長江口及其鄰近海域葉綠素a分布特征及其與低氧區形成的關系

李 照, 宋書群, 李才文(. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島 26607; 2. 中國科學院大學, 北京 00049)

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長江口及其鄰近海域葉綠素a分布特征及其與低氧區形成的關系

李 照1, 2, 宋書群1, 李才文1
(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態與環境科學重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

于2013年3月和8月研究了長江口及其鄰近海域葉綠素a的分布特征, 并對環境因子和長江沖淡水對浮游植物生物量分布的影響進行了探討。結果表明, 葉綠素a濃度在豐水期較高, 平均值為5.18 μg/L,最高值達32.05 μg/L, 現場海水出現變色現象; 與同期歷史資料對比分析, 發現該海域葉綠素a濃度呈現出波動增長趨勢。豐水期與枯水期葉綠素a的相對高值區均位于沖淡水的中部, 122.5°E~123°E之間;豐水期在調查海域出現溶解氧低值區與低氧區, 最低值僅為0.64 mg/L; 發現低氧區出現位置北移、面積擴大和溶解氧最低值下降的趨勢。底層溶解氧低值區分布與表層葉綠素高值區大致吻合, 表明低氧現象與表層浮游植物的生長和現存量密切相關, 在躍層存在的水體中表層浮游植物的大量繁殖易造成底層低氧區的出現。

葉綠素a; 長江口; 浮游植物; 沖淡水; 溶解氧

[Foundation: the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11020302; the Joint Research Fund of NSFC-Shandong Province, No. U1406403; the 100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences]

近年來, 隨著沿海地區人口增加、工農業發展和城市化進程加快, 工農業廢水和生活污水不斷增加,導致了陸源營養鹽的大量輸入, 加劇了河口及其鄰近海域的富營養化程度[1-4]。水體富營養化程度加深和有害藻華的頻發, 導致生態系統的穩定性明顯下降[5-7]。作為海洋中主要的初級生產者, 浮游植物的生長及分布特征不僅受海洋環境變化的影響, 而且對富營養化、低氧區形成等生態環境問題具有一定指示作用[8]。

長江口是我國第一大河口, 處于長江沖淡水、臺灣暖流和黃海冷水團交匯區域, 理化條件非常復雜[9]。長江徑流攜帶了大量營養鹽入海, 其中溶解性無機氮(DIN)入海通量約占東海總通量的52%, 磷酸鹽占33%, 硅酸鹽占56%[10]。長江沖淡水導致的長江口及其鄰近海域富營養化程度加劇和低氧區面積擴大等嚴重的生態環境問題, 受到研究人員的廣泛關注[4, 7, 11-13]。從1980年起, 已有學者對長江口及其鄰近海域浮游植物的時空分布和群落結構特征進行了相關研究, 對多種環境因素(營養鹽結構和分布,鹽度、懸沙、上升流)的影響形成了一定的科學認識。研究發現, 1960年到1990年由于長江沖淡水的營養鹽輸入, 長江口及其鄰近海域的DIN增加了2倍, 硅酸鹽減少了2倍, 同時伴隨N/P增加、Si/N降低, 而且該海域1984年至2002年的葉綠素a增加了4倍[14]。寧修仁等[15]發現, 在長江口門以東約100 km的長江沖淡水中部水域出現了浮游植物生產力鋒面, 其中光照和營養鹽是影響浮游植物生長的主要環境因素。宋洪軍等[16]通過GAM模型分析發現營養鹽的上行效應是該海域浮游植物現存量的主要控制因素。近年來研究顯示該海域底層頻繁出現低氧現象, 并形成相當面積的低氧區, 而表層浮游植物的大量增長被認為是該海域氧虧損的主要影響因素之一[7, 17-18]。然而,目前對于沖淡水對浮游植物影響的研究仍然缺乏數據積累, 而且浮游植物在低氧區形成中的作用也有待深入研究。

