長江口鄰近洋山港工程海域無機氮和磷的時空變化特征

張正龍, 束 炯, 張 勇

(1. 華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點實驗室, 上海 200062; 2. 國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心, 上海200137)

長江口鄰近洋山港工程海域無機氮和磷的時空變化特征

張正龍1,2, 束 炯1, 張 勇2

(1. 華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點實驗室, 上海 200062; 2. 國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心, 上海200137)

根據(jù)2004～2008年間2月和8月的營養(yǎng)鹽監(jiān)測資料, 分析了長江口鄰近洋山港工程海域無機氮和磷濃度的時空變化特征, 結(jié)果表明： 亞硝酸鹽和氨氮濃度呈波動特征。硝酸鹽和無機氮濃度很高, 均超過四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn); 硝酸鹽占無機氮總量的90.2%以上。活性磷酸鹽濃度較高且基本穩(wěn)定, 其濃度均值處于四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍。水體氮磷比值為48～70, 存在磷限制現(xiàn)象。硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度8月高于2月, 而亞硝酸鹽和氨氮濃度2月高于8月。營養(yǎng)鹽濃度表層高于底層, 由近岸向外海濃度遞減。

長江口; 洋山港; 無機氮; 時空特征

為了適應(yīng)國際航運市場發(fā)展趨勢, 參與競爭東北亞國際集裝箱樞紐港, 促進上海建設(shè)國際航運中心的需要, 國家投資建設(shè)洋山深水港重大工程。該深水港工程位于長江口和杭州灣交匯處的崎嶇列島海區(qū), 由南北兩個島鏈合圍而成, 大、小洋山是其中兩個主要島嶼[1]。洋山港工程自 2002年 6月開工, 至2008年底, 先后完成了洋山深水港一期、二期和三期工程。

20世紀(jì)80年代以來, 國內(nèi)海洋學(xué)者對長江口及其鄰近海域的營養(yǎng)鹽分布、成因和濃度變化等已經(jīng)做了很多研究工作, 得出了一些研究成果[2-8], 但針對長江口鄰近洋山港工程海域近期的營養(yǎng)鹽時間變化和空間分布特征還未見相關(guān)報道。本文利用國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心2004～2008年間每年2月和8月共10航次的長江口鄰近洋山港工程海域營養(yǎng)鹽監(jiān)測資料, 分析了該海域硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、氨氮(NH4-N)和活性磷酸鹽(PO4-P)要素時間變化和空間分布特征, 總結(jié)近 5年間長江口鄰近洋山港工程海域水體營養(yǎng)鹽的時空變化特征。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測區(qū)域與站位

監(jiān)測區(qū)域為長江口鄰近洋山港工程海域, 大致在 30°24′～31°06′N, 121°42′～122°24′E。

2004年 2月以來, 國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心在洋山港工程海域共布設(shè)了 12個固定測站(YSG01～YSG12), 加之鄰近的上海市趨勢性監(jiān)測固定站位6個(SH01～SH06)。本文利用這18個固定站位資料來了解長江口鄰近洋山港工程海域營養(yǎng)鹽濃度的時間變化和空間分布規(guī)律(圖1)。

圖1 監(jiān)測站位Fig. 1 Sampling stations

1.2 采樣和測定方法

采樣時, 當(dāng)站位水深小于等于10 m時, 采集表層0.5 m水樣; 水深大于10 m時, 采集表層和底層水樣。

測定方法均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378.4-1998、GB17378.4-2007)[9-10]執(zhí)行, 其中硝酸鹽(NO3-N)濃度采用鋅鎘還原分光光度法, 亞硝酸鹽(NO2-N)濃度采用鹽酸萘乙二胺分光光度法, 氨氮(NH4-N)濃度采用次溴酸鹽氧化法, 活性磷酸鹽(PO4-P)濃度采用磷鉬藍(lán)分光光度法。

本文無機氮(DIN)濃度為硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮濃度之和。文中所用數(shù)據(jù)都是經(jīng)過了嚴(yán)格質(zhì)控的測定分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 年際變化特征

