强降雨对胶州湾生源要素补充和分布的影响*

张艳军， 赵润德， 胡跃诚， 王　伟， 杨南南， 梁生康**， 王修林

(1.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100；

3.青岛市环保局，山东 青岛 266003；4.青岛市环境监测中心站，山东 青岛 266003)



强降雨对胶州湾生源要素补充和分布的影响*

张艳军1, 2， 赵润德3， 胡跃诚4， 王伟1, 2， 杨南南1, 2， 梁生康1, 2**， 王修林1, 2

(1.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100；

3.青岛市环保局，山东 青岛 266003；4.青岛市环境监测中心站，山东 青岛 266003)

摘要：台风带来的强降雨对地表的强烈冲刷作用可将大量淡水和生源要素从陆地输送到近海，从而在短时间内对近海的水文和生物地球化学过程造成显著影响。本文以胶州湾这一典型的半封闭海湾为研究对象，以2012年台风“达维”对青岛地区带来的强降雨事件为背景，通过降雨前后生源要素入湾河流和湿沉降输入及海上分布同步调查，考察了强降雨对胶州湾生源要素的输入、浓度及组成的影响。结果显示，在强降雨过程中，通过河流和湿沉降输入的生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P通量分别是降雨前的2.7、19.7和25.6倍。相应地，胶州湾表层海水中DIN、SiO3-Si、PO4-P平均浓度分别达到(37.90±26.72), (20.18±17.22)和(1.75±1.28)μmol·L(-1)，分别是降雨前的1.5、2.4和2.3倍；同时，胶州湾中生源要素的结构发生明显改变，N/Si/P的比例从降雨前的24∶8∶1变化为降雨后的19∶10∶1，更接近Redfield值和适宜浮游植物的生长。进一步运用富营养化指数(EI)分析表明，降雨后的富营养化程度加剧，整个海域EI指数平均值由降雨前的(4.35±6.40)升高到降雨后的(13.71±21.20)，同时降雨后的EI > 5 的严重富营养化区域面积占比达到 50%。以上分析表明台风带来的强降雨提供了大量适宜浮游植物生长的生源要素，这可能是导致胶州湾富营养化程度加剧的原因。

关键词：胶州湾；强降雨；生源要素；通量；营养盐水平和结构

引用格式：张艳军，赵润德，胡跃诚，等. 强降雨对胶州湾生源要素补充和分布的影响[J].中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(4)： 79-88.

ZHANG Yan-Jun, ZHAO Run-De, HU Yue-Cheng, et al. The influence of typhoon-induced precipitation on biogenic element supplementary and distribution of Jiaozhou Bay, China [J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(4)： 79-88.

近年来，随着全球气候变化和人类活动加剧，强降雨等极端气候事件频发[1-5]，对近海生态环境的影响不容忽视。强降雨不仅可导致短时间内盐度、浊度等海洋物理环境的剧烈改变，而且大量生源物质通过径流和大气沉降输入近海水体中，造成短时间内海区营养物质含量迅速升高[6]，富营养化程度显著增大，进而对近海浮游植物、浮游动物数量和空间分布造成显著影响[7-9]，甚至导致赤潮、水母灾害等的发生[10-12]。

作为青岛市的“母亲湾”，胶州湾承纳了青岛市约60%陆域面积产生的污染物，胶州湾的生态环境质量对青岛市社会经济发展具有重要的支撑作用。自上世纪60年代以来，随着沿岸工农业活动的加剧和人口规模的不断扩大，胶州湾生源要素含量显著增加[13-15]，且生源要素结构也由较平衡发展为极不平衡[13-15]，突出表现为胶州湾富营养化污染加剧，氮磷比增大，这直接导致赤潮(绿潮)灾害频发，已成为青岛市社会经济发展的重要限制因素。降雨引起的面源营养要素流失是导致胶州湾水体富营养化加剧的重要因素；而强降雨引起的生源要素大量流失，必然会对胶州湾营养水平、营养结构产生深刻的影响。然而，关于强降雨过程中胶州湾生源要素的输入特征及其胶州湾海域水文和生源要素对强降雨响应特征还缺乏系统研究。本文以 2012 年8月2日—3日台风“达维”给青岛地区带来的强降雨事件为背景，通过降雨前后生源要素陆源河流输入、湿沉降直接输入和海上分布同步调查，考察强降雨对胶州湾生源要素特别是营养物质的补充及其分布和结构的影响，并结合其他环境因子的变化，初步探讨强降雨对胶州湾生源要素的影响机制。

