黃渤海氮磷營養鹽的分布、收支與生態環境效應

趙晨英,臧家業,劉 軍,2,孫 濤,冉祥濱*

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趙晨英1,臧家業1,劉 軍1,2,孫 濤1,冉祥濱1*

(1.國家海洋局第一海洋研究所生態研究中心,山東 青島 266061；2.中國海洋大學,海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

基于在黃渤海的綜合調查結果,分析了水體和沉積物間隙水中溶解無機氮(DIN)和溶解無機磷(DIP)的分布;結合歷史數據構建了黃渤海DIN和DIP的收支模型,并分析了陸源輸入變化對研究區域生態環境的影響.結果表明,黃渤海DIN和DIP的含量受季節、河流輸入和沉積物界面擴散作用的影響,具有秋季高于春季和近岸高于離岸的時空分布特征.收支模型計算結果表明,底界面擴散是黃渤海水體DIN的主要來源,其次是大氣、周邊河流、地下水和東海的輸入;黃渤海水體DIN的支出主要是通過沉積埋藏和反硝化.黃渤海水體DIP的來源主要是磷酸鹽吸附解吸,占91%,底界面擴散和大氣輸入為其次,河流和地下水的輸入貢獻較小.DIP的支出主要是通過沉積埋藏和向東海的輸出.黃渤海每年有11Gmol的氮在水體積累,并導致其濃度提高約0.6μmol/(L·a).近些年來陸地向黃渤海輸入氮的持續增加,加劇了氮營養鹽的積累,導致非硅藻類浮游植物比例以及赤潮發生頻率和面積顯著增加,同時還提高了水體初級生產力和海洋磷的埋藏量以及加劇了磷限制的趨勢,并可能威脅生態系統的穩定.

黃渤海；溶解無機氮；溶解無機磷；收支

營養鹽的濃度和結構深刻影響著海洋浮游植物初級生產力和種群結構[1-2].近年來,人類活動改變了陸架邊緣海營養鹽的水平和循環模導致近海富營養化加重,有害赤潮頻發,以及浮游生物群落改變等[3-7],這嚴重威脅甚至破壞了海洋生態系統的穩定.因此,陸架邊緣海營養鹽的生物地球化學循環和收支過程的研究是海洋環境變化研究和管理以及海洋環境治理的基礎,也是碳循環研究中非常重要的一個方面[1,8],為當前全球環境變化領域研究的熱點.

盡管陸架邊緣海區僅占全球海洋面積的8%左右[9],但該區域初級生產水平顯著高于大洋[3],在物質循環和全球氣候變化方面發揮著重要的作用[10-12].然而,近年來陸地地表過程變化和人類活動增強顯著改變了邊緣海獲取營養鹽的總量和生態功能[13-15],使之成為全球環境變化研究熱點區域.渤海和黃海作為典型的半封閉型陸架邊緣海[16],是人類活動和地表變化影響最為突出的海區之一.近年來日益增強的人類活動顯著改變了黃渤海入海河流營養鹽的含量和結構[13,17-21],這必然改變該海域營養鹽的水平和結構[2,22-24],從而打破水體原有的營養鹽平衡,造成黃渤海的浮游植物群落組成和初級生產的變化[2,22,25],產生深遠的生態環境效應[2,18,22,25].更為關鍵的是,由于黃渤海水體停留時間較長[22,26],其內部營養鹽水平和結構的變化對生態系統的影響可能比其它開放水域更深遠.因此,我們有必要對黃渤海營養鹽的來源、循環過程和生態效應等進行深入的研究.但目前已有的收支研究多局限于有限的時間或空間范圍內,缺少營養鹽積累和反硝化作用等關鍵過程以及陸源輸入在近海生態環境中所發揮的作用等方面的量化分析.在陸地營養鹽輸入變化和海洋營養鹽限制日益突出的今天,有關黃渤海氮(N)與磷(P)營養鹽的收支及控制機制方面的研究則顯得尤為重要.

