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大亚湾颗粒态氮磷的时空分布、关键影响因素及潜在生态意义

周畅浩 张景平 黄小平 赵春宇 吴云超

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大亚湾颗粒态氮磷的时空分布、关键影响因素及潜在生态意义

    作者简介: 周畅浩(1993-), 男, 湖南湘潭人, 硕士研究生, 研究方向为近海环境, E-mail:18306421274@163.com;
    通讯作者: 黄小平(1965-), 男, 湖南邵阳人, 研究员, 博士生导师, 研究方向为海洋生态环境, E-mail:xphuang@scsio.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB452901,2015CB452905);国家自然科学基金项目(41406128,41730529)
  • 中图分类号: P734;P736

Distribution, key controlling factors and potential ecological role of particulate nitrogen and phosphorus in Daya bay

  • 摘要: 颗粒态营养盐是海洋营养盐的重要组成部分。本文通过2015年8月(夏)、12月(冬),2016年3月(春)、10月(秋)4个季节的采样分析,探讨了大亚湾海域颗粒态氮(PN)、颗粒态磷(PP)的组成分布及其关键控制因素。结果表明,大亚湾水体中PN、PP含量范围分别为2.63~26.24 μmol/L、0.11~3.71 μmol/L,平均含量分别为8.20±4.75 μmol/L、0.39±0.37 μmol/L。PN以颗粒有机氮(PON)为主,占65.0%;PP则以颗粒无机磷(PIP)为主,占63.4%。PN和PP分别约占总氮(TN)、总磷(TP)的24.8%和37.0%。大亚湾PN、PP呈现湾顶至湾口浓度下降的趋势,仅冬季部分形态分布趋势较不明显。二者的含量和分布主要受浮游植物生长与径流输入影响。此外,大亚湾PIN/PIP年均值为13.2±11.1,接近16的Redfield比值,无明显失衡现象,而湾内DIN/DIP年均值高达49.1±39.7,远大于16,说明颗粒态营养盐在维持大亚湾水体中营养盐比例平衡中起到了重要缓冲作用。
  • 图 1  采样站位

    Figure 1.  Sampling stations in Daya bay

    图 2  大亚湾各季度PN、PP含量变化

    Figure 2.  Seasonal variation of PN and PP in Daya bay

    图 3  大亚湾PN的空间分布

    Figure 3.  The distribution of PN in Daya bay

    图 4  大亚湾PP的空间分布

    Figure 4.  The distribution of PP in Daya bay

    图 5  大亚湾各形态氮、磷营养盐组成

    Figure 5.  Average proportion of each nitrogen and phosphorus form in Daya bay

    表 1  大亚湾各季节PN、PP的含量特征(μmol/L)

    Table 1.  Average PN and PP concentrations of Daya bay in different seasons(μmol/L)

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    表 2  国内外不同海湾PN、PP特征对比

    Table 2.  Concentration of PN、PP and some features in study area compared with other bays

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    表 3  PN、PP与盐度的相关性分析

    Table 3.  Correlation between PN、PP and salinity

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    表 4  PN、PP与Chl a的相关性分析

    Table 4.  Correlation between PN、PP and chlorophyll a

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    表 5  大亚湾氮、磷营养盐变化

    Table 5.  Variation of nitrogen and phosphorus in Daya bay

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    表 6  大亚湾各季度氮磷比值

    Table 6.  Seasonal variation of nitrogen phosphorus ratio in Daya bay

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-28
  • 录用日期:  2018-02-26
  • 刊出日期:  2019-10-20

大亚湾颗粒态氮磷的时空分布、关键影响因素及潜在生态意义

    作者简介:周畅浩(1993-), 男, 湖南湘潭人, 硕士研究生, 研究方向为近海环境, E-mail:18306421274@163.com
    通讯作者: 黄小平(1965-), 男, 湖南邵阳人, 研究员, 博士生导师, 研究方向为海洋生态环境, E-mail:xphuang@scsio.ac.cn
  • 1. 中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049
基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB452901,2015CB452905);国家自然科学基金项目(41406128,41730529)

