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夏季珠江口叶绿素a和营养盐分布特征及其与环境因子的关系

马奔 赵辉

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夏季珠江口叶绿素a和营养盐分布特征及其与环境因子的关系

    作者简介: 马 奔(1993-),男,河南驻马店人,硕士研究生,研究方向为海洋资源与环境,E-mail:benma94@163.com;
    通讯作者: 赵 辉(1978-),男,教授,主要从事海洋生态与环境研究,E-mail:huizhao1978@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(42076162);广东省自然科学基金项目(2020A1515010496)
  • 中图分类号: X13

Distribution characteristics of chlorophyll a and nutrients in the Pearl River Estuary in summer and their relationship with environmental factors

  • 摘要: 本研究基于2019年夏季珠江口附近海域的现场调查数据,分析了珠江口叶绿素a(chlorophyll a,Chl a)和营养盐的分布特征,并结合环境因子进行了探讨。结果表明:夏季珠江口海域表层Chl a和溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度分别为4.192~88.209 μg/L和4.610~10.586 mg/L;溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)、活性磷酸盐(PO4-P)和活性硅酸盐(SiO3-Si)浓度分别为0.168~1.247 mg/L、0.011~0.044 mg/L和0.694~6.916 mg/L。夏季珠江口浮游植物生长旺盛,依据美国河口营养状况评价(NEEA-ASSETS)标准,44.4%的站位处于高度富营养化(20 μg/L<Chl a<60 μg/L),25%的站位处于过度富营养化(Chl a>60 μg/L)。珠江径流量是夏季珠江口浮游植物空间分布的主要驱动因素,珠江口口门内浮游植物生长受光限制和径流稀释影响并未出现高值,珠江口口门外浮游植物旺发消耗了大量磷酸盐,磷成为浮游植物生长的限制因子。Chl a与盐度、PO4-P呈显著负相关性,与DIN、DIN/P呈显著正相关性,表明河口冲淡水对浮游植物生长影响显著。
  • 图 1  珠江口采样站位分布

    Figure 1.  Distribution of sampling stations in the Pearl River Estuary

    图 2  表层盐度、温度、密度、DO和Chl a平面分布

    Figure 2.  Surface salinity, temperature, density, DO and Chl a plane distribution

    图 3  断面盐度、温度、密度、DO和Chl a的垂直分布

    Figure 3.  Vertical distribution of section salinity, temperature, density, DO and Chl a

    图 4  珠江口营养盐表层分布

    Figure 4.  The surface distribution of nutrients in the Pearl River Estuary

    图 5  断面营养盐和摩尔比的垂直分布

    Figure 5.  Vertical distribution of nutrient salt and molar ratio in section

    图 6  珠江口潜在性富营养化评价结果

    Figure 6.  Evaluation results of potential eutrophication in the Pearl River Estuary

    图 7  珠江口营养盐限制情况

    Figure 7.  Nutrient restriction in the Pearl River Estuary

    图 8  珠江口营养盐摩尔比表层分布

    Figure 8.  Surface distribution of nutrient salt molar ratio in the Pearl River Estuary