本文根據黃渤海、黃河和長江的綜合調查以及相關的歷史資料,分析了黃渤海氮和磷的組成與分布,建立了黃渤海氮-磷的收支模型,討論了影響該區域氮和磷分布、界面通量和埋藏的主要生物地球化學循環過程,探討了河流物質輸入變化對黃渤海氮-磷循環和生態環境造成的影響,以期為全面理解黃渤海乃至中國東部陸架海域環境演化預測提供依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

于2012年春季(5月3~24日)和秋季(11月2~20日)搭載“東方紅2”號調查船在黃渤海進行了海洋科學綜合調查,采樣站位如圖1所示.使用溫鹽深儀(Seabird 911CTD Plus)采集水樣,同時獲取水體溫度與鹽度等水文參數;部分站位采集了表層沉積物和柱狀沉積物樣品.

取500mL的水樣用孔徑0.45μm聚醚砜(預先用體積比1:1000HCl溶液浸泡24h,并以Milli-Q水洗至中性,45℃烘干稱重)過濾,濾液分裝于聚乙烯樣品瓶中(樣品瓶預先在1:5HCl中浸泡48h以上,用Milli-Q水清洗數遍)中,20℃冷凍保存,用于硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO2-)、銨鹽(NH4+)與無機磷酸鹽(DIP)營養鹽的測定.現場用箱式采泥器采集表層沉積物,上覆水采集后,取表層沉積物(0~1cm)于密封袋中,冷凍保存.部分站位在采集表層沉積物的同時采集了柱狀沉積物樣品(采樣管內徑=9cm),現場分割取樣,取樣間隔為1cm,并取50g新鮮沉積物離心過濾制得間隙水.上覆水和間隙水樣品處理和保存方法同水樣,用于分析溶解無機氮(DIN)和溶解無機磷(DIP),沉積物烘干后用于有機氮(ON)的分析.

DIN和DIP利用QUTRRAO(德國SEAL公司)自動分析儀進行測定,相對標準偏差<5%. DIN=NO3-+NO2-+NH4+.沉積物有機氮分析采用元素分析儀(利曼公司,Euro Vector EA3000)進行測定;分析前沉積物先用4mol/L的HCl清洗后,洗至中性并低溫烘干,上機測試;有機氮標準為C8H9NO(E1101,Euro Vector S.p.A,Italy),相對偏差<10%.

1.2 收支計算

黃渤海的氮和磷收支評估為穩態零維箱式模型,即以水體為收支計算的核心,考慮主要的水文、化學與生物過程,將和DIP的外源輸入(河流輸入、大氣干濕沉降、東海的輸入、底界面的擴散和地下水輸入等)以及支出(黃海向東海的輸出、反硝化作用和沉積埋藏)以及內部過程(初級生產消耗和降解作用)等納入到模型中,氮和磷在初級生產、沉積和內部循環過程中遵循Redfield比值等基本原則[28].水的收支采用劉軍等[27]給出的黃渤海水量收支計算.主要過程的計算方法如下:

1.2.1 初級生產(P) 由于缺少近些年系統的初級生產的實測數據,黃渤海全年的初級生產力(以碳計)根據1984~1985年黃渤海的季節性(2月、5月、8月和11月)調查資料[29],以及利用分級初級生產力模式反演2003~2005年黃渤海年平均初級生產力[30],綜合確定并結合Redfield比值(C:N:P= 106:16:1)估算出浮游植物從海水中吸收DIN和DIP的速率,再根據黃渤海的水域面積(黃海: 38.0×1010m2,渤海:7.7×1010m2[16])計算因初級生產力所消耗的DIN和DIP的總量.

1.2.2 河流輸入(R) 黃渤海沿岸陸源輸入主要考慮影響較大的12條河流,根據多年的水文數據和營養鹽監測資料,通過累加得到黃海與渤海主要入海河流的DIN和DIP的入海通量.其中,黃河和長江的營養鹽來源于本課題組2013~ 2014年在長江(觀測點:長江江陰大橋)和黃河(觀測點:黃河勝利浮橋)現場調查,其它河流數據均引自歷史文獻資料(表1).考慮到長江并非主要輸入到黃海,按其入海徑流總量的14.1%[31]計算.

