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桑沟湾溶解态铁的分布、季节变化及影响因素

张晓慧 李磊 任景玲 蒋增杰 杜金洲

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桑沟湾溶解态铁的分布、季节变化及影响因素

    作者简介: 张晓慧(1993-), 女, 山西大同人, 博士研究生, 主要从事痕量元素的海洋生物地球化学循环研究, E-mail:zhangxiaohui_ecnu@163.com;
    通讯作者: 任景玲, 教授, 主要从事痕量元素的生物地球化学循环研究, E-mail:renjingl@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金(41676072,41530965);国家基础研究发展规划项目(2011CB409801)
  • 中图分类号: X142

The distributions, seasonal variations and influence factors of dissolved iron in the Sanggou bay

  • 摘要: 采用催化动力学分光光度法对2011年4月、8月、10月和2012年1月桑沟湾溶解态铁(dissolved iron,DFe)的含量进行了测定。结果表明,桑沟湾4个季节DFe的平均值分别为3.8 ±0.7 nmol/L、3.3 ±1.8 nmol/L、2.6 ±1.0 nmol/L、1.8 ±0.6 nmol/L,存在明显的季节变化(t-test,p < 0.05,n=19)。桑沟湾DFe的平面分布主要呈现出河口和近岸浓度较高,随离岸距离的增加浓度逐渐降低的变化趋势。通过对桑沟湾周边河流、地下水DFe含量的分析及箱式模型的计算,结果表明桑沟湾海域DFe的主要来源包括河流、地下水的输入和大气沉降等;而其主要的汇为向黄海的输出以及养殖生物的吸收利用。DFe在桑沟湾的存留时间与大洋相比明显降低,可能与特殊的水文环境与养殖生物的吸收利用有关。
  • 图 1  桑沟湾采样站位

    Figure 1.  Sampling stations in the Sanggou bay

    图 2  桑沟湾表层(S)和底层(B)DFe的水平分布

    Figure 2.  The horizontal distributions of DFe in the surface and bottom layer of the Sanggou bay

    图 3  2012年6月桑沟湾周边主要河流及地下水中DFe的浓度

    Figure 3.  Concentrations of DFe in main rivers and groundwater around the Sanggou bay in June 2012

    图 4  2011年夏季桑沟湾盐度与DFe的关系

    Figure 4.  Relationship between salinity and DFe in summer 2011 in the Sanggou bay

    图 5  DFe的估算偏差比值Ce与SPM(图a)、Chl ɑ(图b)之间的关系

    Figure 5.  Relationship between Ce and SPM(a), Chl ɑ(b) in the Sanggou bay

    图 6  桑沟湾DFe的收支

    Figure 6.  Dissolved iron budget in the Sanggou bay

    表 1  2011—2012年桑沟湾温度、盐度、SPM、Chl a与DFe表层(S)、底层(B)的浓度范围及平均含量

    Table 1.  The ranges and averages of temperature, salinity, SPM, Chl-a and concentrations of dissolved iron in the surface (S) and bottom (B) of the Sanggou bay from 2011 to 2012

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    表 2  部分海湾、陆架边缘海及大洋中DFe的含量

    Table 2.  Concentration of DFe in some bays, shelf marginal sea and oceans of the world

