長(zhǎng)江口及鄰近水域氮、磷的形態(tài)特征及分布研究

全為民, 沈新強(qiáng), 韓金娣, 陳亞瞿

(農(nóng)業(yè)部海洋與河口漁業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 東海水產(chǎn)研究所, 上海 200090)

長(zhǎng)江口及鄰近水域氮、磷的形態(tài)特征及分布研究

全為民, 沈新強(qiáng), 韓金娣, 陳亞瞿

(農(nóng)業(yè)部海洋與河口漁業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 東海水產(chǎn)研究所, 上海 200090)

根據(jù)近幾年大面調(diào)查的監(jiān)測(cè)資料, 對(duì)長(zhǎng)江口及鄰近水域氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的形態(tài)組成、時(shí)空分布及氮磷比的變動(dòng)規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明, 長(zhǎng)江口及鄰近水域中硝酸鹽是水體無機(jī)氮存在的主要形態(tài), 其約占總無機(jī)氮的 90%, 無機(jī)氮含量河口高, 向東南方向愈來愈低; 從該水域總磷的形態(tài)組成來看, 磷營(yíng)養(yǎng)鹽主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)共存的形式存在, TDP略高于TPP, 無機(jī)磷的平面分布與無機(jī)氮十分相似, 春季無機(jī)磷含量高于夏季; N/P值變動(dòng)范圍大和平均值較高是該水域的主要特征, N/P值與長(zhǎng)江徑流量的大小有關(guān)系, 夏季N/P值比春季高, 綜合分析來看, 磷營(yíng)養(yǎng)鹽和光照都有可能成為該水域浮游植物生長(zhǎng)的重要限制因子。

長(zhǎng)江口; 化學(xué)形態(tài); 分布; 營(yíng)養(yǎng)鹽

近岸海域氮和磷的濃度普遍偏高, 以及由此而帶來的富營(yíng)養(yǎng)化是中國(guó)沿岸水域最突出的環(huán)境問題之一, 海域富營(yíng)養(yǎng)化與有害赤潮的發(fā)生有著密切關(guān)系。近年來, 赤潮發(fā)生頻繁, 不但破壞水域生態(tài)系統(tǒng)的平衡, 還給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大的損失, 因而引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。氮、磷是海洋浮游植物生長(zhǎng)、繁殖必不可少的營(yíng)養(yǎng)要素, 在生物活動(dòng)中起著重要作用, 其在水環(huán)境中的分布變化在一定程度上控制著海洋生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)過程, 是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要限制因素。

長(zhǎng)江年平均徑流總量為9 240億 m3, 源源不斷地向河口輸送大量營(yíng)養(yǎng)鹽。據(jù)報(bào)道, 長(zhǎng)江口水域是中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的水域, 中度污染和嚴(yán)重污染的面積較大, 主要污染物為無機(jī)氮和磷酸鹽[1]。近年來,隨著對(duì)氮、磷生物地球化學(xué)循環(huán)研究的深入, 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn), 當(dāng)水環(huán)境中溶解態(tài)無機(jī)氮、磷被生物耗盡時(shí),浮游植物可以利用溶解態(tài)有機(jī)氮、磷和顆粒態(tài)氮、磷[2,3], 基于這一原因, 因此開展不同形態(tài)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空分布和變動(dòng)規(guī)律研究是認(rèn)識(shí)赤潮和進(jìn)行赤潮防治的基礎(chǔ), 具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作者利用農(nóng)業(yè)部東海區(qū)漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心近年來獲得的調(diào)查資料, 并結(jié)合相關(guān)的調(diào)查研究,分析了長(zhǎng)江口及鄰近水域氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的形態(tài)組成、時(shí)空分布及氮磷比的變動(dòng)規(guī)律及其影響因素,從而為該水域的漁業(yè)環(huán)境保護(hù)和海洋開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)查及分析方法

