长江口及邻近海域表层海水硅酸盐混合模式的初步研究

杜 锦，石晓勇，2，李宏亮，卢 勇，陈 鹏，张传松＊

（1.中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100；2.国家海洋局 海洋减灾中心，北京100194；3.国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室，浙江 杭州 310012；4.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；5.山东烟台赫尔曼格迈纳尔中学，山东 烟台 265500）

0 引言

随着经济社会发展、人类活动加剧，海水富营养化已引起国内外学者的重视［1］。营养盐的生物地球化学过程非常复杂，地表径流的输送、各形态之间的转换、沉积物－水界面之间的交换均对营养盐的循环有重要影响［2－3］。河口是研究海陆相互作用、陆源以及人为活动入海通量的重要区域，河口区营养盐的生物地球化学行为，如是否保守等，对其输出量有决定性作用，在研究营养盐的生物地球化学循环中有重要意义［4－5］。河水中的营养盐从河口不断向外海输送过程中，水体的离子强度、络合物组分的相对比例、温度和pH值等会产生变化 另外存在外海水的入侵、生物吸收等作用，河口水体中营养盐的形态和浓度均会发生剧烈变化［7］。

长江是中国第一大河、世界第三大河，覆盖面积达1.81×106km2，受人类活动影响较大［8］。近年来，长江口及邻近海域赤潮频发，造成了严重的经济损失和生态破坏，也对人类健康造成威胁，该海域的生态环境一直以来备受关注［9－11］。长江依靠其强大的径流量对河口及邻近海域的营养盐贡献量最大，其中以硅酸盐（SiO3－Si）最多［12－13］，SiO3－Si通量为2.89×106t［14－15］。地球表面硅含量排名第二，陆地风化作用可向河流提供大量的溶解态硅酸盐和颗粒硅，携带大量硅的河流再汇入海洋，每年向世界海洋净输入的溶解硅大约80%来自河流的输入［16］。海洋浮游植物硅藻的光合作用离不开硅的参与，硅在调节浮游植物的群落组成方面有非常重要的作用［17］。王正方 等［18］通过对长江口区域的调查，得出硅酸盐主要受海水稀释作用控制的结论。王保栋 根据20022003年航次调查资料认为，总的来看，活性硅酸盐基本呈保守混合行为。

本文根据2006年夏、冬季以及2007年春、秋季对长江口及邻近海域表层海水SiO3－Si及相关环境因子的调查数据，对SiO3－Si在长江口及邻近海域表层海水的混合模式及影响因素进行初步探讨，从而初步理解该区域SiO3－Si的混合行为，为分析混合行为对长江口及邻近海域营养盐补充及分布的影响提供初步的科学依据。

1 样品采集与测定方法

2006年7月—2007年12月，对长江口及邻近海域进行了春、夏、秋和冬季4个航次的现场调查。具体调查站位如图1所示。因表层海水受其他因素影响较小，本文着重分析长江淡水对长江口及邻近海域表层海水SiO3－Si的稀释作用。

图1 调查站位分布图Fig.1 Distribution of sampling stations

现场调查使用Rossette采水器采集表层海水样品，由CTD探头获得温度（T）、盐度（S）数据；pH 值使用pH电位法测定；溶解氧（DO）含量使用碘量法测定；海水样品现场经0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤后，使用营养盐流动分析仪（荷兰产，Skalar）测定SiO3－Si浓度，其测定精密度和检测限分别为6.0%和0.07μmol／L。

2 结果与讨论

2.1 长江口及邻近海域表层海水四季SiO3－Si的稀释模式

图2为长江口及邻近海域四季表层SiO3－Si浓度随盐度变化关系图。由图可知，四季表层海水中SiO3－Si浓度在整个盐度范围内与盐度（S）相关性均较好，所测数据基本落在理论稀释线（TDL）上。具体来说，春季，盐度为0～35的海域，表层SiO3－Si浓度最高达到100μmol／L，SiO3－Si浓度正偏于TDL线，这可能是悬浮颗粒物的解吸或沉积物的再溶所致［20］。

夏季，S＜18的海域处于最大浑浊带，浮游植物受光限制难以繁殖，此区域几乎不受浮游植物活动影响，现场环境较为复杂，表层SiO3－Si浓度在40～120μmol／L之间波动，分布较为离散。S＞18的海域，表层SiO3－Si浓度整体上随盐度升高而逐渐降低，但分布也较离散。夏季长江口及邻近海域以硅藻为主的浮游植物旺发，快速增殖的藻类聚集于表层水体中，光合作用最强，水体分层强烈而且稳定，是溶解氧饱和度最高的季节［21－22］；朱建 荣 等［23］分析认为夏季以硅藻为主的浮游植物爆发，表层出现高质量浓度的叶绿素a分布；周伟华 等 比较了一年四季水体各层叶绿素a数据，发现叶绿素a质量浓度最高的是夏季的表层。夏季，S＞18的海域，硅藻消耗SiO3－Si导致其浓度降低，同时，悬浮颗粒对营养盐的吸附与解吸以及水底营养物质的释放和再生等地球化学过程也会影响该区域SiO3－Si浓度，因此SiO3－Si的稀释过程与TDL线出现差异。

