分布進行探討[5], 研究結果顯示, 自19世紀以來美國Laurentian Great Lakes水系沉積物中TOC含量及埋藏通量呈顯著上升趨勢, New Bedford Harbor港口沉積物中的BSi則有效記錄了近2個世紀人類活動變化對港口生態(tài)環(huán)境影響的演變過程[6]。國內專家也通過對珠江口、膠州灣等沉積物中有機碳、氮的形態(tài)、生物硅等指標進行深入解析[7-8], 給出了近海表層沉積物中碳、氮、磷和生源硅的含量及分布特征, 并由此推斷生源要素的來源和有機污染狀況[9-10]。

長江口作為世界第三大河的入?？? 堆積了大量陸源輸入的泥沙等物質, 沉積物成為生源要素的最終歸宿[11]; 部分細粒泥沙隨潮流向東、向南輸送, 同時受生物作用的影響, 導致沉積物中生源要素分布的空間差異[12]。自20世紀80年代以來, 眾多學者對長江口及其近海水體中初級生產力及顆粒態(tài)有機物的分布、來源及通量作了較多研究[13-14], 于宇[6]揭示了沉積物中生源要素對水體生態(tài)環(huán)境變化的指示意義, 王華新等[15]根據(jù)2007年調查數(shù)據(jù)解析長江口有機碳季節(jié)變化特征, 并對其影響因素進行了初步探討。本文依據(jù)2015年5月春季生態(tài)環(huán)境調查資料, 探討長江口目前表層沉積物中總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)和生源硅(BSi)含量、分布和來源, 并根據(jù)歷史調查數(shù)據(jù)解析2007年以來長江口表層沉積物生源要素時空變化特征, 研究結果將為進一步闡釋長江口生物地球化學循環(huán)特征提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

現(xiàn)場調查于2015年5月初完成, 租用“浙嵊漁10201號”船對長江口及其鄰近海域進行生態(tài)環(huán)境綜合調查。調查區(qū)域范圍在30°30′~32°20′N, 121°00′~ 123°30′E, 自西向東涵蓋8個斷面, 共計40個站位(圖1)。依據(jù)長江沖淡水范圍和水體總懸浮物(TSM)含量特征將其分為3個區(qū)域[15]。分別是: 沖淡水覆蓋范圍內, 懸浮物含量最高的最大渾濁區(qū)(15、16、21~23、28~30、35~40號站); 沖淡水南部偏轉覆蓋水域, 懸浮物含量較低的東南外海區(qū)(17~20、24~27、31~34號站)和沖淡水東北偏移覆蓋水域, 懸浮物含量較低的北部海區(qū)(1~14號站)。

圖1 長江口調查站位

1.2 樣品采集與測定

用Van Veen 抓斗式采泥器對長江口海域表層沉積物進行采集, 取表層2 cm厚的沉積物置于–20℃冰箱冷凍保存, 本航次共收集36個樣品。將樣品帶回實驗室后, 首先各取20 g左右濕樣置于50℃烘箱烘干后放于干燥皿中干燥至恒重, 然后經(jīng)瑪瑙研缽研磨后過125目篩, 最后裝封口袋編號待測。各站位利用Sea-Bird-25 CTD同步測定深度、溫鹽等水文指標, 取樣和各指標檢測均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》( GB17378.3- 2007) 進行[16], 采用最新儀器測定。

(1)總有機碳(TOC)、總氮(TN)的測定[16]: 稱取約100 mg沉積物干樣品于100 mL錐形瓶中, 加入10 mL 0.1 mol/L的鹽酸, 混合均勻后蓋橡皮塞, 置于電爐加熱, 微沸3~5 min轉80℃水浴加熱20 min, 冷卻后離心, 傾去上清液; 再加入50 mL去離子水重復操作兩次, 之后將樣品于80℃烘箱中烘干, 放于干燥皿中干燥至恒重。研磨成粉末后稱取樣品, 利用德國Elementar公司的vario MACRO cube元素分析儀測定其TOC、TN含量。該方法檢出限為0.2 mg/g。