1.2.3 大氣輸入(A) 黃渤海DIN和DIP的大氣干濕沉降依據黃?；厩Ю飵r島[32-33]降水和氣溶膠中和DIP的濃度,以及黃渤海降水量[34],干沉降速率[33]和黃渤海水域面積計算得到.

1.2.4 黃海(Y)與東海(E)水交換 黃海與東海之間的水交換主要考慮東側北上的黃海暖流、黑潮支流和西側南下的蘇北沿岸流.根據本研究和東海DIN和DIP的相關資料(表1)以及水交換通量為基礎估算黃渤海和東海DIN和DIP的交換通量.

1.2.5 沉積物—水界面釋放(BD) DIN和DIP在沉積物—水界面的擴散通量根據Fick第一擴散定律[35]計算:

式中:F為擴散速率mol/(m2d),負號表示擴散是由沉積物向水體方向進行的;為沉積物孔隙率,引自文獻[36]相同或相近站位數據,0.55~0.83;s為沉積物中DIN和DIP的擴散系數;?/?為沉積物水界面處DIN和DIP的濃度梯度;0為無限稀釋溶液中溶質的分子擴散系數[37];為經驗系數,￡0.7,=2;>0.7,=2.5~3.0[38].為了減小誤差,除了本研究計算得到的結果,DIN和DIP的擴散速率還引用了渤海[23]和黃海[26]的相關結果,以求覆蓋整個研究海域.

1.2.6 氮和磷的凈埋藏(NB)與沉積量(S) 黃渤海有機氮(ON)和有機磷(OP)的沉積通量由其平均沉積速率和黃渤海面積所得,由于氮磷的快速再生[1,14],將計算結果視為凈沉積通量,即沉積量的一部分;其為沉積物中的過程,不參與水體N和P平衡過程計算.凈沉積速率計算公式如下:

式中:N和P為沉積速率,mol/(m2·a);N和P為沉積物表層有機氮和有機磷含量,%;R為沉積速率,g/(m2·a);w為含水率,%,相關變量見表1.

鑒于氮的快速再生,初級生產轉化的有機氮由水體向沉積物-水界面沉積量應為凈埋藏量與沉積物-水界面釋放量之和.磷的沉積量由Redfield比值根據氮的沉積量計算得出;該計算基于顆粒物在水深較淺的近海沉積所需時間也相對較短,水柱內物理化學過程對氮磷循環的速率差異化改造有限的假設[1].

1.2.7 地下水輸入(GW) 黃渤海地下水DIN和DIP的輸入主要是通過226Ra、228Ra示蹤和端元模型估算地下水交換量[39-40],并根據地下水中DIN和DIP的含量[23,41]求出其通量.

1.2.8 反硝化作用(Den) 反硝化作用作為水體N去除的重要途徑.采用如下經驗公式[42]計算:

Den=16.1×0.30(5)

Den=Den×N(6)

其中:Den為反硝化效率,%;為水體停留時間, month,以月計;Den為反硝化量,Gmol/a;N為外部輸入氮的總量,Gmol/a.該公式基于多個河口和近海水體的觀測結果回歸得到,可表征近岸水體反硝化的特征.另外,中國邊緣海的固氮作用并不強烈,多小于河流輸入和大氣沉降輸入[43],且應被海洋內部的反硝化作用(非外源部分)抵消,因此在本研究中可予以忽略.

1.2.9 磷的吸附解吸與含磷礦物的風化作用(O) 與氮不同的是,磷與顆粒物之間存在強烈的界面作用[44-45],并對水體中磷的含量起到緩沖作用,如顆粒物中生物可利用磷等,其可在磷限制情況下提供生物生長所需要的磷;另外,輸入到海洋的含磷顆粒物以及海底磷酸鹽礦物也會對磷起到補充作用,其負荷采用收支計算的余值求出,正值表示移出,負值則表示添加.在水體氮相比于磷過剩的情況下,這一計算過程具有合理性.計算公式如下:

O=R+GW+A+E+BD-S-Y(7)

1.2.10 內部循環(Rc) 初級生產合成的有機顆粒在向沉積物界面輸送的過程中會有部分氮磷釋放出來,其應為初級生產合成的氮磷總量與沉積通量的差值;與沉積過程一樣,水柱內氮磷的再循環也遵循Redfield比值.

