渤黃海營養鹽結構及其潛在限制作用的時空分布

謝琳萍, 孫 霞, 王保棟, 辛 明

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋生態研究中心, 山東 青島 266061; 2. 海洋生態環境科學與工程國家海洋局重點實驗室, 山東 青島266061)

渤黃海營養鹽結構及其潛在限制作用的時空分布

謝琳萍1,2, 孫 霞1,2, 王保棟1,2, 辛 明1,2

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋生態研究中心, 山東 青島 266061; 2. 海洋生態環境科學與工程國家海洋局重點實驗室, 山東 青島266061)

根據2006-2007年4個季節的現場調查資料, 分析探討了渤海和黃海營養鹽結構分布變化特征及其對浮游植物生長的潛在的限制狀況。結果表明, 渤黃海水體Si/N/P比值均偏離Redfield比值, 季節變化明顯; 春夏冬季N/P和Si/P比值由近岸向遠岸海域遞減, 高值區主要分布在黃河口、鴨綠江口及蘇北近岸, 秋季上層水體N/P和Si/P比值的分布趨勢有所不同, 高值區主要分布在南黃海的中部海域。受陸源輸入的影響, 近岸特別是河口區N/P和Si/P比值均較高, 溫躍層的生消變化和生物活動調控著黃海中部海域營養鹽結構的變化。渤黃海浮游植物生長主要受P的潛在限制, 部分季節受N、Si的潛在限制; 營養鹽限制狀況存在著明顯的時空變化及不同營養鹽的同時或交替限制的現象。

營養鹽結構; 營養鹽限制; 渤海; 黃海

營養鹽是浮游植物生命活動的物質基礎, 浮游植物按一定比例(Redfield比值)攝取營養物質維持自身的物質和能量代謝[1], 適宜的N/P、Si/N和Si/P比值有利于浮游植物的生長和繁殖, 反之則會造成營養結構失調, 浮游生物的種群結構改變, 甚至引發赤潮[2-3]。低N/P比值或較高濃度的磷酸鹽有利于硅藻的生長, 而高 N/P比值或較高濃度的氮鹽則有利于甲藻的生長; 硅酸鹽對硅藻的生長非常重要, 低N/Si比值或較高濃度的硅酸鹽可使硅藻在與甲藻競爭中占據優勢[4]。一般來說, 沿岸和較封閉海域易發生P限制, 如：地中海[5-6]、芬蘭西南群島附近海域[7];在水交換較好的外海和大洋, 多發生 N限制, 如波羅地海[8]和Kaneohe[9]灣; 在咸淡水交界的河口地帶,易出現營養鹽的同時或交替限制[10]。營養鹽的限制具有時間變化, 在同一海區往往會出現N、P營養鹽限制的季節性交替變化[11]。近年來Si限制的報道有所增多, Fe、Mn等微量元素的缺乏亦可限制浮游植物的生長[12-13]。

渤海、黃海是我國重要的半封閉陸架海區, 具有陸源輸入量大、海水交換率小、初級生產力高等特點。隨著沿岸經濟社會的發展, 工農業和城市生活污水的排放, 使海區營養鹽濃度和結構發生了明顯的變化[2,14-15], 而營養鹽結構的變化不僅反映了營養鹽狀況的變化, 同時反映了海水中營養鹽的再生、循環機制的改變, 對海區生態環境產生較大的影響[2-3,15-17]。本文根據2006-2007年對黃渤海4個季節的現場調查資料, 對整個海區不同季節營養鹽結構的分布、變化及其對浮游植物生長的潛在限制狀況進行分析, 探討渤黃海營養鹽結構現狀及其對浮游植物生長的影響。

1 調查與方法

本文所用資料來源于908成果集成項目“中國近海化學調查研究”, 其中渤海數據是由國家海洋局北海分局提供; 北黃海數據參考文獻報道[15]。

本文所用數據的調查時間分別于2007年4月(春季)、2006 年 7 月(夏季)、2007 年 10 月(秋季)和 2007年1月(冬季), 每個航次345個調查站位, 調查站位分布見圖1所示。