    表 1  珠江口海域主要环境参数

    Table 1.  Main environmental parameters of the Pearl River Estuary

    参数表层(n=36)底层(n=34)全水层(n=104)
    范围平均值±SD范围平均值±SD范围平均值±SD
    S0.808~29.00920.614±7.5895.889~34.61731.586±7.0410.808~34.61727.814±8.582
    T/℃28.302~30.88029.699±0.81321.528~28.95025.039±2.13821.528~30.88027.622±2.769
    密度/kg·m−30.581~17.06311.321±4.8540.599~24.06220.755±5.6770.581~24.06217.234±6.497
    Chl a/μg·L−14.192~88.20938.875±25.4661.547~7.9363.589±1.5251.079~88.20916.480±22.269
    DO/mg·L−14.610~10.5867.733±1.4931.020~6.5434.654±1.4341.020~10.5866.238±1.812
    深度/m2~22±05~8233.820±22.7352~8217.950±20.892
    NH4-N/mg·L−10.011~0.2030.114±0.0400.032~0.2360.121±0.0500.011~0.2360.117±0.045
    NO2-N/mg·L−10.0006~0.0350.014±0.0070.001~0.0560.014±0.0120.0006~0.0560.012±0.009
    NO3-N/mg·L−10.007~1.0610.308±0.2620.009~1.1890.151±0.2710.005~1.1890.169±0.245
    DIN/mg·L−10.168~1.2470.436±0.2700.099~1.3800.286±0.2920.065~1.3800.297±0.257
    PO4-P/mg·L−10.011~0.0440.024±0.0080.013~0.0560.030±0.0110.011~0.0680.027±0.011
    SiO3-Si/mg·L−10.694~6.9162.064±1.5790.813~7.8491.747±1.4740.598~7.8491.713±1.395
    DIN/P11.531~95.45142.602±22.9995.583~71.81021.843±15.6013.197~95.45127.170±20.173
    Si/DIN0.929~13.2122.576±2.1421.606~6.4863.500±1.3610.929~16.7273.487±2.633
    Si/P19.050~294.30198.699±64.69520.361~192.57065.239±36.68516.243~294.30176.443±54.412
    NH4-N/DIN0.045~0.9600.333±0.1990.118~0.8330.538±0.1960.045~0.9600.531±0.260
    NO2-N/DIN0.003~0.1300.036±0.0220.002~0.3470.075±0.0790.002~0.3470.050±0.053
    NO3-N/DIN0.037~0.9220.631±0.2000.084~0.8620.387±0.2200.032~0.9220.419±0.265
    注: SD为标准偏差
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    表 2  Chl a与环境因子之间的相关性(双尾检验)

    Table 2.  Correlation between Chl a and environmental factors(two-tailed test)

    Chl aT S密度DODepthNO2-NNO3-NNH4-NPO4-PSiO3-SiDINDIN/PSi/DIN
    Chl a10.506**−0.358**−0.432**0.711**−0.452**0.1310.194*0.023−0.223*−0.0390.194*0.406**−0.263**
    T1−0.438**−0.562**0.470**−0.918**0.0140.198*−0.007−0.318**0.1010.1880.317**−0.095
    S 10.986**−0.220*0.538**−0.311**−0.730**−0.082−0.031−0.730**−0.723**−0.622**0.007
    密度1−0.294**0.640**−0.301**−0.738**−0.0820.015−0.687**−0.730**−0.654**0.055
    DO1−0.261**−0.217*0.078−0.026−0.143−0.1250.0620.196*−0.158
    Depth1−0.209*−0.339**0.030.328**−0.252**−0.326**−0.425**0.091
    NO2-N10.373**−0.1330.0660.344**0.370**0.289**−0.018
    NO3-N10.0970.1920.725**0.985**0.793**−0.229*
    NH4-N1−0.255**0.1090.262**0.339**−0.281**
    PO4-P10.223*0.141−0.284**0.131
    SiO3-Si10.724**0.477**0.379**
    DIN10.826**−0.269**
    DIN/P1−0.348**
    Si/DIN1
    注:**显著性水平p<0.01;*显著性水平p<0.05
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-13
  • 录用日期:  2021-02-02
  • 刊出日期:  2021-10-20

夏季珠江口叶绿素a和营养盐分布特征及其与环境因子的关系

    作者简介:马 奔(1993-),男,河南驻马店人,硕士研究生,研究方向为海洋资源与环境,E-mail:benma94@163.com
    通讯作者: 赵 辉(1978-),男,教授,主要从事海洋生态与环境研究,E-mail:huizhao1978@163.com
  • 1. 广东海洋大学 化学与环境学院,广东 湛江 524088
  • 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519080
基金项目: 国家自然科学基金项目(42076162);广东省自然科学基金项目(2020A1515010496)

摘要: 本研究基于2019年夏季珠江口附近海域的现场调查数据,分析了珠江口叶绿素a(chlorophyll a,Chl a)和营养盐的分布特征,并结合环境因子进行了探讨。结果表明:夏季珠江口海域表层Chl a和溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度分别为4.192~88.209 μg/L和4.610~10.586 mg/L;溶解无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)、活性磷酸盐(PO4-P)和活性硅酸盐(SiO3-Si)浓度分别为0.168~1.247 mg/L、0.011~0.044 mg/L和0.694~6.916 mg/L。夏季珠江口浮游植物生长旺盛,依据美国河口营养状况评价(NEEA-ASSETS)标准,44.4%的站位处于高度富营养化(20 μg/L<Chl a<60 μg/L),25%的站位处于过度富营养化(Chl a>60 μg/L)。珠江径流量是夏季珠江口浮游植物空间分布的主要驱动因素,珠江口口门内浮游植物生长受光限制和径流稀释影响并未出现高值,珠江口口门外浮游植物旺发消耗了大量磷酸盐,磷成为浮游植物生长的限制因子。Chl a与盐度、PO4-P呈显著负相关性,与DIN、DIN/P呈显著正相关性,表明河口冲淡水对浮游植物生长影响显著。

