長江口水域營養(yǎng)鹽時空分布及其遷移過程

牟京龍 , 張珊珊 梁 翠 線薇微 , 沈志良

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

海洋的氮、磷和硅是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生源要素, 也是浮游植物的重要組成元素, 控制著海洋的初級生產(chǎn)力。近幾十年來, 受人類活動的影響, 全球尺度上河流釋放的氮磷通量明顯增加, 許多沿岸水域營養(yǎng)物質(zhì)過多, 從而導(dǎo)致有害赤潮爆發(fā)、水體缺氧等水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1-2], 嚴重威脅到了水體生物的生存以及生態(tài)環(huán)境健康[3]。長江是中國最大的河流, 世界第三大河流, 其每年向長江口輸送大量的淡水, 泥沙及營養(yǎng)物質(zhì), 其中包括營養(yǎng)鹽。一方面, 長江口高通量的營養(yǎng)鹽輸入導(dǎo)致高水平的初級生產(chǎn)力, 支撐了周邊舟山漁場和呂泗漁場的漁業(yè)資源生產(chǎn)[4]; 另一方面, 長江口逐年遞增的營養(yǎng)鹽輸入, 尤其是氮和磷營養(yǎng)鹽[5-6], 導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化而危害水體健康[7-8]。所以研究長江口水域營養(yǎng)鹽的時空分布特征對了解生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

關(guān)于長江口及其近海域水體中營養(yǎng)鹽的時空分布已有較多研究, 多項研究指出近幾十年長江口及其鄰近海域中溶解無機氮(DIN)和磷酸鹽呈明顯增高的趨勢[9-11], Chai等[12]指出在三峽大壩修建完成前后(2002~2006年), 長江口水域DIN、溶解無機磷和總氮明顯升高, 而溶解硅濃度變化不明顯。在影響因素方面, 王保棟等[13]指出受到夏季長江沖淡水東北轉(zhuǎn)向的影響, 營養(yǎng)鹽在口門東北部有一高值水舌擴展; Pei等[14]發(fā)現(xiàn)溶解無機磷在相當(dāng)程度上受懸浮體和沉積物緩沖作用的影響;Wang等[15]還發(fā)現(xiàn)富含磷酸鹽的黑潮近岸分支侵入長江口水域, 從而補充高濃度的磷酸鹽; 此外, Liu等[16]的研究表明溶解無機鹽受到長江沖淡水?dāng)U展、近海海水和生物活動的影響, 其自海岸到近海逐漸減少, 而春、夏季營養(yǎng)鹽垂直方向上的分層現(xiàn)象可歸因于水文因素。

雖然許多學(xué)者對長江口水域的營養(yǎng)鹽進行大量研究, 但關(guān)于其遷移過程的季節(jié)特征研究相對較少, 本文通過長江口水域2014年4個季節(jié)航次的調(diào)查數(shù)據(jù), 討論了其時空分布特征, 以及通過引入理論稀釋線來研究營養(yǎng)鹽在河口遷移過程中的受控因素, 本文提供較新的研究資料, 記錄并分析這一關(guān)鍵區(qū)域營養(yǎng)鹽的變化特征及其影響因素, 為更好的保護長江口生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

2014年2月、5月、8月和11月完成長江口水域4個季節(jié)航次的現(xiàn)場調(diào)查, 調(diào)查區(qū)域(30°45′N~ 32°N、121°E~123°20′E)內(nèi)設(shè)置6個橫向斷面, 共計39個調(diào)查站位(圖1)。調(diào)查內(nèi)容主要包括五項營養(yǎng)鹽: 硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、銨鹽(NH4-N)、磷酸鹽(PO4-P)和硅酸鹽(SiO3-Si), 以及溫度、鹽度、溶解氧(DO)、懸浮顆粒物(SPM)和葉綠素a等環(huán)境因子。使用Niskin采水器分別采取表層、5、10、20、30 m及底層水樣, 樣品采集的同時使用CTD(溫鹽深儀, 型號SBE-25)測定各站海水溫度及鹽度的垂直剖面, DO數(shù)據(jù)采用碘量法現(xiàn)場滴定測得, 營養(yǎng)鹽樣品用Whatman GF/F膜(于450℃高溫下處理6 h)現(xiàn)場過濾, 并將濾液儲于聚乙烯瓶(預(yù)先在0.1 mol HCl溶液浸泡24 h, 洗凈烘干)中, 立即置于–20℃冰箱內(nèi)冷凍保存, 濾膜用于測定葉綠素a及懸浮顆粒物(SPM)。SPM用重量法測定, 葉綠素a用丙酮萃取熒光法測定。NO3-N采用鎘-銅還原法、NO2-N采用重氮-偶氮法、NH4-N采用水楊酸鈉法、PO4-P采用磷鉬藍法、SiO3-Si采用硅鉬藍法測定, 各項營養(yǎng)鹽用德國產(chǎn)QuAAtro營養(yǎng)鹽連續(xù)流動分析儀測定。調(diào)查站位圖 和營養(yǎng)鹽等值線分布圖采用 Golden Software Surfer 12.0軟件繪制; 散點圖采用Excel 2016 散點圖圖表進行繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽平面分布

