楊 庶 楊 茜 曲克明 孫 耀

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

改革開放以來, 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大量陸源污染物輸運(yùn)入海, 近岸水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重(Wang,2006), 造成赤潮、綠潮頻發(fā)(周名江等, 2006; Tang et al, 2006; Liu et al, 2013a, b; 吳在興等, 2014), 帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。對近岸水體富營養(yǎng)化形成演變機(jī)制及生態(tài)響應(yīng)的探討與評估已成為我國海洋環(huán)境治理及保護(hù)工作的重中之重(王保棟等,2012)。目前, 在赤潮頻發(fā)海域, 比如渤海、長江口、珠江口等海域, 由于研究起步相對較早, 水體富營養(yǎng)化的研究工作已相對較為系統(tǒng)(Huang et al, 2003;Zhang et al, 2007; 張志鋒等, 2012; Yu et al, 2012;Strokal et al, 2015), 而在綠潮孕育和暴發(fā)的主要場所南黃海, 水體富營養(yǎng)化的研究工作尚顯薄弱。通過現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)我們已經(jīng)了解了南黃海水體營養(yǎng)鹽的平面分布、季節(jié)及年際變化規(guī)律(Wang et al, 2003; Lin et al, 2005; 韋欽勝等, 2010; 韋欽勝等, 2011); 富營養(yǎng)化的評價(jià)結(jié)果顯示南黃海已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的富營養(yǎng)化現(xiàn)象(徐明德等, 2006; 周斌等, 2010; Zhu et al,2014), 而且綠潮的暴發(fā)也與該海域的富營養(yǎng)化密切相關(guān)(Liu et al, 2013a, b), 但限于現(xiàn)場調(diào)查開展較晚、研究系統(tǒng)性不足, 現(xiàn)在尚不清楚南黃海水體富營養(yǎng)化的長期演變過程。對于南黃海富營養(yǎng)化始于何時(shí)以及造成富營養(yǎng)的可能原因等基本問題, 目前均不明確, 這顯然制約了該海域富營養(yǎng)化形成機(jī)制及生態(tài)響應(yīng)的深入研究。

沉積物是記錄海洋環(huán)境長期演變信息的有效載體。目前已有相關(guān)研究通過特征生物標(biāo)志物反演古環(huán)境的演變(Turner et al, 1994; Casta?eda et al, 2011;Rohrssen et al, 2013)。一般來說, 水體富營養(yǎng)化時(shí), 充足的營養(yǎng)物質(zhì)能夠明顯促進(jìn)浮游植物的生長, 初級生產(chǎn)力常較往年大幅增加?；诖? 沉積記錄中初級生產(chǎn)力異常大幅增加的歷史時(shí)期與水體富營養(yǎng)化時(shí)期存在較好的對應(yīng)關(guān)系(Schelske et al, 1983; Turner et al, 1994), 因此作為重建上覆水體古初級生產(chǎn)力的有效生物標(biāo)志物, 沉積物中的生物硅(biogenic silica,BSi)能夠用于指示水體富營養(yǎng)化的演變過程(Schelske et al, 1983; Turner et al, 1994; Zimmerman et al, 2000)。Turner等(1994)及 Rabalais等(2007)成功地使用 BSi沉積記錄探討了密西西比河口及墨西哥灣水體的富營養(yǎng)化進(jìn)程。鑒于此, 本文考察了南黃海近海沉積物柱狀樣中記錄的高分辨率沉積信息, 利用BSi探討了近100年來南黃海近海初級生產(chǎn)力的年代際變化趨勢, 并由此分析了該海域富營養(yǎng)化的長期演變過程。

1 材料與方法

1.1 采樣位置及方法

南黃海近海毗鄰我國山東省和江蘇省, 并有起源于渤海灣的黃海沿岸流流經(jīng), 其生態(tài)環(huán)境除遵循自身海洋環(huán)境變化規(guī)律外還受到鄰近省份及黃河流域等陸地環(huán)境的顯著影響。