1.2.11 水體氮的累積(Ac) 近年來黃渤海水體氮的濃度逐漸升高,這表明氮存在過剩和累積的現象,其負荷也用收支計算的余值給出,正值表示積累,負值則表示消耗.計算公式如下:

Ac=R+GW+A+E+BD-S-Y-Den(8)

2 結果與討論

2.1 水體中營養鹽分布

2.1.1 水體中DIN的分布特征 研究海域水體DIN的含量變化范圍為0.09~43.6μmol/L,平均值為8.86μmol/L.春季水體DIN的含量介于0.09~ 38.5μmol/L之間,平均值為5.62μmol/L;秋季DIN的含量介于0.21~43.6μmol/L之間,平均值為12.8μmol/L.硝酸鹽貢獻了77%的DIN,是水體DIN的主要形態,亞硝酸鹽和銨鹽的比例分別為17%和6%.

圖2為黃渤海DIN的分布.春季表層水體中DIN呈近岸高、離岸低的變化趨勢,高值區位于黃河口和長江口附近,渤海中部和黃海北部相對較低,表明陸源輸入對于DIN含量和分布的影響較大,尤其是在河口區域,DIN和DIP分布均與鹽度呈相反的梯度變化;底層水體中的DIN在河口區含量也較高,深水區DIN含量較沿岸區域高,這與表層的DIN分布略有不同,可能是受到底界面擴散和有機物降解釋放的影響.秋季水體中DIN的分布與春季相似,但在黃海中部底層出現DIN高值區域,這與黃海冷水團積累效應有關[46].

2.1.2 水體中DIP的分布特征 黃渤海水體DIP的含量變化范圍為0.01~1.71μmol/L,平均值為0.24μmol/L.春季研究區域水體DIP的含量介于0.01~0.71μmol/L之間,平均值為0.13μmol/L;秋季DIP的含量介于0.01~1.71μmol/L之間,平均值為0.37μmol/L.

由圖3可見,春季表底層的DIP分布同DIN的分布相似;秋季底層水體中的DIP在黃海中部海域較高,這是底界面擴散、生物擾動以及冷水團累積效應共同作用的結果.秋季表層DIP的含量在渤海、南黃海和長江口區域含量較高,長江沖淡水作用是長江口DIP出現高值的主要原因;渤海底層水體DIP含量呈沿岸高,離岸低的變化趨勢,尤其是萊州灣海域DIP高出其他海域數倍,這可能是因為底層物質再懸浮和礦化作用和海水養殖共同作用的結果.在真光層,浮游植物光合作用對真光層營養鹽的消耗和底層的營養鹽再生應是表層DIP含量低于底層的主要原因.

2.2 沉積物間隙水中氮磷營養鹽的分布特征

間隙水中氮營養鹽的垂直分布如圖4所示.間隙水中氨氮的含量遠遠高于硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量,是間隙水中氮營養鹽的主要存在形態,其濃度變化范圍在17~1080μmol/L,硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度變化分別為1~20μmol/L和0.1~15μmol/L,這主要是受微生物降解作用以及沉積物中氧化還原條件改變的影響.上覆水－沉積物界面DIN的濃度梯度表明調查站位的氨氮和亞硝酸鹽存在從沉積物向上覆水擴散的現象,其擴散速率分別為3.18mmol/(m2·d)和0.013mmol/(m2·d);DIN擴散速率為0.012mmol/ (m2·d).

間隙水中DIP的垂直分布如圖4所示.各站位間隙水中DIP的空間分布差異顯著,其與沉積環境、沉積物類型和早期成巖礦化速率等密切相關.上覆水－沉積物界面DIP的濃度梯度顯示調查站位均存在DIP從沉積物向上覆海水擴散的現象,表明黃渤海沉積物是水體DIP的源,其平均擴散速率0.006mmol/(m2d),與Liu等[23,26]的結果相近.然而,間隙水DIP與DIN的比值(<0.01)遠小于Redfield比值[28],這表明磷酸鹽在沉積物-水界面存在吸附現象,并對磷由沉積物向水體釋放起到緩沖作用.

