劉雅麗 高 磊 陳煒清 王 騰 李道季

(河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華東師范大學(xué) 上海 200062)

夏季東海東北部營(yíng)養(yǎng)鹽的分布變化特征*

劉雅麗 高 磊①陳煒清 王 騰 李道季

(河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華東師范大學(xué) 上海 200062)

分別于2010年7月和2011年7月, 在沿長(zhǎng)江沖淡水?dāng)U散方向的東海東北部海域進(jìn)行了典型站點(diǎn)CTD參數(shù)的測(cè)定和營(yíng)養(yǎng)鹽樣品的采集, 旨在了解長(zhǎng)江不同徑流量條件下該區(qū)域?qū)﹂L(zhǎng)江沖淡水的響應(yīng)過程及其中營(yíng)養(yǎng)鹽的分布變化特點(diǎn)。結(jié)果顯示: 在長(zhǎng)江徑流量較大的2010年7月, 長(zhǎng)江沖淡水(鹽度＜31)在研究區(qū)域表層自西向東的擴(kuò)散范圍明顯大于徑流量較小的 2011年 7月。而含有高濃度NO3-N(如＞15μmol/L)海水?dāng)U散范圍在兩個(gè)航次的變化卻相反。由于海水層化以及表層浮游植物的吸收, 各站表層NO3-N、SiO3-Si、PO4-P等濃度一般較低, 溫鹽躍層和次表層葉綠素最大值層以下其濃度升高并逐漸趨于穩(wěn)定。2010年7月NH4-N在研究區(qū)域各站貫穿整個(gè)深度的濃度明顯大于2011年7月。與長(zhǎng)江沖淡水和長(zhǎng)江口相比, 東海東北部水體表層SiO3-Si/NO3-N和PO4-P/NO3-N等營(yíng)養(yǎng)鹽摩爾比值明顯降低。黑潮次表層水和黑潮中層水等水團(tuán)含有較高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(NO3-N, SiO3-Si及PO4-P), 與長(zhǎng)江沖淡水相比, 可能構(gòu)成了東海東北部另一個(gè)重要的營(yíng)養(yǎng)鹽來源。

營(yíng)養(yǎng)鹽; 生物地球化學(xué)過程; 長(zhǎng)江沖淡水; 黑潮; 次表層葉綠素最大值層; 東海東北部

東海是西太平洋中半封閉的陸架邊緣海, 是世界最大的陸架海之一, 其北部與黃海以長(zhǎng)江口-濟(jì)州島連線為界, 東北部通過對(duì)馬海峽與日本海相連, 南部通過臺(tái)灣海峽與南海相連, 東部和東南部與太平洋以沖繩海槽為界(圖1)。該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜, 受到長(zhǎng)江沖淡水、東海陸架水、臺(tái)灣暖流、黑潮表層水(Kuroshio surface water, KSW)、黑潮次表層水(Kuroshio subsurface water, KSSW)、黑潮中層水(Kuroshio intermediate water, KIW)等水團(tuán)影響, 并具有強(qiáng)烈的季節(jié)變化特征(Beardsleyet al, 1985; Chenet al, 1994; Zhanget al, 2007; Changet al, 2014)。各種陸源生源要素被長(zhǎng)江徑流攜帶進(jìn)入到長(zhǎng)江口及鄰近東海, 并隨著長(zhǎng)江沖淡水的擴(kuò)展在東海陸架經(jīng)歷著復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程(Isobeet al, 2008; Sasakiet al,2008)。受到長(zhǎng)江徑流等因素的影響, 東海陸架海水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和生產(chǎn)力水平普遍較高(Hamaet al, 1997;Kandaet al, 2003; Wanget al, 2014)。

受到人類活動(dòng)的加劇和氣候變化的影響, 近幾十年來長(zhǎng)江輸出氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和通量顯著升高(Yanet al, 2010; Gaoet al, 2012), 與之緊密聯(lián)系的長(zhǎng)江口及其鄰近東海海域營(yíng)養(yǎng)鹽等生源要素濃度和結(jié)構(gòu)、初級(jí)生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)組成也發(fā)生著相應(yīng)的改變(Gonget al, 2006; Jiaoet al, 2007; Zhouet al, 2008;Chaiet al, 2009)。尤其在最近10—20年, 東海生態(tài)環(huán)境又發(fā)生了進(jìn)一步的變化, 表現(xiàn)為硅藻和甲藻赤潮、水母暴發(fā)事件以及相鄰海域(黃海)滸苔暴發(fā)事件發(fā)生的頻率明顯增多(Xianet al, 2005; Zhouet al, 2008;Shiet al, 2009; Xuet al, 2013; Wanget al, 2015)。事實(shí)上在本研究 2011年 7月東海東北部的航次中, 在研究區(qū)域各站也多次觀測(cè)到大規(guī)模的滸苔漂浮現(xiàn)象。