在長(zhǎng)江口及鄰近水域共設(shè) 20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn), 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖1所示。分表、底層進(jìn)行采樣分析,取表、底層的平均值代表該站點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)鹽含量。無機(jī)氮(硝酸鹽氮、氨氮和和亞硝酸鹽氮之和)的調(diào)查分析均按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[4]進(jìn)行, 硝酸鹽氮用鋅-鎘還原法測(cè)定, 氨氮用次溴酸鈉氧化法測(cè)定, 亞硝酸鹽氮用重氮-偶氮法測(cè)定。溶解無機(jī)磷(DIP)的樣品經(jīng)0.45 μm濾膜減壓過濾后, 用磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定?？偭?TP)及通過 0.45μm 濾膜的總?cè)芙饬?TDP)均采用過硫酸鉀氧化-磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定：溶解有機(jī)磷(DOP)為 TDP與 DIP之差值; 顆粒磷(TPP)為TP與TDP之差值。無機(jī)氮和無機(jī)磷的數(shù)據(jù)均來自農(nóng)業(yè)部東海區(qū)漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 2000～2003年 5月和 8月的常規(guī)監(jiān)測(cè); 另外, 本研究對(duì)2003年8月和2004年5月該水域內(nèi)磷的形態(tài)組成進(jìn)行了調(diào)查研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)氮的形態(tài)組成及時(shí)空分布

長(zhǎng)江口及鄰近水域無機(jī)氮的形態(tài)構(gòu)成如表 1所示, 該水域亞硝酸鹽和氨氮的含量相對(duì)很低, 硝酸鹽的含量較高, 大約 90%的無機(jī)氮是以硝酸鹽的形式存在。這種形態(tài)特征與膠州灣明顯不同, 據(jù)調(diào)查氨氮是膠州灣無機(jī)氮的主要存在形態(tài), 其約占總無機(jī)氮的80%, 硝酸鹽僅占16%[5]。原因主要有以下兩個(gè)方面： 一是長(zhǎng)江三態(tài)無機(jī)氮輸送和輸出通量中硝酸鹽占絕大部分[6]; 二是由于受水體混濁的影響, 長(zhǎng)江口附近海區(qū)浮游生物量較低, 因而硝酸鹽的轉(zhuǎn)移機(jī)制主要是物理混合過程, 即長(zhǎng)江沖淡水受海水稀釋所致, 而與化學(xué)過程和生物活動(dòng)關(guān)系不大, 其在該水域具有保守性行為[7]。

圖1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)Fig. 1 Monitoring station

表1 2000～2003年無機(jī)氮的化學(xué)形態(tài)構(gòu)成Tab. 1 Chemical composition of dissolved inorganic nitrogen from 2000 to 2003

圖2為長(zhǎng)江口及鄰近水域無機(jī)氮的平面分布圖,等值線呈不圓滑的舌狀自西向東伸出, 于 30°30′N 形成密集的等值線, 說明在此處水體混合十分激烈。該水域春、夏季無機(jī)氮的平面分布十分相似, 無機(jī)氮自錢塘江-杭州灣和長(zhǎng)江口門區(qū)向東南方向逐漸降低, 春、夏季均在杭州灣形成無機(jī)氮的高值區(qū);該水域 0.5～0.6 mg/L等值線的分布具有很強(qiáng)的規(guī)律性, 在泗礁-大衢山-岱山-舟山群島一線形成狹長(zhǎng)的分布區(qū)域。這表明該海域的無機(jī)氮主要受長(zhǎng)江和錢塘江徑流輸入的影響, 向東南方向逐漸被海水所稀釋, 至舟山漁場(chǎng)附近形成營(yíng)養(yǎng)鹽的低值區(qū)。長(zhǎng)江口及鄰近水域無機(jī)氮出現(xiàn)這樣的分布趨勢(shì), 主要是由于長(zhǎng)江口段地理方位是東偏南向, 大量的長(zhǎng)江徑流在長(zhǎng)江口門處射流入海, 與自南向北而來的浙江沿岸流和高溫高鹽的臺(tái)灣暖流相遇, 再加上錢塘江徑流輸送、杭州灣沿岸工業(yè)密集區(qū)大量廢水排放和該水域較低的初級(jí)生產(chǎn)力, 故在杭州灣形成無機(jī)氮高值區(qū)。

圖2 春、夏季海區(qū)無機(jī)氮的平面分布Fig.2 The distributions of inorganic nitrogen in the spring and the summer

圖 3顯示了該海區(qū)無機(jī)氮含量與鹽度之間的相關(guān)關(guān)系。從圖3可看出, 春季該海區(qū)無機(jī)氮質(zhì)量濃度隨鹽度的增加而逐步降低, 進(jìn)一步證實(shí)了上述的無機(jī)氮平面分布模式, 即河口區(qū)高, 向東南方向愈來愈低。圖 3顯示了夏季無機(jī)氮與鹽度之間是二次曲線的關(guān)系, 即較低鹽度條件下, 無機(jī)氮與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系(長(zhǎng)江口); 鹽度為 10～20的海區(qū)是無機(jī)氮高值區(qū)(杭州灣), 而在鹽度大于 20時(shí), 鹽度與無機(jī)氮含量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 隨鹽度的增加無機(jī)氮濃度不斷降低, 此區(qū)主要在舟山群島水域。上述分析表明, 長(zhǎng)江口無機(jī)氮的轉(zhuǎn)移機(jī)制主要是物理混合稀釋過程, 但夏季無機(jī)氮的轉(zhuǎn)移機(jī)制更加復(fù)雜。

