東海沿岸海域表層海水酸化趨勢及影響因素研究*

劉曉輝 孫丹青 黃 備 王健鑫①

(1. 浙江海洋大學 海洋微生物分子生態與應用實驗室 舟山 316022;2. 浙江省舟山海洋生態環境監測站 舟山 316021)

自工業革命以來, 人類大量使用化石燃料造成大氣中 CO2濃度從 280×10–6上升至 2015年的400×10–6, 超過了過去80萬年的地球大氣CO2最高濃度(Lüthi et al, 2008)。海洋作為地球上最大的碳匯之一, 吸收了人類CO2排放量的30%—40%(Sabine et al,2004), 這在一定程度上緩沖了大氣中 CO2含量的增速, 但是吸收的 CO2不可避免地會給海洋自身帶來變化, 比如海水 pH降低、海洋中的碳酸鹽平衡體系被打破等(Turley et al, 2006)。目前全球表層海水pH已經下降0.1個單位, 預計到2100年海水pH將下降0.3—0.4個單位, 而到 2300年海水 pH下降將達到0.7—0.8 個單位(Caldeira et al, 2003; Orr et al, 2005)。海洋酸化成為21世紀人類面臨的除氣候變化以外的另一個重大環境問題, 不僅會影響海洋中的碳化學、營養鹽、微量元素等地球化學特性, 而且能影響海洋中浮游動植物、微生物、各種大型動物乃至整個海洋生態系統(張錦峰等, 2015)。

東海是典型的陸架邊緣海, 涵蓋河口、近岸、島嶼等多種生態系統, 具有獨特的海洋生物地球化學特征, 也是開展海洋酸化研究的重要區域。海水 pH是海洋化學環境的關鍵因子, 即使細微變化都可能對整個海洋生態系統產生巨大影響(Feely et al, 2004),而海水中的pH除了大氣CO2作用外, 溫度、鹽度等環境因子也在影響其變化, 另外水體葉綠素a濃度代表著浮游植物的現存量, 是海洋食物網結構和功能的基礎環節, 同時也表征了海洋浮游植物將大氣中的 CO2轉化進入海洋的能力(郝鏘, 2010)。近年來基于海水長期監測數據的分析成為海洋酸化研究的一個熱點(Midorikawa et al, 2012), 但在我國相關報道非常有限, 僅有對渤海(石強等, 2013)和南海(楊頂田等, 2013)進行過類似分析, 而在東海海域都為單年度pH變化及與環境指標相關性分析(王玉衡等, 1990),尚未開展過較長歷史時期 pH年際變化的研究, 也未見有pH與葉綠素相關性的報道。

本文利用 2002—2011年期間東海沿岸海域春、夏、秋三個季節表層海水的 pH、葉綠素a、水溫和鹽度等觀測數據, 重點研究了該海域表層海水pH的年際變化趨勢, 以及 pH與其他環境因子之間的相關性, 其結果將為進一步研究海洋酸化對東海沿岸生態系統的影響, 以及預測未來我國沿海生態安全及海洋生產力的變化提供參考。

1 材料與方法

1.1 調查海區及站點設置

2002—2011年, 本項目組利用專業海洋調查船對東海沿岸海域進行春、夏、秋三季的環境指標監測。本文選擇其中 4個典型區域 16個站點為研究對象,分別為長江口海域(CJ01、CJ02、CJ03、CJ04、CJ05)、杭州灣海域(HZ01、HZ02、HZ03、HZ04、HZ05)、三門灣海域(SM01、SM02、SM03)和椒江口海域(JJ01、JJ02、JJ03), 調查站點具體位置見圖1。

1.2 樣品的采集與測定

根據國家海洋監測規范(GB17378) (中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2008)要求, 分別采集表層以下0.5m處海水用于測定pH、葉綠素a、水溫和鹽度, 其中 pH和葉綠素a濃度分別采用 pH計法和分光光度法測定, 水溫和鹽度則分別采用溫度計和鹽度計直接測定。所有站點的pH數據完整, 但由于航次安排等原因, 部分站點或個別年度的其他環境因子數據會有缺失(具體見結果部分)。

1.3 數據分析

pH和葉綠素a數據主要按時間和空間序列進行分析。pH和葉綠素a的整體變化趨勢都包含了三個季節的數據信息, 對于pH還進行了三個季節的比較,由于葉綠素a的數據量較少, 所以未進行季節間的比較。各因子間的相關性分析采用SPSS19.0軟件進行Pearson相關性分析和雙側顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 東海沿岸海域表層海水pH年際變化

東海沿岸海域表層海水pH的年際變化如圖2所示。從圖中可以統計出共有 10個站點的pH存在下降趨勢, 占到所有站點60%以上, 其中長江口海域的CJ01、CJ02站點和杭州灣海域的HZ01站點pH下降幅度較大, 說明這兩個海域的酸化趨勢比較明顯; 而三門灣和椒江口海域 pH的下降并不明顯, 說明其海水尚未有明顯的酸化趨勢。