English Abstract

  • 近年来,随着珠江三角洲经济的高速发展和城市化进程加快,大量含氮、磷污染物的工农业废水和生活污水排入珠江口及其毗邻海域。《海洋环境公报》显示,2017年珠江携带入海污染物总量达325.27万吨[1]。近岸海域富营养化日益严重,赤潮频发,已经对经济生产、社会发展和生态安全造成了严重危害[1]。在适宜条件下,大量的氮、磷输入可导致浮游植物暴发性增殖。Chl a是浮游植物光合作用的主要色素,是表征其生物量的重要指标之一[2]。陆源有机质和死亡的浮游植物被微生物分解,消耗氧气生成无机营养盐,浮游植物吸收无机营养盐进行光合作用释放氧气,会引起水中DO浓度变化,所以,DO浓度是反映浮游植物生长状况和水体污染状态的重要指标。目前,关于珠江口附近水域Chl a和营养盐分布及其影响因素的研究较多[3-7]。刘华健等[3]对珠江口水域浮游植物Chl a和初级生产力的空间分布及季节特征的研究发现,径流量是珠江口浮游植物空间分布的主要驱动因素,浮游植物的旺发与河口盐度锋面的位置密切相关,PO4-P是夏季浮游植物生长的限制因子。深圳湾及邻近水域中DIN浓度时空分布、组成和来源研究表明[4],DIN的分布特征主要受到周边陆源氮排放的影响,枯水期DIN浓度高于丰水期,伶仃洋东部沿岸海域DIN的时空分布主要受到珠江径流量的控制。黄云峰[5]研究了广州水域氮和磷的浓度、N/P及富营养化特征,结果显示,广州水域处于磷限制的潜在性富营养水平。龙爱民等[6]运用多元相关分析法对南海北部表层海水中DO、Chl a、pH和营养盐等水质因子的关系进行分析,结果表明,水体中浮游植物的生长繁殖是众多水质因子综合作用的结果。林以安等[7]对珠江口夏季水体中氮、磷的分布、形态变化和初级生产力限制因素进行了讨论,认为该海域氮含量高、N/P属于世界上高值区之一。上述研究主要集中在海湾、河口内,其中,利用同步水文生物观测数据对特定年份珠江口及其相邻海域环境特征的研究相对较少,关于营养盐浓度、比例对Chl a的影响机制尚不明确。

    因此,本文基于2019年夏季珠江口海域的现场调查数据,分析该海域Chl a、营养盐、DO的空间分布特征,探讨水体中Chl a、营养盐、DO与环境因子的相互作用,研究结果可为深入研究珠江口海域富营养化特征提供基础资料,为河口生态环境修复治理提供科学依据。

    • 2019年夏季(6月21-24日)在广东省珠江口海域进行调查,调查区域范围为21°N-22.7°N,112.8°E-114.8°E,共布设41个采样站位(图1),其中,垂直岸线方向布设A、B、C 3个断面。采用Sea-Bird model SBE9/11温盐深记录仪(CTD)和Chelsea Aquatracka荧光仪自动获取海水温度(T)、盐度(S)、深度(Depth)、DO以及Chl a荧光数据。由CTD搭载的采水瓶(Niskin bottles)采集不同水层海水样品,用于营养盐测定。

      图  1  珠江口采样站位分布

      Figure 1.  Distribution of sampling stations in the Pearl River Estuary

    • 海水样品的采集、预处理、储运和营养盐测定严格按照《海洋监测规范》(GB 17378-2007)进行。现场采集水样后,立即取300 mL水样用孔径0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤,滤液倒入聚乙烯瓶中,置于−20 ℃下冷冻保存。待返回实验室,将滤液于室温解冻,测定营养盐的含量。硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、铵盐(NH4-N)、PO4-P和SiO3-Si的测定分别采用锌镉还原法、盐酸萘乙二胺分光光度法、次溴酸盐氧化法、磷钼蓝分光光度法和硅钼黄法。DIN为NH4-N、NO3-N和NO2-N的总和。

