2008年秋季膠州灣兩航次生源要素的分布特征及其來源初步探討

丁東生, 石曉勇, 曲克明, 李克強, 崔正國

(1. 中國海洋大學 化學化工學院, 山東青島 266100; 2.中國水產(chǎn)科學研究院 黃海水產(chǎn)研究所, 山東青島 266071)

2008年秋季膠州灣兩航次生源要素的分布特征及其來源初步探討

丁東生1,2, 石曉勇1, 曲克明2, 李克強1, 崔正國2

(1. 中國海洋大學 化學化工學院, 山東青島 266100; 2.中國水產(chǎn)科學研究院 黃海水產(chǎn)研究所, 山東青島 266071)

利用2008年秋季膠州灣兩個航次的調(diào)查結(jié)果, 對該海域營養(yǎng)鹽等生源要素的分布特征進行了分析, 并通過相關(guān)性分析及陸海同步調(diào)查數(shù)據(jù)對其來源做了初步探討。結(jié)果表明, 膠州灣秋季兩個航次的葉綠素、營養(yǎng)鹽、化學需氧量、溫度、光照、鹽度、溶解氧等各調(diào)查要素相應(yīng)的平面分布趨勢基本相同, 除鹽度和溫度外均表現(xiàn)出由河口向離岸逐漸降低的趨勢。秋季可能成為膠州灣浮游植物生長限制因子的要素與葉綠素a相關(guān)性強弱順序如下(“**”和“*”分別代表置信水平P=0.01和P=0.05): 活性磷酸鹽: 0.889(**)、溶解無機氮: 0.724(**)、溶解有機氮: 0.549(**)、溶解有機磷: 0.523(**)、顆粒態(tài)氮: 0.474(**)、溫度: –0.696(**)、活性硅酸鹽: 0.410(*)、顆粒態(tài)磷: –0.191、濁度: –0.096。由相關(guān)性分析結(jié)果及陸海同步調(diào)查結(jié)果可初步得出與葉綠素a相關(guān)性較強的各要素來源如下: 化學需氧量、鹽度、溶解無機氮、活性磷酸鹽、溶解有機氮、溶解有機磷具有明顯的陸源輸入特征, 顆粒態(tài)氮以浮游植物新陳代謝產(chǎn)生為主。

膠州灣; 秋季; 生源要素; 分布; 來源

膠州灣位于黃海西部, 山東半島南岸, 是典型的半封閉海灣, 水域面積約 320 km2。青島市坐落于膠州灣畔, 其行政區(qū)內(nèi)的大沽河、白沙河、洋河、海泊河、李村河等十幾條河流匯入膠州灣, 其中除大沽河保有自然徑流外, 其余河流下游多已成為工業(yè)廢水、城市生活污水等的主要排污通道[1]。隨著化學污染物排海總量的不斷增加, 膠州灣生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為青島市社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素。目前對于膠州灣營養(yǎng)鹽現(xiàn)狀及變化[2]、膠州灣葉綠素濃度、分布特征及其周年變化[3]、膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化及其對生態(tài)環(huán)境影響的研究[4]均較多, 營養(yǎng)鹽等水環(huán)境因子與葉綠素 a的相關(guān)性[5]及營養(yǎng)鹽來源[6]等在其他海區(qū)已有一些研究, 但是對膠州灣海區(qū), 尤其是直接基于陸?！皽释健爆F(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的研究結(jié)果目前尚無相關(guān)報道。本文利用 2008年秋季膠州灣兩個航次陸海同步調(diào)查數(shù)據(jù)給出了膠州灣秋季營養(yǎng)鹽、溶解氧等的分布特征及其與葉綠素a的相關(guān)性分析結(jié)果, 初步探討了各項營養(yǎng)鹽的來源以及秋季膠州灣浮游植物的生長限制因子。

1 材料與方法

于2008年9月22～24日和2008年10月14～15日在膠州灣進行了兩個航次的現(xiàn)場調(diào)查, 調(diào)查設(shè)置26個站位(站位設(shè)置如圖1所示, 其中“陸上站”是指在河口所設(shè)站位), 其中16個綜合站進行水樣采集和水文觀測, 10個水文站僅進行水文觀測。現(xiàn)場使用Niskin(10L)采水器分別采集表層、中層(站位水深的一半)和底層水樣, 其中營養(yǎng)鹽水樣經(jīng) GF/F濾膜(450℃灼燒 4 h)過濾, 于–20℃下冷凍保存水樣和濾膜。現(xiàn)場海水的溫度和鹽度等參數(shù)應(yīng)用HydroLab多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定。