1调查方法

1.1 研究区域简介

胶州湾位于山东半岛南岸西部，介于120°04′E～120°23′E，35°58′N～36°18′N之间，湾口最窄仅3.1km左右，湾内水域开阔，东西向最大宽度约28km，南北向最大长度约40km，是典型的半封闭海湾。湾内水域面积约320km2，平均水深8.8m，最大水深64m[16]。胶州湾及其附近属暖温带季风气候区，年平均降雨量775.6mm。汇入胶州湾的河流有十余条，较大的有大沽河、海泊河、李村河、楼山河、墨水河、镰湾河、洋河，流域面积达到6357km2，占青岛市总面积的56%。流域内分布464.3万人(见表1)。

表1　入胶州湾主要河流基本信息[17-18]

Note:①Rivers；②River length；③Basin area；④Number of people

1.2 台风达维

台风达维于2012 年7月31日早晨在西北太平洋洋面上加强为强热带风暴，于8 月2日晚登陆山东。受台风“达维”影响，青岛市在8月2日晚普降大雨，局部地区甚至大暴雨，降雨一直持续到3日下午，平均降雨量是74.7mm。

1.3 样品采集与测定

为了解降雨前后入胶州湾河流和湿沉降生源要素输入通量及海域生源要素分布的变化，分别于2012年7月17日(降雨前15天)和8月5日(降雨后 1 天)在胶州湾河流入海口处和胶州湾海域进行了2次陆-海同步调查。其中，海上监测站位设置以青岛市环境监测中心站在胶州湾已有监测站位为基础，并充分考虑河流入海口和水质控制点的位置，共设21 个监测站位(见图1)。陆源河流监测站位设置于海泊河、李村河、楼山河、墨水河、大沽河、洋河、镰湾河7条河流的入海口处(见图1)，湿沉降样品采集于青岛市鱼山路 5 号中国海洋大学鱼山校区八关山顶部(见图1)，从开始到结束采集湿沉降全过程样品进行分析。

(“▲”河流入海口； “★”: 湿沉降、“●” ：胶州湾。 “▲”: The station of the mouths of river “★”: The station for wet deposition monitoring “●” : The station in Jiaozhou Bay.)

图1监测站位示意图

Fig.1Sketch map showing sampling locations

河水和雨水样品采集和保存均按照《水和废水监测方法》[19]和《大气降水样品的采集与保存》(GB 13580.2-92)进行[20]，河流流量依据国标《河流流量测验规范》(GB 50179-93)[21]测定，流速通过直读式转子流速计(ZSX-5型，潍坊大禹水文科技有限公司)测定。

海水样品采集、保存和测定按照《海洋监测规范》进行[22]。样品采集时采用5L的Niskin采水器采集表层水样，置于经酸清洗的5L 塑料桶并放在冰水浴中临时保存，转移到实验室后，约500mL水样用GF/F膜(孔径为0.7μm)过滤，膜样用铝箔包好，避光-20℃冷冻保存，用于叶绿素a(Chl-a)测定，滤液则用于各生源要素含量的测定。约200～300mL的水样用提前称重过的 0.45μm醋酸纤维膜过滤，45℃烘至恒重，通过差减法求得总悬浮颗粒物(TSM)含量。其中，各监测站位温度、盐度、pH、溶解氧(DO)由YSI 6600VⅡ-2型便携式多参数仪(美国YSI公司)直接测定。

所采集的河流水样品、雨水样品和海水样品中生源要素分别采用《水和废水监测方法》[19]或《海洋监测规范》(GB 17378.4-2007)[22]中的方法进行测定，其中，硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)和氨态氮(NH4-N)分别通过镉铜还原法、萘乙二胺分光光度法和次溴酸钠法测定，溶解无机氮(DIN)为NO3-N、NO2-N和NH4-N的总和；活性磷酸盐(PO4-P)和可溶性活性硅酸盐(SiO3-Si)分别通过磷钼蓝法和硅钼蓝分光光度法测定；叶绿素a通过90%丙酮萃取后用荧光分光光度法测定[22]；化学需氧量(CODMn)通过碱性高锰酸钾法测定[22]。

