南黃海近海富營(yíng)養(yǎng)化長(zhǎng)期演變的沉積記錄*

楊 庶 楊 茜 曲克明 孫 耀

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

改革開(kāi)放以來(lái), 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大量陸源污染物輸運(yùn)入海, 近岸水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重(Wang,2006), 造成赤潮、綠潮頻發(fā)(周名江等, 2006; Tang et al, 2006; Liu et al, 2013a, b; 吳在興等, 2014), 帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)近岸水體富營(yíng)養(yǎng)化形成演變機(jī)制及生態(tài)響應(yīng)的探討與評(píng)估已成為我國(guó)海洋環(huán)境治理及保護(hù)工作的重中之重(王保棟等,2012)。目前, 在赤潮頻發(fā)海域, 比如渤海、長(zhǎng)江口、珠江口等海域, 由于研究起步相對(duì)較早, 水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究工作已相對(duì)較為系統(tǒng)(Huang et al, 2003;Zhang et al, 2007; 張志鋒等, 2012; Yu et al, 2012;Strokal et al, 2015), 而在綠潮孕育和暴發(fā)的主要場(chǎng)所南黃海, 水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究工作尚顯薄弱。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)我們已經(jīng)了解了南黃海水體營(yíng)養(yǎng)鹽的平面分布、季節(jié)及年際變化規(guī)律(Wang et al, 2003; Lin et al, 2005; 韋欽勝等, 2010; 韋欽勝等, 2011); 富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示南黃海已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象(徐明德等, 2006; 周斌等, 2010; Zhu et al,2014), 而且綠潮的暴發(fā)也與該海域的富營(yíng)養(yǎng)化密切相關(guān)(Liu et al, 2013a, b), 但限于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查開(kāi)展較晚、研究系統(tǒng)性不足, 現(xiàn)在尚不清楚南黃海水體富營(yíng)養(yǎng)化的長(zhǎng)期演變過(guò)程。對(duì)于南黃海富營(yíng)養(yǎng)化始于何時(shí)以及造成富營(yíng)養(yǎng)的可能原因等基本問(wèn)題, 目前均不明確, 這顯然制約了該海域富營(yíng)養(yǎng)化形成機(jī)制及生態(tài)響應(yīng)的深入研究。

沉積物是記錄海洋環(huán)境長(zhǎng)期演變信息的有效載體。目前已有相關(guān)研究通過(guò)特征生物標(biāo)志物反演古環(huán)境的演變(Turner et al, 1994; Casta?eda et al, 2011;Rohrssen et al, 2013)。一般來(lái)說(shuō), 水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí), 充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠明顯促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng), 初級(jí)生產(chǎn)力常較往年大幅增加?；诖? 沉積記錄中初級(jí)生產(chǎn)力異常大幅增加的歷史時(shí)期與水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)期存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(Schelske et al, 1983; Turner et al, 1994), 因此作為重建上覆水體古初級(jí)生產(chǎn)力的有效生物標(biāo)志物, 沉積物中的生物硅(biogenic silica,BSi)能夠用于指示水體富營(yíng)養(yǎng)化的演變過(guò)程(Schelske et al, 1983; Turner et al, 1994; Zimmerman et al, 2000)。Turner等(1994)及 Rabalais等(2007)成功地使用 BSi沉積記錄探討了密西西比河口及墨西哥灣水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。鑒于此, 本文考察了南黃海近海沉積物柱狀樣中記錄的高分辨率沉積信息, 利用BSi探討了近100年來(lái)南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力的年代際變化趨勢(shì), 并由此分析了該海域富營(yíng)養(yǎng)化的長(zhǎng)期演變過(guò)程。

1 材料與方法

1.1 采樣位置及方法

南黃海近海毗鄰我國(guó)山東省和江蘇省, 并有起源于渤海灣的黃海沿岸流流經(jīng), 其生態(tài)環(huán)境除遵循自身海洋環(huán)境變化規(guī)律外還受到鄰近省份及黃河流域等陸地環(huán)境的顯著影響。

