2018年春夏季蘇北淺灘生物可利用氮分析

宋偉娜,張海波,石曉勇,3,蘇榮國,張傳松* (.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 6600；.國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連 6000；3.國家海洋局海洋減災(zāi)中心,北京 0094)

蘇北淺灘是我國南黃海綠潮的發(fā)源地[1-4].該海區(qū)海水的富營養(yǎng)化是導(dǎo)致滸苔綠潮暴發(fā)的主要原因之一[5-6].蘇北淺灘海域是我國江蘇灌河、射陽河等河流的入海口,同時(shí)該海域有大量的養(yǎng)殖活動(dòng)[7],河水和養(yǎng)殖廢水排放均會(huì)向該海域輸送大量的營養(yǎng)物質(zhì),從而導(dǎo)致該海域近岸海水呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)[8].研究表明,蘇北淺灘及近岸海域的營養(yǎng)鹽,尤其是氮鹽的含量一直較高,并且濃度隨時(shí)間推移呈上升趨勢(shì),這是導(dǎo)致該海域海水呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)的重要因素.蘇北淺灘豐富的營養(yǎng)鹽儲(chǔ)備為該海域春夏季滸苔的暴發(fā)性增殖提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[9-11].

在氮鹽組成的各組分中, NO3--N、NH4+-N、NO2--N和尿素(urea-N)、溶解游離氨基酸(DFAA)等溶解有機(jī)氮可以被生物直接吸收或轉(zhuǎn)化用以自身生長和繁殖,這類氮組分被稱之為生物可利用氮組分[12-13].目前,針對(duì)生物可利用氮組分的研究多集中在微藻方面[14],對(duì)于滸苔而言則相對(duì)較少,且研究結(jié)果多集中在其對(duì)滸苔生理指標(biāo)的影響等方面,如滸苔對(duì)NO3--N和NH4+-N的吸收速率隨著營養(yǎng)鹽濃度的升高而增大[15],同時(shí)滸苔還具有短期快速吸收儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)的特點(diǎn)[16-17],可以快速的吸收NO3--N和NH4+-N將其快速儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)[18],當(dāng)環(huán)境中無機(jī)態(tài)可利用氮組分降低時(shí),可以利用自身儲(chǔ)存的營養(yǎng)物質(zhì)來滿足生長的需要.此外,滸苔對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收具有多樣性,能夠吸收利用水體中的溶解有機(jī)氮(DON)[19],當(dāng)環(huán)境中溶解無機(jī)氮(DIN)組分含量較低時(shí),溶解有機(jī)氮如urea-N以及DFAA會(huì)作為補(bǔ)充氮源被吸收,以維持滸苔自身繼續(xù)生長的需要[20].

目前,針對(duì)生物可利用氮組分與滸苔之間的研究多集中在實(shí)驗(yàn)室工作,而現(xiàn)場調(diào)查方面的研究較少.為進(jìn)一步分析蘇北淺灘生物可利用氮組分對(duì)滸苔暴發(fā)初期的作用,本文從2018年4月～ 6月蘇北淺灘海域營養(yǎng)鹽角度出發(fā),分析了滸苔綠潮暴發(fā)早期蘇北淺灘海域可利用氮組分的濃度狀況及其與滸苔的關(guān)系,以期更為深入的了解滸苔綠潮暴發(fā)早期對(duì)生物可利用氮組分的利用情況.

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域和采樣方法

現(xiàn)場調(diào)查分別于2018年4月17日～4月28日(春季,滸苔綠潮爆發(fā)前期), 5月13日～5月18日(夏季,滸苔綠潮增長期)和 6月23日～6月26日(夏季,滸苔大面積漂浮期)在蘇北淺灘進(jìn)行,該海域是南黃海滸苔綠潮的發(fā)源地,因此對(duì)該海域調(diào)查站位的設(shè)置進(jìn)行了加密,合計(jì)共6個(gè)斷面25個(gè)站位(圖1).