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  • [1] RATLEDGE C, DOVER L G.Iron metabolism in pathogenic bacteria[J]. Annual Review of Microbiology, 2000, 54:881-941. doi: 10.1146/annurev.micro.54.1.881
    [2] WORSFOLD P J, LOHAN M C, USSHER S J, et al.Determination of dissolved iron in seawater:A historical review[J]. Marine Chemistry, 2014, 166:25-35. doi: 10.1016/j.marchem.2014.08.009
    [3] TAGLIABUE A, BOWIE A R, BOYD P W, et al.The integral role of iron in ocean biogeochemistry[J]. Nature, 2017, 543(7643):51-59. doi: 10.1038/nature21058
    [4] 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志:第三分册[M].北京:海洋出版社, 1991:377-424.
    [5] 方建光, 张爱君.桑沟湾栉孔扇贝养殖容量的研究[J].海洋水产研究, 1996, 17(2):18-31.
    [6] 蒋增杰, 方建光, 张继红, 等.桑沟湾沉积物重金属含量分布及潜在生态危害评价[J].农业环境科学学报, 2008, 27(1):301-305. doi: 10.3321/j.issn:1672-2043.2008.01.055
    [7] 李磊, 任景玲, 刘素美, 等.桑沟湾溶解态无机砷的分布、季节变化及影响因素[J].环境科学, 2014, 35(7):2705-2713.
    [8] 李磊, 任景玲, 刘素美, 等.桑沟湾溶解态汞的生物地球化学行为[J].生态毒理学报, 2014, 9(5):888-900.
    [9] HIRAYAMA K, UNOHARA N.Spectrophotometric catalytic determination of an ultratrace amount of iron (Ⅲ) in water based on the oxidation of N, N-dimethyl-p-phenylenediamine by hydrogen peroxide[J]. Analytical Chemistry, 1988, 60(23):2573-2577. doi: 10.1021/ac00174a009
    [10] 贲孝宇, 石金辉, 仇帅, 等.青岛大气气溶胶中铁的溶解度及其影响因素[J].环境科学学报, 2015, 35(1):65-71
    [11] WANG X L, DU J Z, JI T, et al.An estimation of nutrient fluxes via submarine groundwater discharge into the Sanggou Bay-A typical multi-species culture ecosystem in China[J]. Marine Chemistry, 2014, 167:113-122. doi: 10.1016/j.marchem.2014.07.002
    [12] ZHU M X, LIU J, YANG G P, et al.Reactive iron and its buffering capacity towards dissolved sulfide in sediments of Jiaozhou Bay, China[J]. Marine Environmental Research, 2012, 80:46-55. doi: 10.1016/j.marenvres.2012.06.010
    [13] TESTA J M, CHARETTE M A, SHOLKOVITZ E R, et al.Dissolved iron cycling in the subterranean estuary of a coastal bay:Waquoit bay, Massachusetts[J]. Biological Bulletin, 2002, 203(2):255-256. doi: 10.2307/1543427
    [14] YANG R J, SU H, QU S L, et al.Capacity of humic substances to complex with iron at different salinities in the Yangtze River estuary and East China Sea[J]. Scientific Reports, 2017, 7:1381. doi: 10.1038/s41598-017-01533-6
    [15] AUCOUR A M, TAO F X, MOREIRA-TURCQ P, et al.The Amazon River:behaviour of metals (Fe, Al, Mn) and dissolved organic matter in the initial mixing at the Rio Negro/Solimõesconfluence[J]. Chemical Geology, 2003, 197(1/2/3/4):271-285.
    [16] LOHAN M C, BRULAND K W.Elevated Fe (Ⅱ) and Dissolved Fe in hypoxic shelf waters off Oregon and Washington:an enhanced source of iron to coastal upwelling regimes[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(17):6462-6468.
    [17] WU J F, CHUNG S W, WEN L S, et al.Dissolved inorganic phosphorus, dissolved iron, and Trichodesmium in the oligotrophic South China Sea[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(1):8-1-8-10. doi: 10.1029/2002GB001924
    [18] BRULAND K W, RUE E L, SMITH G J.Iron and macronutrients in California coastal upwelling regimes:Implications for diatom blooms[J]. Limnology and Oceanography, 2001, 46(7):1661-1674. doi: 10.4319/lo.2001.46.7.1661
