夏、秋季北黃海營養鹽的時空分布特征及其影響機制

李延偉,胡瑩瑩,陳淑梅

(國家海洋環境監測中心,國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室,遼寧 大連116023)

在淡水和近岸海洋生態系統,人為活動排放的氮和磷的增加引發海水富營養化,隨之而產生缺氧、有害藻類的爆發[1-5],并對水生生態系統中的水產養殖業造成損失.人口增長和工業化發展顯著地改變了營養鹽的生物地球化學循環,營養鹽的元素比值受人為活動影響而改變,這種變化打破了營養鹽的平衡,使生態系統惡化[5].

北黃海北臨遼東半島,西臨渤海,是渤海與南黃海物質與能量交換的紐帶.在遼東半島,鴨綠江、大洋河、莊河和碧流河等河流注入北黃海,同時有來自渤海南岸的魯北沿岸水的影響.北黃海地處中緯地帶,海洋狀況的季節變化明顯.在夏季受到北黃海冷水團的影響,而冬季又有黃海暖流波及,因此,北黃海營養鹽的分布同時受諸多因素的影響,有其復雜性和獨特性.

研究北黃海的營養鹽分布情況對了解北黃海乃至整個黃海海域的生物化學狀況有重要的意義.關于北黃海的營養鹽的分布特征及營養鹽限制分析已有一些報道[6-8],本文對北黃海營養鹽的水平分布、垂直分布以及季節變化進行了全面分析,結合溫度、鹽度等水文特征探討了影響北黃海營養鹽分布的因素.

1 材料與方法

1.1 水樣的采集

分別于2011年7月24日～31日和2011年10月18日～23日對北黃海進行了系統調查,各布設32個綜合大面站,采樣站位見圖1.調查過程中采用ALEC CTD自溶式溫鹽測定系統(型號：AS TD687,日本)測定所布設的所有32個站位的溫度、鹽度和水深.采用ALEC CTD自溶式溫鹽測定系統上所帶的采水器采集水樣,用預先被pH2的HCl清洗過的孔徑0.45μm的醋酸纖維膜進行過濾,濾液裝入125mL聚乙烯瓶中,-20℃保存待分析營養鹽含量.

1.2 分析方法

在實驗室用QuAAtro營養鹽自動分析儀,采用連續流動分析法測定各項溶解態無機營養鹽的含量,分別為：NH4+、NO3-、NO2-、PO43-和Si(OH)4.其中NH4+用靛酚藍分光光度法,NO3-用Cd-Cu還原法,NO2-用萘乙二胺分光光度法,PO43-用磷鉬藍分光光度法,Si(OH)4用硅鉬藍分光光度法,方法精密度＜3%.

圖1 夏、秋季北黃海采樣站位示意Fig.1 Sampling sites in the North Yellow Sea in summer and autumn

表1 夏、秋季北黃海表底層溫度、鹽度以及營養鹽的平均含量Table 1 Average concentrations of parameters in North Yellow Sea in summer and autumn

2 結果與討論

2.1 溫度、鹽度分布特征

由表1可見,整體來講,夏季(7月)和秋季(10月)北黃海的溫鹽相差不大,夏季由于受太陽輻射和降雨的影響,表層海水溫度升高,鹽度降低,底部的冷水團卻保持了低溫高鹽的特征[7],8月黃海冷水團進入鼎盛時期.夏季溫度的水平分布表現為表層東北高于西南(圖2),底層則是周邊沿岸水域高,中部低,6℃等值線以內水域是冷水團水域,因而夏季北黃海中部受黃海冷水團控制,表層在渤海海峽以及成山頭外海有低溫中心,是由于在斜坡地形和強烈的潮流混合作用下,在冷水團的邊界產生深層低溫海水的涌升[8];由夏季至秋季,北黃海表層的低溫中心逐漸消失,且表層溫度開始降低,底層的冷水區也逐漸減弱,隨著海面降溫以及水體垂直對流混合加強,在表層中部形成低溫區,同時受到黃海暖流的影響,南部溫度高于北部.由于夏季徑流輸入作用較強,表層鹽度在鴨綠江口附近水域有明顯的鹽度梯度(圖2),由北向南逐漸升高,底層表現出冷水團所具有的高鹽特性,由中部水域向東北向西南逐漸降低.秋季徑流輸入作用減弱,在底層水涌升和黃海暖流的作用下,表層在成山頭外海和東部水域有鹽度高值區.由于儀器配件故障,秋季底層鹽度數據缺失,因而未討論.