葉綠素a作為浮游植物光合作用的主要色素[19],是評價浮游植物現存量的一個重要指標[20]。本文基于2013年枯水期(3月份)與豐水期(8月份)兩個航次的多學科海洋調查資料, 對兩個時期葉綠素a的分布特征進行了系統研究, 分析了其與溫度、鹽度和營養鹽等環境因子的關系。結合前期研究, 選取重要斷面和典型站位, 分析了長江沖淡水對浮游植物現存量分布的影響, 初步探討了浮游植物對于該海域低氧區形成的影響和作用。相關結果為研究長江口及其鄰近海域浮游植物的生態學特征提供了基礎資料, 有助于進一步明晰該區域低氧區形成的主要影響因素。

1 材料和方法

1.1 研究站位

于2013年枯水期(2013/3/4~2013/3/20)和豐水期(2013/8/17~2013/8/28)分別在長江口及其鄰近海域(28.5°N~32.5°N、125°E以西)布設64個、36個站位(圖1), 進行了2次水文、化學和生物的多學科綜合調查。

圖1 研究區域與調查站位Fig. 1 Study area and sampling stations

1.2 樣品采集與分析

現場樣品的采集、保存及部分環境參數的測定按照《海洋調查規范》(GB 17378.3-2007)進行。各站位根據水深采集標準層水樣, 包括表層、5、10、20、30、50 m和底層(底上2 m), 底層與標準層間隔小于3 m時只采集底層水樣。各層水樣的溫度、鹽度、PH值由船載CTD(SBE917)同步獲得。

水樣采集后, 立即用潔凈的200 μm孔徑篩絹濾去中型及以上的浮游生物, 然后量取300~500 mL預過濾水樣, 抽濾到Whatman GF/F玻璃纖維濾膜上(<50 kPa負壓), 濾膜經鋁箔包裹后置于–20℃冰箱內冷凍保存; 實驗室內葉綠素樣品在低溫避光條件下, 經90%丙酮萃取24 h后, 使用Trilogy熒光計(Turner Design)測定上清液酸化前后的熒光值, 按照Parsons 等[21]的公式計算樣品中葉綠素a的濃度。營養鹽樣品用SKALAR自動分析儀測定, 硝酸鹽、硅酸鹽和磷酸鹽分別采用鉻銅還原法、硅鉬藍法、鉬銻抗法分析[22]; DO的測定采用Winkler碘量法[23]; 溶解氧飽和度的計算參照《海洋調查規范》(GB 12763.4-2007)。

1.3 數據處理與統計分析

葉綠素a與主要環境因子間的相互關系通過SPSS 18.0軟件的Pearson相關性分析完成; 葉綠素a等值線分布圖采用Golden Software Surfer 12.0軟件生成。

2 結果

2.1 長江口及其鄰近海域水文特征

2.1.1 環境因子及營養鹽狀況

調查期間, 長江口及鄰近海域在枯水期水溫偏低, 且沿離岸方向呈遞增趨勢, 其表層水溫為6.04~14.09℃ , 平均為11.51℃ (表1)。 而在豐水期,該海域表層水溫較高, 為17.18~29.30℃ , 平均為24.02℃。

該海域表層鹽度沿沖淡水向外有逐漸升高趨勢,其梯度在兩個調查期存在明顯差異(圖2)。枯水期,調查海域的表層鹽度為19.12~34.17, 等鹽線在口門外向東南伸展, 30等鹽線位于123°E附近。豐水期,隨著長江徑流量增大, 鹽度整體較低。低鹽水舌出口門后向東北偏北和東南方向偏轉, 30等鹽線較枯水期向東擴展, 延伸至124°E。從表層鹽度水平分布看,長江沖淡水出口門后偏轉方向與歷史資料一致。在徑流量小的枯水期朝東北偏北方向擴展, 而在豐水期則分為兩股, 分別向東北偏北和東南擴展[24]。同時,表層鹽度的變化范圍比底層大, 表明長江沖淡水對該海域上層水體有更大的影響。