2.3 黃渤海氮磷營養鹽的收支

2.3.1 初級生產力 海洋中的DIN和DIP主要是通過浮游植物初級生產消耗.經統計黃海和渤海真光層平均初級生產力分別為(112±47)g/ (m2·a)和(155±16)g/(m2·a)(以碳記),換算成黃海和渤海初級生產力所消耗的DIN分別為(1.42±0.59)mol/(m2·a)和(1.95±0.20)mol/(m2·a), DIP分別為(0.09±0.04)mol/(m2·a)和(0.12±0.01) mol/(m·a).由此估算得到黃渤海消耗的DIN和DIP的通量分別為(850±120)mol/(m2·a)和(53± 7.6)mol/(m2·a).

3.3.2 河流輸入 黃渤海主要入海河流徑流量、DIN和DIP的含量及通量如表1所示.沿岸入海河流DIN和DIP的通量為(30±4.1)Gmol/a和(0.44±0.07)Gmol/a.對于DIN而言,入海的12條主要河流中黃河和長江的輸入量占總的河流輸入的15%和49%,鴨綠江、淮河和韓國的漢河(Han River)的輸入量則分別為10%、9%和9%,其余的小河流貢獻了剩余8%;長江(14.1%的徑流量進入黃海)、淮河和漢河是提供DIP的主要入海河流,分別為總的河流輸入量的51%、26%和15%.沿岸河流輸入到黃渤海的DIN和DIP的通量分別占中國入海河流總輸入量[47]的25%和15%.

2.3.3 大氣輸入 根據表1,估算得到黃渤海的DIN的干濕沉降通量為62Gmol/a,黃渤海的DIP的干濕沉降通量為0.49Gmol/a.黃渤海DIN的大氣輸入的量約為河流的2倍,DIP的輸入的量與河流相當,這與黃海的結果相似[26].可見,大氣輸入是黃渤海氮磷營養鹽的重要來源.

表1 黃渤海氮和磷的主要過程 Table 1 Main processes of N and P budget in the Bohai Sea and Yellow Sea

續表1

沉積埋藏海區沉積速率含水率ON含量OP含量ON沉積速率OP沉積速率ON沉積通量OP沉積通量 [g/(m2·a)](%)(%)(%)[mol/(m2·a)][mol/(m2·a)](Gmol/a)(Gmol/a) 渤海0.2~2.8 [58]41[59]0.02~0.080.01 [60]0.100.0037.40.23 黃海0.11~0.66 [61]33 [60]0.02~0.100.006~0.014 [62]0.150.004452.68 反硝化海區反硝化速率反硝化效率反硝化量 [kmol/(km2·a)](%)(Gmol/a) 渤海2436319 黃海1334350

注:1墾利黃河浮橋2013~2015年數據(未發表數據);2長江江陰大橋2013~2014年數據(未發表數據);3韓國的河流;其他未標明的數據均來源于本研究或公式計算.考慮到系統誤差,各過程計算的最終結果保留1~2位有效數字.

2.3.4 黃海與東海水交換 黃海西南部水體中DIN和DIP的濃度分別為3.5μmol/L和0.08μmol/L,東海東北部水體中DIN和DIP的濃度分別為5.65,0.05μmol/L.根據表1統計,得到黃海向東海輸出的DIN通量為25Gmol/a,DIP的通量為0.56Gmol/a;東海向黃海輸入的DIN通量為38Gmol/a,DIP的通量為0.33Gmol/a.由此可知,東海向黃海凈輸入的DIN的通量為13Gmol/a,黃海向東海凈輸出的DIP的通量為0.23Gmol/a.

2.3.5 沉積物—水界面釋放 渤海和黃海沉積物—水界面的氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽和磷酸鹽的擴散速率分別為2.81,-0.005,0.013, 0.0062mmol/(m2·d),再根據黃渤海的面積計算得到底界面DIN和DIP的擴散通量分別為350, 0.96Gmol/a.黃渤海相對較高的底界面DIN和DIP擴散通量對于維持水體較高的初級生產力具有重要的意義,同時也是底層水體DIN和DIP濃度高于表層水體的主要原因.