    [19] BERGQUIST B.A., WU J, BOYLE E A.Variability in oceanic dissolved iron is dominated by the colloidal fraction[J]. Geochimicaet CosmochimicaActa, 2007, 71(12):2960-2974. doi: 10.1016/j.gca.2007.03.013
    [20] TAKATA H, KUMA K, IWADE S, et al.Comparative vertical distributions of iron in the Japan Sea, the Bering Sea, and the western North Pacific Ocean[J]. Journal of Geophysical Research:Oceans, 2005, 110(C7):C07004.
    [21] HSU S C, LIU S C, ARIMOTO R, et al.Dust deposition to the East China Sea and its biogeochemical implications[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2009, 114(D15):D15304. doi: 10.1029/2008JD011223
    [22] 房瑞雪, 任景玲, 李磊, 等.桑沟湾溶解态铝的分布、季节变化及影响因素[J].海洋科学进展, 2015, 33(3):342-351. doi: 10.3969/j.issn.1671-6647.2015.03.008
    [23] 张雅琴.丹东海域速生经济海藻无机营养元素的分析[J].辽宁科技学院学报, 2014, 16(2):20-21, 24. doi: 10.3969/j.issn.1008-3723.2014.02.009
    [24] 张继红, 方建光, 唐启升.中国浅海贝藻养殖对海洋碳循环的贡献[J].地球科学进展, 2005, 20(3):359-365. doi: 10.3321/j.issn:1001-8166.2005.03.014
    [25] 杨奎真, 郑康, 郑永军, 等.乳山湾牡蛎无机元素的测定与指纹图谱研究[J].中国海洋药物, 2013, 32(2):41-46.
    [26] 陶平, 许庆陵, 谭淑荣.大连沿海几种腹足类和双壳类的营养成分分析[J].辽宁师范大学学报:自然科学版, 2000, 23(2):182-186.
    [27] 张正斌.海洋化学[M].青岛:中国海洋大学出版社, 2004:124-127.
  • [1] 王燕王艳洁赵仕兰王震姚子伟 . 海水中溶解态总氮测定方法比对及影响因素分析. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 644-648. doi: 10.12111/j.mes20190425
    [2] 程国益陈路锋刘畅李雁宾 . 东海夏季溶解气态汞和活性汞分布特征及控制因素. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-8. doi: 10.12111/j.mes.20190100
    [3] 张栋华吕钊臻邵主峰孔祥淮高会旺李雁宾 . 胶州湾沉积物柱状样重金属垂向分布特征及其控制因素. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-7. doi: 10.12111/j.mes.20190090
    [4] 杨莉玲王琳杨芳杨留柱 . 口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 582-588. doi: 10.12111/j.mes20190415
    [5] 李汉英张红玉王霞于红兵徐玉芬刘兴健张叶春 . 海洋工程对砂质海岸演变的影响——以海南万宁日月湾人工岛为例. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 575-581. doi: 10.12111/j.mes20190414
    [6] 钟超孙凯峰廖岩綦世斌陈清华尹倩婷徐敏 . 广东流沙湾海草分布现状及其与不同养殖生境的关系. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 521-527. doi: 10.12111/j.mes20190406
    [7] 杨梦蓉代小蓉肖航 . 象山港海水和沉积物中多环芳烃分布特征和来源研究. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-8. doi: 10.12111/j.mes.20190045
    [8] 刘洪艳覃海华王珊 . 海洋沉积物中一株铁还原细菌ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)性质分析. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 508-512, 520. doi: 10.12111/j.mes20190404
    [9] 徐中昌徐韧张正龙李志恩 . 岛群围填海过程中岸线与植被变化特征初步探究——以舟山石化基地为例. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-7. doi: 10.12111/j.mes.20190022
    [10] 贺凡谢磊徐晓娇江天久 . 抑食金球藻对翡翠贻贝生长及摄食的影响研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 489-493, 502. doi: 10.12111/j.mes20190401
    [11] 张文斌董昭皆徐书童高丽 . 微生物和藻类分解对荣成天鹅湖沉积物氮磷释放的影响. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 561-567. doi: 10.12111/j.mes20190412
    [12] 王晨晨潘大为韩海涛胡雪萍 . 烟台四十里湾潮间带表层沉积物中铁的形态研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 555-560. doi: 10.12111/j.mes20190411
    [13] 曹慧慧陈元赵骞王晶 . 辽东湾东部秋季海流特征的同步观测研究. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 615-620. doi: 10.12111/j.mes20190420
    [14] 陈海洲李元超 . 文昌椰林湾珊瑚礁生态系统的健康状况及其对围填海建设的生态响应. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 533-539. doi: 10.12111/j.mes20190408
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-04
  • 录用日期:  2018-03-20
  • 刊出日期:  2019-10-20