圖1 調(diào)查站位示意Fig.1 Map of the study area with sampling stations

1.2 樣品分析方法

調(diào)查過程中海水的溫度(T)、鹽度(S)由多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(17A1C4598)現(xiàn)場測(cè)定.使用Niskin采水器只采集表層海水(該海域水深較淺且潮汐作用強(qiáng)烈,海水表底層混合均勻).采集到的水樣經(jīng) GF/F(Waterman, 450℃灼燒 6h,直徑 25mm)過濾,濾液使用聚乙烯瓶(預(yù)先用1:10鹽酸浸泡洗滌和烘干)冷凍保存至實(shí)驗(yàn)室,以SEAL-AA3連續(xù)流動(dòng)營養(yǎng)鹽分析儀測(cè)定無機(jī)態(tài)營養(yǎng)鹽.其中, NO3--N和NO2--N采用重氮-偶氮法[21], NH4+-N使用靛酚藍(lán)法[22], NO3--N、NO2--N和NH4+-N檢出限分別為0.02, 0.02和0.04μmol/L,樣品采集及分析均按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378-2007)進(jìn)行[23].總?cè)芙獾?TDN)經(jīng)堿性過硫酸鉀法消化后測(cè)定,以 EDTA作為有機(jī)氮回收標(biāo)準(zhǔn),測(cè)量精度為92%,溶解無機(jī)氮(DIN) = NO3--N+NO2--N+NH4+-N,溶解有機(jī)氮(DON)=TDNDIN[24].

此外尿素的測(cè)定采用二乙酰一肟-鹽酸氨基脲法[25],方法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 4%.氨基酸的測(cè)定采用改進(jìn)的 PITC法[26],方法的精密度為 0.25%～2.85%,檢測(cè)限為0.018～0.405nmol/L.

2 結(jié)果與討論

2.1 蘇北淺灘海域滸苔發(fā)展?fàn)顩r

2018年中國海洋災(zāi)害公報(bào)顯示[27],該年度4月25日首次在蘇北淺灘發(fā)現(xiàn)零星的漂浮滸苔,主要以零星狀態(tài)(<100cm2)和小的條狀(<3m2)滸苔斑塊為主[28],隨后向北漂移并不斷增殖擴(kuò)大.5月30日漂移至 35°N 線附近,滸苔主要以長條狀(>100m)和高聚積狀態(tài)(>1km2)為主,6月29日,綠潮分布面積和覆蓋面積達(dá)到最大(38046,193km2).對(duì)綠潮暴發(fā)海域、規(guī)模變化和漂移路徑對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),其發(fā)展集中在122°E以西近海,在南部江蘇近海綠潮處于快速增長階段[29].

2.2 可利用氮組分含量變化

由表 1可知,調(diào)查期間 DIN的含量為 0.87～55.23μmol/L,平均濃度為(18.95±10.36)μmol/L,超出一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)限值(DIN:14.29μmol/L)[30],說明該海域整體已處于富營養(yǎng)化狀態(tài).其中,生物可利用氮組分中含量最高的組分是 NO3--N(17.51±10.25)μmol/L,其它依次是 urea-N(1.54±0.81)μmol/L、NH4+-N (1.17±0.63)μmol/L、DFAA(0.43±0.15)μmol/L, NO2--N(0.27±0.15)μmol/L,說明該海域中最主要的生物可利用氮組分是NO3--N,這與2016年對(duì)該海域調(diào)查結(jié)果一致[31].

表1 2018年蘇北淺灘海域可利用氮組分含量(μmol/L)變化特征Table 1 Concentrations (μmol/L) of bioavailable nitrogen in the northern Jiangsu Shoal in 2018

從氮鹽組成來看,NO3--N含量濃度最高,占可利用氮組分含量 80%以上,其次是 NH4+-N,約占可利用氮組分含量的5.6%,NO2--N含量在該海域整體含量不高,僅占可利用氮組分含量的 1.2%.在 DON各組分中, urea-N含量占可利用氮組分含量 7.2%,DFAA含量則占可利用氮組分的2.1%.

