渤海中部營養鹽賦存形態季節變化及其對營養鹽庫的影響

張海波,劉 珂,王麗莎,石曉勇,馮立娜,王修林

中國海洋大學化學化工學院, 青島 266100

近海生態系統作為兼顧陸地和大洋特征的交叉區域,周邊多為較發達的經濟圈,其受到人類活動較明顯[1]。營養鹽遷移轉化過程作為海洋科學研究的重點和基礎,其循環不是封閉的,既有損失也有補充,人類對海產品的收獲以及顆粒物沉積是主要的損失,陸源輸入、大氣沉降以及釋放再生等是重要的補充[2],海水中營養鹽在動態過程中保持平衡。海水中生源要素賦存形態主要有溶解無機態、溶解有機態和顆粒態(生物碎屑和浮游生物等),且受海洋浮游植物、細菌、病毒和微型浮游動物等生物作用[3-4]以及溶解釋放等物理作用控制,在各形態間循環轉化。以往研究認為浮游植物主要吸收利用無機態營養鹽,近年來隨著研究的深入發現,海洋部分有機小分子組分可被初級生產者直接吸收利用[5],例如尿素、酰胺、氨基酸以及ATP、G-P等有機態營養鹽,尤其是當無機態營養鹽含量較低甚至出現營養限制狀況水體中,有機態營養鹽作為重要的補充,對于緩解營養鹽限制具有十分重要的作用[6-7]。

渤海是我國最北部溫帶半封閉內海,平均水深18 m,面積約7.7萬km2,周邊三面環陸,東部通過渤海海峽“北進南出”密度流同黃海相通[8],根據地理位置主要分為渤海灣、萊州灣、遼東灣和中部海區。環渤海周邊為重要的經濟發展帶,是海洋開發利用活躍區域[9],沿岸有入海河流40余條,主要分為遼河流域、海河流域以及黃河流域三大水系。受流域內經濟活動的影響,入海徑流每年裹挾著大量的工農業廢水進入渤海海域[10],使得海區內營養鹽含量和結構發生明顯的變化,同時對海域內營養鹽的存在形態、再生、循環機制產生影響,導致海域內赤潮頻發[11],浮游植物群落結構轉變[12]。近些年來對于渤海海域營養鹽的研究主要集中在水體、顆粒物和間隙水等無機營養鹽的含量和分布[13-15],且研究發現4—9月為營養鹽的消耗期,10月到次年3月為營養鹽的補充期[16]。而對于海域有機態和顆粒態等主要賦存形態分布以及季節間變化規律尚未進行系統的分析,這樣不僅無法深入了解渤海海域的營養鹽限制狀況以及生態結構的穩定狀況,同時也在很大程度上夸大海域內營養鹽的限制狀況。基于此,本文根據營養鹽庫以及各形態含量對渤海中部及其臨近海域的營養鹽遷移轉化過程進行深入分析,為進一步揭示渤海海域生源要素循環過程和生態狀況提供科學依據和認識。

1 調查區域與方法

1.1 調查區域與站位

分別于2013年7月(夏季)、11月(秋季)和2014年5月(春季)搭載東方紅2科考船基金委共享航次對渤海進行調查,站點主要集中在中部以及各灣口海域(圖1),現場使用Seabird-911 CTD-Niskin(12L)聯用采水和測定溫鹽參數,采樣層次主要分為表層、10 m層和底層。

圖1 渤海研究區域主要洋流系統及站位設置

1.2 樣品采集與分析

營養鹽樣品的采集和處理過程均依照海洋調查規范(GB/T 12763.4—2007)方法所述。水樣經GF/F(Whatman,450℃灼燒6 h,直徑25 mm)過濾后,將濾液和濾膜分別冷凍保帶至實驗室,使用SEAL-AA3連續流動營養鹽分析儀分別測定溶解態和顆粒態營養鹽。其中NO3和NO2使用重氮-偶氮法(NO3,銅-鎘還原),NH4使用靛酚藍法,溶解無機磷(DIP, dissolved inorganic phosphorus)使用磷鉬藍法,活性硅酸鹽(SiO3, reactive silicate)以硅鉬藍法測定。總溶解氮(TDN, total dissolved nitrogen)、總溶解磷(TDP, total dissolved phosphorus)、顆粒氮(PN, particulate nitrogen)和顆粒磷(PP, particulate phosphorus)經濕法堿性過硫酸鉀法(alkaline persulphate oxidation)消化后測定,測量精度為92%,消化過程以EDTA作為有機氮貯存回收標準[17],回收率為95%。其中NO3、NO2、NH4、DIP、SiO3檢出限分別為0.02、0.02、0.04、0.02、0.03 μmol/L。溶解無機氮(DIN, dissolved inorganic nitrogen)=NO3+NO2+NH4,溶解有機氮(DON, dissolved organic nitrogen)=TDN-DIN,溶解有機磷(DOP, dissolved organic phosphorus)=TDP-DIP,總氮(TN, total nitrogen)=TDN+PN,總磷(TP, total phosphorus)=TDP+PP。