圖2 夏季、秋季北黃海表底層溫度(℃)和鹽度(μmol/L)的水平分布Fig.2 Horizontal distribution patterns of temperature(℃)and salinity concentration(μmol/L)in North Yellow Sea in summer and autumn

2.2 北黃海營養鹽的時空分布特征

由表1可見,整個水體來講,夏季,北黃海NO3-、NO2-、PO43-和 Si(OH)4的濃度分別為(1.57±1.71),(0.22±0.18),(0.22±0.13),(4.98±2.23)μmol/L,均低于秋季的(5.93±3.84),(0.88±0.93),(0.40±0.23),(6.71±3.24)μmol/L;NH4+則是夏秋相當,約 1.3μmol/L.秋季整個水體中NO3-、NO2-、PO43-和Si(OH)4的含量分別是夏季的3.8、4.0、1.8和1.3倍.由于夏季浮游植物大量繁殖,導致表層營養鹽被大量消耗,又因溫躍層的存在,使得底層冷水團的高含量營養鹽不能向上補充,至秋季,浮游植物的生長繁殖相對減弱,風力增強,溫躍層開始消失,垂直混合作用加強,底層作為營養鹽儲庫的冷水團與上層水混合,營養鹽向上補充,因而秋季含量高于夏季.夏秋季NO3-是溶解無機氮(DIN=NO3-+NO2-+NH4+)的主要存在形式,所占比例分別為49%、74%,NH4+占43%、15%,NO2-占7%、11%.

2.2.1 營養鹽的平面分布特征 溶解無機氮：

銨鹽(NH4+),由圖3可見,夏季表層NH4+在遼南沿岸中部和南部有2個高值區,其高值區與鹽度的低值區一致,已有研究結果表明,北黃海表層海水葉綠素含量在遼東半島以南的近岸海域含量較高[9],說明是受到陸源輸入以及生物活動的影響,加之,渤海海峽處水體交換作用,水流較急,高營養鹽的渤海水和北黃海水混合,使得渤海海峽的NH4+含量高于調查海域中南部.底層NH4+明顯高于表層,且最高值出現在調查海域東南角,可能是受到陸源輸入以及北黃海冷水團的影響.秋季北黃海NH4+的含量與夏季相當,表底層差異不大.表層在山東半島沿岸海域含量較高,底層則是在鴨綠江附近海域、調查海域東南角以及渤海海峽附近海域含量較高.

圖3 夏季、秋季北黃海表底層營養鹽平面分布特征(μmol/L)Fig.3 Horizontal distribution patterns of nutrients(μmol/L)in the North Yellow Sea in summer and autumn

硝酸鹽(NO3-)：夏季表層NO3-的水平分布趨勢與NH4+相似,近岸高,中部海域低,在遼東半島有鴨綠江、大洋河、莊河、英那河等河流匯入北黃海,形成遼南沿岸水,其中鴨綠江本身是高氮、低磷河流,NO3-作為鴨綠江水體中溶解無機氮的主要存在形式,其濃度約是北方其他河流的5倍[10],參照表層鹽度的分布情況,NO3-的濃度分布受到遼南沿岸水以及浮游植物生物活動的綜合影響.同時由于浮游植物光合作用,北黃海夏季表層硝酸鹽大量消耗,濃度較低(＜1μmol/L).黃海水經渤海海峽北部向西流入渤海,富營養鹽的渤海沿岸水經渤海海峽南部繞山東半島北部流動[11],使得表層在山東半島沿岸含量高于中部海域.在北黃海冷水團環流的作用下,底層在調查海域東南角有最高值,并呈舌狀向西北方向降低.秋季NO3-的水平分布趨勢與溫度相似,由于底層冷水團區的富營養水涌升,表層在渤海海峽以及山東半島北岸附近海域含量較高,但底層冷中心仍聚集著較高濃度的NO3-.由于NO3-是水中DIN的主要存在形態,故與洪華生[8]對夏秋季北黃海DIN分布特征的研究結果基本一致.

亞硝酸鹽(NO2-)：由于夏季徑流輸入作用較強,夏季表層NO2-水平分布表現為沿岸海域高于中部水域.底層平均含量與表層差別不大,但是在中部水域有高值中心,一方面可能是由于底層沉積物釋放營養鹽引起的,另一方面可能是受到冷水團的影響.秋季表層NO2-在渤海海峽南部以及山東威海沿岸海域含量較高,底層平均含量與表層差別不大,分布趨勢相似,原因與NO3-相似.

活性磷酸鹽(PO43-)：夏季由于陸源輸入的作用,表層PO43-在沿岸水域含量較高,遼南沿岸的低值是由于鴨綠江低磷的特性導致的[10,12-13].底層PO43-在冷水團水域含量較高,并以擴散方式降低.秋季表層大部分海域PO43-含量較低,高值中心出現在渤海海峽的北部以及山東半島成山頭附近水域.底層在調查海域中部水域含量較高,并以擴散方式降低,原因與NO3-相似.

