渤海海峽冬季營養鹽的分布特征及影響因素

張乃星，任榮珠，吳鳳叢，王盡文，林森，張亮

（1.山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033；2.國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266033）

渤海海峽冬季營養鹽的分布特征及影響因素

張乃星1,2，任榮珠1,2，吳鳳叢1,2，王盡文1,2，林森1,2，張亮1,2

（1.山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033；2.國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266033）

以2010年2－3月對渤海海峽進行的3個斷面的調查資料為依據，分析并討論了渤海海峽冬季營養鹽的分布特征及其影響因素。結果表明：冬季，由于強烈的垂直混合作用，渤海海峽水體中水溫、營養鹽及葉綠素a（Chl-a）的分布基本呈上下一致的特征。調查海域營養鹽的分布基本呈現出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征，這與近岸受陸源影響較大，而西南部的高值和北部的低值則主要受渤、黃海水團交換影響明顯有關。Chl-a與水溫的分布特征非常相近，對二者做Pearson相關性分析發現，二者具有非常明顯的正相關關系（r=0.717，p＜0.01，n = 110）。對Chl-a與各形態營養鹽作相關性分析發現，Chl-a與PO4-P表現出較強的相關性（r= -0.480，p＜0.01，n = 38），說明海峽水體中浮游植物的吸收是影響PO4-P分布的重要因素。

渤海海峽；營養鹽；葉綠素；分布特征；影響因素

海水中的營養鹽是海洋浮游植物生長繁殖所必須的，它們在控制海洋植物的生長和海洋初級生產力等方面起著相當重要作用。大量的研究表明，海水中的氮（N）、磷（P）、硅（Si）等營養鹽的水平及其結構極大地影響著浮游植物的初級生產水平及生態系統結構[1]。因此，研究海洋中的營養鹽結構、分布變化趨勢，探討浮游植物初級生產過程中的營養鹽限制因子對了解海洋生態環境起著重要的作用。

渤海海峽是指遼東半島南端老鐵山至山東半島北端蓬萊角的一段水域。渤海海峽作為渤海和黃海的水體交換通道，水團相互作用劇烈，海流活動頻繁，海峽南北兩面緊鄰工農業發達的大連、煙臺等經濟區，海洋生態環境受人為活動影響顯著，導致研究海域營養鹽含量及形態組成的區域性復雜變化。目前，針對渤海海峽的調查研究主要集中在物理水文方面[2-4]，而對該海區的營養鹽結構和分布特征研究鮮見報道，本文以2010年2－3月份的調查為基礎，對冬季渤海海峽的營養鹽結構和立體分布特征進行了詳細的討論研究，以期對渤海海峽的營養鹽的存在形態及分布變化規律有進一步的了解。

1 材料與方法

2010年2－3月隨“向陽紅08”號科學考察船對渤海海峽進行了調查，本次調查共布設3個斷面，39個站位，自東向西依次標記為H、Z和B斷面，每個斷面上站位的設置示于圖1。

圖 1 2010年2－3月渤海海峽采樣站位Fig.1 Locations of sampling stations in Bohai Strait

調查項目包括營養鹽、溫度、鹽度和葉綠素a（Chl a）。水樣采用CTD采水器按照0 m、10 m、底層分層采樣。水樣先用0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾，然后使用7230G分光光度計檢測。其中，PO4-P用磷鉬藍分光光度法，SiO3-Si用硅鉬藍分光光度法，NO2-N用萘乙二胺分光光度法，NO3-N用Zn-Cd還原法，NH4-N用次溴酸鹽氧化法測定分析，營養鹽樣品均在采樣后3h以內測定完畢。葉綠素a水樣采集后經0.45 μm Whatman GF/F濾膜過濾，濾膜樣品避光-20℃冷凍保存，經V︰V=9︰1的丙酮萃取24 h后，用Turner Designs 700熒光計進行測定。

2 結果與討論

2.1 水文特征

海水營養鹽的分布及變化規律與水文狀況密切相關。由本次調查所獲得的表、中、底層溫度分布圖1（a、b、c）可以看到該調查海域水溫分布具有如下顯著的特點：冬季，不同深度水溫分布非常相似，表現出良好的垂直混合作用。其中，高溫的黃海暖流余脈（t＞2.8℃）呈舌狀從北黃海海域自東向西從海峽北部及中部向渤海伸展，從海峽北部的老鐵山水道進入渤海，暖水舌中央水溫高于兩側。而渤海低溫水則從海峽南部（經由登州水道等）向東擴散演變為魯北沿岸流流出渤海，并在海峽東南部逐漸與北黃海水混合，其本體的性質亦不斷變化。這與文獻[2,4,5]中，冬季進出渤海海峽的水體所流經的區域相一致。在渤海低溫水和北黃海暖水兩種水團交匯處，等溫線密集，顯示出二者明顯的接觸混合作用。