摘要: 颗粒态营养盐是海洋营养盐的重要组成部分。本文通过2015年8月(夏)、12月(冬),2016年3月(春)、10月(秋)4个季节的采样分析,探讨了大亚湾海域颗粒态氮(PN)、颗粒态磷(PP)的组成分布及其关键控制因素。结果表明,大亚湾水体中PN、PP含量范围分别为2.63~26.24 μmol/L、0.11~3.71 μmol/L,平均含量分别为8.20±4.75 μmol/L、0.39±0.37 μmol/L。PN以颗粒有机氮(PON)为主,占65.0%;PP则以颗粒无机磷(PIP)为主,占63.4%。PN和PP分别约占总氮(TN)、总磷(TP)的24.8%和37.0%。大亚湾PN、PP呈现湾顶至湾口浓度下降的趋势,仅冬季部分形态分布趋势较不明显。二者的含量和分布主要受浮游植物生长与径流输入影响。此外,大亚湾PIN/PIP年均值为13.2±11.1,接近16的Redfield比值,无明显失衡现象,而湾内DIN/DIP年均值高达49.1±39.7,远大于16,说明颗粒态营养盐在维持大亚湾水体中营养盐比例平衡中起到了重要缓冲作用。

English Abstract

  • 营养盐是海洋生态系统能量和物质流动的基础,初级生产者通过对水体中营养盐的吸收实现自身的生长与繁殖。氮和磷是营养盐中两种最重要的成分,其比例、形态与浓度的变化将对浮游动植物群落结构产生影响,甚至影响海洋生态系统。颗粒态营养盐作为营养盐的重要成分,是近海营养盐的潜在来源与重要储库[1]颗粒态氮、磷可能对近海高水平初级生产力的维持起重要作用;此外,颗粒态因其易沉降、生物成分比重大的特征,成为水体向沉积物传递的重要介质[1]

    海湾作为大陆与海洋相互作用的重要场所,在人类活动影响下营养盐输入量持续增加,我国多数海湾生态环境已受到不同程度的影响[2]。例如,1986至2006年间,大亚湾溶解无机氮(DIN)增长趋势显著,使得氮磷比从1.3增长至35.8[3],海水中的营养盐结构已处于失衡状态;20世纪末前后,大亚湾水体已从贫营养发展到中度营养水平[4]。除海湾沉积物对水体氮、磷的补充作用外[5],颗粒态氮、磷可能存在平衡作用。

    目前,针对海洋中颗粒态营养盐的研究多集中于颗粒态氮(PN)[6-7]颗粒态磷(PP)[1, 8-9]的含量、组空间分布及通量方面。大亚湾的研究仅限于施震等于2013年对颗粒态N、P含量水平的报道[3],但未涉及PN、PP具体组分含量及影响因素分析,其生物地球化学特征尚未得到深入研究。因此,本文拟对大亚湾内颗粒态氮磷的时空分布特征、关键控制因素与潜在生态作用进行探究,为海湾生态环境保护与管理提供依据。

    • 大亚湾地处中国南海北部,是典型的半封闭亚热带海湾,海域面积约600 km2。自1993年大亚湾经济技术开发区成立,该区域及周边人类活动强度显著增加,海湾生态环境受到一定影响。

      本研究于2015年8月与12月,2016年3月与10月在大亚湾布设18个站位(见图 1)展开4个季度航次调查,分别表征夏、冬、春、秋4季。采集表(距海面0.5 m)、底(距海床0.5 m)两个水层溶解态、颗粒态氮磷等样品,由于S1站位水深小于5 m,仅采集表层水样。采得水样后通过0.7 μm孔径GF/F滤膜迅速过滤,并记录过滤水样体积;过滤后滤液盛于聚乙烯瓶中,滤膜使用铝箔包装后置于封口袋中,在-20℃冰箱中冷冻,待后续测定使用。