(2) 總磷(TP)的測定[17]: 稱取 5.0 g研磨后的樣品, 放入模具內, 撥平。用硼酸鑲邊墊底, 在 35 t的壓力下, 壓制成試樣直徑為 32 mm、鑲邊外徑為 40 mm 的圓片。標準樣品和被測樣品采用相同的制樣方法, 利用德國布魯克公司的S 8 Tiger波長型X射線熒光光譜儀(XRF)上機分析, 通過測量特征X射線的強度來定量分析試樣中TP的質量分數(shù), 檢出限可達1.00 mg/kg。

(3) 生源硅(BSi)的測定[18]: 準確稱量100 mg沉積物干樣品于50 mL聚丙烯離心管中, 加5 mL 10% H2O2除去有機質, 震蕩后再加5 mL 1 mol/L HCl。30 min后加去離子水洗滌, 以4 500 r/min離心10 min傾去上清液, 于60℃烘箱中烘干。向經(jīng)預處理后的樣品中加入40 mL 2 mol/L的Na2CO3, 搖勻后85℃恒溫水浴加熱, 每隔1 h離心提取0.2 mL上層清液, 連續(xù)提取8 h, 借助QuAAtro營養(yǎng)鹽自動分析儀利用硅鉬藍法測定溶解硅酸鹽濃度, 經(jīng)換算得出沉積物中BSi質量濃度。該方法檢出限為0.13 mg/L。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究借助Surfer 11.0軟件繪制表層沉積物各生源要素含量的等值線圖, 使用SPSS 20.0軟件對沉積物生源要素進行顯著性及相關性分析, 利用SigmaPlot軟件繪制插圖。

2 結果與討論

2.1 表層沉積物生源要素分布

2015年春季長江口表層沉積物生源要素的含量及變化范圍如表1所示。調查海域TOC和TN質量分數(shù)整體分布范圍為0.066%~0.524%、0.006%~ 0.077%, 均值分別是0.315%和0.041%; BSi質量分數(shù)分布范圍為0.125%~0.904%, 均值是0.450%; TP質量分數(shù)分布范圍為0.056%~0.097%, 均值是0.066%。

分區(qū)計算顯示, 除TP外, TOC、TN和BSi空間分布數(shù)值均存在顯著差異(<0.05, 表1)。其中, 最大渾濁區(qū)和東南外海TOC和TN顯著高于北部海區(qū)(<0.05), 而東南外海BSi含量最高, 顯著高于最大渾濁區(qū)和北部海區(qū)(<0.05)。

根據(jù)歷史調查資料, 1986年9月長江口海域的TOC、TN平均含量分別為0.530%、0.069%[11], 2007年春季長江口及其鄰近海域的TOC、TN平均含量分別為0.500%、0.064%, TP及BSi平均含量分別為0.052%和0.410%[1]。對比發(fā)現(xiàn), 較1986年和2007年, 2015年長江口有機碳和氮含量均有明顯降低的趨勢, 而總磷和生源硅均略有增加。李玲偉等[19]對2008年渤海中南部海域表層沉積物生源要素含量調查結果顯示, TOC、TN、TP和BSi的平均含量分別是0.360%、0.035%、0.053%和0.640%, 與本次調查結果相比, 長江口有機碳、生源硅含量水平偏低, 總氮和總磷的含量則高于渤海。

表1 2015春季長江口生源要素含量(%)

注: 字母相同表示差異不顯著, 字母不同表示差異顯著。

調查海域TOC、TN、TP和BSi空間分布如圖2所示, 對比圖2中(a)與(b)可見, 表層沉積物中TOC與TN的等值線分布趨于一致, 西南部最大渾濁區(qū)和東南外海區(qū)的含量均高于北部海區(qū), 且南部花鳥山附近海域出現(xiàn)高值區(qū)并呈舌狀向北延伸, 反映出受長江沖淡水影響較大的最大渾濁區(qū)營養(yǎng)物質豐富, 有機質分布較高, 并有向北部擴散趨勢。

圖2(c)所示, TP含量在最大渾濁區(qū)分布較均勻, 北部海區(qū)等值線密集, 含量變化較大, 最高值出現(xiàn)在西北部海域2號站位, 由西北向東南呈現(xiàn)先遞減后增加的趨勢, 在調查區(qū)的東南部又出現(xiàn)一個次高值區(qū)域。圖2(d)顯示, BSi含量總體表現(xiàn)為南部高、東北部低的分布趨勢, 最高值出現(xiàn)在南部嵊泗列島附近的32號站, 東北部外海分別以8號站、13號站為中心形成兩個渦狀低值區(qū)。

