近十几年间长江口春季无机氮和磷含量分布变化特征及影响因素分析*

梁　翠， 线薇薇， 沈志良

(1.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室， 山东 青岛 266071；

2.中国科学院大学 北京 100049; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室， 山东 青岛 266071)



近十几年间长江口春季无机氮和磷含量分布变化特征及影响因素分析*

梁翠1,2， 线薇薇1,3**， 沈志良1

(1.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室， 山东 青岛 266071；

2.中国科学院大学 北京 100049; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室， 山东 青岛 266071)

摘要：根据1999—2012年5月对长江口及邻近海区的环境调查数据，分析了该海域近十几年来春季溶解无机氮、磷酸盐的分布变化特征及影响因素。结果表明，溶解性无机氮(Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN)包括硝酸盐、亚硝酸盐及铵盐，其中，硝酸盐是主要组成部分，占DIN的70.91%~96.51%，表、底层硝酸盐浓度有相似的变化特征，且表层均高于底层，硝酸盐最高值及最低值分别出现在2012和2011年，硝酸盐在调查海区的平均浓度主要受输送通量影响，其平面分布主要受径流影响；亚硝酸盐含量很低，仅占DIN的0.87%~2.72%；铵盐垂向分布均匀，最高值及最低值分别出现在2011和2012年，其在河口的浓度受长江输送影响明显。调查海区底层磷酸盐浓度多高于表层，最高值及最低值分别出现在2001和2007年，磷酸盐分布受径流及悬浮颗粒物双重影响。除个别站位外，调查海区氮磷比均高于16∶1，说明浮游植物生长主要受磷限制，氮磷比高值区位于最大浊度带附近，最低值位于外海区及叶绿素a高值区。

关键词：长江口； 无机氮； 磷酸盐； 营养盐结构

LIANG Cui, XIAN Wei-Wei, SHEN Zhi-Liang. Analysis of trends and influencing factors of nitrogen and phosphate in the Yangtze River estuary in spring over the last few years[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 82-90.

营养盐在水体中具有不同的存在形式，其中对浮游植物生长影响最大的是溶解无机态的营养盐。海水中的氮磷营养盐既是海洋浮游植物生长繁殖所必须的营养成分，也是海洋初级生产力和食物链的基础[1]，氮磷营养盐的可利用性是调节浮游植物生长、生物量以及物种组成的重要因素[2]。因此，氮磷营养盐作为海洋生态系统的化学物质基础具有重要意义，其分布变化规律的研究，将为河口环境和生态变化提供可靠依据。

长江口位于东海和黄海的交界处，是长江与东中国海物质输送和交换的通道。长江口海域氮、磷类营养盐主要来源于长江陆源输入。同时，长江口海区营养盐的含量和分布情况受长江冲淡水、台湾暖流及苏北沿岸流等多种水系混合、交汇作用影响。近年来，由于人类活动等的影响，使陆源输入的营养盐大幅度增加，这也是导致长江口海区近年来频繁、持久的藻华发生的主要原因[3]。因此，研究及分析长江口海区营养盐的变动情况及主要影响因素是了解该海域生态系统健康状况的基础。

由于长江口特殊的地理位置，对于长江口营养盐的研究已有很多，但这些研究多关注营养盐的季节变化或短期的变动情况[4-7]，而对其较长期的变化趋势及影响因素的研究还很少[8-9]。本文通过对长江口及邻近海域1999—2012年春季的综合调查资料，分析了长江口及邻近海区近十几年来溶解态无机氮、磷营养盐的分布变化特征，并分析了其主要影响因素，以期为今后的研究作参考。

1调查区域和方法

1.1 站位设置

长江口位于黄海和东海的分界处，是一个丰水、多沙、中潮、有规律分汊的三角洲河口，水深一般不超过50 m。长江口受多流系混合作用的影响，河口东南部有高温、高盐、低营养盐的台湾暖流北上，北部有南下的苏北沿岸流，海流连同强大的潮流与充沛的长江冲淡水相互交汇混合，造成复杂多变的长江口生态环境。本研究调查区域为(30°45′N~32°00′N、121°00′E~123°20′E)之间的长江口及邻近海域(站位设置见图1)。

图1　调查站位图

1.2 调查时间

租用浙嵊渔10341和浙嵊渔10371号于1999、2001、2004、2007、2009、2010、2011和2012年的5月对长江口及邻近海域40个站位进行了8个航次的现场调查。

