初夏渤海湾营养盐结构特征及其限制状况分析

张海波,裴绍峰,祝雅轩,王丽莎,石晓勇,叶思源2,,袁红明,丁喜桂



初夏渤海湾营养盐结构特征及其限制状况分析

张海波­­1,3,裴绍峰2,3*,祝雅轩3,王丽莎1,石晓勇1,叶思源2,3,袁红明3,丁喜桂3

(1.中国海洋大学化学化工学院,山东 青岛 266100；2.青岛海洋科学与技术国家实验室,海洋地质过程与环境功能实验室,山东 青岛 266061；3.中国地质调查局滨海湿地实验室,山东 青岛 266071)

根据2016年初夏渤海湾营养盐、叶绿素a和相关水文参数等数据,利用浮游植物吸收营养盐最低阈值和化学计量关系作为判断依据对渤海湾营养盐限制状况进行分析.结果表明:受陆地径流和渤海中部冷水输入的影响,初夏渤海湾在近岸、中部和湾口呈现三个明显的温盐特征海区.溶解无机氮(DIN)和活性硅酸盐(SiO32--Si)受陆源输入影响,呈现近岸高湾口低的特征;DIN平均浓度为(7.67±6.48)μmol/L,SiO32--Si平均浓度为(5.44±3.01)μmol/L,在湾口表层,DIN含量较低仅为(2.21±2.94)μmol/L,其中50%站点含量低于阈值(1μmol/L),58.3%的站点存在DIN限制.而活性磷酸盐(PO43--P)受陆源输入和浮游植物吸收储存作用等因素影响,呈现西部和曹妃甸外近海高中部较低的分布特征,平均浓度为(0.07±0.07)μmol/L,近岸受陆源氮磷输入总量差异影响,表层存在磷潜在限制比例达100%,而中部表层受浮游植物消耗吸收的影响,PO43--P含量较低,仅为(0.02±0.02)μmol/L(未检出设为0),其中近74.3%的水样含量低于阈值(0.03μmol/L),磷限制状况严重.随着渤海湾氮磷营养盐陆源输入总量差距不断扩大,磷限制状况必将会进一步发展.

渤海湾；阈值；营养盐比值；磷限制

近海生态系统位于大洋与陆地活动交汇地带,兼有大洋和陆缘浅滩的生态环境特征,是受陆源输入和人类活动影响最剧烈的水域之一;同时,因其周边沿岸区域承载着最为密集的人口和最快速的社会经济发展,是最具服务价值的自然生态系统之一[1].海水中营养盐是浮游植物生长的物质基础,其含量和结构对浮游植物生长和群落结构具有重要的影响,营养盐的缺乏会限制浮游植物的生长和繁殖,过高或者结构失衡则会影响浮游植物种群结构稳定,甚至会引发赤潮灾害[2-3]和缺氧(Hypoxia),进而影响海洋渔业资源[4-5].研究发现近海营养盐含量及结构特征和季节性变化对指示海区内生态环境稳定起到的关键作用[6-7],因此关注近海营养盐对浮游植物生产限制状况是了解近海生态环境的一个重要环节.

渤海湾位于渤海西部,是典型的半封闭浅水海湾,海水交换速度慢,内有顺时针方向的渤海湾环流[8],受陆地径流和渤海中部冷水输入[9]影响明显.周边有海河、永定新河等多条入海河流,近些年来受陆源排放、围海造田以及建坝截留等人类活动影响,河流入海径流量骤减,冲淡水现象较弱,海域面积急剧减少,导致海域内营养盐结构失衡且富营养化严重[10-11],给浮游植物群落结构以及生态结构的稳定带来影响.为进一步了解近年来人类活动对渤海湾生态环境的影响,本研究重点关注渤海湾西部近岸和北部曹妃甸外海域外营养盐含量和结构特征,同时结合叶绿素含量和相关水文参数等深入分析和统计初夏季节渤海湾海域营养盐分布以及对浮游植物生长限制状况.

1 调查区域与分析方法

1.1 调查区域和站位

本研究于2016年5月28至6月22搭载青岛海洋地质研究所渤海湾环境调查航次开展,共设置常规站位204个(图1),站点主要集中在渤海湾西部和曹妃甸开发区外湾口海域.