圖2 2015年春季長江口生源要素的水平分布

可以看出, 2015年春季長江口TOC、TN和BSi分布均以長江口東南部水域為最高, 而TP分布則以西北部為最高分布。對比2007年長江口TOC空間分布[15], 高分布區(qū)由123°30′ E以西遷移到123°30′ E以東, 即東南外海取代最大渾濁水域成為表層沉積物分布較高區(qū)域, 最大渾濁水域的TOC高分布優(yōu)勢不復存在。與2007年相比(表2), 在TOC和TN總分布降低趨勢下, 2015年長江口東南外海表層沉積物生源要素分布顯著高于2007年, 這也從另一方面證明, 東南外海對長江口表層沉積物生源要素的貢獻顯著提升。

表2 長江口表層沉積物中TOC和TN的歷史統(tǒng)計(%)

2.2 表層沉積物生源要素來源

2.2.1 沉積物中C/N比值變化及有機質來源分析

TOC/TN比值可用于推斷沉積物中有機質的主要來源, 依據(jù)是陸源高等植物含豐富的纖維素、木質素等碳水化合物而蛋白質含量較低, 故產生的有機質中C/N比值較高, 一般在14~20, 甚至大于30; 而海洋低等植物富含蛋白質, 致使其產生的有機質中C/N比值較低, 一般波動在5~7附近[22-23]。因而TOC/TN比值低于7, 表示有機質主要來源于海洋自生; 介于7~14, 則說明了有機質受到水生和陸源輸入的雙重影響; 高于14則指示其主要受陸源輸入影響[24]。本次調查結果顯示, 長江口表層沉積物中TOC/TN比值在6.81~21.59, 平均值為9.84, 說明表層沉積物中有機質的來源受陸源輸入和海洋自生共同影響。

圖3 2015年春季長江口表層沉積物TOC/TN比值

基于上述研究, 利用錢君龍等[25]采用的根據(jù)C/N比值定量估算總有機碳中海洋自生有機碳(OCs)和陸源輸入有機碳(OCl)以及總有機氮中海洋自生有機氮(ONs)和陸源輸入有機氮(ONl)百分比的定量計算方法, 可以對該水域沉積物中TOC、TN的來源進行定量分析。由于沉積物中的無機氮含量很低, 故可用沉積物TN含量近似代替TON[25], 假設海洋自生和陸源輸入有機質C/N比值分別為5和20(作為零級近似), 則上述參數(shù)存在如下關系:

TOC= OCs+ OCl(1); TN= ONs+ ONl(2); OCs/ ONs=5(3); OCl/ ONl=20(4)

其中, TOC、TN為測量值, 表3給出了依據(jù)上述公式計算得到的長江口表層沉積物中OCs、OCl、ONs及 ONl的相對含量。

表3 長江口表層沉積物中OCs、OC1、ONs及 ON1的相對含量(%)

由表3分析可得, 長江口總海區(qū)表層沉積物有機碳來源于海洋自生的組分略高于陸源輸入, 其中最大渾濁區(qū)二者貢獻持平, 東南外海有機碳主要來源于陸源輸入; 表層沉積物中的有機氮接近80%來源于生物生產, 其中東南外海區(qū)域陸源輸入的貢獻高于最大渾濁區(qū)域和北部海區(qū)。

結合文獻數(shù)據(jù), 利用上述方法對長江口歷史研究中有機質來源進行定量分析, 結果如表4所示。2007年歷史數(shù)據(jù)分析顯示, 隨長江陸源輸入和生物生產的季節(jié)變化, 長江口沉積物有機碳來源隨之改變, 其中春季長江口水域有機碳陸源輸入占優(yōu)勢, 夏季持平, 秋季和冬季生物生產對有機碳貢獻最大(表4)。與2007年相比, 2015年春季長江口表層沉積物中有機碳陸源輸入的貢獻明顯降低, 與生物生產相比已經(jīng)不占優(yōu)勢, 這在最大渾濁區(qū)域表現(xiàn)尤為顯著。2003年和2007年陸源輸入對該水域表層沉積物有機碳的貢獻超過85%, 而本次調查中其貢獻僅為43.52%。同樣, 長江口表層沉積物有機氮陸源輸入的貢獻同樣存在下降趨勢, 最大渾濁區(qū)春季占據(jù)優(yōu)勢的貢獻已不復存在, 由2007年的63.59%減少至2015年16.15%。

