錢塘江河口溶解硅的變化與影響研究

張麗君 , 臧家業, 馬永星 , 李玲玲, 劉 煒, 張波濤 冉祥濱

(1.青島大學 化學科學與工程學院, 山東 青島 266071; 2.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; 3.國家海洋局 北海環境監測中心, 山東 青島 266033; 4.青島市地震監測中心, 山東青島 266000)

海洋硅循環及其相關聯的硅生物地球化學過程是全球環境變化研究的熱點問題, 也是海洋科學關心的重要領域[1-2]。河流影響下的邊緣海又是陸源硅在海洋中的主要儲庫, 是硅埋藏與轉化的重要場所,在全球硅的生物地球化學循環中起著重要作用[2]; 海洋中硅藻控制了全球海洋 40 %以上的初級生產力[3],因此溶解硅對于海洋生態系統的穩定至關重要。

錢塘江河口所屬的杭州灣受到錢塘江沖淡水、長江沖淡水和潮汐的共同影響, 屬于典型的高渾濁的河口型海灣[4], 浮游植物種群以硅藻為主[5]。由于人類活動的加劇, 杭州灣已成為我國富營養化最為嚴重的區域之一[6-8], 這勢必會改變河口營養鹽的濃度和結構, 進而影響河口與鄰近海域的生態系統的穩定。盡管杭州灣大部分水域濁度較高, 并不易發生赤潮, 然而往復的潮汐作用會使得該水域持續向東海輸送營養鹽, 造成鄰近的東海水域營養鹽結構和濃度的變化, 進而產生赤潮和群落結構變化等生態風險[9-10]。錢塘江流量大約為373億m3/年[8], 其必然會對鄰近的東海赤潮高發區產生相當的影響, 可見對于杭州灣的研究還有利于揭示東海近海海洋環境演化的規律。更為關鍵的是, 杭州灣在近30年間生態環境[4-8]發生了比較顯著的變化, 其以硅藻為基礎的浮游生態很可能正在發生著微妙的變化, 畢竟類似的現象在很多深受人類活動干擾的海域均被發現[11];然而目前國內大部分研究僅關注在長江口和東海水域, 對于相鄰的錢塘江河口這一典型的河口營養鹽結構和群落結構變化的研究相對較少; 因此, 分析錢塘江河口溶解硅與浮游植物群落結構的變化規律,將有助于認識杭州灣環境的發展趨勢, 為人類活動持續影響下高渾濁河口區域營養鹽的循環研究與浮游植物演替提供科學數據。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2013年5月、2013年8月、2013年11月和2014年 1月在錢塘江河口分別進行了春、夏、秋、冬四個季節的海洋科學綜合調查, 調查范圍覆蓋杭州灣灣內的大部分區域, 調查站位如圖1所示。調查中,用尼斯金(Niskin)采水器采集水樣, 同時用多參數水質剖面儀(JFE, AAQ122)和透明度板獲得水體溫度、鹽度和透明度等水文參數, 所有站位均采集表層和底層水樣。調查項目包括:總懸浮顆粒物(SPM)、溶解硅(DSi)、氮磷營養鹽和浮游植物等。

圖1 錢塘江河口調查站位圖Fig.1 Map of the sampling locations in the Qiangtangjiang Estuary

取一定體積水樣用孔徑 0.45 μm聚醚砜濾膜收集 (預先用1∶1000 HCl浸泡24 h, 并以Milli-Q水洗至中性, 烘箱內45 ℃烘72 h稱重), 將膜放入膜盒,–20 ℃冷凍保存, 用于測定水體懸浮顆粒物中 SPM;濾液分裝于聚乙烯樣品瓶中(樣品瓶預先在1∶5 HCl中浸泡48 h以上, 用Milli-Q水清洗數遍, 然后包上潔凈的塑料袋, 備用)中, 加入氯仿 1滴, 常溫保存,用于營養鹽的測定。另取一定體積水樣用孔徑0.45 μm聚醚砜濾膜收集, 過濾完成后, 記錄過濾體積并將濾膜對折用于葉綠素a的分析, 測試前避光冷凍保存。