圖 2 調查海域水體表、10 m、底層(a、b、c)水溫(℃)分布圖Fig.2 Horizontal distribution patterns of temperature(℃) at surface、 10 m and bottom layer

2.2 營養鹽的分布特征

海洋中的營養鹽是多年來人們研究海洋的基本研究項目，其中營養鹽是影響海洋初級生產力的關鍵因素之一。海水中的無機氮、磷和硅是海洋生物繁殖生長不可缺少的化學成分。氮和磷是組成生物細胞原生質的重要元素，而硅則是硅藻等海洋浮游植物的骨架和介殼的主要組成部分。由于這些元素參與生物生命活動的整個過程，他們的存在形態與分布受到生物的制約，同時受到化學、地質和水文等因素的影響，因此研究它們的存在形態和分布變化規律對研究海洋生態具有重要的意義。

2.2.1 營養鹽的平面分布 冬季表層NO3-N的濃度分布總體呈海峽東部高，西部低的分布特征，其中在海峽中北部有一低值區分布（圖3a）。整個調查海域的NO3-N濃度變化范圍為60～307 μg/L，平均132 μg/L。NH4-N與NO3-N具有相似的分布特征，呈現出海峽東部高，西部低的分布特征（圖3b）。整個調查海域的NH4-N濃度變化范圍為ND～123 μg/L（ND表示未測出），平均17 μg/L。PO4-P的濃度分布總體呈現出調查海域南部高，北部低的分布特征（圖3c）。整個調查海域的PO4-P濃度變化范圍為8～23 μg/L，平均13 μg/L，低值區出現在調查海域的東北部，高值區出現在調查海域的東南部。SiO3-Si的濃度分布總體呈現出調查海域西南、東北部高，中北部低的分布特征（圖3d）。整個調查海域的SiO3-Si濃度變化范圍為214～745 μg/L，平均483 μg/L。

圖 3 調查海域表層水體NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布圖Fig.3 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at surface layer

10 m層NO3-N的濃度分布呈現出與表層一致的分布特征，海峽東部最高，西部次之，海峽中間最低（圖4a）。整個調查海域的NO3-N濃度變化范圍為42～339 μg/L，平均131 μg/L。NH4-N的濃度分布呈現出與表層相似的分布特征，調查海域東部高，西部低。與表層NH4-N分布不同的是，在海峽中西部，NH4-N濃度呈現出向陸域方向濃度逐漸增加的趨勢（圖4b）。整個調查海域NH4-N的濃度變化范圍為ND～49 μg/L，平均15 μg/L。PO4-P的濃度分布呈現出與表層相似的分布特征，調查海域南部高，北部低（圖4c）。整個調查海域的PO4-P濃度變化范圍為5～32 μg/L，平均13 μg/L。SiO3-Si的濃度分布呈現出與表層相似的分布特征，調查海域西南、東北部高，中北部低（圖4d）。整個調查海域的SiO3-Si濃度變化范圍為226～768 μg/L，平均483 μg/L。

底層NO3-N的濃度分布呈現出與表層、10 m層相似的分布特征（圖5a）。整個調查海域的NO3-N濃度變化范圍為41～347 μg/L，平均125 μg/L。NH4-N的濃度分布呈現出與表層、10 m層相似的分布特征，海峽東部高，西部低（圖5b）。整個調查海域的NH4-N濃度變化范圍為ND～97μg/L，平均值為14 μg/L。PO4-P的濃度分布呈現出與表層、10 m層相似的分布特征（圖5c）。整個調查海域的PO4-P濃度變化范圍為9～18 μg/L，平均13μg/L。SiO3-Si的濃度分布呈現出與表層、10 m層相似的分布特征（圖5d）。整個調查海域的SiO3-Si濃度變化范圍為249～727 μg/L，平均505 μg/L，比表層及10 m層偏高約22 μg/L。硅酸鹽含量偏高，不僅與生物體下沉溶解有關，而且與底質表層硅酸鹽礦物質的直接溶解有關。

圖 4 調查海域10 m層水體NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布圖Fig.4 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at 10 m layer

圖 5 調查海域底層水體NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布圖Fig.5 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at bottom layer