表4 長江口表層沉積物有機質來源的歷史相對含量(%)

Tab.4 The proportions of the organic matter sourcein the surface sediment from the Yangtze River Estuary in the literature (%)

2.2.2 沉積物中磷來源分析

近海沉積物中有機和無機磷主要來源于河流的輸送[26], 河流攜帶的含磷物質進入海洋后, 經(jīng)過一系列物理及生物化學作用后, 大部分的磷最終被埋藏在河口及陸架區(qū)的沉積物中[27]。由于有機磷是表層沉積物中總磷的主要存在形式[10], 有機C/P、N/P原子比值亦可用來辨識沉積物中有機磷的來源及其降解程度[23], 因此有機磷與總磷具有相似的來源及其分布趨勢。本次調查如圖4所示, TOC/TP、TN/TP比值范圍分別為2.09~21.39、0.26~3.02, 均值分別是8.968、1.244, 在一定程度上說明該水域中有機磷受陸源輸入的影響較大[28]。黃自強等[29]研究報道也指出, 在長江口地區(qū), 長江沖淡水中有機磷含量約為外海水的20倍, 其濃度由河口向外海遞減, 指示沿江地區(qū)的人為活動污染為TP的主要來源。

圖4 2015年春季長江口表層沉積物TOC/TP和TN/TP比值

2.2.3 沉積物中BSi的累積及意義

沉積物中生源硅是由隸屬浮游植物的硅藻和硅質鞭毛蟲死亡后的硅質外殼沉降至水底產生, 其中硅藻不僅是水體初級生產力的主要組成部分, 對有機碳生產起著主要作用; 也是表層沉積物BSi的主要來源, 其分布影響沉積物中BSi的累積[30]。有研究表明[31], 在河口近岸以及高營養(yǎng)鹽水域, 硅藻構成了其初級生產力的75%, 本次調查表層沉積物中BSi與TOC存在極顯著的正相關關系(<0.01), 表明長江口沉積物中BSi與TOC有明顯的依賴關系, 揭示BSi可較好地反映該水域硅藻類浮游植物的初級生產力。

表5顯示, 本次調查BSi含量與國內學者近幾年對長江口及其鄰近海域的調查結果[32]基本一致, 在世界近海沉積物中BSi的含量處于中等水平; 與其他海域相比, 該區(qū)域BSi含量與渤海、黃海、布雷斯特灣等海域含量相當, 明顯低于南大洋海域的含量, 這主要與該區(qū)域生產力較高, BSi循環(huán)速度較快有關。

表5 世界近海沉積物中BSi含量比較

研究表明[40], TOC/BSi比值能反映硅藻對總初級生產力的貢獻, 比值越小則說明硅藻對總初級生產力的貢獻越大; 硅藻中P、N、BSi的比值為1︰16︰16, 若沉積物中P、N和BSi均來自于浮游植物, 沉積物中C、N、P與BSi的比值變化必然反映BSi的累積狀況, 如果P︰N︰BSi小于1︰16︰16, 則表明BSi在沉積物中積累[41]。本次調查結果顯示, 表層沉積物中TOC/BSi、TN/BSi的變化范圍分別是0.487~ 2.838、0.046~0.320, 均值分別為1.655、0.180, TOC/BSi、TN/BSi遠低于Redfield比值(TOC/BSi=6.63, TN/BSi= 1.00, TP/BSi=0.06)[42-43], 說明該區(qū)域硅藻對總初級生產力貢獻較大, BSi來源于硅藻輸入; 表層沉積物中TP/BSi的變化范圍是0.066~0.420, 均值為0.151, 高于Redfield比值(TP/BSi=0.06), 表明沉積物中BSi的溶解速率比有機磷的分解速率快, 可能造成沉積物中TP的累積。由于通常認為[41]人類活動對河流中BSi的影響不大而對TP的影響較大, 尤其是生活污水的排放更易造成TP的累積, 因此, 該區(qū)域累積的TP從另一角度加速了BSi的分解, 促進了該區(qū)域BSi的生物地球化學循環(huán)。