受潮汐、季風(fēng)等因素的影響, 在夏季徑流量急劇增大的情況下, 長(zhǎng)江沖淡水一支向東北方向擴(kuò)展, 最遠(yuǎn)可經(jīng)濟(jì)州島附近海域進(jìn)入對(duì)馬海峽(Wang, 1988;趙保仁, 1991; Isobeet al, 2002; Lieet al, 2003)。Chang等(2003)發(fā)現(xiàn), 68%的長(zhǎng)江徑流可能經(jīng)過東海東北部進(jìn)入對(duì)馬海峽。Senjyu等(2006)發(fā)現(xiàn), 經(jīng)過東海東北部、對(duì)馬海峽進(jìn)入到日本海的低鹽海水與長(zhǎng)江徑流量存在著緊密關(guān)系。東海東北部直至對(duì)馬海峽對(duì)于整個(gè)中國(guó)近海生源要素的收支及隨后它們?cè)诖笱笾械纳锏厍蚧瘜W(xué)行為具有十分重要的意義(Morimotoet al,2009)。而我國(guó)以往在東海關(guān)于營(yíng)養(yǎng)鹽生物地球化學(xué)的研究集中于長(zhǎng)江口及其鄰近海域(Wang, 2006;Zhanget al, 2007; Liuet al, 2016), 對(duì)東海東北部的研究相對(duì)較少。事實(shí)上, 距離長(zhǎng)江口較遠(yuǎn)的東海東北部海洋生態(tài)系統(tǒng)在最近幾十年來也在經(jīng)歷著復(fù)雜而深刻的變化過程: 如 Siswanto等(2008)的研究表明, 夏季該區(qū)域海水表層溶解無(wú)機(jī)氮濃度在最近幾十年來也在顯著升高。

基于以上考慮, 依托與日本名古屋大學(xué)的合作,于2010年7月和2011年7月在東海東北部海域進(jìn)行了兩個(gè)航次的考察(圖 1)。本文嘗試為回答下列科學(xué)問題提供初步結(jié)果: 1.在洪季長(zhǎng)江不同徑流量條件下, 東海東北部能否直接“捕捉”到長(zhǎng)江沖淡水的信號(hào)？2.洪季營(yíng)養(yǎng)鹽在該海域有什么基本的分布變化規(guī)律？尤其是其中“捕捉”到的長(zhǎng)江沖淡水信號(hào)中營(yíng)養(yǎng)鹽的分布和變化有何特點(diǎn)？3.該海域營(yíng)養(yǎng)鹽分布變化受哪些主要因素控制？其中長(zhǎng)江沖淡水、溫度/鹽度躍層、黑潮等因素的影響是怎樣體現(xiàn)的？4.營(yíng)養(yǎng)鹽摩爾比值(如 SiO3-Si/NO3-N、PO4-P/NO3-N、NH4-N/NO3-N)在洪季沿著長(zhǎng)江沖淡水東北方向擴(kuò)展整個(gè)路徑上(從長(zhǎng)江淡水端元、到長(zhǎng)江口、再到東海東北部)有怎樣的基本變化規(guī)律？

圖1 研究區(qū)域及采樣站點(diǎn)Fig.1 The study area and the sampling stations

1 材料與方法

通過參加日本名古屋大學(xué)組織的“長(zhǎng)崎丸號(hào)”搭載航次, 分別于2010年7月和2011年7月在東海東北部(濟(jì)州島以南、對(duì)馬海峽以西)三個(gè)斷面各站點(diǎn)進(jìn)行了 CTD(溫鹽深儀)參數(shù)的測(cè)定和營(yíng)養(yǎng)鹽樣品的采集(圖 1)。研究區(qū)域處在 31.42°—32.92°N、124.58°—128.75°E 之間(圖 1)。其中北斷面位于 32.92°N, 中斷面位于 32.42°N(2010年7月)或 32.25°N(2011年7月),南斷面位于31.75°N(圖1b, c)。除了2011年7月的站點(diǎn)B以外(水深790m, 位置見圖1c, 2010年7月航次在該站點(diǎn)沒有采集樣品), 其余站點(diǎn)水深均小于132m。

在兩個(gè)航次的每個(gè)站點(diǎn), 使用 CTD并在其下降過程中測(cè)定海水溫度、鹽度、熒光強(qiáng)度的垂直剖面(包括確定次表層葉綠素最大值層, subsurface chlorophyll maximum layer, SCM層), 在其返回上升過程中使用圍繞CTD的12個(gè)采水器對(duì)相關(guān)層次的海水樣品進(jìn)行采集。固定采樣層次為0、10、20、30、40、50、75、100m; 此外, 在 SCM 層和離海底 5m兩個(gè)層次也進(jìn)行了樣品采集。其中2011年7月航次在F站點(diǎn)附近存在夜光藻赤潮現(xiàn)象, 于是在赤潮核心區(qū)域也進(jìn)行了上述方法的海水樣品采集。樣品采集后立即使用孔徑為 0.7μm 的 Whatman GF/F膜過濾(GF/F膜使用海水樣品過濾清洗三遍后才接濾液), 濾液隨即冷凍保存直至測(cè)定。

