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        煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的研究

        2012-10-13 08:14:24邸寶平劉東艷王玉玨董志軍
        海洋科學(xué) 2012年12期
        關(guān)鍵詞:硅藻站位煙臺

        李 欣, 邸寶平, 劉東艷, 王玉玨, 董志軍

        (1. 中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所 中國科學(xué)院海岸帶過程重點實驗室, 山東 煙臺 264003; 2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京100049)

        眾多研究表明, 沉積物中保留的生物與化學(xué)信息可以用于指示海洋現(xiàn)代環(huán)境或者古環(huán)境中的一些變化[1-3]。其中, 生物硅(Biogenic Silica, BSi)含量通常用于指示上層水體中初級生產(chǎn)力的變化。生物硅也稱生物蛋白石, 是指化學(xué)方法測定的無定形硅的含量[4], 由海洋透光層硅質(zhì)浮游生物硅藻、放射蟲、硅鞭毛藻和海綿骨針等產(chǎn)生, 是硅的一種重要存在形式。海洋沉積物中的生物硅主要來源于硅藻沉積,而硅藻是海洋浮游植物的最重要組成成分, 在不同海域?qū)λw中初級生產(chǎn)力的貢獻可以達到40%~90%以上, 因此在某種程度上能夠反映上層水體的生產(chǎn)力[5-6], 成為重建海洋古生產(chǎn)力的替代性指標(biāo)以及追蹤古氣候環(huán)境變化的有效手段[7]。因此, 沉積物中生物硅的研究對于海洋生產(chǎn)力的歷史變化研究和上層水體生態(tài)系統(tǒng)的反演都有重要意義。

        對于沉積物中生物硅的研究, 國外在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始, 主要研究區(qū)域為四大洋以及歐洲,北美和日本的部分海域[8-13]。國內(nèi)近十幾年才開始研究,研究范圍主要為近海海域, 長江口和少量內(nèi)灣[14-21]。本文研究了煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的分布,通過與國內(nèi)其他內(nèi)灣的研究進行對比, 探討沉積物中生物硅對內(nèi)灣環(huán)境的指示作用。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)域與樣品采集

        煙臺四十里灣是北黃海區(qū)域的一個重要淺海養(yǎng)殖海區(qū)和港口, 是受人類經(jīng)濟活動影響的典型區(qū)域。本研究在煙臺四十里灣選取了16個采樣站點(圖1),于2008年11月使用箱式采泥器進行了表層沉積物樣品的采集。根據(jù)人類活動的類型, 在四十里灣劃分為A、B、C、D四個區(qū)域進行比較研究: A區(qū)為生活污水排放區(qū), B區(qū)為航道區(qū), C區(qū)為海水養(yǎng)殖區(qū), D區(qū)為垃圾傾倒區(qū)。樣品采集后用塑料袋密封, 放入冰盒內(nèi)保存, 帶回實驗室后放入冰柜中-20℃冷凍保存,用于分析。

        1.2 研究方法

        1.2.1 生物硅的測定

        將樣品冷凍干燥后, 準(zhǔn)確稱取100~200 mg樣品于100 mL聚丙烯離心管中, 加10 mL H2O2(10%)超聲30 min除去有機質(zhì), 然后加10 mL鹽酸(1∶9)超聲振蕩30 min除去碳酸鹽, 加Milli-Q水后離心, 除去上清液。將離心管放入烘箱中60℃干燥12 h。離心管中加入40.0 mL 2mol/L Na2CO3, 加蓋, 振蕩混勻后放入85℃恒溫水浴。每隔1 h取0.1 mL提取液, 使用硅鉬藍法測定提取液中的硅含量, 連續(xù)測定 8 h,每個樣品取 3組平行。使用溶出曲線外推法求出樣品中生物硅的含量[5,8,22-23]。

        1.2.2 沉積物粒度分析

        將樣品用 10% H2O2除去有機質(zhì), 加入 0.05%(NaPO3)6處理后, 使用Mastersize 2 000激光粒度儀進行測量。將粒徑分為<4 μm, 4~63 μm 和 >63 μm 3個等級, 分別代表黏土, 粉砂, 砂[24]。