圖1 東海沿岸海域采樣站點分布圖Fig.1 The sampling sites of the East China Sea coast

春、夏、秋三季表層海水pH年際變化分別見圖3、圖4和圖5。總體來看, 春季表層海水pH的下降趨勢比較明顯, 而且也比較穩定, 從圖3中可以看出近年來 pH出現連續的下降趨勢; 夏季表層海水 pH的變化范圍比較大, 最小值為 7.75, 最大值為 8.37,從圖4可以清晰地看出pH的年際變化幅度是三個季節中最大的, 其中三門灣海域的pH值在2008年有一明顯低谷, 而椒江口海域的 JJ03站點卻有輕微上升的趨勢; 秋季的 pH年際變化幅度不是很大, 同一海域里的站點pH值變化趨勢大致相同, 但沒有表現出明顯的上升或下降趨勢。對比春、夏、秋三個季節表層海水 pH的年際變化趨勢, 可以看出只有春季的表層海水 pH呈較明顯的下降趨勢, 而夏季和秋季的變化趨勢則不明顯。無論從海域還是季節上分析海水pH的年際變化, 都能發現pH存在下降的趨勢, 這在一定程度上說明了東海沿岸海域表層海水存在一定的酸化傾向。

2.2 東海沿岸海域表層海水葉綠素a年際變化

2002—2011年東海沿岸海域表層海水葉綠素a濃度變化如圖6所示, 從海域上比較, 長江口海域的CJ03站點葉綠素a濃度變化比較大, CJ01和CJ04站點的葉綠素a濃度變化趨勢比較相近, 都表現為先增加后減少的趨勢。杭州灣海域的三個站點葉綠素a濃度變化趨勢都比較接近, 沒有發現明顯的變化規律。三門灣海域的SM03站點葉綠素a濃度要比SM02站點略低, 但從年際變化來看兩者都呈現出先升高后逐漸降低的趨勢。JJ03站點位于椒江口海域附近, 葉綠素a濃度的年際變化差異較大, 也沒有明顯的變化規律。總的來說, 葉綠素a濃度在2007和2008年間有一個明顯的小高峰, 但從 2009年開始濃度相對較低, 呈明顯的下降趨勢。

圖2 表層海水pH整體變化趨勢Fig.2 The annual variation of pH in surface seawater

圖3 春季表層海水pH年際變化Fig.3 The annual variation of pH in surface seawater in spring

圖4 夏季表層海水pH年際變化Fig.4 The annual variation of pH in surface seawater in summer

圖5 秋季表層海水pH年際變化Fig.5 The annual variation of pH in surface seawater in autumn

圖6 表層海水葉綠素a整體變化趨勢Fig.6 The annual variation of chlorophyll a in surface seawater

2.3 表層海水pH與其他環境因子相關性分析

東海沿岸海域 2002—2011年春、夏、秋三個季節的表層海水pH值與葉綠素a濃度、水溫, 鹽度的相關性分析結果如表1—表3所示: 從表1可以看出只有杭州灣海域夏季表層海水的pH與葉綠素a濃度呈極顯著正相關(r=0.526,P<0.01), 而在其他海域兩者間未顯示出顯著的相關性。pH與海表溫度和鹽度也存在一定關系, 從表2可以看出杭州灣海域春夏兩季的 pH與水溫都表現出顯著的相關性, 其中春季為正相關(r=0.390,P<0.05), 夏季為負相關(r=–0.405,P<0.05)。pH與鹽度的關系在各海域表現的更加明顯,從表3中可以發現長江口海域春季表層海水的pH與鹽度存在極顯著的正相關關系(r=0.530,P<0.01), 杭州灣海域的春夏兩季 pH與鹽度都呈顯著的正相關,同時三門灣海域秋季pH與鹽度也表現出一定的正相關關系(r=0.457,P<0.05)。

表1 pH與葉綠素a相關性分析表Tab.1 The correlation analysis between pH and chlorophyll a

表2 pH與水溫相關性分析表Tab.2 The correlation analysis between pH and water temperature

綜合來看, 表層海水pH與葉綠素a濃度、水溫、鹽度等相關性顯著的區域主要集中于杭州灣海域,少量分布于長江口和三門灣海域, 而在椒江口海域沒有明顯的相關性。從季節上看, 夏季 pH與其他環境因子的相關性比較明顯, 春季次之, 秋季最小。