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后使用 SKALAR Sanplus流動(dòng)注射式營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定, 分析方法為傳統(tǒng)的分光光度法。在 NO3-N測(cè)定過程中, 首先使用Cd-Cu柱將 NO3-N還原為 NO2-N得到 NO3-N與NO2-N濃度之和, 再將該值減去 NO2-N濃度得到最終NO3-N結(jié)果。測(cè)定SiO3-Si的樣品經(jīng)過了48h以上的解凍。NO3-N、NH4-N、NO2-N的檢出限均為0.14μmol/L, SiO3-Si和PO4-P的檢出限分別為0.07和0.06μmol/L。詳細(xì)的質(zhì)量控制流程見Gao等(2012)。

2 結(jié)果

2.1 表層鹽度分布

根據(jù)水利部《2010年長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》和《2011年長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》(水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì), 2011,2012), 長(zhǎng)江干流大通站2010年和2011年的年徑流量分別為 10.22×1011m3/年和 6.67×1011m3/年, 前者是后者的約1.5倍。相較于1950—2010年60年來長(zhǎng)江的年平均徑流量8.96×1011m3/年, 2010年的年徑流量明顯偏高, 而2011年偏低。2010年和2011年的月徑流量最大值均出現(xiàn)在7月, 其中2010年7月的月徑流量為 1.65×1011m3/月, 2011 年 7 月為 0.98×1011m3/月,前者是后者的約1.7倍。2010年7月和2011年7月長(zhǎng)江月徑流量的較大變化為研究東海東北部營(yíng)養(yǎng)鹽的分布變化對(duì)年際間長(zhǎng)江不同徑流量的響應(yīng)提供了難得的時(shí)機(jī)。

長(zhǎng)江沖淡水在冬季受到北風(fēng)和科氏力等因素的影響, 往往沿著近岸向南流動(dòng), 而在夏季往往形成東北和東南方向兩個(gè)分支(Beardsleyet al, 1985;Ichikawaet al, 2002; Leeet al, 2003)。研究區(qū)域處在長(zhǎng)江沖淡水夏季東北擴(kuò)散方向的路徑上。圖2顯示了兩個(gè)航次表層鹽度的分布, 其中以鹽度 31作為長(zhǎng)江沖淡水的邊界(毛漢禮等, 1963; Gonget al, 1996; Shanet al, 2009; Changet al, 2014)。盡管研究區(qū)域離長(zhǎng)江口直線距離在 200km 以上, 兩個(gè)航次仍都成功“捕捉”到了長(zhǎng)江沖淡水的信號(hào)。兩個(gè)航次鹽度的最低值均出現(xiàn)在站點(diǎn) A的表層, 分別為 19.1(2010年 7月)和22.3(2011年7月), 說明長(zhǎng)江沖淡水及其攜帶的陸源物質(zhì)可以直接對(duì)研究區(qū)域產(chǎn)生影響。在長(zhǎng)江徑流量較大的 2010年 7月, 長(zhǎng)江沖淡水的擴(kuò)散范圍明顯大于徑流量較小的2011年7月; 前者鹽度31的等值線大部分在126.5°E以東, 而后者該等值線局限在125.5°E附近(圖 2)。長(zhǎng)江沖淡水是以“斑塊化”的形式傳遞的(Lieet al, 2003; Chenet al, 2008; Moonet al, 2010),意味著沿著長(zhǎng)江沖淡水的傳遞方向, 鹽度大于 31的海水在比研究區(qū)域(東海東北部)距離口門更近的海域(如長(zhǎng)江口)就已經(jīng)出現(xiàn)(Gaoet al, 2015)。在2011年7月, 中斷面最東端站點(diǎn)的表層鹽度(30.3)也低于與之相鄰、但距離口門更近的西端站點(diǎn)(表層鹽度32.5)和南端站點(diǎn)(表層鹽度31.7), 因此在圖2b中也形成了一個(gè)小尺度“低鹽度斑塊”。

圖2 兩個(gè)航次表層鹽度分布Fig.2 Distributions of salinity at surface during the two cruises