表1 長江口及其鄰近海域環境因子值Tab. 1 Variation in environmental factors in the Changjiang River Estuary (CE) and adjacent waters

圖2 研究區域表層鹽度分布Fig. 2 Distribution of Sal in the surface water of the survey area

由于徑流量的不同, 該海域營養鹽水平在兩個調查期也存在著明顯差異, 但營養鹽高值區均分布在近岸海域。枯水期, 硝酸鹽濃度在2.97~67.13 μmol/L之間, 平均濃度為12.09 μmol/L, C4站最高; 硅酸鹽濃度在3.99~59.12 μmol/L之間, 平均濃度為17.23 μmol/L, C4站最高; 磷酸鹽濃度相對較低在0.30~1.40 μmol/L之間, 平均為0.58 μmol/L。豐水期營養鹽水平較枯水期有所升高, A3-4站濃度最高; 硝酸鹽的平均濃度為14.17 μmol/L; 硅酸鹽濃度在1.81~101.04 μmol/L之間, 平均濃度為17.41 μmol/L; 磷酸鹽濃度在0.01~ 1.86μmol/L之間, 平均濃度為0.65 μmol/L。

2.1.2 沖淡水斷面的水文特征

根據長江沖淡水的擴展特征以及對數據的初步分析, 本研究選取3條斷面(枯水期A5斷面, 豐水期A5與A2斷面)分別研究其對該海域水體垂向分布特征的影響(圖3)。豐水期, 沖淡水覆蓋了整個斷面的上層, 10 m以淺水體等鹽線密集, 鹽度垂直梯度非常明顯, 存在鹽度躍層; 下層水體由高鹽水控制, 垂直變化較小。枯水期30等鹽線相對于豐水期向近岸移動, 鹽度較低區垂直變化較為明顯, 高鹽度區域鹽度的垂直變化很小, 水體混合較為均勻。

2.2 葉綠素a的分布

2.2.1 葉綠素a的水平分布

本研究對長江口及鄰近海域的葉綠素a進行了調查(圖4)。枯水期, 表層葉綠素a濃度變化范圍為0.44~2.07 μg/L, 平均值為0.77 μg/L。葉綠素a水平由近岸向外海呈先逐漸升高再降低的趨勢, 高值區主要出現在調查區中部122.5°E~123°E附近海域, A6-7站最高。近岸海域葉綠素a濃度較低, 均低于0.7 μg/L。豐水期, 由于營養鹽輸入的增加, 浮游植物的生長旺盛, 表層葉綠素a濃度升高, 分布范圍為0.36~32.05 μg/L, 平均值為5.18 μg/L; 葉綠素a高值區分布在調查區的中部和西北部, 122.5°E ~123°E之間。在30等鹽線以內, 其中有5個站位葉綠素a濃度超過10 μg/L, 2個站位超過20 μg/L(現場發現海水變色), 以A2-4站最高。

圖3 沖淡水斷面溫度、鹽度、葉綠素a、DO剖面Fig. 3 T, Sal, DO, and Chl a in section profiles

圖4 研究區域表層葉綠素a、底層DO分布Fig. 4 Distribution of Chl a in the surface water and DO of the bottom water in the survey area

2.2.2 葉綠素a的垂直分布

為進一步了解葉綠素a的分布特征, 根據A5和A2斷面, 分析了沖淡水對葉綠素a垂直分布的影響(圖3)。其中, 枯水期A5斷面葉綠素a垂直分布相對均勻, 濃度在10 m以淺水層相對較高。在調查區中部表層有一相對高值中心(A5-7), 其葉綠素a濃度為1.93 μg/L。豐水期A2和A5斷面葉綠素a的垂直分布均具有較強的層化(表層>底層)。其中, A2斷面的A2-4站位表層葉綠素a濃度最高, 達32.05 μg/L, 高值區以深及離岸方向葉綠素a濃度明顯降低。