桑沟湾溶解态铁的分布、季节变化及影响因素

    作者简介:张晓慧(1993-), 女, 山西大同人, 博士研究生, 主要从事痕量元素的海洋生物地球化学循环研究, E-mail:zhangxiaohui_ecnu@163.com
    通讯作者: 任景玲, 教授, 主要从事痕量元素的生物地球化学循环研究, E-mail:renjingl@ouc.edu.cn
  • 1. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
  • 2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062
  • 3. 中国水产科学研究院黄海水产研究所, 山东 青岛 266071
基金项目: 国家自然科学基金(41676072,41530965);国家基础研究发展规划项目(2011CB409801)

摘要: 采用催化动力学分光光度法对2011年4月、8月、10月和2012年1月桑沟湾溶解态铁(dissolved iron,DFe)的含量进行了测定。结果表明,桑沟湾4个季节DFe的平均值分别为3.8 ±0.7 nmol/L、3.3 ±1.8 nmol/L、2.6 ±1.0 nmol/L、1.8 ±0.6 nmol/L,存在明显的季节变化(t-test,p < 0.05,n=19)。桑沟湾DFe的平面分布主要呈现出河口和近岸浓度较高,随离岸距离的增加浓度逐渐降低的变化趋势。通过对桑沟湾周边河流、地下水DFe含量的分析及箱式模型的计算,结果表明桑沟湾海域DFe的主要来源包括河流、地下水的输入和大气沉降等;而其主要的汇为向黄海的输出以及养殖生物的吸收利用。DFe在桑沟湾的存留时间与大洋相比明显降低,可能与特殊的水文环境与养殖生物的吸收利用有关。

English Abstract

  • 铁是地壳中丰度第二高的金属元素,但由于其在含氧水体中溶解度很小,因而铁在海洋中的含量极低,属于痕量元素[1]。水平分布上,在河流、河口及陆架海域,由于受到陆源物质输入的影响,水体中DFe(dissolved iron, DFe)的浓度最高可达100 nmol/L,随着离岸距离的增加,水体中DFe的浓度迅速降低,到开阔大洋表层水体DFe的浓度只有0.02 ~ 1 nmol/L左右[2]。海洋中铁的来源与其地理位置、气候条件以及水文状况等因素息息相关。近岸海水中DFe的来源主要包括河流和地下水的输入、大气的干、湿沉降、底层沉积物的再悬浮释放、悬浮颗粒物的解吸以及深层水体中生物的降解释放等;在开阔大洋的表层水体中,大气沉降是铁的主要来源,其次上升流也是不可忽视的重要来源[3]

    本文的研究区域桑沟湾(122.40°E~122.60°E, 37.00°N ~ 37.20°N)位于山东半岛东部,隶属于威海荣成市,海湾呈“C”型,湾口向东,是半封闭型的海湾。受黄海沿岸流的影响,湾内沿岸流一般由北岸进入,沿南岸流出,秋、冬季的影响高于春、夏季;湾口南北约11.5 km,平均水深7.5 m,面积约为144 km2,泥、沙、岩滩俱全。桑沟湾属于不规则半日潮,最大潮差2 m左右。桑沟湾周边的主要河流为沽河、桑干河、十里河、崖头河等,年平均径流量为(1.7 ~ 2.3)× 108 m3,其中沽河为流入桑沟湾最大的河流,约占总径流量的70%以上[4]

    桑沟湾是我国北方重要的水产品养殖基地,养殖年产量超过15万t,养殖面积超过60 km2 [5]。结合桑沟湾的环境特点以及生物生理习性,桑沟湾的水产品养殖分布如图 1所示:在靠近湾口的区域,水深流急,以养殖海带为主;而湾内水浅流缓,适合贝类(牡蛎、扇贝、鲍等)养殖或者贝类海带间养。

