福建平潭外海域夜光藻赤潮期營(yíng)養(yǎng)元素和溶解態(tài)痕量金屬動(dòng)態(tài)與響應(yīng)

岳新利,張夢(mèng)柯,谷利德,鐘灝文,戚柳倩,王德利,3,4*

(1.近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué)),福建 廈門 361102;2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300350;3.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361102;4.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建 廈門 361102)

在近岸生態(tài)系統(tǒng)中,浮游植物經(jīng)常受到營(yíng)養(yǎng)元素富集和痕量金屬污染等多重因素影響[1](圖1).營(yíng)養(yǎng)元素(如氮、磷、硅)是調(diào)控海洋浮游植物生長(zhǎng)和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素,同時(shí)也是構(gòu)成海洋生態(tài)系統(tǒng)的基本要素[2-3].海水中營(yíng)養(yǎng)元素濃度過低會(huì)限制浮游植物的生長(zhǎng),影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力,而濃度過高則會(huì)導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化等危害海洋生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象[4].污水排放、地下水滲透、徑流輸入以及涌升流的出現(xiàn)都可能迫使近岸海域營(yíng)養(yǎng)元素在表層海水發(fā)生富集,從而導(dǎo)致局部海域營(yíng)養(yǎng)比例失衡,部分營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)及通量發(fā)生變化,出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化和有害藻華等一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[5-6].

圖1 近海營(yíng)養(yǎng)鹽和痕量金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of biogeochemical cycling of nutrients and trace metals in coastal waters

浮游植物大量繁殖是赤潮暴發(fā)的根本原因.作為海洋中溶解態(tài)痕量金屬循環(huán)的重要載體,浮游植物可以通過細(xì)胞表面絡(luò)合或螯合作用吸附海水中的溶解態(tài)痕量金屬[7],進(jìn)而使其參與到細(xì)胞內(nèi)部蛋白質(zhì)合成和酶活性的調(diào)控過程[8].浮游植物細(xì)胞內(nèi)部痕量金屬的分配占比主要受生化需求驅(qū)動(dòng),不同浮游植物群體對(duì)溶解態(tài)痕量金屬的需求有所不同,金屬的可用性也對(duì)其生物地球化學(xué)過程有著重要影響[9].對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)而言,溶解態(tài)痕量金屬的遷移路徑通常取決于它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)境中的化學(xué)形態(tài)[10].鹽度、溫度、海水pH值以及懸浮顆粒物等環(huán)境因子對(duì)溶解態(tài)痕量金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程至關(guān)重要[11].此外,有機(jī)顆粒物表面的吸附與解吸附過程也是整個(gè)遷移轉(zhuǎn)化過程中的另一重要影響因素.

臺(tái)灣海峽是太平洋西岸最大的邊緣海通道,冬季受東北季風(fēng)影響,夏季受西南季風(fēng)影響[12].每年春季季風(fēng)的轉(zhuǎn)換會(huì)改變海水流向,水團(tuán)運(yùn)動(dòng)和局部涌升流作用使底層痕量金屬和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上涌,這些過程的發(fā)生為赤潮暴發(fā)提供了必要條件[13].福建沿岸地處臺(tái)灣海峽西部,因其特殊的地理環(huán)境,春季常伴有夜光藻等赤潮事件的發(fā)生[14].有研究表明,營(yíng)養(yǎng)元素輸入以及季節(jié)性洋流引起的水團(tuán)交匯是造成福建平潭海域大面積赤潮暴發(fā)的主要原因之一[15-16].

然而,關(guān)于赤潮暴發(fā)期營(yíng)養(yǎng)元素的生物利用情況及沿海水域中溶解態(tài)痕量金屬的分布特征仍缺乏實(shí)地調(diào)查研究.為此,本研究以福建平潭海域赤潮暴發(fā)區(qū)為研究區(qū)域,于2022年4月進(jìn)行大面積采樣,對(duì)區(qū)域內(nèi)水體痕量金屬、營(yíng)養(yǎng)元素以及其他水文和生物參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,探討閩東海域赤潮暴發(fā)期痕量金屬和營(yíng)養(yǎng)元素的遷移及轉(zhuǎn)換過程,旨在了解赤潮暴發(fā)期浮游植物群落分布特征及痕量金屬和營(yíng)養(yǎng)元素的貢獻(xiàn),為近岸海域痕量金屬污染防治及生態(tài)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料和方法