    • 物理水文和生化参数的空间分布图采用Ocean Data View进行绘制,Chl a与环境因子之间的Pearson相关分析采用SPSS 24.0完成。

    • 调查期间,珠江口表层盐度范围为0.808~29.009,平均值为(20.614±7.589)(表1)。盐度的水平分布呈现自虎门向珠江口口门外海域递增的趋势(图2a),梯度变化显著,盐度等值线基本呈NE-SW走向连续分布,浓度梯度垂直于海岸线指向东南方向。内伶仃岛至万山列岛出现明显的盐度锋面,S26至S25站位(21.98°N-21.91°N)盐度梯度最大,为1.02/km。21.8°N以南海域盐度分布较为复杂,A、C断面表层被高盐水覆盖,B断面S18和S21站位出现环形低盐区域(<24)。

      参数表层(n=36)底层(n=34)全水层(n=104)
      范围平均值±SD范围平均值±SD范围平均值±SD
      S0.808~29.00920.614±7.5895.889~34.61731.586±7.0410.808~34.61727.814±8.582
      T/℃28.302~30.88029.699±0.81321.528~28.95025.039±2.13821.528~30.88027.622±2.769
      密度/kg·m−30.581~17.06311.321±4.8540.599~24.06220.755±5.6770.581~24.06217.234±6.497
      Chl a/μg·L−14.192~88.20938.875±25.4661.547~7.9363.589±1.5251.079~88.20916.480±22.269
      DO/mg·L−14.610~10.5867.733±1.4931.020~6.5434.654±1.4341.020~10.5866.238±1.812
      深度/m2~22±05~8233.820±22.7352~8217.950±20.892
      NH4-N/mg·L−10.011~0.2030.114±0.0400.032~0.2360.121±0.0500.011~0.2360.117±0.045
      NO2-N/mg·L−10.0006~0.0350.014±0.0070.001~0.0560.014±0.0120.0006~0.0560.012±0.009
      NO3-N/mg·L−10.007~1.0610.308±0.2620.009~1.1890.151±0.2710.005~1.1890.169±0.245
      DIN/mg·L−10.168~1.2470.436±0.2700.099~1.3800.286±0.2920.065~1.3800.297±0.257
      PO4-P/mg·L−10.011~0.0440.024±0.0080.013~0.0560.030±0.0110.011~0.0680.027±0.011
      SiO3-Si/mg·L−10.694~6.9162.064±1.5790.813~7.8491.747±1.4740.598~7.8491.713±1.395
      DIN/P11.531~95.45142.602±22.9995.583~71.81021.843±15.6013.197~95.45127.170±20.173
      Si/DIN0.929~13.2122.576±2.1421.606~6.4863.500±1.3610.929~16.7273.487±2.633
      Si/P19.050~294.30198.699±64.69520.361~192.57065.239±36.68516.243~294.30176.443±54.412
      NH4-N/DIN0.045~0.9600.333±0.1990.118~0.8330.538±0.1960.045~0.9600.531±0.260
      NO2-N/DIN0.003~0.1300.036±0.0220.002~0.3470.075±0.0790.002~0.3470.050±0.053
      NO3-N/DIN0.037~0.9220.631±0.2000.084~0.8620.387±0.2200.032~0.9220.419±0.265
      注: SD为标准偏差

      表 1  珠江口海域主要环境参数

      Table 1.  Main environmental parameters of the Pearl River Estuary

      图  2  表层盐度、温度、密度、DO和Chl a平面分布

      Figure 2.  Surface salinity, temperature, density, DO and Chl a plane distribution

      珠江口盐度垂直分布上呈现由表层到底层递增(0.808~34.617)的趋势,出现明显的分层现象(表1图3 A1图3 C1)。珠江冲淡水在22.6°N处影响的水深约15 m,随着向南扩展,影响深度逐渐减小。22.6°N-21.8°N为淡水向低盐层化水和高盐混合水的过渡区。以B断面盐度等值线纵向分布为例(图3 B1),从虎门经内伶仃岛左侧,穿过桂山岛至外海的垂向盐度锋面空间变化显著,22.6°N-22.4°N出现垂直方向上的低盐锋面(盐度1~5);22.4°N-22.1°N在层化水与混合水之间出现潮汐混合锋面(盐度5~15);22.1°N-21.8°N在河口淡水向外海下泄到达海洋陆架的斜坡处,河流淡水与海水相互混合,形成盐度变化较为剧烈的斜坡锋面(盐度15~24)。