為了探討該海域富營養(yǎng)化的長期演變進(jìn)程, 本文于2009年3月利用箱式采泥器在山東半島南部海域兩個站位采集了沉積物柱狀樣(圖 1), 其中 B19站位(36°00′05″N, 121°59′51″E; 水深: 43m)沉積柱柱長49cm, B18 站位(35°30′07″N, 122°30′12″E; 水深: 61m)沉積柱柱長30cm, 沉積物均為泥質(zhì)。

采樣后, 沉積柱于4°C環(huán)境下冷藏保存, 直至完成分樣。沉積柱表層以下15cm以1cm間隔分樣, 其下以 2cm間隔分樣; 隨后根據(jù)樣品測定要求分別于室溫或60°C烘干至恒重, 研磨粉碎, 過120目篩, 室溫干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

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

1.2 沉積物年代學(xué)測定

根據(jù)沉積物210Pb活度的垂直分布趨勢, 估算相應(yīng)海域的沉積速率(Goldberg, 1963), 隨后以沉積物采樣時(shí)間為測年基點(diǎn), 構(gòu)建沉積柱的年代學(xué)框架。其中B18站位沉積物210Pb活度在中國科技大學(xué)極地環(huán)境研究室利用高純鍺伽馬能譜儀測定(Zhou et al,2012), B19站位沉積物210Pb活度引自趙一陽等(1991)的測定結(jié)果。

1.3 沉積物BSi的測定

BSi的測定使用趙穎翡等(2005)的方法, 簡單來說, 取適量研磨過篩后的沉積物干樣, 分別使用10%的H2O2和1mol/L的鹽酸處理以除去其中的有機(jī)物和碳酸鹽, 然后使用2mol/L的Na2CO3溶液提取沉積物中的BSi, 并通過硅鉬藍(lán)法測定其濃度。對BSi含量≥3%的樣品, 本方法標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05%, 當(dāng)BSi含量＜3%時(shí), 本方法標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005%(楊茜, 2012)。

1.4 上覆水初級生產(chǎn)力長期演變趨勢的構(gòu)建

沉積物中BSi的積累與上覆水初級生產(chǎn)力有著密切的關(guān)系, 因此 BSi的時(shí)空分布可被應(yīng)用于古生產(chǎn)力的變化指示(Leinen et al, 1986; Lyle et al, 1988)。硅藻是南黃海近海浮游植物的優(yōu)勢種群, 比例可占 57%—99%(黃文祥等, 1984; 王俊, 2001; 呂末曉等, 2016),故主要由硅藻產(chǎn)生的BSi能夠有效指示該海域初級生產(chǎn)力的總體波動趨勢; 而且現(xiàn)有研究結(jié)果也表明南黃海海域沉積物中BSi含量的波動與上覆水初級生產(chǎn)力的變化具有顯著正相關(guān)關(guān)系(楊茜, 2012), 因此上覆水初級生產(chǎn)力的長期演變趨勢總體類似于沉積物中 BSi的長期變化趨勢。本文即通過沉積物中BSi的長期變化趨勢指示上覆水初級生產(chǎn)力的相對波動趨勢。

2 結(jié)果

2.1 沉積物的年代學(xué)分析

B19和B18站位沉積物的210Pb活度垂直分布均呈現(xiàn)明顯的衰變趨勢(圖 2), 表明研究海域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定, 其中B19站位沉積物表層存在3cm的混合層。經(jīng)計(jì)算, B19和B18海域沉積物的沉積速率分別約為0.44cm/a和0.17cm/a, 以沉積物采樣年份2009年為測年基點(diǎn)進(jìn)行估算, 兩站位沉積柱均為近100余年的沉積。

2.2 沉積物的BSi含量及垂直分布趨勢

南黃海近海沉積物中 BSi含量在0.89%—8.26%之間, 其中B19站位平均為3.35%±2.61%, 高于B18站位的1.98%±0.39%。該海域沉積物的BSi含量與浙江近岸海域相近(周鵬, 2007), 明顯高于長江口外海域(葉曦雯等, 2004; 趙穎翡等, 2005)。隨著沉積物深度的變化, 兩站位BSi含量均波動明顯, 不過B18站位的波動振幅相對較小(圖 3)。雖然兩站位 BSi隨深度的波動趨勢差異明顯, 不過在近表層沉積物中即近代沉積中, 兩者BSi的含量均出現(xiàn)明顯升高。