1.4 生源要素入海通估算

应用式(1)估算通过河流和湿沉降输入胶州湾生源要素的通量：

FT=FR+FP。

(1)

其中:FT表示入湾生源要素总量;FR和FP分别表示河流输入通量和湿沉降直接输入通量，单位为mol·d-1，分别依照式(2)和式(3)计算。其中，

FR=CR×QR。

(2)

式中:CR为河水中生源要素浓度，单位为μmol·L-1;QR为河流入海口径流量，单位为m3·d-1。

FP=CP×RP×A×10-3。

(3)

式中:Cp为雨水中生源要素浓度，单位为μmol·L-1;RP单位为降雨强度，单位为mm·d-1;A为胶州湾面积，单位为km2。

2结果与讨论

2.1 强降雨带来的胶州湾生源要素输入特征

2.1.1强降雨前后入湾主要河流生源要素的浓度和通量的变化监测结果表明(见图2)，强降雨1d后入胶州湾的7条河流淡水总流量达到 8.5×106m3·d-1，较降雨前提高了51.1%。其中，大沽河、墨水河、李村河、楼山河、洋河的流量强降雨后较强降雨前分别提高48.4%、97.6%、38.4%、29.0%和 17.7%，而镰湾河流量降雨前后差异不大，这是由于该河流流域面积较小，河长较短，降雨对其径流影响的持续时间较短，在采样时流量已经恢复到降雨前水平[17]。进一步分析，强降雨前后，大沽河流量最大，分别占7条河流总流量的 81.3%和79.9%，其次是墨水河，降雨前、后其流量在7条河流总流量中的占比分别为 10%和13%，这主要是由于这两条河流流域面积大，由强降雨带来的径流量较大，持续时间也较长[17]。

图2　强降雨前后入胶州湾河流流量的变化

强降雨后1d，各入湾河流 DIN、PO4-P、SiO3-Si浓度较降雨前都大大提高，且各河流中PO4-P和SiO3-Si浓度较DIN增幅更为显著(见图3)。由于强降雨引起淡水输入量和生源要素浓度都显著增大，导致入湾河流的DIN、PO4-P、SiO3-Si通量显著增大，分别达到4.4×106，9.2×104和1.0×106mol· d-1，较降雨前分别提高2.3、24.0、18.4倍。这表明强降雨过程中伴随着流量和养分浓度的升高而导致大量的生源要素在短时间内流失。这与高超等[23]在长江中下游强降雨对小流域氮、磷流失影响的研究结果基本一致，这可能是由于台风“达维”所带来的降雨强度高，持续时间较长不仅导致地表生源要素大量流失；而且在洪水的强烈冲刷和扰动作用下，导致沟渠和河道底泥中存留的氮特别是磷和硅的流失强度增大。进一步研究发现，在DIN中，NH3-N的占比由强降雨前的23.5%增加到67.3%，而NO3-N则由强降雨前的75.3%减少到26.5%(见图3)。这主要是由于强降雨导致土壤中所施加的氮素(主要为尿素)大量流失，水体整体处于还原环境，因此氮素中还原态NH3-N占主体[24]。实际上，由于降雨导致非点源污染物产生的过程十分复杂，不仅受降雨过程、降雨时间和降雨强度的影响，而且受到流域内地形、地貌、土壤理化状况及植被和作物类型等因素的综合影响，需要通过加密监测进一步深入研究。

图3　强降雨前后入胶州湾河流生源要素的浓度和输入通量的变化

2.1.2 大气湿沉降直接对胶州湾生源要素的输入监测结果表明，雨水中DIN、PO4-P和SiO3-Si的浓度分别达到48.18、 0.36和4.01μmol/L，其中DIN中NH3-N占比最高，达到76%，其余为NO3-N和NO2-N(见图4),这与宋宇然[25]和朱玉梅[26]对青岛近海雨水中营养要素的监测结果基本吻合。强降雨引起的入胶州湾 的DIN、PO4-P和SiO3-Si湿沉降通量分别约为8.1×105、6.02×103和6.7×104mol/d 。

