2018 年南黃海滸苔綠潮發(fā)展規(guī)律及氮組分的作用探究

張海波，王爽，尹航，沙珍霞，石曉勇,4，蘇榮國*，裴紹峰，王國善，麻銀萍

( 1. 中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；2. 紐約州立大學(xué)石溪分校 海洋與大氣學(xué)院，紐約 11790；3. 青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071；4. 自然資源部海洋減災(zāi)中心，北京 100194；5. 中國地質(zhì)調(diào)查局 濱海濕地生物地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

1 引言

綠潮是一種大型綠藻聚積暴發(fā)生長，在世界范圍內(nèi)頻發(fā)的海洋生態(tài)災(zāi)害現(xiàn)象，主要發(fā)生在河口、海灣及近海海域，由石莼屬（Ulva）、滸苔屬（Enteromorpha）、剛毛藻屬（Chaetomorpha）和硬毛藻屬（Cladophora）等大型綠藻引起[1-2]。大規(guī)模的綠潮會(huì)通過消耗營養(yǎng)鹽、占據(jù)海床或海表等生存空間產(chǎn)生種間競爭，進(jìn)而影響生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性。綠潮暴發(fā)不僅跟綠潮藻自身生長速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)有關(guān)，而且跟溫度、光照、水文條件以及氣候等環(huán)境要素尤其是水體富營養(yǎng)化有關(guān)[3-7]。

南黃海屬于北太平洋西部半封閉陸架淺海，受徑流輸入、水團(tuán)以及沿岸流和暖流組成的洋流系統(tǒng)等因素影響，尤其西部江蘇近海呈現(xiàn)明顯富營養(yǎng)化[8-10]。自2007 年以來，海域內(nèi)持續(xù)受到漂浮態(tài)綠藻滸苔（Ulva prolifera）綠潮影響[11-13]，每年春季（4 月底）在江蘇近海出現(xiàn)滸苔斑塊，隨后在風(fēng)和流的控制下[14-15]，滸苔斑塊向北漂移并快速增殖形成大規(guī)模綠潮[16]，7 月中下旬在山東半島近海聚積、沉降消亡[17-18]。數(shù)百萬噸滸苔藻體死亡會(huì)釋放大量的氮、磷要素及含硫物質(zhì)等[19]，給近海旅游業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)造成經(jīng)濟(jì)及生態(tài)損失[20-22]。

研究表明，滸苔在生長繁殖過程中能夠同時(shí)吸收利用多種形態(tài)氮、磷（無機(jī)態(tài)和小分子有機(jī)態(tài)）營養(yǎng)鹽[23]，且具有快速吸收儲(chǔ)存營養(yǎng)鹽能力，對水體起到凈化緩解富營養(yǎng)化的作用[24-25]。水體中氮營養(yǎng)鹽濃度和結(jié)構(gòu)是綠潮發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[26-27]，當(dāng)無機(jī)氮濃度較低時(shí)，滸苔會(huì)增加對有機(jī)態(tài)氮吸收利用的親和性[23,26,28-29]。近些年來工農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)以及生活廢水含氮超標(biāo)，通過徑流及直排等途徑進(jìn)入近海[30]，導(dǎo)致近海海水氮超標(biāo)富營養(yǎng)化嚴(yán)重[31-32]，水體中氮結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，有機(jī)氮組分如氨基酸、尿素等濃度增加。南黃海綠潮的特點(diǎn)為持續(xù)時(shí)間長（4 月底至8 月）漂移范圍廣（32°～37°N），從南向北漂移過程中經(jīng)歷從江蘇近海到山東半島外海復(fù)雜的水文環(huán)境，從富營養(yǎng)化海域到低營養(yǎng)鹽區(qū)域。而較多營養(yǎng)鹽對綠潮發(fā)展影響研究集中在江蘇紫菜筏架區(qū)或青島近海小范圍海域，且主要關(guān)注無機(jī)態(tài)營養(yǎng)鹽組分，而對整個(gè)綠潮期間不同發(fā)展海域不同形態(tài)氮營養(yǎng)鹽之間關(guān)系知之甚少。

為進(jìn)一步分析南黃海不同形態(tài)氮組分與大規(guī)模綠潮發(fā)展特征的耦合關(guān)系，本文針對2018 年南黃海綠潮發(fā)展時(shí)空規(guī)律以及暴發(fā)前后（春季和夏季）氮營養(yǎng)鹽組分變化，深入分析不同形態(tài)氮組分在不同綠潮階段中的作用，以期對滸苔綠潮發(fā)展中氮要素來源進(jìn)一步了解。