圖2 南黃海近海沉積物中210Pb活度的垂直分布趨勢Fig.2 Vertical distributions of sedimental 210Pb activity in coastal waters of the southern Yellow Sea

2.3 上覆水初級生產(chǎn)力的年代際波動趨勢

沉積物BSi的含量受到粒度、沉積環(huán)境、上覆水初級生產(chǎn)力等多種環(huán)境因素的影響(Loucaides et al,2012; Wang et al, 2014)。在本文的研究中, B19和B18沉積物中210Pb活度的垂直分布均表現(xiàn)為典型的衰變趨勢, 而且沉積物粒度總體波動不大, 表明近100年來該海域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定, 因此沉積物中BSi的波動主要受控于上覆水體中浮游植物的生長繁殖。據(jù)此, 本文認(rèn)為南黃海近海初級生產(chǎn)力的長期演變趨勢類似于沉積物中BSi的長期變化趨勢。

圖3 南黃海近海沉積物中BSi的垂直分布趨勢Fig.3 Vertical distributions of sedimental BSi in coastal waters of the southern Yellow Sea

雖然兩站位BSi隨深度的波動趨勢差異較大, 但考慮沉積速率的差異后, 兩站位BSi的時(shí)間序列顯現(xiàn)相似的波動趨勢(圖 4)。在近 100余年里南黃海近海沉積物中的 BSi及上覆水初級生產(chǎn)力均存在明顯波動, 其中在1920s、1960s以及1980s以來三個時(shí)期相對較高, 而在1930s明顯較低。

圖4 南黃海近海上覆水初級生產(chǎn)力(沉積物BSi)和華北平原及鄰近地域干濕指數(shù)(DWI)的年代際波動趨勢Fig.4 Decadal changes in primary productivity (indicated by sedimental BSi) in coastal waters of the southern Yellow Sea and dry-wet index in North China Plain and adjacent areas (DWI)注: 華北平原及鄰近地域干濕指數(shù)的原始數(shù)據(jù)引自Zheng等(2006), 本文使用其10年移動平均處理結(jié)果

需說明的是, B19站位更靠近陸地, 其沉積物中BSi含量明顯高于遠(yuǎn)離近岸的B18站位, 這可能指示了隨著離岸距離的增加, 水體初級生產(chǎn)力明顯降低。不過由于本文更關(guān)注初級生產(chǎn)力長期波動的相對趨勢, 故在此不會深入探討不同站位間BSi以及初級生產(chǎn)力數(shù)值上的差異。

3 討論

3.1 南黃海近海初級生產(chǎn)力年代際波動的驅(qū)動因素分析

近百余年來, 南黃海近海初級生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯的年代際波動。1980s以前, 南黃海近海初級生產(chǎn)力的變化與華北平原及鄰近地域(包括山東省全部)干濕指數(shù)(dry-wet index, DWI)的波動趨勢(Zheng et al, 2006)具有較好的對應(yīng)關(guān)系。在1910s—1920s和1950s—1960s華北平原及鄰近地域DWI較高時(shí), 即氣候相對濕潤多雨時(shí), 南黃海近海初級生產(chǎn)力總體較高; 而在華北平原及鄰近地域干旱少雨的 1930s, 初級生產(chǎn)力明顯降低。這很可能反映了陸地生態(tài)環(huán)境對臨近海洋生態(tài)環(huán)境的影響。在南黃海近海, 陸源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入是真光層水體營養(yǎng)鹽補(bǔ)充的重要途徑(Shi et al, 2015)。當(dāng)華北平原及鄰近地域濕潤多雨時(shí)(1910s—1920s和1950s—1960s), 隨著降雨量的增加, 大量陸源營養(yǎng)物質(zhì)由陸地徑流輸入近岸海域, 能夠有效提高近海水體的營養(yǎng)鹽水平, 有利于浮游植物的生長, 從而促使初級生產(chǎn)力升高(Maneesha et al, 2011; Reichwaldt et al,2012; Valiela et al, 2012); 而在華北平原及鄰近地域干旱少雨的1930s, 由于陸地徑流的減少, 南黃海近海的陸源營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充量降低, 可能造成水體營養(yǎng)水平相對偏低, 從而限制了浮游植物的生長, 初級生產(chǎn)力相對偏低。因此在1980s以前南黃海初級生產(chǎn)力的波動與臨近陸地的干濕氣候關(guān)系密切。

