2015年春季长江口表层沉积物生源要素分布和来源

张珊珊, 线薇微, 梁 翠, 沈志良



2015年春季长江口表层沉积物生源要素分布和来源

张珊珊1, 3, 线薇微1, 2, 梁 翠1, 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. 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; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

根据2015年5月对长江口及其邻近海域的生态环境调查资料, 探讨长江口春季表层沉积物总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和生源硅(BSi)4类生源要素的空间分布和来源。结果表明: 2015年春季长江口表层沉积物TOC、TN、TP和BSi平均含量分别为0.315%、0.041%、0.066%和0.450%, 其中, 沉积物中TOC、TN受到陆源输入和海洋自生输入双重影响, 且海洋自生组分的贡献较大, 二者空间分布均呈现南部分布最高并沿西北方向递减趋势; TP分布主要受陆源输入影响, 并呈西北向东南递减趋势; BSi来源于生物沉积, 总体呈现南部高、北部低的分布趋势。与2007年相比, 长江口表层沉积物有机碳、氮含量降低, 东南外海区域替代浑浊区域成为表层沉积物生源要素含量最高区域, 且陆源输入对长江口表层沉积物生源要素的贡献趋于减弱。

长江口; 表层沉积物; 生源要素; 分布; 来源

生源要素(主要为碳、氮、磷和生源硅等元素)是海洋生物成长所必需的重要营养元素, 是海洋初级生产过程和食物链的基础。生源要素循环一直是海洋生物地球化学研究的焦点, 也是全球变化研究和整个生物圈物质流动、能量循环研究的重要组成部分[1-3]。近海沉积物是海洋生态系统生源要素的重要储库和补给源[4], 人类活动引起的生态环境变化均被记录于此。近年来有学者对重要湖泊、海湾沉积物中的TOC、TN及BSi空间分布进行探讨[5], 研究结果显示, 自19世纪以来美国Laurentian Great Lakes水系沉积物中TOC含量及埋藏通量呈显著上升趋势, New Bedford Harbor港口沉积物中的BSi则有效记录了近2个世纪人类活动变化对港口生态环境影响的演变过程[6]。国内专家也通过对珠江口、胶州湾等沉积物中有机碳、氮的形态、生物硅等指标进行深入解析[7-8], 给出了近海表层沉积物中碳、氮、磷和生源硅的含量及分布特征, 并由此推断生源要素的来源和有机污染状况[9-10]。

长江口作为世界第三大河的入海口, 堆积了大量陆源输入的泥沙等物质, 沉积物成为生源要素的最终归宿[11]; 部分细粒泥沙随潮流向东、向南输送, 同时受生物作用的影响, 导致沉积物中生源要素分布的空间差异[12]。自20世纪80年代以来, 众多学者对长江口及其近海水体中初级生产力及颗粒态有机物的分布、来源及通量作了较多研究[13-14], 于宇[6]揭示了沉积物中生源要素对水体生态环境变化的指示意义, 王华新等[15]根据2007年调查数据解析长江口有机碳季节变化特征, 并对其影响因素进行了初步探讨。本文依据2015年5月春季生态环境调查资料, 探讨长江口目前表层沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和生源硅(BSi)含量、分布和来源, 并根据历史调查数据解析2007年以来长江口表层沉积物生源要素时空变化特征, 研究结果将为进一步阐释长江口生物地球化学循环特征提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

现场调查于2015年5月初完成, 租用“浙嵊漁10201号”船对长江口及其邻近海域进行生态环境综合调查。调查区域范围在30°30′~32°20′N, 121°00′~ 123°30′E, 自西向东涵盖8个断面, 共计40个站位(图1)。依据长江冲淡水范围和水体总悬浮物(TSM)含量特征将其分为3个区域[15]。分别是: 冲淡水覆盖范围内, 悬浮物含量最高的最大浑浊区(15、16、21~23、28~30、35~40号站); 冲淡水南部偏转覆盖水域, 悬浮物含量较低的东南外海区(17~20、24~27、31~34号站)和冲淡水东北偏移覆盖水域, 悬浮物含量较低的北部海区(1~14号站)。