1.1 采集區(qū)域和指標(biāo)

福建省平潭綜合試驗(yàn)區(qū)東部海域位于臺(tái)灣海峽西部,平均水深為40 m.每年4月,季風(fēng)的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致附近海域沿岸洋流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛上募撅L(fēng)控制的北向洋流,平均流速為5.6 m/s[17].在4月下旬,采用預(yù)清洗的有機(jī)玻璃卡蓋式采水器對(duì)該海域28個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行表層水(水深0.5 m)及30～50 m層水樣進(jìn)行采集.根據(jù)水文參數(shù)特點(diǎn),將研究區(qū)域劃分為3個(gè)部分:西北區(qū)域?yàn)楹Ｋc淡水混合區(qū)(混合區(qū)),上游閩江淡水注入導(dǎo)致該區(qū)域鹽度普遍偏低;中部區(qū)域有較大規(guī)模的涌升流現(xiàn)象,定義為涌升區(qū);外部區(qū)域定義為非涌升區(qū)(圖2).所有站位均測(cè)定了溶解態(tài)痕量金屬(Co、Cd、Cu、Mn和Ni)和營(yíng)養(yǎng)元素(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽),同時(shí)將表層海水樣本的流式細(xì)胞計(jì)數(shù)及葉綠素a濃度測(cè)定結(jié)果作為生物指標(biāo).

圖2 福建平潭外海域采樣站位Fig.2 Sampling stations in the waters off the Pingtan Island,Fujian

1.2 分析測(cè)量方法

采樣所需的所有塑料實(shí)驗(yàn)器材都經(jīng)過超純水(Milli-Q,美國(guó))清洗和酸洗酸泡處理.海水樣本采集后暫時(shí)保存在預(yù)先備好的潔凈高密度聚乙烯(HDPE)采樣瓶中,然后放置在-20 ℃下冷凍保存,航次結(jié)束后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.使用WTW水質(zhì)分析儀(Multi 340i,德國(guó))對(duì)鹽度、溫度、pH值和溶解氧參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量.營(yíng)養(yǎng)元素樣品在實(shí)驗(yàn)室用0.45 μm的乙酸纖維膜過濾,硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽與硅酸鹽使用Bran+Luebbe自動(dòng)分析儀(AA3,德國(guó))測(cè)定,銨鹽使用Tri-223連續(xù)自動(dòng)分析儀(臺(tái)灣大學(xué)海洋研究所協(xié)助建立)測(cè)定(靛酚藍(lán)法).用于自養(yǎng)和異養(yǎng)生物細(xì)胞豐度測(cè)定的樣本經(jīng)20 μm的潔凈篩絹預(yù)過濾后再加入50%(體積分?jǐn)?shù))戊二醛溶液進(jìn)行細(xì)胞固定(終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%),樣本經(jīng)4 ℃黑暗固定15 min后于液氮中深度冷凍,并在-80 ℃下保存.細(xì)胞計(jì)數(shù)采用Accuri C6流式細(xì)胞儀(BD,美國(guó)),使用SYBR Green Ⅰ核酸染料(Life Technologies,美國(guó))進(jìn)行異養(yǎng)生物細(xì)胞著色,著色時(shí)間15 min.葉綠素a濃度選用Trilogy熒光光度計(jì)(Turner,美國(guó))進(jìn)行測(cè)量,具體操作過程為:采用抽濾法對(duì)200～500 mL水樣進(jìn)行過濾,濾膜選用47 mm GF/F濾膜(Whatman,美國(guó)),加入5 mL 90%(體積分?jǐn)?shù))丙酮(分析純)并于-20 ℃進(jìn)行20 h避光萃取,萃取完成后輕微離心并測(cè)定熒光強(qiáng)度.用于溶解態(tài)痕量金屬測(cè)定的樣品在潔凈工作臺(tái)采用酸洗酸泡過的0.20 μm聚丙烯膜過濾,在樣品處理前先進(jìn)行酸化處理,然后通過Chelex樹脂(Bio-Rad,美國(guó))用1 mol/L HNO3多次洗脫[18].使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS;NexION 2000,美國(guó))通過內(nèi)標(biāo)法測(cè)定各金屬濃度,質(zhì)控痕量標(biāo)準(zhǔn)的近岸海水標(biāo)準(zhǔn)樣品(CASS-6,美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì))中包括Co、Cd、Cu、Mn和Ni在內(nèi)的金屬回收率均≥90%.