2.2 鹽度垂直剖面

無(wú)論是2010年7月還是2011年7月, 三個(gè)斷面鹽度分布均顯示出了明顯的層化特征(圖 3)。在徑流量較大的2010年7月, 三個(gè)斷面表層均有較大范圍的長(zhǎng)江沖淡水分布, 其向下可以延伸到水深約20m處(圖3a, b, c)。而在2011年7月, 只在中斷面表層至水深 20—30m處發(fā)現(xiàn)了明顯的長(zhǎng)江沖淡水信號(hào); 在其余兩個(gè)斷面, 鹽度小于 31的海水只出現(xiàn)在最西邊的站點(diǎn)表層(圖3d, e, f)。兩個(gè)航次三個(gè)斷面SCM層往往出現(xiàn)在水深 10—40m處, 并且兩個(gè)航次均發(fā)現(xiàn)了鹽度大于 34的水團(tuán)從東部底層鍥入(圖 3)。

圖3 兩個(gè)航次三個(gè)斷面鹽度的垂直剖面Fig.3 Vertical profiles of salinity along the three transects during the two cruises

2.3 表層營(yíng)養(yǎng)鹽分布

兩個(gè)航次 NO3-N在研究區(qū)域的表層均呈現(xiàn)出西邊濃度高、東邊濃度低的基本分布特征, 并且在各航次鹽度最低的站點(diǎn) A表層其濃度在所有樣品中達(dá)到最高值(圖 4), 以上說明長(zhǎng)江沖淡水仍然是東海東北部表層營(yíng)養(yǎng)鹽的最主要提供者。較大的長(zhǎng)江徑流量使得2010年7月研究區(qū)域表層相較于2011年7月更多地受到長(zhǎng)江沖淡水的影響(圖 2)。由于長(zhǎng)江沖淡水往往攜帶著較高濃度的NO3-N(Gaoet al, 2015), 按照一般的理解, 2010年7月研究區(qū)域表層NO3-N濃度也應(yīng)高于2011年7月同一站點(diǎn)的結(jié)果, 可是圖4得到的結(jié)果卻正好相反: 含高 NO3-N 濃度(如＞15μmol/L)的長(zhǎng)江沖淡水顯然在2011年7月擴(kuò)散得更遠(yuǎn)。仍以站點(diǎn) A為例, 盡管該處 2010年 7月的表層鹽度(19.1)低于 2011年 7月(22.3), 但前者 NO3-N濃度(17.5μmol/L)反而明顯低于后者(27.8μmol/L)。兩個(gè)航次間表層不同的NO3-N濃度分布可能也與2010年7月和2011年7月長(zhǎng)江淡水端元NO3-N的不同濃度有關(guān)。

與NO3-N不同, 研究區(qū)域表層SiO3-Si的分布顯示出了“西低東高”的特征。對(duì)于 PO4-P, 研究區(qū)域其表層濃度普遍接近或低于檢出限。對(duì)于NO2-N, 2010年 7月除了站點(diǎn) A和 C(其濃度分別為 0.66和0.70μmol/L), 2011年 7月除了站點(diǎn) A、C、D、E外(其濃度分別為 0.78、0.51、0.81、0.45μmol/L), 其余站點(diǎn)濃度均接近或低于檢出限; 整體上 NO2-N濃度也呈現(xiàn)出“西高東低”的分布特征。

圖4 兩個(gè)航次表層NO3-N濃度分布Fig.4 Distributions of NO3-N concentration at surface during the two cruises

NH4-N表層濃度在兩個(gè)航次之間呈現(xiàn)出很不同的分布特征(圖5)。2010年7月研究區(qū)域所有采集樣品的 NH4-N 濃度范圍為 4.5—10.5μmol/L(平均值7.6μmol/L,n=21), 其濃度變化與 SiO3-Si類似, 整體呈現(xiàn)出“西低東高”的分布規(guī)律。2011年7月研究區(qū)域表層NH4-N濃度與2010年7月相比整體偏低, 變化范圍為 2.9—6.3μmol/L(平均值 4.3μmol/L,n=22), 并且沒有顯示出“西低東高”或“西高東低”的分布特征。站點(diǎn)F在2011年7月的濃度最大值(6.3μmol/L, 見圖5b)應(yīng)該與當(dāng)?shù)匕l(fā)生的夜光藻赤潮有關(guān)(在該站點(diǎn)附近赤潮核心區(qū)域采集到的表層海水測(cè)得 NH4-N濃度更高達(dá)24.0μmol/L, 該數(shù)值未顯示在圖5b中)。

圖5 兩個(gè)航次表層NH4-N濃度分布Fig.5 Distributions of NH4-N concentration at surface during the two cruises

