張麗君 , 臧家業(yè), 馬永星 , 李玲玲, 劉 煒, 張波濤 冉祥濱

(1.青島大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266071; 2.國家海洋局 第一海洋研究所 海洋生態(tài)研究中心,山東 青島 266061; 3.國家海洋局 北海環(huán)境監(jiān)測中心, 山東 青島 266033; 4.青島市地震監(jiān)測中心, 山東青島 266000)

海洋硅循環(huán)及其相關(guān)聯(lián)的硅生物地球化學(xué)過程是全球環(huán)境變化研究的熱點問題, 也是海洋科學(xué)關(guān)心的重要領(lǐng)域[1-2]。河流影響下的邊緣海又是陸源硅在海洋中的主要儲庫, 是硅埋藏與轉(zhuǎn)化的重要場所,在全球硅的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用[2]; 海洋中硅藻控制了全球海洋 40 %以上的初級生產(chǎn)力[3],因此溶解硅對于海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。

錢塘江河口所屬的杭州灣受到錢塘江沖淡水、長江沖淡水和潮汐的共同影響, 屬于典型的高渾濁的河口型海灣[4], 浮游植物種群以硅藻為主[5]。由于人類活動的加劇, 杭州灣已成為我國富營養(yǎng)化最為嚴重的區(qū)域之一[6-8], 這勢必會改變河口營養(yǎng)鹽的濃度和結(jié)構(gòu), 進而影響河口與鄰近海域的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。盡管杭州灣大部分水域濁度較高, 并不易發(fā)生赤潮, 然而往復(fù)的潮汐作用會使得該水域持續(xù)向東海輸送營養(yǎng)鹽, 造成鄰近的東海水域營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和濃度的變化, 進而產(chǎn)生赤潮和群落結(jié)構(gòu)變化等生態(tài)風(fēng)險[9-10]。錢塘江流量大約為373億m3/年[8], 其必然會對鄰近的東海赤潮高發(fā)區(qū)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊? 可見對于杭州灣的研究還有利于揭示東海近海海洋環(huán)境演化的規(guī)律。更為關(guān)鍵的是, 杭州灣在近30年間生態(tài)環(huán)境[4-8]發(fā)生了比較顯著的變化, 其以硅藻為基礎(chǔ)的浮游生態(tài)很可能正在發(fā)生著微妙的變化, 畢竟類似的現(xiàn)象在很多深受人類活動干擾的海域均被發(fā)現(xiàn)[11];然而目前國內(nèi)大部分研究僅關(guān)注在長江口和東海水域, 對于相鄰的錢塘江河口這一典型的河口營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和群落結(jié)構(gòu)變化的研究相對較少; 因此, 分析錢塘江河口溶解硅與浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,將有助于認識杭州灣環(huán)境的發(fā)展趨勢, 為人類活動持續(xù)影響下高渾濁河口區(qū)域營養(yǎng)鹽的循環(huán)研究與浮游植物演替提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

2013年5月、2013年8月、2013年11月和2014年 1月在錢塘江河口分別進行了春、夏、秋、冬四個季節(jié)的海洋科學(xué)綜合調(diào)查, 調(diào)查范圍覆蓋杭州灣灣內(nèi)的大部分區(qū)域, 調(diào)查站位如圖1所示。調(diào)查中,用尼斯金(Niskin)采水器采集水樣, 同時用多參數(shù)水質(zhì)剖面儀(JFE, AAQ122)和透明度板獲得水體溫度、鹽度和透明度等水文參數(shù), 所有站位均采集表層和底層水樣。調(diào)查項目包括:總懸浮顆粒物(SPM)、溶解硅(DSi)、氮磷營養(yǎng)鹽和浮游植物等。

圖1 錢塘江河口調(diào)查站位圖Fig.1 Map of the sampling locations in the Qiangtangjiang Estuary