為了探討該海域富營(yíng)養(yǎng)化的長(zhǎng)期演變進(jìn)程, 本文于2009年3月利用箱式采泥器在山東半島南部海域兩個(gè)站位采集了沉積物柱狀樣(圖 1), 其中 B19站位(36°00′05″N, 121°59′51″E; 水深: 43m)沉積柱柱長(zhǎng)49cm, B18 站位(35°30′07″N, 122°30′12″E; 水深: 61m)沉積柱柱長(zhǎng)30cm, 沉積物均為泥質(zhì)。

采樣后, 沉積柱于4°C環(huán)境下冷藏保存, 直至完成分樣。沉積柱表層以下15cm以1cm間隔分樣, 其下以 2cm間隔分樣; 隨后根據(jù)樣品測(cè)定要求分別于室溫或60°C烘干至恒重, 研磨粉碎, 過(guò)120目篩, 室溫干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 研究區(qū)域及采樣站位Fig.1 The study area and sampling stations

1.2 沉積物年代學(xué)測(cè)定

根據(jù)沉積物210Pb活度的垂直分布趨勢(shì), 估算相應(yīng)海域的沉積速率(Goldberg, 1963), 隨后以沉積物采樣時(shí)間為測(cè)年基點(diǎn), 構(gòu)建沉積柱的年代學(xué)框架。其中B18站位沉積物210Pb活度在中國(guó)科技大學(xué)極地環(huán)境研究室利用高純鍺伽馬能譜儀測(cè)定(Zhou et al,2012), B19站位沉積物210Pb活度引自趙一陽(yáng)等(1991)的測(cè)定結(jié)果。

1.3 沉積物BSi的測(cè)定

BSi的測(cè)定使用趙穎翡等(2005)的方法, 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō), 取適量研磨過(guò)篩后的沉積物干樣, 分別使用10%的H2O2和1mol/L的鹽酸處理以除去其中的有機(jī)物和碳酸鹽, 然后使用2mol/L的Na2CO3溶液提取沉積物中的BSi, 并通過(guò)硅鉬藍(lán)法測(cè)定其濃度。對(duì)BSi含量≥3%的樣品, 本方法標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05%, 當(dāng)BSi含量＜3%時(shí), 本方法標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005%(楊茜, 2012)。

1.4 上覆水初級(jí)生產(chǎn)力長(zhǎng)期演變趨勢(shì)的構(gòu)建

沉積物中BSi的積累與上覆水初級(jí)生產(chǎn)力有著密切的關(guān)系, 因此 BSi的時(shí)空分布可被應(yīng)用于古生產(chǎn)力的變化指示(Leinen et al, 1986; Lyle et al, 1988)。硅藻是南黃海近海浮游植物的優(yōu)勢(shì)種群, 比例可占 57%—99%(黃文祥等, 1984; 王俊, 2001; 呂末曉等, 2016),故主要由硅藻產(chǎn)生的BSi能夠有效指示該海域初級(jí)生產(chǎn)力的總體波動(dòng)趨勢(shì); 而且現(xiàn)有研究結(jié)果也表明南黃海海域沉積物中BSi含量的波動(dòng)與上覆水初級(jí)生產(chǎn)力的變化具有顯著正相關(guān)關(guān)系(楊茜, 2012), 因此上覆水初級(jí)生產(chǎn)力的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)總體類(lèi)似于沉積物中 BSi的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。本文即通過(guò)沉積物中BSi的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)指示上覆水初級(jí)生產(chǎn)力的相對(duì)波動(dòng)趨勢(shì)。

2 結(jié)果

2.1 沉積物的年代學(xué)分析

B19和B18站位沉積物的210Pb活度垂直分布均呈現(xiàn)明顯的衰變趨勢(shì)(圖 2), 表明研究海域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定, 其中B19站位沉積物表層存在3cm的混合層。經(jīng)計(jì)算, B19和B18海域沉積物的沉積速率分別約為0.44cm/a和0.17cm/a, 以沉積物采樣年份2009年為測(cè)年基點(diǎn)進(jìn)行估算, 兩站位沉積柱均為近100余年的沉積。

2.2 沉積物的BSi含量及垂直分布趨勢(shì)