表1列出了長江口水域營養(yǎng)鹽的平均濃度及其變化范圍, 口門內(nèi)NO3-N的平均濃度在春季較高, 夏季和冬季較低, 口門外NO3-N的平均濃度同樣在春季較高, 冬季較低, 且春季NO3-N平均濃度的變化范圍較大。口門內(nèi)NO2-N和NH4-N的平均濃度在冬季較高, 而口門內(nèi)較低的平均濃度分別出現(xiàn)在秋季和夏季, 口門外NO2-N的平均濃度在夏季較高, 且底層高于表層, 冬季NO2-N的平均濃度較低, 表、底層平均濃度相差不大?？陂T外較高與較低NH4-N的平均濃度分別出現(xiàn)在冬季與夏季, 這與NO2-N相反?？陂T內(nèi)PO4-P的平均濃度在春、夏季節(jié)較低, 在秋、冬季較高, 口門外PO4-P的平均濃度在秋季較高, 夏季較低。口門內(nèi)SiO3-Si的平均濃度在秋季較高, 冬季較低, 口門外SiO3-Si的平均濃度在同樣在秋季較高, 變化范圍也較大, 在冬季的平均濃度較低, 變化范圍也較小。在口門外四季表層NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si的平均濃度均高于底層。

2.1.1 溶解無機氮

NO3-N在長江口水域的平面分布的基本特征呈西高東低, 河口及其附近濃度高, 向外海濃度逐漸降低, 與鹽度向外海遞增的趨勢相反。春季長江由枯水期轉(zhuǎn)向豐水期, 長江徑流量逐漸增加, 圖2可見, 表層鹽度小于31的長江沖淡水覆蓋大部分的調(diào)查水域, 一般認為鹽度為31的等鹽線為長江沖淡水的外緣邊界[17], 春季表層NO3-N濃度為 60 μmol/L的等值線明顯向東北方向擴展, 大部分水域表層NO3-N濃度高于10 μmol/L。夏季長江徑流量最大, 長江沖淡水覆蓋整個調(diào)查水域, 且表層鹽度在122°30′E以東水域有明顯的鹽度鋒向調(diào)查水域的東北方向延伸, 這與多項研究指出的長江沖淡水主體在夏季半年轉(zhuǎn)向東北方向的結(jié)論相一致[13,18], NO3-N自口門外向東南方向擴展后, 在鹽度轉(zhuǎn)向的位置NO3-N等值線向東北方向擴展, 夏季表層NO3-N的濃度明顯低于春季, 相同濃度的NO3-N等值線比春季偏向西, 例如春季40 μmol/L的NO3-N最遠擴展到123°E, 而夏季則最遠擴展到122°35′E附近, 這與上述的春季口 門內(nèi)的NO3-N濃度較高, 而夏季較低有關(guān)。秋季隨著長江由豐水期轉(zhuǎn)向枯水期, 長江徑流量減少, 外海水入侵調(diào)查水域東北部, 長江沖淡水?dāng)U展范圍縮小, 表層NO3-N的平面分布與表層鹽度的平面分布趨勢十分相似。冬季長江徑流量最小, 隨著外海水的侵入, 長江沖淡水的覆蓋范圍也達四季最低, 僅覆蓋122°40′E以西水域, 鹽度自河口向東南方向擴展, 表層NO3-N同時向東南方向遞減, 40 μmol/L的NO3-N向西退縮到122°E附近。底層NO3-N分布趨勢與表層相似, 但表層NO3-N濃度高于底層, 且相應(yīng)表層NO3-N相同濃度的等值線比底層向東擴展得更遠。