        1.2.3 數(shù)據(jù)分析

        數(shù)據(jù)采用 ArcGIS10.0和Surfer10進行繪圖, 采用SPSS11.5進行沉積物中生物硅含量和粒度的相關(guān)性分析。

        圖1 采樣站位圖Fig. 1 The location of sampling sites

        2 結(jié)果與討論

        2.1 四十里灣表層沉積物中生物硅、粒度的分布

        圖2 沉積物中BSi 分布Fig. 2 Distribution of BSi in sediments

        生物硅在四十里灣表層沉積物中存在明顯的空間分布特征(圖2)。四十里灣生物硅的含量(Si%)范圍為0.25%~1.01%, 平均值為0.56%。由圖2 可以看出,在灣外(D區(qū))出現(xiàn)一個高值中心, 此外芝罘島北部海域(A區(qū))生物硅含量較高, 而灣內(nèi)(B區(qū)和C區(qū))生物硅含量則相對較低。A區(qū)和D區(qū)平均值分別為0.71%和0.78%, 最高值出現(xiàn)在A0站位(1.01%); B區(qū)和C區(qū)平均值分別為 0.37%和 0.53%, 最低值出現(xiàn)在 B3站位(0.25%)。

        對四十里灣表層沉積物進行了粒度測定(表1)后發(fā)現(xiàn), 表層沉積物以粉砂為主(45.4%~72.8%), 其中A0, A2站位沉積物黏土含量較高(21.7%和23.8%)而砂含量很低(5.6%和8.0%); C區(qū)和沿岸的A4, B3站位均表現(xiàn)出較高的砂含量(25.5%~38.5%)。

        表1 沉積物粒度分布Tab. 1 Distribution of grain sizes

        2.2 四十里灣生物硅含量與國內(nèi)外海區(qū)對比

        研究表明, 中國近海沉積物中生物硅分布整體呈現(xiàn)南海南部較高(平均值 2.04%)[20-21], 南黃海中部海域和長江口及其鄰近海域略低(平均值0.726%)[15],渤海和南黃海北部較低(平均值分別為 0.43%和0.37%)[14], 在一定程度上表現(xiàn)出緯度分布規(guī)律, 這與中國近海的生產(chǎn)力狀況相吻合。將本研究結(jié)果與國內(nèi)其他內(nèi)灣沉積物中生物硅研究進行對比, 四十里灣表層沉積物中生物硅含量與膠州灣接近(0.36%~0.69%, 平均值 0.51%), 略高于廣東的拓林灣(0.46%)、海陵灣(0.30%)、水東港(0.16%)、雷州灣(0.22%)和流沙灣(0.39%), 略低于大亞灣(約 1%), 低于國際上大部分海灣, 僅與 Chesapeake Bay接近[8-13,18-19,25-26],綜合對比可以發(fā)現(xiàn), 內(nèi)灣沉積物中生物硅含量并沒有明顯的分布規(guī)律, 與該區(qū)域的自身條件密切相關(guān)。應(yīng)用內(nèi)灣沉積物中生物硅指示上層水體, 需要更多地與環(huán)境條件和人類活動相結(jié)合。

        2.3 生物硅對內(nèi)灣生產(chǎn)力和環(huán)境的指示作用

        沉積物中生物硅的含量、分布與海區(qū)中硅藻等硅質(zhì)生物的數(shù)量、分布密切相關(guān), 可以通過指示硅藻沉積, 進而指示上層水體生產(chǎn)力。在近岸海域, 環(huán)境條件與人類活動的影響要遠大于外海, 生物硅的指示作用要與這些因素相結(jié)合, 才能更好地指示上層水體[17,27]。

        四十里灣A區(qū)和D區(qū)生物硅含量較高, 反映了上層水體的富營養(yǎng)化。A區(qū)靠近套子灣污水處理廠,處理污水主要為生活污水, 每天大約有25×104t(其中僅1/6經(jīng)過二級處理, 其余5/6經(jīng)過一級處理)污水從套子灣污水處理廠排海[28], 污水的排放極大地影響了A區(qū)海域的營養(yǎng)狀況, 2009年-2010年的海水調(diào)查顯示[29], 四十里灣的 DIN(溶解性無機氮, 為NH4-N、NO3-N、NO2-N 之和)和硅酸鹽的最大值均出現(xiàn)在春季, 均值分別為 18.61 μmol/L和 12.66 μmol/L, A區(qū)春季DIN值為24~48 μmol/L, 硅酸鹽為14~16.5 μmol/L, 明顯高于四十里灣其他區(qū)域, 而夏季營養(yǎng)鹽水平較低且與其他區(qū)域相差不大。調(diào)查顯示[29], A區(qū)的浮游植物以硅藻為主, 夏季硅藻量約為2.5×104cells/L, 高營養(yǎng)鹽造成了硅藻春季和夏季的迅速繁殖并消耗了大量的營養(yǎng)鹽。死亡后的硅藻大量沉積可能是造成A區(qū)生物硅含量高的重要原因。