長江口鄰近洋山港工程海域水深一般在 5～20 m范圍, 在水深小于10 m的站位無實測底層營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù), 加之 10航次采樣時潮位的差異, 導(dǎo)致有實測底層營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的站位不統(tǒng)一。為了保證營養(yǎng)鹽濃度比較時站位的一致性, 本節(jié)在分析年際變化時只統(tǒng)計各站位表層營養(yǎng)鹽濃度值。

將長江口鄰近洋山港工程海域 2004年 2月至2008年8月間10航次18站位營養(yǎng)鹽監(jiān)測資料進行統(tǒng)計, 首先得到每年2月和8月各營養(yǎng)鹽濃度的平均值, 進一步統(tǒng)計出各年度2月和8月營養(yǎng)鹽濃度平均值的均值, 并統(tǒng)計各時段無機氮濃度值、氮磷比和硝酸鹽占無機氮百分比(表1)。

本文用各年度2月和8月表層營養(yǎng)鹽濃度平均值的均值來反映該海域營養(yǎng)鹽濃度的年際變化。

由表1可知, 2004～2008年間, 長江口鄰近洋山港工程海域硝酸鹽濃度均值最低為 2004年的 0.755 mg/L, 最高為2008年的1.032 mg/L。硝酸鹽濃度均值很高, 年際間呈波動上升趨勢。這是因為近年來長江和錢塘江流域的化肥施用量以及沿岸生活污水排放量的不斷增長, 直接或間接地導(dǎo)致了長江和錢塘江水體中硝酸鹽濃度的增高, 造成研究海域硝酸鹽濃度也呈波動上升趨勢[6]。亞硝酸鹽濃度均值最低為2004年的0.010mg/L, 最高為2006年的0.028 mg/L,亞硝酸鹽濃度年際間呈波動特征。氨氮濃度均值最低為2007年的0.033 mg/L, 最高為2008年的0.095 mg/L, 氨氮濃度年際間呈波動特征。

表1 2004～2008年間表層營養(yǎng)鹽的統(tǒng)計值(mg/L)Tab.1 The statistics of nutrients in surface waters during 2004-2008

2004～2008年間, 長江口鄰近洋山港工程海域水體無機氮濃度普遍很高, 均超過海水水質(zhì)四類標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L), 屬于劣四類, 最低為 2004年的 0.755 mg/L, 最高為2008年的1.140 mg/L。2004年以來, 無機氮濃度均值呈波動增加趨勢。這反映長江口鄰近洋山港工程海域水體氮營養(yǎng)鹽濃度不但明顯富余,而且無機氮濃度還在波動升高, 表明水體水質(zhì)有下降趨勢。

該海域 3種不同形態(tài)的溶解無機氮濃度中, 各年度的硝酸鹽占無機氮百分比都高于 90.2%, 其中2007年所占百分比高達 95.8%, 硝酸鹽占有絕對優(yōu)勢, 硝酸鹽濃度的變化狀況從某種意義上可反映出無機氮的變化, 這種特征與已有長江口和杭州灣氮營養(yǎng)鹽規(guī)律類似[4,8]。

長江口鄰近洋山港工程海域活性磷酸鹽濃度較高, 按照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 2004～2008年間活性磷酸鹽均值都屬于四類水質(zhì)(0.030～0.045 mg/L)范圍內(nèi); 5年間活性磷酸鹽濃度的均值基本穩(wěn)定, 最高為 2005年的0.041 mg/L, 最低為2006年的0.035 mg/L。其濃度基本穩(wěn)定是因為該海域鄰近長江口, 存在磷酸鹽的緩沖作用[11-12]。

該海域水體氮磷比值為 48～70, 明顯超過了Redfield的氮磷比值 16, 也大于 30, 存在磷限制現(xiàn)象[13-14]。

2.2 季節(jié)變化特征

將長江口鄰近洋山港海域 2004年 2月至 2008年8月間的10航次18站位營養(yǎng)鹽監(jiān)測資料進行統(tǒng)計平均, 得到5年間2月和8月各營養(yǎng)鹽濃度的平均值, 用來反映營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化(表2)。