2.3 溶解氧的分布

海水中溶解氧濃度與浮游植物的生長繁殖密切相關, 同時受徑流量、降水量、溫度、海水的物理運動以及沿海海域中生物活動的影響[25]。本研究對兩個時期的表層和底層的DO進行調查。由圖4可知:枯水期DO垂向分布比較均勻, 表、底層DO平均濃度分別為8.95 mg/L和8.71 mg/L, 濃度范圍分別為5.94~10.16 mg/L和4.04~10.64 mg/L; 表、底層溶解氧飽和度平均值為99.24%和96.63%, 范圍分別為62.22%~105.94%和42.49%~107.25%, 不存在明顯低氧現象。而在豐水期, 表、底層DO平均值6.56 mg/L 和3.49 mg/L, 濃度范圍分別是4.31~11.06 mg/L和0.64~5.32 mg/L; 表、底層溶解氧飽和度平均值為98.40%和53.34%, 范圍分別為59.08%~166.62%和9.17%~77.97%。底層其中有五個站位DO濃度低于2 mg/L, A1-4站位DO與溶解氧飽和度最低, 溶解氧的低值區位于調查海域的西北部。

2.4 典型站位水環境及生態因子分布

本研究選取豐水期溫鹽躍層明顯、葉綠素a濃度較高的A2-4、A4-7兩個站位, 研究了其DO、葉綠素a、溫度以及鹽度的分布情況(圖5)。A2-4站位表層葉綠素a濃度達32.05 μg/L, 磷酸鹽濃度為0.23 μmol/L , 硅酸鹽濃度為43.23 μmol/L , DIN/P比為193.57, Si/N為0.97; A4-7站位表層葉綠素a濃度達23.11 μg/L, 磷酸鹽濃度為0.25 μmol/L , 硅酸鹽濃度為1.81 μmol/L , DIN/P為50.22, Si/N為0.14。兩個站位相比較, A4-7站位硅酸鹽濃度較低且Si/N比值低于Redfield常數, 有硅限制的可能。垂直分布情況: 其中, A2-4站位葉綠素a分層明顯, 在10 m以淺水層濃度較高, 表層出現最高值, 為32.05 μg/L; 葉綠素a在中層迅速降低, 底層濃度最低, 而且表層是底層濃度的接近20倍。A2-4站位對應的DO分布與葉綠素a趨勢一致, 10 m以深水層DO濃度較低, 在底層達到低氧范圍, 最低含量僅為1.24 mg/L。這可能因為浮游植物繁殖產生的大量有機碳沉降至底層大量消耗溶解氧, 而溫、鹽躍層的存在阻礙了表層氧向底層的擴散, 使得底層溶解氧量得不到及時的補充, 導致底層DO遠低于表層。A4-7站位DO垂向變化趨勢與葉綠素a相似, 最高值均出現在表層, 從表層到底層依次降低。由于A4-7站位與A2-4相比較, 溫鹽躍層相對較弱、表層葉綠素a濃度相對較低,而底層溶解氧濃度則相對較高。

圖5 典型站位溫度、鹽度、葉綠素a、DO的垂直分布Fig. 5 Vertical profile of T, Sal, DO, and Chl a at the typical stations A2-4 and A4-7