图1 长江口调查站位

1.2 样品采集与测定

用Van Veen 抓斗式采泥器对长江口海域表层沉积物进行采集, 取表层2 cm厚的沉积物置于–20℃冰箱冷冻保存, 本航次共收集36个样品。将样品带回实验室后, 首先各取20 g左右湿样置于50℃烘箱烘干后放于干燥皿中干燥至恒重, 然后经玛瑙研钵研磨后过125目筛, 最后装封口袋编号待测。各站位利用Sea-Bird-25 CTD同步测定深度、温盐等水文指标, 取样和各指标检测均按《海洋监测规范》( GB17378.3- 2007) 进行[16], 采用最新仪器测定。

(1)总有机碳(TOC)、总氮(TN)的测定[16]: 称取约100 mg沉积物干样品于100 mL锥形瓶中, 加入10 mL 0.1 mol/L的盐酸, 混合均匀后盖橡皮塞, 置于电炉加热, 微沸3~5 min转80℃水浴加热20 min, 冷却后离心, 倾去上清液; 再加入50 mL去离子水重复操作两次, 之后将样品于80℃烘箱中烘干, 放于干燥皿中干燥至恒重。研磨成粉末后称取样品, 利用德国Elementar公司的vario MACRO cube元素分析仪测定其TOC、TN含量。该方法检出限为0.2 mg/g。

(2) 总磷(TP)的测定[17]: 称取 5.0 g研磨后的样品, 放入模具内, 拨平。用硼酸镶边垫底, 在 35 t的压力下, 压制成试样直径为 32 mm、镶边外径为 40 mm 的圆片。标准样品和被测样品采用相同的制样方法, 利用德国布鲁克公司的S 8 Tiger波长型X射线荧光光谱仪(XRF)上机分析, 通过测量特征X射线的强度来定量分析试样中TP的质量分数, 检出限可达1.00 mg/kg。

(3) 生源硅(BSi)的测定[18]: 准确称量100 mg沉积物干样品于50 mL聚丙烯离心管中, 加5 mL 10% H2O2除去有机质, 震荡后再加5 mL 1 mol/L HCl。30 min后加去离子水洗涤, 以4 500 r/min离心10 min倾去上清液, 于60℃烘箱中烘干。向经预处理后的样品中加入40 mL 2 mol/L的Na2CO3, 摇匀后85℃恒温水浴加热, 每隔1 h离心提取0.2 mL上层清液, 连续提取8 h, 借助QuAAtro营养盐自动分析仪利用硅钼蓝法测定溶解硅酸盐浓度, 经换算得出沉积物中BSi质量浓度。该方法检出限为0.13 mg/L。

1.3 数据分析方法

本研究借助Surfer 11.0软件绘制表层沉积物各生源要素含量的等值线图, 使用SPSS 20.0软件对沉积物生源要素进行显著性及相关性分析, 利用SigmaPlot软件绘制插图。

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物生源要素分布

2015年春季长江口表层沉积物生源要素的含量及变化范围如表1所示。调查海域TOC和TN质量分数整体分布范围为0.066%~0.524%、0.006%~ 0.077%, 均值分别是0.315%和0.041%; BSi质量分数分布范围为0.125%~0.904%, 均值是0.450%; TP质量分数分布范围为0.056%~0.097%, 均值是0.066%。

分区计算显示, 除TP外, TOC、TN和BSi空间分布数值均存在显著差异(<0.05, 表1)。其中, 最大浑浊区和东南外海TOC和TN显著高于北部海区(<0.05), 而东南外海BSi含量最高, 显著高于最大浑浊区和北部海区(<0.05)。

根据历史调查资料, 1986年9月长江口海域的TOC、TN平均含量分别为0.530%、0.069%[11], 2007年春季长江口及其邻近海域的TOC、TN平均含量分别为0.500%、0.064%, TP及BSi平均含量分别为0.052%和0.410%[1]。对比发现, 较1986年和2007年, 2015年长江口有机碳和氮含量均有明显降低的趋势, 而总磷和生源硅均略有增加。李玲伟等[19]对2008年渤海中南部海域表层沉积物生源要素含量调查结果显示, TOC、TN、TP和BSi的平均含量分别是0.360%、0.035%、0.053%和0.640%, 与本次调查结果相比, 长江口有机碳、生源硅含量水平偏低, 总氮和总磷的含量则高于渤海。

表1 2015春季长江口生源要素含量(%)