表1 長江口營養(yǎng)鹽濃度(μmol/L) Tab. 1 Concentrations of nutrients in the Yangtze River Estuary (μmol/L)

圖2 長江口水域鹽度和五項營養(yǎng)鹽的平面分布(實線代表表層; 虛線代表底層) Fig. 2 The horizontal distribution of salinity and nutrients in the Yangtze River Estuary (The solid line represents the surface layer and the dotted line represents the bottom layer)

NO2-N是無機氮三態(tài)轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物, 既可以通過NO3-N的還原, 也可以通過NH4-N的氧化產(chǎn)生, 在長江口水域的平面分布較為復(fù)雜。圖2可見, 春季表層NO2-N在調(diào)查水域呈東西部較高、中部較低的分布特征, NO2-N自口門外向東濃度降低, 在調(diào)查水域中部出現(xiàn)濃度低值區(qū), 16和17號站表層NO2-N濃度低至0.09 μmol/L, 向東NO2-N濃度升高, 在東北部8號站位和南部32號站位高值濃度分別達0.65 μmol/L和0.62 μmol/L, 底層NO2-N的分布同表層相似, 濃度高值區(qū)分別在口門附近和調(diào)查水域的東北部及南部。夏季表層NO2-N的高值區(qū)出現(xiàn)在調(diào)查水域的中部, 平面分布特征呈中部高、東西部低, 6號站表層NO2-N濃度為0.6 μmol/L, 夏季底層NO2-N在調(diào)查水域北部出現(xiàn)高值區(qū), 2號站濃度高達2.2 μmol/L, 口門外底層NO2-N的平均濃度高于表層(表1), 這可能因為夏季表層初級生產(chǎn)較高, 向底層輸送相對較多的有機質(zhì), 底層有機質(zhì)分解產(chǎn)生NO2-N和NH4-N夏季水溫較高, 有利于NH4-N的硝化產(chǎn)生NO2-N和NO3-N積累在底層[19-20]。秋季表層NO2-N在調(diào)查水域呈東高西低的分布特征, 表層NO2-N的高值區(qū)出現(xiàn)在調(diào)查水域的東南部, 34號站濃度為0.7μmol/L, 這可能與夏季底層有機質(zhì)分解產(chǎn)生NO2-N, 并在秋季隨著逐漸加強的垂直混合作用帶至表層有關(guān)[21]。底層NO2-N的分布特征與表層相似, 呈東高西低, 東部有兩個濃度高值區(qū)。冬季表層NO2-N呈西高東低的分布特征, 自口門向外海濃度逐漸降低, 底層NO2-N的平面分布特征與表層相似。

圖2可見, 春季表層NH4-N在調(diào)查水域的東南部出現(xiàn)濃度高于3 μmol/L的高值區(qū), 并向西北方向延伸至調(diào)查水域中部, 19號站最高濃度達4.07 μmol/L。夏季表層NH4-N在調(diào)查水域東部19號站出現(xiàn)最高濃度為3.67μmol/L的高值區(qū), 濃度向東逐漸減小。秋季表層NH4-N最高值出現(xiàn)在調(diào)查水域的西南部, 28號調(diào)查站位NH4-N高達4.87μmol/L, 且高濃度區(qū)向東北方向延伸至調(diào)查水域中部。冬季NH4-N在口門內(nèi)的平均濃度較其他季節(jié)高出一個數(shù)量級(表1), 推測這可能與冬季較小的徑流量和較弱的硝化作用有關(guān), 其在口門外的平面分布呈西高東低, 其濃度在122°30′E以西的水域基本高于2 μmol/L。NH4-N底層的平面分布如下, 春季底層NH4-N在調(diào)查水域東北部13和14號站出現(xiàn)高值濃度分別為3.18 μmol/L和3.12 μmol/L的高值區(qū), 夏季底層NH4-N在調(diào)查水域的東北部的2和6號站位出現(xiàn)高值濃度分別為3.03 μmol/L和3.24 μmol/L的高值區(qū), 秋、冬季底層NH4-N同表層的平面分布相似, 基本呈西高東低的分布特征。