2 研究區(qū)域和方法

2.1 研究區(qū)域

分別于2018 年4 月（春季，綠潮暴發(fā)前，3 月28 日至4 月4 日）和7 月（夏季，綠潮發(fā)展后期，7 月24-30 日）搭載國家基金委共享航次“東方紅2”號(hào)科考船于南黃海進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查范圍在32°～36.2°N，124°E 以西海域，站位如圖1b、圖1c 所示。現(xiàn)場使用Seabird 911-Niskin 聯(lián)用采水并測定溫鹽參數(shù)，根據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范設(shè)置采水層次。

2.2 樣品采集與分析

營養(yǎng)鹽樣品的采集和處理方法均依照《海洋調(diào)查規(guī)范—海水化學(xué)要素》（GB/T 12763.4—2007）所述。水樣經(jīng)GF/F（Whatman，450℃灼燒4 h）過濾后冷凍保存。帶回實(shí)驗(yàn)室測定，其中尿素（urea-N）采用二乙酰一肟?鹽酸氨基脲法[33-34]，采用重氮?偶氮法 （，銅?鎘還原），使用靛酚藍(lán)法?？?cè)芙獾═otal Dissolved Nitrogen，TDN）經(jīng)堿性過硫酸鉀法（Alkaline Persulphate Oxidation）消化后測定，消化過程以EDTA 作為有機(jī)氮回收標(biāo)準(zhǔn)[35]，測量精度為92%。溶解無機(jī)氮（Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN）為和之和，溶解有機(jī)氮（Dissolved Organic Nitrogen, DON ）為TDN 減去DIN之差。海水總懸浮顆粒物（Total Suspended Particulate,TSP）使用重量法[35]采集測定。

表層水體中營養(yǎng)鹽減少量估算如下：

式中，M為減少總物質(zhì)量（單位：t），C為綠潮期間營養(yǎng)鹽濃度變化（單位：μmol/L），h為表層水團(tuán)深度（取值3 m），A為不同階段區(qū)域面積（單位：km2）。

圖 1 南黃海研究區(qū)域洋流系統(tǒng)（a）及站位設(shè)置（b, c）Fig. 1 The current system (a) and sampling stations (b, c) in the study area of the southern Yellow Sea

2.3 滸苔綠潮規(guī)模日變化數(shù)據(jù)來源

2018 年綠潮發(fā)展過程中滸苔斑塊漂移路徑、分布面積和覆蓋面積（指示滸苔生物量）數(shù)據(jù)收集自自然資源部北海預(yù)報(bào)中心每日大型藻類預(yù)警公報(bào)，其結(jié)果解譯自MODIS-TERRA 和RADARSAT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)[36-37]。

3 結(jié)果與討論

3.1 2018 年滸苔綠潮的發(fā)展規(guī)律

2018 年4 月25 日在江蘇南通近海首先發(fā)現(xiàn)零星的滸苔（圖2b），在風(fēng)和海流控制下，漂浮態(tài)滸苔向北漂移并不斷增殖，綠潮規(guī)?？焖贁U(kuò)展。6 月29 日，綠潮分布面積和覆蓋面積達(dá)到最大（38 046 km2和193 km2）。7 月中旬，大規(guī)模綠潮靠近山東半島發(fā)生聚積，其分布面積迅速減小。8 月中旬，滸苔藻體沉降?堆積?腐爛基本消失，發(fā)展規(guī)模較2017 年明顯增大[38]。

對綠潮暴發(fā)海域和漂移路徑分析發(fā)現(xiàn)(圖2b)，其發(fā)展和影響海域集中在122°E 以西近海。根據(jù)滸苔藻狀態(tài)分析表明（圖2），在南部江蘇近海以零星分布狀態(tài)（＜100 cm2）滸苔為主[39]，滸苔顏色較深，藻體內(nèi)葉綠素（＞1.2 mg/g）及氮、磷元素（氮濃度＞40 mg/g, 磷濃度＞0.8 mg/g）濃度較高[40-41]。綠潮向北漂移增殖速率顯示（圖2a，圖2c），在35°N 以南江蘇近海海域，滸苔斑塊增殖速率較快，其相對增殖速率達(dá)每天35.9%（5 月25 至6 月3 日，覆蓋面積從2 km2擴(kuò)大到53 km2），綠潮處于快速增殖階段。7 月23 日后，大規(guī)模聚集態(tài)滸苔斑塊（長條狀大于100 m 和高聚積態(tài)大于1 km2）完全進(jìn)入35° N 以北海域，藻體呈現(xiàn)淺綠色，藻體釋放孢子分支出現(xiàn)白化，藻體內(nèi)葉綠素（約0.3 mg/g）及氮磷元素（氮濃度＜20 mg/g, 磷濃度＜0.3 mg/g）濃度較江蘇近海明顯降低[40-41]，規(guī)?？焖贉p小，綠潮處于聚積衰退階段。

圖 2 2018 年南黃海漂浮滸苔綠潮發(fā)展變化特征Fig. 2 The development of floating U. prolifera green tide in the southern Yellow Sea in 2018