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS26.0、Excel2019和Origin2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,所有數(shù)據(jù)均被轉(zhuǎn)換成正態(tài)分布.使用Surfer15軟件繪制站位圖及各參數(shù)濃度分布的時(shí)空關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境因子空間分布特征

由于處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期,受閩浙沿海寒流影響[19],平潭海域表層海水溫度范圍為17.7～21.1 ℃,且整體溫度變化較大.在站位X2～X16附近區(qū)域觀測(cè)到17.7～19.4 ℃低溫海水,同時(shí)伴隨著高溶解氧、高鹽度、高pH值現(xiàn)象,30～50 m水層測(cè)定結(jié)果顯現(xiàn)出與表層海水高度一致的變化特點(diǎn)(圖3),符合一般涌升流特點(diǎn)[20].已有研究表明,中國(guó)東南沿岸風(fēng)生上升流在持續(xù)性、相對(duì)較小的沿岸風(fēng)狀況下即可發(fā)生[21].溶解氧濃度在涌升區(qū)出現(xiàn)高值,較高的溶解氧和適宜的水溫可能是局部赤潮暴發(fā)的重要影響因素[22].在混合區(qū)及非涌升區(qū)近岸海域,溶解氧濃度普遍偏低,且隨離岸距離增加,溶解氧濃度逐漸上升,站位Y5的溶解氧濃度出現(xiàn)小范圍升高,同時(shí)在該站位附近出現(xiàn)低溫、高鹽的涌升現(xiàn)象.pH值表現(xiàn)出與溶解氧一致性變化的特點(diǎn),由于上游閩江淡水注入,鹽度與其他水化參數(shù)變化并不一致,溫度以及不同水團(tuán)交匯導(dǎo)致表層海水鹽度呈明顯的區(qū)域劃分.混合區(qū)鹽度普遍偏低,鹽度范圍為27.2～29.1,涌升區(qū)和非涌升區(qū)鹽度普遍偏高,鹽度范圍為29.3～31.0.

圖3 福建平潭外海域表層海水溫度(a)和鹽度(b)的水平分布Fig.3 Horizontal distributions of surface water temperature (a) and salinity (b) in the waters off the Pingtan Island,Fujian

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征

冬季,受寒冷的閩浙沿岸寒流影響,臺(tái)灣海峽營(yíng)養(yǎng)鹽濃度普遍較高[23],總無(wú)機(jī)氮含量高達(dá)15 μmol/L;夏季,寡營(yíng)養(yǎng)的南海暖流導(dǎo)致總無(wú)機(jī)氮濃度降低至2 μmol/L以下;春季,季風(fēng)的交替促使兩種不同洋流匯合,在適合水域條件下可能促使平潭海域赤潮頻繁暴發(fā)[24].結(jié)果表明(圖4):平潭海域表層總無(wú)機(jī)氮(包括硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽)、銨鹽和磷酸鹽濃度變化一致,最高濃度均出現(xiàn)在站位X25和X12附近,并向外逐漸降低;在非涌升區(qū)站位Y5附近出現(xiàn)小規(guī)模較高濃度的總無(wú)機(jī)氮、銨鹽和磷酸鹽,可能與此處低溫、高溶解氧、高鹽度的涌升流特征有關(guān).硝酸鹽、亞硝酸鹽與硅酸鹽在混合區(qū)濃度較高,與混合區(qū)鹽度較低的分布特點(diǎn)一致,陸源輸入(閩江)可能為該區(qū)域帶來(lái)了濃度較高的無(wú)機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)鹽和硅酸鹽.

圖4 福建平潭外海域表層海水總無(wú)機(jī)氮(a)、硝酸鹽(b)、亞硝酸鹽(c)、銨鹽(d)、磷酸鹽(e)和硅酸鹽(f)濃度的水平分布Fig.4 Horizontal distributions of total inorganic nitrogen (a),nitrate (b),nitrite (c),ammonium (d),phosphate (e) and silicate (f) concentrations in the surface-layer waters off the Pingtan Island,Fujian