2 結果與討論

2.1 營養鹽分布以及影響因素分析

夏季,受豐水期降水量增加,徑流輸入增加影響明顯,表層鹽度較低,海水層化現象明顯(表1,溫度垂向差異大)。營養鹽組分DON和PN作為氮主要賦存形態,濃度范圍分別為 0.85—44.41 μmol/L和 2.33—9.50 μmol/L,受浮游植物轉化影響,高值(圖2)主要分布在灤河和復州河口外以及萊州灣灣口浮游植物高值區域[18-19],PN作為氮循環轉化的中間狀態,主要由浮游生物體(活體和碎屑)組成,底層受氧化分解作用為主。DOP和PP作為磷主要賦存形態,濃度范圍分別為0.13—0.73 μmol/L和0.12—0.46 μmol/L,除受到生物光合作用影響外,表層和底層同時受氧化分解影響,其快速分解氧化為無機態磷酸鹽對緩解海域內磷限制[14]狀況具有重要作用。

秋季,河流入海徑流量減少,溫度和光照強度下降的同時受風暴潮影響(2013年北海區海洋災害公報)導致水體混合劇烈,使得底層沉積物中高營養鹽上覆水等發生擾動,各營養鹽組分明顯升高,水層間差異較小(表1),營養鹽轉化主要以有機物礦化分解為主。DON和PN在10 m層主要為海源自產,濃度范圍分別在10.17—49.45 μmol/L和0.41—6.03 μmol/L之間。DOP含量較夏季明顯下降,說明其以分解釋放為主。顆粒態PN和PP在底層受擾動影響明顯,在東部遼東半島近岸海域出現明顯的高值區。

表1 渤海不同季節各水層內溫度、鹽度以及各形態營養鹽含量/(μmol/L)

春季,萊州灣口和灤河口外為浮游植物高值區[19],且浮游植物以硅藻生物量和貢獻率最高[18],隨著光照條件增強,浮游植物光合作用加強,營養鹽被快速吸收利用,對海域內營養鹽的遷移和轉化產生重要影響。DON經秋冬季分解以及混合影響,整體分布較均勻,含量在4.29—23.37 μmol/L之間,平均為(13.64±3.70)μmol/L,較秋季明顯下降(表1)；PN受浮游植物光合作用影響,在近岸高生物量區域呈現明顯的高值區(圖2)。DOP和PP作為磷主要賦存形態,各水層間分布特征無明顯差異,且DOP受黃河輸入影響,在黃河口外呈現明顯的梯度變化。

2.2 營養鹽庫以及季節間轉化特征

調查海域內TN營養鹽庫(圖3)表現為秋季受擾動再懸浮以及釋放影響,消耗較少,含量最高((39.57±10.05)μmol/L),其次為夏季((37.43±10.09)μmol/L)和春季((24.94±10.75)μmol/L),各季節主要賦存形態均為DON,占TN的52%以上,在夏季10 m最高達64%,其次為DIN和PN,其中DIN中組分主要以NO3為主。季節間對比發現：夏季受徑流輸入、生物作用以及底層分解釋放影響,主要賦存形態DON占TN的59%,其次為DIN和PN,各水層間表現為表層TN((35.85±7.50)μmol/L)含量低于10 m和底層,而DIN((11.30±9.83)μmol/L)則相反；受浮游植物吸收轉化影響,DON((24.96±9.70)μmol/L)和PN((5.51±1.65)μmol/L)在10 m層最高。秋季受有機物分解影響,DON和PN較于夏季比例明顯下降,其中PN含量由夏季的(5.29±1.51)μmol/L降至(1.78±1.05)μmol/L,降幅66%,而DIN由夏季的(7.78±7.38)μmol/L升高至(14.84±6.20)μmol/L,增幅達1.9倍,經過秋冬季擾動混合以及分解轉化導致優先利用無機組分含量增高,為春季赤潮的發生創造了生源要素基礎條件,各水層除PN受懸浮影響在底層含量最高之外,TN,DON和DIN均表現為表層向10 m,底層下降趨勢(表1)。春季光照條件升高,浮游植物光合作用加強,對N營養鹽迅速吸收沉降,TN含量下降,較秋季降幅37%,其中主要賦存形態DON含量為(13.64±3.70)μmol/L,下降36%,DIN下降45%,PN含量上升至(2.26±1.36)μmol/L,增幅27%。