    图  1  桑沟湾采样站位

    Figure 1.  Sampling stations in the Sanggou bay

    近年来,为了全面科学认识桑沟湾水环境的变化,规范养殖模式,多位学者对这一海域做了大量调查研究工作。例如方建光等对桑沟湾的养殖容量及营养要素进行深入研究[5];蒋增杰等对桑沟湾沉积物中重金属的含量以及对底播养殖贝类的影响做了初步研究[6];李磊等对桑沟湾溶解态无机砷、溶解态汞的分布、季节变化及其生物地球化学循环进行相应研究等[7-8]。铁作为生物生长必需的微量营养元素,不仅可以影响海域的初级生产力,还对水产生物的生长具有一定的调控作用[3]。因此,研究桑沟湾海域DFe的含量、分布规律及其影响因素对桑沟湾养殖产业的可持续发展具有重要的参考意义。本文通过对桑沟湾2011年4月、8月、10月以及2012年1月DFe的含量进行了测定,讨论了DFe的分布、季节变化及影响因素,估算了DFe在桑沟湾的收支情况,加深对桑沟湾DFe的生物地球化学循环的认识,为桑沟湾的养殖生产活动提供科学基础。

    • 分别于2011年4、8、10月和2012年1月乘坐柴油动力船对桑沟湾进行大面观测(由于采水器故障,4月仅采表层水),采样站位如图 1所示。在船头用有机玻璃采水器采集(内壁用酒精和Milli-Q水清洗干净),样品采集后需立即用盐酸处理过的Nalgene滤器和0.45 μm的醋酸纤维膜过滤。滤膜在使用之前需要如下处理:在pH=2的HCl中浸泡1 d,后用Milli-Q水浸泡,每天更换,平衡到中性,然后烘干、称重、备用。出海使用的样品瓶在使用前统一用1: 5的HCl浸泡至少一周,之后依次使用去离子水、Milli-Q水清洗3遍,装满Milli-Q水,放入双层洁净塑封袋中备用。过滤后的样品在-20℃冷冻保存。现场过滤Milli-Q水做空白水样,以考察现场过滤设备及操作过程中对DFe的影响。

      同时,为了探讨水文环境对桑沟湾DFe的分布及季节变化产生的影响,对桑沟湾附近的爱莲湾和俚岛湾3个断面进行了同期的观测。除此之外,为了衡量陆源输入对桑沟湾内DFe分布产生的影响,于2012年6月桑沟湾的补充调查航次对桑沟湾周边的主要河流和地下水进行采样观测。河流采样点统一位于河流的中下游(盐度为0),距入海口位置约3 ~ 10 km。DFe之外的其它数据,如:采样站位温度、盐度数据,通过Multi 350i多参数水质分析仪现场测定获得。叶绿素a(Chl a)根据“海洋监测规范”中的方法,利用Turner Ⅱ型荧光光度计测定获得。

    • 在实验室采用催化动力学分光光度测定样品中DFe的浓度[9]。过氧化氢氧化N, N-二甲基对苯二胺盐(DPD),DFe是反应的催化剂,其含量和反应产生的荧光信号强弱呈线性关系,因此可以通过测定反应的荧光值得到溶液中DFe的浓度。样品解冻24 h以上以保证样品达到充分溶解平衡,摇匀后称取部分样品测定。经过优化试验方法,得到检测的相对检出限为0.35 nmol/L。对中国铁环境标准样品(GSB 07-1188-2000 202422,国家标准物质)进行9次平行测定,准确度为97.6%,精密度0.9%。对国际标准海水样品NASS-6进行5次平行测定,准确度98.4%,精密度2.1%。悬浮颗粒物(SPM, suspended particulate matter)含量是通过计算过滤前后烘干滤膜的质量差值获得。

    • 表 1给出了桑沟湾4个季节温度、盐度、SPM、Chl a、及DFe和表(S)、底层(B)的变化范围和平均含量。桑沟湾DFe的浓度范围为0.6 ~ 8.8 nmol/L,平均含量为2.9 ± 0.8 nmol/L。桑沟湾DFe的含量在春、夏季较高,秋季次之,冬季最低,季节变化明显。春、夏季DFe的浓度变化范围较大,秋、冬季则较小。