      图  1  采样站位

      Figure 1.  Sampling stations in Daya bay

    • PN、PP采用同步提取的方法测定[9],具体实验方案基于前人对沉积物的提取方法[10]与海洋调查规范[11]。取冷冻膜样于常温下解冻,置于离心管中,使用20 mL 0.1 mol/L HCl震荡提取2 h,离心后取上清液进行颗粒无机氮(PIN)、颗粒无机磷(PIP)的测定;剩余残液与残渣再次过滤,并使用适当超纯水清洗,去除无机态物质的影响;滤出固体烘干后加入碱性过硫酸钾消解,离心后取上清液测定颗粒有机磷(POP)。上述连续提取方法将颗粒态分步转化为溶解态后,测定氮磷营养盐[11],总颗粒态氮(PN)使用元素分析仪(EA3000,Euro Vector)测定。PP含量为PIP、POP之和,PN与PIN的差值则为颗粒有机氮(PON)。溶解态氮磷主要测定氨氮(NH4-N)、硝氮(NO3-N)、亚硝氮(NO2-N)、总溶解态氮(TDN)、溶解无机磷(DIP)、总溶解态磷(TDP);其中NH4-N、NO3-N、NO2-N和DIP、TDP的测定依据海洋调查规范[11],TDN用岛津(SHIMADZU)总有机碳分析仪TOC-L氮模块测定。NH4-N、NO3-N、NO2-N三者浓度相加为溶解无机氮(DIN),TDN与DIN的差值即为溶解有机氮(DON),溶解有机磷(DOP)同样处理。叶绿素使用90%丙酮对滤膜进行24 h提取,再通过叶绿素荧光仪测定。

      文中颗粒态及溶解态氮磷浓度均为表、底层水体平均值,二者与其它理化因素、叶绿素的相关性分析通过SPSS16.0软件实现,采用Pearson相关系数双侧检验完成数据相关性分析。

    • 调查期间,大亚湾PN浓度变化范围为2.63~26.24 μmol/L,平均浓度为8.20±4.75 μmol/L。4个季度PON浓度均相对较高,含量范围为0.16~21.11 μmol/L,平均浓度为5.27±3.33 μmol/L,其含量占PN的65.0%,是PN的主要组分;PIN的变化范围小于PON,为0.18~13.81 μmol/L,年均含量低于PON,为2.94±2.89 μmol/L。

      PP含量范围为0.11~3.71 μmol/L,平均浓度为0.39±0.37 μmol/L。PIP是PP的主要成分,其年均占比达PP的63.4%;PIP的变化范围为0.06~2.22 μmol/L,年均浓度为0.25±0.24 μmol/L;POP浓度小于PIP,分别为0.04~1.49和0.14±0.16 μmol/L,具体含量特征见表 1

      表 1  大亚湾各季节PN、PP的含量特征(μmol/L)

      Table 1.  Average PN and PP concentrations of Daya bay in different seasons(μmol/L)

    • 大亚湾PN浓度夏季高,秋季低(图 2),春夏两季PN含量高于秋冬,但夏季湾内浓度差异远大于其他3个季度。PIN的季节变化趋势与PN相似(表 1),但PON在夏、冬两季含量均较高,分别为6.16±3.42、6.37±2.84 μmol/L;秋季含量为3.24±2.36 μmol/L,为全年最低。

      图  2  大亚湾各季度PN、PP含量变化

      Figure 2.  Seasonal variation of PN and PP in Daya bay

      PP浓度夏季高,冬季低,呈春、夏高而秋、冬低的变化特征,PIP和POP均呈现相同变化规律(图 2)。夏季湾内PP浓度差异显著高于其余3个季度,这与PN的季节变化一致,而PIP和POP的季节变化较一致。

    • 大亚湾夏季PIN最高值分布于淡澳河口区域,最低值分布于湾口(图 3);冬季PIN分布较为均匀,湾内整体浓度略低于湾口;春、秋两季PIN分布相似,高值在湾东侧,湾内差异不大。各季度湾内PON浓度均高于湾外,其中夏季PON高值范围由淡澳河口延伸至喜洲区域,冬、春、秋季PON高值分布于淡澳河口与大亚湾东北部区域。PN的分布与PON较相似。

      图  3  大亚湾PN的空间分布

      Figure 3.  The distribution of PN in Daya bay

      夏季PIP高值出现在淡澳河口至喜洲区域,湾外浓度远低于湾内,冬季PIP分布较为均匀,春、秋两季PP最高值分布于湾顶的淡澳河口与东北部区域(图 4)。POP及PP的分布与PIP相近。