圖3 營養鹽庫內不同組分含量以及溫度、鹽度季節變化特征

調查海域TP營養鹽庫(圖3)表現為秋季最高((0.90±0.25)μmol/L),夏季次之((0.73±0.19)μmol/L),春季最低((0.36±0.11)μmol/L)。春季和夏季為活性磷酸鹽消耗期,DIP被浮游植物的消耗殆盡,出現低于閾值[20-21]站位,主要賦存形態為DOP和PP,而秋季為DIP補充期,各形態含量與春夏季相反,主要以DIP為主,比例達60%,其次為PP和DOP。各季節變化研究發現,夏季,DOP為主要組分,含量在0.13—0.73 μmol/L之間,平均為(0.38±0.16)μmol/L,占TP的52.6%,其次為DIP和PP,受浮游植物對磷消耗影響,表層和10 m層DIP含量較低,受顆粒沉降以及懸浮再釋放影響,磷各組分含量均在底層最高。秋季,浮游植物消耗減少,DOP和PP礦化分解,含量分別降至(0.13±0.06)μmol/L和(0.23±0.15)μmol/L,而DIP成為主要賦存形態含量上升至(0.54±0.20)μmol/L,占TP的60%,增幅10.8倍。受再懸浮釋放影響,TP以及DIP和PP組分在各水層內從表層向10 m、底層逐漸升高。春季受吸收沉降影響,TP降幅60%,其組分DIP減少至(0.06±0.04)μmol/L,DOP含量和比例上升(58%)成為主要賦存形態,使得可利用DOP的甲藻與硅藻的競爭中占據優勢[7, 22],且同秋季相似,TP和DOP,PP組分從表層向10 m、底層含量逐漸上升。

夏季SiO3受浮游植物(硅藻)吸收利用,含量在ND—16.05 μmol/L之間,平均為(3.94±3.19)μmol/L,表層受徑流輸入影響含量高于10 m層和底層(圖3)。秋季受風暴潮擾動底層再懸浮影響含量增高(2013年調查前夕(11月20日—23日)11月9號—10號渤海海域受到風暴潮影響,2013年北海區海洋災害公報),平均為(16.94±6.37)μmol/L,相比較夏季含量升高4.3倍。春季受浮游植物吸收利用以及顆粒物沉降等因素影響,SiO3含量驟減,含量范圍在0.30—7.96 μmol/L之間,平均為(2.47±1.90)μmol/L,較秋季含量減少85%。

2.3 營養鹽結構比值季節特征

近些年來,渤海海域受到人類活動排放影響,各營養鹽含量和結構發生明顯變化。無機態營養鹽比值顯示(圖4)：春季和夏季高生產力季節各比值均偏離Redfield比值,其中DIN/DIP和SiO3/DIN較為明顯。可能會導致出現硅磷限制狀況[23],且在同期研究[14]也證實此現象,對以硅藻作為優勢藻種的渤海浮游植物群落結構產生影響,可能會導致硅藻在與甲藻競爭中失去優勢[24-25]。海水溶解有機態營養鹽組分作為營養鹽庫主要賦存形態,受生物活動和陸源輸入影響,渤海海域DON含量相對較高,DON/DOP在春夏高生產力季節比值在54—70之間,而秋季 DOP降解較快導致其比值達150以上。春夏季顆粒物中PN/PP比值在16—27之間,說明其來源主要以海源浮游生物以及生物碎屑為主,秋季受PN降解以及顆粒物對DIP吸附影響,比值約為7.6,且各水層間差異較小。同歷史研究相同,隨著陸源輸入氮不斷增加而磷因“磷負荷消減”政策[26]輸入減少影響,海域內TN/TP比值遠高于Redfield比值,對于海域內硅藻優勢地位不利。

圖4 不同形態營養鹽比值季節變化(Redfield比值16)

3 結論

渤海營養鹽庫以及各組分受陸源輸入、生物吸收轉化、混合以及分解釋放等因素影響,其含量以及分布呈現明顯的區域特征和季節變化特征。

夏季以陸源輸入和生物吸收轉化為主,為無機態向有機態和顆粒態轉化期。其中TN平均為(37.43±10.09)μmol/L,其主要賦存形態為DON,且在中層最高。TP平均為(0.73±0.19)μmol/L,以DOP(53%)和PP(41%)為主。SiO3含量為(3.94±3.19)μmol/L,部分海域表現硅限制狀況。

秋季為有機態和顆粒態分解釋放期,各營養鹽庫含量均高于春夏高生產力季節,TN平均含量為(39.57±10.05)μmol/L,主要賦存形態為DON(54%),PN受分解較明顯,降幅達66%,而DIN升高1.9倍。TP含量為0.90±0.25μmol/L,DOP和PP含量降低,而DIP含量升高占TP的60%。SiO3含量為(16.94±6.37)μmol/L,較夏季增長4.3倍。

春季為無機態向有機態和顆粒態轉化期,受吸收以及沉降影響,各營養鹽庫較夏秋季含量最低。TN降幅37%,其組分DIN降幅45%,而PN增幅27%。TP((2.26±1.36)μmol/L)降幅60%,其組分DIP下降至(0.06±0.04)μmol/L,降幅89%,而DOP含量增高1.6倍成為主要賦存形態,且部分站位存在磷限制狀況。SiO3含量為(2.47±1.90)μmol/L,較秋季下降85%,且部分站位出現硅限制。

各賦存形態的營養鹽比值分析,春夏季高生產力季節無機態營養鹽比值均偏離Redfield比值,對海域內硅藻優勢種地位產生影響。秋季各有機態以及顆粒態組分比值顯示相比較氮,DOP和PP更易分解轉化,而硅酸鹽受擾動混合影響含量升高,對于海域內硅磷限制狀況具有重要作用。