渤海中部营养盐赋存形态季节变化及其对营养盐库的影响

张海波,刘 珂,王丽莎,石晓勇,冯立娜,王修林

中国海洋大学化学化工学院, 青岛 266100

近海生态系统作为兼顾陆地和大洋特征的交叉区域,周边多为较发达的经济圈,其受到人类活动较明显[1]。营养盐迁移转化过程作为海洋科学研究的重点和基础,其循环不是封闭的,既有损失也有补充,人类对海产品的收获以及颗粒物沉积是主要的损失,陆源输入、大气沉降以及释放再生等是重要的补充[2],海水中营养盐在动态过程中保持平衡。海水中生源要素赋存形态主要有溶解无机态、溶解有机态和颗粒态(生物碎屑和浮游生物等),且受海洋浮游植物、细菌、病毒和微型浮游动物等生物作用[3-4]以及溶解释放等物理作用控制,在各形态间循环转化。以往研究认为浮游植物主要吸收利用无机态营养盐,近年来随着研究的深入发现,海洋部分有机小分子组分可被初级生产者直接吸收利用[5],例如尿素、酰胺、氨基酸以及ATP、G-P等有机态营养盐,尤其是当无机态营养盐含量较低甚至出现营养限制状况水体中,有机态营养盐作为重要的补充,对于缓解营养盐限制具有十分重要的作用[6-7]。

渤海是我国最北部温带半封闭内海,平均水深18 m,面积约7.7万km2,周边三面环陆,东部通过渤海海峡“北进南出”密度流同黄海相通[8],根据地理位置主要分为渤海湾、莱州湾、辽东湾和中部海区。环渤海周边为重要的经济发展带,是海洋开发利用活跃区域[9],沿岸有入海河流40余条,主要分为辽河流域、海河流域以及黄河流域三大水系。受流域内经济活动的影响,入海径流每年裹挟着大量的工农业废水进入渤海海域[10],使得海区内营养盐含量和结构发生明显的变化,同时对海域内营养盐的存在形态、再生、循环机制产生影响,导致海域内赤潮频发[11],浮游植物群落结构转变[12]。近些年来对于渤海海域营养盐的研究主要集中在水体、颗粒物和间隙水等无机营养盐的含量和分布[13-15],且研究发现4—9月为营养盐的消耗期,10月到次年3月为营养盐的补充期[16]。而对于海域有机态和颗粒态等主要赋存形态分布以及季节间变化规律尚未进行系统的分析,这样不仅无法深入了解渤海海域的营养盐限制状况以及生态结构的稳定状况,同时也在很大程度上夸大海域内营养盐的限制状况。基于此,本文根据营养盐库以及各形态含量对渤海中部及其临近海域的营养盐迁移转化过程进行深入分析,为进一步揭示渤海海域生源要素循环过程和生态状况提供科学依据和认识。

1 调查区域与方法

1.1 调查区域与站位

分别于2013年7月(夏季)、11月(秋季)和2014年5月(春季)搭载东方红2科考船基金委共享航次对渤海进行调查,站点主要集中在中部以及各湾口海域(图1),现场使用Seabird-911 CTD-Niskin(12L)联用采水和测定温盐参数,采样层次主要分为表层、10 m层和底层。

图1 渤海研究区域主要洋流系统及站位设置

1.2 样品采集与分析

营养盐样品的采集和处理过程均依照海洋调查规范(GB/T 12763.4—2007)方法所述。水样经GF/F(Whatman,450℃灼烧6 h,直径25 mm)过滤后,将滤液和滤膜分别冷冻保带至实验室,使用SEAL-AA3连续流动营养盐分析仪分别测定溶解态和颗粒态营养盐。其中NO3和NO2使用重氮-偶氮法(NO3,铜-镉还原),NH4使用靛酚蓝法,溶解无机磷(DIP, dissolved inorganic phosphorus)使用磷钼蓝法,活性硅酸盐(SiO3, reactive silicate)以硅钼蓝法测定。总溶解氮(TDN, total dissolved nitrogen)、总溶解磷(TDP, total dissolved phosphorus)、颗粒氮(PN, particulate nitrogen)和颗粒磷(PP, particulate phosphorus)经湿法碱性过硫酸钾法(alkaline persulphate oxidation)消化后测定,测量精度为92%,消化过程以EDTA作为有机氮贮存回收标准[17],回收率为95%。其中NO3、NO2、NH4、DIP、SiO3检出限分别为0.02、0.02、0.04、0.02、0.03 μmol/L。溶解无机氮(DIN, dissolved inorganic nitrogen)=NO3+NO2+NH4,溶解有机氮(DON, dissolved organic nitrogen)=TDN-DIN,溶解有机磷(DOP, dissolved organic phosphorus)=TDP-DIP,总氮(TN, total nitrogen)=TDN+PN,总磷(TP, total phosphorus)=TDP+PP。