图1 渤海湾调查和研究区域及站位设置

1.2 数据采集与分析

现场使用Niskin采水器采集海水并获取营养盐、叶绿素等样品,并使用YSI ProPlus多参水质仪同步测定温度和盐度.营养盐样品的采集和处理过程均依照Pei等[12]所述,水样经0.45μm醋酸纤维膜(预处理)过滤后,装入NALGENE聚乙烯瓶中-20℃冷冻保存,带至中国海洋大学化学化工学院实验中心,使用SEAL AA3连续流动营养盐分析仪测定.其中NO3--N和NO2--N使用重氮-偶氮法测定(NO3--N铜-镉还原),NH4+-N使用靛酚蓝法测定, PO43--P使用磷钼蓝法测定,SiO32--Si以硅钼蓝法测定.NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P、SiO32--Si检出限分别为0.02,0.02,0.04,0.02,0.03μmol/L.溶解无机氮(DIN)为NO3--N、NO2--N、NH4+-N之和.叶绿素a依照海洋调查规范方法[GB 12763.6- 2007-T],萃取后使用分光光度法测定计算浓度.

1.3 浮游植物生长的营养盐限制评价方法

研究表明,浮游植物生长过程中对生源要素的吸收利用按照一定比例[13],当海域内营养盐的含量和结构发生变化,会对浮游植物生长及群落结构产生一定的影响.对于浮游植物受营养盐限制评价方法采用氮、磷、硅的含量以及三者之间原子比值进行判断.首先根据浮游植物对每种营养盐吸收动力学研究获得的阈值[14-15]SiO32--Si=2μmol/L(硅藻),PO43--P =0.03μmol/L,DIN=1μmol/L作为评价标准,当某种营养盐含量低于此阈值则评价为限制因子;如果含量高于阈值,则根据Justic和Dortch等[16-17]在以往研究基础上所总结的浮游植物对不同营养盐吸收的化学计量关系分析营养盐的潜在限制性.具体如表1:

表1 营养盐限制评价标准

2 结果与讨论

2.1 海水温盐以及悬浮物分布特征

本次调查海域温盐分布呈现3个明显的温盐特征海域(图2A,B),其中近岸高温低盐海域受河流输入影响,平均温度为(20.63±1.21)℃,盐度较低平均为27.88±0.24,温盐适宜浮游植物的快速生长;中部海域水交换缓慢,温盐相对较高,平均温度和盐度分别为(23.26±1.00)℃和31.09±0.18,变化幅度较小;湾口受渤海中部冷水输入影响,平均温度和盐度为(17.46±1.75)℃和31.79±0.12.

海水中总悬浮颗粒物(TSP)在近岸表层受到陆源输入影响明显(图2C),西部黄骅排水河外海域和北部双龙河河口外出现高值区,峰值达到87.06mg/L.在底层海水中,中部和湾口海区受到再悬浮影响明显,出现两个高值区(图2D),峰值分别达到88.37, 74.76mg/L.

2.2 营养盐分布特征

DIN作为重要生源要素,受陆源输入等因素影响,分布呈现近岸高湾口低的特征,其浓度为0.07~ 23.48μmol/L,平均(7.67±6.48)μmol/L,主要组分为NO3--N,占DIN的73%,其次为NH4+-N(表2),其中超过国家二类海水水质标准[GB 3097-1997]的站位水样在整个调查海域达17.05%,存在轻度氮污染现象.近岸高温低盐海区,受陆源输入影响明显(DIN-S相关性,=34,=-0.56),DIN浓度在3.75~ 23.48μmol/L,平均(10.73±6.16)μmol/L,其中达到或超过二类海水水质占到22.9%(达到三类海水水质标准占11.4%),氮超标严重,其主要组分为NO3--N,占DIN的83%.在中部高温高盐海区,DIN平均浓度(10.17±6.25)μmol/L.受冷流影响显著的湾口区,DIN平均浓度(1.82±2.00)μmol/L,远低于近岸和中部海区,其组分NH4+-N受北部曹妃甸陆源输入的影响,在DIN中比例上升,达45%.