1.3 调查方法

根据《海洋调查规范》(GB12763-2007)，用南森采水器采集表、底层水样，用450 ℃高温灼烧6 h后的Whatman GF/F玻璃纤维素膜现场过滤，过滤后的海水存储于聚乙烯瓶(预先用1:10HCl浸泡24 h，之后洗净烘干)中，放入-20 ℃冰箱中保存，待回实验室后测定氮、磷营养盐，滤膜用于测定叶绿素a(Chl-a)及悬浮颗粒物(TSM)。同时，用Sea-Bird-25 CTD同步测定各站位水温、盐度。

TSM用重量法测定，叶绿素a用丙酮萃取荧光法测定，用铜-镉还原法测定硝酸盐(NO3-N)，用重氮-偶氮法测定亚硝酸盐(NO2-N)，用水杨酸法测定铵盐(NH4-N)，用抗坏血酸还原磷钼蓝法测定活性磷酸盐(PO4-P)。各项营养盐均用Quattro营养盐连续流动分析仪(德国产)测定。NO3-N、NO2-N、NH4-N及PO4-P的检出限及精密度分别为0.02 μmol/L，1.6%；0.02 μmol/L，0.3%；0.03 μmol/L，3.3%；0.01 μmol/L，1.3%。NO3-N、NO2-N及NH4-N之和为溶解无机氮(DIN)。

由于调查均在5月初进行，考虑到滞后性等因素，长江向河口输送的氮、磷营养盐通量均用相应年份4月大通站的月平均流量及35号站各指标浓度进行估算，计算公式如下：

F=Q·C·f。

其中：F为各种形态氮磷营养盐的输送通量(kg/s)；Q为相应年份4月大通站的月平均流量(m3/s)；C为相应年份各形态营养盐在35号站的浓度(μmol/L)；f为单位换算系数。

本文用EXCEL 2007完成对所有数据的统计分析及折线图、柱状图的绘制，用SURFER 8.0软件绘制平面分布图。

2结果分析

2.1 氮磷浓度年际变化

调查海区5月表、底层海水PO4-P及各形态溶解性无机氮含量范围及平均值在年际间的变化情况如表1、2所示。从表中可以看出，由于河口特殊的地理位置，调查海区各站位各形态营养盐变化剧烈。表、底层PO4-P平均含量具有相似的年际变化特征，都是在2001年出现最高值，最低值发生在2007年，另外，除2007、2010和2011年以外，底层海水PO4-P平均含量均高于表层。5月，调查海区表层海水NO3-N平均含量在2010、2011年较低，在2012年较高，其他年份含量相对稳定，底层NO3-N平均含量在1999年出现较低值，其他年份变动趋势与表层一致，在所有调查年份中，底层NO3-N含量均低于表层。NO2-N含量很低，表层海水NO2-N含量范围为0.32~0.88 μmol/L，最低值及最高值分别出现在2010年及2011年，底层含量为0.25~0.96 μmol/L，NO2-N含量在海水表、底层有相似的年际变化趋势。NH4-N在海水表、底层中的含量年际变化趋势完全一致，含量也几近相同，反映了NH4-N垂向分布均匀，表、底层含量最高值及最低值均分别发生在2011、2012年。DIN含量变化与NO3-N存在良好的一致性，说明NO3-N是DIN的主要存在形式，另外，DIN在2011年含量适中，而表层海水NO3-N在2011年出现了最低值，同年，NO2-N及NH4-N发生最大值。

2.2 氮磷浓度平面分布

从1999年以来，调查海区营养盐不仅含量波动明显，而且分布也不尽相同。调查海区表层NO3-N、PO4-P及盐度(S)的平面分布情况如图2所示。从图中可以看出，NO3-N的分布情况具有良好的保守性。春季长江口及邻近海区表层海水NO3-N浓度随着盐度的增加而逐渐减少，在河口内出现最高值，自河口向外海方向，含量逐渐降低，浓度低值区主要集中在调查海区靠海一侧。通过分析NO3-N浓度与S之间的相关性发现，两者之间存在显著的负相关关系(R=0.852，P<0.01)，说明NO3-N的分布受径流影响明显。