        D區(qū)從1988年開始作為煙臺海洋傾倒區(qū), 為環(huán)芝罘灣港口碼頭建設(shè)及港池航道清淤時傾倒廢棄物所設(shè)定, 傾倒物的主要組成為疏浚物。根據(jù)國家海洋局北海分局的疏浚物傾倒資料統(tǒng)計, 傾倒區(qū)自使用以來累計傾倒約為1120萬m3。據(jù)調(diào)查資料顯示[30],D區(qū)污染狀況處于逐年嚴(yán)重趨勢, 雖然此區(qū)域海水自凈能力較強, 但目前已處于輕度污染狀態(tài)。大量外來傾倒物明顯改變了水體的營養(yǎng)狀況, 造成了 D區(qū)海域的富營養(yǎng)化狀態(tài), 改變了海區(qū)的物種組成。D區(qū)浮游植物群落在1991年, 2001年, 2004年的調(diào)查中都顯示了以硅藻為主, 甲藻為輔的群落特征, 但甲藻所占比例呈上升趨勢, 2006年的調(diào)查顯示硅甲藻所占比例接近, 2008年硅藻再次成為優(yōu)勢種[30-31], 最新調(diào)查顯示, 赤潮甲藻海洋卡盾藻(Chattonella marina)成為D區(qū)的優(yōu)勢種[29]。以上研究同時表明[29-31],從1991年至2010年, D區(qū)浮游植物種類不斷減少,香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Wiener index)和物種均勻度指數(shù)分別由1991年的大于3.0和接近1.0降低至2009年的0.23和0.04。前期的富營養(yǎng)化造成D區(qū)硅藻的大量繁殖與沉積, 造成沉積物中生物硅含量較高。隨著 D區(qū)污染狀況的加劇, 甲藻比例上升, 硅藻數(shù)量下降, 未來表層沉積物中生物硅含量可能發(fā)生改變。

        B區(qū)沉積物中生物硅含量很低, 顯示這一區(qū)域上層水體生產(chǎn)力很可能處于較低水平。煙臺港的航道位于此區(qū)域, 航道深度只有20 m左右, 大型貨船和客輪的吃水深度也接近20 m, 煙臺港2009年的吞吐量達到 1.69×108t, 航船的擾動對此海域的生態(tài)系統(tǒng)影響非常明顯。頻繁的航船擾動不僅會影響這部分海域水體中浮游生物的生長和繁殖, 增強了硅藻和硅鞭毛蟲的分解, 同時影響硅藻的沉積并增強表層沉積物的再懸浮過程。這可能是造成此海區(qū)沉積物中生物硅含量很低的主要原因。

        C區(qū)生物硅含量略低, 海水養(yǎng)殖可能造成了一定程度的影響。已有研究表明, 海水養(yǎng)殖能夠改變海水營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu), 改變浮游植物類群, 進而影響沉積物中生物硅含量[24,27]。四十里灣是我國北方典型的海水養(yǎng)殖區(qū)之一, 目前養(yǎng)殖對象有貽貝、櫛孔扇貝、海灣扇貝和海帶等, 養(yǎng)殖方式主要為浮筏養(yǎng)殖。扇貝、貽貝和海帶的養(yǎng)殖面積分別為800 、400 和250 hm2[32]。四十里灣2009年-2010年的海洋調(diào)查表明[29],表層水體中 DIN、磷酸鹽、硅酸鹽濃度等整體上呈現(xiàn)A區(qū)>D區(qū)>C區(qū)>B區(qū), C區(qū)較低的生物硅含量很好地對應(yīng)了上層水體較低的營養(yǎng)鹽濃度。雖然扇貝等的濾食作用會對沉積環(huán)境產(chǎn)生影響, 但大量浮游生物殘渣和排泄物仍然會沉降到沉積物中以生物硅的形式保存, 使沉積物中生物硅的含量保持相對正常的水平[33]。因此, 海水養(yǎng)殖可能對沉積物中生物硅的保存和積累影響不大, 生物硅的含量能夠較好地指示上層水體的營養(yǎng)狀態(tài)。