2.1.2 溶解硅

圖2可見, SiO3-Si在調(diào)查水域的平面分布呈西高東低, 春季和夏季SiO3-Si自河口向東擴展后轉(zhuǎn)向東北方向, 隨長江沖淡水的季節(jié)變化, 表層較高濃度SiO3-Si在調(diào)查水域的覆蓋范圍隨之變化, 春季和夏季濃度大于10 μmol/L的SiO3-Si覆蓋123°E以西的水域。秋季長江沖淡水向東擴展, 鹽度大于32的外海水侵入調(diào)查水域東北部, 導(dǎo)致SiO3-Si的濃度低于10 μmol/L, 低值區(qū)向西延伸至122°40′E附近, 除調(diào)查水域東北部以外, 表層SiO3-Si均高于20 μmol/L, 由此可見, 秋季SiO3-Si在調(diào)查水域濃度較高, 秋季SiO3-Si的平均濃度達全年最高(表1), 表層平均濃度為50.23 μmol/L, 相同濃度等值線較其他季節(jié)向東延伸得更遠, 例如秋季表層SiO3-Si為40 μmol/L等值線最遠擴展到123°E附近, 而春、夏和冬季分別最遠擴展到122°40′E、122°45′E和122°10′E附近。冬季SiO3-Si在口門外較低的濃度以及長江沖淡水覆蓋范圍的縮小, 相同濃度的SiO3-Si等值線向西退縮, 40 μmol/L的SiO3-Si等值線最遠擴展到122°10′E, 相較其他季節(jié)更貼近近岸。底層SiO3-Si分布特征與表層相似, 河口及其附近濃度高, 向東逐漸減小, 底層的濃度低于表層, 且底層相同濃度的等值線比表層更貼近近岸, 例如春季表層SiO3-Si為40 μmol/L等值線最遠擴展到122°40′E附近, 而底層最遠擴展到122°20′E附近。

2.1.3 溶解無機磷

長江口水域PO4-P的平面分布除了受到長江陸源輸入外, 還受到懸浮顆粒物質(zhì)的補充, 底層的分布可能受到有機質(zhì)分解產(chǎn)生以及外部水團的影響。圖3可見, 表層PO4-P在河口及其附近高, 向東逐級遞減。春季PO4-P在最大渾濁帶水域22號站出現(xiàn)濃度高值為1.34 μmol/L, 高于口門內(nèi)的平均濃度1.12 μmol/L, 這種高濃度的PO4-P濃度可能與懸浮體釋放磷有關(guān)[14]。春季和夏季受長江沖淡水主體轉(zhuǎn)向東北方向的影響, PO4-P相應(yīng)轉(zhuǎn)向東北方向, 春季PO4-P為0.2 μmol/L的等值線向東擴展到123°E附近, 夏季由于長江口水域PO4-P的濃度較低, PO4-P為0.2 μmol/L的等值線退縮到122°40′E附近。秋季在調(diào)查水域PO4-P的濃度達全年最高值, 長江沖淡水向東擴展, 大部分水域PO4-P濃度高于0.3 μmol/L, 低于0.3 μmol/L僅出現(xiàn)在調(diào)查水域的東北部。冬季表層PO4-P濃度分布均勻, 自西向東濃度逐漸降低, 底層PO4-P的分布趨勢與表層相似, 且濃度低于表層。在122°30′E以東水域, 夏季底層PO4-P濃度高于表層, 這可能與夏季底層生物分解有機質(zhì)導(dǎo)致PO4-P積累, 以及上升 流區(qū)域(31°N~32°N, 122°20′E~123°10′E)臺灣暖流對PO4-P的補充有關(guān), 已有研究指出富含磷酸鹽的黑潮近岸分支水入侵東海陸架, 并認為是PO4-P的一個重要來源[22-23]。

圖3 長江口水域31°N斷面鹽度(S)、溫度(T)與DO的垂直分布 Fig. 3 The vertical distribution of salinity, temperature (℃), and DO (mg/L) along Transects 31°N in the Changjiang River Estuary