南黃海近海沉積物中 BSi含量在0.89%—8.26%之間, 其中B19站位平均為3.35%±2.61%, 高于B18站位的1.98%±0.39%。該海域沉積物的BSi含量與浙江近岸海域相近(周鵬, 2007), 明顯高于長(zhǎng)江口外海域(葉曦雯等, 2004; 趙穎翡等, 2005)。隨著沉積物深度的變化, 兩站位BSi含量均波動(dòng)明顯, 不過(guò)B18站位的波動(dòng)振幅相對(duì)較小(圖 3)。雖然兩站位 BSi隨深度的波動(dòng)趨勢(shì)差異明顯, 不過(guò)在近表層沉積物中即近代沉積中, 兩者BSi的含量均出現(xiàn)明顯升高。

圖2 南黃海近海沉積物中210Pb活度的垂直分布趨勢(shì)Fig.2 Vertical distributions of sedimental 210Pb activity in coastal waters of the southern Yellow Sea

2.3 上覆水初級(jí)生產(chǎn)力的年代際波動(dòng)趨勢(shì)

沉積物BSi的含量受到粒度、沉積環(huán)境、上覆水初級(jí)生產(chǎn)力等多種環(huán)境因素的影響(Loucaides et al,2012; Wang et al, 2014)。在本文的研究中, B19和B18沉積物中210Pb活度的垂直分布均表現(xiàn)為典型的衰變趨勢(shì), 而且沉積物粒度總體波動(dòng)不大, 表明近100年來(lái)該海域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定, 因此沉積物中BSi的波動(dòng)主要受控于上覆水體中浮游植物的生長(zhǎng)繁殖。據(jù)此, 本文認(rèn)為南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)類(lèi)似于沉積物中BSi的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

圖3 南黃海近海沉積物中BSi的垂直分布趨勢(shì)Fig.3 Vertical distributions of sedimental BSi in coastal waters of the southern Yellow Sea

雖然兩站位BSi隨深度的波動(dòng)趨勢(shì)差異較大, 但考慮沉積速率的差異后, 兩站位BSi的時(shí)間序列顯現(xiàn)相似的波動(dòng)趨勢(shì)(圖 4)。在近 100余年里南黃海近海沉積物中的 BSi及上覆水初級(jí)生產(chǎn)力均存在明顯波動(dòng), 其中在1920s、1960s以及1980s以來(lái)三個(gè)時(shí)期相對(duì)較高, 而在1930s明顯較低。

圖4 南黃海近海上覆水初級(jí)生產(chǎn)力(沉積物BSi)和華北平原及鄰近地域干濕指數(shù)(DWI)的年代際波動(dòng)趨勢(shì)Fig.4 Decadal changes in primary productivity (indicated by sedimental BSi) in coastal waters of the southern Yellow Sea and dry-wet index in North China Plain and adjacent areas (DWI)注: 華北平原及鄰近地域干濕指數(shù)的原始數(shù)據(jù)引自Zheng等(2006), 本文使用其10年移動(dòng)平均處理結(jié)果

需說(shuō)明的是, B19站位更靠近陸地, 其沉積物中BSi含量明顯高于遠(yuǎn)離近岸的B18站位, 這可能指示了隨著離岸距離的增加, 水體初級(jí)生產(chǎn)力明顯降低。不過(guò)由于本文更關(guān)注初級(jí)生產(chǎn)力長(zhǎng)期波動(dòng)的相對(duì)趨勢(shì), 故在此不會(huì)深入探討不同站位間BSi以及初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)值上的差異。

3 討論

3.1 南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力年代際波動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素分析