4月下旬,平潭海域總無(wú)機(jī)氮濃度范圍為6.0～97.7 μmol/L,整體變化較明顯[圖5(a)].銨鹽主導(dǎo)了總無(wú)機(jī)氮約62.6%的組分,濃度范圍為1.6～91.5 μmol/L;硝酸鹽與亞硝酸鹽濃度較低,分別占總無(wú)機(jī)氮35.2%與2.2%的組分,硝酸鹽濃度范圍為2.6～20.3 μmol/L(其中最高值出現(xiàn)在站位X16,為異常值),亞硝酸鹽濃度范圍為0.1～0.9 μmol/L[圖5(b)～(d)].3種無(wú)機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)鹽總體上都隨離岸距離的增加而減少,其中銨鹽變化較明顯.硝酸鹽與亞硝酸鹽的變化趨勢(shì)整體上與鹽度呈負(fù)相關(guān)(P<0.05),R2分別為0.877 7和0.834 4.銨鹽與鹽度沒有明顯的線性關(guān)系,這與已有研究結(jié)果一致[25].在涌升區(qū),銨鹽濃度普遍偏高,高濃度銨鹽主要集中在鹽度較高的區(qū)域.受銨鹽影響,總無(wú)機(jī)氮線性關(guān)系并不明顯,僅在混合區(qū)有輕微的下降趨勢(shì).

圖中方塊為涌升區(qū)樣本.圖5 福建平潭外海域海水氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度與鹽度的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between concentrations of N nutrients and salinity off the Pingtan Island,Fujian

磷酸鹽在涌升區(qū)波動(dòng)較明顯,海域內(nèi)整體濃度范圍為0.1～3.1 μmol/L[圖5(e)],平均濃度僅0.3 μmol/L.涌升區(qū)站位X12和X25的磷酸鹽濃度高值分別為2.2和3.0 μmol/L,沿岸陸源輸入(水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等)以及底層海水涌升可能為該區(qū)域帶來(lái)了較高濃度的磷酸鹽.值得注意的是,海壇灣內(nèi)站位Y1的磷酸鹽濃度也出現(xiàn)小幅度增加,為1.5 μmol/L,明顯高于灣外其他站位[圖4(e)];此外,銨鹽濃度也在該站位表現(xiàn)出一致性高值的特點(diǎn)[圖4(d)].沿海江河水或旅游業(yè)發(fā)展所排放的陸源污水可能為海壇灣營(yíng)養(yǎng)元素帶來(lái)了較多的外部輸入[26],導(dǎo)致在站位Y1出現(xiàn)較高濃度的銨鹽和磷酸鹽.

硅酸鹽濃度分布與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),R2為0.899 5[圖5(f)].混合區(qū)和海壇灣區(qū)的硅酸鹽濃度普遍偏高[圖4(f)],平均濃度超過6.5 μmol/L.閩江以及海壇灣河流沖淡水可能對(duì)區(qū)域內(nèi)硅酸鹽濃度高值具有重要貢獻(xiàn)[27].總體上,河流輸入、底層沉積物再懸浮以及涌升流所攜帶的營(yíng)養(yǎng)元素上涌可能是影響營(yíng)養(yǎng)元素差異性分布的因素[28].除上述因素外,陸地輸入也是影響近岸海域營(yíng)養(yǎng)元素濃度的因素之一[29].

2.3 浮游植物與赤潮生物指標(biāo)分布特征

福建平潭海域赤潮的發(fā)生可能是在合適的環(huán)境條件下(如鹽度、溫度、溶解氧等)該特殊區(qū)域的涌升流攜帶較高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所致[22].赤潮的主要藻種為紅色異養(yǎng)型夜光藻(Noctilucascintillans),海域內(nèi)海水的混合作用有助于夜光藻的攝食生長(zhǎng)[30].4月下旬,在站位X12與X25巡游時(shí)發(fā)現(xiàn)附近出現(xiàn)夜光藻赤潮,這與流式細(xì)胞術(shù)測(cè)定微型浮游生物(粒徑<20 μm)豐度分布結(jié)果較為符合(圖6).異養(yǎng)型夜光藻可以通過吞噬微型浮游生物(如硅藻、甲藻等)進(jìn)行繁殖生長(zhǎng)[30].流式細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果表明,平潭海域微型自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物豐度高值主要出現(xiàn)在涌升區(qū)和非涌升區(qū)站位Y5的涌升流區(qū)域,與銨鹽高值區(qū)基本一致,并且呈斑塊狀分布.微型自養(yǎng)生物細(xì)胞密度范圍為5.75×104～1.78×106mL-1,微型異養(yǎng)生物細(xì)胞密度范圍為3.35×105～1.19×107mL-1.中國(guó)東南沿岸4月風(fēng)生沿岸流的特點(diǎn)可能是導(dǎo)致微型浮游生物和赤潮呈現(xiàn)斑狀分布的重要原因[20].本研究觀測(cè)到葉綠素a(包括小型與微型浮游植物)在赤潮期間的質(zhì)量濃度范圍為1.0～4.0 μg/L,主要集中在近岸及外側(cè)海域(圖6).在微型自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物豐度較高的區(qū)域,測(cè)定的葉綠素a濃度普遍較低,這與異養(yǎng)型夜光藻的種類特點(diǎn)有關(guān)[31].已有研究表明,小型浮游植物(粒徑20～200 μm)是近岸海域浮游生物的主要組成部分[32].相比于近岸與外側(cè)海域,涌升流區(qū)域由于小型浮游生物較少,主要為微型浮游生物(粒徑<20 μm),葉綠素a濃度出現(xiàn)低值現(xiàn)象.