取一定體積水樣用孔徑 0.45 μm聚醚砜濾膜收集 (預(yù)先用1∶1000 HCl浸泡24 h, 并以Milli-Q水洗至中性, 烘箱內(nèi)45 ℃烘72 h稱重), 將膜放入膜盒,–20 ℃冷凍保存, 用于測定水體懸浮顆粒物中 SPM;濾液分裝于聚乙烯樣品瓶中(樣品瓶預(yù)先在1∶5 HCl中浸泡48 h以上, 用Milli-Q水清洗數(shù)遍, 然后包上潔凈的塑料袋, 備用)中, 加入氯仿 1滴, 常溫保存,用于營養(yǎng)鹽的測定。另取一定體積水樣用孔徑0.45 μm聚醚砜濾膜收集, 過濾完成后, 記錄過濾體積并將濾膜對折用于葉綠素a的分析, 測試前避光冷凍保存。

1.2 樣品的分析

營養(yǎng)鹽利用營養(yǎng)鹽自動分析儀(SEAL公司,QuAAtro型)進行分析, 營養(yǎng)鹽濃度范圍在 1~10 μmol/L的樣品, 分析的偏差為 5%~10%, 營養(yǎng)鹽濃度超過10 μmol/L 的樣品, 分析的偏差為 1%~5%[12]; 葉綠素a用 90%丙酮(體積分數(shù))溶液提取后, 熒光法分析。浮游植物采樣結(jié)束后在實驗室內(nèi)進行鏡檢分析,室內(nèi)分析鑒定按《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB 17378.7—2007)中規(guī)定的方法進行。

1.3 硅藻固硅能力的計算

對浮游硅藻固硅能力的計算采用葉綠素a估算初級生產(chǎn)力的經(jīng)驗?zāi)Ｊ? 該方法可適用于低鹽、高渾濁的河口型海域, 獲得的結(jié)果被證實接近于實測值[13],之后利用Redfield 比值(C∶Si為108∶16)進行換算,具體計算如下[14]:

P: 真光層浮游植物日光合固碳量(mgC/(m2·d));Ps:表層水體中浮游植物的潛在生產(chǎn)力(mgC/(m3·h));Z:真光層深度(m);D:每日光照時間(h)

Chla: 葉綠素a的濃度(mg/m3);Q:同化系數(shù)(h–1)

同化系數(shù)與表層海水溫度(SST)的關(guān)系如下:

真光層的深度計算公式為:

Z:真光層深度(m);SDD:海水透明度(m)

2 結(jié)果和討論

2.1 溫、鹽的分布特征

調(diào)查海區(qū)夏季水溫為全年最高, 冬季的水溫為全年最低, 各季節(jié)水溫變化為夏季>春季>秋季>冬季。由圖2可以看出, 春季表層海水溫度在東南側(cè)近岸水域水溫比較高, 并沿監(jiān)測水域兩岸向中心方向呈降溫的趨勢; 夏季表層海水溫度分布與春季相似;秋季表層海水溫度整體上呈現(xiàn)從核電附近到離岸逐漸降低的趨勢, 低值區(qū)位于調(diào)查海域的北部; 冬季上游方向海水溫度相對較低, 而入?？谔幩疁剌^高。整體上, 表層水溫相對較高, 底層相對較低, 但差異并不明顯; 不過, 表、底水溫平面分布有明顯的變化趨勢, 均呈現(xiàn)與岸線平行的帶狀分布趨勢。水溫一定程度上受到核電溫排水的影響, 各季節(jié)核電附近水溫相對較高。同時, 該海域水溫還受到杭州灣外海海水涌入的影響, 如冬季, 入?？诜较蛩疁叵鄬^高。大多季節(jié)溫度的分布也受到了東南側(cè)陸地的影響,近岸溫度相對離岸較高?？梢? 調(diào)查海域各季節(jié)水溫的分布受溫排水、海水入侵以及地形的影響較大。