      表 1  2011—2012年桑沟湾温度、盐度、SPM、Chl a与DFe表层(S)、底层(B)的浓度范围及平均含量

      Table 1.  The ranges and averages of temperature, salinity, SPM, Chl-a and concentrations of dissolved iron in the surface (S) and bottom (B) of the Sanggou bay from 2011 to 2012

      图 2给出了桑沟湾2011—2012年4个季节表、底层DFe的平面分布情况。表层水体中DFe的含量基本上呈现出近岸高、外海低,湾内高、湾口低的分布趋势。但是表、底层的变化随季节有部分差异。大气沉降是近岸表层水体中DFe的重要来源,在渤海和黄海部分地区,春季干沉降的DFe占总量的45%[10]。因此,春季桑沟湾DFe浓度较高可能与春季沙尘天气带来的干沉降有关。夏季表层,沽河及八河水库入海口处有明显的高值,夏季桑沟湾内DFe的高值可能与周边河流的输入有关。夏季的近岸部分地区与湾口底层浓度显著增高,可能是受到河流冲刷与水交换影响,底层沉积物释放铁造成底层浓度增加。秋季,湾内养殖生物大量收获,湾内外水交换加强,桑沟湾外浓度较低的黄海水大量进入,造成秋季DFe浓度降低。冬季桑沟湾DFe浓度整体降低,在湾东北部出现高值,对比同期邻近的爱莲湾(3.7 nmol/L)和俚岛湾(4.1 nmol/L) DFe的浓度,呈现出俚岛湾>爱莲湾>桑沟湾的规律,推测冬季湾东北部DFe的高值与黄海沿岸流有关(自桑沟湾北部进入[4])。秋、冬季表层底层没有显著性差异(t检验,p < 0.05,n=19)。

      图  2  桑沟湾表层(S)和底层(B)DFe的水平分布

      Figure 2.  The horizontal distributions of DFe in the surface and bottom layer of the Sanggou bay

      表 2给出部分海湾与开阔大洋中DFe浓度。通过对比可以发现,大洋中DFe的浓度普遍低于1 nmol/L,而近岸由于受到陆源输入,沿岸人为活动的影响大,DFe浓度显著增大,且呈现复杂的区域性和季节性变化差异。与邻近的爱莲湾、俚岛湾相比,桑沟湾由于受到复杂的河流与地下水输入影响,季节变化更加显著,同时由于湾内养殖生物对DFe的清除与利用,桑沟湾表层的年平均DFe浓度低于爱莲湾、俚岛湾表层的年平均浓度。胶州湾有一定的水产养殖活动,但同时可能因其周边径流量大,港深水阔,航运及沿岸工业迅速发展,沿岸人为活动带来的DFe远远大于桑沟湾,造成湾内的DFe也显著增大,胶州湾DFe的含量与相似环境的旧金山湾在相同的数量级水平。本航次样品的浓度较其他海湾整体偏低,可能与样品的保存方式有关,文献中样品均为过滤后酸化至pH < 2保存,测定的形态包括溶解态无机铁和部分在酸化条件下可以释放的有机铁;本文样品过滤后冷冻保存,测定形态可能为溶解态无机铁及部分弱结合的有机铁。

      表 2  部分海湾、陆架边缘海及大洋中DFe的含量

      Table 2.  Concentration of DFe in some bays, shelf marginal sea and oceans of the world

    • 流入桑沟湾的主要河流有沽河、十里河、小落河等,夏季河流径流量约占全年的90%以上[4]图 3给出2012年6月桑沟湾主要河流和地下水中DFe的含量,其浓度范围为1.1~90.4 nmol/L,地下水与河流平均浓度分别为2.6±1.7 nmol/L和14.9±10.2 nmol/L。桑沟湾周边地下水中DFe的浓度较低,平均浓度只有2.6±1.7 nmol/L。尽管浓度较低,但是利用镭同位素计算得到地下水年通量的值为4.9×109 m3/a[11],为河流年径流量的30倍左右,因此地下水输送也是影响桑沟湾DFe分布的重要因素之一。

