南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節變化及潛在性富營養化分析

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 凌云, 沈輝, 高繼先, 劉培廷, 張朝暉

江蘇省海洋水產研究所, 南通 226007

南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節變化及潛在性富營養化分析

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 凌云, 沈輝, 高繼先, 劉培廷, 張朝暉*

江蘇省海洋水產研究所, 南通 226007

黎慧, 萬夕和, 王李寶, 等. 南黃海輻射沙脊群海域氮磷的季節變化及潛在性富營養化分析[J]. 生態科學, 2016, 35(2): 75-80.

LI Hui, WAN Xihe, WANG Libao, et al. Seasonal change of nitrogen and phosphorus and analysis of potential eutrophication in radial sand ridge group region of the South Yellow Sea[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 75-80.

根據2011年5、8、10月以及2012年2月對南黃海輻射沙脊群海域4個航次海水水質的調查資料, 分析了該海水營養鹽的分布特征和季節變化, 利用潛在富營養化評價模式評價水質營養狀況。結果表明, 無機氮年平均濃度為0.476 mg·L-1, 春季最高, 平均為0.636 mg·L-1。4個季節中溶解無機氮以硝態氮(NO3—N)為主要存在形式, 占年平均含量的 76.6%, 其中以春季比例為最高, 氨氮(NH4—N)占無機氮年平均含量的 23.3%, 亞硝氮(NO2—N)含量較低,全年基本未檢出。磷酸鹽的年平均濃度為 0.164 mg·L-1, 季節變化呈現春季至冬季遞增的分布特征。氮和磷的空間分布基本符合由陸向海逐漸降低的趨勢。本海域春季和夏季屬于中度營養水平, 秋季和冬季屬于氮限制中度營養水平。

南黃海; 輻射沙脊群; 氮; 磷; 潛在性富營養化

1 前言

南黃海輻射沙脊群位于江蘇省岸外海域, 南北長近200 km, 東西寬90 km, 面積約2.8萬km2, 由70多條沙脊和沙脊間潮流通道組成, 呈褶扇狀向海輻射, 是世界上最大的潮間帶輻射狀水下沙脊[1-4]。南黃海輻射沙脊群是優越的“海洋牧場”, 豐富的海洋生物資源交織成復雜的海洋生物網。據報道,南黃海輻射沙脊群及其附近海域的生物資源種類眾多, 主要包括魚類約400種、貝類約40種、甲殼類約50種、鳥類約210種、爬行類約40余種、海生哺乳動物約15種以及海生植物近300種。其中珍稀品種達 10%以上, 有曾經被國際鳥類委員會認定已絕跡的“黑咀鷗”、“扁咀海雀”以及產天然珍珠的斧文蛤等。南黃海輻射沙脊群盛產泥螺、螃蟹、文蛤、青蛤、四角蛤、縊蟶、牡蠣等水產品, 年產量超10萬t。近年來, 關于南黃海輻射沙脊群附近海域的水文動力及地質地貌等方面的研究報道較多[5-7],但此海域的氮磷分布特點及富營養化狀況還少有報道。本研究旨在對2011—2012年南黃海輻射沙脊群海域春夏秋冬四個季節海水環境因子調查的基礎上,分析海水中氮磷營養鹽的季節變化和空間分布, 對該海域的富營養化程度進行評價, 研究結果對南黃海輻射沙脊群的開發具有指導意義, 為進行海洋環境的污染防治提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 站位設置及調查時間

根據南黃海輻射沙脊群的地理位置及海洋環境資料[2-5], 本次調查在“東沙”和“高泥”人工島工程海域(32.3°—33.5°N, 120.6°—岸線)設置5條調查斷面, 共30個站位。調查時間為2011年5月(春季)、8月(夏季)、11月(秋季)及2012年2月(冬季), 站位分布見圖1。

圖1 南黃海輻射沙脊群海域調查站位分布Fig. 1 Distribution of sampling stations

2.2 分析項目和方法

水樣的采集、保存及分析方法均參照GB 17378.4—2007《海洋監測規范—海水分析》進行[8]。采集表層水樣, 水樣經0.45 μm醋酸纖維濾膜(450 ℃灼燒4 h) 過濾后置于聚乙烯瓶中, –20℃冷凍保存。水樣測定分析項目包括NO3—N、NO2—N、NH4—N、PO4—P。樣品采用LACHAT 8500 S2型流動注射分析儀進行測定, 總溶解無機氮(DIN)以NO3—N、NO2—N 及NH4—N三項之和計算。其中NO3—N采用鎘柱還原法(檢出限為5 μg·L-1)、NO2—N采用萘乙二胺分光光度法(檢出限為5 μg·L-1)、NH4—N采用靛酚藍法(檢出限為5 μg·L-1)、PO4—P分別采用磷鉬藍分光光度法(檢出限為5 μg·L-1)進行分析。