活性硅酸鹽[Si(OH)4]：夏季表層Si(OH)4在遼南沿岸有高值,這與夏季表層鹽度分布一致,說明受到陸源輸入的影響.有研究表明,鴨綠江水體中Si(OH)4含量高于一般北方河流,甚至與南方河流含量相當[12-13].底層Si(OH)4水平分布與PO43-相似,只是高值區向南部轉移,同樣是受到北黃海冷水團的影響.秋季表層Si(OH)4由于受到陸源輸入的影響,在渤海海峽以及鴨綠江口附近海域含量較高,東部含量較低.底層Si(OH)4水平分布與PO43-相似,均是調查海域中部含量較高.

2.2.2 營養鹽的斷面分布 選取3個典型斷面對北黃海營養鹽的垂直分布特征進行分析：(1)位于北黃海中部的D3A3斷面,(2)位于38.25°N的BY5B5斷面,其貫穿北黃海冷水團的冷中心,(3)貫穿渤海海峽的BY1BY9斷面.3個斷面夏秋季溫鹽垂直分布均有明顯的層化現象,變化梯度明顯(圖4～圖6).D3A3斷面在夏季20m以深,溫度低于12℃,鹽度高于31.6,深水區位于北黃海冷水團冷中心附近,因而具有低溫、高鹽的特征,相應的各項營養鹽的濃度表現出底部高于表層,同時由于受到徑流輸入作用的影響,斷面南部DIN和Si(OH)4的垂直分布有由深水向淺水區擴散的特征.由夏季至秋季,由于溫躍層的阻隔,使底部的營養鹽不能向上層水體補充,同時夏季浮游植物生長繁殖產生的碎屑或有機物向底部沉降,使底層水體中營養鹽含量逐漸增加.秋季隨著溫度降低和冷水團減弱,20m以下水溫在15℃以內,加之水體垂直對流增強,底部冷水所富含的營養鹽向上輸運,DIN、PO43-和Si(OH)4含量明顯高于夏季.BY5B5斷面貫穿冷水團的冷中心,夏季斷面中部深水區30m以深溫度低于10℃,且底層海水溫度小于6℃,是典型的北黃海冷水團盤踞區,至秋季,底層海水溫度由夏季的4.2℃上升為大于10℃,由于秋季B5站位溫度數據缺失,因而未能做出秋季溫度斷面分布,NO3-、PO43-和Si(OH)4的垂直分布情況與D3A3斷面相似,表低底高.NO2-和NH4+在淺水區含量較高,可能是由于陸源輸入的影響所致.BY1BY9斷面連接渤海海峽的南北兩端,北部深水區底層低溫高鹽,是受到冷水團的影響,各項營養鹽底層高表層低,秋季高于夏季.

2.3 營養鹽比值

海水中浮游植物的生長受水體中營養鹽水平和結構的影響,當海水中Si/N/P相對比值為16：16：1(Redfield比值)時,適宜于浮游植物生長的需要,將其與實際營養鹽比值進行比較,可以推斷出海水中限制浮游植物生長的元素.并且,已經有研究提出系統評價每種營養鹽的化學計量閾值 標 準[14-16],Nelson[17]認 為 Si=2μmol/L,DIN=1μmol/L,P=0.1μmol/L可作為浮游植物生長的最低閾值.

圖5 夏秋季BY5B5斷面溫度(℃)、鹽度和營養鹽(μmol/L)的垂直分布Fig.5 Vertical distribution patterns of temperature(℃),salinity and nutrients(μmol/L)along section BY5B5 in summer and autumn

圖6 夏秋季BY1BY9斷面溫度(℃)、鹽度和營養鹽(μmol/L)的垂直分布Fig.6 Vertical distribution patterns of temperature(℃),salinity and nutrients(μmol/L)along section BY1BY9 in summer and autumn

夏季表層N/P值范圍為4～66,最高值(66)出現在遼東半島頂端,其次是鴨綠江口附近水域(＞40),說明鴨綠江對其附近水域N/P值產生一定的影響,底層N/P為5～85,渤海海峽西北部最高(N/P=85),成山頭附近水域次之(N/P=45);秋季表底層N/P值與夏季相差不大,表層沿岸水域高,中部水域較低(N/P=8),底層在東北角、山東半島北部沿岸有高值.夏季表層Si/N(0.8～5.4)約是秋季表層的2倍,由于受到徑流輸入的影響,鴨綠江口附近水域較高,夏秋季底層中部水域均是1左右,夏季是南部近岸高,而秋季是北高南低.表層鴨綠江口附近水域夏季Si/P高于100,秋季約60,均高于其他水域,底層夏季渤海海峽西部高于200,秋季東北角最高(Si/P=40).綜上所述,夏季北黃海浮游植物的生長繁殖受磷限制.