現場用Seabird CTD對溫度、鹽度、深度等參數進行測定, 水樣用 Niskin采水器按照 0、10、30 m和底層采集, 水樣采集后經 0.45μmol/L 醋酸纖維濾膜過濾后, 用于營養鹽分析。其中無機磷(PO4-P)用原磷鉬藍法, 活性硅酸鹽(SiO3-Si)用硅鉬藍法, 亞硝酸鹽(NO2-N)用鹽酸萘乙二胺法, 硝酸鹽(NO3-N)用 Cd-Cu還原法, 銨鹽(NH4-N)用次溴酸鹽氧化法。無機氮(DIN)= NO3-N+NO2-N+NH4-N。

2 結果與討論

2.1 渤黃海營養鹽比值的季節變化

從表1可以看出春季N/P和Si/P比值的變化幅度較大, 最高值分別為786.6和399.2。Si/N比值數據離散性不大, 均值為1.23; 夏季N/P、Si/N和Si/P比值均高于春季; 秋季N/P比值均值最大, 達四季之最, 而Si/N和Si/P比值則比夏季小; 冬季N/P、Si/N和Si/P比值不大, 變化幅度也很小。綜上所述, N/P比值季節變化為秋季＞夏季＞春季＞冬季; Si/N比值的季節變化為夏季＞冬季＞秋季＞春季; Si/P比值的季節變化為夏季＞秋季＞春季＞冬季。

對上層水體營養鹽結構進行進一步分析, 由圖2可見春季大部分站位 Si/N比值小于 Redfield比值,而Si/P比值, N/P比值則大于Redfield比值。夏季上層水體約有23%的站位N/P比值小于Redfield比值,大部分站位的Si/N和Si/P比值大于Redfield比值(分別為78%和86%)。秋季僅有極小數站位的N/P、Si/P比值小于Redfield比值(分別為8.9%和4%), 約有1/3站位的Si/N比值小于Redfield比值。冬季N/P、Si/N和 Si/P比值的數據離散性不大, 大部分站位 N/P/Si比值高于Redfield比值。

表1 渤黃海營養鹽結構的統計結果Tab. 1 Statistic results of the nutrient structure in the Baohai Sea and the Yellow Sea

2.2 渤黃海營養鹽結構的平面分布

春季, 上層水體 N/P比值的高值區主要出現黃河口、鴨綠江口及蘇北近岸, 低值區則出現在渤黃海中部海域, 整體呈現由近岸向遠岸遞減的變化趨勢(圖3a)。其中黃河口和鴨綠江口 N/P比值很高(100～779.5), 蘇北沿岸 N/P比值也在 25以上, 而黃海中部海域N/P比值含量較低(＜16)。底層N/P比值的分布趨勢與上層水體類似, 最高值仍出現在萊州灣附近海域, 達786.6, 鴨綠江口N/P比值仍然較高,但高值范圍比上層明顯減小, 山東半島附近海域N/P比值相對較低(＜10)。Si/N比值在上層水體的分布為黃海中部海區較高(＞2), 渤海和黃海近岸 Si/N比值均較低(＜1)。底層 Si/N比值的分布趨勢與上層水體基本一致, 不再陳述。水體 Si/P比值的變化范圍較大(1.20～399.2), 山東半島附近海域 Si/P比值較低, 黃河口附近海域較高, 其他海域 Si/P比值均大于10。

圖2 上層水體營養鹽結構的三維散點圖Fig. 2 Three-dimensional scatter plots of the nutrient structure in the upper water

入春以后, 隨著氣溫的升高, 江水解凍后將高DIN、低PO4-P的淡水排放入海[18-19], 造成黃河口、鴨綠江口等河口區域N/P和Si/P比值較高。青島近岸海域受外海冷水的影響[20], 水體溫度較低(8℃),生物活動能力相對較弱, 對水體營養鹽的消耗相對較小, 海區N/P和Si/P比值較低。此外, 初春葉綠素a高值基本分布在溫度高的近岸海區[21], 黃海中部海域葉綠素 a的含量較低, 生物活動對營養鹽的消耗相對較小, N/P比值較低。