秋、冬季，盐度为0～35的海域，表层SiO3－Si浓度随盐度升高逐渐降低，相关性良好，R2分别为0.989 5和0.960 2。

总体而言，秋、冬季SiO3－Si在长江口入海的过程中与盐度相关性较好，更符合TDL线，而在春、夏季则稍有不同，主要是由于以硅藻为主的浮游植物增殖、悬浮颗粒物的解吸和沉积物的再溶所致。

图2 SiO3－Si浓度与盐度的相关关系Fig.2 Relations between SiO3－Si concentration and S

2.2 长江口及邻近海域表层海水四季SiO3－Si与温度的关系

图3为长江口及邻近海域S＜18海域（S＜18的长江口水域处于最大浑浊带，浮游植物受光限制难以繁殖）表层海水四季SiO3－Si随温度变化关系图。由图可以看出，春季在14～17℃温度范围内、夏季在24～30℃温度范围内、秋季在17～23℃温度范围内、冬季在6～11℃温度范围内，SiO3－Si浓度均随温度升高而略有上升，可能的原因是悬浮颗粒物中SiO3－Si的解析量随温度的升高而增加，沉积物中SiO3－Si的再溶随温度升高而增加。

图4为长江口及邻近海域S＞18海域表层海水四季SiO3－Si随温度变化关系图。由图可以看出，春季在14～16℃温度范围内，表层SiO3－Si浓度存在高值，除此高值区外，10～20℃温度范围内表层SiO3－Si浓度均低于20μmol／L，且相差不大；夏季，长江处于丰水期，22～32℃温度范围内，SiO3－Si分布较为分散，在25～28℃温度范围内，表层SiO3－Si浓度存在高值；秋季，15～22℃温度范围内，表层SiO3－Si浓度存在高值，除此高值区外，15～26℃温度范围内表层SiO3－Si浓度基本都低于20μmol／L，且相差不大；冬季，6～10℃温度范围内，表层SiO3－Si浓度存在高值，10～19℃温度范围内表层SiO3－Si浓度均低于20 μmol／L，且相差不大。从以上分析可知，四季均存在表层SiO3－Si浓度的高值范围，可能是存在高SiO3－Si浓度区域。根据现场调查数据分析，长江口和杭州湾四季均存在SiO3－Si的高值区，长江口SiO3－Si浓度比杭州湾更高［25］。除上述2个高硅区域外，整体来说，四季5～32℃温度范围内，表层海水中SiO3－Si浓度均低于20μmol／L，且相差不大。

图3 S＜18海域SiO3－Si浓度与温度的相关关系Fig.3 Relations between SiO3－Si concentration and Twhere S＜18

图4 S＞18海域SiO3－Si浓度与温度的相关关系Fig.4 Relations between SiO3－Si concentration and Twhere S＞18

2.3 长江口及邻近海域表层海水四季SiO3－Si与pH值的关系

图5为长江口及邻近海域S＜18海域表层海水四季SiO3－Si随pH值变化关系图。由图可以看出，四季pH值在7.7～7.9范围内，表层SiO3－Si浓度基本保持不变；pH 值在7.9～8.2范围内，表层SiO3－Si浓度随pH值升高逐渐降低，这主要是由于物理混合作用影响。

图6为长江口及邻近海域S＞18海域表层海水四季SiO3－Si随pH值变化关系图。春季，pH值在7.9～8.3范围内，表层SiO3－Si浓度随pH 值升高逐渐降低；pH 值在8.3～8.5范围内，表层SiO3－Si浓度基本保持不变。夏季，pH值在7.9～8.3范围内，表层SiO3－Si浓度随pH值升高逐渐降低；pH值在8.3～8.6范围内，表层SiO3－Si浓度基本保持不变。春季和夏季，pH 值在7.9～8.3范围内，表层SiO3－Si浓度均随pH值升高逐渐降低，主要是由于春、夏季以硅藻为主的浮游植物快速增殖，导致SiO3－Si被明显消耗，快速增殖的藻类聚集于表层水体中，光合作用较强，吸收二氧化碳，致使pH值升高，因而表层SiO3－Si浓度随pH值的升高而逐渐降低；同时，春、夏季也存在物理混合作用影响，同样导致SiO3－Si浓度随pH值升高逐渐降低，但以生物作用为主。秋季pH值7.9～8.3范围内、冬季pH 值8.1～8.3范围内，整体上表层SiO3－Si浓度随pH值升高而逐渐降低，主要受物理混合作用影响。

