初夏渤海灣營養鹽結構特征及其限制狀況分析

張海波,裴紹峰,祝雅軒,王麗莎,石曉勇,葉思源2,,袁紅明,丁喜桂

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初夏渤海灣營養鹽結構特征及其限制狀況分析

張海波--1,3,裴紹峰2,3*,祝雅軒3,王麗莎1,石曉勇1,葉思源2,3,袁紅明3,丁喜桂3

(1.中國海洋大學化學化工學院,山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術國家實驗室,海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島 266061；3.中國地質調查局濱海濕地實驗室,山東 青島 266071)

根據2016年初夏渤海灣營養鹽、葉綠素a和相關水文參數等數據,利用浮游植物吸收營養鹽最低閾值和化學計量關系作為判斷依據對渤海灣營養鹽限制狀況進行分析.結果表明:受陸地徑流和渤海中部冷水輸入的影響,初夏渤海灣在近岸、中部和灣口呈現三個明顯的溫鹽特征海區.溶解無機氮(DIN)和活性硅酸鹽(SiO32--Si)受陸源輸入影響,呈現近岸高灣口低的特征;DIN平均濃度為(7.67±6.48)μmol/L,SiO32--Si平均濃度為(5.44±3.01)μmol/L,在灣口表層,DIN含量較低僅為(2.21±2.94)μmol/L,其中50%站點含量低于閾值(1μmol/L),58.3%的站點存在DIN限制.而活性磷酸鹽(PO43--P)受陸源輸入和浮游植物吸收儲存作用等因素影響,呈現西部和曹妃甸外近海高中部較低的分布特征,平均濃度為(0.07±0.07)μmol/L,近岸受陸源氮磷輸入總量差異影響,表層存在磷潛在限制比例達100%,而中部表層受浮游植物消耗吸收的影響,PO43--P含量較低,僅為(0.02±0.02)μmol/L(未檢出設為0),其中近74.3%的水樣含量低于閾值(0.03μmol/L),磷限制狀況嚴重.隨著渤海灣氮磷營養鹽陸源輸入總量差距不斷擴大,磷限制狀況必將會進一步發展.

渤海灣；閾值；營養鹽比值；磷限制

近海生態系統位于大洋與陸地活動交匯地帶,兼有大洋和陸緣淺灘的生態環境特征,是受陸源輸入和人類活動影響最劇烈的水域之一;同時,因其周邊沿岸區域承載著最為密集的人口和最快速的社會經濟發展,是最具服務價值的自然生態系統之一[1].海水中營養鹽是浮游植物生長的物質基礎,其含量和結構對浮游植物生長和群落結構具有重要的影響,營養鹽的缺乏會限制浮游植物的生長和繁殖,過高或者結構失衡則會影響浮游植物種群結構穩定,甚至會引發赤潮災害[2-3]和缺氧(Hypoxia),進而影響海洋漁業資源[4-5].研究發現近海營養鹽含量及結構特征和季節性變化對指示海區內生態環境穩定起到的關鍵作用[6-7],因此關注近海營養鹽對浮游植物生產限制狀況是了解近海生態環境的一個重要環節.

渤海灣位于渤海西部,是典型的半封閉淺水海灣,海水交換速度慢,內有順時針方向的渤海灣環流[8],受陸地徑流和渤海中部冷水輸入[9]影響明顯.周邊有海河、永定新河等多條入海河流,近些年來受陸源排放、圍海造田以及建壩截留等人類活動影響,河流入海徑流量驟減,沖淡水現象較弱,海域面積急劇減少,導致海域內營養鹽結構失衡且富營養化嚴重[10-11],給浮游植物群落結構以及生態結構的穩定帶來影響.為進一步了解近年來人類活動對渤海灣生態環境的影響,本研究重點關注渤海灣西部近岸和北部曹妃甸外海域外營養鹽含量和結構特征,同時結合葉綠素含量和相關水文參數等深入分析和統計初夏季節渤海灣海域營養鹽分布以及對浮游植物生長限制狀況.

1 調查區域與分析方法

1.1 調查區域和站位

本研究于2016年5月28至6月22搭載青島海洋地質研究所渤海灣環境調查航次開展,共設置常規站位204個(圖1),站點主要集中在渤海灣西部和曹妃甸開發區外灣口海域.