2.2 營養(yǎng)鹽的斷面分布

2.2.1 31°N斷面的水文特征

為了研究營養(yǎng)鹽的時空分布, 補充營養(yǎng)鹽在平面分布上觀測的不足, 作者選取了咸淡水混合較好的典型橫向31°N斷面 (包括21~27站位), 以觀測營養(yǎng)鹽在垂直方向上的分布特征。通過圖3觀測到31°N 斷面鹽度、溫度和DO的垂直剖面, 在水深大于10 m, 即122°20′E以東的水域, 鹽度開始出現(xiàn)從表層到底層遞增的分層現(xiàn)象, 這主要受長江沖淡水在垂直方向上的擴展勢力減弱, 高鹽海水從底層楔入影響, 這種鹽度分層現(xiàn)象在春季和秋季尤為明顯; 夏季, 長江徑流量最大, 鹽度為31的長江沖淡水前沿達到水深40 m, 在水深大于20 m, 即122°40′E以東的水域, 鹽度開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象, 而在122°40′E以西的水域鹽度垂直分布相較均勻, 且觀測到26和27號站位的底層鹽度大于34; 冬季水體垂直混合較好, 鹽度垂直分布相較均勻。春、夏和秋季在122°20′E以東的水域, 溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象, 夏季溫度躍層最為明顯, 表層到底層溫度逐級遞減, 底層小于20℃的等溫線涌升至水深30 m處, 而冬季溫度垂直分布相較均勻。夏、秋季分別在調(diào)查水域122°30′E和122°45′E以東的底層觀測到DO小于5 mg/L的低氧區(qū), 夏季31°N 斷面26號站位底層DO最低值為2.48 mg/L , 且4 mg/L的DO從底層沿坡爬升至10 m; 秋季在27號站位觀測到DO最低值為2.64 mg/L。

2.2.2 溶解無機氮

NO3-N在31°N斷面垂直分布的總體趨勢: 隨著水深增加濃度逐級遞減。在長江沖淡水主要控制的淺水水域, NO3-N的垂直分布較為均勻。隨著長江沖淡水的減弱, 外海水的侵入, 從水深大于10 m的水域開始出現(xiàn)水體較弱的分層現(xiàn)象, 有研究指出長江沖淡水主要控制10 m以上的淺水水域[15], 而營養(yǎng)鹽的垂直分層現(xiàn)象, 這是隨長江沖淡水?dāng)U展產(chǎn)生的溫鹽躍層, 水體明顯層化所致[24]。由于春季NO3-N在口門內(nèi)有較高濃度(表1), 以及較大的長江徑流量, 較高濃度NO3-N在31°N 斷面的擴展范圍也較大, 例如NO3-N為40 μmol/L的等值線垂直方向上最深擴展到10 m附近, 水平方向上最遠擴展到122°48′E附近, 而夏、秋、冬季在垂直和水平方向的擴展分別為4 m、122°14′E; 8 m、122°16′E和1 m、122°02′E附近。冬季水體垂直混合均勻, NO3-N自西向東逐漸降低, 垂直分布也相較均勻, 這與上述觀測到表、底層NO3-N的平面分布相一致。

春季NO2-N在122°20′E以東水域, 27號站表層NO2-N高達0.54 μmol/L, 表層向底層垂直分層, 濃度逐級遞減, 且變化較大。夏季NO2-N在122°20′E附近出現(xiàn)濃度高值中心, 23號站5 m層濃度高值達0.61 μmol/L, 這與上述其在調(diào)查水域中部出現(xiàn)濃度高值區(qū)的結(jié)果一致, 通過斷面分布觀測其濃度在122°40′分以東垂直分布均勻。秋季與春季相似, NO2-N在淺水水域自西向東逐漸減小, 東部27號站表層NO2-N高達0.55μmol/L, 表層向底層濃度逐漸減小。冬季NO2-N在31°N 斷面總體趨勢自西向東濃度逐漸減小, 垂直分布相較均勻, 這與冬季水體垂直混合密切相關(guān)[25], 在122°40′E附近水域10m層出現(xiàn)相對高值區(qū)。

春季NH4-N在31°N 斷面123°E附近水域26號站表層和10 m層分別出現(xiàn)濃度為3.65 μmol/L和3.50 μmol/L的高值中心, 這與平面分布中表層NH4-N東南部的高值區(qū)對應(yīng)。而在122°40′E附近水域25號站底層濃度為1.61 μmol/L的低值中心。夏季NH4-N在122°20′E附近出現(xiàn)濃度高值中心, 23號站5 m層濃度高值達2.05 μmol/L, 東部27號站位于上述平面分布中的東部濃度高值區(qū), 在垂直方向上由表層向底層濃度逐漸減小。秋季NH4-N在31°N 斷面122°20′E附近水域23號站表層出現(xiàn)3.59 μmol/L的濃度高值中心, 向底層濃度逐漸減小。122°40′E以東水域, NH4-N濃度呈西高東低, 濃度垂直變化較小。冬季水體垂直混合較為均勻, NH4-N濃度自西向東逐漸減小, 垂直梯度濃度變化較小。