2.3.6 地下水輸入 地下水的輸入對黃渤海氮磷的收支貢獻見表1,其DIN和DIP輸入通量分別為24,0.25Gmol/a.地下水氮磷營養鹽輸入通量與河流的貢獻在同一個數量級上,盡管黃渤海地下水的研究有限,但地下水輸入顯然是陸架邊緣海外部輸入氮磷的重要途徑[48],其對區域海洋物質循環的影響不可忽視.

2.3.7 氮和磷的埋藏通量 由式3和4計算得到黃渤海氮和磷的埋藏通量分別為53, 2.9Gmol/a (表1).結合氮和磷的溶解擴散通量可知,黃渤海氮和磷的沉積通量約為400,25Gmol/a.有機氮和磷的凈埋藏效率分別為沉積通量的13%和12%.上述結果表明黃渤海是潛在的氮和磷的匯,對區域物質循環和碳的保存意義重大.

2.3.8 反硝化作用 渤海和黃海水體停留時間分別為8年[22]和2.2年[26],根據式5計算可知,輸入到渤海和黃海的氮分別有63%和43%由反硝化作用被去除,這一結果與全球輸入到河口海灣的無機氮約50%通過反硝化作用從水體清除[49]的結論相符.根據上述結果計算得到黃渤海反硝化量為69Gmol/a,黃海和渤海的反硝化速率分別為240×103,130×103mol/(km2·a),這一計算結果與世界近岸陸架海域反硝化速率的平均值[610× 103mol/(km2·a)[42]]處于同一量級.

2.3.9 磷的吸附解吸與含磷礦物的風化 根據黃渤海磷收支的分析,得出黃渤海磷的吸附解吸與含磷礦物的風化作用是水體初級生產所需磷的主要供應者,可向水體貢獻約23Gmol/a的活性磷酸鹽.黃渤海表層沉積物中生物可利用磷總量[60,62]與磷的吸附解吸的釋放量相當,表明解吸等過程具備向近海水體貢獻磷的基本的條件以及收支計算的合理性.同時,與Redfield比值[28]相比,沉積物間隙水中DIP含量(圖4)相對于DIN而言普遍較低,也表明沉積物-水界面磷的吸附對磷向水體釋放的影響.

2.3.10 氮的累積 根據氮收支平衡(式8)大約為11Gmol/a的氮在水體累積;若以黃渤海水體體積(1810×1010m3,其中渤海平均水深18m,黃海平均水深44m),黃渤海水體11Gmol/a的氮盈余會提高水體氮的濃度,提高速率約為0.6μmol/(L·a),這與近10年來渤海氮濃度升高超5μmol/L的實測數據相符[22-23].

2.3.11 收支計算 根據黃渤海氮收支的分析,得出黃渤海溶解無機氮收支各過程通量(圖5).對黃渤海而言,初級生產者消耗的DIN的總量為850Gmol/a,這與王保棟等[63]和田恬等[64]的計算相近;估算黃渤海內部循環的DIN的通量為450Gmol/a,內部循環的DIN貢獻了初級生產的53%.收支計算表明河流和大氣輸入,黃、東海水交換,地下水輸入以及底界面擴散釋放等過程提供的DIN的量不足以支撐黃渤海初級生產的量,大部分維持黃渤海初級生產的DIN和DIP更多的來源有顆粒態營養鹽的轉化和有機態營養鹽的降解.從氮的收支過程來看,底界面擴散是黃渤海水體DIN的主要來源,占總輸入的73%;其次是大氣輸入,占13%;河流、地下水和東海輸入的貢獻分別為6%、5%和3%;黃渤海水體DIN的支出主要是通過沉積埋藏和反硝化,其比例分別為85%和15%.黃渤海水體每年氮的積累占河流輸入的37%.