表2 不同海区营养盐的浓度(μmol/L)

图3 调查海域内营养盐的平面分布特征

表3 渤海湾调查海域营养盐平均浓度及营养盐限制站点比例

图4 调查海域内营养盐限制情况分布

PO43--P受磷负荷削减计划影响,陆源输入急剧减少,导致近海氮、磷输入量差异增大,氮磷比值逐渐失衡[18].本次调查发现PO43--P浓度范围为n.d.~ 0.43μmol/L,平均(0.07±0.07)μmol/L(未检出设为0).近岸天津和黄骅开发区外低盐区海域出现PO43--P高值(图3CD),平均(0.10±0.05)μmol/L,远高于中部海区,有利于浮游植物的生长,表现在该区叶绿素a含量平均达(8.63±3.01)mg/m3(表3),明显高于其他海区.中部高温高盐海区,受浮游植物生长对磷营养盐的“奢侈消费”吸收储存作用[19]影响,PO43--P平均含量仅为(0.02±0.02)μmol/L.湾口低温高盐海区,受曹妃甸经济区陆源输入[20]影响,在湾口北部近岸出现高值区, PO43--P最高含量0.43μmol/L,平均(0.12±0.09)μmol/L,远高于中部海区,受温度限制该区叶绿素a含量为(3.19±1.70)mg/m3,低于近岸和中部海区.

SiO32--Si是硅藻生长所必需的营养盐,随着近年来河流含沙量降低,径流量下降等因素影响,陆源硅酸盐输入减少[21].初夏渤海湾浮游植物优势藻种为硅藻[22],海水中SiO32--Si的含量对浮游植物的生长具有重要的影响.在本调查海域SiO32--Si受陆源输入影响明显(Si-S,=128,=-0.66),分布呈现近岸高湾口低的特点,浓度为1.70~20.42μmol/L,平均(5.44±3.01)μmol/L.

2.3 营养盐限制因子统计分析

为更好地分析浮游植物受营养盐限制状况,首先利用阈值作为营养盐绝对限制标准进行分析,当浓度高于阈值则使用营养盐原子比值作为营养盐潜在限制标准进行分析,统计结果如表3.

在整个调查海域内有19个水样出现DIN限制,其中表层13个水样DIN的含量低于阈值(1μmol/L),2个水样存在DIN潜在限制,存在DIN限制的站位占整个海域表层的14.6%.DIN限制海域主要集中在湾口表层,占其表层的50%,DIN限制状况明显.对于P限制统计分析发现,整个海域内P限制状况明显(表3),有95个水样存在限制状况,主要集中在近岸和中部高温海域,在表层海水中,有69个站位存在P限制状况,占整个表层的78.4%,其中有31个站点PO43--P含量低于阈值(0.03μmol/L),38个站点存在潜在限制,P限制状况严重.Si限制分析发现,整个海域仅表层个别站点SiO32--Si含量低于阈值(2μmol/L),限制现象不明显,但随着径流量的减少,硅酸盐含量可能会逐渐降低,在未来硅酸盐有可能会转变为渤海湾浮游植物生长的潜在限制因子[23].

2.4 渤海不同海域营养盐状况对比

表4 渤海湾及邻近海域营养盐分布状况比较(μmol/L)

对比渤海湾及渤海其他水域近年来营养盐状况(表4)发现,渤海各海区DIN均处于较高水平,而PO43--P受磷负荷削减计划影响含量逐渐下降, DIN/P和Si/P比值升高,磷酸盐成为浮游植物主要限制因子.就渤海湾而言,与李桂菊等[23-24]调查结果相比,2016年初夏渤海湾各营养盐含量相对较低,主要由于建坝截留和工农业用水激增等因素影响,入海径流量下降,同时6月初浮游植物迅速生长,各生源要素快速消耗而得不到有效补充,从而导致部分区域出现营养盐限制状况.对比历史数据[23-26]发现,渤海湾近岸受陆源输入影响,海水中DIN含量一直保持较高水平,而PO43--P含量降低,DIN/P比值升高,营养盐结构变化明显.相较于渤海其他海区,辽东湾夏季营养盐浓度最高,其次为莱州湾、渤海湾和渤海中部海域;对比营养盐结构发现,各海区近年来的DIN/P和Si/P原子比值均较高,使得磷酸盐成为渤海浮游植物生长的主要限制因素.