图4　湿沉降过程中中生源要素浓度和输入通量

2.1.3 强降雨前后胶州湾生源要素的输入通量强降雨过程中，有河流输入和大气湿沉降直接输入胶州湾的DIN、PO4-P和SiO3-Si湿沉降通量分别达到5.2×106、9.8×104和1.1×106mol/d 。其中，以河流输入为主，分别占总输入通量的84.4%、93.8%和93.7%,而由大气湿沉降直接输入DIN的量不容忽视,占总输入通量的15.6%，而由大气湿沉降直接输入PO4-P和SiO3-Si量较少，分别仅占总输入通量的6.1%和6.3%。进一步分析表明，强降雨前后河流和湿沉降输入的生源要素比例也发生显著变化，N∶Si∶P比分别由降雨前的380∶1∶11变为50∶1∶10(见图5)。

图5　强降雨前后河流和湿沉降输入胶州湾生源要素通量比例

2.2 降雨前后胶州湾生源要素含量和结构分布变化特征

2.2.1 降雨前后温度和盐度的分布受陆源输入影响，强降雨前后，胶州湾表层海水温度都呈现湾底向湾口逐渐降低的趋势，但强降雨后1d的海水温度高于降雨前(见图6)。同时，表层海水盐度则呈现由湾东北部和湾底部向湾口逐渐降低的分布趋势；但强降雨后1d，湾内盐度明显下降，盐度分布在24.17～30.31，平均值为28.31±1.75，较降雨前显著降低5.8%，特别是大沽河和墨水河河口盐度较降雨前降低15%以上，表明强降雨带来的大量淡水可显著降低胶州湾特别是河口区的盐度场。这与海南文昌河河口区台风所带来强降雨使径流显著增加并导致盐度梯度向外海方向移动的研究结果基本一致[6]。

2.2.2 降雨前后生源要素浓度的分布变化对于氮生源要素，强降雨1d后，受陆源输入影响，NH3-N、NO2-N和NO3-N都呈现由湾底部向湾口逐渐减少的分布趋势，且浓度梯度差较降雨前更为明显，表明强降雨导致的强脉冲式陆源输入对氮生源要素的浓度分布影响显著。强降雨1d后，胶州湾内3种形态氮的浓度都有所增大，其中，NH3-N平均浓度由降雨前(4.57±3.67)μmol·L-1升高到(12.31±6.70)μmol·L-1，NO2-N平均浓度由降雨前的(1.99±1.69)μmol·L-1升高到降雨后1d的(4.38±4.34)μmol·L-1，NO3-N平均浓度由降雨前的(17.92±17.75)μmol·L-1升高到降雨后1d的(21.21±17.07)μmol·L-1，相应的，DIN平均浓度则由降雨前的(24.49±21.51)μmol·L-1升高到降雨后1d的(37.90±26.72)μmol·L-1，是降雨前的1.5倍。进一步分析表明，强降雨后1d，胶州湾表层海水中不同形态氮的占比也发生显著变化，NH3-N由降雨前的18.67%提高到32.48%，NO3-N则由降雨前的73.17%下降至55.96%，这与强降雨过程中NH3-N输入通量高于NO3-N输入通量相一致。已有研究表明，浮游植物对NH3-N的吸收同化速率要高于NO3-N[27]。上述分析表明，由于强降雨引起的氮素浓度升高和NH3-N占比的增大，都有利于浮游植物的快速生长繁殖。

图6　强降雨前后胶州湾表层海水温度(°C)和盐度分布

强降雨前，胶州湾表层海水PO4-P 浓度在0.17～2.21μmol·L-1范围内，平均值为(0.77±0.73)μmol·L-1，基本呈现由湾东北部向湾口逐渐减少的分布趋势(见图7)。强降雨后1d，尽管表层海水PO4-P 浓度空间分布与降雨前基本一致，但从湾底到湾口PO4-P浓度梯度差更显著，PO4-P分布高值区与盐度低值区基本一致，主要位于湾北部大沽河河口和湾东北部的墨水河、楼山河等河口，表明强降雨引起的强脉冲式陆源径流输入对PO4-P浓度分布具有显著影响(见图7)。强降雨后1d胶州湾PO4-P浓度明显升高，在0.21～4.71μmol·L-1范围内，平均值达到(1.75±1.28)μmol·L-1，为降雨前的2.3倍。

