渤海海峡冬季营养盐的分布特征及影响因素

张乃星，任荣珠，吴凤丛，王尽文，林森，张亮

（1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033；2.国家海洋局北海预报中心，山东 青岛 266033）

渤海海峡冬季营养盐的分布特征及影响因素

张乃星1,2，任荣珠1,2，吴凤丛1,2，王尽文1,2，林森1,2，张亮1,2

（1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033；2.国家海洋局北海预报中心，山东 青岛 266033）

以2010年2－3月对渤海海峡进行的3个断面的调查资料为依据，分析并讨论了渤海海峡冬季营养盐的分布特征及其影响因素。结果表明：冬季，由于强烈的垂直混合作用，渤海海峡水体中水温、营养盐及叶绿素a（Chl-a）的分布基本呈上下一致的特征。调查海域营养盐的分布基本呈现出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征，这与近岸受陆源影响较大，而西南部的高值和北部的低值则主要受渤、黄海水团交换影响明显有关。Chl-a与水温的分布特征非常相近，对二者做Pearson相关性分析发现，二者具有非常明显的正相关关系（r=0.717，p＜0.01，n = 110）。对Chl-a与各形态营养盐作相关性分析发现，Chl-a与PO4-P表现出较强的相关性（r= -0.480，p＜0.01，n = 38），说明海峡水体中浮游植物的吸收是影响PO4-P分布的重要因素。

渤海海峡；营养盐；叶绿素；分布特征；影响因素

海水中的营养盐是海洋浮游植物生长繁殖所必须的，它们在控制海洋植物的生长和海洋初级生产力等方面起着相当重要作用。大量的研究表明，海水中的氮（N）、磷（P）、硅（Si）等营养盐的水平及其结构极大地影响着浮游植物的初级生产水平及生态系统结构[1]。因此，研究海洋中的营养盐结构、分布变化趋势，探讨浮游植物初级生产过程中的营养盐限制因子对了解海洋生态环境起着重要的作用。

渤海海峡是指辽东半岛南端老铁山至山东半岛北端蓬莱角的一段水域。渤海海峡作为渤海和黄海的水体交换通道，水团相互作用剧烈，海流活动频繁，海峡南北两面紧邻工农业发达的大连、烟台等经济区，海洋生态环境受人为活动影响显著，导致研究海域营养盐含量及形态组成的区域性复杂变化。目前，针对渤海海峡的调查研究主要集中在物理水文方面[2-4]，而对该海区的营养盐结构和分布特征研究鲜见报道，本文以2010年2－3月份的调查为基础，对冬季渤海海峡的营养盐结构和立体分布特征进行了详细的讨论研究，以期对渤海海峡的营养盐的存在形态及分布变化规律有进一步的了解。

1 材料与方法

2010年2－3月随“向阳红08”号科学考察船对渤海海峡进行了调查，本次调查共布设3个断面，39个站位，自东向西依次标记为H、Z和B断面，每个断面上站位的设置示于图1。

图 1 2010年2－3月渤海海峡采样站位Fig.1 Locations of sampling stations in Bohai Strait

调查项目包括营养盐、温度、盐度和叶绿素a（Chl a）。水样采用CTD采水器按照0 m、10 m、底层分层采样。水样先用0.45 µm醋酸纤维滤膜过滤，然后使用7230G分光光度计检测。其中，PO4-P用磷钼蓝分光光度法，SiO3-Si用硅钼蓝分光光度法，NO2-N用萘乙二胺分光光度法，NO3-N用Zn-Cd还原法，NH4-N用次溴酸盐氧化法测定分析，营养盐样品均在采样后3h以内测定完毕。叶绿素a水样采集后经0.45 µm Whatman GF/F滤膜过滤，滤膜样品避光-20℃冷冻保存，经V︰V=9︰1的丙酮萃取24 h后，用Turner Designs 700荧光计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 水文特征

海水营养盐的分布及变化规律与水文状况密切相关。由本次调查所获得的表、中、底层温度分布图1（a、b、c）可以看到该调查海域水温分布具有如下显著的特点：冬季，不同深度水温分布非常相似，表现出良好的垂直混合作用。其中，高温的黄海暖流余脉（t＞2.8℃）呈舌状从北黄海海域自东向西从海峡北部及中部向渤海伸展，从海峡北部的老铁山水道进入渤海，暖水舌中央水温高于两侧。而渤海低温水则从海峡南部（经由登州水道等）向东扩散演变为鲁北沿岸流流出渤海，并在海峡东南部逐渐与北黄海水混合，其本体的性质亦不断变化。这与文献[2,4,5]中，冬季进出渤海海峡的水体所流经的区域相一致。在渤海低温水和北黄海暖水两种水团交汇处，等温线密集，显示出二者明显的接触混合作用。

