长江口及其邻近海域叶绿素a分布特征及其与低氧区形成的关系

李 照, 宋书群, 李才文(. 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 26607; 2. 中国科学院大学, 北京 00049)



长江口及其邻近海域叶绿素a分布特征及其与低氧区形成的关系

李 照1, 2, 宋书群1, 李才文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)

于2013年3月和8月研究了长江口及其邻近海域叶绿素a的分布特征, 并对环境因子和长江冲淡水对浮游植物生物量分布的影响进行了探讨。结果表明, 叶绿素a浓度在丰水期较高, 平均值为5.18 μg/L,最高值达32.05 μg/L, 现场海水出现变色现象; 与同期历史资料对比分析, 发现该海域叶绿素a浓度呈现出波动增长趋势。丰水期与枯水期叶绿素a的相对高值区均位于冲淡水的中部, 122.5°E~123°E之间;丰水期在调查海域出现溶解氧低值区与低氧区, 最低值仅为0.64 mg/L; 发现低氧区出现位置北移、面积扩大和溶解氧最低值下降的趋势。底层溶解氧低值区分布与表层叶绿素高值区大致吻合, 表明低氧现象与表层浮游植物的生长和现存量密切相关, 在跃层存在的水体中表层浮游植物的大量繁殖易造成底层低氧区的出现。

叶绿素a; 长江口; 浮游植物; 冲淡水; 溶解氧

[Foundation: the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11020302; the Joint Research Fund of NSFC-Shandong Province, No. U1406403; the 100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences]

近年来, 随着沿海地区人口增加、工农业发展和城市化进程加快, 工农业废水和生活污水不断增加,导致了陆源营养盐的大量输入, 加剧了河口及其邻近海域的富营养化程度[1-4]。水体富营养化程度加深和有害藻华的频发, 导致生态系统的稳定性明显下降[5-7]。作为海洋中主要的初级生产者, 浮游植物的生长及分布特征不仅受海洋环境变化的影响, 而且对富营养化、低氧区形成等生态环境问题具有一定指示作用[8]。

长江口是我国第一大河口, 处于长江冲淡水、台湾暖流和黄海冷水团交汇区域, 理化条件非常复杂[9]。长江径流携带了大量营养盐入海, 其中溶解性无机氮(DIN)入海通量约占东海总通量的52%, 磷酸盐占33%, 硅酸盐占56%[10]。长江冲淡水导致的长江口及其邻近海域富营养化程度加剧和低氧区面积扩大等严重的生态环境问题, 受到研究人员的广泛关注[4, 7, 11-13]。从1980年起, 已有学者对长江口及其邻近海域浮游植物的时空分布和群落结构特征进行了相关研究, 对多种环境因素(营养盐结构和分布,盐度、悬沙、上升流)的影响形成了一定的科学认识。研究发现, 1960年到1990年由于长江冲淡水的营养盐输入, 长江口及其邻近海域的DIN增加了2倍, 硅酸盐减少了2倍, 同时伴随N/P增加、Si/N降低, 而且该海域1984年至2002年的叶绿素a增加了4倍[14]。宁修仁等[15]发现, 在长江口门以东约100 km的长江冲淡水中部水域出现了浮游植物生产力锋面, 其中光照和营养盐是影响浮游植物生长的主要环境因素。宋洪军等[16]通过GAM模型分析发现营养盐的上行效应是该海域浮游植物现存量的主要控制因素。近年来研究显示该海域底层频繁出现低氧现象, 并形成相当面积的低氧区, 而表层浮游植物的大量增长被认为是该海域氧亏损的主要影响因素之一[7, 17-18]。然而,目前对于冲淡水对浮游植物影响的研究仍然缺乏数据积累, 而且浮游植物在低氧区形成中的作用也有待深入研究。

叶绿素a作为浮游植物光合作用的主要色素[19],是评价浮游植物现存量的一个重要指标[20]。本文基于2013年枯水期(3月份)与丰水期(8月份)两个航次的多学科海洋调查资料, 对两个时期叶绿素a的分布特征进行了系统研究, 分析了其与温度、盐度和营养盐等环境因子的关系。结合前期研究, 选取重要断面和典型站位, 分析了长江冲淡水对浮游植物现存量分布的影响, 初步探讨了浮游植物对于该海域低氧区形成的影响和作用。相关结果为研究长江口及其邻近海域浮游植物的生态学特征提供了基础资料, 有助于进一步明晰该区域低氧区形成的主要影响因素。