2 结果与讨论

2.1 营养盐分布以及影响因素分析

夏季,受丰水期降水量增加,径流输入增加影响明显,表层盐度较低,海水层化现象明显(表1,温度垂向差异大)。营养盐组分DON和PN作为氮主要赋存形态,浓度范围分别为 0.85—44.41 μmol/L和 2.33—9.50 μmol/L,受浮游植物转化影响,高值(图2)主要分布在滦河和复州河口外以及莱州湾湾口浮游植物高值区域[18-19],PN作为氮循环转化的中间状态,主要由浮游生物体(活体和碎屑)组成,底层受氧化分解作用为主。DOP和PP作为磷主要赋存形态,浓度范围分别为0.13—0.73 μmol/L和0.12—0.46 μmol/L,除受到生物光合作用影响外,表层和底层同时受氧化分解影响,其快速分解氧化为无机态磷酸盐对缓解海域内磷限制[14]状况具有重要作用。

秋季,河流入海径流量减少,温度和光照强度下降的同时受风暴潮影响(2013年北海区海洋灾害公报)导致水体混合剧烈,使得底层沉积物中高营养盐上覆水等发生扰动,各营养盐组分明显升高,水层间差异较小(表1),营养盐转化主要以有机物矿化分解为主。DON和PN在10 m层主要为海源自产,浓度范围分别在10.17—49.45 μmol/L和0.41—6.03 μmol/L之间。DOP含量较夏季明显下降,说明其以分解释放为主。颗粒态PN和PP在底层受扰动影响明显,在东部辽东半岛近岸海域出现明显的高值区。

表1 渤海不同季节各水层内温度、盐度以及各形态营养盐含量/(μmol/L)

春季,莱州湾口和滦河口外为浮游植物高值区[19],且浮游植物以硅藻生物量和贡献率最高[18],随着光照条件增强,浮游植物光合作用加强,营养盐被快速吸收利用,对海域内营养盐的迁移和转化产生重要影响。DON经秋冬季分解以及混合影响,整体分布较均匀,含量在4.29—23.37 μmol/L之间,平均为(13.64±3.70)μmol/L,较秋季明显下降(表1)；PN受浮游植物光合作用影响,在近岸高生物量区域呈现明显的高值区(图2)。DOP和PP作为磷主要赋存形态,各水层间分布特征无明显差异,且DOP受黄河输入影响,在黄河口外呈现明显的梯度变化。

2.2 营养盐库以及季节间转化特征

调查海域内TN营养盐库(图3)表现为秋季受扰动再悬浮以及释放影响,消耗较少,含量最高((39.57±10.05)μmol/L),其次为夏季((37.43±10.09)μmol/L)和春季((24.94±10.75)μmol/L),各季节主要赋存形态均为DON,占TN的52%以上,在夏季10 m最高达64%,其次为DIN和PN,其中DIN中组分主要以NO3为主。季节间对比发现：夏季受径流输入、生物作用以及底层分解释放影响,主要赋存形态DON占TN的59%,其次为DIN和PN,各水层间表现为表层TN((35.85±7.50)μmol/L)含量低于10 m和底层,而DIN((11.30±9.83)μmol/L)则相反；受浮游植物吸收转化影响,DON((24.96±9.70)μmol/L)和PN((5.51±1.65)μmol/L)在10 m层最高。秋季受有机物分解影响,DON和PN较于夏季比例明显下降,其中PN含量由夏季的(5.29±1.51)μmol/L降至(1.78±1.05)μmol/L,降幅66%,而DIN由夏季的(7.78±7.38)μmol/L升高至(14.84±6.20)μmol/L,增幅达1.9倍,经过秋冬季扰动混合以及分解转化导致优先利用无机组分含量增高,为春季赤潮的发生创造了生源要素基础条件,各水层除PN受悬浮影响在底层含量最高之外,TN,DON和DIN均表现为表层向10 m,底层下降趋势(表1)。春季光照条件升高,浮游植物光合作用加强,对N营养盐迅速吸收沉降,TN含量下降,较秋季降幅37%,其中主要赋存形态DON含量为(13.64±3.70)μmol/L,下降36%,DIN下降45%,PN含量上升至(2.26±1.36)μmol/L,增幅27%。