图 2 调查海域水体表、10 m、底层(a、b、c)水温(℃)分布图Fig.2 Horizontal distribution patterns of temperature(℃) at surface、 10 m and bottom layer

2.2 营养盐的分布特征

海洋中的营养盐是多年来人们研究海洋的基本研究项目，其中营养盐是影响海洋初级生产力的关键因素之一。海水中的无机氮、磷和硅是海洋生物繁殖生长不可缺少的化学成分。氮和磷是组成生物细胞原生质的重要元素，而硅则是硅藻等海洋浮游植物的骨架和介壳的主要组成部分。由于这些元素参与生物生命活动的整个过程，他们的存在形态与分布受到生物的制约，同时受到化学、地质和水文等因素的影响，因此研究它们的存在形态和分布变化规律对研究海洋生态具有重要的意义。

2.2.1 营养盐的平面分布 冬季表层NO3-N的浓度分布总体呈海峡东部高，西部低的分布特征，其中在海峡中北部有一低值区分布（图3a）。整个调查海域的NO3-N浓度变化范围为60～307 µg/L，平均132 µg/L。NH4-N与NO3-N具有相似的分布特征，呈现出海峡东部高，西部低的分布特征（图3b）。整个调查海域的NH4-N浓度变化范围为ND～123 µg/L（ND表示未测出），平均17 µg/L。PO4-P的浓度分布总体呈现出调查海域南部高，北部低的分布特征（图3c）。整个调查海域的PO4-P浓度变化范围为8～23 µg/L，平均13 µg/L，低值区出现在调查海域的东北部，高值区出现在调查海域的东南部。SiO3-Si的浓度分布总体呈现出调查海域西南、东北部高，中北部低的分布特征（图3d）。整个调查海域的SiO3-Si浓度变化范围为214～745 µg/L，平均483 µg/L。

图 3 调查海域表层水体NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布图Fig.3 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at surface layer

10 m层NO3-N的浓度分布呈现出与表层一致的分布特征，海峡东部最高，西部次之，海峡中间最低（图4a）。整个调查海域的NO3-N浓度变化范围为42～339 µg/L，平均131 µg/L。NH4-N的浓度分布呈现出与表层相似的分布特征，调查海域东部高，西部低。与表层NH4-N分布不同的是，在海峡中西部，NH4-N浓度呈现出向陆域方向浓度逐渐增加的趋势（图4b）。整个调查海域NH4-N的浓度变化范围为ND～49 µg/L，平均15 µg/L。PO4-P的浓度分布呈现出与表层相似的分布特征，调查海域南部高，北部低（图4c）。整个调查海域的PO4-P浓度变化范围为5～32 µg/L，平均13 µg/L。SiO3-Si的浓度分布呈现出与表层相似的分布特征，调查海域西南、东北部高，中北部低（图4d）。整个调查海域的SiO3-Si浓度变化范围为226～768 µg/L，平均483 µg/L。

底层NO3-N的浓度分布呈现出与表层、10 m层相似的分布特征（图5a）。整个调查海域的NO3-N浓度变化范围为41～347 µg/L，平均125 µg/L。NH4-N的浓度分布呈现出与表层、10 m层相似的分布特征，海峡东部高，西部低（图5b）。整个调查海域的NH4-N浓度变化范围为ND～97µg/L，平均值为14 µg/L。PO4-P的浓度分布呈现出与表层、10 m层相似的分布特征（图5c）。整个调查海域的PO4-P浓度变化范围为9～18 µg/L，平均13µg/L。SiO3-Si的浓度分布呈现出与表层、10 m层相似的分布特征（图5d）。整个调查海域的SiO3-Si浓度变化范围为249～727 µg/L，平均505 µg/L，比表层及10 m层偏高约22 µg/L。硅酸盐含量偏高，不仅与生物体下沉溶解有关，而且与底质表层硅酸盐矿物质的直接溶解有关。

图 4 调查海域10 m层水体NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布图Fig.4 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at 10 m layer

图 5 调查海域底层水体NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布图Fig.5 Horizontal distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at bottom layer