表3 pH與鹽度相關性分析表Tab.3 The correlation analysis between pH and salinity

3 討論

3.1 東海沿岸海域酸化總體趨勢與空間分布特征

目前國外對海洋酸化的歷史數據分析已有較多的報道, Midorikawa等(2012)關于1969—2003年夏季南太平洋海域pH變化趨勢的研究表明pH在整個海區都有下降趨勢, 而極地區域的下降率最高;Polonsky(2012)對黑海表層海水的酸化研究顯示10年尺度下pH的下降特別明顯; Wootton等(2008)對東太平洋沿海海域 2000—2007年的歷史數據研究也表明pH有明顯下降趨勢。研究人員還發現與大洋地區的海洋酸化相比, 近岸海域的 pH下降幅度更為明顯(Byrneet al, 2010; Caiet al, 2011)。國內關于海洋酸化歷史趨勢分析的研究不多, 石強等(2013)研究了渤海1978—2013年間的海水酸化進程, 發現冬季表層和夏季底層海水平均pH年際變化存在顯著性的線性降低趨勢; 楊頂田等(2013)對三亞灣 2000—2010年的監測發現海水 pH出現明顯下降。本研究對2002—2011年東海沿岸表層海水pH的監測數據進行分析, 顯示部分海域站點存在酸化的趨勢, 特別是長江口海域的 CJ01、CJ02站點和杭州灣海域的 HZ01站點。從地理位置上看這幾個站點都在沿岸附近分布,與靠近外海的站點相比有明顯的下降趨勢。對于近岸海域酸化趨勢比較明顯的原因有多種推測, 垚垚湛等(2013)認為近岸海域水層較淺, CO2氣體在水中的溶解一般處于飽和狀態, 水體中的 CO2分壓易隨空氣中 CO2濃度的變化而變化, 是最先也是最容易受到海洋酸化影響的海域; Duarte等(2013)則認為海流作用、營養物輸入和生態系統結構的改變容易造成沿海pH的變化; 我們認為沿岸這幾個站點酸化主要與長江和錢塘江帶來的淡水以及大量有機物質的分解有關。

表層海水pH的年際變化在不同區域其變化規律是不同的, 楊頂田等(2013)比較了中國幾處典型海域的海水pH, 發現各海域水體的pH存在較大差異。我們研究發現長江口和杭州灣海域表層海水pH都呈現出緩慢的下降趨勢, 從空間上看, 長江口海域離岸越近的CJ01站點比離岸越遠的CJ02及其他站點下降趨勢更為明顯, 這一結果與石曉勇等(2005)研究發現的長江口海域pH呈近岸低、外海高的分布趨勢相一致。杭州灣海域HZ01站點的pH變化較大但仍有下降的趨勢, 這可能與沿岸的污染物排放以及海水養殖活動有關, 楊季芳等(2011)也研究發現陸源工業污水的排放、海水增養殖活動、頻繁發生的赤潮等區域生態災害會直接影響該海域水體的 pH。三門灣位于浙江省沿海中部, 是一個半封閉的海灣, 灣內岸線曲折,使其成為具有港口、航道、養殖等多功能的海灣(王奎等, 2007)。三門灣海域pH的年際波動幅度是4個海域中最大的, 從變化趨勢上看沒有明顯的規律可循, 可能與三門灣海域頻繁的人類活動造成水體重度富營養化從而引起浮游植物大量繁殖有一定關聯。離三門灣不遠的椒江口海域水環境質量也不容樂觀,營養鹽也同樣嚴重超標(錢健等, 2016)。該海域表層海水 pH與其余 3個海域相比處于較高水平, 但也沒有明顯的變化規律, 從空間上看呈現出南高北低的規律, 這與王玉衡等(1990)研究發現浙江南部海區隨著緯度的降低pH由北向南逐漸升高的結果相一致。

3.2 東海沿岸海域葉綠素a變化與pH相關性

葉綠素 a是反映海洋中初級生產者浮游植物生物量的一個重要指標, 也是浮游植物進行光合作用的關鍵色素(周偉華等, 2003)。總體而言, 各海域葉綠素 a濃度的空間變化特征表現為三門灣和椒江口海域的表層海水葉綠素a濃度總體較高, 而長江口和杭州灣海域相對較低; 各海域表層海水的葉綠素a濃度年際變化趨勢大都呈先上升后下降的趨勢, 高值區大致位于2007年和2008年附近。胡松等(2011)在中國東部海域葉綠素時空變化的研究中也發現了 2007年為葉綠素濃度典型的高值年。吳國麗等(2016)研究指出 2006—2007年為厄爾尼諾年, 海表溫度發生異常, 這可能是導致本次研究出現葉綠素a濃度高值年的原因。根據最近幾年的走勢情況未來葉綠素a濃度可能有進一步下降的趨勢, 這與鄭小慎等(2012)研究發現的從 1998—2010年東海沿岸海域年平均葉綠素a濃度存在一定的下降趨勢基本一致。