表1　表层海水PO4-P及各形态溶解性无机氮含量年际变化

Note：①Range；②Mean

表2　底层海水PO4-P及各形态溶解性无机氮含量年际变化

Note：①Range；②Mean

调查海区PO4-P含量基本表现为从近岸向近海逐渐减少的趋势，但PO4-P高值区并不完全分布在口门内区域，而是大多分布在长江南支入海处附近，即最大浊度带所在海域，最低值出现在透明度较高的外海区。通过分析PO4-P浓度与S之间的相关性发现，两者存在显著的负相关关系(R=0.640，P<0.01)，说明PO4-P受径流作用影响明显。但同时，PO4-P在调查海区的平面分布情况也在一定程度上反映了悬浮颗粒物(TSM)对其含量的影响。通过分析所有调查站位PO4-P浓度与lg转化后的TSM浓度之间的关系可以发现，两者之间存在显著的正相关关系(R=0.684，P<0.01)(见图3)。

2.3 DIN的组成

海水中的溶解性无机氮(DIN)包括NO3-N、NO2-N及NH4-N，这3种形态之间能够相互转化，同时对海洋生物饵料循环起着重要作用[10]。

长江向河口输送的DIN组成年际变化如图4所示。在长江向河口输送的溶解性无机氮中，NO3-N占绝对优势，占DIN含量的94.4%~99.7%，NO2-N含量基本可忽略不计，NH4-N含量仅在2009及2011年比例相对较大，分别为5.3%及4.6%。

调查海区表、底层海水中NO3-N、NO2-N及NH4-N在DIN中的含量百分比范围及平值值在年际之间的变化情况分别如表3及图5所示。调查海区各站位NO3-N、NO2-N及NH4-N在DIN中的含量百分比虽有所变动，但NO3-N仍是DIN的重要组成成分。表、底层海水中各种形态无机氮在DIN中所占的平均比例具有相同的年际变化特征。NO3-N是DIN的主要存在形式，其在表、底层海水DIN中的平均含量百分比范围分别为78.26%~97.10%及70.91%~96.51%，最高值及最低值分别发生在2012及2011年。NO2-N作为NH4-N向NO3-N氧化过程中的中间产物，其状态不稳定且含量很低，因此，NO2-N在DIN中所占的比例很低，在表、底层的平均值分别为0.87%~2.20%及0.91%~2.72%。NH4-N占DIN的平均比例的年际变化在表、底层有相同趋势，都是在2011年出现最高值，分别为19.54%、26.38%，在2012年出现最低值，分别为1.41%、1.66%。调查海区DIN组成变化与长江输入DIN组成年际变化情况基本一致。

图2　长江口海区表层海水硝酸盐、磷酸盐及盐度分布年际变化情况

图3　长江口海区磷酸盐浓度与lg(TSM)相关关系

图4　长江输入溶解无机氮组成年际变化

(a：表；b：底。a: Surface; b: Bottom.)

/%

Nate：①Surface；②Bottom

2.4 氮磷比

营养盐之间的比例对浮游植物生长具有重要作用[11]。近几十年来，长江流域的DIN∶P含量呈上升趋势[12]，而调查海区的DIN∶P的变化并不完全呈上升趋势(见图6)，说明在调查区域，DIN∶P除受长江输入影响之外，还有其他影响因素。

调查海区表层海水中DIN和磷酸盐之间的比例在年际间的分布情况如图7所示。Redfield等[11]提出，海洋浮游植物按照N∶P=16∶1的比例来吸收水体中的氮、磷元素。除极个别站位外，调查海区表层海水的DIN∶P均大于16∶1。另外，DIN∶P的低值区多位于最大浊度带附近，说明在最大浊度带区域，TSM对磷酸盐含量的贡献作用是DIN∶P较低的重要因素。DIN∶P的高值区主要集中在两大区域，一个是叶绿素a高值区(1999、2001及2009年)；另一高值区位于调查海区东南部海域。