各季節(jié)表層鹽度的水平分布見圖2, 從圖中可以看出, 春季水體表層鹽度分布趨勢為從入海口向上游方向逐漸降低; 夏季表層水體的鹽度分布與春季類似, 鹽度的高值出現(xiàn)在監(jiān)測海域東北部入?？谔?秋季呈均勻帶狀分布, 海水鹽度自核電站沿岸海域到離岸海域逐漸上升; 冬季表層水體鹽度分布呈現(xiàn)從上游向入?？诜较蛑饾u升高的趨勢。整體上表層鹽度相對較低, 底層相對較高, 各個季節(jié)表底層鹽度數(shù)值相差不大, 垂直分布差異也不明顯; 除了冬季, 其他季節(jié)表、底層鹽度平面分布相似; 四個季節(jié)普遍呈現(xiàn)從上游向入?？诜较蛑饾u增高的趨勢。

圖2 錢塘江河口溫度(℃, 實線)和鹽度(虛線)的分布Fig.2 Distributions of temperature and salinity (blue line) in the Qiangtangjiang Estuary

總體而言, 海水鹽度春季和夏季相對較低, 主要是河流徑流量在這兩個時期相對較高, 淡水稀釋作用更明顯。調(diào)查海域鹽度的分布與變化主要取決于江河入海徑流量的多少及海水上涌的強度, 因此,調(diào)查水域鹽度受到明顯的潮汐作用影響。春季和夏季上游流域雨量較大, 鹽度相對較低; 入秋以后, 降雨量減小, 徑流量也隨之減小, 河口水體鹽度因此增加, 使得鹽度的分布更多的受到潮汐與海水涌入的影響。

2.2 溶解硅的分布特征

調(diào)查海域溶解硅的濃度見表1。研究區(qū)域內(nèi)溶解硅濃度在秋季(95.4 μmol/L)最高, 夏季(87.2 μmol/L)次之, 春季(70.6 μmol/L)與冬季(70.3 μmol/L)較低。從圖3可以看出, 春季表層海水溶解硅分布在北側(cè)海域相對較低; 夏季表層海水溶解硅分布呈近岸高、離岸低的趨勢, 最低值位于調(diào)查海域中部; 秋季溶解硅分布較復(fù)雜, 無明顯特征; 冬季表層海水溶解硅分布相對均勻, 整體上近岸海域高, 離岸海域低?？梢? 各個季節(jié)表、底層水體溶解硅春季和夏季差異不大, 垂直分布差異不明顯, 秋季和冬季表、底層差異性較大。調(diào)查海域Si/N年平均值為0.52, 低于浮游植物生長較理想的 Redfield比值[15], 因此該海域存在潛在的硅限制情況, 但不存在絕對濃度[16](<2 μmol/L)上的硅限制。

圖3 錢塘江河口溶解硅的分布(μmol/L)Fig.3 Distributions of dissolved silica in the Qiangtangjiang Estuary

表1 錢塘江河口硅酸鹽濃度和范圍(μmol/L)Tab.1 Average values and ranges of dissolved silica in the Qiangtangjiang Estuary (μmol/L)

本研究溶解硅數(shù)據(jù)與高生泉等[8]的研究結(jié)果相近。由溶解硅與鹽度的關(guān)系還可以看出(圖4), 該海域表層溶解硅均與鹽度呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.01), 這表明外海海水對研究區(qū)域內(nèi)溶解硅的濃度存在稀釋作用, 而溶解硅與鹽度的負相關(guān)關(guān)系也表明錢塘江沖淡水對該海域物質(zhì)分布與輸送的影響。Gao 等[4]的研究還表明, 杭州灣溶解硅呈現(xiàn)出保守性; 根據(jù)河口理論稀釋線的原理, 可以看到錢塘江河口溶解硅在春季明顯低于歷史同期, 而在冬季則高于歷史同期。溶解硅季節(jié)變化很大程度上是由于杭州灣外東海海洋環(huán)境的變化所致; 研究表明[17]鄰近的東海水域溶解硅濃度呈降低的趨勢, 春季東海相對較高的初級生產(chǎn)力降低了其海水中溶解硅的濃度, 也導(dǎo)致杭州灣內(nèi)溶解硅濃度的下降。