3.2 南黃海氮營養(yǎng)鹽組分的季節(jié)分布特征

春季（2018 年4 月）南黃海營養(yǎng)鹽主要受西部徑流輸入、沿岸流混合（表1，TSP＞100 mg/L）、北部青島冷水團(tuán)和外海暖流的影響。其中DIN 濃度范圍在0.62～55.23 μmol/L 之間，平均值為（8.86±8.71） μmol/L，約占TDN 的63%（圖3，圖4），其主要組分為（占DIN的86%）。表層濃度為（11.56±11.88） μmol/L，明顯高于中層（（6.06±3.57） μmol/L）和底層（（7.21±3.79） μmol/L），呈現(xiàn)明顯的南部近岸高、北部低（35°N 以北，DIN＜2 μmol/L）的 區(qū) 域 特 征。DON 濃 度 范 圍 為1.62～16.8 μmol/L，平均值為（5.30±2.30） μmol/L，在TDN 占比37%，垂向各水層差異較小，在北部和近岸呈現(xiàn)高值，尤其是在北部低DIN 區(qū)域其濃度高于6 μmol/L，是此區(qū)域重要的氮循環(huán)組分。urea-N 作為重要的小分子有機(jī)氮，濃度范圍在0.15～3.43 μmol/L 之間，平均為（1.28±0.72） μmol/L，占水體中DON 的24%。春季受水壩截留[42]及高懸浮物（表1，沿岸水TSP＞100 mg/L）吸附等因素影響，徑流輸入影響較小，高值區(qū)在中部和北部海域。urea-N在北部低DIN 區(qū)域表層濃度為（1.47±0.45） μmol/L（表2），作為滸苔可直接利用的小分子有機(jī)氮[23]，對于綠潮后期的氮補(bǔ)充起到重要作用。外海黃海暖流影響水團(tuán)中urea-N 濃度為（1.18±0.62） μmol/L，在DON 中占比達(dá)28%，是重要的可利用氮組分，為生物繁殖提供氮要素。

夏季（2018 年7 月）海表溫度為（25.00±1.73）℃，生物活動(dòng)劇烈，同時(shí)受大范圍黃海冷水團(tuán)、沿岸徑流輸入(圖5)及底層再懸浮釋放等因素影響，除N 氮的各形態(tài)濃度較春季均明顯降低。其中DIN 平均濃度為（6.09±5.92） μmol/L，在TDN 中占比56%（圖4），較春季綠潮暴發(fā)前濃度降低2.77 μmol/L，降幅31%。高值區(qū)在江蘇和長江口外海域，低值區(qū)在北部冷水團(tuán)溫躍層上層（圖6，35°N 以北，DIN＜1 μmol/L）。表層和底層受徑流輸入及底層再懸浮影響濃度明顯較高。DON 整體濃度在0.3～16.61 μmol/L 之間，平均為（4.84±2.54） μmol/L，較春季減少約0.46 μmol/L；垂向分布層化現(xiàn)象明顯，表層中濃度為（6.12±2.53） μmol/L，受生物釋放等因素影響，濃度較春季上升。urea-N 受徑流攜帶的大量的工農(nóng)業(yè)和海水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排入影響（表1，圖4），呈現(xiàn)近海高、遠(yuǎn)海低的特征，濃度范圍為0.02～4.08 μmol/L，平均為（0.84±0.57） μmol/L，占DON 的17.4%，受生物吸收利用等因素影響[43-44]，較春季減少0.44 μmol/L，降幅34.4%。表層受江蘇沿岸河流和長江沖淡水輸入影響（（1.05±0.70） μmol/L）濃度明顯高于其他水層。

表 1 調(diào)查海域春、夏季溫度、鹽度，以及氮營養(yǎng)鹽組分濃度Table 1 Salinity, temperature and nitrogen nutrients in the study area of the southern Yellow Sea during spring and summer cruises

3.3 氮營養(yǎng)鹽在滸苔綠潮不同發(fā)展階段中的作用

圖 3 春季（2018 年4 月綠潮暴發(fā)前）南黃海不同氮營養(yǎng)鹽組分的分布特征Fig. 3 Horizontal distributions of nitrogen nutrients in the southern Yellow Sea in spring (April 2018, before green tides)

圖 4 2018 年南黃海調(diào)查區(qū)域春、夏季氮營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征Fig. 4 The seasonal variations of nitrogen nutrients in the study area of the southern Yellow Sea in spring and summer 2018