1 材料和方法

1.1 研究站位

于2013年枯水期(2013/3/4~2013/3/20)和丰水期(2013/8/17~2013/8/28)分别在长江口及其邻近海域(28.5°N~32.5°N、125°E以西)布设64个、36个站位(图1), 进行了2次水文、化学和生物的多学科综合调查。

图1 研究区域与调查站位Fig. 1 Study area and sampling stations

1.2 样品采集与分析

现场样品的采集、保存及部分环境参数的测定按照《海洋调查规范》(GB 17378.3-2007)进行。各站位根据水深采集标准层水样, 包括表层、5、10、20、30、50 m和底层(底上2 m), 底层与标准层间隔小于3 m时只采集底层水样。各层水样的温度、盐度、PH值由船载CTD(SBE917)同步获得。

水样采集后, 立即用洁净的200 μm孔径筛绢滤去中型及以上的浮游生物, 然后量取300~500 mL预过滤水样, 抽滤到Whatman GF/F玻璃纤维滤膜上(<50 kPa负压), 滤膜经铝箔包裹后置于–20℃冰箱内冷冻保存; 实验室内叶绿素样品在低温避光条件下, 经90%丙酮萃取24 h后, 使用Trilogy荧光计(Turner Design)测定上清液酸化前后的荧光值, 按照Parsons 等[21]的公式计算样品中叶绿素a的浓度。营养盐样品用SKALAR自动分析仪测定, 硝酸盐、硅酸盐和磷酸盐分别采用铬铜还原法、硅钼蓝法、钼锑抗法分析[22]; DO的测定采用Winkler碘量法[23]; 溶解氧饱和度的计算参照《海洋调查规范》(GB 12763.4-2007)。

1.3 数据处理与统计分析

叶绿素a与主要环境因子间的相互关系通过SPSS 18.0软件的Pearson相关性分析完成; 叶绿素a等值线分布图采用Golden Software Surfer 12.0软件生成。

2 结果

2.1 长江口及其邻近海域水文特征

2.1.1 环境因子及营养盐状况

调查期间, 长江口及邻近海域在枯水期水温偏低, 且沿离岸方向呈递增趋势, 其表层水温为6.04~14.09℃ , 平均为11.51℃ (表1)。 而在丰水期,该海域表层水温较高, 为17.18~29.30℃ , 平均为24.02℃。

该海域表层盐度沿冲淡水向外有逐渐升高趋势,其梯度在两个调查期存在明显差异(图2)。枯水期,调查海域的表层盐度为19.12~34.17, 等盐线在口门外向东南伸展, 30等盐线位于123°E附近。丰水期,随着长江径流量增大, 盐度整体较低。低盐水舌出口门后向东北偏北和东南方向偏转, 30等盐线较枯水期向东扩展, 延伸至124°E。从表层盐度水平分布看,长江冲淡水出口门后偏转方向与历史资料一致。在径流量小的枯水期朝东北偏北方向扩展, 而在丰水期则分为两股, 分别向东北偏北和东南扩展[24]。同时,表层盐度的变化范围比底层大, 表明长江冲淡水对该海域上层水体有更大的影响。

表1 长江口及其邻近海域环境因子值Tab. 1 Variation in environmental factors in the Changjiang River Estuary (CE) and adjacent waters

图2 研究区域表层盐度分布Fig. 2 Distribution of Sal in the surface water of the survey area

由于径流量的不同, 该海域营养盐水平在两个调查期也存在着明显差异, 但营养盐高值区均分布在近岸海域。枯水期, 硝酸盐浓度在2.97~67.13 μmol/L之间, 平均浓度为12.09 μmol/L, C4站最高; 硅酸盐浓度在3.99~59.12 μmol/L之间, 平均浓度为17.23 μmol/L, C4站最高; 磷酸盐浓度相对较低在0.30~1.40 μmol/L之间, 平均为0.58 μmol/L。丰水期营养盐水平较枯水期有所升高, A3-4站浓度最高; 硝酸盐的平均浓度为14.17 μmol/L; 硅酸盐浓度在1.81~101.04 μmol/L之间, 平均浓度为17.41 μmol/L; 磷酸盐浓度在0.01~ 1.86μmol/L之间, 平均浓度为0.65 μmol/L。

2.1.2 冲淡水断面的水文特征

根据长江冲淡水的扩展特征以及对数据的初步分析, 本研究选取3条断面(枯水期A5断面, 丰水期A5与A2断面)分别研究其对该海域水体垂向分布特征的影响(图3)。丰水期, 冲淡水覆盖了整个断面的上层, 10 m以浅水体等盐线密集, 盐度垂直梯度非常明显, 存在盐度跃层; 下层水体由高盐水控制, 垂直变化较小。枯水期30等盐线相对于丰水期向近岸移动, 盐度较低区垂直变化较为明显, 高盐度区域盐度的垂直变化很小, 水体混合较为均匀。