2.4 營(yíng)養(yǎng)鹽垂直剖面

圖6顯示的是兩個(gè)航次各斷面NO3-N的垂直分布剖面。大部分站點(diǎn)由上至下NO3-N濃度逐漸升高。SCM 層對(duì) NO3-N濃度垂直剖面的控制作用明顯:SCM層之上NO3-N濃度維持在較低水平, SCM層之下 NO3-N濃度隨即升高并始終維持在較高水平直至海底。只有在少數(shù)站點(diǎn), 如 2011年 7月中斷面最西端兩個(gè)站點(diǎn), 由于表層受到強(qiáng)烈的高 NO3-N濃度長(zhǎng)江沖淡水控制, 其濃度剖面顯示出由上到下逐漸降低的特征(圖 6e)。通過兩個(gè)航次之間的比較, 發(fā)現(xiàn)2011年7月底部NO3-N濃度普遍比2010年7月高。另外, 鹽度大于34的水團(tuán)所含NO3-N濃度往往超過10 μmol/L。注意到各斷面底部中間站位NO3-N濃度相較于東、西兩側(cè)往往偏低(圖 6), 說明研究區(qū)域底部較高的 NO3-N濃度可能有著不同的來源: 西側(cè)更多地受到長(zhǎng)江沖淡水等陸源水團(tuán)或近岸水團(tuán)的影響,東部則更多地受到外海高鹽水團(tuán)的影響。

兩個(gè)航次SiO3-Si在三個(gè)斷面各站點(diǎn)也大多呈現(xiàn)出由上到下逐漸升高的特征, 即使在受到長(zhǎng)江沖淡水強(qiáng)烈影響的西部站點(diǎn), 其表層也沒有發(fā)現(xiàn)較高的SiO3-Si濃度(分布圖未顯示)。2010年 7月中斷面西部站點(diǎn)底層和2011年7月南斷面鹽度大于34的底層水團(tuán)均含有明顯升高的SiO3-Si濃度(＞15μmol/L)。與SiO3-Si類似, 兩個(gè)航次各站位 PO4-P也基本顯示出由上至下逐漸升高的垂直剖面特征(分布圖未顯示);兩者稍有不同的是, SCM層對(duì)PO4-P的濃度控制更加明顯, 各站 SCM 層之上 PO4-P濃度一般小于0.5μmol/L, 而 SCM 層之下 PO4-P濃度一般大于0.5μmol/L, 兩個(gè)航次三個(gè)斷面各站點(diǎn)SCM層連線與PO4-P的0.5μmol/L濃度等值線高度重合。底層鹽度大于 34的高鹽水團(tuán)往往含有較高的 PO4-P濃度(＞0.8μmol/L)。對(duì)于 NO2-N, 除了西部長(zhǎng)江沖淡水控制的水團(tuán)NO2-N濃度可以超過0.5μmol/L以外, 其余站點(diǎn)基本上處于低 NO2-N濃度的狀態(tài), 其濃度接近或低于檢出限。

圖6 兩個(gè)航次三個(gè)斷面NO3-N濃度的垂直剖面Fig.6 Vertical profiles of NO3-N concentration along the three transects during the two cruises

前文已經(jīng)提及, 圖5顯示研究區(qū)域表層NH4-N濃度在2011年7月整體低于2010年7月, 而圖7則進(jìn)一步顯示2011年7月較低的NH4-N濃度貫穿于三個(gè)斷面整個(gè)深度。2011年7月三個(gè)斷面所有樣品NH4-N濃度基本小于5μmol/L, 而2010年7月水體中NH4-N濃度基本在5μmol/L以上。NH4-N的結(jié)果表明研究區(qū)域水體環(huán)境在兩個(gè)航次可能處于不同狀態(tài)之中。與其他營(yíng)養(yǎng)鹽相比, 同一站點(diǎn) NH4-N濃度的垂直變化最不明顯, 較多地呈現(xiàn)出上下均一的垂直剖面特征(圖7)。2010年7月航次研究區(qū)域較高濃度NH4-N的來源機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

3 討論

3.1 長(zhǎng)江沖淡水的擴(kuò)展及其中營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的變化

長(zhǎng)江攜帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入東海, 經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸可以擴(kuò)散到東海東北部(Moonet al, 2009)。在本研究中發(fā)現(xiàn), 在徑流量較小的2011年7月, 長(zhǎng)江沖淡水在東海東北部自西向東的擴(kuò)散范圍明顯小于 2010年 7月(圖2, 3)。此外, NO3-N和NH4-N在兩個(gè)航次間顯示出了很不同的濃度和分布變化特征(圖4—7)。

Gao等(2015)通過對(duì)比長(zhǎng)江沖淡水“斑塊化”傳遞過程中相同鹽度、但處在不同斑塊中水團(tuán)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度, 發(fā)現(xiàn)NO3-N、SiO3-Si、PO4-P等營(yíng)養(yǎng)鹽在表層長(zhǎng)江沖淡水的傳輸路徑中, 盡管存在局部濃度增加的可能性, 但排除稀釋過程后這些營(yíng)養(yǎng)鹽“整體”上也是處于不斷地被移除的狀態(tài)。在本研究中, 除了以上兩個(gè)東海東北部的航次外, 2010年7月和8月在長(zhǎng)江淡水端元(徐六涇), 2010年8月和2011年8月在長(zhǎng)江口海域還“同時(shí)”開展了補(bǔ)充航次(站點(diǎn)見圖 1), 測(cè)定了長(zhǎng)江沖淡水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度沿著傳遞方向連續(xù)的變化。從長(zhǎng)江淡水端元(徐六涇)到長(zhǎng)江口海域再到東海東北部, NO3-N、SiO3-Si、PO4-P濃度均呈下降趨勢(shì), 而NH4-N和 NO2-N濃度則在夏季總體升高(Gaoet al,2015)。