注: 字母相同表示差异不显著, 字母不同表示差异显著。

调查海域TOC、TN、TP和BSi空间分布如图2所示, 对比图2中(a)与(b)可见, 表层沉积物中TOC与TN的等值线分布趋于一致, 西南部最大浑浊区和东南外海区的含量均高于北部海区, 且南部花鸟山附近海域出现高值区并呈舌状向北延伸, 反映出受长江冲淡水影响较大的最大浑浊区营养物质丰富, 有机质分布较高, 并有向北部扩散趋势。

图2(c)所示, TP含量在最大浑浊区分布较均匀, 北部海区等值线密集, 含量变化较大, 最高值出现在西北部海域2号站位, 由西北向东南呈现先递减后增加的趋势, 在调查区的东南部又出现一个次高值区域。图2(d)显示, BSi含量总体表现为南部高、东北部低的分布趋势, 最高值出现在南部嵊泗列岛附近的32号站, 东北部外海分别以8号站、13号站为中心形成两个涡状低值区。

图2 2015年春季长江口生源要素的水平分布

可以看出, 2015年春季长江口TOC、TN和BSi分布均以长江口东南部水域为最高, 而TP分布则以西北部为最高分布。对比2007年长江口TOC空间分布[15], 高分布区由123°30′ E以西迁移到123°30′ E以东, 即东南外海取代最大浑浊水域成为表层沉积物分布较高区域, 最大浑浊水域的TOC高分布优势不复存在。与2007年相比(表2), 在TOC和TN总分布降低趋势下, 2015年长江口东南外海表层沉积物生源要素分布显著高于2007年, 这也从另一方面证明, 东南外海对长江口表层沉积物生源要素的贡献显著提升。

表2 长江口表层沉积物中TOC和TN的历史统计(%)

2.2 表层沉积物生源要素来源

2.2.1 沉积物中C/N比值变化及有机质来源分析

TOC/TN比值可用于推断沉积物中有机质的主要来源, 依据是陆源高等植物含丰富的纤维素、木质素等碳水化合物而蛋白质含量较低, 故产生的有机质中C/N比值较高, 一般在14~20, 甚至大于30; 而海洋低等植物富含蛋白质, 致使其产生的有机质中C/N比值较低, 一般波动在5~7附近[22-23]。因而TOC/TN比值低于7, 表示有机质主要来源于海洋自生; 介于7~14, 则说明了有机质受到水生和陆源输入的双重影响; 高于14则指示其主要受陆源输入影响[24]。本次调查结果显示, 长江口表层沉积物中TOC/TN比值在6.81~21.59, 平均值为9.84, 说明表层沉积物中有机质的来源受陆源输入和海洋自生共同影响。

图3 2015年春季长江口表层沉积物TOC/TN比值

基于上述研究, 利用钱君龙等[25]采用的根据C/N比值定量估算总有机碳中海洋自生有机碳(OCs)和陆源输入有机碳(OCl)以及总有机氮中海洋自生有机氮(ONs)和陆源输入有机氮(ONl)百分比的定量计算方法, 可以对该水域沉积物中TOC、TN的来源进行定量分析。由于沉积物中的无机氮含量很低, 故可用沉积物TN含量近似代替TON[25], 假设海洋自生和陆源输入有机质C/N比值分别为5和20(作为零级近似), 则上述参数存在如下关系:

TOC= OCs+ OCl(1); TN= ONs+ ONl(2); OCs/ ONs=5(3); OCl/ ONl=20(4)

其中, TOC、TN为测量值, 表3给出了依据上述公式计算得到的长江口表层沉积物中OCs、OCl、ONs及 ONl的相对含量。

表3 长江口表层沉积物中OCs、OC1、ONs及 ON1的相对含量(%)

由表3分析可得, 长江口总海区表层沉积物有机碳来源于海洋自生的组分略高于陆源输入, 其中最大浑浊区二者贡献持平, 东南外海有机碳主要来源于陆源输入; 表层沉积物中的有机氮接近80%来源于生物生产, 其中东南外海区域陆源输入的贡献高于最大浑浊区域和北部海区。