對比春、夏季間（綠潮暴發(fā)前后）綠潮（122 °E 以西近海）和非綠潮（122 °E 以東遠(yuǎn)海）影響海域，表層氮營養(yǎng)鹽變化發(fā)現(xiàn)（表2），122°E 以西近海綠潮漂移海域營養(yǎng)鹽來源豐富，各氮組分濃度較高，其中總可利用氮（DIN 組分和小分子有機(jī)氮urea-N 等）濃度遠(yuǎn)高于滸苔持續(xù)生長所需的最低氮濃度（6.5 μmol/L）[45]，豐富充足的氮有利于滸苔繁殖生長。綠潮暴發(fā)前后表層水體中，DIN 濃度降低5.45 μmol/L，降幅37%，且以為主；而DON 及其小分子組分urea-N 受徑流輸入（圖4）等因素影響，濃度上升。而非綠潮海域（122°E 以東遠(yuǎn)海），春、夏間DIN 濃度降低1.16 μmol/L，降 幅18%，且 主 要為降 低；DON 濃 度增加1.75 μmol/L，但其組分urea-N 降低0.39 μmol/L，說明在遠(yuǎn)海除DIN 外，尿素作為重要的有機(jī)氮組分對浮游植物生長[46]及細(xì)菌群落[43]發(fā)展起到重要作用。兩個(gè)綠潮特征區(qū)域營養(yǎng)鹽變化趨勢表明，近岸豐富的營養(yǎng)鹽來源和濃度為綠潮的暴發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，且滸苔藻能夠快速吸收和儲(chǔ)存大量DIN，對減輕江蘇近海富營養(yǎng)化程度具有重要的意義。

表 2 調(diào)查海域滸苔暴發(fā)前后滸苔漂移區(qū)域與非滸苔區(qū)域表層營養(yǎng)鹽濃度變化Table 2 The variations of nitrogen nutrients in the different phases of green tides in the surface layer of the study area

圖 5 2017?2018 年江蘇近岸主要入海徑流尿素含量逐月變化Fig. 5 The monthly variations of urea-N in main rivers estuaries along Jiangsu coast from 2017 to 2018

對比綠潮快速增殖階段和聚積衰退階段對應(yīng)的江蘇近海和山東半島外海域營養(yǎng)鹽變化發(fā)現(xiàn)，35°N以南江蘇近海綠潮快速增殖區(qū)（圖2），受徑流輸入和混合影響（表2，S＜30.7, TSP＞80.0 mg/ L），氮營養(yǎng)鹽濃度較高，其中DIN 在綠潮暴發(fā)前后濃度降低6.73 μmol/L，降幅66.6%；而DON 和urea-N 受徑流輸入以及生物釋放影響濃度上升。估算此區(qū)域表層水團(tuán)中（面積約36 000 km2）主要組分DIN 減少約104t。35°N 以北綠潮聚積衰退區(qū)，營養(yǎng)鹽來源少濃度低（表2，DIN＜2 μmol/L，urea-N＜1.5 μmol/L），遠(yuǎn)低于滸苔藻生長最低氮濃度（6.5 μmol/L）[45]，不利于綠潮的發(fā)展，綠潮發(fā)展期間可利用氮組分和urea-N 分別降低0.53 μmol/L和0.84 μmol/L，估算此區(qū)域表層水團(tuán)中（面積約24 000 km2）減少量分別約530 t 和840 t，有機(jī)組分urea-N 為主要減少組分，為此區(qū)域內(nèi)綠潮發(fā)展的重要氮來源。對比兩個(gè)綠潮發(fā)展階段表層營養(yǎng)鹽減少量表明，在35°N 以南江蘇近海，DIN 是快速增殖的綠潮主要氮吸收組分，且此區(qū)域?yàn)榫G潮提供了主要的氮支撐（占總減少氮的87 %），滸苔藻體的葉綠素和氮、磷元素含量較高[40-41]也能支持此論證。35°N 以北低DIN特征海域，滸苔藻對有機(jī)氮組分親和力上升[23]，urea-N成為此階段綠潮發(fā)展重要的氮支撐組分，相比較江蘇近海（104t 級(jí)），綠潮在此區(qū)域內(nèi)吸收利用氮總量（1 300 t級(jí)）相對較低。

4 結(jié)論

（1）2018 年綠潮發(fā)展漂移路徑區(qū)域在122°E 以西海域，呈現(xiàn)明顯的階段和區(qū)域特征，在35°N 以南江蘇近海綠潮處于快速增殖階段（相對增殖速率達(dá)每天35.9%），35°N 以北山東半島外海域綠潮處于聚積衰退階段。

（2）在35°N 以南江蘇近海綠潮快速增殖區(qū)域，營養(yǎng)鹽豐富，充足的氮尤其是DIN 是滸苔快速繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)，估算此區(qū)域?yàn)榫G潮發(fā)展提供近87%的氮支撐。

（3）35°N 以北山東半島南部綠潮處于聚積衰退階段，表層較低的可利用氮（DIN 和小分子urea-N）限制滸苔生長，此階段有機(jī)氮組分在氮支撐中起到重要作用。