      图  3  2012年6月桑沟湾周边主要河流及地下水中DFe的浓度

      Figure 3.  Concentrations of DFe in main rivers and groundwater around the Sanggou bay in June 2012

    • 桑沟湾夏季盐度与DFe的关系如图 4所示,图中理论稀释线(TDL)以沽河DFe的浓度为淡水端元,以爱莲湾、俚岛湾离岸的L-6、L-10以及A-4站位夏季DFe的平均浓度为海水端元。由图可见,桑沟湾大部分站位DFe的含量均在理论稀释线以下,表明湾内清除效应显著,初步推测可能与养殖生物对DFe的利用以及SPM吸附有关。

      图  4  2011年夏季桑沟湾盐度与DFe的关系

      Figure 4.  Relationship between salinity and DFe in summer 2011 in the Sanggou bay

      为了进一步验证SPM与生物活动对DFe分布的影响,对比实测浓度与仅考虑水团物理混合影响的估算结果。若仅考虑低盐度海水端元与外海水两个端元的物理混合,根据公式:

      式中:Sa为实测盐度值;SR为河流端元浓度S=0;SY表示L-6、L-10以及A-4的盐度平均值;X表示低盐度海水端元在水团混合中所占的比例;Y表示外海水端元在水团混合中所占的比例,再根据公式:

      式中:Cb(Fe)为DFe的理论估算值;CR(Fe)为河流端元的平均浓度14.9 nmol/L;CY(Fe)为L-6、L-10以及A-4站位DFe的平均浓度2.2 nmol/L。

      最后由公式:

      式中:Ca(Fe)为区域DFe的实测值;Ce为实测值与理论估算值之间的偏差与理论值的比值。

      去除物理混合的影响后,图 5给出了夏季桑沟湾表层站位SPM、Chl aCe的关系。Chl aCe显著正相关(t检验,p>0.05,n=19),表明铁促进了湾内浮游植物的生长和叶绿素的合成,与湾内养殖生物的生长密切相关。SPM与Ce显著负相关(t检验,p>0.05,n=18),它对桑沟湾DFe清除形式可能是:DFe极易被吸附到SPM表面:发生絮凝沉积在颗粒物表面,或与表面的铁载体络合后,以颗粒态形式从水体迁出,在夏季养殖生物生长旺盛时期,被养殖生物滤食。这一清除在贝藻间养地区尤其显著,夏季该区域养殖生物生长最为旺盛,产生大量颗粒物,DFe清除量最大,其次为海带养殖区,扇贝、牡蛎养殖区SPM对DFe清除效应较低。

      图  5  DFe的估算偏差比值Ce与SPM(图a)、Chl ɑ(图b)之间的关系

      Figure 5.  Relationship between Ce and SPM(a), Chl ɑ(b) in the Sanggou bay

    • 桑沟湾DFe的来源主要有河流、地下水,大气沉降,黄海水输入等,汇有向黄海的输出,生物利用。分别计算各源汇的收支情况,以构建桑沟湾DFe的收支模型。

      对河流的估算采用公式:

      式中:YR表示该流域河流年输入DFe的总量(mol/a);VR表示桑沟周边河流的年均径流量(m3/a);Cr表示河流端元DFe的浓度(nmol/L),由于沽河在桑沟湾的主导作用,本文直接选取沽河的浓度。由于缺乏其他季节的数据,根据文献报道,夏季水量占全年水量的90%[4],同时调查期间发现,近年来桑沟湾近岸河流的年平均径流量有所降低,为了消除因径流量下降引起的计算误差,本文以文献公布径流量的70%进行计算。由该公式计算出桑沟湾河流每年向湾内输入的DFe的量为(6.8 ± 4.7)× 103 mol/a。

      地下水来源有陆源地下淡水和海水再循环水两方面,为减小误差,保守取陆源地下淡水通量占总地下水通量的10 %。根据以下公式计算:

      式中:YG表示地下水年输入DFe的总量(g/a);Cg表示地下水中DFe的浓度(nmol/L);QG表示地下水排放通量(m3/a)。计算得出桑沟湾地下水对湾内DFe的贡献量为(0.27 ± 0.18)× 103 mol/ a。