由磷的收支過程得出黃渤海溶解無機磷的收支各過程通量見圖5.年初級生產是磷主要的匯,消耗的DIP的總量為53Gmol/a,該值與田恬等[64]的估算相近;黃渤海水體磷通過生物的吸收與隨后的沉積埋藏,其通量為25Gmol/a(磷依據Redfield比值[28]和氮的沉積通量求出);在黃渤海內部溶解無機磷循環平衡的前提下,我們估算黃渤海內部循環的DIP的通量為28Gmol/a,內部循環的DIP的量貢獻了初級生產的53%,這說明河流和大氣輸入,黃、東海水交換,地下水輸入以及底界面擴散釋放等過程提供的DIP的量不足以支撐黃渤海初級生產的量,其必然存在內部補充作用.在磷收支平衡的前提下,黃渤海水體DIP外源貢獻主要是磷的吸附解吸與含磷礦物的風化作用,其負荷為23Gmol/a,為水體獲取外部磷總量的91%,底界面擴散和大氣輸入,分別占總輸入的量分別為3.8%和1.9%,其次是河流輸入,占1.8%,地下水輸入貢獻為1.0%.DIP的支出主要是通過沉積埋藏和向東海的輸出,其比例分別為97%和3%.磷的埋藏效率((S-BD)/S)約為97%,這與江輝煌和劉素美[65]在渤海的研究結果相符.收支計算表明,黃渤海內部緩沖作用是磷獲得補充的主要方式,超過了河流等外部負荷,這在水體磷限制情況下具有合理性.

2.4 N與P的歷史變化與長期生態效應

由于人類活動影響,黃渤海的營養鹽結構自1980年代至今發生了很大的變化,黃渤海區域水體中DIN含量逐漸增加,DIP卻逐年降低;渤海的DIN由1985年的0.53μmol/L[22]上升到2000年5.12μmol/L再到2012年的10.6μmol/L;DIP則由1960年的0.8μmol/L[2]下降到2012年的0.3μmol/ L.同樣的黃海的DIN由1984年的0.79μmol/L[66]上升到2006~2007年的5.8~9.3μmol/L[24];DIP則由1960年的0.39μmol/L[66]下降到2012年的0.17μmol/L.水體氮磷濃度的相對變化表明磷的埋藏量在增加,而氮與磷非平衡的變化,必將對近海生態系統產生深遠的影響.

更為重要的一點,由于周邊河流河水的氮磷比[13,31,47]明顯高于渤海和黃海的比值,而且DIN的通量也在逐漸增加[13,47],這對黃渤海營養鹽結構(特別是N/P嚴重比偏離Redfield比值)和區域海洋生態系統造成了很大的影響;如圖6所示,黃渤海近幾十年來的赤潮爆發的頻率逐年增加,年赤潮累積發生面積也在逐漸擴大(圖6a和6b),同時渤海初級生產相對于1990年代也有較大幅度的提高,這些很大程度上是由于入海氮營養鹽通量的增加(圖6c,與河流磷負荷無顯著相關關系)提高了近海浮游植物生產力.在收支計算中,沉積物埋藏的氮和磷表明近海沉積物匯的作用將影響包括氮磷在內的物質循環的總量.沉積物中凈埋藏的N/P比(18)遠小于其它外源負荷輸入的N/P比(44~130),這意味著沉積物埋藏磷的相對量比氮多,即表現為水體DIP濃度的逐漸降低,并會進一步加劇磷限制的趨勢,同時也會對近海碳的埋藏產生重要的影響.

陸地氮負荷的增加提高了海洋初級生產力水平(圖6c).若目前的初級生產力水平得以維持一段時間,磷由于初級生產力水平的提高而產生的高的埋藏量會導致其水體濃度進一步的降低,并使得黃渤海水體由潛在的比值磷限制[28]向絕對濃度上的磷限制轉變(即<0.1μmol/L)[74],這對于生態系統而言將是災難性的,尤其在氮累積量逐年增加的當前.因此,我們應該關注黃渤海氮磷營養鹽的結構變化及生態環境效應,并進行陸海統籌,逐步減少陸地氮的排放,以維持海洋生態系統的健康發展.