3 結論

3.1 夏、秋季北黃海營養鹽的濃度分別為：NO3-(1.57±1.71),(5.93±3.84)μmol/L,NO2-(0.22±0.18),(0.88±0.93)μmol/L,PO43-(0.22±0.13),(0.40±0.23)μmol/L,Si(OH)4(4.98±2.23),(6.71±3.24) μmol/L,NH4+(1.35±0.90),(1.23±0.69)μmol/L,夏秋季 NO3-是北黃海溶解無機氮的主要存在形式,所占比例分別為49%、74%,NH4+占43%、15%,NO2-占7%、11%.

3.2 兩個季節表層營養鹽濃度分布表現為周邊近岸海域高于中部海域,底層濃度高于表層,其分布表現為中部冷水團區濃度較高,其中秋季冷水團逐漸消失,水體垂直對流增強,底層水涌升,使得聚積在底部的營養鹽向上補充,濃度高于夏季.

3.3 各斷面營養鹽的垂直分布層化現象明顯,營養鹽濃度表現為表層低、底層高,渤海海峽在冷水團以及水體交換混合的共同影響下,深水區底層低溫高鹽,營養鹽含量高.

3.4 夏、秋季北黃海表底層N/P、Si/N和Si/P比值表現為周邊近岸海域高于中部海域,夏季北黃海浮游植物的生長繁殖受磷限制.

[1]Elser J J,Andersen T,Baron J S,et al.Shifts in Lake N：P stoichiometry and nutrient limitation driven by atmospheric nitrogen deposition[J].Science,2009,326：835-837.

[2]Conley D J,Paer H W,Howarth R W,et al.Controlling eutrophication：nitrogen and phosphorus[J].Science,2009,323：1014-1015.

[3] 劉聚濤,楊永生,姜加虎,等.太湖藍藻水華災害風險分區評估方法研究 [J].中國環境科學,2011,31(3)：498-503.

[4]Vaquer-Sunyer R,Duarte C M.Thresholds of hypoxia for marine biodiversity [J].NationalAcademy of Sciences,2008,105：15452-15457.

[5]Anderson D M,Glibert P M,Burkholder J M.Harmful algal blooms and eutrophication：nutrient sources,composition,and consequences[J].Estuaries Coasts,2002,(25)：704-726.

[6] 張 輝,石曉勇,張傳松,等.北黃海營養鹽結構及限制作用時空分布特征分析 [J].中國海洋大學學報,2009,(39)：773-780.

[7] 臧 璐,石曉勇,張傳松,等.冬夏季北黃海生源要素的平面分布特征 [J].海洋環境科學,2010,(29)：346-350.

[8] 洪華生.中國區域海洋學-化學海洋學 [M].北京：海洋出版社,2012：103-104.

[9] 江蓓潔,鮑獻文,吳德星,等.北黃海冷水團溫鹽多年變化特征及其影響因素 [J].海洋學報,2007,(29)：1-10.

[10]鮑獻文,萬修全,高郭平,等.渤海黃海東海海表溫度場的季節變化 [J].海洋學報,2002,(24)：125-133.

[11]高 爽.北黃海葉綠素和初級生產力的時空變化特征及其影響因素 [D].青島：中國海洋大學,2009.

[12]Zhang J.Nutrient elements in large Chinese estuaries[J].Continental Shelf Research,1996,(16)：1023-1045.

[13]Chen-Tung,Chen Arthur.Chemical and physical fronts in the Bohai,Yellow and East China seas[J].Journal of Marine Systems,2009,(78)：394-410.

[14]Liu S M,Zhang J.Nutrient dynamics in the macro-tidal Yalujiang Estuary [J]. Journal of Coastal Research,2004,SI(43)：147-161.

[15]Liu S M,Hong G M,Zhang J,et al.Nutrient budgets for large Chinese estuaries[J].Biogeosciences,2009,6(1)：391-435.

[16]Xu J,Ho A Y T,Yin K D,et al.Temporal and spatial variations in nutrient stoichiometry and regulation of phytoplankton biomass in Hong Kong waters：Influence of the Pearl River outflow and sewage inputs[J].Marine Pollution Bulletin,2008,57(40706)：335-348.

[17]Perez B,Day J W.Nutrient stoichiometry,freshwater residence time,and nutrient retention in a river-dominated estuary in the Mississippi Delta[J].Hydrobiologia,2011,658：41-54.

[18]Brian H Hill,David W Bolgrien,Alan T Herlihy,et al.A synoptic survey of nitrogen and phosphorus in tributary streams and great rivers of the upper mississippi,Missouri,and Ohio River Basins[J].WaterAir Soil Pollution,2011,216：605-619.

[19]Nelson D M.Diatom growth and productivity in an oligotrophic mid-ocean gyre：A 3-yr record from the Sargasso Sea near Bermuda [J]. Limnology and Oceanography,1997,(42)：473-486.

致謝：本實驗的現場采樣工作由國家海洋環境監測中心應對氣候變化與碳循環工作組的同仁們協助完成,在此表示感謝.