1980s以后, 華北平原及鄰近地域降雨量明顯減弱, 若沒有其他因素影響, 陸源營養(yǎng)物質(zhì)的輸運(yùn)入海隨地面徑流的減少而減少, 南黃海近海的初級生產(chǎn)力理應(yīng)呈現(xiàn)降低的趨勢, 而實(shí)際上, 此時(shí)浮游植物初級生產(chǎn)力明顯升高, 這可能是受到了人類活動的顯著影響所致。改革開放以后, 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 大量陸源污染物排入近海, 充足的營養(yǎng)鹽補(bǔ)給能夠明顯促進(jìn)浮游植物的生長(Dai et al, 2007; Wang et al,2015)。黃海暖流和黃海冷水團(tuán)同樣能夠影響南黃海近海水體的營養(yǎng)鹽分布, 但對 1980s以后該海域初級生產(chǎn)力急劇升高的貢獻(xiàn)可能較為有限。黃海暖流發(fā)源于外海, 水團(tuán)營養(yǎng)鹽水平總體較低, 不足以支撐南黃海近海初級生產(chǎn)力的急劇升高。黃海冷水團(tuán)的垂向輸運(yùn)雖然是南黃海表層水體營養(yǎng)鹽補(bǔ)充的重要途徑之一,但一方面近年來黃海表層水溫的增加不利于該海域水體的垂向混合(Lin et al, 2005), 黃海冷水團(tuán)對表層營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充反而受到阻礙; 另一方面文獻(xiàn)資料顯示近年來黃海冷水團(tuán)水體的營養(yǎng)鹽水平并未發(fā)生明顯的增加(王保棟等, 1999; 米鐵柱等, 2012), 故源自黃海冷水團(tuán)的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充難以明顯提高近年來南黃海近海表層水體的營養(yǎng)鹽水平, 并進(jìn)而支撐南黃海近海初級生產(chǎn)力的增加。因此1980s以后, 南黃海近海浮游植物初級生產(chǎn)力的急劇增加可能主要受到人類活動的影響。