近百余年來(lái), 南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯的年代際波動(dòng)。1980s以前, 南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力的變化與華北平原及鄰近地域(包括山東省全部)干濕指數(shù)(dry-wet index, DWI)的波動(dòng)趨勢(shì)(Zheng et al, 2006)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在1910s—1920s和1950s—1960s華北平原及鄰近地域DWI較高時(shí), 即氣候相對(duì)濕潤(rùn)多雨時(shí), 南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力總體較高; 而在華北平原及鄰近地域干旱少雨的 1930s, 初級(jí)生產(chǎn)力明顯降低。這很可能反映了陸地生態(tài)環(huán)境對(duì)臨近海洋生態(tài)環(huán)境的影響。在南黃海近海, 陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入是真光層水體營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充的重要途徑(Shi et al, 2015)。當(dāng)華北平原及鄰近地域濕潤(rùn)多雨時(shí)(1910s—1920s和1950s—1960s), 隨著降雨量的增加, 大量陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由陸地徑流輸入近岸海域, 能夠有效提高近海水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平, 有利于浮游植物的生長(zhǎng), 從而促使初級(jí)生產(chǎn)力升高(Maneesha et al, 2011; Reichwaldt et al,2012; Valiela et al, 2012); 而在華北平原及鄰近地域干旱少雨的1930s, 由于陸地徑流的減少, 南黃海近海的陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充量降低, 可能造成水體營(yíng)養(yǎng)水平相對(duì)偏低, 從而限制了浮游植物的生長(zhǎng), 初級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)偏低。因此在1980s以前南黃海初級(jí)生產(chǎn)力的波動(dòng)與臨近陸地的干濕氣候關(guān)系密切。

1980s以后, 華北平原及鄰近地域降雨量明顯減弱, 若沒(méi)有其他因素影響, 陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸運(yùn)入海隨地面徑流的減少而減少, 南黃海近海的初級(jí)生產(chǎn)力理應(yīng)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì), 而實(shí)際上, 此時(shí)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力明顯升高, 這可能是受到了人類(lèi)活動(dòng)的顯著影響所致。改革開(kāi)放以后, 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大量陸源污染物排入近海, 充足的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給能夠明顯促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)(Dai et al, 2007; Wang et al,2015)。黃海暖流和黃海冷水團(tuán)同樣能夠影響南黃海近海水體的營(yíng)養(yǎng)鹽分布, 但對(duì) 1980s以后該海域初級(jí)生產(chǎn)力急劇升高的貢獻(xiàn)可能較為有限。黃海暖流發(fā)源于外海, 水團(tuán)營(yíng)養(yǎng)鹽水平總體較低, 不足以支撐南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力的急劇升高。黃海冷水團(tuán)的垂向輸運(yùn)雖然是南黃海表層水體營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充的重要途徑之一,但一方面近年來(lái)黃海表層水溫的增加不利于該海域水體的垂向混合(Lin et al, 2005), 黃海冷水團(tuán)對(duì)表層營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充反而受到阻礙; 另一方面文獻(xiàn)資料顯示近年來(lái)黃海冷水團(tuán)水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平并未發(fā)生明顯的增加(王保棟等, 1999; 米鐵柱等, 2012), 故源自黃海冷水團(tuán)的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充難以明顯提高近年來(lái)南黃海近海表層水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平, 并進(jìn)而支撐南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力的增加。因此1980s以后, 南黃海近海浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的急劇增加可能主要受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。