圖1 渤海灣調查和研究區域及站位設置

1.2 數據采集與分析

現場使用Niskin采水器采集海水并獲取營養鹽、葉綠素等樣品,并使用YSI ProPlus多參水質儀同步測定溫度和鹽度.營養鹽樣品的采集和處理過程均依照Pei等[12]所述,水樣經0.45μm醋酸纖維膜(預處理)過濾后,裝入NALGENE聚乙烯瓶中-20℃冷凍保存,帶至中國海洋大學化學化工學院實驗中心,使用SEAL AA3連續流動營養鹽分析儀測定.其中NO3--N和NO2--N使用重氮-偶氮法測定(NO3--N銅-鎘還原),NH4+-N使用靛酚藍法測定, PO43--P使用磷鉬藍法測定,SiO32--Si以硅鉬藍法測定.NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P、SiO32--Si檢出限分別為0.02,0.02,0.04,0.02,0.03μmol/L.溶解無機氮(DIN)為NO3--N、NO2--N、NH4+-N之和.葉綠素a依照海洋調查規范方法[GB 12763.6- 2007-T],萃取后使用分光光度法測定計算濃度.

1.3 浮游植物生長的營養鹽限制評價方法

研究表明,浮游植物生長過程中對生源要素的吸收利用按照一定比例[13],當海域內營養鹽的含量和結構發生變化,會對浮游植物生長及群落結構產生一定的影響.對于浮游植物受營養鹽限制評價方法采用氮、磷、硅的含量以及三者之間原子比值進行判斷.首先根據浮游植物對每種營養鹽吸收動力學研究獲得的閾值[14-15]SiO32--Si=2μmol/L(硅藻),PO43--P =0.03μmol/L,DIN=1μmol/L作為評價標準,當某種營養鹽含量低于此閾值則評價為限制因子;如果含量高于閾值,則根據Justic和Dortch等[16-17]在以往研究基礎上所總結的浮游植物對不同營養鹽吸收的化學計量關系分析營養鹽的潛在限制性.具體如表1:

表1 營養鹽限制評價標準

2 結果與討論

2.1 海水溫鹽以及懸浮物分布特征

本次調查海域溫鹽分布呈現3個明顯的溫鹽特征海域(圖2A,B),其中近岸高溫低鹽海域受河流輸入影響,平均溫度為(20.63±1.21)℃,鹽度較低平均為27.88±0.24,溫鹽適宜浮游植物的快速生長;中部海域水交換緩慢,溫鹽相對較高,平均溫度和鹽度分別為(23.26±1.00)℃和31.09±0.18,變化幅度較小;灣口受渤海中部冷水輸入影響,平均溫度和鹽度為(17.46±1.75)℃和31.79±0.12.

海水中總懸浮顆粒物(TSP)在近岸表層受到陸源輸入影響明顯(圖2C),西部黃驊排水河外海域和北部雙龍河河口外出現高值區,峰值達到87.06mg/L.在底層海水中,中部和灣口海區受到再懸浮影響明顯,出現兩個高值區(圖2D),峰值分別達到88.37, 74.76mg/L.

2.2 營養鹽分布特征

DIN作為重要生源要素,受陸源輸入等因素影響,分布呈現近岸高灣口低的特征,其濃度為0.07~ 23.48μmol/L,平均(7.67±6.48)μmol/L,主要組分為NO3--N,占DIN的73%,其次為NH4+-N(表2),其中超過國家二類海水水質標準[GB 3097-1997]的站位水樣在整個調查海域達17.05%,存在輕度氮污染現象.近岸高溫低鹽海區,受陸源輸入影響明顯(DIN-S相關性,=34,=-0.56),DIN濃度在3.75~ 23.48μmol/L,平均(10.73±6.16)μmol/L,其中達到或超過二類海水水質占到22.9%(達到三類海水水質標準占11.4%),氮超標嚴重,其主要組分為NO3--N,占DIN的83%.在中部高溫高鹽海區,DIN平均濃度(10.17±6.25)μmol/L.受冷流影響顯著的灣口區,DIN平均濃度(1.82±2.00)μmol/L,遠低于近岸和中部海區,其組分NH4+-N受北部曹妃甸陸源輸入的影響,在DIN中比例上升,達45%.