比較各航次營養(yǎng)鹽濃度可知,調(diào)查海域 NO3--N、DFAA濃度總體隨時(shí)間呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),而NH4+-N、NO2--N以及urea-N濃度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).具體來說,NO3--N在4～5月份含量相差不大,平均濃度分別為(19.96±12.97),(20.58±10.92)μmol/L,6月份含量降低顯著,平均濃度為(11.99±6.86)μmol/L,較4月份降低約40%.DFAA含量在4～6月份平均濃度逐漸下降,分別為(0.53±0.21),(0.46±0.14),(0.30±0.11)μmol/L,其中 5月份較 4月份降低約13%,6月份DFAA含量較5月份降低約35%, 5～6月份下降的幅度更為明顯.6月份 NH4+-N和NO2--N 的平均濃度分別為(2.03±1.09),(0.44±0.24)μmol/L 較 4 月份的(0.92±0.69),(0.20±0.07)μmol/L都有明顯的增加.urea-N含量在4～6月份的平均濃度分別為(0.84±0.55),(1.93±1.01),(1.86±0.88)μmol/L,其中4～5月份urea-N平均含量升高幅度較大, 6月份尿素含量范圍 1.16～4.39μmol/L,較 5月份0.83～4.48μmol/L升高明顯,但是平均濃度較5月份略有降低.各組分的濃度變化與滸苔綠潮發(fā)展規(guī)模具有一定的相關(guān)性.

2.3 可利用氮組分平面分布特征

從圖2中可以看出, NO3--N、urea-N、DFAA、NH4+-N和NO2--N的濃度分布整體呈現(xiàn)了近岸高,遠(yuǎn)岸低的分布特征,其等值線走向基本與海岸線平行.

圖2 2018年蘇北淺灘海域內(nèi)可利用氮組分(μmol/L)逐月分布特征Fig.2 Distributions of bioavailable nitrogen (μmol/L) in the northern Jiangsu Shoal in 2018

具體來說, 4月份NO3--N濃度超過 20μmol/L的高值區(qū)主要集中在調(diào)查海域西北部的近岸一側(cè),近岸海域濃度高達(dá)30μmol/L以上.5月份NO3--N等值線高值區(qū)明顯向外海擴(kuò)展并且南移,高于20μmol/L以上的等值線區(qū)域以32.5°N為中心,向外海方向擴(kuò)展至121.5°E附近.6月NO3--N含量的高值區(qū)明顯縮小,濃度超過20μmol/L的高值區(qū)僅僅集中在近岸一線,向東含量逐漸降低,大部分區(qū)域等值線在10μmol/L以下.

4月份 urea-N含量的高值區(qū)以西南近岸端的SA1站位(2.65μmol/L)為中心,向北快速延伸減弱,至SC2站濃度低于1μmol/L, 5月份高值區(qū)以SB1為中心向外海擴(kuò)展,中心濃度高于4.5μmol/L,大部分區(qū)域濃度高于1.5μmol/L, 6月份urea-N含量的高值區(qū)出現(xiàn)在調(diào)查海域的東南端,含量在1.5μmol/L以上.

4月份DFAA的含量高值區(qū)集中在近岸中部海域,以SC1站位為中心向外海方向衰減,中心含量在1μmol/L以上, 5月份DFAA含量高值區(qū)明顯擴(kuò)大,濃度超過0.6μmol/L以上的高值區(qū)集中在西南近岸端SB2～SD2延伸的帶狀區(qū)域之間,西北部為低值區(qū),含量在0.3μmol/L以下.6月DFAA則整體呈現(xiàn)北高南低的分布特征,以 33.5°N 為界限,北部為高值區(qū),南部為低值區(qū).

NH4+-N含量高值區(qū)(含量高于 0.6μmol/L)主要集中在南部河口地區(qū),且隨著調(diào)查時(shí)間的變化,高值區(qū)逐漸向南部移動(dòng);調(diào)查期間NO2--N含量高值區(qū)由近岸一帶逐漸向外海移動(dòng),6月份NO2--N高值區(qū)主要集中 121.5°E以東海域,尤其是東南部海域,含量幾乎達(dá)到0.5μmol/L.