3.2 南黃海近海富營(yíng)養(yǎng)化的歷史演變進(jìn)程

1980s以前, B19和B18站位沉積物中BSi雖有波動(dòng), 但總體偏低, 平均分別為 2.05%±1.33%和1.83%±0.23%, 此時(shí)南黃海初級(jí)生產(chǎn)力相對(duì)較低。而1980s前后, 兩站位 BSi急劇升高, 并在此后長(zhǎng)期保持較高水平, 平均約為7.25%±0.88%和2.40%±0.47%,分別比此前升高了254%和31%, 這指示了 1980s以后南黃海初級(jí)生產(chǎn)力的急劇升高?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:1985年春季和1984年夏季, 本文研究海域真光層初級(jí)生產(chǎn)力均在 200—600mgC/(m2·d)之間(朱明遠(yuǎn)等,1993), 而 2011年春、夏季則分別增至 1000—1500mgC/(m2·d)和 750—2000mgC/(m2·d)(文 斐 等 ,2012)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)得出的南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力升高幅度與本研究沉積記錄分析結(jié)果完全吻合, 這不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了通過(guò)沉積物中 BSi指示上覆水初級(jí)生產(chǎn)力變化的合理性, 也證實(shí)了1980s以后南黃海近海初級(jí)生產(chǎn)力急劇升高的現(xiàn)象。1980s以后初級(jí)生產(chǎn)力急劇升高, 清晰地反映了隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和陸源污染物的排放, 南黃海近海水體開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化; 而在此之前, 人類(lèi)活動(dòng)尚不足以明顯影響南黃海近海的海洋環(huán)境, 氣候變化是當(dāng)時(shí)環(huán)境波動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)因素, 水體初級(jí)生產(chǎn)力偏低, 并未表現(xiàn)明顯的富營(yíng)養(yǎng)化特征。另外1980s以來(lái), B19站位初級(jí)生產(chǎn)力的升高幅度約為 B18站位的 8倍?？紤]到B19站位比B18站位更臨近陸地, 受陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入的影響更明顯, 其較大的初級(jí)生產(chǎn)力升高幅度指示了B19站位臨近海域具有比B18站位海域更高的富營(yíng)養(yǎng)化水平。目前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)南黃海近海富營(yíng)養(yǎng)化的研究尚難以追溯該海域富營(yíng)養(yǎng)化的起始年代。雖然Bashkin等(2002)通過(guò)1994—1997年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)分析, 認(rèn)為源自人類(lèi)活動(dòng)的氮營(yíng)養(yǎng)鹽輸入已經(jīng)造成了黃海的富營(yíng)養(yǎng)化, 且膠州灣、海州灣、蘇北沿岸等鄰近海灣的赤潮自20世紀(jì)90年代初已有報(bào)道(吳玉霖等, 2005), 但直至21世紀(jì)以后才出現(xiàn)南黃海近海開(kāi)闊海域富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)估報(bào)道(徐明德等,2006)?，F(xiàn)有評(píng)價(jià)結(jié)果顯示南黃海水體已經(jīng)明顯富營(yíng)養(yǎng)化(徐明德等, 2006; 周斌等, 2010), 而本文的分析結(jié)果表明這種富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象始于1980s。

根據(jù)Lin等(2005)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 1980s以后雖然南黃海水體中溶解無(wú)機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)的含量持續(xù)增高, 但磷酸鹽和硅酸鹽濃度均明顯低于此前(圖 5), 特別是硅酸鹽在 1990s以后其含量?jī)H約為1980s以前的一半。而此時(shí)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力反而急劇升高并維持在較高水平, 這表明南黃海近海水體的富營(yíng)養(yǎng)化應(yīng)主要由近年來(lái)水體中持續(xù)增加的DIN所致。1980s以前南黃海水體主要表現(xiàn)為N限制, 此后隨著大量陸源含氮污染物的排放入海,水體 DIN含量持續(xù)增加, 增幅約達(dá) 200%, 雖然磷酸鹽和硅酸鹽的含量降低明顯, 但水體N/P和N/Si尚在Redfield比值附近波動(dòng)(圖5)(Lin et al, 2005), 浮游植物的生長(zhǎng)并未受到明顯的 P限制或 Si限制, 故隨著DIN濃度的增加, 水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重, 浮游植物大量增殖(朱明遠(yuǎn)等, 1993; 文斐等, 2012), 綠潮頻發(fā)?；诖? 在今后的海洋環(huán)境修復(fù)及治理中, 控制及減少南黃海水體及入海徑流中的氮營(yíng)養(yǎng)鹽理論上能夠較好的緩解該海域的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。

4 結(jié)論

基于沉積物中BSi的時(shí)間序列分析, 近100a來(lái)南黃海近海浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力存在明顯的波動(dòng): 1980s以前, 上覆水初級(jí)生產(chǎn)力總體偏低, 其波動(dòng)主要受控于臨近陸地的干濕氣候變化, 水體并未出現(xiàn)明顯的富營(yíng)養(yǎng)化特征; 而 1980s以后, 初級(jí)生產(chǎn)力明顯增加, 表明隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 南黃海水體開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。經(jīng)分析, 近年來(lái)大量陸源含氮污染物的排放入?？赡苁菍?dǎo)致該海域水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。

圖5 南黃海表層水體PO4-P、SiO3-Si、DIN和N:P的年際變化(引自Lin等(2005))Fig.5 The interannual variation trends of PO4-P, SiO3-Si, DIN and N:P in surface water in the southern Yellow Sea (Lin et al, 2005)

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