2.2 叶绿素a的分布

2.2.1 叶绿素a的水平分布

本研究对长江口及邻近海域的叶绿素a进行了调查(图4)。枯水期, 表层叶绿素a浓度变化范围为0.44~2.07 μg/L, 平均值为0.77 μg/L。叶绿素a水平由近岸向外海呈先逐渐升高再降低的趋势, 高值区主要出现在调查区中部122.5°E~123°E附近海域, A6-7站最高。近岸海域叶绿素a浓度较低, 均低于0.7 μg/L。丰水期, 由于营养盐输入的增加, 浮游植物的生长旺盛, 表层叶绿素a浓度升高, 分布范围为0.36~32.05 μg/L, 平均值为5.18 μg/L; 叶绿素a高值区分布在调查区的中部和西北部, 122.5°E ~123°E之间。在30等盐线以内, 其中有5个站位叶绿素a浓度超过10 μg/L, 2个站位超过20 μg/L(现场发现海水变色), 以A2-4站最高。

图3 冲淡水断面温度、盐度、叶绿素a、DO剖面Fig. 3 T, Sal, DO, and Chl a in section profiles

图4 研究区域表层叶绿素a、底层DO分布Fig. 4 Distribution of Chl a in the surface water and DO of the bottom water in the survey area

2.2.2 叶绿素a的垂直分布

为进一步了解叶绿素a的分布特征, 根据A5和A2断面, 分析了冲淡水对叶绿素a垂直分布的影响(图3)。其中, 枯水期A5断面叶绿素a垂直分布相对均匀, 浓度在10 m以浅水层相对较高。在调查区中部表层有一相对高值中心(A5-7), 其叶绿素a浓度为1.93 μg/L。丰水期A2和A5断面叶绿素a的垂直分布均具有较强的层化(表层>底层)。其中, A2断面的A2-4站位表层叶绿素a浓度最高, 达32.05 μg/L, 高值区以深及离岸方向叶绿素a浓度明显降低。

2.3 溶解氧的分布

海水中溶解氧浓度与浮游植物的生长繁殖密切相关, 同时受径流量、降水量、温度、海水的物理运动以及沿海海域中生物活动的影响[25]。本研究对两个时期的表层和底层的DO进行调查。由图4可知:枯水期DO垂向分布比较均匀, 表、底层DO平均浓度分别为8.95 mg/L和8.71 mg/L, 浓度范围分别为5.94~10.16 mg/L和4.04~10.64 mg/L; 表、底层溶解氧饱和度平均值为99.24%和96.63%, 范围分别为62.22%~105.94%和42.49%~107.25%, 不存在明显低氧现象。而在丰水期, 表、底层DO平均值6.56 mg/L 和3.49 mg/L, 浓度范围分别是4.31~11.06 mg/L和0.64~5.32 mg/L; 表、底层溶解氧饱和度平均值为98.40%和53.34%, 范围分别为59.08%~166.62%和9.17%~77.97%。底层其中有五个站位DO浓度低于2 mg/L, A1-4站位DO与溶解氧饱和度最低, 溶解氧的低值区位于调查海域的西北部。

2.4 典型站位水环境及生态因子分布

本研究选取丰水期温盐跃层明显、叶绿素a浓度较高的A2-4、A4-7两个站位, 研究了其DO、叶绿素a、温度以及盐度的分布情况(图5)。A2-4站位表层叶绿素a浓度达32.05 μg/L, 磷酸盐浓度为0.23 μmol/L , 硅酸盐浓度为43.23 μmol/L , DIN/P比为193.57, Si/N为0.97; A4-7站位表层叶绿素a浓度达23.11 μg/L, 磷酸盐浓度为0.25 μmol/L , 硅酸盐浓度为1.81 μmol/L , DIN/P为50.22, Si/N为0.14。两个站位相比较, A4-7站位硅酸盐浓度较低且Si/N比值低于Redfield常数, 有硅限制的可能。垂直分布情况: 其中, A2-4站位叶绿素a分层明显, 在10 m以浅水层浓度较高, 表层出现最高值, 为32.05 μg/L; 叶绿素a在中层迅速降低, 底层浓度最低, 而且表层是底层浓度的接近20倍。A2-4站位对应的DO分布与叶绿素a趋势一致, 10 m以深水层DO浓度较低, 在底层达到低氧范围, 最低含量仅为1.24 mg/L。这可能因为浮游植物繁殖产生的大量有机碳沉降至底层大量消耗溶解氧, 而温、盐跃层的存在阻碍了表层氧向底层的扩散, 使得底层溶解氧量得不到及时的补充, 导致底层DO远低于表层。A4-7站位DO垂向变化趋势与叶绿素a相似, 最高值均出现在表层, 从表层到底层依次降低。由于A4-7站位与A2-4相比较, 温盐跃层相对较弱、表层叶绿素a浓度相对较低,而底层溶解氧浓度则相对较高。