2.4 可利用氮組分的來源分析

為了分析上述各可利用氮組分分布特征的形成原因,分別對(duì)蘇北淺灘4～6月份海水中NO3--N、DFAA、urea-N、NH4+-N和NO2--N濃度與海水鹽度進(jìn)行了相關(guān)分析(圖 3), NO3--N與鹽度之間具有良好的負(fù)相關(guān)性,說明該海域陸源輸入是NO3--N的主要來源,而 NH4+-N、NO2--N、DFAA和 urea-N與鹽度之間相關(guān)性相對(duì)較差,說明陸源輸入對(duì)這些組分影響不明顯.

圖3 生物可利用氮組分與鹽度關(guān)系Fig.3 Bioavailable nitrogen correlation with salinity

具體來說,各月份NO3--N濃度與海水鹽度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.42, -0.87, -0.81, (P<0.05,<0.01,<0.01),各月份均呈較好的負(fù)相關(guān)性,表明蘇北淺灘最主要的氮組分NO3--N含量主要受陸源輸入影響.進(jìn)一步分析表明, NO3--N的含量高值區(qū)(>20μmol/L)主要集中在鹽度范圍27～29PSU之間, NO3--N含量高值區(qū)與鹽度的低值區(qū)一致,且根據(jù)圖2中NO3--N濃度的高值區(qū)主要集中在近岸,說明陸源河流淡水的排放及其稀釋過程對(duì)該海域NO3--N濃度的分布起到了主要調(diào)控作用.

DFAA 含量的高值區(qū)(>0.4μmol/L)在鹽度范圍29～31PSU之間,與滸苔綠潮的擴(kuò)展區(qū)存在一致性,同時(shí)結(jié)合圖2可知, DFAA的高值區(qū)范圍明顯擴(kuò)大并且北移,與6月份滸苔向北漂移一致,說明其含量除受陸源輸入影響外,還受到滸苔或其他浮游植物自身分解、釋放的影響.urea-N在4～5月份的高值區(qū)(>1.0μmol/L)鹽度范圍在29～31PSU之間,與鹽度高值區(qū)一致,此外,由于滸苔藻體在生長過程中可以吸收尿素以實(shí)現(xiàn)自身生長繁殖[32],并且圖2顯示其6月份含量低值區(qū)范圍向北部擴(kuò)大,與滸苔漂移路徑一致,說明其含量可能由陸源輸入、生物作用等多個(gè)過程共同作用[33].此外,NH4+-N、NO2--N濃度與鹽度之間無明顯相關(guān)性,說明陸源輸入不是其含量的主要控制因素,可能還受生物活動(dòng)的影響.NH4+-N作為易被生物利用組分,隨著滸苔的增殖及北漂,其含量受滸苔影響較大,蘇北沿岸上升流攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)對(duì)其含量產(chǎn)生影響, NO2--N作為硝化反硝化的中間產(chǎn)物,其含量變化也受生物活動(dòng)的影響.

2.5 可利用氮組分百分含量變化特征

對(duì)比不同生物可利用氮組分百分含量變化特征可知(圖 4),整個(gè)調(diào)查期間蘇北淺灘海域中生物可利用氮組分主要以 NO3--N 為主,其他各生物可利用氮組分隨滸苔生長及覆蓋面積的擴(kuò)大占比變化明顯.

圖4 2018年蘇北淺灘海域可利用氮組分百分含量變化Fig.4 The percentages of bioavailable nitrogen in the northern Jiangsu Shoal in 2018

具體而言,在滸苔萌發(fā)和繁殖生長的4月和5月,滸苔需要吸收海水中營養(yǎng)物質(zhì)以供應(yīng)生長,其中NO3--N是生物可利用氮組分的主體,其百分含量由88.9%降低至86.8%,降低幅度較小,此時(shí)陸源輸入及東南季風(fēng)引起的沿岸上升流對(duì)其含量進(jìn)行了補(bǔ)充[34],6月份通過遙感數(shù)據(jù)顯示,滸苔覆蓋面積達(dá)到最大[35], NO3--N百分含量較 5月份降低14.7%,結(jié)合分布圖中高值區(qū)范圍的明顯縮小,說明NO3--N含量受到滸苔的影響,滸苔對(duì)其具有明顯的吸收作用.