2.2.2 营养盐的断面分布 由于三条断面的垂直分布基本一致，因此本文列出其中一条H断面的断面分布图。从H断面的垂直分布可以看出（图6a），NO3-N分布由于海水垂直混合的影响，由表至底呈均匀分布，但北部近岸浓度低于130 µg/L，明显低于南部近岸浓度（浓度高于160 µg/L）。NH4-N分布也同样由于海水垂直混合的影响，由表至底呈均匀分布。PO4-P的分布呈现出南部高，北部次之，中间最低的分布趋势。其中，在H10站的10 m层，有一浓度的高值区。H断面的PO4-P等值线分布较其它营养盐复杂，表底不同深度的PO4-P浓度变化较大。SiO3-Si的分布呈现出南北高中间低的分布趋势。SiO3-Si等值线分布呈条带状，其分布结构相对简单，表明不同深度的SiO3-Si浓度较为均一。南北两端的高值区，与该海域靠近陆地，受陆地因素影响明显。整个H断面的DIN、PO4-P和SiO3-Si的平均浓度分别为224 µg/L、13 µg/L和492 µg/L。石晓勇等[6]2007年冬季对渤海此区域的调查数据显示，冬季该海域的DIN、PO4-P和SiO3-Si的平均浓度分别为118 µg/L、18 µg/L和361 µg/L。可见，2010年的此次冬季调查除PO4-P浓度略有降低外，DIN和SiO3-Si均有不同程度的增加，其中以DIN增幅明显，这可能与渤海水体富营养化程度的加剧有关。

图 6 调查海域H断面水体NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）分布图Fig.6 Distribution patterns of NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si（a、b、c、d）at H transect

2.2.3 分布原因分析 调查海域营养盐的分布基本呈现出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征。这与近岸受陆源影响较大，而西南部的高值和北部的低值则主要受渤黄海水团交换影响明显有关。调查海域冬季不同深度的水温、营养盐及Chl-a含量基本呈现出上下一致的分布特征，这主要是由于冬季因太阳辐射明显减弱，偏北季风加强，尤其是经常受到寒潮的影响，使渤海表层温度迅速下降，近岸局部海域甚至出现海冰，由于较强的垂直对流和风生涡动的混合作用，使渤海水体性质上下分布较为均匀[7]。

2.3 营养盐结构分析

这里所谓的营养盐结构，是指营养盐的相对组成，即c(N)/c(P)和c(Si)/c(N)。Justic和Dortch等[8,9]曾指出：当海水中Si︰P＞22（原子数比，下同）和N：P＞22时，磷酸盐为潜在限制因子；N：P＜10和Si︰N＞1时，溶解无机氮为潜在限制因子；若Si︰P＜10时和Si︰N＜1，则溶解无机硅为潜在限制因子。N/P，Si/N和Si/P值的分布变化不仅反映了水域营养盐的陆源输入、海流输运、大气沉降和人类活动的影响，同时也在一定程度上反映了海水中营养盐的再生速率和循环机制。由于渤海海峡冬季营养盐垂直分布及浓度较为一致，因此本文仅列出表层不同形态营养盐的比例（表1）。

总体来说，在调查的39个表层站位中，不存在营养盐限制的站位有23个，占调查站位的59%，这可能主要是由于冬季水温低、光照差，不利于浮游植物的生长繁殖，因此对营养盐的消耗较低，此时营养盐的再生补充较为充分，因此大部分站位并不存在营养盐限制。其余站位出现磷限制，占调查站位的41%，其分布主要集中在H断面上，这与该断面周围水温较高，Chl-a浓度也较高，浮游植物对PO4-P等营养盐的吸收较多有关。

表 1 渤海海峡冬季表层营养盐比例Tab.1 Nutrient proportion of the surface water in Bohai Strait

2.4 叶绿素a的分布特征及其对营养盐分布的影响

2.4.1 叶绿素a的分布特征 调查海域不同水深的Chl-a浓度分布呈现上下一致的分布特征，均表现为西部海域低东部海域高的分布特征（图7）。其中，各层Chl-a平均浓度分别为表层1.21 µg/L，10 m层1.29 µg/L，底层1.80 µg/L，呈现出由表至底浓度逐渐增加的趋势。本航次调查所得浮游植物生物量的平均浓度（1.433 µg/L）浓度与赵骞等[10]对渤海海峡冬季浮游植物生物量（1.348 µg/L）的研究结果水平相当。与其它陆架海区相比，如与其邻近的北黄海区冬季浮游植物生物量（平均0.459 µg/L）[11]，冬季渤海海峡属于生物量较高的海域。