1.3 潛在富營養化評價方法

本文采用了郭衛東等[13]提出的潛在性富營養化的營養級分級模式對調查海域的營養狀況進行評價,這是基于N/P 值的一種新的富營養化分級標準及相應的評價模式, 進一步評價營養級類型, 其營養級劃分原則見表1。當N:P比大于30時, 劃為磷限制海區; N:P比小于8時, 劃為氮限制海區。

3 結果與討論

3.1 南黃海輻射沙脊群海域無機氮的季節變化及平面分布

氮是海洋浮游植物生長繁殖所必需的營養鹽, 氮濃度過低是浮游植物生長的限制因素, 可降低海洋初級生產力; 氮濃度過高則會導致富營養化和赤潮發生,損害海洋生態環境[9,10]。研究表明, 南黃海輻射沙脊群海域DIN含量普遍較高, 全年平均濃度為0.476 mg·L-1,其中以春季的DIN含量最高, 濃度范圍在0.30—1.29 mg·L-1之間, 平均值為0.64 mg·L-1; 夏季次之,濃度范圍在0.27—0.75 mg·L-1, 平均值為0.51 mg·L-1;秋季再次, 濃度范圍在0.199—0.595 mg·L-1, 平均值為0.406 mg·L-1; 冬季最低, 濃度范圍在0.157—0.564 mg·L-1之間, 平均值為0.356 mg·L-1。如圖2(A)所示, 春季由于河口營養鹽的注入, 致使入海口附近海域有兩個明顯的DIN高值區; 夏季調查海域南部的水體受到長江沖淡水的影響, DIN水平較高, 向北依次遞減。另外, 由于浮游植物在夏季光合作用較強 DIN的消耗速率加快, DIN的水平分布較為均勻, 其濃度由沿岸到海洋逐漸降低, 如圖 2(B)所示; 秋季和冬季 DIN含量持續降低, 分布與夏季類似, 均呈現由陸向海逐漸降低的規律。

表1 潛在性富營養化評價模式營養級的劃分原則Tab. 1 The principles on classification of nutrient levels with the potential eutrophication assessment model

圖2 南黃海輻射沙脊群海域DIN的季節變化Fig. 2 Seasonal variation of DIP in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

海水中的溶解性DIN包括NO3—N、NO2—N 和NH4—N三種, 是海水富營養化的重要指標之一。南黃海輻射沙脊群海域的四季研究結果顯示, NO3—N 在DIN組成中占較大比例, 范圍在1.4—98.3%, 平均值為76.6%, 春季為1.4%—73.2%, 夏季為88.3%—94.6%, 秋季為79.0%—92.8%, 冬季為49.7%—91.8%,其中夏季最大, 平均值為94.6%, 除了春季, 其他三季均在 80%以上(見圖 3)。NH4—N所占比例在1.68%—56.7%之間, 其中春季最高, 約占 56.7%。NH4—N被認為是浮游植物和大型海藻首先吸收的氮源, 無需改變氮的價態即可被浮游植物直接吸收利用, 當海水中 NH4—N幾乎被耗盡時, 才會吸收其他形態的氮[9]。由圖3所示, 相對于春季, 夏季浮游植物迅速生長繁殖, NH4—N所占比例顯著降低。浮游植物對氮的吸收利用究竟以何種形態為主, 一方面取決于浮游植物的種類和其營養狀態, 另一方面還與NH4—N及NO3—N的相對濃度密切相關。夏季高溫時, 在海水硝化細菌的作用下, NH4—N能過硝化反應轉化為 NO3—N的速率增加, 也是造成夏季NH4—N大輻降低的原因之一。NO2—N在一年四季中所占比例極小, 絕大多數站位都未檢出,這與亞硝酸鹽的熱力學不穩定性有關。因此, 南黃海輻射沙脊群海域營養鹽水平是營養鹽補充和生物活動消耗之間消長和平衡的結果, 該海域作為潮流變化較大的海域, 同時又是重要的漁業養殖區, 無機氮水平受多種因素影響, 具有變化幅度大、速度快的特點[10,11]。