      图  3  断面盐度、温度、密度、DO和Chl a的垂直分布

      Figure 3.  Vertical distribution of section salinity, temperature, density, DO and Chl a

    • 珠江口海域表层温度平均值为(29.699±0.813)℃(表1)。水温平面分布与盐度相似,自洪奇门向外海递增,等值线基本呈NE-SW走向,温度梯度垂直于海岸线指向东南方向,梯度变化较小(图2b)。最低值位于伶仃洋中部海域S4站位(28.313 ℃)和磨刀门下游海域S6站位(28.301 ℃),最高值位于外海S17b站位(30.880 ℃)。由表层至底层温度递减(30.880 ℃~21.528 ℃),跃层明显,26 ℃的等温线从珠江口外底层涌升至水深15 m处(图3 A2图3 C2)。

    • 珠江口海域的表层密度范围为0.581~17.063 kg/m3,平均值(11.321±4.854)kg/m3表1)。水平分布上,密度和盐度分布趋势基本一致,从珠江口口门内向外海逐渐增大(图2c);垂直分布上,密度由表层到底层递增(0.581~24.062 kg/m3)(图3 A3图3 C3)。

    • 表层DO浓度范围为4.610~10.586 mg/L,平均值为(7.733±1.493)mg/L(表1图2d),DO低值区分布在伶仃洋西岸水域及磨刀门、鸡啼门、崖门下游水域(S9站位DO为4.6096 mg/L),最高值分布在香港南部海域S28站位(10.5859 mg/L)。水平分布上,珠江口东侧水域DO浓度明显高于西侧,从珠江口口门内到口门外DO浓度呈现逐渐增高趋势。垂直分布上,DO从表层至底层逐渐降低(10.586~1.020 mg/L),底层DO最低值位于A断面S10站位(1.02 mg/L),A、B、C 3个断面的近岸底层水体均属于低氧区(<6 mg/L)(图3 A4图3 C4),低氧区位置由外海向近岸逐渐上升,其中,B断面21.9°N以北的水域底层属于缺氧区(<3 mg/L)。

    • 调查期间,表层Chl a浓度空间分布不均匀,并且存在明显的高值区(4.192~88.209 μg/L),平均值为(38.875±25.466)μg/L(表1)。最高值(88.209 μg/L)在C断面S28站位(香港南部海域),最低值(4.192 μg/L)在大屿山西侧S5站位。在珠江口口门内海域西侧海域Chl a的浓度明显低于东侧(图2e),两个高值区分布在香港东南部海域和大万山岛以南S21站位附近海域(>60 μg/L)。Chl a垂直分布(图3 A5图3 C5)显示,珠江口口门外Chl a浓度(平均值46.847 μg/L)随着深度增加迅速降低。

      Chl a浓度作为反映浮游植物生物量高低的重要指标,可以用来判断水体的富营养化程度[2]。依据美国河口营养状况评价(NEEA-ASSETS)标准[2],观测结果表明,8.3%的站位为低度富营养化(Chl a<5 μg/L),22.2%的站位为中度富营养化(5 μg/L<Chl a<20 μg/L),44.4%的站位为高度富营养化(20 μg/L<Chl a<60 μg/L),25%的站位为过度富营养化(Chl a>60 μg/L)。结果表明,2019年夏季珠江口海域以高度、过度富营养化状态为主(69.44%),浮游植物初级生产力水平较高。

    • 表层DIN浓度范围为0.168~1.247 mg/L,平均值为(0.436±0.27)mg/L(表1图4a),水平分布上,近岸海域远高于外海,西侧高于东侧,DIN高值区分布在伶仃洋附近和磨刀门下游海域(图4a);垂直分布上,从表层至底层DIN浓度逐渐减小(图5 B4)。