图6　长江口海区氮磷比年际变化情况

图7　长江口海区氮磷比平面分布情况

3讨论

3.1 溶解性无机氮

营养盐一般以溶解性无机态、溶解性有机态以及颗粒态的形式输入河口，溶解性无机态营养盐通常被认为是最具活性的，并且经常在河口表现出非保守性[13]。溶解态无机氮包括NO3-N、NO2-N及NH4-N3种形式，NO3-N是长江口海区溶解态无机氮的主要存在形式，在调查海区的5月份，其平均含量约占DIN的70.91%~97.10%，NO3-N的表层分布在不同年份之间的差异与长江径流量的大小以及外海水团影响有很大关系[14]。NO2-N作为氧化过程中的中间产物，其状态不稳定且含量很低，其平均含量仅占DIN的0.87%~2.72%。NH4-N主要来源于人类活动(长江沿岸城市工、农业及生活污水排放)，在调查海区，NH4-N垂向分布均匀，其平均含量约占DIN的1.41%~26.38%。各形态无机氮在长江口及其邻近海域的含量及其在DIN中所占比例受长江向河口输送影响明显。2010及2012年年径流量均较大且较相近，分别为10219.9×108和10 015.5×108m3，但两年间的NO3-N最高值(2010：73.47 μmol/L；2012：160.60 μmol/L)及平均值(2010：32.02 μmol/L；2012：45.5 μmol/L)均相差很大，而2010及2012年长江向河口输送的NO3-N通量分别为133.8和189.1 kg/s，说明两年间的NO3-N受河口输送影响较大。通过分析调查海区NO3-N浓度与长江向河口输送的NO3-N通量发现，两者之间存在显著的正相关关系(R=0.794，P<0.05)。2012年，长江向河口输送NH4-N通量仅为0.17 kg/s，该年NH4-N含量及其在DIN中所占比例都达到最低值；2011年，长江向河口输送的NH4-N通量为3.64 kg/s，仅次于2009年，而在此年，调查海域的NH4-N含量也达到了最高值。

3.2 磷酸盐

与NO3-N不同，PO4-P在长江口及其邻近海区的分布往往具有非保守性，其浓度高值区并不出现在口门内区域，而往往发生在最大浑浊带。通过分析所有调查站位的PO4-P浓度和lg转化后的TSM浓度也发现，两者存在显著的正相关关系(R=0.684，P<0.01)。这可能是由于在河口中，活性磷可以通过缓冲机制从悬浮颗粒物中释放出来，这种缓冲机制能够使得水体中的可溶性活性磷的浓度保持基本不变[15]。已有研究表明，在最大浊度带，与其他营养盐相比，磷更容易被悬浮颗粒物质吸附或者释放[16]。无机态的磷是水体悬浮颗粒物质以及沉积颗粒物中磷的主要形式[17]，随着潮汐混合过程引起的盐度变化，悬浮颗粒物中的颗粒态无机磷，能够以溶解性PO4-P的形式被释放到周围水体中。Froelich[15]研究表明，在全球尺度上，悬浮颗粒物质能够携带大量的可释放性磷进入海洋，比单独的溶解性正磷酸盐要高出2~5倍。所有的观察结果均显示，颗粒态无机磷在颗粒态无机物中的浓度随着盐度增加而减少，表明随着盐度增加，一些形态的无机固着态磷从悬浮颗粒物上释放到周围水体中[18]。即使在富营养化的沿岸区域，从颗粒态无机物中释放的磷也是一个潜在的重要的、非点源的磷输入形式[18]。在长江口海域，最大浊度带的沉积物再悬浮作用强烈影响磷的平衡。从河口中输入的颗粒态无机磷占总溶解性无机磷的55.9%，表明颗粒吸附态磷是长江口磷的重要存在形式[19]。大多河流运来的悬浮颗粒物质能够在最大浊度带沉积，一部分溶解性物质(包括磷和硅)能够随之沉积，这对改善河口和沿岸的环境具有重要作用[19]。

3.3 营养盐结构

长江每年输送大量的营养盐进入河口地区，营养盐输入通常伴随着营养盐之间比例的改变[20]，而营养盐之间的相对可利用性在决定浮游植物种群结构方面具有重要作用[21]。1980年代，从长江进入河口的氮磷比约为100∶1[22]，而近几十年来，受长江流域人类活动影响(化肥使用增加等)，更多的氮被排放出来。在2005年，中国的氮肥生产达到了36×106t，与1989年相比增加了5倍。同时，与磷元素相比，流域中的氮更容易随随雨水沥出。因此，从长江进入河口的氮磷比大幅度增加[12]。在调查海区，除极个别站位外，表层海水N∶P均大于16∶1，说明在该区域，磷是浮游植物生长的潜在性限制因子。河口内氮磷比受多种因素影响，但在最大浑浊带，由于透明度低，浮游植物生长活动弱，同时从悬浮颗粒物中释放出来大量的磷进入周围水体，因而氮磷比较低；而在透明度较高的外海区和叶绿素a高值区，一方面由于悬浮颗粒物的锐减导致磷含量下降，另一方面浮游植物的大量生长也会提高氮磷比，因而常出现氮磷比高值区。营养盐结构的平衡对浮游植物的生长、物种组成及食物网动力学非常重要。浮游植物生长的最适N、P营养元素摩尔比为16∶1[11]，偏离该比值将会限制浮游植物的初级生产，改变浮游植物的组成。在营养盐充分的情况下，硅藻生长迅速、竞争力强成为优势种[23]，同时由于小型硅藻繁殖率高因而更有竞争力[24]；而甲藻在磷限制条件下更易成为优势种。另外，三峡工程蓄水运行后，硅酸盐被大量截留，氮硅比以及磷硅比大幅上升，这可能是近年来长江口海区硅藻赤潮向甲藻赤潮演变的原因之一。