近些年来,渤海湾受陆源输入影响,营养盐含量和结构发生变化,对海域内浮游植物生长以及群落结构带来一定影响,进而影响生态系统稳定,因此对渤海湾营养盐以及游植物群落变化的研究,对认识渤海湾海域生态环境健康具有重要意义.

3 结论

3.1 初夏渤海湾受陆地径流和渤海中部冷流输入影响,在西部近岸,中部和湾口呈现三个明显的温盐特征海区,其中近岸和中部海区温度有利于浮游植物生长,各海区内营养盐含量和结构特征不同.

3.2 DIN分布受陆源输入影响,呈现近岸向湾口降低的趋势,其中近岸低盐区部分站位DIN达到或超过二类海水水质标准,氮超标严重.在湾口低温区表层,DIN外源补充相对较少,有50%水样DIN含量低于阈值(1μmol/L),58.3%的水样存在DIN限制.

3.3 PO43--P分布受陆源输入和浮游植物吸收等因素影响,整体呈现西部近岸和曹妃甸外海域含量高,中部低的特征.在整个海域表层有78.4%的水样存在磷限制,其中35.2%的水样中含量低于阈值(0.03μmol/L),中部海区有74.3%水样低于阈值,磷酸盐限制状况严重.

3.4 硅藻作为渤海湾优势藻种,初夏季节受到硅酸盐限制状况不明显,海域内充足的硅酸盐含量对于浮游植物硅藻的生长具有重要作用.

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Nutrient structure and nutrient limitation for phytoplankton growth in Bohai bay in the early summer.

ZHANG Hai-bo1,3, PEI Shao-feng2,3*, ZHU Ya-xuan3, WANG Li-sha1, SHI Xiao-yong1, YE Si-yuan2,3, YUAN Hong-ming3, DING Xi-gui3

(1College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China；3.Key Lab of Coastal Wetland Biogeosciences, China Geological Survey, Qingdao 266071, China)., 2018,38(9)：3524~3530

Based on the data of nutrients, chlorophylland hydrological environment parameters collected in Bohai Bay during the early summer of 2016, we studied the distributions of nutrients and analyzed their possible limitation on the phytoplankton growth by analyzing both the minimum threshold and N: P: Si atomic ratios of nutrient required by phytoplankton cells. The results showed that concentrations and spatial distributions of nutrients were influenced by terrigenous input, cold water from central of Bohai Sea and phytoplankton uptake. Both dissolved inorganic nitrogen (DIN) and silicate (SiO32--Si) concentrations decreased from nearshore to the offshore bay mouth, and the mean concentration of DIN was (7.67±6.48) μmol/L and SiO32--Si was (5.44±3.01) μmol/L. In the surface of bay mouth, the concentration of DIN was (2.21±2.94) μmol/L in average, and 50% of samples was below the threshold, especially, 58.3% of them showed DIN limitation for phytoplankton growth. Comparatively, concentrations of activated phosphate (PO43--P) were high in the nearshore and the bay mouth due to riverine input, and a zone with low concentration appeared in the middle probably caused by the phytoplankton uptake. The mean concentration of PO43--P was (0.07±0.07) μmol/L in the whole study area. The concentrations of PO43--P in the surface water were below the threshold of 0.03μmol/L at about 74.3% stations in the middle zone of study area, showing an obvious P limitation for phytoplankton cells. With the increasing disparity of riverine input between nitrogen and phosphorus, the P limitation for phytoplankton would be more serious in our study area.

Bohai Bay；threshold；nutrient atom ratios；phosphate limitation

X55

A

1000-6923(2018)09-3524-07

张海波(1990-),男,山东枣庄人,中国人民大学博士研究生.主要研究方向为海洋生态环境.

2018-02-06

国家自然科学基金资助项目(41306175);青岛市市南区科技发展资金项目(2013-14-007-JY);渤海湾西部等重点海岸带综合地质调查(121201005000150004);国家重点研发计划(2016YFC1402101)

* 责任作者, 副研究员, peishaofeng@gmail.com