降雨前，胶州湾表层海水中SiO3-Si浓度较低，处于0.37～22.00μmol·L-1范围内，平均值为(8.25±7.22)μmol·L-1，基本呈现由湾北部和东部向湾中央和湾口递减的分布趋势(见图7)。降雨后1d，胶州湾表层海水中 SiO3-Si 含量显著增加，浓度在 1.68～64.76μmol·L-1范围内，全湾平均值达到(20.18±17.22)μmol·L-1，为降雨前的2.4倍。空间分布上呈现由湾北部和东北部向湾中央湾口递减的分布趋势，SiO3-Si 浓度高值区与盐度低值区基本吻合，表明强降雨引起河流径流输入对SiO3-Si浓度分布具有显著影响(见图7)。

2.2.3 降雨前后营养盐结构的分布特征降雨前，N/P值较高，在 12.89～181.66范围内，平均值为41.37±39.79，大大超过浮游植物适宜生长的Redfield 值[28-29]，也大于一般认为磷潜在受限的比值(N∶P>22)[30]，同时，降雨前各项营养盐浓度都高于浮游植物生长阈值，表明磷为该海区浮游植物生长潜在限制因子；从空间分布上看，N/P呈现显著的斑块状分布，其高值区主要集中在各河口包括大沽河河口及湾东部的各河口附近(见图8a)，这与强降雨前通过河流输入生源要素比例中氮远远高于磷相一致。降雨后 1 天，胶州湾N/P值显著下降，在11.67～29.31范围内，平均值为21.13±4.17，接近 Redfield 比值；从空间分布上看，尽管N/P仍呈现由河口区到湾中央及湾底到湾口降低的趋势，但斑块状高值区消失，分布较为均匀，这与强降雨过程中通过河流输入生源要素通量中磷占比提高而氮占比相对降低相一致(见图5)。从Si/N看，强降雨前，其值较低，在 0.07～0.57 范围内，平均值为 0.31±0.14，且基本呈现近岸高、湾中央低的分布特征(见图8b)，且在湾中央SiO3-Si ≤ 2μmol·L-1，说明该海区可能 SiO3-Si 限制或存在潜在限制。降雨后1天，胶州湾Si/N值显著升高，在 0.30～0.74 范围内，平均值为 0.49±0.13；从空间分布上看，Si/N 呈现从湾底到湾口逐渐降低的趋势，湾中央的低值区消失，分布较为均匀(见图8b)，这与强降雨过程中生源要素输入通量硅占比提高而氮占比降低相吻合(见图5)。对于Si/P比，降雨前其值较高，介于 0.92～74.81 范围内，平均值为 13.56±16.26，且呈现斑块状分布，其高值区主要分布在大沽河河口及湾东部的各河口附近(见图8c)，这反应了陆源生源要素输入通量硅多而磷相对低的特点。降雨后 1天，胶州湾Si/P比有所下降，在 5.78～21.15 范围内，平均值为10.3±3.46；Si/P比基本呈现从河口区到湾中央及湾底到湾口逐步降低的变化趋势，但斑块状高值区消失，分布趋于均匀(见图8c)，这反应了强降雨中磷输入增加量较硅输入增加量多的特点(见图5)。上述分析结果表明，强降雨导致胶州湾表层海水中营养盐结构发生显著变化。这与Cadee等人[12]的研究结果基本一致。他们通过对荷兰瓦登海河口区研究发现，N/P的变化能够促进生物群落结构的改变，而强降雨会间接地影响到近海海域生物群落的稳定，致使一些非优势种群转变成优势种群，严重的还会导致赤潮、水母灾害等的发生。