夏季, 近岸上層水體高 N/P比值的特性更加明顯, 高值區范圍較春季有所擴大, 呈現由近岸向外海遞減的變化趨勢, 其中萊州灣及海州灣南部沿岸N/P比值均在200以上, 長江口北部海域N/P比值也較高(＞100), 南黃海的中北部海域 N/P比值較低(＜12)(圖3b)。上層水體Si/N比值高值區主要出現在渤海的中部和青島附近海域, 北黃海深水區和南黃海大部分海區 Si/N比值較低(＜2)。Si/P比值的分布趨勢與N/P極為相似, 高值區主要出現在渤海近岸、北黃海近岸、浙江沿岸和長江口北部海域。底層N/P、Si/N和 Si/P比值的分布趨勢與上層水體基本一致,不再贅述。

綜合來看, 受高N/P、高Si/P含量的黃河沖淡水影響, 黃河口附近海域呈現高N/P、高Si/P比值的特點, 而受陸源輸入較少的南黃海中部海域則呈現低N/P、低Si/N和低Si/P比值的特點。黃海南部高N/P、低 Si/N含量(N/P＞100, Si/N＜1)的長江沖淡水在偏南季風和臺灣暖流的影響下, 在 122°30′附近左轉向北或東北進入南黃海西南部海域[22-23], 受其影響長江口附近海域N/P和Si/P比值較高。受射陽河輸入和蘇北沿岸流的影響, 海州灣以南(34°N)近岸海域N/P和Si/P比值也比較高。

秋季, 高 N/P比值含量的水體占據著南黃海中部的大部分海區, 并呈舌狀由東部外海向近岸擴展,高值中心達500以上。此外, 黃河口、海州灣附近海域也出現了小范圍的N/P高值(圖3c)。底層水體N/P的分布趨勢與上層水體有一定的差異, 高值區主要出現在近岸, 黃海中部海域N/P比值較低, 該部分正好與上層水體的 N/P比值高值區相反。渤黃海上層水體中 Si/N比值不高(1～5), 近岸較低, 中部海域稍高(圖4a), 底層 Si/N比值的分布趨勢與上層基本一致, 不再贅述。水體中 Si/P比值的分布趨勢與 N/P比值相似, 不再贅述(圖4c)。

綜合來看, 秋季黃河口附近海域仍呈現高N/P、低 Si/N比值的特點, 南黃海中部上層水體則呈現高N/P、高Si/P比值的特點, 而底層則表現為低N/P、Si/P比值, 該區域與夏季黃海冷水團所在位置基本一致, 說明隨著溫躍層的減弱, 水體上下層混合加強, 黃海冷水團內豐富的營養鹽對上層水體起到一定的補充作用, 適宜的溫度和光照條件, 促進了上層水體浮游植物的生長, 加大了對水體營養鹽特別是PO4-P的消耗, 使上層水體N/P、Si/P比值較高, 而底層水體浮游植物活動較弱, 水體N/P、Si/P比值較低。

圖3 上層水體N/P比值的平面分布Fig. 3 The horizontal distributions of N/P ratios in the upper water

圖4 秋季和冬季上層水體Si/N、Si/P比值的平面分布Fig. 4 The horizontal distributions of Si/N and Si/P ratios in the upper water in autumn and winter

冬季：水體垂直混合加強, 上下層水體性質趨于一致, 水體營養鹽結構分布變化不大。N/P比值：高值區主要分布在黃河口近岸、海州灣及蘇北沿岸,低值區則主要出現在渤海、北黃海中部及南黃海南部海域(圖3d)。Si/N比值高值區主要出現在渤海的中部、青島近岸海域, 低值區(小于 1)則主要出現在蘇北沿岸(圖4b)。Si/P比值在黃河口附近海域和蘇北沿岸水體稍高、北黃海的東部稍低, 整個海域 Si/P比值分布差異不明顯(圖4 d)。