图5 典型站位温度、盐度、叶绿素a、DO的垂直分布Fig. 5 Vertical profile of T, Sal, DO, and Chl a at the typical stations A2-4 and A4-7

3 讨论

3.1 长江冲淡水影响调查海域叶绿素a的分布

浮游植物的特征及动态变化受温度、光照、营养盐等多个环境因子综合作用的影响。宁修仁等[15]认为浮游植物生物量锋面的出现是光照强度和营养盐含量最佳权衡的结果。韩秀荣[26]分析了长江口及邻近海域2002-2007年间多次现场调查数据, 发现温度、光照和营养盐是该海域浮游植物植物生长的主要影响因子。本研究对调查海域叶绿素a与环境因子进行了相关性分析(表2), 结果显示: 枯水期表层叶绿素a浓度与环境因子无显著相关性; 底层溶解性无机氮与叶绿素a浓度呈显著正相关(P<0.05)。而在丰水期, 表层叶绿素a浓度与盐度、溶解氧呈极显著负相关性(P<0.01); 底层叶绿素a浓度与盐度呈显著的负相关, 与磷酸盐呈显著负相关关系(P<0.05), 可见长江冲淡水过程对该海域浮游植物现存量的空间分布具有重要的影响。本研究中两个调查期叶绿素a浓度高值区位于调查海域的中部, 122.5°E~ 123°E之间, 30等盐线以内的低盐区。这与宁修仁等[15]发现的长江口门以东约100 km的海域出现生物生产力锋面的研究结果相一致。

海域的环境因子可以影响水体叶绿素a的分布,同时叶绿素a也是反映该海域生态系统现状的重要指标。近年来随着沿海地区人口增加、工农业发展和城市化进程加快, 长江口及其邻近海域营养过剩,水体富营养化程度加深, 有害藻华发生的次数明显增多[27]。对比历史资料, 该海域叶绿素a浓度呈现出波动增长趋势(表3)。本研究结果显示, 丰水期其中有5个站位叶绿素a浓度超过10 μg/L, 2个站位超过20 μg/L, 以A2-4站最高达32.05 μg/L, 现场发现海水变色现象。

表2 长江口及其邻近海域叶绿素a与环境因子的相关性分析Tab. 2 Pearson correlation analysis between Chl a concentrations and environmental variables in the CE and adjacent waters

表3 长江口及其邻近海域叶绿素a的变化趋势Tab. 3 Long-term trend of Chl a concentration (μg/l) in the CE and adjacent waters

3.2 调查海域浮游植物分布特征与低氧区分布一致

近年来研究发现, 长江口外底层水体存在显著的低氧区[25, 35-36]。1999年夏季观测到的低氧区面积达13 700 km2, 平均厚度达20 m, 溶解氧最低值达到1 mg/L; 2002年春季也发现了较大面积的溶解氧低值区; 特别是夏季长江口外低氧区呈现位置北移、溶解氧最低值波动下降和面积扩大的变化趋势。本研究中丰水期有五个站位底层溶解氧浓度低于2 mg/L,最低值仅为0.64 mg/L, 溶解氧饱和度最低值为9.17%; 与历史资料相比, 溶解氧的平均值与最低值都低于历史同期数据。同时, 本研究中低氧区主要位于31.56°N~32.06°N, 122.45°E~123.50°E, 与马永存等[37]的调查结果(核心低氧范围为30.60°N~31.10°N, 123°E~123.20°E)相比, 出现了位置北移、面积扩大的趋势。水体中溶解氧的消耗受浮游植物光合作用与有机物分解耗氧不平衡的影响; 当水体中溶解氧浓度低于2 mg/L时, 生物的生长及生境将受到威胁与破坏。近年来, 长江口及其邻近海域富营养化严重,长江径流输送N、P等污染物的不断增加促进了表层浮游植物的生长, 大量浮游植物衰亡后沉降到水底,大量有机质在底层发生生物降解消耗大量氧气, 同时温盐跃层的存在限制了表层氧向底层扩散, 使得底层氧不能得到及时补充, 从而加剧了该海域氧的亏损。