圖4 錢塘江河口溶解硅與鹽度的關(guān)系Fig.4 Relationships between dissolved silica and salinity in the Qiangtangjiang Estuary

表2數(shù)據(jù)表明, 錢塘江水體中溶解硅濃度為128 μmol/L, 略高于長江[11-12]; 與 1989年~1990年調(diào)查數(shù)據(jù)相比[4], 錢塘江河口所處的杭州灣上游區(qū)域溶解硅呈下降趨勢, 年內(nèi)降幅約為 10.7~31.8 μmol/L,較歷史水平降低了12%~25%; 硅氮比也有大幅度的降低, 自1.25降低到0.52。另外, 在1981~1982年間杭州灣外鄰近水域溶解硅濃度為 30.7~49.7 μmol/L[4],而近些年來鄰近杭州灣的東海水體溶解硅濃度為20.3~37.4 μmol/L[8], 這表明外海溶解硅降低了約10 μmol/L。在1981年~1982年, 錢塘江溶解硅的濃度約為 131 μmol/L, 與之相應(yīng)的錢塘江溶解硅向河口的輸送通量為16.3×104t/a[4]; 2004年, 錢塘江溶解硅的濃度約為 128 μmol/L[18], 這表明錢塘江溶解硅濃度的變化并不明顯。研究區(qū)域鹽度介于6.31~12.5之間, 而河流端的鹽度值一般接近于0, 杭州灣外的水體鹽度值約為 22.5[8], 因此在鹽度保守的情況下有 28%~56%的外海水體涌入研究區(qū)域, 其必然成為控制該海域硅營養(yǎng)鹽分布的重要因素?？梢? 研究區(qū)域溶解硅濃度降低的原因很大程度上是由于該海域相鄰的東海海域海洋環(huán)境變化所致; 研究資料顯示, 灣外東海海域生物量相對于歷史水平普遍較高[13], 這一定程度上導(dǎo)致了灣外海域硅消耗量的增加以及溶解硅濃度的持續(xù)降低; 東海與灣內(nèi)水體的交換過程使得灣外向灣內(nèi)輸送硅通量的減少以及研究區(qū)域內(nèi)溶解硅濃度的降低。

表2 錢塘江河口營養(yǎng)鹽(μmol/L)和硅氮比的比較Tab.2 Comparisons between nutrients (μmol/L) and Si/N in the Qiangtangjiang Estuary

2.3 浮游植物生物量對溶解硅分布的影響

調(diào)查海域水溫介于7.48~31.4 ℃, 透明度為0.1 m,由公式(6)計算真光層約為 0.3 m, 根據(jù)公式(5)計算該水域同化系數(shù)為 2.23~4.00, 再依據(jù)葉綠素a含量(0.64 mg/m3)以及硅藻在浮游植物中的比例(87.5%~96.8%)以及現(xiàn)場透明度的數(shù)據(jù), 可以大致得到該水域硅藻生產(chǎn)力為1.14~5.70 mg C/(m2·d), 根據(jù)硅碳轉(zhuǎn)化系數(shù)(C∶Si為 108∶16)可知消耗的溶解硅速率大約為0.17~0.86 mg Si/(m2·d), 可見與水體現(xiàn)存的溶解硅濃度(1980~2680 mg/m3)相比, 錢塘江河口內(nèi)的較低的浮游植物生物量很難對水體溶解硅濃度產(chǎn)生大的影響。再次證實, 造成該水域溶解硅濃度降低的原因很大程度上是由于相鄰的東海溶解硅濃度的降低。