图7　强降雨前后胶州湾不同形态氮(μmol·L-1)、活性磷酸盐(μmol·L-1)、活性硅酸盐(μmol·L-1)的分布

图8　强降雨前后胶州湾表层海水中营养盐比例的变化

2.2.4 降雨前后胶州湾富营养化水平分布进一步应用富营养化指数法[29]，评价了强降雨对胶州湾富营养化程度的影响。由图9可以看出，降雨前，胶州湾表层富营养化指数基本呈现由湾东部和东北部向湾中央和湾口逐步减低的趋势，富营养化指数在0.11～20.56，平均值为 4.35±6.40，EI值大于5的严重富营养化区域面积不足整个湾面积的10%，主要分布在湾东部和东北部海域。强降雨后 1 天，由于短时间内大量营养要素通过河流径流和大气湿沉降排入湾内，导致湾内表层海水富营养化程度显著增大，最大值达到91.89，整个海域EI平均值为13.71±21.20，较降雨前提高了2.2倍， EI值大于5的严重富营养化海域面积占比达到 50%以上，较降雨前提高4倍多，同时，营养盐结构也更有利于浮游植物生长，这为大规模赤潮爆发提供了充分的物质基础。实际上，已有研究表明，由于降雨而在胶州湾形成的高温、低盐、富营养的环境，有利于中肋骨条藻的快速增值并直接导致了赤潮的爆发[31]。

图9　降雨前后胶州湾富营养化指数的空间分布

3结语

受台风“达维”所带来的强降雨影响，入胶州湾河流流量生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P浓度较降雨前显著增大，由于受河流和湿沉降共同作用导致输入胶州湾生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P通量较降雨前分别增加了2.7、19.7和25.6倍。强降雨过后 1 天，胶州湾生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P含量均显著升高，富营养化程度进一步加重，且高值区与盐度的低值区分布区域极其吻合，说明降雨带来的陆源生源要素流失是导致湾内生源要素含量升高的直接原因；同时，胶州湾营养盐结构发生明显改变，N/Si/P的比例由降雨前的24∶8∶1变化为降雨后的19∶10∶1，更接近Redfield比值，降雨前潜在的磷或硅限制大大降低，且氮素中浮游植物更易于吸收同化的NH3-N含量增加。强降雨后，胶州湾营养盐水平和营养盐结构都较降雨前更适宜于浮游植物的生长繁殖，为大规模赤潮的爆发提供了物质基础。

参考文献：

[1]Goldenberg S B, Landsea C W, Mestas-NuezA M, et al. The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications[J]. Science, 2001, 293(5529): 474-479.

[2]Emanuel K. Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years[J]. Nature, 2005, 436(7051): 686-688.

[3]Webster P J, Holland G J, Curry J A, et al. Changes in tropical cyclone number, duration, and intensity in a warming environment[J]. Science, 2005, 309(5742): 1844-1846.

[4]Wu L, Wang B, Geng S. Growing typhoon influence on east Asia[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(18):109-127.

[5]Knutson T R, McBride J L, Chan J, et al. Tropical cyclones and climate change[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(3):157-163.

[6]Herbeck L S, Unger D, Krumme U, et al. Typhoon-induced precipitation impact on nutrient and suspended matter dynamics of a tropical estuary affected by human activities in Hainan, China[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 93(4): 375-388.

[7]Harding L W, Perry E S. Long-term increase of phytoplankton biomass in Chesapeake Bay, 1950-1994[J]. Oceanographic Literature Review, 1998, 45(3).

[8]Harding Jr L W, Mallonee M E, Perry E S. Toward a predictive understanding of primary productivity in a temperate, partially stratified estuary[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2002, 55(3): 437-463.

[9]Roman M, Zhang X, McGilliard C, et al. Seasonal and annual variability in the spatial patterns of plankton biomass in Chesapeake Bay[J]. Limnology and Oceanography, 2005, 50(2): 480-492.

[10]Mallin M A, Paerl H W, Rudek J, et al. Regulation of estuarine primary production by watershed rainfall and river flow[J]. Marine Ecology Progress Series MESEDT, 1993, 93(1/2):199-203.

[11]Mallin M A, Paerl H W, Rudek J. Seasonal phytoplankton composition, productivity and biomass in the Neuse River estuary, North Carolina[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1991, 32(6): 609-623.

[12]Cadee G C. Recurrent and changing seasonal patterns in phytoplankton of the westernmost inlet of the Dutch Wadden Sea from 1969 to 1985[J]. Marine Biology, 1986, 93(2): 281-289.