此外, 我們進(jìn)一步比較了三個(gè)區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)(包括 SiO3-Si/NO3-N、PO4-P/NO3-N、NH4-N/NO3-N摩爾比值)。與同時(shí)期在徐六涇和長(zhǎng)江口的測(cè)定結(jié)果相比, 東海東北部站點(diǎn)A表層的SiO3-Si/NO3-N摩爾比值明顯降低(圖8a), 說明在表層長(zhǎng)江沖淡水傳遞過程中SiO3-Si濃度下降速度更快。盡管兩個(gè)航次站點(diǎn)A表層NO3-N濃度差別較大(圖4), 但SiO3-Si/NO3-N摩爾比值在兩個(gè)航次間差別并不大, 分別為0.32(2010年 7月)和 0.34(2011年 7月)(圖 8a)。與長(zhǎng)江淡水端元和長(zhǎng)江口相比, 站點(diǎn)A的PO4-P/NO3-N摩爾比值也明顯降低(圖8b)。

圖7 兩個(gè)航次三個(gè)斷面NH4-N濃度的垂直剖面Fig.7 Vertical profiles of NH4-N concentration along the three transects during the two cruises

與長(zhǎng)江淡水端元相比, 夏季無(wú)論是長(zhǎng)江口還是站點(diǎn)A, NH4-N/NO3-N摩爾比值明顯升高(圖8c)。事實(shí)上不僅是 NH4-N/NO3-N摩爾比值, 夏季沿長(zhǎng)江沖淡水傳輸路徑 NH4-N濃度隨著鹽度的升高也在逐漸升高(Gaoet al, 2015)。以上結(jié)果說明長(zhǎng)江沖淡水中NH4-N和NO3-N經(jīng)歷了很不相同的生物地球化學(xué)過程: 前者在不斷地被釋放, 而后者處在濃度逐漸下降的狀態(tài)。前面已經(jīng)提及, 研究區(qū)域表層乃至整個(gè)水體在2011年7月的NH4-N濃度大大低于2010年7月(圖5, 7), 而較高 NO3-N 濃度(如＞15μmol/L)的長(zhǎng)江沖淡水的擴(kuò)散范圍在2011年7月又明顯大于2010年7月(圖 4, 6), 更加劇了兩個(gè)航次間站點(diǎn) A 表層NH4-N/NO3-N摩爾比值的差值(圖8c, 分別是2010年7月的 0.26和 2011年 7月的 0.11)。這些現(xiàn)象之后NH4-N和NO3-N之間可能存在的相互轉(zhuǎn)換機(jī)制(如硝化過程)值得進(jìn)一步研究。

3.2 躍層和SCM層對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽垂直剖面的控制

研究區(qū)域夏季海水層化明顯, 以溫度、鹽度躍層為界, 海水事實(shí)上沿垂直方向形成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng), 并通過生物地球化學(xué)作用進(jìn)一步阻隔了各種物質(zhì)(包括營(yíng)養(yǎng)鹽)在兩個(gè)系統(tǒng)之間的物理交換。因此,同一站點(diǎn)溫度、鹽度躍層上下各種營(yíng)養(yǎng)鹽往往存在很不同的濃度及垂直變化剖面, 并形成了與之相伴而生的SCM層(圖3)。在研究區(qū)域, 含有較高營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的長(zhǎng)江沖淡水有可能上覆于海水表層, 造成營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直剖面表現(xiàn)為表層濃度最高; 但如果長(zhǎng)江沖淡水的控制較弱, 或表層浮游植物吸收作用較強(qiáng), 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度垂直剖面就可能表現(xiàn)為由上至下逐漸升高的特征(圖6)。溫鹽躍層和SCM層的存在會(huì)使上述營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直變化更加復(fù)雜, 對(duì)研究區(qū)域各種生源要素的傳遞和收支起著非常重要的作用(Siswantoet al,2005)。