在陸地實驗室應(yīng)用Technicon AAII營養(yǎng)鹽自動分析儀測定溶解無機態(tài)營養(yǎng)鹽(含 PO4-P、NO3-N、NO2-N、NH4-N 和 SiO3-Si)[7],其測量精度分別是:PO4-P為 98.02%, NO3-N為 99.41%,NO2-N為 99.05%,NH4-N為99.69%, SiO3-Si為99.05%。總?cè)芙獾?DTN)、總?cè)芙饬?DTP)、總氮(TN)和總磷(TP)采用堿性過硫酸鉀消化[8-9], Technicon AAII營養(yǎng)鹽自動分析儀測定。根據(jù)上述測定結(jié)果可計算總?cè)芙鉄o機氮(DIN)=NO3–N+NO2–N+NH4–N,溶解有機氮DON=DTN–DIN, 溶解有機磷DOP=DTP–PO4–P, 顆粒態(tài)氮PN=TN–DTN和顆粒態(tài)磷PP=TP–DTP。

數(shù)據(jù)處理: 參考實驗室歷年調(diào)查數(shù)據(jù)及文獻值,剔除異常值后采用統(tǒng)計軟件spss11.5對得到的34組數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。相關(guān)性系數(shù)選用pearson系數(shù),相關(guān)系數(shù)檢驗采用軟件自身攜帶的雙側(cè)檢驗。標有“* *”者顯著性概率水平為0.01, 即兩者顯著相關(guān)。標有“*”者表示顯著性概率水平為0.05。用皮爾遜相關(guān)性分析方法進行分析,皮爾遜相關(guān)系數(shù)是在–1到+1之間, 絕對值越大, 表示相關(guān)程度越高, 絕對值越小, 相關(guān)程度越低。兩個變量的相關(guān)系數(shù)為負值,稱為負相關(guān)。用相關(guān)系數(shù)的大小表示變量間的密切程度時, 一般認為, 相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.2以下為弱相關(guān)或不相關(guān); 0.4以上為低相關(guān); 0.6左右為中相關(guān); 0.8以上為高(或強)相關(guān), 1為完全相關(guān)。

圖1 膠州灣2008年秋季調(diào)查站位設(shè)置圖Fig. 1 Stations of survey in Jiaozhou Bay in autumn, 2008

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽、葉綠素等的平面分布特征

圖2為調(diào)查海區(qū)9月和10月兩個航次營養(yǎng)鹽濃度(包括DIN、DON、PN、PO4-P、DOP、PP、SiO3-Si)、葉綠素濃度(Chl-a)、化學需氧量(COD)、溫度(TEM)、濁度(TURB)、鹽度(S)、溶解氧(DO)的平面分布,經(jīng)過對其綜合分析可知, 兩個航次各調(diào)查要素相應(yīng)的平面分布趨勢基本相同, 除鹽度和溫度外均表現(xiàn)為河口區(qū)高、中央海區(qū)和灣口低, 沿岸向離岸方向呈逐漸降低的特點。具體如下:

DIN、COD、DOP均在東北角、大沽河口以及鐮灣河口出現(xiàn)高值區(qū); DON在東北角出現(xiàn)高值; PN 9月份高值區(qū)出現(xiàn)在東北角, 10月份則出現(xiàn)在大沽河口; PO4-P、PP、SiO3-Si均在東北角以及大沽河口出現(xiàn)高值; Chl-a在大沽河口和膠州灣東北角均出現(xiàn)高值區(qū), 其中9月大沽河口的高值區(qū)偏向河口西側(cè), 10月份則偏向東北側(cè), 這可能是由徑流量的變化及入海徑流對營養(yǎng)鹽的攜帶能力變化所致, 高值區(qū) 9月在東北角較為明顯, 而10月則因東北角的濃度降低幅度較大而使得大沽河口高值區(qū)更為明顯, 另外在8號港出口處也出現(xiàn)一高值區(qū), 但此高值區(qū)濃度絕對值較低; TEM 9月份在東北角出現(xiàn)高值區(qū), 膠州灣中部則低于灣口, 10月份則由河口區(qū)向灣口逐漸升高,這主要是由河流輸入水的溫度與海水溫度差異所致; DO 9月份分別在大沽河口東、西以及海泊河口出現(xiàn)高值區(qū), 10月份則在東北角、海泊河口以及大沽河口東邊出現(xiàn)高值區(qū); TURB在大沽河口東側(cè)出現(xiàn)高值,西側(cè)以及東北角則出現(xiàn)低值; 鹽度呈現(xiàn)出由河口區(qū)向灣口增大的趨勢。