4结论

(1)溶解性无机氮包括硝酸盐、亚硝酸盐及铵盐。硝酸盐是溶解性无机氮的主要组成部分，占70.91%~96.51%。硝酸盐在调查海区的平均浓度主要受长江向河口的输送通量影响，其平面分布主要受径流影响；与硝酸盐相比，亚硝酸盐含量很低，仅占DIN的0.87%~2.72%；铵盐垂向分布均匀，其在河口的行为受长江输送影响明显。

(2)受长江径流影响，磷酸盐浓度基本呈现从河口向外海逐渐降低的趋势，但其高值区往往分布在最大浑浊带海域，体现了悬浮颗粒物对磷酸盐浓度的影响。

(3)调查海区浮游植物生长主要受磷限制，氮磷比高值区多位于最大浑浊带海域，低值区往往位于透明度高的外海及叶绿素a高值区。

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责任编辑徐环

Analysis of Trends and Influencing Factors of Nitrogen and Phosphate in the

Yangtze River Estuary in Spring over the Last Few Years

LIANG Cui1,2, XIAN Wei-Wei1,3, SHEN Zhi-Liang1

(1.The Key Laboratory of Marine Ecology and Environment Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

Abstract:Based on the environmental survey data in the Yangtze River Estuary and its adjacent waters in May from 1999 to 2012, the distribution features and its influencing factors of dissolved inorganic nitrogen (DIN) and phosphate were analyzed. The results showed that DIN were composed of nitrate, nitrite and ammonium, and nitrate was the major component, which accounted for 70.91%~96.51% of DIN. The interannual variation of nitrate in surface and bottom were quite similar, while the surface concentrations were higher than the bottom, and the highest and the lowest values of nitrate appeared in 2012 and 2011, respectively. The average concentration of nitrate in the investigation waters affected mainly by the transport flux, and its distribution was mainly affected by runoff. The content of nitrite was very low, accounting for only 0.87%~2.72% of DIN. Ammonium had little difference vertically, and the highest and the lowest values were present in 2011 and 2012, respectively. The concentration of ammonium in the Yangtze River Estuary was significantly affected by transport flux. The bottom phosphate concentration were generally higher than the surface, and the highest and the lowest values presented in 2001 and 2007, respectively. The distribution of phosphate was affected by runoff and suspended particulate matter. Apart from individual stations, the ratios of nitrogen and phosphorus(N:P) were higher than 16:1 in the investigate area, indicating that phytoplankton growth was mainly restricted by phosphorus in this area. The low values of N:P were located near the maximum turbidity zone, and the maximum values were located off the coast and in the area with high chlorophyll a.

Key words:Yangtze River Estuary; dissolved inorganic nitrogen; phosphate; nutrient structure

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140370

中图法分类号：P734.2

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)03-082-09

作者简介：梁翠(1988-)，女，硕士生。E-mail: liangcui609@163.com**通讯作者： E-mail: wwxian@qdio.ac.cn

收稿日期：2014-12-12；

修订日期：2015-05-06

*基金项目：国家自然科学基金面上项目(41176138；31272663)；国家基金委-山东省联合基金项目(U1406403)；国务院三峡工程建设委员会项目(JJ 2012-2013号)资助

引用格式：梁翠， 线薇微， 沈志良. 近十几年间长江口春季无机氮和磷含量分布变化特征及影响因素分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(3)： 82-90.

Supported by the National Natural Science Foundation of China (41146138；31272663); NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Ecology and Environmental Sciences (U1406403); Program of State Council Three Gorges Project Construction Committee (JJ 2012-2013)