3 結論

通過對春季長江口及其鄰近海域表層沉積物中TOC、TN、TP和BSi含量分布及其來源的研究, 并評價了該海域表層沉積物中生源要素的潛在生態(tài)風險。主要結論如下:

(1) 調查海域TOC、TN、TP和BSi質量分數(shù)分別為0.066%~0.524%、0.006%~0.077%、0.056%~0.097%、0.125%~0.904%。最大渾濁區(qū)和東南外海TOC和TN顯著高于北部海區(qū), 而東南外海BSi含量最高, 顯著高于最大渾濁區(qū)和北部海區(qū)。2015年長江口有機碳和氮含量均有明顯降低的趨勢, 而總磷和生源硅均略有增加。

(2) TOC和TN總體呈現(xiàn)出長江口最大渾濁區(qū)偏高、隨著離岸距離增加含量逐漸降低, 南部出現(xiàn)舌狀高值區(qū)的分布態(tài)勢; TP在最大渾濁帶附近分布均勻、北部含量高于南部, 東北部外海出現(xiàn)低值渦狀區(qū); BSi總體呈現(xiàn)南部高、北部低的分布趨勢。2015年長江口TOC高分布區(qū)由123°30′E以西遷移到123°30′E以東, 即東南外海取代最大渾濁水域成為表層沉積物分布較高區(qū)域, 最大渾濁水域的TOC高分布優(yōu)勢不復存在。

(3) 表層沉積物中TOC、TN主要受到陸源輸入和海洋自生輸入雙重影響, 其中, 海洋自生的組分所占比例較大, 與2007年相比, 長江口表層沉積物有機碳、氮來源有由陸源轉向海洋自生的趨勢; TP的分布顯著受陸源輸入影響; BSi來源于硅藻輸入, 很好地反映了該水域硅藻類浮游植物的初級生產力水平。

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Spatial distributions and sources of biogenic elements in the surface sediment from the Yangtze River Estuary in spring 2015

ZHANG Shan-shan1, 3, XIAN Wei-wei1, 2, LIANG Cui1, SHEN Zhi-liang1

(1. Key Laboratory of Marine Ecology & Environmental Science, Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Marine Ecology & Environmental Science Functional Laboratory, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

This study aims to assess the surface sediment of the Yangtze River Estuary based on the ecological environment investigation of the Yangtze River Estuary and its adjacent areas in May 2015, the spatial distributions, and sources of biogenic elements (including total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, and biogenic silicon). The results revealed that the mean concentrations of TOC, TN, TP, and BSi were 0.315%, 0.041%, 0.066%, and 0.450%, respectively. Both TOC and TN were significantly affected by terrestrial inputs and marine autogenic materials, with the latter one exerting the major impact. While the highest contents of TOC and TN were found in the southern coastal zone, lower contents were distributed in the northwest offshore area. In addition, the distribution of TP was primarily affected by terrigenous inputs; it decreased gradually from the northwest to the southeast at first but, then, increased. Furthermore, the BSi content was derived from the biological deposition, with the higher content found in the southern area and the lower content in the northern zones. Compared to 2007, the TOC and TN contents in the surface sediments from the Yangtze River Estuary decreased in 2015, and the southeast offshore area, which was the maximum turbidity zone in 2007, had the highest content of biogenic elements in the surface sediments. Overall, the contribution of terrigenous inputs to the surface sediments in the Yangtze River estuary appeared to have weakened over the years.

the Yangtze River Estuary; surface sediments; biogenic elements; distribution; Source

(本文編輯: 張培新)

[NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Ecology and Environmental Sciences, No. U1606404; National Natural Science Foundation of China, No. 31272663, No. 41176138; Program of State Council Three Gorges Project Construction Committee, No. JJ 2015-011]

Jan. 10, 2017

張珊珊(1992-), 女, 山東萊蕪人, 碩士研究生, 主要從事海洋環(huán)境化學研究, 電話: 13188965875, E-mail: dream_zhss@163.com;線薇微(1969-), 女, 研究員,通信作者, E-mail: wwxian@qdio.ac.cn

P736.4

A

1000-3096(2017)12-0051-09

10.11759/hykx20170110001

2017-01-10;

2017-06-07

國家基金委-山東省聯(lián)合基金項目(U1606404); 國家自然科學基金面上項目(31272663, 41176138); 國務院三峽工程建設委員會資助項目(JJ 2015-011)