2018 年南黄海浒苔绿潮发展规律及氮组分的作用探究

2020-09-04张海波王爽尹航沙珍霞石晓勇苏荣国裴绍峰王国善麻银萍

海洋学报 2020年8期

张海波，王爽，尹航，沙珍霞，石晓勇,4，苏荣国*，裴绍峰，王国善，麻银萍

( 1. 中国海洋大学化学化工学院，山东青岛 266100；2. 纽约州立大学石溪分校海洋与大气学院，纽约 11790；3. 青岛大学生命科学学院，山东青岛 266071；4. 自然资源部海洋减灾中心，北京 100194；5. 中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室，山东青岛 266071)

1 引言

绿潮是一种大型绿藻聚积暴发生长，在世界范围内频发的海洋生态灾害现象，主要发生在河口、海湾及近海海域，由石莼属（Ulva）、浒苔属（Enteromorpha）、刚毛藻属（Chaetomorpha）和硬毛藻属（Cladophora）等大型绿藻引起[1-2]。大规模的绿潮会通过消耗营养盐、占据海床或海表等生存空间产生种间竞争，进而影响生物群落结构和生物多样性。绿潮暴发不仅跟绿潮藻自身生长速度快、适应性强等特点有关，而且跟温度、光照、水文条件以及气候等环境要素尤其是水体富营养化有关[3-7]。

南黄海属于北太平洋西部半封闭陆架浅海，受径流输入、水团以及沿岸流和暖流组成的洋流系统等因素影响，尤其西部江苏近海呈现明显富营养化[8-10]。自2007 年以来，海域内持续受到漂浮态绿藻浒苔（Ulva prolifera）绿潮影响[11-13]，每年春季（4 月底）在江苏近海出现浒苔斑块，随后在风和流的控制下[14-15]，浒苔斑块向北漂移并快速增殖形成大规模绿潮[16]，7 月中下旬在山东半岛近海聚积、沉降消亡[17-18]。数百万吨浒苔藻体死亡会释放大量的氮、磷要素及含硫物质等[19]，给近海旅游业和养殖业造成经济及生态损失[20-22]。

研究表明，浒苔在生长繁殖过程中能够同时吸收利用多种形态氮、磷（无机态和小分子有机态）营养盐[23]，且具有快速吸收储存营养盐能力，对水体起到净化缓解富营养化的作用[24-25]。水体中氮营养盐浓度和结构是绿潮发展的重要物质基础[26-27]，当无机氮浓度较低时，浒苔会增加对有机态氮吸收利用的亲和性[23,26,28-29]。近些年来工农业、养殖业以及生活废水含氮超标，通过径流及直排等途径进入近海[30]，导致近海海水氮超标富营养化严重[31-32]，水体中氮结构发生明显变化，有机氮组分如氨基酸、尿素等浓度增加。南黄海绿潮的特点为持续时间长（4 月底至8 月）漂移范围广（32°～37°N），从南向北漂移过程中经历从江苏近海到山东半岛外海复杂的水文环境，从富营养化海域到低营养盐区域。而较多营养盐对绿潮发展影响研究集中在江苏紫菜筏架区或青岛近海小范围海域，且主要关注无机态营养盐组分，而对整个绿潮期间不同发展海域不同形态氮营养盐之间关系知之甚少。

为进一步分析南黄海不同形态氮组分与大规模绿潮发展特征的耦合关系，本文针对2018 年南黄海绿潮发展时空规律以及暴发前后（春季和夏季）氮营养盐组分变化，深入分析不同形态氮组分在不同绿潮阶段中的作用，以期对浒苔绿潮发展中氮要素来源进一步了解。

2 研究区域和方法

2.1 研究区域

分别于2018 年4 月（春季，绿潮暴发前，3 月28 日至4 月4 日）和7 月（夏季，绿潮发展后期，7 月24-30 日）搭载国家基金委共享航次“东方红2”号科考船于南黄海进行调查，调查范围在32°～36.2°N，124°E 以西海域，站位如图1b、图1c 所示。现场使用Seabird 911-Niskin 联用采水并测定温盐参数，根据海洋调查规范设置采水层次。

2.2 样品采集与分析

营养盐样品的采集和处理方法均依照《海洋调查规范—海水化学要素》（GB/T 12763.4—2007）所述。水样经GF/F（Whatman，450℃灼烧4 h）过滤后冷冻保存。带回实验室测定，其中尿素（urea-N）采用二乙酰一肟−盐酸氨基脲法[33-34]，采用重氮−偶氮法（，铜−镉还原），使用靛酚蓝法。总溶解氮（Total Dissolved Nitrogen，TDN）经碱性过硫酸钾法（Alkaline Persulphate Oxidation）消化后测定，消化过程以EDTA 作为有机氮回收标准[35]，测量精度为92%。溶解无机氮（Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN）为和之和，溶解有机氮（Dissolved Organic Nitrogen, DON ）为TDN 减去DIN之差。海水总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulate,TSP）使用重量法[35]采集测定。