3.2 南黃海輻射沙脊群海域無機磷的季節變化和平面分布

PO4-P也是海水富營養化的重要指標之一, 磷是海洋浮游植物繁殖和生長必不可少的營養要素之一, 也是海洋生物產量的控制因素之一, 在全部生物代謝過程中起著重要作用[9,12]。南黃海輻射沙脊海域中 PO4—P的含量較為豐富, 全年平均濃度為0.164 mg·L-1, 輻射沙脊群海域春季PO4—P含量的平均值為0.09 mg·L-1, 最低值為0.03 mg·L-1, 最高值為0.35 mg·L-1; 夏季PO4—P含量的平均值為0.14 mg·L-1,最低值為0.03 mg·L-1, 最高值為1.66 mg·L-1; 秋季PO4—P含量的平均值為0.19 mg·L-1, 最低值為0.06 mg·L-1,最高值為0.38 mg·L-1; 冬季PO4—P含量的平均值為0.24 mg·L-1, 最低值為0.12 mg·L-1, 最高值為0.50 mg·L-1。PO4—P全年含量以冬季最高, 夏、秋次之, 春季最低?？臻g分布如圖4所示, PO4—P的分布整體上呈現陸向海逐漸降低的規律, 春季這個趨勢較明顯,而夏季在調查海域中部出現一個高值中心, 秋冬兩季分布相似, 在近岸海域有兩個高值區, 向外則呈現逐漸降低的趨勢。

圖3 南黃海輻射沙脊群海域DIN的形態組成Fig. 3 Formation of DIN in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

海水中的磷含量受生物活動規律及其他因素的影響而存在著季節變化。夏季表層海水的光合作用強烈, 浮游植物快速繁殖, 會攝取海水中較多的磷,而冬季海水對流混合劇烈, 使底部沉積物中的 PO4—P補充到上覆蓋海水中, 含量上升, 達到全年最高值[12], 輻射沙脊群海域的 PO4—P變化也符合此規律。張正斌[12]所做的調查結果表明, 我國近海水域PO4—P含量的季節變化特征明顯, 呈現春、夏、秋、冬依次遞增的規律, 福建海岸帶東的大鵬灣和珠江口的深圳灣, 以及大亞灣西南部海區的PO4—P季節變化也表現出相同的特征[16,17,20]。

3.3 南黃海輻射沙脊群海域富營養化評價

由于營養鹽的限制, 海水中部分氮(對磷限制水體而言)或磷(對氮限制水體而言)相對過剩。而根據現行富營養化評價標準或評價模式, 這部分過剩的氮或磷可使海區的營養化水平提高, 甚至出現通常意義上的富營養化, 但實質上卻并不能全部被浮游植物所利用。這部分過剩的營養鹽不應被視為對實質上的富營養化作了貢獻, 而應看作只具有潛在性[18-20]。即只有當氮限制水體得到適量的磷補充, 或磷限制水體得到適應的氮的補充時, 使N/P值接近 Redfield值, 這部分過剩的氮或磷對富營養化的貢獻才能真正體現出來。這種現象稱為潛在性富營養化[13]。

圖4 南黃海輻射沙脊群海域PO4—P的季節變化Fig. 4 Seasonal variation of DIP in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

南黃海輻射沙脊群海域的磷含量在0.03—045 mg·L-1之間, 春季和夏季氮磷比值在8—30之間, 根據營養級劃分原則, 屬于中度營養, 秋季和冬季氮磷比小于8, 根據營養級劃分原則, 屬于氮限制中度營養海域, 詳細分析見表 2。可以看出, 從春季至冬季, 氮磷比值不斷降低, 從中度營養水平逐漸變為氮限制性中度營養水平, 這由于 DIN隨季節不斷降低和PO4—P不斷升高, 盡管從春季開始, 浮游植物的大量繁殖消耗了大量營養鹽, 但海域的本底濃度較高,加上沿岸河口不斷有新的營養鹽注入, 使得輻射沙脊群海域全年都保持較高的營養鹽水平, 這與輻射沙脊群海域海岸坡度平緩, 水深較淺, 而且導致海水的稀釋能力差也有一定關系。另外, 沙脊群海域含沙量較高, 且冬季較夏季高[24-25]。當冬季海水對流混合劇烈時, 使懸浮泥沙以及沉積物中的PO4—P迅速補充到上覆蓋海水中, 從而含量達到全年最高值[12]。