以受到長(zhǎng)江沖淡水影響最為明顯的站點(diǎn) A為例(圖9), 無(wú)論在2010年7月還是在2011年7月, 躍層和SCM層附近以下大部分營(yíng)養(yǎng)鹽濃度都呈現(xiàn)出總體升高或相對(duì)穩(wěn)定的特征。在溫度、鹽度躍層和 SCM層之上, NO3-N和NO2-N表現(xiàn)為濃度由上到下急劇降低, 2011年7月在SCM層附近它們濃度甚至接近或低于檢出限(圖 9)。在受到長(zhǎng)江沖淡水影響較小、水深790m的站點(diǎn)B(圖10), 2011年7月表層除NH4-N外其余四種營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均接近或低于檢出限。站點(diǎn)B中SCM層附近NO2-N濃度表現(xiàn)為明顯升高(圖10b),而相反的趨勢(shì)卻在同一航次站點(diǎn) A中觀測(cè)到(圖 9d),這說明SCM層在不同站點(diǎn)對(duì)同一營(yíng)養(yǎng)鹽垂直剖面造成的影響可能是完全不同的。站點(diǎn)B中表層濃度很低的NO3-N、SiO3-Si、PO4-P在SCM層之下表現(xiàn)為濃度緩慢升高的趨勢(shì), 直至水深600m左右其濃度才保持相對(duì)穩(wěn)定(圖10b)。NH4-N在2011年站點(diǎn)B整個(gè)深度沒有顯示出明顯的變化特征, 其濃度范圍為3.8–4.5μmol/L(圖 10b)。

圖8 2010年夏季和2011年夏季表層水體中營(yíng)養(yǎng)鹽摩爾比值的平均值(±標(biāo)準(zhǔn)偏差)在長(zhǎng)江淡水端元(徐六涇)、長(zhǎng)江口、以及東海東北部的比較Fig.8 Comparison of the average molecular ratios of nutrients in the surface waters (including SiO3-Si/NO3-N, PO4-P/NO3-N, and NH4-N/NO3-N) among different regions along the Changjiang River transport pathways in summer

圖9 兩個(gè)航次站點(diǎn)A的CTD參數(shù)(包括溫度、鹽度、海水密度、熒光強(qiáng)度)和營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直剖面Fig.9 Vertical profiles of parameters obtained from CTD (including temperature, salinity, seawater density, and fluorescence intensity)and nutrient concentrations at Station A during the two cruises

圖10 2011年7月航次站點(diǎn)B的CTD參數(shù)(包括溫度、鹽度、海水密度、熒光強(qiáng)度)和營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直剖面Fig.10 Vertical profiles of parameters obtained from CTD (including temperature, salinity, seawater density, and fluorescence intensity)and nutrient concentrations at Station B during the July 2011 cruise

3.3 黑潮的潛在貢獻(xiàn)

2011年7月航次站點(diǎn)B最底層600—800m三個(gè)采樣點(diǎn)溫度范圍為 6.0—6.7°C、鹽度范圍為 34.37—34.38(圖 10a)。根據(jù) Gong 等(1996)和 Ichikawa等(2000), 該處水團(tuán)主要為KSSW或KIW, 這些水團(tuán)在研究區(qū)域附近由陸坡向陸架涌升(Chenet al, 1994)。Chen(1996)在東海箱式收支模型的計(jì)算中, 設(shè)定KIW中 NO3-N、SiO3-Si、PO4-P的濃度分別 25、60、1.7μmol/L, 他們的結(jié)果表明, KIW是東海陸架營(yíng)養(yǎng)鹽的最主要來源。Ren等(2006)報(bào)道黑潮控制站點(diǎn)(28.17°N, 127.80°E)底部1000m左右SiO3-Si濃度甚至超過 120μmol/L。Zhang等(2007)也發(fā)現(xiàn)了 KSSW 和KIW 中均存在較高濃度的 NO3-N、SiO3-Si、PO4-P等營(yíng)養(yǎng)鹽。

站點(diǎn) B水深 600—800m三個(gè)采樣處 NO3-N、SiO3-Si、PO4-P 濃度分別在 33.9—35.5、83.2—91.0、3.1—3.2μmol/L之間, 高于兩個(gè)航次其他所有站點(diǎn)整個(gè)深度采集的樣品中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(包括受長(zhǎng)江沖淡水控制最為明顯的站點(diǎn) A的表層)。PO4-P在這三個(gè)黑潮端元樣品中的濃度甚至超過其在長(zhǎng)江淡水端元的濃度(如2009年9月至2010年8月間濃度變化范圍約為 0.5—2.5μmol/L, 見 Gaoet al, 2012)。以上結(jié)果說明, 黑潮水團(tuán)可能是研究區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽的一個(gè)非常重要的提供者; 而長(zhǎng)江沖淡水的影響可能僅僅局限在東海西側(cè)部分區(qū)域。KSSW和KIW等黑潮水團(tuán)自底層向上侵入到東海東北部的過程中, 其中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度也在逐步變化, 表現(xiàn)為研究區(qū)域底層這些營(yíng)養(yǎng)鹽中部濃度往往較低、東側(cè)受黑潮控制的水團(tuán)中濃度往往較高(NO3-N的結(jié)果見圖6, 如果考慮到站點(diǎn)B的結(jié)果, 這一趨勢(shì)將更加明顯)。