2.2.2 營養鹽的斷面分布 由于三條斷面的垂直分布基本一致，因此本文列出其中一條H斷面的斷面分布圖。從H斷面的垂直分布可以看出（圖6a），NO3-N分布由于海水垂直混合的影響，由表至底呈均勻分布，但北部近岸濃度低于130 μg/L，明顯低于南部近岸濃度（濃度高于160 μg/L）。NH4-N分布也同樣由于海水垂直混合的影響，由表至底呈均勻分布。PO4-P的分布呈現出南部高，北部次之，中間最低的分布趨勢。其中，在H10站的10 m層，有一濃度的高值區。H斷面的PO4-P等值線分布較其它營養鹽復雜，表底不同深度的PO4-P濃度變化較大。SiO3-Si的分布呈現出南北高中間低的分布趨勢。SiO3-Si等值線分布呈條帶狀，其分布結構相對簡單，表明不同深度的SiO3-Si濃度較為均一。南北兩端的高值區，與該海域靠近陸地，受陸地因素影響明顯。整個H斷面的DIN、PO4-P和SiO3-Si的平均濃度分別為224 μg/L、13 μg/L和492 μg/L。石曉勇等[6]2007年冬季對渤海此區域的調查數據顯示，冬季該海域的DIN、PO4-P和SiO3-Si的平均濃度分別為118 μg/L、18 μg/L和361 μg/L。可見，2010年的此次冬季調查除PO4-P濃度略有降低外，DIN和SiO3-Si均有不同程度的增加，其中以DIN增幅明顯，這可能與渤海水體富營養化程度的加劇有關。

圖 6 調查海域H斷面水體NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布圖Fig.6 Distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at H transect

2.2.3 分布原因分析 調查海域營養鹽的分布基本呈現出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征。這與近岸受陸源影響較大，而西南部的高值和北部的低值則主要受渤黃海水團交換影響明顯有關。調查海域冬季不同深度的水溫、營養鹽及Chl-a含量基本呈現出上下一致的分布特征，這主要是由于冬季因太陽輻射明顯減弱，偏北季風加強，尤其是經常受到寒潮的影響，使渤海表層溫度迅速下降，近岸局部海域甚至出現海冰，由于較強的垂直對流和風生渦動的混合作用，使渤海水體性質上下分布較為均勻[7]。

2.3 營養鹽結構分析

這里所謂的營養鹽結構，是指營養鹽的相對組成，即c(N)/c(P)和c(Si)/c(N)。Justic和Dortch等[8,9]曾指出：當海水中Si︰P＞22（原子數比，下同）和N：P＞22時，磷酸鹽為潛在限制因子；N：P＜10和Si︰N＞1時，溶解無機氮為潛在限制因子；若Si︰P＜10時和Si︰N＜1，則溶解無機硅為潛在限制因子。N/P，Si/N和Si/P值的分布變化不僅反映了水域營養鹽的陸源輸入、海流輸運、大氣沉降和人類活動的影響，同時也在一定程度上反映了海水中營養鹽的再生速率和循環機制。由于渤海海峽冬季營養鹽垂直分布及濃度較為一致，因此本文僅列出表層不同形態營養鹽的比例（表1）。

總體來說，在調查的39個表層站位中，不存在營養鹽限制的站位有23個，占調查站位的59%，這可能主要是由于冬季水溫低、光照差，不利于浮游植物的生長繁殖，因此對營養鹽的消耗較低，此時營養鹽的再生補充較為充分，因此大部分站位并不存在營養鹽限制。其余站位出現磷限制，占調查站位的41%，其分布主要集中在H斷面上，這與該斷面周圍水溫較高，Chl-a濃度也較高，浮游植物對PO4-P等營養鹽的吸收較多有關。

表 1 渤海海峽冬季表層營養鹽比例Tab.1 Nutrient proportion of the surface water in Bohai Strait

2.4 葉綠素a的分布特征及其對營養鹽分布的影響

2.4.1 葉綠素a的分布特征 調查海域不同水深的Chl-a濃度分布呈現上下一致的分布特征，均表現為西部海域低東部海域高的分布特征（圖7）。其中，各層Chl-a平均濃度分別為表層1.21 μg/L，10 m層1.29 μg/L，底層1.80 μg/L，呈現出由表至底濃度逐漸增加的趨勢。本航次調查所得浮游植物生物量的平均濃度（1.433 μg/L）濃度與趙騫等[10]對渤海海峽冬季浮游植物生物量（1.348 μg/L）的研究結果水平相當。與其它陸架海區相比，如與其鄰近的北黃海區冬季浮游植物生物量（平均0.459 μg/L）[11]，冬季渤海海峽屬于生物量較高的海域。