根據郭衛東的研究結果, 秦皇島沿岸(1986—1990年)的枯水期和大鵬灣(1991年)為氮限制潛在富營養, 其他中國近岸海域基本處于磷限制或磷中等限制潛在富營養化[14-15]。南黃海輻射沙脊群海域的富營養化等級相對少見, 與中國近岸海域的富營養化特征不符, 而國外近岸海域的N/P一般小于15(如紐約灣等), 這種結果可能與輻射沙脊群海域的地型特征、水文動力及相關海域水產養殖模式有關[22-23]。輻射沙脊群海域整體水深較淺, 水體中泥沙含量較高, 在潮流動力的作用下, 泥沙及底部沉積物更容易將吸附的PO4—P釋放到水體中[24-25],而其他大部分(如膠州灣, 大鵬灣等)海區多為基巖海岸, 其水體較深, 泥沙含量少, 從而使輻射沙脊群海域呈現與其他海域不一樣的富營養狀況。

表2 輻射沙脊群海域氮磷含量、氮磷比及潛富營養化等級Tab. 2 Contents of nitrogen, phosphorus, N/P and eutrophication levels in sea waters

4 結論

(1) 2011-2012年南黃海輻射沙脊群海域氮磷含量都處于較高水平, DIN的年平均濃度為0.476 mg·L-1,春季最高, 平均為0.636 mg·L-1, 夏秋次之, 冬季最低; PO4—P的年平均濃度為0.164 mg·L-1, 呈現春、夏、秋、冬依次上升的趨勢。PO4—P的濃度最高值為1.66 mg·L-1, 出現在夏季。

(2) 南黃海輻射沙脊群海域 4個季節中溶解DIN以NO3—N為主要存在形式, 占年平均含量的76.6%, 其中以夏季含量最高, 為 94.63%; NH4—N 占 DIN年平均含量的 23.3%, 其中以春季最高, 占56.68%; NO2-N全年含量均較低, 基本未被檢出, 僅占DIN年平均含量的0.02%。

(3) 南黃海輻射沙脊群海域氮磷的平面分布差異不大, 整體上呈現近海岸濃度高、外海濃度低的特點, 空間分布基本符合由陸向海逐漸降低的趨勢。

(4) 南黃海輻射沙脊群海域春季和夏季屬于中度營養, 秋季和冬季屬于氮限制中度營養。對南黃海輻射沙脊群海域富營養化評價結果, 對相關海域的海洋環境保護、海岸帶管理及適度開發利用水域潛力、水產養殖等提供了詳細的基礎資料。

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Seasonal change of nitrogen and phosphorus and analysis of potential eutrophication in radial sand ridge group region of the South Yellow Sea

LI Hui, WAN Xihe, WANG Libao, LING Yun, SHEN Hui, GAO Jixian, LIU Peiting, ZHANG Chaohui*
Institute of Oceanology and Marine Fishersies,Jiangsu Nantong226007,China

The distribution characteristics and variations of nutrients in the radial sand ridge group region of the South Yellow Sea were analyzed on May, August and October of 2011, and February of 2012, and the potential eutrophication of water quality was assessed. Our results showed that the annual mean concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) were 0.476 mg·L-1. The concentration of DIN in spring was 0.636 mg·L-1, higher than those of other seasons. NO3—N was dominant in spring, contributing to 76.6% of annual mean DIN content. NH3—N accounted for 23.3% of annual DIN concentration. The concentration of NO2—N was not detected at almost all stations. The annual mean concentration of active phosphate was 0.164 mg·L-1, higher than values of other seasons. The spatial distribution of nutrients was in line with trend that the nutrient concentration gradually downward from neritic areas to offshore areas. The seawater of this area was in medium trophic level state in spring and summer, and in medium nitrogen- limiting trophic level in autumn and winter.

South Yellow Sea; the radial sand ridge group region; nitrogen; phosphorus; potential eutrophication

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.012

X834

A

1008-8873(2016)02-075-06

2014-12-10;

2015-02-03

國家科技支撐計劃課題(2012BAC07B03); 國家海洋局海洋生態環境科學與工程重點實驗室2013年度開放基金(MESE-2012-03); 2014江蘇省科技條件建設財政專項(BM2014040)

黎慧(1985—), 女, 山東泰安人, 碩士, 助理研究員, 主要從事海洋生態學研究, E-mail: xh0922@163.com

*通信作者:張朝暉, 男, 博士, 研究員, 主要從事海洋生態學研究, E-mail: zzh6495@sohu.com