2.2 磷的形態(tài)組成及時(shí)空分布

表 2列出了長(zhǎng)江口及鄰近水域水體中各形態(tài)磷DIP、DOP、TDP、TPP和TP的濃度范圍及平均值。從表可知, 各形態(tài)磷含量均是夏季(8月)高于春季(5月), 夏季DIP略高于春季, 而夏季DOP、TPP的濃度值明顯大于春季, 原因可能是 DIP受到水體運(yùn)動(dòng)與生物活動(dòng)綜合作用的影響[8], 而 DOP是生物活動(dòng)的產(chǎn)物(包括浮游植物和浮游動(dòng)物的排泄), 主要受生物活動(dòng)的控制[8], 近年來長(zhǎng)江口8月份的生產(chǎn)力水平較高, 浮游生物在釋放出有機(jī)磷的同時(shí)又要消耗大量的 DIP, 因此在夏季期間 DOP含量較高; 至于夏季TPP比較高的原因, 估計(jì)與8月份長(zhǎng)江來水量、來沙量與初級(jí)生產(chǎn)力均比5月份高有關(guān)。

圖 4顯示了春、夏季該海區(qū)總磷的形態(tài)組成。以溶解態(tài)和顆粒態(tài)相比較, TDP略高于TPP, 總的來說, 長(zhǎng)江口及鄰近水域中磷主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)共存的形式存在, 有關(guān)研究表明, 長(zhǎng)江下游輸送的磷通量近 90%是以顆粒磷形式輸送的, 這是導(dǎo)致TPP在該海區(qū)保持較高濃度和比例的主要原因[9];從無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)相比較, 可以看出有機(jī)態(tài)是該水域磷存在的主要化學(xué)形態(tài); DIP僅占TP的20%左右,這與20世紀(jì)80年代初黃自強(qiáng)等[3]在長(zhǎng)江口的調(diào)查結(jié)果相當(dāng)一致,可見近 20多年來長(zhǎng)江口鄰近海區(qū)磷的營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定,TPP和DOP仍然是水體磷的主要存在形態(tài), 但各形態(tài)磷的含量不斷上升。表3列出了不同形態(tài)磷之間的相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)分析進(jìn)一步印證了上述結(jié)論, DOP、TDP、TPP和TP四者之間均保持較高的相關(guān)關(guān)系, 進(jìn)一步表明DOP和TPP是長(zhǎng)江口鄰近海區(qū)磷營(yíng)養(yǎng)鹽存在的主要化學(xué)形態(tài)。

圖3 春、夏季海區(qū)無機(jī)氮與鹽度的關(guān)系Fig. 3 The relationships between inorganic nitrogen levels and salinities in the spring and the summer

表2 不同形態(tài)磷的監(jiān)測(cè)值Tab.2 The monitoring values of different species of phosphorus

圖4 春、夏季海區(qū)總磷的形態(tài)組成Fig. 4 The physicochemical compositions of total phosphorus in the spring and the summer

表3 不同形態(tài)磷之間的相關(guān)系數(shù)(n=80)Tab. 3 The correlative coefficients between different types of phosphorus(n=80)

圖5 春、夏季海區(qū)無機(jī)磷的平面分布Fig. 5 The distributions of inorganic phosphorus in the spring and the summer

圖6 春、夏季海區(qū)無機(jī)磷與鹽度的關(guān)系Fig. 6 The relationship between inorganic phosphorus and saline in the spring and the summer

圖5 為長(zhǎng)江口及鄰近水域無機(jī)磷的平面分布圖。從圖可知, 長(zhǎng)江口門區(qū)為無機(jī)磷高值區(qū), 其含量自長(zhǎng)江口向東和東南方向愈來愈低, 并呈現(xiàn)一段連續(xù)的稀釋梯度。從圖5可以發(fā)現(xiàn)： 春季無機(jī)磷高值區(qū)的擴(kuò)展范圍明顯大于夏季, 夏季等值線分布得十分緊密,而春季等值線較稀疏, 表明該海區(qū)無機(jī)磷行為變化的復(fù)雜性。圖 6顯示了該海區(qū)無機(jī)磷含量與鹽度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 并且夏季的負(fù)相關(guān)性大于春季, 說明夏季長(zhǎng)江沖淡水和海水的混合作用更為劇烈。