      图  4  珠江口营养盐表层分布

      Figure 4.  The surface distribution of nutrients in the Pearl River Estuary

      图  5  断面营养盐和摩尔比的垂直分布

      Figure 5.  Vertical distribution of nutrient salt and molar ratio in section

      表层PO4-P浓度范围为0.011~0.044 mg/L,平均值为(0.024±0.008)mg/L(表1),平面分布无明显规律,高值区分布在淇澳岛以南海域和珠江口口门外22.6°N东部海域(图4b);垂直方向上,下层PO4-P浓度普遍高于表层(图5 B5)。

      表层SiO3-Si的浓度变化范围较大(0.694~6.916 mg/L),平均值为(2.064±1.579)mg/L(表1),从伶仃洋向珠江口口门外浓度逐渐减小(图4c),结果与陈法锦等[8]2015年对珠江口海域SiO3-Si的调查结果一致。SiO3-Si浓度与盐度呈显著负相关性,表现出强烈的保守性,表明SiO3-Si浓度主要由陆源和径流输入控制。

    • 按照国家《海水水质标准》(GB 3097-1997)的规定,夏季珠江口海域表层DIN浓度较高,其中,属于二、三类水质标准的站位占55.56%,超出四类水质标准限值(0.5 mg/L)的站位占27.78%;底层水体总体以一、二类水质为主,占采样站位的85.29%。75.0%的站位表层PO4-P达到二、三类水质标准(0.030 mg/L),19.44%的站位PO4-P为四类水质(0.045 mg/L);底层52.94%的站位为二、三类水质,41.18%的站位为四类水质和劣四类水质。结果表明,夏季珠江口海域表层以DIN污染为主,底层以PO4-P污染为主。

      采用郭卫东等提出的潜在性富营养化评价方法对珠江口海域的富营养化程度进行评价[9]。评价结果表明,夏季珠江口表层水体主要为磷限制富营养化,其中,30.56%的站位属于磷中等限制潜在性富营养,22.22%的站位属于磷限制富营养,磷限制富营养化站位主要分布在珠江口盐度锋面区(图6),珠江口DIN、PO4-P输入量控制不当易造成富营养化,诱发赤潮。

      图  6  珠江口潜在性富营养化评价结果

      Figure 6.  Evaluation results of potential eutrophication in the Pearl River Estuary

    • 浮游植物的生长受水温、光照、透明度、营养盐和水动力条件等多种因素的影响[6]。夏季,香港东南部海域和大万山岛以南S21站位附近海域浮游植物生长旺盛,Chl a浓度出现极高值(>60 μg/L),营养盐丰富的珠江口口门内海域Chl a浓度却较低。丰水期珠江径流携带的大量悬浮颗粒物使珠江口口门内水域透明度降低,浮游植物生长可利用的光照不足,限制了入海口门下游水域浮游植物的生长,同时,径流的强稀释-混合作用也不利于浮游植物生物量的积累,这是珠江口口门内海域Chl a浓度较低的主要原因[10]。香港东南部海域和大万山岛以南海域盐度锋面处咸淡水混合使得悬浮颗粒物沉降速率加快,浊度降低,真光层变深[3],光限制得到缓解,达到光照和营养盐最佳的平衡,Chl a出现高值区[11],这同前人关于珠江口盐度锋面与透明度高值区位置较吻合的报道一致[3, 12]

      Chl a与盐度、深度、PO4-P呈显著负相关性,与DIN、DIN/P呈显著正相关性(表2)。有研究表明,珠江口DIN主要为径流输入,而径流对PO4-P的贡献不显著[13]。当表层水体中的磷被浮游植物大量消耗而得不到及时补充时,便出现低值。水体的高度层化也阻止了上层水体与底层水体之间的营养盐交换,使表层水体中的磷先于氮被耗尽,浮游植物生长受到磷限制,这表明河口冲淡水对浮游植物生长影响显著。

      Chl aT S密度DODepthNO2-NNO3-NNH4-NPO4-PSiO3-SiDINDIN/PSi/DIN
      Chl a10.506**−0.358**−0.432**0.711**−0.452**0.1310.194*0.023−0.223*−0.0390.194*0.406**−0.263**
      T1−0.438**−0.562**0.470**−0.918**0.0140.198*−0.007−0.318**0.1010.1880.317**−0.095
      S 10.986**−0.220*0.538**−0.311**−0.730**−0.082−0.031−0.730**−0.723**−0.622**0.007
      密度1−0.294**0.640**−0.301**−0.738**−0.0820.015−0.687**−0.730**−0.654**0.055
      DO1−0.261**−0.217*0.078−0.026−0.143−0.1250.0620.196*−0.158
      Depth1−0.209*−0.339**0.030.328**−0.252**−0.326**−0.425**0.091
      NO2-N10.373**−0.1330.0660.344**0.370**0.289**−0.018
      NO3-N10.0970.1920.725**0.985**0.793**−0.229*
      NH4-N1−0.255**0.1090.262**0.339**−0.281**
      PO4-P10.223*0.141−0.284**0.131
      SiO3-Si10.724**0.477**0.379**
      DIN10.826**−0.269**
      DIN/P1−0.348**
      Si/DIN1
      注:**显著性水平p<0.01;*显著性水平p<0.05