2.3 營養鹽結構對浮游植物生長的限制

2.3.1 浮游植物生長的營養鹽限制標準

國內外眾多學者對浮游植物生長的營養鹽限制標準進行了研究[24-27](表2), Nelson等[24]利用浮游植物生長動力學得出浮游植物所能利用營養鹽的最低濃度, 即營養鹽的絕對限制標準; Justic等[25]根據Si/N/P比值提出營養鹽的相對限制標準; Dortch and Whitledge[27]結合營養鹽的絕對和相對限制標準提出了一套營養鹽的限制標準, 但這些標準或不夠全面或部分參數范圍太寬, 為了能更好地反映浮游植物生長的營養鹽限制情況, 本文綜合了上述各種判別標準, 改進了 Dortch等[27]提出的營養鹽限制標準,將N和Si的限制標準進行了部分調整, 具體如表2所示。

表2 國內外營養鹽限制標準的主要研究結果Tab. 2 The nutrient limitation standard

2.3.2 黃渤海浮游植物生長的營養鹽限制狀況

根據上述營養鹽限制標準得出調查海域營養鹽的限制情況(表3, 圖5), 春季 N潛在限制站位以南黃海最多, 主要分布在山東半島的南部海域, 而P潛在限制站位則多分布在北黃海, 受限站位占北黃海調查站位的12.1%; Si潛在限制站位主要集中在南黃海的海州灣附近海域(14個站位), 渤海和北黃海浮游植物生長基本不受Si的限制。

夏季調查海區浮游植物生長以P潛在限制為主,僅部分海域出現小范圍的 N和 Si的潛在限制。具體而言, 南黃海 N潛在受限站位最多(17個站位),分布特性由春季山東半島南部海域的集中分布轉為南黃海中部海域的零星分布; P潛在限制狀況較春季更為嚴重, 在黃河口、北黃海和海州灣南部海域均出現較大范圍的P潛在限制, 以北黃海最為突出, 有 58%的調查站位受到 P的潛在限制; 南黃海中部海域出現部分站位Si潛在限制, 渤海和北黃海無Si潛在限制的現象。秋季水體營養鹽狀況有所好轉, 浮游植物生長基本不受 N、Si潛在的限制, 主要受 P潛在的限制, 受限站位主要出現在南黃海,占南黃海調查站位的35%。從分布趨勢上來看, P潛在限制區域與夏季相比發生了明顯的變化, 限制區域主要分布在黃海中部和海州灣附近海域。冬季水體營養鹽狀況較好, 浮游植物生長基本不受營養鹽的限制, 僅在海州灣附近海域出現零星站位N或P的潛在限制。

從海區上來看：渤海營養鹽含量豐富, 僅黃河口附近海域在夏季受P的潛在限制。

北黃海在春夏秋季節浮游植物生長均受到 P的潛在限制, 夏季尤為突出。春季高N/P比值的陸源輸入造成北黃海水體 N/P比值較高[19], 而浮游植物的生物活動加大了對營養鹽的消耗使水體 PO4-P含量較低(＜0.1μmol/L), 造成水體浮游植物生長受到 P的潛在限制。夏季調查海區仍存在著高 N/P比值的陸源輸入和浮游植物對營養鹽的消耗, 但由于溫躍層的形成阻礙了底層水體營養鹽對上層水體的補充,導致北黃海浮游植物生長受 P潛在限制的區域面積較春季大。秋季隨著溫躍層的減弱, 富含營養鹽的下層水體的上涌, 在一定程度上緩減了上層水體缺 P的狀況, 海區浮游植物生長受 P潛在限制的區域面積較夏季有所減少, 受限制的區域僅出現在北黃海的深水區。