[13]沈志良.胶州湾营养盐结构的长期变化及其对生态环境的影响[J]. 海洋与湖沼, 2002, 33(3): 322-331.

Shen Zhiliang. Long-term changes in nutrient structure and its influences on ecology and environment in jiaozhou bay[J]. oceanologia et limnologia sinica, 2002, 33(3): 322-331.

[14]孙晓霞,孙松,赵增霞,等.胶州湾营养盐浓度与结构的长期变化[J]. 海洋与湖沼, 2011, 42(5): 662-669.

Sun Xiaoxia, Sui Song, Zhao Zengxia. Long-term changes in nutrient concentration and structure in the jiaozhou bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2011, 42(5): 662-669.

[15]王修林,李克强,石晓勇.胶州湾主要化学污染物海洋环境容量[M]. 北京:科学出版社,2006:1-22.

Wang Xiulin, Li Keqiang, Shi Xiaoyong. Marine environmental capacity of main chemical pollutants in the jiaozhou bay[M]. Beijing: Science Press, 2006:1-22.

[16]《中国海湾志》编撰委员会. 中国海湾志(第四分册)[M]. 北京: 海洋出版社, 1993.

“Chinese bays" compliation committee. Chinese bays (fourth volumes)[M]. Beijing: China ocean press, 1993.

[17]乔旭东.胶州湾排污管理区及其主要排海化学污染物分配容量的准确计算研究[D].青岛: 中国海洋大学， 2009:14-26.

Qiao Xudong. The Study on Bay Discharge Regions and Accurate Calculations Their Allocated Capacities of Major Pollutants[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2009:14-26.

[18]赵瑾.环胶州湾河流对胶州湾水沙输送的数值模拟[D].青岛:中国海洋大学， 2007:9-10.

Zhao Jin. The Numerical Simulation of the Transport of the Fluvial Water and Sediment to the Jiaozhou Bay[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2007:9-10.

[19]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

State Environmental Protection Administration. Water and Wastewater Monitoring and Analysis Method[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[20]国家环境保护总局.GB 13580.2-1992大气降水样品的采集与保存[S]. 北京： 中国标准出版社,1993.

The State Environmental Protection Administration, GB13580.2-1992. Collection and Preservation of Atmospheric Precipitation Samples[S]. Beijing: China Standard Press， 1993.

[21]中华人民共和国水利部.GB 50179-93河流流量测验规范[S]. 北京: 中国计划出版社， 1993.

The people's Republic of China of water sector. GB:50179-93 River Discharge Test of the Ministry[S]. Beijing: China Planning Press， 1993.

[22]国家海洋环境监测中心.GB 17378.1-2007海洋监测规范[S]. 北京: 中国标准出版社， 2007.

National marine environmental Monitoring Center. GB17378.1-2007.Marine Monitoring[S]. Beijing: China Standard Press, 2007.

[23]高超, 朱继业, 朱建国, 等.极端降水事件对农业非点源污染物迁移的影响[J].地理学报, 2006, 60(6): 991-997.

Gao Chao, Zhu Jiye, Zhu Jianguo, et al. Effects of extreme rainfall on the export of nutrients from agricultural land [J]. Acta Geographica Sinica, 2006.60(6):991-997.

[24]Ramos M C, Martinez-Casasnovas J A. Nutrient losses from a vineyard soil in Northeastern Spain caused by an extraordinary rainfall event[J]. Catena, 2004, 55(1): 79-90.

[25]宋宇然. 青岛地区大气湿沉降的研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2006:49-53.

Song Yuran. Study on the Atmospheric Wet Deposition in Qingdao[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2006:49-53.

[26]朱玉梅. 东、黄海大气沉降中营养盐的研究[D]. 青岛：中国海洋大学，2011:30-32.

Zhu Yumei. Nutrients in Atmospheric Deposition of the Yellow and East China Seas Qingdao[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011:30-32.

[27]胡章喜, 徐宁, 段舜山. 不同氮源对4种海洋微藻生长的影响 [J]. 生态环境学报, 2010, 19(10): 2452-2457.

Hu Zhangxi, Xu Ning, Duan Shunshan. Effects of nitrogen sources on the growth of Heterosigma akashiw, Karenia sp.,Phaeocystis globosa and Chaetoceros sp[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2010, 19(10): 2452-2457.