表层水体中营养盐减少量估算如下：

式中，M为减少总物质量（单位：t），C为绿潮期间营养盐浓度变化（单位：μmol/L），h为表层水团深度（取值3 m），A为不同阶段区域面积（单位：km2）。

图 1 南黄海研究区域洋流系统（a）及站位设置（b, c）Fig. 1 The current system (a) and sampling stations (b, c) in the study area of the southern Yellow Sea

2.3 浒苔绿潮规模日变化数据来源

2018 年绿潮发展过程中浒苔斑块漂移路径、分布面积和覆盖面积（指示浒苔生物量）数据收集自自然资源部北海预报中心每日大型藻类预警公报，其结果解译自MODIS-TERRA 和RADARSAT 卫星数据[36-37]。

3 结果与讨论

3.1 2018 年浒苔绿潮的发展规律

2018 年4 月25 日在江苏南通近海首先发现零星的浒苔（图2b），在风和海流控制下，漂浮态浒苔向北漂移并不断增殖，绿潮规模快速扩展。6 月29 日，绿潮分布面积和覆盖面积达到最大（38 046 km2和193 km2）。7 月中旬，大规模绿潮靠近山东半岛发生聚积，其分布面积迅速减小。8 月中旬，浒苔藻体沉降−堆积−腐烂基本消失，发展规模较2017 年明显增大[38]。

对绿潮暴发海域和漂移路径分析发现(图2b)，其发展和影响海域集中在122°E 以西近海。根据浒苔藻状态分析表明（图2），在南部江苏近海以零星分布状态（＜100 cm2）浒苔为主[39]，浒苔颜色较深，藻体内叶绿素（＞1.2 mg/g）及氮、磷元素（氮浓度＞40 mg/g, 磷浓度＞0.8 mg/g）浓度较高[40-41]。绿潮向北漂移增殖速率显示（图2a，图2c），在35°N 以南江苏近海海域，浒苔斑块增殖速率较快，其相对增殖速率达每天35.9%（5 月25 至6 月3 日，覆盖面积从2 km2扩大到53 km2），绿潮处于快速增殖阶段。7 月23 日后，大规模聚集态浒苔斑块（长条状大于100 m 和高聚积态大于1 km2）完全进入35° N 以北海域，藻体呈现浅绿色，藻体释放孢子分支出现白化，藻体内叶绿素（约0.3 mg/g）及氮磷元素（氮浓度＜20 mg/g, 磷浓度＜0.3 mg/g）浓度较江苏近海明显降低[40-41]，规模快速减小，绿潮处于聚积衰退阶段。

图 2 2018 年南黄海漂浮浒苔绿潮发展变化特征Fig. 2 The development of floating U. prolifera green tide in the southern Yellow Sea in 2018

3.2 南黄海氮营养盐组分的季节分布特征

春季（2018 年4 月）南黄海营养盐主要受西部径流输入、沿岸流混合（表1，TSP＞100 mg/L）、北部青岛冷水团和外海暖流的影响。其中DIN 浓度范围在0.62～55.23 μmol/L 之间，平均值为（8.86±8.71） μmol/L，约占TDN 的63%（图3，图4），其主要组分为（占DIN的86%）。表层浓度为（11.56±11.88） μmol/L，明显高于中层（（6.06±3.57） μmol/L）和底层（（7.21±3.79） μmol/L），呈现明显的南部近岸高、北部低（35°N 以北，DIN＜2 μmol/L）的区域特征。DON 浓度范围为1.62～16.8 μmol/L，平均值为（5.30±2.30） μmol/L，在TDN 占比37%，垂向各水层差异较小，在北部和近岸呈现高值，尤其是在北部低DIN 区域其浓度高于6 μmol/L，是此区域重要的氮循环组分。urea-N 作为重要的小分子有机氮，浓度范围在0.15～3.43 μmol/L 之间，平均为（1.28±0.72） μmol/L，占水体中DON 的24%。春季受水坝截留[42]及高悬浮物（表1，沿岸水TSP＞100 mg/L）吸附等因素影响，径流输入影响较小，高值区在中部和北部海域。urea-N在北部低DIN 区域表层浓度为（1.47±0.45） μmol/L（表2），作为浒苔可直接利用的小分子有机氮[23]，对于绿潮后期的氮补充起到重要作用。外海黄海暖流影响水团中urea-N 浓度为（1.18±0.62） μmol/L，在DON 中占比达28%，是重要的可利用氮组分，为生物繁殖提供氮要素。