        綜上所述, 內(nèi)灣沉積物中生物硅含量能夠較好地指示上層水體的營養(yǎng)狀態(tài)和生產(chǎn)力水平, 并且能夠在一定程度上評估陸源污染, 港口運輸, 海水養(yǎng)殖等對海區(qū)的影響。

        2.4 沉積環(huán)境對生物硅的影響

        已有的研究表明, 沉積物的粒度可以明顯影響生物硅在沉積物中的含量。沉積物顆粒越細(xì), 則越有利于生物硅的保存和積累, 而粗顆粒則會加速生物硅的分解[16,34-36]。對四十里灣沉積物中生物硅含量與粒度數(shù)據(jù)進行Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), 生物硅含量與黏土含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 與砂含量則呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 進一步驗證了上述關(guān)系。A區(qū)生物硅含量較高, 其中A0和A2站位出現(xiàn)明顯高值(1.01%和0.84%), A4站位較低(0.43%), 這可能與保存條件有關(guān)。A0, A2站位沉積物黏土含量較高, 砂含量很低,因此有利于生物硅的保存, 而 A4站位砂含量較高,不利于生物硅的保存。C區(qū)整體含砂量較高可能是導(dǎo)致其生物硅含量偏低的重要原因。生物硅含量最低的B3站位砂含量較高, 其生物硅含量明顯低于航道區(qū)其他站位。通過上述分析可以得出, 沉積物粒度對生物硅在沉積物中的保存具有重要影響。

        水動力環(huán)境也會對硅藻的沉積造成一定影響。四十里灣基本不受洋流等影響, 水深較淺, 最深處不足30 m(圖3), 沉降時間短, 因此潮流、近岸流等是影響沉積的主要水動力因素。A區(qū)位于芝罘島北部海域, 海岸陡峭, 岸線曲折, 海蝕地貌發(fā)育, 海域開闊, 10 m等深線距岸只有70 m, 為水動力活躍區(qū),潮流流速大, 北側(cè)海域的潮流為往復(fù)流, 落潮流由西北流向東南, 漲潮流向正好相反, 而且落潮流速明顯大于漲潮流速[28,37-38], 同時, 位于芝罘島西北側(cè)的套子灣污水處理廠的排海管道也會對此海域產(chǎn)生一定影響[37]?;钴S且復(fù)雜的水動力環(huán)境可能是造成A區(qū)復(fù)雜的粒度特征的重要原因, 同時也在一定程度上影響了生物硅的沉積。對四十里灣潮流和拉格朗日余流的計算以及標(biāo)識質(zhì)點跟蹤研究表明[39-40],四十里灣的水動力的搬運作用整體表現(xiàn)為由西向東,沿與岸線平行的方向由A區(qū)向D區(qū)遷移。海流的搬運作用和D區(qū)有利于沉積的沉積環(huán)境也可能是D區(qū)生物硅含量較高的重要原因。相對于灣外, 灣內(nèi)的潮流和拉格朗日余流明顯較弱[39], 有利于硅藻的沉積,但由于海水養(yǎng)殖的影響以及沉積物整體含砂量較高不利于生物硅的保存, 最終造成此區(qū)域沉積物中生物硅含量較低。

        根據(jù)以上分析可以看出, 沉積環(huán)境是影響生物硅的沉積和保存的重要因素, 沉積物粒度可以明顯影響生物硅在沉積物中的保存, 水動力環(huán)境則可以在一定程度上影響生物硅的沉降和分布。

        3 結(jié)論

        研究了煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的分布, 通過與四十里灣海區(qū)實際狀況的分析對比, 驗證性地討論了內(nèi)灣沉積物中生物硅含量對上層水體的指示作用及影響因素, 得出以下結(jié)論:

        (1)內(nèi)灣表層沉積物中生物硅的分布主要與該海區(qū)的自身條件有關(guān), 能夠較好地指示上層水體的營養(yǎng)狀態(tài)和生產(chǎn)力狀況, 可以在一定程度上評估人類活動對海區(qū)的影響。

        (2)沉積環(huán)境對生物硅的沉降和保存有重要影響。水動力環(huán)境可以在一定程度上影響生物硅的沉積, 沉積物粒度對生物硅的保存有重要影響, 黏土含量高, 砂含量低有利于沉積物中生物硅的保存和積累, 反之則會加速其分解。

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