2.2.3 溶解硅

SiO3-Si在31°N 斷面的分布與NO3-N十分相似, 秋季口門內(nèi)SiO3-Si的濃度達四季最高(表1), 意味著秋季長江陸源輸入較高濃度的SiO3-Si, 相應(yīng)在31°N 斷面較高濃度的SiO3-Si擴展的范圍也較大, 例如秋季SiO3-Si為40 μmol/L的等值線在水平方向上最遠擴展到123°05′E附近, 垂直方向上最遠擴展到水深20 m附近, 而春、夏和冬季在水平和垂直方向上分別最遠擴展到122°36′E、10 m; 122°20′E、10 m和122°04′E、3 m附近。從SiO3-Si表、底層平面分布中難以發(fā)現(xiàn)夏季123°E以東水域表層SiO3-Si濃度低于底層, 圖3可見15 μmol/L的SiO3-Si從底層涌升至30 m, 這可能與底層硅質(zhì)介殼溶解再生有關(guān)[26]。冬季受到水體垂直混合均勻的影響, SiO3-Si自西向東逐漸降低, 且垂直分布也相較均勻, 這與上述觀測到表、底層SiO3-Si的平面分布相一致。

2.2.4 溶解無機磷

圖4可見春季PO4-P在123°E以東水域表層濃度較低, 這是由于表層較高的初級生產(chǎn)力, 26和27號站位表層葉綠素a的濃度分別為3.54 μg/L和2.37 μg/L, PO4-P從表層到底層呈先增加后減小, 這可能與長江沖淡水的擴展和生物吸收作用有關(guān)。夏季PO4-P在123°E以東水域表層低于底層, 這與上述平面分布中觀測到在122°30′以東水域底層濃度高于表層的結(jié)果相一致, 斷面分布可見較高濃度的PO4-P向上涌升, 0.3 μmol/L的等值線抬升至水深30 m。通過31°N斷面的水文特征, 觀測到在該水域底層水體具有高鹽(S>34)、低溫(T<20)和低DO的特征, 由此推測高濃度的PO4-P可能與黑潮近岸分支的侵入有關(guān)。此外, 斷面觀測到的低氧現(xiàn)象不僅受到水文、地形等因素影響, 而且會隨著有機物質(zhì)的局部降解過程而加劇[24]。秋季口門內(nèi)PO4-P平均濃度最高, 高濃度PO4-P在31°N斷面擴展范圍更大, 如0.6 μmol/L的等值線擴展到123°20′E附近和水深50 m, 春季和夏季PO4-P為0.6 μmol/L的等值線分別擴展到123°30′E、10 m和122°15′E、5 m附近, 而冬季0.6 μmol/L的PO4-P僅擴展到口門附近的表層。冬季PO4-P在122°20′E附近水域表層濃度低于底層, 通過22號站表層較高葉綠素a的濃度為0.61 μg/L, 以及濃度較低的PO4-P, 推測這可能是生物吸收所致。而其在122°40′E附近水域出現(xiàn)濃度低值中心, 底層PO4-P濃度為0.15 μmol/L。

圖4 營養(yǎng)鹽在長江口水域31°N斷面的垂直分布 Fig. 4 The vertical distribution of nutrients along Transect 31°N in the Changjiang River Estuary

2.3 營養(yǎng)鹽在河口的遷移過程

營養(yǎng)鹽在河口的遷移過程往往受河口咸淡水混合而呈相對保守性分布[27-28], 而在生產(chǎn)力水平較高的水域, 生物的吸收作用往往導(dǎo)致營養(yǎng)鹽呈非保守性分布。通過分析五項營養(yǎng)鹽的時空分布, 發(fā)現(xiàn)NO3-N、SiO3-Si和PO4-P在河口向外海遷移的過程中, 其濃度逐漸降低, 尤其在表層這種分布規(guī)律更加明顯, 這主要是由于來自長江陸源輸入的高濃度營養(yǎng)鹽, 隨長江沖淡水?dāng)U展, 進而被外海水稀釋形成營養(yǎng)鹽的濃度梯度。本文利用鹽度這一保守性指標引入理論稀釋線(Theoretical Diluted Line, TDL), 通過簡單的兩端元混合模型[29]來研究NO3-N、SiO3-Si和PO4-P在河口水域的保守與非保守行為。咸淡水端元分別選取鹽度大于32和鹽度小于1的站位(8月份表層鹽度均小于31, 因此咸水端元采取鹽度大于30的站位), 并取各個站位鹽度及營養(yǎng)鹽濃度的均值。