[28]张平.长江口营养盐结构变化研究 [D]. 青岛： 中国科学院海洋研究所， 2001.

Zhang Ping. Research on the structural changes of nutrients in the Changjiang Estuary[D]. Qingdao: Institute of the Chinese Academy of Sciences, 2001.

[29]邹景忠, 董丽萍, 秦保平. 渤海湾富营养化和赤潮问题的初步探讨[J]. 海洋环境科学, 1983, 2(2): 41-54.

Zou Jingzhong, Dong Lliping, Qin Baoping. The Preliminary Study on eutrophication and red tide problem of Bohai Bay[J]. Marine Environmental Science, 1983, 2(2): 41-54.

[30]Justic D, Rabalais N N, Turner R E, et al. Changes in nutrient structure of river-dominated coastal waters: stoichiometric nutrient balance and its consequences[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1995, 40: 339-356.

[31]霍文毅, 俞志明, 邹景忠, 等. 胶州湾中肋骨条藻赤潮与环境因子的关系[J]. 海洋与湖沼, 2001, (3): 311-318.

Huo Wenyi, Yu Zhiming, Zou Jingzhong, et al. Outbreak of skeletonema costatum red tide and its relations to environmental factors jiaozhou bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2001(3):311-318.

责任编辑徐环

The Influence of Typhoon-Induced Precipitation on Biogenic Element Supplementary and Distribution of Jiaozhou Bay, China

ZHANG Yan-Jun1, 2, ZHAO Run-De3, HU Yue-Cheng4, WANG Wei1, 2,YANG Nan-Nan1, 2, LIANG Sheng-Kang1, 2, WANG Xiu-Lin1, 2

(1.The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3.Qingdao Environmental Protection Agency, Qingdao 266003, China; 4.Qingdao Environmental Monitoring Centre,Qingdao 266003, China)

Abstract:Typhoon-induced heavy rains often have great impact on coastal hydrology and biogeochemistry through the strong pulse input of biogenic elements. However, few studies have explored the impacts of heavy rains associated with typhoon on the ecosystem of the Jiaozhou Bay (JZB), which is a typical semi-enclosed bay of China. In this study, two synchronous survey of the input, the concentrations and composition of biogenic elements as well as other physical-chemical parameters of the JZB were conducted, prior to and after Typhoon Damrey in August 2012. During the process of the typhoon, the flux of dissolved inorganic nitrogen (DIN), silicate ) andphosphate ), through both the bay catchments and atmospheric wet deposition was the 2.7, 19.7 and 25.6 times than that of the previous heavy rain, respectively. Accordingly, the average concentration of DIN, and in surface seawater of the JZB elevated to (37.90±26.72)μmol·L(-1), (20.18±17.22)μmol·L(-1), (1.75±1.28)μmol·L(-1), which was the 1.5, 2.4 and 2.3 times than that of the previous heavy rain, respectively. At the same time, the structure of biogenic elements of the JZB also changed significantly. The average values of the ratio changes from 24∶8∶1 before the typhoon to 19∶10∶1 after 1 day of the typhoon, which is closer to the Redfield ratio and is more optimal for phytoplankton growth. Further application of eutrophication index (EI) analysis showed that the level of eutrophication in the JZB become more serious after the strong rainfall. The average value of the EI increased greatly from 4.35±6.40 of the previous rainfall to 13.71±21.20 of the post rainfall, and the area proportion with severe eutrophication (EI>5) reached 50%. These results indicate that typhoon-induced heavy rain not only could provide the sufficient nutrient elements, but also could vary nutrient ratio appropriately for the growth of phytoplankton, which might result in the occurrence of phytoplankton bloom in the JZB.

Key words:Jiaozhou bay; heavy rain; biogenic elements; input flux; nutrient level and ratio

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb. 20150010

中图法分类号：P734.4+1

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)04-079-10

作者简介：张艳军(1987-)，女，硕士。E-mail: 860791230@qq.com**通讯作者： E-mail: liangsk@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-01-21；

修订日期：2015-03-24

*基金项目：国家海洋局公益性课题项目(201205018);中央高校基本业务费项目(201362014)资助

Supported by The Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean of China; The Fundamental Funds for the Central Universities