不過, 由于近年來人類活動的影響, 杭州灣內(nèi)營養(yǎng)鹽水平和結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化, 這可能造成浮游植物生物量和結(jié)構(gòu)發(fā)生了微妙的變化。1989年~1990年的調(diào)查中[5], 共檢出浮游植物種數(shù)228種, 其中硅藻209種, 綠藻13種, 藍藻4種, 甲藻2種, 網(wǎng)采浮游植物平均量為 223×104個/m3; 本次調(diào)查中,共檢出浮游植物種數(shù)62種, 其中硅藻51種, 甲藻4種, 藍藻 3種, 綠藻 2種, 網(wǎng)采浮游植物平均量為45.5×104個/m3; 可見, 與1989年~1990年調(diào)查相比,浮游生物的種數(shù)和量也都有明顯的下降, 硅藻的種類數(shù)減少了近 70%, 另外部分季節(jié)浮游生物的優(yōu)勢種也有變化, 冬季的優(yōu)勢種由 1989年~1990年的中肋骨條藻變?yōu)閳A篩藻。浮游植物種群和數(shù)量的變化也導(dǎo)致了該海域葉綠素a含量的明顯降低。造成這方面變化的原因很可能與營養(yǎng)鹽濃度和結(jié)構(gòu)變化有關(guān), 硅氮比或氮磷比往往是優(yōu)勢種生物量的限制性因子, 如春季的硅氮比與夏季的氮磷比均對該海域優(yōu)勢種的數(shù)量產(chǎn)生了限制。

從目前可獲取的數(shù)據(jù)來看, 盡管錢塘江河口大部分水域營養(yǎng)鹽較高, 但研究區(qū)域并沒有赤潮發(fā)生的紀(jì)錄; 錢塘江河口潮流強, 相對較高的水體渾濁度導(dǎo)致其生物量普遍較低, 因此其“河口過濾器”效應(yīng)是有限的。由此可見, 營養(yǎng)鹽豐富的水域, 生產(chǎn)力并不一定高, 同時由于存在著多種不利于浮游植物繁殖的環(huán)境因子的綜合影響, 營養(yǎng)鹽不能被充分的利用而顯得過剩, 反而會使得相鄰的水體存在潛在的富營養(yǎng)化以及導(dǎo)致赤潮發(fā)生的潛在風(fēng)險, 從而影響區(qū)域物質(zhì)的循環(huán)過程與生態(tài)安全。由于灣內(nèi)浮游植物對溶解硅的吸收/消耗作用有限, 杭州灣向東海的輸送通量應(yīng)與河流輸送值相近, 不過由于杭州灣近海的氮磷負荷超過了硅的輸入量, 使得灣內(nèi)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生了不利于硅藻生長的變化, 這很可能對鄰近的東海水域產(chǎn)生較大的影響, 從而增加誘發(fā)赤潮的潛在風(fēng)險, 應(yīng)加強監(jiān)測。

3 結(jié)論

1) 研究區(qū)域受到河流和東海的雙重影響, 表現(xiàn)出明顯的梯度變化與季節(jié)規(guī)律, 溶解硅濃度在秋季(95.4 μmol/L)最高, 夏季(87.2 μmol/L)次之, 春季(70.6 μmol/L)與冬季(70.3 μmol/L)較低。

2) 與歷史數(shù)據(jù)相比, 近些年來溶解硅濃度呈降低趨勢, 并較歷史水平降低了 12%~25%; 硅氮比也有大幅度的降低, 自 1.25降低到 0.52。錢塘江河口內(nèi)較低的浮游植物生物量對溶解硅濃度影響有限,其濃度的降低主要是由于東海低溶解硅濃度的海水稀釋所致。

3) 與歷史數(shù)據(jù)相比, 錢塘江河口海域葉綠素a明顯降低, 浮游植物細胞總量和種數(shù)也有下降, 硅藻種類數(shù)減少了近70%, 還出現(xiàn)了綠藻、藍藻和甲藻等非硅藻類浮游植物, 造成這方面變化的原因很大程度上與營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和濃度的變化有關(guān)。

[1] Humborg C, Ittekkot V, Cociasu A, et al.Effect of Danube River dam on Black Sea biogeochemistry and ecosystem structure [J].Nature, 1997, 386: 385-388.