海水中葉綠素 a的分布和季節變化在一定程度上反映了溫度、鹽度、營養鹽、pH和DO等環境因子對浮游植物生長的影響, 也反映了海洋生態系統的發展狀況(周群英等, 2000; 王俊等, 2002)。水體的pH與藻類生命活動密切相關, 游亮等(2007)研究發現在藻類豐盛的水體中, 其藻類豐度和生命活動旺盛程度對水體的 pH 起主導作用。Mattsdotter Bj?rk等(2014)在研究阿蒙森海和羅斯海控制酸化的因素時發現葉綠素a對酸化的影響最大, 生物因素是邊緣海表層水海洋酸化的主控因素。國內研究人員也對東海春季、渤海秋季和黃海冬季的海水監測數據進行分析,結果都顯示pH值與葉綠素a間呈顯著正相關(孫軍等,2003; 石曉勇等, 2005; 張龍軍等, 2008)。本研究發現杭州灣海域夏季表層海水的pH值與葉綠素a濃度呈極顯著正相關, 而其他幾個海域兩者間均無顯著的相關性, 具體原因還待進一步分析。

3.3 東海沿岸海域溫鹽度與pH變化的相關性

沿海海域酸化具有局部性和季節性的特征(Feely et al, 2010), 有研究報道海水溫度的變化可以影響海水吸收 CO2的能力和 pH 值, 當水溫升高時, 海水CO2含量減少, pH值升高, 而當水溫降低時pH值隨之降低(González-Dávila et al, 2003; Raven et al, 2005);但龍愛民等(2006)對南海北部海域的相關研究發現海水 pH值表現出與溫度相反的分布趨勢, Midorikawa等(2010)對西北太平洋海域 25年的觀測結果顯示海表溫度上升對pH下降的貢獻度為15%左右; 因此海水pH的變化與海水溫度變化之間的關系比較復雜。本研究顯示杭州灣海域的pH與溫度之間存在顯著的相關性, 呈現出春季正相關而夏季負相關的特征, 可能與江浙沿岸水的季節性水團差異有關。江浙沿岸水因受到長江和錢塘江等入海徑流以及氣象條件等因素的影響呈現出夏季分布范圍大, 溫度高, 鹽度低,冬季溫度低, 鹽度略高的特點(張啟龍等, 2007), 因此夏季江浙沿岸水的高溫低鹽水團對長江口和杭州灣海域的影響非常大, 而春季又屬于冬季型向夏季型的過渡, 此時江浙沿岸水出現明顯東擴。

pH與海表鹽度也存在一定關系, Zeebe(2012)指出溫度和鹽度是碳酸鹽化學平衡中的重要因子, 會影響海水 pH 值; 肖鉦霖(2015)研究發現楚科奇海和北歐海的酸化都受到鹽度的影響, 但從相關度來看楚科奇海海洋酸化受鹽度影響較大, 北歐海則較小,這與北歐海海區水團相對穩定而楚科奇海受到融冰水的影響有關。我們的研究結果顯示多數海域里 pH與鹽度都有一定的相關性, 不同海域的酸化受鹽度影響的程度也不相同, 通過相關性分析顯示長江口、杭州灣和三門灣海域海洋酸化受鹽度影響較大, 椒江口則較小, 這可能與淡水的稀釋作用、浙江沿岸流以及臺灣暖流的影響有關。但是研究結果顯示 2003年和 2008年pH出現明顯低值的主要原因則應該與厄爾尼諾影響有關, 因為這兩個年份恰好因厄爾尼諾事件導致次年夏季長江流域降水偏多(袁媛等,2012), 長江徑流量偏大導致海水被稀釋, 鹽度降低可能是導致pH偏低的主要原因。

4 結論

2002—2011年東海沿岸海域表層海水pH和葉綠素 a的年際變化趨勢都存在明顯的季節性和區域性差異。共有10個站點表層海水pH呈下降趨勢, 從區域上看, 主要集中于長江口和杭州灣海域的部分站點, 從季節上看, 春季的表層海水 pH呈較明顯的下降趨勢, 而夏季和秋季的變化趨勢不明顯; 葉綠素 a濃度總體上呈現出先升高后逐漸降低的變化趨勢,區域上的分布特點為南部海域高于北部海域。相關性分析表明, 杭州灣海域夏季表層海水的pH與葉綠素a濃度呈極顯著正相關, 其余幾個海域則無相關性;杭州灣海域的pH值與海表溫度也存在顯著的相關性,但季節不同趨勢不同, 呈現出春季正相關而夏季負相關的特征; pH與鹽度的關系在各海域表現得更加明顯, 長江口、杭州灣和三門灣三個調查海區海水的pH變化與鹽度都存在顯著的正相關。總之, 近年來東海沿岸表層海水存在一定程度的酸化趨勢, 其影響機制是復雜的, 仍需要進一步研究, 同時酸化對海洋生態系統的潛在影響也不容忽視。

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