渤海海峡水体中Chl-a的浓度分布与水温分布非常相近，对二者做Pearson相关性分析发现，二者具有非常明显的正相关关系（r=0.717，p＜0.01, n = 110），冬季水温是影响Chl-a分布的重要因素。2.4.2 叶绿素a对营养盐分布的影响 通过研究浮游植物与营养盐的相关性，可以判定该海区受何种营养盐限制，以及浮游植物主要吸收何种形式的营养盐[12]。彭云辉等[13]对大亚湾微表层和次表层海水中营养盐与浮游植物关系的研究表明，三态氮中的NO3-N，NH4-N、PO4-P和SiO3-Si均与浮游植物中的Chl a有一定的负相关关系。扈传昱等[14]通过对南极普里兹湾Chl-a与无机磷酸盐、无机氮的相关性分析认为，在该海区无机盐，特别是NO3-N和PO4-P是浮游植物吸收的主要形式。对本次调查海域表层营养盐NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si与浮游植物Chl-a含量做相关性分析发现（图7），Chl-a只与PO4-P呈现明显的线性关系（r= -0.480,p＜0.01，n = 38），说明在研究海域中浮游植物的生长与PO4-P有着比其他营养盐因子更为密切的联系，这也与部分站位存在潜在的PO4-P限制相一致。

3 结 论

（1）冬季，受温度降低及偏北季风影响，上下水体垂直混合均匀，温度、营养盐及Chl-a的垂直分布较为一致。

（2）调查海域营养盐的分布基本呈现出近岸高，中部低；西南部高，北部低的特征。这与近岸受陆源影响较大，而西南部的高值和北部的低值则主要受渤黄海水团交换影响明显有关。

（3）渤海海峡水体中Chl-a的浓度分布与水温

图 7 调查海域水体表、10m、底层(a、b、c)叶绿素a分布图Fig.7 Horizontal distribution patterns of Chl-a at surface, 10m and bottom layer

图 8 表层浮游植物生物量与营养盐因子的相关性（n=38）Fig.8 Relationships of phytoplankton biomass and the nutrient variables in the surface layer(n=38)

分布非常相近，对二者做Pearson相关性分析发现，二者具有非常明显的正相关关系（r=0.717，p＜0.01，n = 110），Chl-a的分布受水温影响明显。

（4）大多数调查站位不存在营养盐限制，少部分站具有潜在磷限制。对Chl-a与各形态营养盐作相关性分析发现，Chl-a与PO4-P表现出较强的相关性（r= -0.480,p＜0.01，n = 38），说明海峡水体中浮游植物的吸收是影响PO4-P分布重要原因。

致谢：同航次营养盐数据由青岛环海海洋工程勘察研究院提供，在此表示衷心地感谢。

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Characteristics of vertical distribution and influence factors of the nutrients at Bohai Strait in winter

ZHANG Nai-xing1,2, REN Rong-zhu1,2, WU Feng-cong1,2, WANG Jin-wen1,2, LIN Sen1,2, ZHANG Liang1,2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation, Qingdao 266033, China; 2.North China Sea Marine Forecasting Center，SOA, Qingdao 266033, China)

Based on the cruises carried out at Bohai Strait for three transects from February 2010 to March 2010, the distribution features of nutrients at this section and influence factors were discussed.The results showed that: influenced by the effect of vertical mixing, the nutrient temperature and Chlorophyll-a had obviously the same distribution characteristics at different depths.The concentration of nutrients decreased from in shore to offshore by the influence of runoff.The concentration of nutrients showed high value in southwest part and low in north part, which was affected by the exchange of different water mass.There was a significant positive correlation between the distribution of Chl-a and water temperature (r=0.717，p＜0.01, n = 110).There was also a significant negative correlation between the concentration of Chl-a and PO4-P(r= -0.480,p＜0.01, n = 38), which showed that the distribution of PO4-P was mainly controlled by the phytoplankton absorbing.

Bohai Strait; nutrients; Chlorophyll-a; distribution characteristics; influence factors

P593

A

1001-6932(2011)06-0607-08

2011-05-05；

2011-06-07

浅海试验场区建设方案设计与运行保障（200905024-2）；国家海洋局青年海洋科学基金项目（2010503）；国家海洋局北海分局海洋科技立项项目（2010A01）；中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室基金项目（KLMEES201003）。

张乃星（1980－），男，博士，高级工程师，主要研究方向为海洋环境化学。电子邮箱：zhangnaix@mails.gucas.ac.cn。