结合文献数据, 利用上述方法对长江口历史研究中有机质来源进行定量分析, 结果如表4所示。2007年历史数据分析显示, 随长江陆源输入和生物生产的季节变化, 长江口沉积物有机碳来源随之改变, 其中春季长江口水域有机碳陆源输入占优势, 夏季持平, 秋季和冬季生物生产对有机碳贡献最大(表4)。与2007年相比, 2015年春季长江口表层沉积物中有机碳陆源输入的贡献明显降低, 与生物生产相比已经不占优势, 这在最大浑浊区域表现尤为显著。2003年和2007年陆源输入对该水域表层沉积物有机碳的贡献超过85%, 而本次调查中其贡献仅为43.52%。同样, 长江口表层沉积物有机氮陆源输入的贡献同样存在下降趋势, 最大浑浊区春季占据优势的贡献已不复存在, 由2007年的63.59%减少至2015年16.15%。

表4 长江口表层沉积物有机质来源的历史相对含量(%)

Tab.4 The proportions of the organic matter sourcein the surface sediment from the Yangtze River Estuary in the literature (%)

2.2.2 沉积物中磷来源分析

近海沉积物中有机和无机磷主要来源于河流的输送[26], 河流携带的含磷物质进入海洋后, 经过一系列物理及生物化学作用后, 大部分的磷最终被埋藏在河口及陆架区的沉积物中[27]。由于有机磷是表层沉积物中总磷的主要存在形式[10], 有机C/P、N/P原子比值亦可用来辨识沉积物中有机磷的来源及其降解程度[23], 因此有机磷与总磷具有相似的来源及其分布趋势。本次调查如图4所示, TOC/TP、TN/TP比值范围分别为2.09~21.39、0.26~3.02, 均值分别是8.968、1.244, 在一定程度上说明该水域中有机磷受陆源输入的影响较大[28]。黄自强等[29]研究报道也指出, 在长江口地区, 长江冲淡水中有机磷含量约为外海水的20倍, 其浓度由河口向外海递减, 指示沿江地区的人为活动污染为TP的主要来源。

图4 2015年春季长江口表层沉积物TOC/TP和TN/TP比值

2.2.3 沉积物中BSi的累积及意义

沉积物中生源硅是由隶属浮游植物的硅藻和硅质鞭毛虫死亡后的硅质外壳沉降至水底产生, 其中硅藻不仅是水体初级生产力的主要组成部分, 对有机碳生产起着主要作用; 也是表层沉积物BSi的主要来源, 其分布影响沉积物中BSi的累积[30]。有研究表明[31], 在河口近岸以及高营养盐水域, 硅藻构成了其初级生产力的75%, 本次调查表层沉积物中BSi与TOC存在极显著的正相关关系(<0.01), 表明长江口沉积物中BSi与TOC有明显的依赖关系, 揭示BSi可较好地反映该水域硅藻类浮游植物的初级生产力。

表5显示, 本次调查BSi含量与国内学者近几年对长江口及其邻近海域的调查结果[32]基本一致, 在世界近海沉积物中BSi的含量处于中等水平; 与其他海域相比, 该区域BSi含量与渤海、黄海、布雷斯特湾等海域含量相当, 明显低于南大洋海域的含量, 这主要与该区域生产力较高, BSi循环速度较快有关。

表5 世界近海沉积物中BSi含量比较

研究表明[40], TOC/BSi比值能反映硅藻对总初级生产力的贡献, 比值越小则说明硅藻对总初级生产力的贡献越大; 硅藻中P、N、BSi的比值为1︰16︰16, 若沉积物中P、N和BSi均来自于浮游植物, 沉积物中C、N、P与BSi的比值变化必然反映BSi的累积状况, 如果P︰N︰BSi小于1︰16︰16, 则表明BSi在沉积物中积累[41]。本次调查结果显示, 表层沉积物中TOC/BSi、TN/BSi的变化范围分别是0.487~ 2.838、0.046~0.320, 均值分别为1.655、0.180, TOC/BSi、TN/BSi远低于Redfield比值(TOC/BSi=6.63, TN/BSi= 1.00, TP/BSi=0.06)[42-43], 说明该区域硅藻对总初级生产力贡献较大, BSi来源于硅藻输入; 表层沉积物中TP/BSi的变化范围是0.066~0.420, 均值为0.151, 高于Redfield比值(TP/BSi=0.06), 表明沉积物中BSi的溶解速率比有机磷的分解速率快, 可能造成沉积物中TP的累积。由于通常认为[41]人类活动对河流中BSi的影响不大而对TP的影响较大, 尤其是生活污水的排放更易造成TP的累积, 因此, 该区域累积的TP从另一角度加速了BSi的分解, 促进了该区域BSi的生物地球化学循环。