图3 营养盐库内不同组分含量以及温度、盐度季节变化特征

调查海域TP营养盐库(图3)表现为秋季最高((0.90±0.25)μmol/L),夏季次之((0.73±0.19)μmol/L),春季最低((0.36±0.11)μmol/L)。春季和夏季为活性磷酸盐消耗期,DIP被浮游植物的消耗殆尽,出现低于阈值[20-21]站位,主要赋存形态为DOP和PP,而秋季为DIP补充期,各形态含量与春夏季相反,主要以DIP为主,比例达60%,其次为PP和DOP。各季节变化研究发现,夏季,DOP为主要组分,含量在0.13—0.73 μmol/L之间,平均为(0.38±0.16)μmol/L,占TP的52.6%,其次为DIP和PP,受浮游植物对磷消耗影响,表层和10 m层DIP含量较低,受颗粒沉降以及悬浮再释放影响,磷各组分含量均在底层最高。秋季,浮游植物消耗减少,DOP和PP矿化分解,含量分别降至(0.13±0.06)μmol/L和(0.23±0.15)μmol/L,而DIP成为主要赋存形态含量上升至(0.54±0.20)μmol/L,占TP的60%,增幅10.8倍。受再悬浮释放影响,TP以及DIP和PP组分在各水层内从表层向10 m、底层逐渐升高。春季受吸收沉降影响,TP降幅60%,其组分DIP减少至(0.06±0.04)μmol/L,DOP含量和比例上升(58%)成为主要赋存形态,使得可利用DOP的甲藻与硅藻的竞争中占据优势[7, 22],且同秋季相似,TP和DOP,PP组分从表层向10 m、底层含量逐渐上升。

夏季SiO3受浮游植物(硅藻)吸收利用,含量在ND—16.05 μmol/L之间,平均为(3.94±3.19)μmol/L,表层受径流输入影响含量高于10 m层和底层(图3)。秋季受风暴潮扰动底层再悬浮影响含量增高(2013年调查前夕(11月20日—23日)11月9号—10号渤海海域受到风暴潮影响,2013年北海区海洋灾害公报),平均为(16.94±6.37)μmol/L,相比较夏季含量升高4.3倍。春季受浮游植物吸收利用以及颗粒物沉降等因素影响,SiO3含量骤减,含量范围在0.30—7.96 μmol/L之间,平均为(2.47±1.90)μmol/L,较秋季含量减少85%。

2.3 营养盐结构比值季节特征

近些年来,渤海海域受到人类活动排放影响,各营养盐含量和结构发生明显变化。无机态营养盐比值显示(图4)：春季和夏季高生产力季节各比值均偏离Redfield比值,其中DIN/DIP和SiO3/DIN较为明显。可能会导致出现硅磷限制状况[23],且在同期研究[14]也证实此现象,对以硅藻作为优势藻种的渤海浮游植物群落结构产生影响,可能会导致硅藻在与甲藻竞争中失去优势[24-25]。海水溶解有机态营养盐组分作为营养盐库主要赋存形态,受生物活动和陆源输入影响,渤海海域DON含量相对较高,DON/DOP在春夏高生产力季节比值在54—70之间,而秋季 DOP降解较快导致其比值达150以上。春夏季颗粒物中PN/PP比值在16—27之间,说明其来源主要以海源浮游生物以及生物碎屑为主,秋季受PN降解以及颗粒物对DIP吸附影响,比值约为7.6,且各水层间差异较小。同历史研究相同,随着陆源输入氮不断增加而磷因“磷负荷消减”政策[26]输入减少影响,海域内TN/TP比值远高于Redfield比值,对于海域内硅藻优势地位不利。

图4 不同形态营养盐比值季节变化(Redfield比值16)

3 结论

渤海营养盐库以及各组分受陆源输入、生物吸收转化、混合以及分解释放等因素影响,其含量以及分布呈现明显的区域特征和季节变化特征。

夏季以陆源输入和生物吸收转化为主,为无机态向有机态和颗粒态转化期。其中TN平均为(37.43±10.09)μmol/L,其主要赋存形态为DON,且在中层最高。TP平均为(0.73±0.19)μmol/L,以DOP(53%)和PP(41%)为主。SiO3含量为(3.94±3.19)μmol/L,部分海域表现硅限制状况。

秋季为有机态和颗粒态分解释放期,各营养盐库含量均高于春夏高生产力季节,TN平均含量为(39.57±10.05)μmol/L,主要赋存形态为DON(54%),PN受分解较明显,降幅达66%,而DIN升高1.9倍。TP含量为0.90±0.25μmol/L,DOP和PP含量降低,而DIP含量升高占TP的60%。SiO3含量为(16.94±6.37)μmol/L,较夏季增长4.3倍。

春季为无机态向有机态和颗粒态转化期,受吸收以及沉降影响,各营养盐库较夏秋季含量最低。TN降幅37%,其组分DIN降幅45%,而PN增幅27%。TP((2.26±1.36)μmol/L)降幅60%,其组分DIP下降至(0.06±0.04)μmol/L,降幅89%,而DOP含量增高1.6倍成为主要赋存形态,且部分站位存在磷限制状况。SiO3含量为(2.47±1.90)μmol/L,较秋季下降85%,且部分站位出现硅限制。

各赋存形态的营养盐比值分析,春夏季高生产力季节无机态营养盐比值均偏离Redfield比值,对海域内硅藻优势种地位产生影响。秋季各有机态以及颗粒态组分比值显示相比较氮,DOP和PP更易分解转化,而硅酸盐受扰动混合影响含量升高,对于海域内硅磷限制状况具有重要作用。