圖6 福建平潭外海域表層海水自養(yǎng)生物(a)、異養(yǎng)生物(b)和葉綠素a質(zhì)量濃度(c)的水平分布Fig.6 Horizontal distributions of autotrophs (a),heterotrophs (b) and chlorophyll a mass concentrations (c) in the surface-layer waters off the Pingtan Island,Fujian

2.4 溶解態(tài)痕量金屬的可能貢獻(xiàn)

2.4.1 溶解態(tài)Cd、Co

春季平潭海域表層海水溶解態(tài)Cd的濃度范圍為0.80～5.30 nmol/L,在站位X25、X14與X12出現(xiàn)高值,濃度最高為5.27 nmol/L[圖7(a)].底層海水的上涌以及表層海水中的解吸附過程可能是促使溶解態(tài)金屬出現(xiàn)高值的原因之一.在海壇灣內(nèi)站位Y1,溶解態(tài)Cd濃度為4.03 nmol/L,該處可能受其他污染源的影響,如近岸陸源輸入污染.非涌升區(qū)站位Y5的局部涌升流導(dǎo)致表層溶解態(tài)Cd濃度(2.38 nmol/L)高于周圍海域.上述結(jié)果表明,底層海水的涌升現(xiàn)象以及近岸污染排放等都可能是導(dǎo)致表層海水溶解態(tài)Cd濃度異常升高的原因.在水深30～50 m層,溶解態(tài)Cd濃度明顯降低,在0.08～0.31 nmol/L范圍內(nèi).站位X12的Cd濃度極大值為0.31 nmol/L,非涌升區(qū)站位Y5的Cd濃度為0.21 nmol/L.海水涌升現(xiàn)象導(dǎo)致的沉積物再懸浮過程可能是影響水深30～50 m層溶解態(tài)痕量金屬出現(xiàn)高值的原因之一,隨后海水的涌升進(jìn)而影響表層海水溶解態(tài)痕量金屬的濃度.已有研究表明溶解態(tài)Cd在海水中的分布還與Cl-密切相關(guān)[33],這符合混合區(qū)溶解態(tài)Cd濃度普遍高于非涌升區(qū)的現(xiàn)象.高鹽度帶來(lái)的高Cl-濃度促進(jìn)其與溶解態(tài)Cd的絡(luò)合作用,然后通過絮凝和吸附沉降去除機(jī)制使溶解態(tài)Cd濃度降低.

圖7 福建平潭外海域表層海水溶解態(tài)金屬Cd(a)、Co(b)、Ni(c)、Mn(d)和Cu(e)的水平分布Fig.7 Horizontal distributions of dissolved metals Cd (a),Co (b),Ni (c),Mn (d) and Cu (e) in the surface-layer waters off the Pingtan Island,Fujian

溶解態(tài)Co的變化與溶解態(tài)Cd較為一致且濃度普遍低于1.90 nmol/L,近岸海域的Co濃度隨離岸距離的增加逐漸降低,站位X12表層溶解態(tài)Co濃度極大值為1.88 nmol/L,其次為站位X25,其濃度為1.48 nmol/L[圖7(b)].已有研究表明溶解態(tài)Co可以參與浮游植物維生素B12的合成過程[34],因此表層海水中溶解態(tài)Co高值區(qū)的出現(xiàn)可能有助于該區(qū)域夜光藻的暴發(fā).在近岸海域站位Y1表層溶解態(tài)Co濃度為0.65 nmol/L,而局部涌升流區(qū)域站位Y5的表層溶解態(tài)Co濃度僅為0.53 nmol/L.結(jié)果表明,陸源污染排放和涌升流可能在表層貢獻(xiàn)了相當(dāng)程度的溶解態(tài)Co.在水深30～50 m層,溶解態(tài)Co濃度并未表現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì)且普遍低于0.52 nmol/L.