在本研究中, 丰水期溶解氧低值区与表层叶绿素浓度较高站位分布大致吻合, 均分布在调查海域的西北部。同时, 结合丰水期溶解氧分布与环境因子进行的相关性分析的结果: 表层与底层之间的ΔDO 与ΔT、ΔS和ΔChl a都呈极显著的正相关关系(P<0.01), 表明溶解氧分布受水体层化、浮游植物有机物分解作用的影响。研究认为表层浮游植物产生的大量颗粒态有机碳向底层输送并在底层进行化学和生物氧化, 同时温盐跃层限制了表层氧向底层扩散是低氧区形成的内在机制[25]。长江口及其邻近海域与世界其他河口水域的低氧现象类似, 低氧区的形成是个复杂的过程, 受浮游植物丰度及群落结构组成、有机物在底层的停留时间、温度、水体层化、海底地形等多种因素的共同影响, 因此浮游植物沉降对于底层缺氧区形成的量化贡献有待进一步的研究。另外, 受调查条件的限制, 本研究获得的现场水文资料较少, 对于长江口外低氧区形成与浮游植物之间的关系未能深入讨论, 今后需做进一步的研究。

4 结论

(1) 长江口及其邻近海域叶绿素a的分布受长江冲淡水的影响, 在枯水期与丰水期存在明显的差异。叶绿素a浓度在丰水期较高, 平均值为5.18 μg/L, 最高值达32.05 μg/L(现场发现海水变色现象), 高值区位于调查区的中部和西北部; 而在枯水期浓度较低,平均值仅为0.68 μg/L, 分布范围为0.44~2.07 μg/L,相对高值区位于冲淡水中部, 122.5°E~123°E之间。与同期历史资料对比分析发现该海域叶绿素a浓度呈现出波动增长趋势。

(2) 枯水期水体垂直混合均匀, 不存在明显低氧现象。丰水期在调查海域西北部底层出现溶解氧低值区与低氧区, 溶解氧最低值仅为0.64 mg/L, 与历史资料相比较出现了位置北移、面积扩大、溶解氧最低值下降的趋势; 而且底层溶解氧低值区分布与表层叶绿素高值区大致吻合, 表明低氧现象与表层浮游植物的生长和现存量密切相关。

致谢: 感谢俞志明课题组提供营养盐和溶解氧数据。

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(本文编辑: 康亦兼)

Distribution of chlorophyll a and its correlation with the formation of hypoxia in the Changjiang River Estuary and its adjacent waters

LI Zhao1, 2, SONG Shu-qun1, LI Cai-wen1
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

May, 18, 2015

chlorophyll a (Chl a); Yangtze River Estuary; phytoplankton; dilution water; dissolved oxygen

Based on multi-discipline surveys in the Changjiang River Estuary and its adjacent waters in March and August 2013, the distribution of chlorophyll a (Chl a) as well as its correlation with major environment factors were studied. The results indicated that Chl a concentration was higher during the flood period, with an average of 5.18 μg/L and a maximum of 32.05 μg/L. The Chl a concentration during the flood period showed a fluctuating growth trend as compared to historical data, and the water containing a relatively high Chl a level appeared in the middle of the diluted area bounded by 122.5–123°E. A low level of dissolved oxygen (DO) and hypoxia was observed in the near-bottom waters during the flood period, with a minimum value of 0.64 mg/L. These results indicated that the hypoxic zone expanded and had a trend of moving northward, while the minimum DO value decreased significantly as compared to the historical records. The lower DO zone in near-bottom water was associated with the surface water with higher Chl a, indicating a close correlation between DO at the bottom and Chl a. Therefore, with strong water stratification, the flourishing of phytoplankton in the surface water may directly contribute to the formation of low-oxygen zones in near-bottom water.

P76, Q948.8

A

1000-3096(2016)02-0001-10

10.11759/hykx20150518001

2015-05-18;

2015-07-06

中国科学院战略性先导科技专项(A类)资助(XDA11020302);国家基金委-山东省联合基金项目(U1406403); 中国科学院“百人计划”项目资助

李照(1990-), 女, 山东济南人, 硕士研究生, 主要从事浮游植物生态学研究, E-mail: lizhao0708@126.com; 李才文, 通信作者,研究员, E-mail: cwli@qdio.ac.cn