3 討論

3.1 長江沖淡水影響調查海域葉綠素a的分布

浮游植物的特征及動態變化受溫度、光照、營養鹽等多個環境因子綜合作用的影響。寧修仁等[15]認為浮游植物生物量鋒面的出現是光照強度和營養鹽含量最佳權衡的結果。韓秀榮[26]分析了長江口及鄰近海域2002-2007年間多次現場調查數據, 發現溫度、光照和營養鹽是該海域浮游植物植物生長的主要影響因子。本研究對調查海域葉綠素a與環境因子進行了相關性分析(表2), 結果顯示: 枯水期表層葉綠素a濃度與環境因子無顯著相關性; 底層溶解性無機氮與葉綠素a濃度呈顯著正相關(P<0.05)。而在豐水期, 表層葉綠素a濃度與鹽度、溶解氧呈極顯著負相關性(P<0.01); 底層葉綠素a濃度與鹽度呈顯著的負相關, 與磷酸鹽呈顯著負相關關系(P<0.05), 可見長江沖淡水過程對該海域浮游植物現存量的空間分布具有重要的影響。本研究中兩個調查期葉綠素a濃度高值區位于調查海域的中部, 122.5°E~ 123°E之間, 30等鹽線以內的低鹽區。這與寧修仁等[15]發現的長江口門以東約100 km的海域出現生物生產力鋒面的研究結果相一致。

海域的環境因子可以影響水體葉綠素a的分布,同時葉綠素a也是反映該海域生態系統現狀的重要指標。近年來隨著沿海地區人口增加、工農業發展和城市化進程加快, 長江口及其鄰近海域營養過剩,水體富營養化程度加深, 有害藻華發生的次數明顯增多[27]。對比歷史資料, 該海域葉綠素a濃度呈現出波動增長趨勢(表3)。本研究結果顯示, 豐水期其中有5個站位葉綠素a濃度超過10 μg/L, 2個站位超過20 μg/L, 以A2-4站最高達32.05 μg/L, 現場發現海水變色現象。

表2 長江口及其鄰近海域葉綠素a與環境因子的相關性分析Tab. 2 Pearson correlation analysis between Chl a concentrations and environmental variables in the CE and adjacent waters

表3 長江口及其鄰近海域葉綠素a的變化趨勢Tab. 3 Long-term trend of Chl a concentration (μg/l) in the CE and adjacent waters

3.2 調查海域浮游植物分布特征與低氧區分布一致

近年來研究發現, 長江口外底層水體存在顯著的低氧區[25, 35-36]。1999年夏季觀測到的低氧區面積達13 700 km2, 平均厚度達20 m, 溶解氧最低值達到1 mg/L; 2002年春季也發現了較大面積的溶解氧低值區; 特別是夏季長江口外低氧區呈現位置北移、溶解氧最低值波動下降和面積擴大的變化趨勢。本研究中豐水期有五個站位底層溶解氧濃度低于2 mg/L,最低值僅為0.64 mg/L, 溶解氧飽和度最低值為9.17%; 與歷史資料相比, 溶解氧的平均值與最低值都低于歷史同期數據。同時, 本研究中低氧區主要位于31.56°N~32.06°N, 122.45°E~123.50°E, 與馬永存等[37]的調查結果(核心低氧范圍為30.60°N~31.10°N, 123°E~123.20°E)相比, 出現了位置北移、面積擴大的趨勢。水體中溶解氧的消耗受浮游植物光合作用與有機物分解耗氧不平衡的影響; 當水體中溶解氧濃度低于2 mg/L時, 生物的生長及生境將受到威脅與破壞。近年來, 長江口及其鄰近海域富營養化嚴重,長江徑流輸送N、P等污染物的不斷增加促進了表層浮游植物的生長, 大量浮游植物衰亡后沉降到水底,大量有機質在底層發生生物降解消耗大量氧氣, 同時溫鹽躍層的存在限制了表層氧向底層擴散, 使得底層氧不能得到及時補充, 從而加劇了該海域氧的虧損。