表2 不同海區營養鹽的濃度(μmol/L)

圖3 調查海域內營養鹽的平面分布特征

表3 渤海灣調查海域營養鹽平均濃度及營養鹽限制站點比例

圖4 調查海域內營養鹽限制情況分布

PO43--P受磷負荷削減計劃影響,陸源輸入急劇減少,導致近海氮、磷輸入量差異增大,氮磷比值逐漸失衡[18].本次調查發現PO43--P濃度范圍為n.d.~ 0.43μmol/L,平均(0.07±0.07)μmol/L(未檢出設為0).近岸天津和黃驊開發區外低鹽區海域出現PO43--P高值(圖3CD),平均(0.10±0.05)μmol/L,遠高于中部海區,有利于浮游植物的生長,表現在該區葉綠素a含量平均達(8.63±3.01)mg/m3(表3),明顯高于其他海區.中部高溫高鹽海區,受浮游植物生長對磷營養鹽的“奢侈消費”吸收儲存作用[19]影響,PO43--P平均含量僅為(0.02±0.02)μmol/L.灣口低溫高鹽海區,受曹妃甸經濟區陸源輸入[20]影響,在灣口北部近岸出現高值區, PO43--P最高含量0.43μmol/L,平均(0.12±0.09)μmol/L,遠高于中部海區,受溫度限制該區葉綠素a含量為(3.19±1.70)mg/m3,低于近岸和中部海區.

SiO32--Si是硅藻生長所必需的營養鹽,隨著近年來河流含沙量降低,徑流量下降等因素影響,陸源硅酸鹽輸入減少[21].初夏渤海灣浮游植物優勢藻種為硅藻[22],海水中SiO32--Si的含量對浮游植物的生長具有重要的影響.在本調查海域SiO32--Si受陸源輸入影響明顯(Si-S,=128,=-0.66),分布呈現近岸高灣口低的特點,濃度為1.70~20.42μmol/L,平均(5.44±3.01)μmol/L.

2.3 營養鹽限制因子統計分析

為更好地分析浮游植物受營養鹽限制狀況,首先利用閾值作為營養鹽絕對限制標準進行分析,當濃度高于閾值則使用營養鹽原子比值作為營養鹽潛在限制標準進行分析,統計結果如表3.

在整個調查海域內有19個水樣出現DIN限制,其中表層13個水樣DIN的含量低于閾值(1μmol/L),2個水樣存在DIN潛在限制,存在DIN限制的站位占整個海域表層的14.6%.DIN限制海域主要集中在灣口表層,占其表層的50%,DIN限制狀況明顯.對于P限制統計分析發現,整個海域內P限制狀況明顯(表3),有95個水樣存在限制狀況,主要集中在近岸和中部高溫海域,在表層海水中,有69個站位存在P限制狀況,占整個表層的78.4%,其中有31個站點PO43--P含量低于閾值(0.03μmol/L),38個站點存在潛在限制,P限制狀況嚴重.Si限制分析發現,整個海域僅表層個別站點SiO32--Si含量低于閾值(2μmol/L),限制現象不明顯,但隨著徑流量的減少,硅酸鹽含量可能會逐漸降低,在未來硅酸鹽有可能會轉變為渤海灣浮游植物生長的潛在限制因子[23].

2.4 渤海不同海域營養鹽狀況對比

表4 渤海灣及鄰近海域營養鹽分布狀況比較(μmol/L)

對比渤海灣及渤海其他水域近年來營養鹽狀況(表4)發現,渤海各海區DIN均處于較高水平,而PO43--P受磷負荷削減計劃影響含量逐漸下降, DIN/P和Si/P比值升高,磷酸鹽成為浮游植物主要限制因子.就渤海灣而言,與李桂菊等[23-24]調查結果相比,2016年初夏渤海灣各營養鹽含量相對較低,主要由于建壩截留和工農業用水激增等因素影響,入海徑流量下降,同時6月初浮游植物迅速生長,各生源要素快速消耗而得不到有效補充,從而導致部分區域出現營養鹽限制狀況.對比歷史數據[23-26]發現,渤海灣近岸受陸源輸入影響,海水中DIN含量一直保持較高水平,而PO43--P含量降低,DIN/P比值升高,營養鹽結構變化明顯.相較于渤海其他海區,遼東灣夏季營養鹽濃度最高,其次為萊州灣、渤海灣和渤海中部海域;對比營養鹽結構發現,各海區近年來的DIN/P和Si/P原子比值均較高,使得磷酸鹽成為渤海浮游植物生長的主要限制因素.