溶解態(tài)Co和Cd表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)與多種因素有關(guān).研究表明,Co和Cd作為生源要素,參與浮游植物的許多生命過程,如碳酸酐酶合成[35]、C和H轉(zhuǎn)移以及CO2的水合和脫水等[36].此外,浮游植物對(duì)磷酸鹽的利用也會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)Co和Cd的含量[37-38].

2.4.2 溶解態(tài)Ni、Mn、Cu

表層溶解態(tài)Ni的最高濃度主要出現(xiàn)在涌升流南部區(qū)域,平均濃度為11.23 nmol/L.海壇灣陸源輸入及洋流的多重作用可能是導(dǎo)致南部海域溶解態(tài)Ni濃度出現(xiàn)高值的主要原因.混合區(qū)溶解態(tài)Ni濃度普遍偏低,呈現(xiàn)從南向北逐漸降低的趨勢(shì)[圖7(c)].除站位Y8外,表層溶解態(tài)Ni濃度普遍低于30.00 nmol/L,這與已有研究結(jié)果一致[39],表明溶解態(tài)Ni的生物地球化學(xué)行為較為保守.站位Y8的溶解態(tài)Ni濃度高達(dá)31.75 nmol/L.已有研究表明,Ni在浮游生物體內(nèi)主要參與脲酶與超氧化物歧化酶的合成等過程[40].站位Y8的微型自養(yǎng)生物和異樣生物豐度較高,較高濃度的溶解態(tài)Ni可能在一定程度上有助于該區(qū)域浮游生物的繁殖.

溶解態(tài)Mn在站位X12和X25表層出現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象,濃度分別為170.05和103.38 nmol/L,在其他站位則普遍低于20.19 nmol/L[圖7(d)].涌升流、顆粒物解吸附及pH異常升高等多重因素都可能是溶解態(tài)Mn高值出現(xiàn)的原因.Mn在浮游植物中可以參與磷酸化以及光合作用中水的氧化等環(huán)節(jié),且與Ni類似,Mn還是超氧化物歧化酶合成的重要成分[38].因此,溶解態(tài)Mn濃度增加可能對(duì)浮游生物繁殖有一定的促進(jìn)作用.已有研究發(fā)現(xiàn),pH是調(diào)控Mn遷移轉(zhuǎn)化的重要機(jī)制[41],提高pH可以促進(jìn)溶解態(tài)Mn的吸附,降低pH則可以促進(jìn)溶解態(tài)Mn的解吸.涌升區(qū)高pH海水可以促使底層溶解態(tài)Mn吸附到有機(jī)顆粒物表面,通過涌升流轉(zhuǎn)移到表層海水.此外,近岸陸源輸入也可能是近岸溶解態(tài)Mn的輸入來(lái)源之一.

表層海水中溶解態(tài)Cu的濃度普遍偏低且相對(duì)穩(wěn)定,站位X12和Y8的Cu濃度都低于17.50 nmol/L,最高濃度出現(xiàn)非涌升區(qū)最外側(cè)海域站位Y3,濃度為22.07 nmol/L[圖7(e)].溶解態(tài)Cu出現(xiàn)保守型分布的原因可能與其本身的特性有關(guān),在水體中Cu可以積極地被浮游生物吸收利用以及與顆粒物有機(jī)絡(luò)合[18],這可能是導(dǎo)致Cu未隨涌升流出現(xiàn)高值現(xiàn)象的原因之一.Cu作為浮游植物重要的營(yíng)養(yǎng)要素,可以參與浮游植物的許多代謝過程,如光合作用和呼吸作用電子傳遞鏈,及Cu-Zn形式的超氧化物歧化酶催化反應(yīng)[38].此外,Cu還被認(rèn)為在Fe的跨膜吸收中發(fā)揮作用[42-43].