表1為調(diào)查海區(qū)9月和10月兩個航次葉綠素濃度、營養(yǎng)鹽濃度、化學需氧量、溫度、濁度、鹽度、溶解氧的均值。其中, DON、DOP、SiO3-Si、TEM、DO、COD 9月稍高, Chl-a、DIN、PN、PO4-P、PP、S、TURB和COD 10月略高。

2.2 葉綠素、營養(yǎng)鹽、溫度、光照、鹽度、溶解氧等的相關(guān)性分析

表2、表3、表4分別為2008年9月、10月兩個航次DIN、DON、PN、PO4-P、DOP、PP、SiO3-Si、COD、TEM、TURB、S、DO和Chl-a的相關(guān)性分析結(jié)果。具體如下:

由相關(guān)性分析結(jié)果可以看出: 兩航次的COD和S(強負相關(guān))均與 Chl-a強相關(guān); 9月 DIN、PO4-P、DON、DOP和PN都與Chl-a強相關(guān), 10月溫度則與Chl-a強相關(guān)(負相關(guān))。COD、DIN、PO4-P和S均體現(xiàn)了陸源輸入的影響: 前三者是對陸源排放-河流輸入的直接響應(yīng), 而鹽度負相關(guān)則體現(xiàn)了S對河流淡水輸入的負反饋。10月份溫度與浮游植物生物量(Chl-a表示)的強相關(guān)是由于此時溫度已成為浮游植物生長的限制因子[5]: 平均溫度10月比9月份低4℃。

圖2 2008年9月下旬及10月中旬調(diào)查結(jié)果Fig. 2 Survey results in the last ten days of September and middle ten days of October, 2008

DON可被浮游植物直接利用, 其來源可能為陸源輸入(如尿素隨河流入海),也可能為浮游植物二次代謝產(chǎn)生, DOP、PP和PN同樣存在陸源和浮游植物二次代謝兩類源, 故DON、DOP、PN的源有待進一步確定。海陸同步調(diào)查DON、DOP和PN均值(單位均為 μmol/L)如下: 陸上站位(河口)9月份分別為324.44、8.38和0.00, 10月份分別為276.42、5.81和356.23; 海域 9月份分別為 20.93、0.60和 8.06, 10月份分別為13.29、0.39和9.04。分析可知, 與9月相比, PN河流輸入增加顯著, 而海域均值卻并未相應(yīng)顯著升高, 可知PN主要是浮游植物二次代謝產(chǎn)生; DON、DOP海域濃度均值變化趨勢與陸源輸入濃度變化趨勢高度一致, 可知二者主要受陸源輸入影響。SiO3-Si在兩個航次中均未表現(xiàn)出與 Chl-a的強相關(guān)性, 這雖與楊東方等早期研究結(jié)論“在整個膠州灣不存在N和P的限制,在膠州灣有些海域的浮游植物生長一年四季都受到營養(yǎng)鹽硅的限制”[10-11]不一致, 但與其近期研究結(jié)果一致: 膠州灣硅限制主要時間段為11月至次年5月的非雨季[12]。在膠州灣內(nèi)一年中的光照基本上是充足的[13], 故TURB與Chl-a相關(guān)性較弱。DO與PP濃度均同時受浮游植物自身生長消耗量與新陳代謝新產(chǎn)生量(PP同時受陸源輸入量的影響)等的影響, 而這幾方面的變化關(guān)系相對獨立,故DO和PP與Chl-a的相關(guān)性較弱。

表1 2008年9、10月兩個航次調(diào)查的葉綠素a等的均值Tab. 1 Average values of Chl-a et al. in surveys during September and October, 2008

表2 各因子與葉綠素a的相關(guān)性分析結(jié)果Tab. 2 Results of correlation between essential factors and Chl-a

表3 各因子與COD的相關(guān)性分析結(jié)果Tab. 3 Results of correlation between essential factors and COD

表4 各因子與鹽度的相關(guān)性分析結(jié)果Tab. 4 Results of correlation between essential factors and Salinity