渤海海峽水體中Chl-a的濃度分布與水溫分布非常相近，對二者做Pearson相關性分析發現，二者具有非常明顯的正相關關系（r=0.717，p＜0.01, n = 110），冬季水溫是影響Chl-a分布的重要因素。2.4.2 葉綠素a對營養鹽分布的影響 通過研究浮游植物與營養鹽的相關性，可以判定該海區受何種營養鹽限制，以及浮游植物主要吸收何種形式的營養鹽[12]。彭云輝等[13]對大亞灣微表層和次表層海水中營養鹽與浮游植物關系的研究表明，三態氮中的NO3-N，NH4-N、PO4-P和SiO3-Si均與浮游植物中的Chl a有一定的負相關關系。扈傳昱等[14]通過對南極普里茲灣Chl-a與無機磷酸鹽、無機氮的相關性分析認為，在該海區無機鹽，特別是NO3-N和PO4-P是浮游植物吸收的主要形式。對本次調查海域表層營養鹽NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si與浮游植物Chl-a含量做相關性分析發現（圖7），Chl-a只與PO4-P呈現明顯的線性關系（r= -0.480,p＜0.01，n = 38），說明在研究海域中浮游植物的生長與PO4-P有著比其他營養鹽因子更為密切的聯系，這也與部分站位存在潛在的PO4-P限制相一致。

3 結 論

（1）冬季，受溫度降低及偏北季風影響，上下水體垂直混合均勻，溫度、營養鹽及Chl-a的垂直分布較為一致。

（2）調查海域營養鹽的分布基本呈現出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征。這與近岸受陸源影響較大，而西南部的高值和北部的低值則主要受渤黃海水團交換影響明顯有關。

（3）渤海海峽水體中Chl-a的濃度分布與水溫

圖 7 調查海域水體表、10m、底層(a、b、c)葉綠素a分布圖Fig.7 Horizontal distribution patterns of Chl-a at surface, 10m and bottom layer

圖 8 表層浮游植物生物量與營養鹽因子的相關性（n=38）Fig.8 Relationships of phytoplankton biomass and the nutrient variables in the surface layer(n=38)

分布非常相近，對二者做Pearson相關性分析發現，二者具有非常明顯的正相關關系（r=0.717，p＜0.01，n = 110），Chl-a的分布受水溫影響明顯。

（4）大多數調查站位不存在營養鹽限制，少部分站具有潛在磷限制。對Chl-a與各形態營養鹽作相關性分析發現，Chl-a與PO4-P表現出較強的相關性（r= -0.480,p＜0.01，n = 38），說明海峽水體中浮游植物的吸收是影響PO4-P分布重要原因。

致謝：同航次營養鹽數據由青島環海海洋工程勘察研究院提供，在此表示衷心地感謝。

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Characteristics of vertical distribution and influence factors of the nutrients at Bohai Strait in winter

ZHANG Nai-xing1,2, REN Rong-zhu1,2, WU Feng-cong1,2, WANG Jin-wen1,2, LIN Sen1,2, ZHANG Liang1,2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation, Qingdao 266033, China; 2.North China Sea Marine Forecasting Center，SOA, Qingdao 266033, China)

Based on the cruises carried out at Bohai Strait for three transects from February 2010 to March 2010, the distribution features of nutrients at this section and influence factors were discussed.The results showed that: influenced by the effect of vertical mixing, the nutrient temperature and Chlorophyll-a had obviously the same distribution characteristics at different depths.The concentration of nutrients decreased from in shore to offshore by the influence of runoff.The concentration of nutrients showed high value in southwest part and low in north part, which was affected by the exchange of different water mass.There was a significant positive correlation between the distribution of Chl-a and water temperature (r=0.717，p＜0.01, n = 110).There was also a significant negative correlation between the concentration of Chl-a and PO4-P(r= -0.480,p＜0.01, n = 38), which showed that the distribution of PO4-P was mainly controlled by the phytoplankton absorbing.

Bohai Strait; nutrients; Chlorophyll-a; distribution characteristics; influence factors

P593

A

1001-6932(2011)06-0607-08

2011-05-05；

2011-06-07

淺海試驗場區建設方案設計與運行保障（200905024-2）；國家海洋局青年海洋科學基金項目（2010503）；國家海洋局北海分局海洋科技立項項目（2010A01）；中國科學院海洋生態與環境科學重點實驗室基金項目（KLMEES201003）。

張乃星（1980－），男，博士，高級工程師，主要研究方向為海洋環境化學。電子郵箱：zhangnaix@mails.gucas.ac.cn。