春、夏季長江口水域浮游植物量較高, 浮游植物的吸收作用往往造成表層營養(yǎng)鹽的移出。圖5可見, 相較于秋、冬季, 春、夏季表層NO3-N、PO4-P和SiO3-Si相對于理論稀釋線分布更為分散, 有較多的散點位于理論稀釋線下方, 這表明NO3-N、PO4-P和SiO3-Si的濃度相對于咸淡水混合的理論濃度偏低, 這可能是生物吸收所導(dǎo)致。有研究指出鹽度在25~31范圍內(nèi), 光照與營養(yǎng)鹽取得最佳權(quán)衡, 初級生產(chǎn)力較高[30], 調(diào)查年份春、夏季鹽度在25~31范圍內(nèi)葉綠素a較高, 其平均濃度和范圍分別為2.34 μmol/L ; 1.46~3.23 μmol/L和0.85 μmol/L; 0.51~1.19 μmol/L, 因此推測春、夏季表層NO3-N、PO4-P和SiO3-Si在鹽度在25~31之間的數(shù)據(jù)點相對較大的偏移程度與浮游植物的吸收作用密切相關(guān)。對于PO4-P來說, 春、夏和秋季都有較多的數(shù)據(jù)點位于理論稀釋線之上, 這說明表層PO4-P可能存在其他來源的補充, 在上述春季表層PO4-P的平面分布中, 發(fā)現(xiàn)其在最大渾濁帶水域22號站出現(xiàn)濃度高值中心(圖2), 許多研究證明PO4-P與顆粒物質(zhì)之間的相互作用是河口水域的關(guān)鍵過程之一[31-32], 當(dāng)水體中的PO4-P高于平衡濃度時, PO4-P被吸附, 隨著咸淡水的混合在PO4-P含量相對較低的水域, 懸浮體中顆粒態(tài)無機磷能夠釋放PO4-P, 而這一過程是PO4-P重要的來源, 由此推測PO4-P相對于理論稀釋濃度有較高的偏移是因為SPM的釋放。

3 結(jié)論

(1) NO3-N、SiO3-Si和PO4-P在長江口水域的時空分布主要受長江陸源輸入的影響, 并隨長江沖淡水?dāng)U展范圍的季節(jié)變化而變化。除冬季外, 在122°20′E以東, 主要受到溫鹽躍層的影響, 水體層化, 其在該斷面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象, 冬季水體垂直混合均勻, 其垂直分布較為均勻。

(2) 春季長江陸源輸入較高濃度的 NO3-N, 40 μmol/L的NO3-N隨長江沖淡水向東北方向最遠擴展到123°E, 垂直方向上擴展至水深10 m, 而秋季長江陸源輸入較高濃度的SiO3-Si和PO4-P, 其濃度分別為40 μmol/L和0.6 μmol/L的等值線分別向東最遠擴展到123°E、123°20′E和水深20 m、50 m。

圖5 長江口水域表層鹽度和營養(yǎng)鹽的關(guān)系圖 Fig. 5 The relationship of salinity and nutrients in the Changjiang River Estuary

(3) NO2-N和NH4-N在長江口水域受到生物吸收、硝化作用等因素影響, 其分布較為復(fù)雜, 春、夏和秋季分別在不同水域和深度出現(xiàn)濃度高值, 冬季其平面分布自西向東濃度逐漸減小, 垂直也相較均勻。

(4) 通過引入理論稀釋線初步探究了表層NO3- N、SiO3-Si和PO4-P遷移過程中的分布行為, 結(jié)合葉綠素a的數(shù)據(jù)表明: 春、夏季營養(yǎng)鹽濃度低于理論稀釋濃度可能是由于生物吸收所致; 通過分析表明最大渾濁帶水域PO4-P與SPM呈顯著的正相關(guān), 因此推測PO4-P高于理論稀釋濃度可能是因為懸浮顆粒物的釋放。