在本研究中, 豐水期溶解氧低值區與表層葉綠素濃度較高站位分布大致吻合, 均分布在調查海域的西北部。同時, 結合豐水期溶解氧分布與環境因子進行的相關性分析的結果: 表層與底層之間的ΔDO 與ΔT、ΔS和ΔChl a都呈極顯著的正相關關系(P<0.01), 表明溶解氧分布受水體層化、浮游植物有機物分解作用的影響。研究認為表層浮游植物產生的大量顆粒態有機碳向底層輸送并在底層進行化學和生物氧化, 同時溫鹽躍層限制了表層氧向底層擴散是低氧區形成的內在機制[25]。長江口及其鄰近海域與世界其他河口水域的低氧現象類似, 低氧區的形成是個復雜的過程, 受浮游植物豐度及群落結構組成、有機物在底層的停留時間、溫度、水體層化、海底地形等多種因素的共同影響, 因此浮游植物沉降對于底層缺氧區形成的量化貢獻有待進一步的研究。另外, 受調查條件的限制, 本研究獲得的現場水文資料較少, 對于長江口外低氧區形成與浮游植物之間的關系未能深入討論, 今后需做進一步的研究。

4 結論

(1) 長江口及其鄰近海域葉綠素a的分布受長江沖淡水的影響, 在枯水期與豐水期存在明顯的差異。葉綠素a濃度在豐水期較高, 平均值為5.18 μg/L, 最高值達32.05 μg/L(現場發現海水變色現象), 高值區位于調查區的中部和西北部; 而在枯水期濃度較低,平均值僅為0.68 μg/L, 分布范圍為0.44~2.07 μg/L,相對高值區位于沖淡水中部, 122.5°E~123°E之間。與同期歷史資料對比分析發現該海域葉綠素a濃度呈現出波動增長趨勢。

(2) 枯水期水體垂直混合均勻, 不存在明顯低氧現象。豐水期在調查海域西北部底層出現溶解氧低值區與低氧區, 溶解氧最低值僅為0.64 mg/L, 與歷史資料相比較出現了位置北移、面積擴大、溶解氧最低值下降的趨勢; 而且底層溶解氧低值區分布與表層葉綠素高值區大致吻合, 表明低氧現象與表層浮游植物的生長和現存量密切相關。

致謝: 感謝俞志明課題組提供營養鹽和溶解氧數據。

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(本文編輯: 康亦兼)

Distribution of chlorophyll a and its correlation with the formation of hypoxia in the Changjiang River Estuary and its adjacent waters

LI Zhao1, 2, SONG Shu-qun1, LI Cai-wen1
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

May, 18, 2015

chlorophyll a (Chl a); Yangtze River Estuary; phytoplankton; dilution water; dissolved oxygen

Based on multi-discipline surveys in the Changjiang River Estuary and its adjacent waters in March and August 2013, the distribution of chlorophyll a (Chl a) as well as its correlation with major environment factors were studied. The results indicated that Chl a concentration was higher during the flood period, with an average of 5.18 μg/L and a maximum of 32.05 μg/L. The Chl a concentration during the flood period showed a fluctuating growth trend as compared to historical data, and the water containing a relatively high Chl a level appeared in the middle of the diluted area bounded by 122.5–123°E. A low level of dissolved oxygen (DO) and hypoxia was observed in the near-bottom waters during the flood period, with a minimum value of 0.64 mg/L. These results indicated that the hypoxic zone expanded and had a trend of moving northward, while the minimum DO value decreased significantly as compared to the historical records. The lower DO zone in near-bottom water was associated with the surface water with higher Chl a, indicating a close correlation between DO at the bottom and Chl a. Therefore, with strong water stratification, the flourishing of phytoplankton in the surface water may directly contribute to the formation of low-oxygen zones in near-bottom water.

P76, Q948.8

A

1000-3096(2016)02-0001-10

10.11759/hykx20150518001

2015-05-18;

2015-07-06

中國科學院戰略性先導科技專項(A類)資助(XDA11020302);國家基金委-山東省聯合基金項目(U1406403); 中國科學院“百人計劃”項目資助

李照(1990-), 女, 山東濟南人, 碩士研究生, 主要從事浮游植物生態學研究, E-mail: lizhao0708@126.com; 李才文, 通信作者,研究員, E-mail: cwli@qdio.ac.cn