由表2可知, 5年來長江口鄰近洋山港工程海域硝酸鹽濃度變化范圍為 0.277～2.5mg/L, 濃度變化范圍8月高于2月, 平均值8月高于2月; 亞硝酸鹽濃度變化范圍為0.001～0.241mg/L, 濃度變化范圍8月高于2月, 平均值2月高于8月; 氨氮濃度變化范圍為0.003～0.868mg/L, 濃度變化范圍2月高于8月,平均值 2月明顯高于 8月; 活性磷酸鹽變化范圍為0.003～0.106mg/L, 濃度變化范圍8月高于2月, 平均值8月高于2月。硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和活性磷酸鹽濃度表、底層季節(jié)變化趨勢基本一致。

長江口鄰近洋山港工程海域硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮在不斷地循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程中, 受到化學(xué)的、生物的和物理的各種因子影響。硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度8月高于2月, 主要是因為夏季長江和錢塘江等徑流量大, 無機氮、磷營養(yǎng)鹽陸源輸入量明顯比2月多。8月份, 洋山工程海域浮游生物生長旺盛, 消耗了較多氨氮, 加之水溫高和光照強, 氨氮易硝化分解, 致使8月氨氮濃度比2月低[15]。亞硝酸是氮轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)載體, 不穩(wěn)定, 8月份水體各種氧化作用活躍, 易將其轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物硝酸鹽, 因而其濃度比2月低。

2.3 空間分布特征

2.3.1 垂直分布特征

由表 2可知, 長江口鄰近洋山港工程海域營養(yǎng)鹽的垂直分布特征是： 硝酸鹽、亞硝酸、氨氮和活性磷酸鹽濃度表層高于底層, 這與以前的一些研究結(jié)果一致[4-5]。這種分布特征說明了河流徑流輸入和沿岸的污水排放等陸源輸入是該海域營養(yǎng)鹽的主要來源[16]。

表2 不同季節(jié)營養(yǎng)鹽的變化范圍和平均值Tab. 2 The variation ranges and mean values of nutrition in different seasons (mg/L)

2.3.2 平面分布特征

長江口鄰近洋山港工程海域2004年2月至2008年8月間有固定18個監(jiān)測站位, 每站位都有2月和8月各5次測量數(shù)據(jù), 把每站位2月和8月各5次表層的硝酸鹽、亞硝酸、氨氮和活性磷酸鹽濃度進行平均, 用其平均濃度值作為各站位2月和8月的營養(yǎng)鹽值, 然后用surfer軟件分別進行插值, 繪制成2月和 8月各表層營養(yǎng)鹽平面分布圖, 用來了解長江口鄰近洋山港工程海域營養(yǎng)鹽的平面分布特征(圖2)。此方法可以反映各站位5年間所在海域營養(yǎng)鹽綜合、平均狀態(tài)的平面分布, 得到的結(jié)果更為客觀。

圖2 營養(yǎng)鹽2月和8月平面分布Fig. 2 Horizontal distributions of nutrients in February and August

由圖2可知, 長江口鄰近洋山港工程海域, 2月和 8月份硝酸鹽濃度分別從長江口和杭州灣內(nèi)側(cè)海域向大、小洋山外側(cè)海域方向濃度遞減。2月份亞硝酸鹽濃度杭州灣內(nèi)側(cè)海域要高于附近長江口海域,其濃度平面分布特點是從杭州灣內(nèi)側(cè)海域向大、小洋山外側(cè)海域濃度遞減; 8月份亞硝酸鹽濃度分別從長江口和杭州灣內(nèi)側(cè)海域向大、小洋山外側(cè)海域方向濃度遞減, 內(nèi)側(cè)沿岸濃度梯度大。2月氨氮濃度總體由近岸向外海濃度遞減, 但在小洋山附近海域存在一個高值區(qū); 8月氨氮濃度總體由長江口和杭州灣內(nèi)側(cè)海域向外海濃度遞減。2月活性磷酸鹽濃度分別從長江口和杭州灣內(nèi)側(cè)海域向大、小洋山外側(cè)海域方向濃度遞減, 近岸濃度梯度大; 8月杭州灣內(nèi)側(cè)海域濃度要高于長江口海域, 其濃度平面分布特點是從杭州灣內(nèi)側(cè)海域向大、小洋山外側(cè)海域濃度遞減。

硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和活性磷酸鹽濃度總體平面分布特征： 由上海南匯區(qū)近岸向外海濃度遞減, 東海大橋區(qū)濃度最高, 其次是大、小洋山附近的洋山港口區(qū), 東南側(cè)的外海區(qū)濃度最低。產(chǎn)生這種平面分布特征是因為： 長江口鄰近洋山港工程海域位于長江口和杭州灣水體的交匯處, 受長江口和錢塘江徑流等不同水體的影響, 在長江口和杭州灣陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入影響的近岸海域, 各營養(yǎng)鹽濃度出現(xiàn)高值, 向外側(cè)海域, 由于海水的稀釋和浮游生物的消耗等作用, 其濃度逐漸降低[17]。

由圖 2還可知, 硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度等值線變化梯度8月明顯大于2月, 而亞硝酸鹽和氨氮濃度等值線變化梯度 2月大于8月。這主要是因為各營養(yǎng)鹽濃度的季節(jié)差異造成的, 營養(yǎng)鹽要素濃度高的月份濃度變化梯度大。

3 小結(jié)

通過對長江口鄰近洋山港工程海域 2004～2008年間2月和8月營養(yǎng)鹽濃度監(jiān)測資料的整理和分析,研究得出硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮和活性磷酸鹽要素的時間變化和空間分布特征, 結(jié)果如下：

(1) 亞硝酸鹽和氨氮濃度呈波動特征; 硝酸鹽和無機氮濃度都很高, 且呈波動增加趨勢, 均超過四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn); 硝酸鹽占無機氮百分比高于90.2%, 占有絕對優(yōu)勢。

(2) 活性磷酸鹽濃度較高, 其濃度均值處于四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍, 活性磷酸鹽濃度均值基本穩(wěn)定。

(3) 水體氮磷比值的平均值為 48～70, 存在磷限制現(xiàn)象。

(4) 硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度8月高于2月, 亞硝酸鹽和氨氮濃度2月高于8月。

(5) 硝酸鹽、亞硝酸、氨氮和活性磷酸鹽濃度表層高于底層, 總體平面分布特征是由近岸向外海濃度遞減。

(6) 硝酸鹽和活性磷酸鹽濃度等值線變化梯度8月大于2月, 而亞硝酸鹽和氨氮濃度變化梯度2月大于8月。

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Temporal and spatial characteristics of inorganic nitrogen and phosphate in the Yangtze Estuary adjacent to Yangshan habour

ZHANG Zheng-long1,2, SHU Jiong1, ZHANG Yong2
(1. Key Laboratory of Geographical Information Science of Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200062,China; 2. East China Sea Environmental Monitoring Center, State Oceanic Administration, Shanghai 200137, China)

Feb., 10, 2010

Yangtze Estuary; Yangshan harbour; inorganic nitrogen; temporal and spatial characteristics

Based on the nutrient monitoring data of February and August during 2004～2008, the temporal and spatial characteristics of inorganic nitrogen and phosphate were analyzed in the Yangtze Estuary adjacent to Yangshan habour. The results showed that the concentrations of nitrite and ammonia were fluctuant. The concentrations of nitrate and inorganic nitrogen were extremely high, surpassing those of the fourth rank of standard seawater quality.Nitrate occupied more than 90.2%of inorganic nitrogen. The concentration of phosphate was high and steady,which belonged to the fourth rank of standard seawater quality. The ratio of nitride to phosphate was 48～70, so that phosphorus was a limiting factor for phytoplankton growth. The concentrations of nitrate and phosphate in August were higher than in February, but the concentrations of nitrite and ammonie in February were higher than those in August. The concentrations of nutrients in the surface were higher than those in the bottom. The concentration of inorganic nitrogen and phosphate decreased from seashore to outer sea.

X834

A

1000-3096(2011)05-0047-06

2010-02-10;

2010-06-12

國家高科技 863計劃項目(2007AA12Z182); 中國水利部公益性項目(200701026); 上海市908項目專項(ST1和ST2)

張正龍(1973-), 男, 安徽巢湖人, 工程師, 博士研究生,主要從事海岸帶和海洋水質(zhì)遙感研究, E-mail： zhah2008@163.com

張培新)