南黃海浮游植物生長主要受 P的潛在限制, 以秋季最為突出, 春夏季節小部分海域浮游植物生長受N或Si的單獨和同時潛在限制。秋季隨著溫躍層的減弱, 水體上下層混合加強, 冷水團內的豐富的營養鹽對上層水體起到一定的補充, 但南黃海中部大部分海域 N/P和 Si/P比值仍然很高(N/P＞100,Si/P＞200), 浮游植物生長受 P的潛在限制。從上面論述可以看出營養鹽對浮游植物生長的潛在限制作用具有季節變化性, 常發生幾種營養鹽同時或交替限制的現象, 與國內外許多學者的研究結果相一致[11,15]。

表3 上層水體營養鹽限制站位的統計結果Tab. 3 Statistical results of nutrient limitation stations in the upper water

圖5 上層水體營養鹽限制的平面分布Fig. 5 The distributions of nutrient limitation stations in the upper water

3 結論

(1)渤黃海水體中N/P、Si/N和Si/P比值均偏離Redfield比值, 季節變化顯著, N/P比值的季節變化為：秋季＞夏季＞春季＞冬季; Si/N比值的季節變化為夏季最高, 冬季次之, 春秋季較小; Si/P比值的季節變化為夏季＞秋季＞春季＞冬季。

(2)春夏冬季N/P和Si/P比值由近岸向遠岸海域遞減, 高值區主要分布在黃河口、鴨綠江口及蘇北近岸, 南黃海中部海域 N/P 和 Si/P比值較低, 秋季上層水體 N/P和 Si/P的分布與其他季節不同, 高值區主要出現在南黃海的中部和萊州灣附近海域。

(3)高N/P比值的陸源輸入是造成近岸特別是河口區高N/P、Si/P的主要原因, 而生物活動和溫躍層的生消變化是影響黃海中部營養鹽結構季節變化的主要因素。

(4)渤黃海浮游植物生長主要受 P的潛在限制,部分季節受N和Si的潛在限制。營養鹽限制的區域存在明顯的季節變化, 存在著不同營養鹽同時或交替限制的現象。

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Temporal and spatial distributions of nutrient structure and potential nutrient limitation in the Bohai Sea and the Yellow Sea

XIE Lin-ping1,2, SUN Xia1,2, WANG Bao-dong1,2, XIN Ming1,2
(1. Marine Ecology Research Centre, the First Institute of Oceanograghy, SOA, Qingdao 266061, China; 2. Key Lab of Science and Engineering for Marine Ecological Environment, SOA, Qingdao 266061, China)

Jan.,13,2012

nutrient structure; nutrient limitation; Bohai Sea; Yellow Sea

Based on the seasonal field observation during 2006 -2007, distributions of nutrient structure and their potential limitation on phytoplankton growth in the Bohai Sea and the Yellow Sea were discussed. The results showed that ratios of N/P, Si/N and Si/P varied greatly in different seasons, and deviated from Redfield ratios. The ratios of N/P and Si/P decreased from inshore to offshore area in spring, summer and winter, while showed the different pattern in the upper water in autumn, higher values of N/P and Si/P ratios were observed in the middle of the southern Yellow Sea. Due to the influence of terrestrial runoff, the inshore waters especially at the estuary area presented very high N/P and Si/P ratios. Changes of thermocline and biological activities controlled the nutrient structure in the central area of the Yellow Sea. The primary production might be limited by phosphate in a considerable portion of the Bohai Sea and the Yellow Sea. The potential nutrient limitation showed temporal and spatial variations, and the phytoplankton were usually limited by single or multiple nutrients at the same time or subsequently.

P374 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)09-0045-09

2012-01-13;

2012-04-16

中國近海化學調查研究項目(908-JC-1-03)

謝琳萍(1982-), 女, 山東煙臺人, 碩士, 研究實習員, 主要從事海洋生源要素的生物地球化學研究, 電話：0532-88977135, Email：xlp@fio.org.cn; 王保棟, 通信作者, 研究員, 電話：0532-88962016,Email：wangbd@fio.org.cn

致謝：感謝國家海洋局北海分局、中國海洋大學和國家海洋局第一海洋研究所的所有參與現場調查和數據分析工作的老師和同學。

康亦兼)