3 結論

3.1 春季黃渤海水體DIN和DIP的分布有明顯的差異性,高值基本都出現在近岸和河口區域.河流輸入對于其含量與分布影響較為明顯.沉積物間隙水中DIN和DIP濃度顯著高于上覆水體,上覆水－沉積物界面存在DIN和DIP從沉積物向上覆水擴散的現象.

3.2 黃渤海氮的收支評估表明,底界面擴散是黃渤海水體DIN的主要來源,占總輸入的73%;其次是大氣輸入,占13%;河流、地下水和東海輸入分別貢獻了6%、5%和3%;黃渤海水體DIN的支出主要是通過沉積埋藏和反硝化,其比例分別為85%和15%.

3.3 黃渤海水體DIP的來源主要是磷的吸附解吸與含磷礦物的風化作用,其貢獻為91%,底界面擴散和大氣輸入,分別占總輸入的量分別為3.8%和1.9%;其次是河流輸入,占1.8%;地下水輸入貢獻為1.0%.DIP的支出主要是通過沉積埋藏和向東海的輸出,其比例分別為97%和3%.

3.4 黃渤海每年有11Gmol/a的氮在水體積累,并導致氮濃度提高約0.6μmol/(L·a).近幾十年來陸源氮負荷持續增加,提高了磷的埋藏率,并致使黃渤海的營養鹽結構發生了很大的變化,使得水體中氮含量逐漸增加,磷含量逐漸減少,N/P遠大于Redfield值,赤潮發生頻次和累計面積也有較大幅度的上升.我們應該進行陸海統籌,逐步減少陸地氮的排放,以維持海洋生態系統的結構和功能.

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致謝：本研究的現場采樣工作由國家海洋局第一海洋研究所車宏和鄭莉莉等研究生協助完成,在此表示感謝.

* 責任作者, 副研究員, rxb@fio.org.cn

Distribution and budget of nitrogen and phosphorus and their influence on the ecosystem in the Bohai Sea and Yellow Sea

ZHAO Chen-ying1, ZANG Jia-ye1, LIU Jun1,2, SUN Tao1, RAN Xiang-bin1*

(1.Research Center for Marine Ecology, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China；2.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)., 2016,36(7)：2115~2127

Based on results obtained from the comprehensive investigation in the Bohai Sea and the Yellow Sea (BYS), distributions and sources of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and dissolved inorganic phosphorus (DIP) in the sea water and sediment pore water in the study area were discussed; and a budget model of nitrogen (N) and phosphorus (P) in the BYS was established. Concentrations of DIN and DIP in the study area are affected by riverine input and benthic flux. The major sources of the DIN in the water column of the BYS are benthic diffusion, followed by the atmospheric deposition and inputs from adjacent rivers the groundwater and the East China Sea; while the dominant removals of DIN from water column in the BYS are phytoplankton utilization and sedimentation. The key sources of the DIP are phosphorus minerals desorption and weathering, accounting for 91%, followed by benthic flux and atmospheric deposition, then riverine flux and groundwater input; while the dominant outputs of DIP are sedimentation and the outflow to the East China Sea. There was a 11Gmol/a of nitrogen accumulated in the BYS, which would result in an increasing of DIN concentration by 0.6 μmol/(L·a). DIN concentrations and N/P ratio in the Bohai Sea and the Yellow Sea BYS kept increasing in recent decades due to the increasing of nitrogen N accumulation and phosphorus P sedimentation. Terrestrial nitrogen loadings might enhance the primary production and alter the structure and function of ecosystem, which had would have significant effects on the ecosystem of Bohai Sea and Yellow Sea the BYS in the long-time scale. We, therefore, should reduce the riverine nitrogen N loads to maintain the ecosystem stability in the BYS Bohai Sea and Yellow Sea.

Bohai Sea and Yellow Sea；dissolved inorganic nitrogen；dissolved inorganic phosphorus phosphate；flux and budget

X55

A

1000-6923(2016)07-2115-13

趙晨英(1991- ),女,陜西寶雞人,國家海洋局第一海洋研究所碩士研究生,主要從事海洋生物地球化學研究.發表論文1篇.

2015-12-07

國家自然科學基金(41376093,41106072)