4 結(jié)論

通過2010年7月和2011年7月在東海東北部?jī)蓚€(gè)航次的調(diào)查結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)夏季研究區(qū)域均處在海水層化狀態(tài), 在徑流量較大的2010年7月, 上覆于海水表層的長(zhǎng)江沖淡水(鹽度＜31)在研究區(qū)域的擴(kuò)散范圍明顯大于 2011年 7月, 但是含有高 NO3-N濃度(如＞15μmol/L)長(zhǎng)江沖淡水卻在 2011年 7月的擴(kuò)散范圍更大。除了受到長(zhǎng)江沖淡水影響較大的站點(diǎn), 由于表層浮游植物吸收等因素的影響, NO3-N、SiO3-Si、PO4-P在各站點(diǎn)的垂直剖面一般顯示出在溫鹽躍層和SCM層以上濃度很低, 而在溫鹽躍層和SCM層以下其濃度快速升高并逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。NH4-N在兩個(gè)航次的各站點(diǎn)其濃度沿垂直方向相對(duì)穩(wěn)定, 并且研究區(qū)域其在各個(gè)站點(diǎn)整個(gè)深度的濃度在2010年7月明顯高于2011年7月。與同時(shí)期在長(zhǎng)江淡水端元和長(zhǎng)江口的觀測(cè)結(jié)果相比, 長(zhǎng)江沖淡水影響到的東海東北部站點(diǎn)表層SiO3-Si/NO3-N和PO4-P/NO3-N摩爾比值明顯偏低, 說明與NO3-N相比, 沿著長(zhǎng)江沖淡水的傳輸路徑SiO3-Si和PO4-P的濃度下降速度更快。研究區(qū)域KSSW和KIW水團(tuán)中NO3-N、SiO3-Si、PO4-P濃度接近甚至超過他們?cè)陂L(zhǎng)江淡水端元中的濃度,上述黑潮水團(tuán)可能構(gòu)成東海東北部營(yíng)養(yǎng)鹽的一個(gè)非常重要的來源。

致謝 感謝長(zhǎng)崎丸號(hào)調(diào)查船船長(zhǎng)和船員在航次期間采樣過程中提供的幫助, 感謝航次首席科學(xué)家 Joji Ishizaka教授提供CTD數(shù)據(jù)。

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DYNAMICS OF NUTRIENTS IN THE NORTHEASTERN EAST CHINA SEA IN SUMMER

LIU Ya-Li, GAO Lei, CHEN Wei-Qing, WANG Teng, LI Dao-Ji
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai200062,China)

Two cruises in July 2010 and July 2011 were conducted in the northeastern East China Sea (ECS) to elucidate distribution and variation of nutrients in this area, as well as their responses to the varying Changjiang (Yangtze)River freshwater discharge.The eastward expansion range of Changjiang Diluted Water (CDW, in salinity ＜31) at surface in July 2010 when monthly water discharge was much greater than normal year, was obviously larger than that in July 2011.However, the expansion range of surface seawater with high NO3-N concentration (e.g., ＞15μmol/L) was much smaller in July 2010.Concentrations of NO3-N, SiO3-Si, PO4-P at most stations were generally quite low due to surface phytoplankton uptake and water column stratification, and these low values were maintained to the temperature/salinity thermocline and subsurface chlorophyll maximum layer (at depths of 10—40m) where their concentration increased sharply and then showed constant values afterwards.The concentrations of NH4-N at stations in July 2010 were commonly higher than those in July 2011, throughout the water columns and over the whole study area.Molecular ratios of SiO3-Si/NO3-N and PO4-P/NO3-N decreased along the Changjiang River transport pathway northeastwards from the Changjiang River freshwater and estuarine water to the northeastern ECS.The nutrient concentrations of NO3-N, SiO3-Si,and PO4-P in the Kuroshio Subsurface Water and Kuroshio Intermediate Water were quite high, indicating that those water masses, together with CDW, were probably important contributors to the nutrients inventories of the northeastern ECS.

nutrients; biogeochemistry; Changjiang River diluted water; Kuroshio; subsurface chlorophyll maximum layer; northeastern East China Sea

P7

10.11693/hyhz20170100020

* 國(guó)家自然科學(xué)基金, 41676066號(hào); 科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃, 2016YFA0600902號(hào); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃,2010CB951203號(hào)。劉雅麗, 碩士研究生, E-mail: liuyali041@163.com

① 通訊作者: 高 磊, 副研究員, E-mail: lgao@sklec.ecnu.edu.cn

2017-01-20, 收修改稿日期: 2017-05-22