      大气干沉降量Y根据如下公式进行估算:

      式中:F为大气干沉降通量[g/(a·m2)][10]A为桑沟湾水域面积(km2);D(1.6% ± 1.0%)为干沉降中Fe的平均溶出率[21],3.5%表示大气气溶胶颗粒中铁的含量[10]。由以上公式计算得到大气沉降对桑沟湾DFe的输入通量为(0.03 ± 0.02)× 103 mol/a。由于缺乏降水中同期降水中DFe的浓度数据,暂时无法估算湿沉降的贡献量。

      湾内海水与黄海水的交换也会影响桑沟湾DFe的分布。由水交换平衡,桑沟湾年降雨量(VP)和年蒸发量(VE)分别为1.3 × 108 m3/a和2.3 × 108 m3/a[22],根据桑沟湾河流和地下水的输入量,结合水交换平衡可以计算出桑沟湾向黄海输出的水量约为880 × 108 m3/a,黄海输入桑沟湾的水量为876 × 108 m3/a。根据LOICZ箱式模型计算得到桑沟湾向黄海的输出量为(1.04 ± 0.31) ×103 mol/a,桑沟湾与黄海的混合交换量为(2.87 ± 0.92) ×103 mol/a。

      生物在生长过程中会从水体中吸收大量Fe。桑沟湾湾口养殖大面积海带,平均每年干重达到0.85 × 106 t(荣成市渔业技术站提供数据),Fe的含量占海带干重重量的234 μg/g[23],得出桑沟湾养殖海带对湾内DFe的清除量约为3.6 × 103 mol/a。桑沟湾每年牡蛎养殖产量为6万t左右,其中干重比例为1.3%[24],Fe的含量占干重的比值为302 μg/g[24],估算桑沟湾内养殖牡蛎对湾内DFe的清除量约为4.2 mol/a。桑沟湾每年扇贝产量为15 × 103t,其中干重比例为7.3%[25],Fe的含量占干重的比值为135 μg/g[26],由上述结果估算桑沟湾内生物对湾内DFe的清除量约为2.6 mol/a。与海带相比,养殖贝类对DFe的清除量微不足道。由于还缺乏其他养殖生物(如:龙须菜、鲍鱼、鱼类等)的产量与Fe在体内的含量的相关数据,以及桑沟湾浮游生物对DFe的清除相关结果,该清除量可能与实际清除量相比偏低。根据目前的数据估算桑沟湾生物对DFe的总清除量为3.6 × 103 mol/L。

      将各源、汇收支情况汇总如图 6所示,河流输入是桑沟湾DFe的重要来源;主要的汇为向黄海水的输送,养殖生物对湾内DFe也有较强的清除作用。根据上述结果计算DFe在桑沟湾的存留时间。由公式:

      图  6  桑沟湾DFe的收支

      Figure 6.  Dissolved iron budget in the Sanggou bay

      桑沟湾内DFe的存留时间为161 d,低于大洋中铁的存留时间约200 a [27]。根据目前的估算,桑沟湾DFe的源、汇不守恒,源小于汇(差值为0.41 × 103 mol/a),这可能是由于以下原因造成的:还有一些来源没有考虑,如大气湿沉降,沉积物-水界面的交换等;很多原始数据来自于较早的文献而非实时观测结果,导致对于大气沉降的估算偏低。与在大洋中的存留时间的对比,DFe在桑沟湾的清除速率明显加快,可能与半封闭的水文环境与养殖生物的利用有重要关系。

    • (1) 桑沟湾DFe浓度呈现明显的季节变化,春季>夏季>秋季>冬季。水平分布呈现近岸高、外海底,湾内高、湾口低的特点,在河流和水库入口处出现高值。春、夏季DFe浓度梯度较大,秋、冬季较小。

      (2) 桑沟湾DFe的来源主要包括河流和地下水的输入,大气沉降;主要汇包括向湾外输出,养殖生物的利用等。在DFe通量估算上存在收支不平衡,源大于汇。由桑沟湾内DFe的收支情况估算湾内DFe的存留时间为161 d。

参考文献 (27)

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