3.2 南黃海近海富營養(yǎng)化的歷史演變進(jìn)程

1980s以前, B19和B18站位沉積物中BSi雖有波動, 但總體偏低, 平均分別為 2.05%±1.33%和1.83%±0.23%, 此時(shí)南黃海初級生產(chǎn)力相對較低。而1980s前后, 兩站位 BSi急劇升高, 并在此后長期保持較高水平, 平均約為7.25%±0.88%和2.40%±0.47%,分別比此前升高了254%和31%, 這指示了 1980s以后南黃海初級生產(chǎn)力的急劇升高?，F(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:1985年春季和1984年夏季, 本文研究海域真光層初級生產(chǎn)力均在 200—600mgC/(m2·d)之間(朱明遠(yuǎn)等,1993), 而 2011年春、夏季則分別增至 1000—1500mgC/(m2·d)和 750—2000mgC/(m2·d)(文 斐 等 ,2012)?，F(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)得出的南黃海近海初級生產(chǎn)力升高幅度與本研究沉積記錄分析結(jié)果完全吻合, 這不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了通過沉積物中 BSi指示上覆水初級生產(chǎn)力變化的合理性, 也證實(shí)了1980s以后南黃海近海初級生產(chǎn)力急劇升高的現(xiàn)象。1980s以后初級生產(chǎn)力急劇升高, 清晰地反映了隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和陸源污染物的排放, 南黃海近海水體開始出現(xiàn)嚴(yán)重的富營養(yǎng)化; 而在此之前, 人類活動尚不足以明顯影響南黃海近海的海洋環(huán)境, 氣候變化是當(dāng)時(shí)環(huán)境波動的主要驅(qū)動因素, 水體初級生產(chǎn)力偏低, 并未表現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化特征。另外1980s以來, B19站位初級生產(chǎn)力的升高幅度約為 B18站位的 8倍?？紤]到B19站位比B18站位更臨近陸地, 受陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入的影響更明顯, 其較大的初級生產(chǎn)力升高幅度指示了B19站位臨近海域具有比B18站位海域更高的富營養(yǎng)化水平。目前通過現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)對南黃海近海富營養(yǎng)化的研究尚難以追溯該海域富營養(yǎng)化的起始年代。雖然Bashkin等(2002)通過1994—1997年的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)分析, 認(rèn)為源自人類活動的氮營養(yǎng)鹽輸入已經(jīng)造成了黃海的富營養(yǎng)化, 且膠州灣、海州灣、蘇北沿岸等鄰近海灣的赤潮自20世紀(jì)90年代初已有報(bào)道(吳玉霖等, 2005), 但直至21世紀(jì)以后才出現(xiàn)南黃海近海開闊海域富營養(yǎng)化的評估報(bào)道(徐明德等,2006)?，F(xiàn)有評價(jià)結(jié)果顯示南黃海水體已經(jīng)明顯富營養(yǎng)化(徐明德等, 2006; 周斌等, 2010), 而本文的分析結(jié)果表明這種富營養(yǎng)化現(xiàn)象始于1980s。

根據(jù)Lin等(2005)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 1980s以后雖然南黃海水體中溶解無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)的含量持續(xù)增高, 但磷酸鹽和硅酸鹽濃度均明顯低于此前(圖 5), 特別是硅酸鹽在 1990s以后其含量僅約為1980s以前的一半。而此時(shí)浮游植物初級生產(chǎn)力反而急劇升高并維持在較高水平, 這表明南黃海近海水體的富營養(yǎng)化應(yīng)主要由近年來水體中持續(xù)增加的DIN所致。1980s以前南黃海水體主要表現(xiàn)為N限制, 此后隨著大量陸源含氮污染物的排放入海,水體 DIN含量持續(xù)增加, 增幅約達(dá) 200%, 雖然磷酸鹽和硅酸鹽的含量降低明顯, 但水體N/P和N/Si尚在Redfield比值附近波動(圖5)(Lin et al, 2005), 浮游植物的生長并未受到明顯的 P限制或 Si限制, 故隨著DIN濃度的增加, 水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重, 浮游植物大量增殖(朱明遠(yuǎn)等, 1993; 文斐等, 2012), 綠潮頻發(fā)?；诖? 在今后的海洋環(huán)境修復(fù)及治理中, 控制及減少南黃海水體及入海徑流中的氮營養(yǎng)鹽理論上能夠較好的緩解該海域的富營養(yǎng)化問題。

4 結(jié)論

基于沉積物中BSi的時(shí)間序列分析, 近100a來南黃海近海浮游植物初級生產(chǎn)力存在明顯的波動: 1980s以前, 上覆水初級生產(chǎn)力總體偏低, 其波動主要受控于臨近陸地的干濕氣候變化, 水體并未出現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化特征; 而 1980s以后, 初級生產(chǎn)力明顯增加, 表明隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 南黃海水體開始出現(xiàn)嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題。經(jīng)分析, 近年來大量陸源含氮污染物的排放入?？赡苁菍?dǎo)致該海域水體富營養(yǎng)化的主要原因。

圖5 南黃海表層水體PO4-P、SiO3-Si、DIN和N:P的年際變化(引自Lin等(2005))Fig.5 The interannual variation trends of PO4-P, SiO3-Si, DIN and N:P in surface water in the southern Yellow Sea (Lin et al, 2005)

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