夏季（2018 年7 月）海表温度为（25.00±1.73）℃，生物活动剧烈，同时受大范围黄海冷水团、沿岸径流输入(图5)及底层再悬浮释放等因素影响，除N 氮的各形态浓度较春季均明显降低。其中DIN 平均浓度为（6.09±5.92） μmol/L，在TDN 中占比56%（图4），较春季绿潮暴发前浓度降低2.77 μmol/L，降幅31%。高值区在江苏和长江口外海域，低值区在北部冷水团温跃层上层（图6，35°N 以北，DIN＜1 μmol/L）。表层和底层受径流输入及底层再悬浮影响浓度明显较高。DON 整体浓度在0.3～16.61 μmol/L 之间，平均为（4.84±2.54） μmol/L，较春季减少约0.46 μmol/L；垂向分布层化现象明显，表层中浓度为（6.12±2.53） μmol/L，受生物释放等因素影响，浓度较春季上升。urea-N 受径流携带的大量的工农业和海水产养殖废水排入影响（表1，图4），呈现近海高、远海低的特征，浓度范围为0.02～4.08 μmol/L，平均为（0.84±0.57） μmol/L，占DON 的17.4%，受生物吸收利用等因素影响[43-44]，较春季减少0.44 μmol/L，降幅34.4%。表层受江苏沿岸河流和长江冲淡水输入影响（（1.05±0.70） μmol/L）浓度明显高于其他水层。

表 1 调查海域春、夏季温度、盐度，以及氮营养盐组分浓度Table 1 Salinity, temperature and nitrogen nutrients in the study area of the southern Yellow Sea during spring and summer cruises

3.3 氮营养盐在浒苔绿潮不同发展阶段中的作用

图 3 春季（2018 年4 月绿潮暴发前）南黄海不同氮营养盐组分的分布特征Fig. 3 Horizontal distributions of nitrogen nutrients in the southern Yellow Sea in spring (April 2018, before green tides)

图 4 2018 年南黄海调查区域春、夏季氮营养盐结构特征Fig. 4 The seasonal variations of nitrogen nutrients in the study area of the southern Yellow Sea in spring and summer 2018

对比春、夏季间（绿潮暴发前后）绿潮（122 °E 以西近海）和非绿潮（122 °E 以东远海）影响海域，表层氮营养盐变化发现（表2），122°E 以西近海绿潮漂移海域营养盐来源丰富，各氮组分浓度较高，其中总可利用氮（DIN 组分和小分子有机氮urea-N 等）浓度远高于浒苔持续生长所需的最低氮浓度（6.5 μmol/L）[45]，丰富充足的氮有利于浒苔繁殖生长。绿潮暴发前后表层水体中，DIN 浓度降低5.45 μmol/L，降幅37%，且以为主；而DON 及其小分子组分urea-N 受径流输入（图4）等因素影响，浓度上升。而非绿潮海域（122°E 以东远海），春、夏间DIN 浓度降低1.16 μmol/L，降幅18%，且主要为降低；DON 浓度增加1.75 μmol/L，但其组分urea-N 降低0.39 μmol/L，说明在远海除DIN 外，尿素作为重要的有机氮组分对浮游植物生长[46]及细菌群落[43]发展起到重要作用。两个绿潮特征区域营养盐变化趋势表明，近岸丰富的营养盐来源和浓度为绿潮的暴发提供了物质基础，且浒苔藻能够快速吸收和储存大量DIN，对减轻江苏近海富营养化程度具有重要的意义。

表 2 调查海域浒苔暴发前后浒苔漂移区域与非浒苔区域表层营养盐浓度变化Table 2 The variations of nitrogen nutrients in the different phases of green tides in the surface layer of the study area

图 5 2017−2018 年江苏近岸主要入海径流尿素含量逐月变化Fig. 5 The monthly variations of urea-N in main rivers estuaries along Jiangsu coast from 2017 to 2018

对比绿潮快速增殖阶段和聚积衰退阶段对应的江苏近海和山东半岛外海域营养盐变化发现，35°N以南江苏近海绿潮快速增殖区（图2），受径流输入和混合影响（表2，S＜30.7, TSP＞80.0 mg/ L），氮营养盐浓度较高，其中DIN 在绿潮暴发前后浓度降低6.73 μmol/L，降幅66.6%；而DON 和urea-N 受径流输入以及生物释放影响浓度上升。估算此区域表层水团中（面积约36 000 km2）主要组分DIN 减少约104t。35°N 以北绿潮聚积衰退区，营养盐来源少浓度低（表2，DIN＜2 μmol/L，urea-N＜1.5 μmol/L），远低于浒苔藻生长最低氮浓度（6.5 μmol/L）[45]，不利于绿潮的发展，绿潮发展期间可利用氮组分和urea-N 分别降低0.53 μmol/L和0.84 μmol/L，估算此区域表层水团中（面积约24 000 km2）减少量分别约530 t 和840 t，有机组分urea-N 为主要减少组分，为此区域内绿潮发展的重要氮来源。对比两个绿潮发展阶段表层营养盐减少量表明，在35°N 以南江苏近海，DIN 是快速增殖的绿潮主要氮吸收组分，且此区域为绿潮提供了主要的氮支撑（占总减少氮的87 %），浒苔藻体的叶绿素和氮、磷元素含量较高[40-41]也能支持此论证。35°N 以北低DIN特征海域，浒苔藻对有机氮组分亲和力上升[23]，urea-N成为此阶段绿潮发展重要的氮支撑组分，相比较江苏近海（104t 级），绿潮在此区域内吸收利用氮总量（1 300 t级）相对较低。