      表 2  Chl a与环境因子之间的相关性(双尾检验)

      Table 2.  Correlation between Chl a and environmental factors(two-tailed test)

    • 营养盐的浓度和比例均会影响浮游植物的生长和繁殖。浮游植物生长所需的营养盐浓度最低阈值为DIN=0.014 mg/L、PO4-P =0.003 mg/L、SiO3-Si= 0.056 mg/L[14],本次调查水域的营养盐浓度均高于这一绝对限制标准(表1图4)。

      Justic[14]等根据Redfield比值[15]提出了营养盐限制因子标准:(1)若N/P>22(摩尔比,下同)和Si/P>22,则PO4-P为限制性因子;(2)若N/P<10和Si/N>1,则DIN为限制性因子;(3)若Si/P<10和Si/N<1,则SiO3-Si为限制性因子。现场调查分析结果表明,86.11%的站位为磷限制,13.89%的站位无限制性因子(图7)。伶仃洋和珠江口口门附近海域总体表现为富氮寡磷,N/P高达60~95,Si/P>175,磷限制明显(图8),主要是因为深圳湾和珠江口西岸六大入海口排入的工农业废水和生活污水中DIN含量远高于PO4-P[5];珠江口口门外大多数站位也表现为磷限制(图7),其中,香港南部海域存在Chl a高值区,可能是浮游植物消耗了大量PO4-P导致N/P变大,磷限制明显。相关性分析显示,Chl a与NO3-N、DIN呈一般正相关性,与PO4-P呈一般负相关性(表2),这与张伟等[16]的研究结果一致;Chl a与DIN/P呈显著正相关性(表2),表明相对于营养盐浓度,DIN/P对浮游植物生长的影响可能更大。S15、S22、S28、S31、S37站位(N/P<22,Si/N>1,Si/P>19)无限制性因子,万山列岛和担杆列岛以南海域较接近Redfield比值[15](N/P≈30,Si/P≈22),表层PO4-P浓度较高,推测调查时期可能处于浮游植物旺发的初期,若后期表层PO4-P耗尽,也可能呈现出高N/P的现象。此外,张景平等[17]的研究表明,河口区NO3-N的再生增补及PO4-P的“缓冲机制”可能也是造成该海域高氮低磷的重要原因。SiO3-Si含量丰富(0.694~6.916 mg/L)(表1图4c),与Chl a不相关(表2),因而SiO3-Si不成为限制因子。

      图  7  珠江口营养盐限制情况

      Figure 7.  Nutrient restriction in the Pearl River Estuary

    • 珠江口营养盐的表层分布主要受陆源输入和生物消耗的影响,垂直分布主要受水体中有机质分解以及沉积物再生的影响。所有站位中,NO3-N是DIN的主要形态,占比为63.1%;其次为NH4-N,占比为33.3%;NO2-N最低,占比仅为3.6%(表1)。NO2-N、NO3-N、DIN和SiO3-Si在近岸海域浓度高,在珠江口口门外浓度低(图4),它们与盐度、密度、深度呈显著负相关性,表明珠江口口门内氮、硅主要来自径流输入。NO2-N浓度高值区分布于近岸或底层低氧还原环境中(图4d),推断该水域可能发生显著的硝化作用;NO2-N、NO3-N同其他环境因子的相关性相似但也有区别,表明它们的影响因子存在一定的差异;另外,NO2-N、NO3-N、SiO3-Si三者之间有良好相关性(表2),表明它们可能具有相似的来源和生物地球化学性质。近岸水域NH4-N浓度较高,且A、B断面NH4-N浓度比C断面高(图4f)。NH4-N主要来源于陆源生活污水和养殖生物的代谢产物[18]。A、B断面靠近工农业、人口分布密集的横门、蕉门和洪奇门(DIN入海通量占八大口门总入海通量的28%[19]),与外海交换能力弱,夏季跃层比较稳定,大量DIN在附近沉降分解,导致底层水体NH4-N浓度较高(图5)。而C断面近岸为香港水域,污染物排放水平相对较低,周边海域开阔,潮汐、海流加快水体交换,污染物浓度低。珠江口外海域NH4-N的高值区与Chl a高值区一致,这可能与浮游生物新陈代谢和死亡碎屑的降解再生有关。