2.3 限制因子分析

許多研究表明, 氮、磷和硅都有可能成為河口生態(tài)系統(tǒng)中的限制因素, 限制因子是隨著季節(jié)和空間不同而變化的。歷年的監(jiān)測(cè)資料顯示,長(zhǎng)江口海區(qū)是硅酸鹽高值分布區(qū), 因此硅不可能成為該海域浮游植物生長(zhǎng)的限制因子。表 4列出了近幾年長(zhǎng)江口及鄰近水域無機(jī)N/P值, 從表4可知, N/P變動(dòng)范圍較大, 平均值為21～62, 均高于正常Redfield值16, 夏季N/P比值明顯高于春季, 這種變動(dòng)規(guī)律與有關(guān)學(xué)者在Chesapeak灣和 Riga灣的研究結(jié)論十分吻合[10], 河水徑流大時(shí),氮磷比率較高, 流量較小時(shí)比率也隨之變小, 顯然該結(jié)論與長(zhǎng)江口的調(diào)查結(jié)果相當(dāng)一致, 原因可能為長(zhǎng)江徑流輸入是長(zhǎng)江口高無機(jī)氮的主要控制因素, N/P值的變化受長(zhǎng)江水的影響, 由于長(zhǎng)江8月份來水量大于5月, 因而夏季N/P值通常較高。另外, 在許多河口區(qū)光照也有可能成為浮游植物生長(zhǎng)的限制因子, 長(zhǎng)江口鄰近海區(qū)表層水十分混濁, 浮游植物能進(jìn)行的光合作用極其微弱, 這很有可能成為長(zhǎng)江口初級(jí)生產(chǎn)的重要限制因子。

表4 2000～2003年該水域的N/P值Tab. 4 The ratios of DIN to DIP from 2000 to 2003

3 結(jié)論

硝酸鹽是水體無機(jī)氮存在的主要形態(tài), 其約占無機(jī)氮的 90%, 無機(jī)氮含量河口高, 向東南方向愈來愈低, 無機(jī)氮的轉(zhuǎn)移機(jī)制主要是物理混合稀釋過程。

水體中磷主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)共存的形式存在, TDP略高于 TPP, 長(zhǎng)江口門區(qū)為無機(jī)磷高值區(qū),其含量自長(zhǎng)江口向東南方向愈來愈低, 并呈現(xiàn)一段連續(xù)的稀釋梯度。

N/P變動(dòng)范圍較大, 平均值在21～62之間, 均高于正常Redfield值16, 夏季N/P值通常較高, 可能與夏季長(zhǎng)江徑流量大有關(guān)。

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Chemical compositions and distributions of nitrogen and phosphorus in Changjiang River Estuary and its adjacent east China sea

QUAN Wei-min, SHEN Xin-qiang, Han Jin-di, Chen Ya-qu
(Key and Open Laboratory of Marine and Estuarine Fisheries, Ministry of Agriculture, East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fisheries Sciences, Shanghai 200090, China)

Apr., 10, 2008

Changjiang River Estuary and adjacent East China Sea; chemical formation; distribution; nutrients

According to the monitoring results in recent years, chemical compositions of nitrogen and phosphorus and their distribution in Changjiang River Estuary and Adjacent East China Sea had been comprehensively investigated. Nitrate nitrogen was the main chemical species and occupied about ninety percent of inorganic nitrogen in the water area. The concentration of inorganic nitrogen was the highest in the estuary , but it became more and more dilute in the southeast sea area. Total phosphorus existed in two chemical forms incluidng dissolved and particulate phosphorus. The concentration of inorganic phosphorus in the spring was higher than that in the summer. Large variation and high average values of N/P were the main characteristics of this estuary and its adjacent sea area. A positive correlation existed between the N/P and the runoff of Changjiang River. In general, the phosphorus nutrient and illumination may be the limiting factors for phytoplankton growth.

P736

A

1000-3096(2010)03-0076-06

2008-04-10;

2008-08-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2010CB429005); 國(guó)家社會(huì)公益性研究專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2001DIA10014-4); 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50339040)

全為民(1977-), 男, 湖北大冶人, 博士, 主要從事海洋環(huán)境科學(xué)研究, E-mail： quanweim@163.com

(本文編輯： 張培新)