NH4+-N含量在生物可利用氮組分中占比分別為4.1%、2.4%和12.2%.5月份是滸苔快速生長時(shí)期,對(duì)NH4+-N的吸收作用增強(qiáng),其占比降低1.7%, 6月份 NH4+-N占比增加 10%,是由于滸苔綠潮的發(fā)展,會(huì)產(chǎn)生一些腐敗有機(jī)物質(zhì),這些有機(jī)物質(zhì)通過分解和降解等作用,轉(zhuǎn)化為 NH4+-N[36].同時(shí),該時(shí)段江蘇河流開始進(jìn)入豐水期,陸源輸入也對(duì)NH4+-N的含量有一定程度的補(bǔ)充.NO2--N比重變化情況與NH4+-N類似,其比重增加原因可能與陸源輸入和生物作用有關(guān).

DFAA含量在生物可利用氮組分中的占比分別為2.4%、1.9%和1.8%,呈現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì),5月份DFAA比重較4月份降低0.3%,滸苔生長時(shí)期,當(dāng)無機(jī)態(tài)氮組分含量降低,滸苔對(duì)小分子有機(jī)態(tài)氮組分的吸收作用比較明顯[16-17].6月與5月比重相差不大,說明在滸苔增殖過程中,隨著聚集密度的增加,其自身的釋放分解會(huì)對(duì)DFAA含量產(chǎn)生補(bǔ)充作用.

urea-N在調(diào)查期間占比逐月升高,分別為3.7%、8.1%和11.2%, 4月份在滸苔初步萌發(fā)時(shí)期,其含量高值區(qū)主要集中如東海域附近.如東海域具有豐富的海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)對(duì)urea-N的含量造成較大影響, 5月份隨著滸苔增殖,urea-N比重較4月份提高了4.4%,并且高值區(qū)也向近岸一帶有所擴(kuò)展,說明滸苔自身的分解作用、浮游動(dòng)物代謝、排泄加強(qiáng)以及陸源輸入的作用對(duì)urea-N進(jìn)行了補(bǔ)充.6月份urea-N所占比重增加,但是其平均濃度較 5月份有所降低,說明在滸苔吸收無機(jī)態(tài)營養(yǎng)鹽時(shí),對(duì)urea-N的吸收也有所加強(qiáng),而且結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,此時(shí)在蘇北淺灘海域以及附近海域發(fā)現(xiàn)大量漂浮滸苔,同時(shí)urea-N含量低值區(qū)范圍向北擴(kuò)大,進(jìn)一步說明滸苔在大量繁殖期間對(duì)滸苔的吸收作用.未來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用化肥量的持續(xù)增加,以及排入江蘇近海海域總量的增加, urea-N在綠潮災(zāi)害過程中的作用值得進(jìn)一步關(guān)注[37].

3 結(jié)論

3.1 調(diào)查期間蘇北淺灘NO3--N在4～5平均濃度分別為(19.96±12.97)和(20.58±10.92)μmol/L,其濃度分布均呈現(xiàn)了近岸高遠(yuǎn)岸低的特征,高值區(qū)主要集中在調(diào)查海域近岸一側(cè),該海域整體已處于富營養(yǎng)化狀態(tài),可以為滸苔綠潮的形成及發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ).

3.2 NO3--N濃度與海水鹽度之間具有較好的負(fù)相關(guān)性,其主要來源是陸源輸入,NH4+-N、NO2--N、DFAA和urea-N除受到陸源輸入的影響之外,還受到滸苔等浮游植物自身生長活動(dòng)的影響.

3.3 研究海域生物可利用氮組分中NO3--N濃度是主要組成成分,其在可利用氮中的占比為 80%以上,對(duì)滸苔綠潮的形成和發(fā)展起主要物質(zhì)支撐作用;urea-N和DFAA在生物可利用氮的占比分別為7.2%、2.1%,在滸苔暴發(fā)生長過程中可以作為營養(yǎng)物質(zhì)被滸苔吸收.