      表层PO4-P在外伶仃洋(淇澳岛周围)出现高值区(图4b),说明PO4-P主要受陆源人为排放的影响[1],还可能与悬浮颗粒物释放磷有关[20]。香港南部海域存在高Chl a低PO4-P现象,海洋水体层化和锋面的阻隔,使表层浮游植物消耗的磷不能得到及时补充,出现高N/P现象[10]。珠江口口门内全水层中PO4-P含量高,一部分PO4-P能通过潮汐涨落输运到珠江口口门外,因此,珠江口口门外(21.7°N附近)海域出现PO4-P浓度高值区(图4b)。相关性分析表明,PO4-P与盐度、密度相关性较弱,进一步说明PO4-P的来源不唯一,与曾丹娜等[21]的报道一致。PO4-P与深度呈显著正相关性,与温度呈显著负相关性(表2)。高浓度PO4-P区分布于伶仃洋大部分海域的底层,温盐跃层阻碍营养盐的垂向运输,因此,底层高浓度PO4-P可能来自沉降有机质分解以及底层沉积物间隙水的释放。

      图  8  珠江口营养盐摩尔比表层分布

      Figure 8.  Surface distribution of nutrient salt molar ratio in the Pearl River Estuary

    • 伶仃洋和珠江口口门外西南部海域出现低氧区(图2d),主要与径流输入大量的有机物降解耗氧有关[22]。香港南部海域以及珠江口口门外中部海域为DO高值区域,与Chl a高值区一致,考虑到Chl a与DO具有显著的正相关性,可能是浮游植物旺盛的光合作用贡献了较多的DO。调查期间,珠江口口门外表层营养盐相对较低,浮游植物光合放氧过程大于有机质分解耗氧过程,珠江口口门外海域表层同化作用可能占主导;珠江口口门内海域表层有机物浓度高,低氧区与低Chl a区高度吻合,异化作用可能占主导。

      盐度、密度与水深呈显著正相关性,温度与水深呈极显著负相关性,表明夏季珠江口存在稳定的温盐跃层。DO与水深、盐度、密度呈显著负相关性,与温度呈显著正相关性,表明DO垂直分布主要是受到水体层化的影响,水体层化导致DO向下输送的通道被限制。同时,近岸排放的高浓度有机物在底层沉积,其生化耗氧得不到补充,使近岸底层出现大片缺氧区[22]。底层富氧海水通过盐度−潮汐混合锋面侵入河口,可在一定程度上减小缺氧的范围和程度。

    • (1)2019年,夏季珠江口海域表层Chl a浓度范围为4.192~88.209 μg/L,平均值为(38.875±25.466)μg/L。浮游植物生长旺盛,依据河口营养状况评价标准,44.4%的站位为高度富营养化(20 μg/L<Chl a<60 μg/L),25%的站位为过度富营养化(Chl a>60 μg/L)。

      (2)研究海域表层DIN、PO4-P和SiO3-Si浓度近岸高远岸低,浓度范围分别为0.168~1.247 mg/L、0.011~0.044 mg/L、0.694~6.916 mg/L。DIN、SiO3-Si主要受到陆源和径流的输入调控,与盐度呈显著负相关性。依据营养盐限制因子标准,珠江口海域86.11%的站位为磷限制。

      (3)夏季,受河口冲淡水的影响,珠江口口门内浮游植物生长受光限制影响较大,珠江口口门外海域浮游植物生长大量消耗表层水体中的磷且得不到及时补充,导致表层的磷先于氮被耗尽,浮游植物生长受到磷限制。Chl a与盐度、PO4-P呈显著负相关性,与DIN、DIN/P呈显著正相关性,河口冲淡水对浮游植物生长影响显著。

参考文献 (22)

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