1.2 樣品的分析

營養鹽利用營養鹽自動分析儀(SEAL公司,QuAAtro型)進行分析, 營養鹽濃度范圍在 1~10 μmol/L的樣品, 分析的偏差為 5%~10%, 營養鹽濃度超過10 μmol/L 的樣品, 分析的偏差為 1%~5%[12]; 葉綠素a用 90%丙酮(體積分數)溶液提取后, 熒光法分析。浮游植物采樣結束后在實驗室內進行鏡檢分析,室內分析鑒定按《海洋調查規范》(GB 17378.7—2007)中規定的方法進行。

1.3 硅藻固硅能力的計算

對浮游硅藻固硅能力的計算采用葉綠素a估算初級生產力的經驗模式, 該方法可適用于低鹽、高渾濁的河口型海域, 獲得的結果被證實接近于實測值[13],之后利用Redfield 比值(C∶Si為108∶16)進行換算,具體計算如下[14]:

P: 真光層浮游植物日光合固碳量(mgC/(m2·d));Ps:表層水體中浮游植物的潛在生產力(mgC/(m3·h));Z:真光層深度(m);D:每日光照時間(h)

Chla: 葉綠素a的濃度(mg/m3);Q:同化系數(h–1)

同化系數與表層海水溫度(SST)的關系如下:

真光層的深度計算公式為:

Z:真光層深度(m);SDD:海水透明度(m)

2 結果和討論

2.1 溫、鹽的分布特征

調查海區夏季水溫為全年最高, 冬季的水溫為全年最低, 各季節水溫變化為夏季>春季>秋季>冬季。由圖2可以看出, 春季表層海水溫度在東南側近岸水域水溫比較高, 并沿監測水域兩岸向中心方向呈降溫的趨勢; 夏季表層海水溫度分布與春季相似;秋季表層海水溫度整體上呈現從核電附近到離岸逐漸降低的趨勢, 低值區位于調查海域的北部; 冬季上游方向海水溫度相對較低, 而入海口處水溫較高。整體上, 表層水溫相對較高, 底層相對較低, 但差異并不明顯; 不過, 表、底水溫平面分布有明顯的變化趨勢, 均呈現與岸線平行的帶狀分布趨勢。水溫一定程度上受到核電溫排水的影響, 各季節核電附近水溫相對較高。同時, 該海域水溫還受到杭州灣外海海水涌入的影響, 如冬季, 入海口方向水溫相對較高。大多季節溫度的分布也受到了東南側陸地的影響,近岸溫度相對離岸較高。可見, 調查海域各季節水溫的分布受溫排水、海水入侵以及地形的影響較大。

各季節表層鹽度的水平分布見圖2, 從圖中可以看出, 春季水體表層鹽度分布趨勢為從入海口向上游方向逐漸降低; 夏季表層水體的鹽度分布與春季類似, 鹽度的高值出現在監測海域東北部入海口處;秋季呈均勻帶狀分布, 海水鹽度自核電站沿岸海域到離岸海域逐漸上升; 冬季表層水體鹽度分布呈現從上游向入海口方向逐漸升高的趨勢。整體上表層鹽度相對較低, 底層相對較高, 各個季節表底層鹽度數值相差不大, 垂直分布差異也不明顯; 除了冬季, 其他季節表、底層鹽度平面分布相似; 四個季節普遍呈現從上游向入海口方向逐漸增高的趨勢。

圖2 錢塘江河口溫度(℃, 實線)和鹽度(虛線)的分布Fig.2 Distributions of temperature and salinity (blue line) in the Qiangtangjiang Estuary

總體而言, 海水鹽度春季和夏季相對較低, 主要是河流徑流量在這兩個時期相對較高, 淡水稀釋作用更明顯。調查海域鹽度的分布與變化主要取決于江河入海徑流量的多少及海水上涌的強度, 因此,調查水域鹽度受到明顯的潮汐作用影響。春季和夏季上游流域雨量較大, 鹽度相對較低; 入秋以后, 降雨量減小, 徑流量也隨之減小, 河口水體鹽度因此增加, 使得鹽度的分布更多的受到潮汐與海水涌入的影響。