[2] Tréguer P J, De La Rocha C L.The world ocean silica cycle [J].Annual Reviews of Marine Science, 2013, 5:477-501.

[3] Nelson D M, Trégure P, Brzezinski M A, et al.Production and dissolution of biogenic silica in the ocean:revised global estimates, comparison with regional data and relationship to biogenic sedimentation [J].Global Biogeochemical Cycle, 1995, 9(3): 359-372.

[4] Gao Shengquan, Yu Guohui, Wang Yuhen.Distributional features and fluxes of dissolved nitrogen, phosphorus and silicon in the Hangzhou Bay [J].Marine Chemistry,1993, 43(1): 65-81.

[5] 國家海洋局第二海洋研究所.秦山核電站鄰近水域零點生態(tài)調(diào)查報告[R].1990.

[6] 張健, 施青松, 鄔翱宇, 等.杭州灣豐水期主要污染因子的分布變化及成因[J].東海海洋, 2002, 20(4) :35-41.

[7] 秦銘俐, 蔡燕紅, 王曉波, 等.杭州灣水體富營養(yǎng)化評價及分析[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2009, 28(增刊 1):53-56.

[8] 高生泉, 陳建芳, 金海燕, 等.杭州灣及鄰近水域營養(yǎng)鹽的時空分布與富營養(yǎng)化特征[J].海洋學(xué)研究,2011, 29(3): 36-47.

[9] 齊雨藻.中國沿海赤潮[M].北京:科學(xué)出版社, 2003.

[10] 夏平, 陸斗定, 朱德弟, 等.浙江近岸海域赤潮發(fā)生的趨勢與特點[J].海洋學(xué)研究, 2007, 25(2): 47-56.

[11] Humborg C, Conley D J, Rahm L, et al.Silicon retention in river basins: far-reaching effects on biogeochemistry and aquatic food webs in coastal marine environments[J].Ambio , 2000, 29: 45-50.

[12] Liu S M, Zhang J, Chen H T, et al.Nutrients in the Changjiang and its tributaries[J].Biogeochemistry,2003, 62(1): 1-18.

[13] 王作華.黃東海葉綠素a和溶解有機碳分布特征及固碳強度初探[D].青島:中國海洋大學(xué)碩士論文, 2008,1-89.

[14] Behrenfeld M J, Falkowski P G.Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration[J].Limnology and oceanography, 1997, 42(1): 1-20.

[15] Justi? D, Rabalais N N, Turner R E, et al.Changes in nutrient structure of river-dominated coastal waters:stoichiometric nutrient balance and its consequences[J].Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1995, 40(3):339-356.

[16] Nelson D M, Brzezinski M A.Kinetics of silicic acid uptake by natural diatom assemblages in two Gulf Stream warm-core rings[J].Marine ecology progress series.Oldendorf, 1990, 62(3): 283-292.

[17] 王奎, 陳建芳, 金海燕, 等.長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽四季分布特征[J].海洋學(xué)研究, 2011, 29(3): 18-34.

[18] Liu S M, Hong G H, Zhang J, et al.Nutrient budgets for large Chinese estuaries [J].Biogeosciences, 2009, 6:2245-2263.

[19] 國家海洋局第一海洋研究所.秦山核電廠擴建工程(方家山核電工程)施工期海域環(huán)境監(jiān)測分析及評價[R].2013.

[20] 國家海洋局第二海洋研究所.秦山 III期(重水堆)核電站工程鄰近海域 1995~1996年度生態(tài)調(diào)查[R].1996.