近些年來,渤海灣受陸源輸入影響,營養鹽含量和結構發生變化,對海域內浮游植物生長以及群落結構帶來一定影響,進而影響生態系統穩定,因此對渤海灣營養鹽以及游植物群落變化的研究,對認識渤海灣海域生態環境健康具有重要意義.

3 結論

3.1 初夏渤海灣受陸地徑流和渤海中部冷流輸入影響,在西部近岸,中部和灣口呈現三個明顯的溫鹽特征海區,其中近岸和中部海區溫度有利于浮游植物生長,各海區內營養鹽含量和結構特征不同.

3.2 DIN分布受陸源輸入影響,呈現近岸向灣口降低的趨勢,其中近岸低鹽區部分站位DIN達到或超過二類海水水質標準,氮超標嚴重.在灣口低溫區表層,DIN外源補充相對較少,有50%水樣DIN含量低于閾值(1μmol/L),58.3%的水樣存在DIN限制.

3.3 PO43--P分布受陸源輸入和浮游植物吸收等因素影響,整體呈現西部近岸和曹妃甸外海域含量高,中部低的特征.在整個海域表層有78.4%的水樣存在磷限制,其中35.2%的水樣中含量低于閾值(0.03μmol/L),中部海區有74.3%水樣低于閾值,磷酸鹽限制狀況嚴重.

3.4 硅藻作為渤海灣優勢藻種,初夏季節受到硅酸鹽限制狀況不明顯,海域內充足的硅酸鹽含量對于浮游植物硅藻的生長具有重要作用.

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Nutrient structure and nutrient limitation for phytoplankton growth in Bohai bay in the early summer.

ZHANG Hai-bo1,3, PEI Shao-feng2,3*, ZHU Ya-xuan3, WANG Li-sha1, SHI Xiao-yong1, YE Si-yuan2,3, YUAN Hong-ming3, DING Xi-gui3

(1College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China；3.Key Lab of Coastal Wetland Biogeosciences, China Geological Survey, Qingdao 266071, China)., 2018,38(9)：3524~3530

Based on the data of nutrients, chlorophylland hydrological environment parameters collected in Bohai Bay during the early summer of 2016, we studied the distributions of nutrients and analyzed their possible limitation on the phytoplankton growth by analyzing both the minimum threshold and N: P: Si atomic ratios of nutrient required by phytoplankton cells. The results showed that concentrations and spatial distributions of nutrients were influenced by terrigenous input, cold water from central of Bohai Sea and phytoplankton uptake. Both dissolved inorganic nitrogen (DIN) and silicate (SiO32--Si) concentrations decreased from nearshore to the offshore bay mouth, and the mean concentration of DIN was (7.67±6.48) μmol/L and SiO32--Si was (5.44±3.01) μmol/L. In the surface of bay mouth, the concentration of DIN was (2.21±2.94) μmol/L in average, and 50% of samples was below the threshold, especially, 58.3% of them showed DIN limitation for phytoplankton growth. Comparatively, concentrations of activated phosphate (PO43--P) were high in the nearshore and the bay mouth due to riverine input, and a zone with low concentration appeared in the middle probably caused by the phytoplankton uptake. The mean concentration of PO43--P was (0.07±0.07) μmol/L in the whole study area. The concentrations of PO43--P in the surface water were below the threshold of 0.03μmol/L at about 74.3% stations in the middle zone of study area, showing an obvious P limitation for phytoplankton cells. With the increasing disparity of riverine input between nitrogen and phosphorus, the P limitation for phytoplankton would be more serious in our study area.

Bohai Bay；threshold；nutrient atom ratios；phosphate limitation

X55

A

1000-6923(2018)09-3524-07

張海波(1990-),男,山東棗莊人,中國人民大學博士研究生.主要研究方向為海洋生態環境.

2018-02-06

國家自然科學基金資助項目(41306175);青島市市南區科技發展資金項目(2013-14-007-JY);渤海灣西部等重點海岸帶綜合地質調查(121201005000150004);國家重點研發計劃(2016YFC1402101)

* 責任作者, 副研究員, peishaofeng@gmail.com