2.4.3 溶解態(tài)痕量金屬分布規(guī)律

總體上,沉積物再懸浮和底層海水的涌升可能是導(dǎo)致溶解態(tài)痕量金屬在表層出現(xiàn)高值的有利因素,浮游生物的繁殖則為痕量金屬富集提供了支撐.表層海水溶解態(tài)痕量金屬Cd、Co、Mn分布特征較一致[圖7(a)、(b)和(d)],最高濃度均出現(xiàn)在站位X12;Ni的最高濃度出現(xiàn)在站位Y8,此處位于涌升流較明顯的區(qū)域且有赤潮局部暴發(fā).隨著pH和鹽度的增加,有機(jī)顆粒物金屬的解吸附過程、含水氧化物的下沉以及藻類的繁殖均為該區(qū)域溶解態(tài)痕量金屬出現(xiàn)高值提供了條件[44-45].在非涌升區(qū)站位Y5表層,Cd、Co、Mn濃度因局部涌升流出現(xiàn)小幅度增加.Cu濃度整體變化不同于其他金屬,在站位X12并未觀測(cè)到高值現(xiàn)象.顆粒物吸附及Cu自身易形成絡(luò)合物的保守型特點(diǎn)可能是影響Cu濃度變化的重要因素.

平潭海域表層溶解態(tài)金屬的平均濃度為Cu>Ni>Mn>Cd>Co,水深30～50 m層溶解態(tài)金屬的平均濃度為Cu>Ni>Mn>Cd≈Co(圖8).溶解態(tài)Cd在垂直尺度上表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),表層濃度整體偏高,與溶解態(tài)Mn相當(dāng),而水深30～50 m層溶解態(tài)Cd的濃度降低至與溶解態(tài)Co的基本一致;溶解態(tài)Mn和Cu濃度均表現(xiàn)出表層偏低的特點(diǎn);溶解態(tài)Ni表層濃度偏高,這可能與Ni的保守性有關(guān);溶解態(tài)Co在整個(gè)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)濃度較低且變化并不明顯.

D.深層;S.表層.圖8 福建平潭外海域表層與深層海水中溶解態(tài)痕量金屬濃度的箱式分布圖Fig.8 Boxplot of dissolved trace metals in the surface- and deep-layer waters off the Pingtan Island,Fujian

3 結(jié) 論

1) 涌升流與生源性營(yíng)養(yǎng)元素富集在合適條件下可能主導(dǎo)了夜光藻的暴發(fā)性繁殖.總無(wú)機(jī)氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度在6.0～97.7 μmol/L范圍內(nèi)波動(dòng)較大,銨鹽是影響無(wú)機(jī)氮鹽變化的主要原因.此外,銨鹽與磷酸鹽濃度變化表現(xiàn)出與微型浮游生物高度一致的特點(diǎn),推測(cè)二者可能是影響夜光藻赤潮的重要原因.硝酸鹽、亞硝酸鹽和硅酸鹽與鹽度均呈負(fù)相關(guān),表現(xiàn)出隨離岸距離增加逐漸減少的趨勢(shì).

2) 近岸海域,小型浮游生物對(duì)葉綠素a的貢獻(xiàn)超過微型浮游生物,與夜光藻表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.微型浮游生物對(duì)夜光藻分布有促進(jìn)作用,且與赤潮區(qū)域分布相符.本研究數(shù)據(jù)顯示以葉綠素a所表征的小型浮游生物與赤潮生物在平潭附近海域呈現(xiàn)出明顯的鏡像關(guān)系,整體上小型浮游植物可能起到限制赤潮生物增長(zhǎng)的作用,而微型浮游生物是影響夜光藻繁殖的重要生物因素之一.

3) 溶解態(tài)痕量金屬分布與自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物分布表現(xiàn)出基本一致性,可能與浮游生物及涌升流有關(guān).對(duì)于近岸赤潮暴發(fā)區(qū)域,鹽度等理化參數(shù)對(duì)溶解態(tài)痕量金屬的影響較弱.陸源污染排放、局部涌升流、顆粒物吸附以及赤潮生物的混合作用可能是影響赤潮期間溶解態(tài)痕量金屬分布的主要因素.與本研究中其他溶解態(tài)痕量金屬不同,Cd在垂直尺度上表現(xiàn)出明顯的差異性.溶解態(tài)Ni與Mn、Cd和Co在生物功能上有相似性,在表層海水中表現(xiàn)出較一致的分布.涌升帶來(lái)的金屬離子也是促進(jìn)赤潮生物生長(zhǎng)的重要因素之一.溶解態(tài)Cu獨(dú)特的分布特點(diǎn)與金屬本身特性有關(guān),在海水中被顆粒物吸附及易被生物吸收利用的特點(diǎn)導(dǎo)致Cu的濃度基本維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平.