2.2 溶解硅的分布特征

調查海域溶解硅的濃度見表1。研究區域內溶解硅濃度在秋季(95.4 μmol/L)最高, 夏季(87.2 μmol/L)次之, 春季(70.6 μmol/L)與冬季(70.3 μmol/L)較低。從圖3可以看出, 春季表層海水溶解硅分布在北側海域相對較低; 夏季表層海水溶解硅分布呈近岸高、離岸低的趨勢, 最低值位于調查海域中部; 秋季溶解硅分布較復雜, 無明顯特征; 冬季表層海水溶解硅分布相對均勻, 整體上近岸海域高, 離岸海域低。可見, 各個季節表、底層水體溶解硅春季和夏季差異不大, 垂直分布差異不明顯, 秋季和冬季表、底層差異性較大。調查海域Si/N年平均值為0.52, 低于浮游植物生長較理想的 Redfield比值[15], 因此該海域存在潛在的硅限制情況, 但不存在絕對濃度[16](<2 μmol/L)上的硅限制。

圖3 錢塘江河口溶解硅的分布(μmol/L)Fig.3 Distributions of dissolved silica in the Qiangtangjiang Estuary

表1 錢塘江河口硅酸鹽濃度和范圍(μmol/L)Tab.1 Average values and ranges of dissolved silica in the Qiangtangjiang Estuary (μmol/L)

本研究溶解硅數據與高生泉等[8]的研究結果相近。由溶解硅與鹽度的關系還可以看出(圖4), 該海域表層溶解硅均與鹽度呈負相關關系(P<0.01), 這表明外海海水對研究區域內溶解硅的濃度存在稀釋作用, 而溶解硅與鹽度的負相關關系也表明錢塘江沖淡水對該海域物質分布與輸送的影響。Gao 等[4]的研究還表明, 杭州灣溶解硅呈現出保守性; 根據河口理論稀釋線的原理, 可以看到錢塘江河口溶解硅在春季明顯低于歷史同期, 而在冬季則高于歷史同期。溶解硅季節變化很大程度上是由于杭州灣外東海海洋環境的變化所致; 研究表明[17]鄰近的東海水域溶解硅濃度呈降低的趨勢, 春季東海相對較高的初級生產力降低了其海水中溶解硅的濃度, 也導致杭州灣內溶解硅濃度的下降。

圖4 錢塘江河口溶解硅與鹽度的關系Fig.4 Relationships between dissolved silica and salinity in the Qiangtangjiang Estuary

表2數據表明, 錢塘江水體中溶解硅濃度為128 μmol/L, 略高于長江[11-12]; 與 1989年~1990年調查數據相比[4], 錢塘江河口所處的杭州灣上游區域溶解硅呈下降趨勢, 年內降幅約為 10.7~31.8 μmol/L,較歷史水平降低了12%~25%; 硅氮比也有大幅度的降低, 自1.25降低到0.52。另外, 在1981~1982年間杭州灣外鄰近水域溶解硅濃度為 30.7~49.7 μmol/L[4],而近些年來鄰近杭州灣的東海水體溶解硅濃度為20.3~37.4 μmol/L[8], 這表明外海溶解硅降低了約10 μmol/L。在1981年~1982年, 錢塘江溶解硅的濃度約為 131 μmol/L, 與之相應的錢塘江溶解硅向河口的輸送通量為16.3×104t/a[4]; 2004年, 錢塘江溶解硅的濃度約為 128 μmol/L[18], 這表明錢塘江溶解硅濃度的變化并不明顯。研究區域鹽度介于6.31~12.5之間, 而河流端的鹽度值一般接近于0, 杭州灣外的水體鹽度值約為 22.5[8], 因此在鹽度保守的情況下有 28%~56%的外海水體涌入研究區域, 其必然成為控制該海域硅營養鹽分布的重要因素。可見, 研究區域溶解硅濃度降低的原因很大程度上是由于該海域相鄰的東海海域海洋環境變化所致; 研究資料顯示, 灣外東海海域生物量相對于歷史水平普遍較高[13], 這一定程度上導致了灣外海域硅消耗量的增加以及溶解硅濃度的持續降低; 東海與灣內水體的交換過程使得灣外向灣內輸送硅通量的減少以及研究區域內溶解硅濃度的降低。

表2 錢塘江河口營養鹽(μmol/L)和硅氮比的比較Tab.2 Comparisons between nutrients (μmol/L) and Si/N in the Qiangtangjiang Estuary