图5 S＜18海域SiO3－Si浓度与pH值的相关关系Fig.5 Relations between SiO3－Si concentration and pH where S＜18

图6 S＞18海域SiO3－Si浓度与pH值的相关关系Fig.6 Relations between SiO3－Si concentration and pH where S＞18

2.4 长江口及邻近海域表层海水四季SiO3－Si与DO的关系

图7为长江口及邻近海域S＜18海域四季表层海水SiO3－Si随DO变化关系图。由图可见，表层SiO3－Si浓度与DO含量未呈现明显相关关系。S＜18海域，处于最大浑浊带，浮游植物受光限制难以繁殖，该范围内浮游植物的影响不明显，此区域SiO3－Si含量主要受长江淡水中SiO3－Si浓度的影响。

图8为长江口及邻近海域S＞18海域四季表层SiO3－Si随DO变化关系图。由图可知，S＞18海域，春、夏季，DO含量较高时表层SiO3－Si浓度较低，DO含量较低时表层SiO3－Si浓度较高。夏季DO含量达到8.0mg／L时表层SiO3－Si几乎消耗殆尽。一方面春、夏季生物活动旺盛，光合作用增强，生物吸收营养盐的同时释放大量氧气，SiO3－Si浓度随DO含量升高而降低；另一方面受物理作用影响，SiO3－Si浓度随DO含量升高而升高，但以生物作用为主。总体看来，春、夏季表层SiO3－Si浓度随DO含量升高而降低。秋、冬季表层SiO3－Si浓度与DO呈现正相关关系，这主要是受物理混合作用影响。整体来说，春、夏季以生物作用为主，表层SiO3－Si浓度与DO含量呈现负相关关系；秋、冬季因物理混合作用影响，表层SiO3－Si浓度与DO含量呈现正相关关系。

图7 S＜18海域SiO3－Si浓度与DO的相关关系Fig.7 Relations between SiO3－Si concentration and DO where S＜18

图8 S＞18海域SiO3－Si浓度与DO的相关关系Fig.8 Relations between SiO3－Si concentration and DO where S＞18

3 结论

根据2006年7月—2007年12月，对长江口及邻近海域表层海水SiO3－Si及相关环境因子的调查数据，对SiO3－Si在长江口及邻近海域表层海水的混合模式及影响因素进行了初步探讨，结果如下：

（1）长江口及邻近海域表层SiO3－Si浓度与盐度相关性总体较好，秋、冬季稀释模式与TDL线相符，春、夏季因生物作用、悬浮颗粒物解析和沉积物再溶作用的影响，稀释模式与TDL线存在差异。

（2）长江口及邻近海域，盐度S＜18的海域处于最大浑浊带，浮游植物受光限制难以繁殖。整体上，表层海水中，四季SiO3－Si浓度随温度升高略有上升，可能是由于悬浮颗粒物中SiO3－Si的解析量和沉积物的再溶增加。pH值为7.7～7.9时表层SiO3－Si浓度基本不变，pH值为7.9～8.2时表层SiO3－Si浓度随pH升高而降低，这主要受物理混合作用的影响。表层SiO3－Si浓度与DO含量无明显相关关系。

（3）长江口及邻近海域，盐度S＞18的海域，长江口和杭州湾表层海水SiO3－Si含量相对较高，除上述2个高硅区域外，四季在5～32℃温度范围内，表层SiO3－Si浓度均低于20μmol／L，且相差不大。pH值为7.9～8.3时表层SiO3－Si浓度随pH 升高逐渐降低，春、夏季是由于以硅藻为主的浮游植物快速增殖聚集于表层水体，光合作用较强，表层SiO3－Si被明显消耗，同时存在物理混合作用影响，而秋、冬季主要受物理混合作用影响；pH＞8.3时表层SiO3－Si浓度基本不变。春、夏季，表层SiO3－Si浓度与DO含量呈现负相关，一方面春、夏季生物活动旺盛，光合作用增强，生物吸收营养盐的同时释放大量氧气，另一方面受物理作用影响，但以生物作用为主；秋、冬季表层SiO3－Si浓度与DO呈现正相关，主要是受物理混合作用影响。

致谢 感谢国家海洋局第二海洋研究所陈建芳老师及海洋生态系统与生物地球化学重点实验室成员给予的支持和帮助！

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