COD具有典型的陸源輸入特征, 與之相關(guān)性較強的S: –0.771(**)、PO4-P:0.664(**)、DIN:0.625(*)、 SiO3-Si:0.714(*)等也均具有典型的陸源輸入特征; DO: –0.665(**)是COD降解作用對溶解氧消耗的反饋, DOP: 0.651(**)、DON: 0.630(*)二者與COD強相關(guān), 間接證明了其來源主要為陸源。9月份調(diào)查期間風浪因素(9月22日晚上膠州灣有7級大風, 導致采樣中斷, 24號采樣時重復做了三個站位予以矯正)可能是兩個航次的分析結(jié)果不太一致的原因之一。

與鹽度的相關(guān)性強弱是反映其受陸源輸入影響大小的另一個佐證: DIN: –0.812(**)、Chl-a:–0.743(**)、PO4-P: –0.669(**)、TEM: 0.951(**)、DIN:–0.838(**)、SiO3-Si: –0.777(**)、COD: –0.771(**)、Chl-a: –0.629(**)、PO4-P: –0.705(**)與鹽度強相關(guān), PN:–0.415(*)、SiO3-Si: –0.419(*)與鹽度的相關(guān)性次之。

3 結(jié)論

2008年秋季9月和10月航次膠州灣各調(diào)查要素(葉綠素、營養(yǎng)鹽、化學需氧量、溫度、光照、鹽度、溶解氧等)相應(yīng)的平面分布趨勢基本相同: 均表現(xiàn)為河口區(qū)高、中央海區(qū)和灣口低, 沿岸向離岸方向呈逐漸降低趨勢的特點(鹽度和溫度表現(xiàn)出相反的趨勢),說明膠州灣以上各要素主要受陸源輸入的影響。

膠州灣秋季可能成為浮游植物生長限制因子的要素與葉綠素 a相關(guān)性強弱順序如下: PO4-P: 0.889(**)、DIN: 0.724(**)、DON: 0.549(**)、DOP: 0.523(**)、PN: 0.474(**)、TEM: –0.696(**)、SiO3-Si: 0.410(*)、PP: –0.191、TURB: –0.096。

由相關(guān)性分析結(jié)果以及陸海同步調(diào)查數(shù)據(jù)中海上數(shù)據(jù)對陸上站位的響應(yīng)程度, 可初步給出各要素來源: COD、S、DIN、PO4-P、DON和DOP具有明顯的陸源輸入特征, PN主要是浮游植物二次代謝產(chǎn)生, 而DO以及PP兩者的來源則需在機理分析的基礎(chǔ)進一步確定。

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(本文編輯: 張培新)

Study of distribution and source of biogenic elements in the Jiaozhou Bay in autumn 2008

DING Dong-sheng1,2, SHI Xiao-yong1, QU Ke-ming2, LI Ke-qiang1, CUI Zheng-guo2
(1. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Yellow Sea Fisheries Research Institute Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China)

May, 22, 2012

Jiaozhou Bay; autumn; biogenic elements; distribution; source

In this paper, the distribution and sources of biogenic elements were studied through the analysis of relevance between them based on the investigation results taken in the Jiaozhou Bay during autumn 2008. The results showed that the distribution trends of chlorophyll concentration, nutrients, chemical oxygen demand, temperature, light, salinity, dissolved oxygen in the two voyage were basically the same which showed the gradual lowering trend from the outfall to offshore with the exception of salinity and temperature. Potential limiting ones of the phytoplankton growth factors in autumn in Jiaozhou Bay associated with the chlorophyll exhibited the following order(** and * refers to the confidence level(P) of 0.99 and 0.95 respectively): labile phosphate: 0.889(**), dissolved inorganic nitrogen: 0.724(**), dissolved organic nitrogen: 0.549(**), dissolved organic phosphorus: 0.523(**), particulate nitrogen: 0.474(**), temperature: –0.696(**), labile silicate: 0.410(*), particulate phosphorus:–0.191, turbidity: –0.096. Correlation analysis results and results of the river investigation which had been done at the same time of the two voyage can give a preliminary conclusion about the sources of the elements which had tight correlation with the chlorophyll: chemical oxygen demand, salinity, dissolved inorganic nitrogen, labile phosphate, dissolved organic nitrogen and dissolved organic phosphorus were input from land-based sources and particulate nitrogen is mainly from phytoplankton metabolism.

R962; O636.1

A

1000-3096(2013)01-0035-07

2012-05-22;

2012-06-02

青島市科技發(fā)展項目(06-2-2-7-nsh)

丁東生(1982-), 男, 博士研究生, 主要研究方向為環(huán)境容量、營養(yǎng)鹽動力學, E-mail: beedds@sina.com; 石曉勇, 通信作者, E-mail: shixy@mail.ouc.edu.cn