2.3 浮游植物生物量對溶解硅分布的影響

調查海域水溫介于7.48~31.4 ℃, 透明度為0.1 m,由公式(6)計算真光層約為 0.3 m, 根據公式(5)計算該水域同化系數為 2.23~4.00, 再依據葉綠素a含量(0.64 mg/m3)以及硅藻在浮游植物中的比例(87.5%~96.8%)以及現場透明度的數據, 可以大致得到該水域硅藻生產力為1.14~5.70 mg C/(m2·d), 根據硅碳轉化系數(C∶Si為 108∶16)可知消耗的溶解硅速率大約為0.17~0.86 mg Si/(m2·d), 可見與水體現存的溶解硅濃度(1980~2680 mg/m3)相比, 錢塘江河口內的較低的浮游植物生物量很難對水體溶解硅濃度產生大的影響。再次證實, 造成該水域溶解硅濃度降低的原因很大程度上是由于相鄰的東海溶解硅濃度的降低。

不過, 由于近年來人類活動的影響, 杭州灣內營養鹽水平和結構發生了較大的變化, 這可能造成浮游植物生物量和結構發生了微妙的變化。1989年~1990年的調查中[5], 共檢出浮游植物種數228種, 其中硅藻209種, 綠藻13種, 藍藻4種, 甲藻2種, 網采浮游植物平均量為 223×104個/m3; 本次調查中,共檢出浮游植物種數62種, 其中硅藻51種, 甲藻4種, 藍藻 3種, 綠藻 2種, 網采浮游植物平均量為45.5×104個/m3; 可見, 與1989年~1990年調查相比,浮游生物的種數和量也都有明顯的下降, 硅藻的種類數減少了近 70%, 另外部分季節浮游生物的優勢種也有變化, 冬季的優勢種由 1989年~1990年的中肋骨條藻變為圓篩藻。浮游植物種群和數量的變化也導致了該海域葉綠素a含量的明顯降低。造成這方面變化的原因很可能與營養鹽濃度和結構變化有關, 硅氮比或氮磷比往往是優勢種生物量的限制性因子, 如春季的硅氮比與夏季的氮磷比均對該海域優勢種的數量產生了限制。

從目前可獲取的數據來看, 盡管錢塘江河口大部分水域營養鹽較高, 但研究區域并沒有赤潮發生的紀錄; 錢塘江河口潮流強, 相對較高的水體渾濁度導致其生物量普遍較低, 因此其“河口過濾器”效應是有限的。由此可見, 營養鹽豐富的水域, 生產力并不一定高, 同時由于存在著多種不利于浮游植物繁殖的環境因子的綜合影響, 營養鹽不能被充分的利用而顯得過剩, 反而會使得相鄰的水體存在潛在的富營養化以及導致赤潮發生的潛在風險, 從而影響區域物質的循環過程與生態安全。由于灣內浮游植物對溶解硅的吸收/消耗作用有限, 杭州灣向東海的輸送通量應與河流輸送值相近, 不過由于杭州灣近海的氮磷負荷超過了硅的輸入量, 使得灣內營養鹽結構發生了不利于硅藻生長的變化, 這很可能對鄰近的東海水域產生較大的影響, 從而增加誘發赤潮的潛在風險, 應加強監測。

3 結論

1) 研究區域受到河流和東海的雙重影響, 表現出明顯的梯度變化與季節規律, 溶解硅濃度在秋季(95.4 μmol/L)最高, 夏季(87.2 μmol/L)次之, 春季(70.6 μmol/L)與冬季(70.3 μmol/L)較低。

2) 與歷史數據相比, 近些年來溶解硅濃度呈降低趨勢, 并較歷史水平降低了 12%~25%; 硅氮比也有大幅度的降低, 自 1.25降低到 0.52。錢塘江河口內較低的浮游植物生物量對溶解硅濃度影響有限,其濃度的降低主要是由于東海低溶解硅濃度的海水稀釋所致。

3) 與歷史數據相比, 錢塘江河口海域葉綠素a明顯降低, 浮游植物細胞總量和種數也有下降, 硅藻種類數減少了近70%, 還出現了綠藻、藍藻和甲藻等非硅藻類浮游植物, 造成這方面變化的原因很大程度上與營養鹽結構和濃度的變化有關。

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