3 结论

通过对春季长江口及其邻近海域表层沉积物中TOC、TN、TP和BSi含量分布及其来源的研究, 并评价了该海域表层沉积物中生源要素的潜在生态风险。主要结论如下:

(1) 调查海域TOC、TN、TP和BSi质量分数分别为0.066%~0.524%、0.006%~0.077%、0.056%~0.097%、0.125%~0.904%。最大浑浊区和东南外海TOC和TN显著高于北部海区, 而东南外海BSi含量最高, 显著高于最大浑浊区和北部海区。2015年长江口有机碳和氮含量均有明显降低的趋势, 而总磷和生源硅均略有增加。

(2) TOC和TN总体呈现出长江口最大浑浊区偏高、随着离岸距离增加含量逐渐降低, 南部出现舌状高值区的分布态势; TP在最大浑浊带附近分布均匀、北部含量高于南部, 东北部外海出现低值涡状区; BSi总体呈现南部高、北部低的分布趋势。2015年长江口TOC高分布区由123°30′E以西迁移到123°30′E以东, 即东南外海取代最大浑浊水域成为表层沉积物分布较高区域, 最大浑浊水域的TOC高分布优势不复存在。

(3) 表层沉积物中TOC、TN主要受到陆源输入和海洋自生输入双重影响, 其中, 海洋自生的组分所占比例较大, 与2007年相比, 长江口表层沉积物有机碳、氮来源有由陆源转向海洋自生的趋势; TP的分布显著受陆源输入影响; BSi来源于硅藻输入, 很好地反映了该水域硅藻类浮游植物的初级生产力水平。

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Spatial distributions and sources of biogenic elements in the surface sediment from the Yangtze River Estuary in spring 2015

ZHANG Shan-shan1, 3, XIAN Wei-wei1, 2, LIANG Cui1, SHEN Zhi-liang1

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

This study aims to assess the surface sediment of the Yangtze River Estuary based on the ecological environment investigation of the Yangtze River Estuary and its adjacent areas in May 2015, the spatial distributions, and sources of biogenic elements (including total organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, and biogenic silicon). The results revealed that the mean concentrations of TOC, TN, TP, and BSi were 0.315%, 0.041%, 0.066%, and 0.450%, respectively. Both TOC and TN were significantly affected by terrestrial inputs and marine autogenic materials, with the latter one exerting the major impact. While the highest contents of TOC and TN were found in the southern coastal zone, lower contents were distributed in the northwest offshore area. In addition, the distribution of TP was primarily affected by terrigenous inputs; it decreased gradually from the northwest to the southeast at first but, then, increased. Furthermore, the BSi content was derived from the biological deposition, with the higher content found in the southern area and the lower content in the northern zones. Compared to 2007, the TOC and TN contents in the surface sediments from the Yangtze River Estuary decreased in 2015, and the southeast offshore area, which was the maximum turbidity zone in 2007, had the highest content of biogenic elements in the surface sediments. Overall, the contribution of terrigenous inputs to the surface sediments in the Yangtze River estuary appeared to have weakened over the years.

the Yangtze River Estuary; surface sediments; biogenic elements; distribution; Source

(本文编辑: 张培新)

[NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Ecology and Environmental Sciences, No. U1606404; National Natural Science Foundation of China, No. 31272663, No. 41176138; Program of State Council Three Gorges Project Construction Committee, No. JJ 2015-011]

Jan. 10, 2017

张珊珊(1992-), 女, 山东莱芜人, 硕士研究生, 主要从事海洋环境化学研究, 电话: 13188965875, E-mail: dream_zhss@163.com;线薇微(1969-), 女, 研究员,通信作者, E-mail: wwxian@qdio.ac.cn

P736.4

A

1000-3096(2017)12-0051-09

10.11759/hykx20170110001

2017-01-10;

2017-06-07

国家基金委-山东省联合基金项目(U1606404); 国家自然科学基金面上项目(31272663, 41176138); 国务院三峡工程建设委员会资助项目(JJ 2015-011)