      图  4  大亚湾PP的空间分布

      Figure 4.  The distribution of PP in Daya bay

      总的看来,大亚湾颗粒态氮磷整体呈湾顶高而湾外低的分布规律,春、夏、秋季这一分布较显著,湾顶区域淡澳河口至澳头港区域浓度最高;冬季颗粒态氮磷差异较小,分布相对均匀。

    • 大亚湾与国内外海湾颗粒态氮磷的比较情况见表 2,由表可知,大亚湾年均PN含量为8.20 μmol/L,低于Dokai Bay[15],与胶州湾接近[16],相比于其他海湾处于中等水平。大亚湾PP含量为0.39 μmol/L,与胶州湾相近[1],但低于其他海湾。PIP/PP与其他海湾水平相近,但PP/TP相对低于胶州湾[1]与桑沟湾[8]

      表 2  国内外不同海湾PN、PP特征对比

      Table 2.  Concentration of PN、PP and some features in study area compared with other bays

      大亚湾属于受径流影响相对较弱的半封闭性海湾,其受陆源影响水平较Bay of St.Louis[13]、Dokai Bay[15]等受河流强烈影响的海湾低,因此其PN、PP含量相对较低;而与受外海水交换影响较大且河流影响影响较小的Beatrix Bay[12]相比,其PN含量则相对较高。总的看来,相对国内外海湾,大亚湾内颗粒态氮磷含量处于中等水平。

    • 陆源输入是海湾非自生磷及氮的主要来源,河口区域通常氮、磷含量较高[17],大亚湾各季度颗粒态氮磷高值均在淡澳河口附近,表明径流输入影响持续时间长。其中夏季PN、PP浓度由湾顶至湾外降低的趋势最为明显,PIN、PON与PN与盐度呈现负相关(表 3);夏季PIN、PIP与盐度的负相关表明颗粒无机态受陆源影响相对较大。秋、冬两季受陆源影响则相对较小;尽管冬季湾外PIN、POP浓度稍高于湾内(图 34),但该季度各态PN、PP均与盐度相关性较弱,陆源或海源输入均不是该季度的主要影响因素。春季仅PIN与盐度相关(r=0.56,p < 0.05),PIN浓度随盐度上升而增加,外海高盐水体可能是PIN的重要来源。

      表 3  PN、PP与盐度的相关性分析

      Table 3.  Correlation between PN、PP and salinity

      因此,径流输入在夏季影响最大,大量的淡水输入对PN、PP分布带来较显著的影响;秋、冬两季径流的影响较小;海源成为春季最显著的影响因子,外海高盐水对颗粒态营养盐的分布影响更显著。

    • 大亚湾春、夏、冬季PP、PN之间相关性较高(r分别为0.81、0.68、0.64,均为p < 0.01),表明两者来源一致。春、夏两季颗粒无机态氮磷与叶绿素a相关性弱于其有机态组分(表 4),这与颗粒物受到强烈生物作用相关[18],大量浮游生物的同化作用促进PP与PN的形成,使得PN、PP浓度与叶绿素的含量呈现正相关。叶绿素a仅与秋季PIN呈正相关,而对冬季PIP与PON、PN分布影响较明显,整体来看,浮游植物在春夏季对颗粒态影响较显著,而秋季不显著。

      表 4  PN、PP与Chl a的相关性分析

      Table 4.  Correlation between PN、PP and chlorophyll a

      同时,赤潮的发生对颗粒态分布有显著影响。春季S10站位附近发生赤潮,肉眼可见水体呈红褐色,PN、PP均在这一区域出现较高的浓度(图 34),同时该站位PON、POP浓度极高,PON占PN的86.84%。冬季PON/PN平均值为87.8%,且大量站位这一比值达到90%以上,远高于其他季度,可能与赤潮相关。因此,赤潮的发生会导致区域颗粒有机态氮磷含量上升。

    • 大亚湾PN平均占TN的24.8%,其中夏季达到最高水平,占36.6%,秋季达到最低水平,占15.1%;大亚湾PP平均占TP的37.0%,其中夏季达到最高水平,占49.7%,冬季达到最低水平,占23.2%(图 5)。可见,PN、PP占TN、TP的比例较高,重要性不可忽视。同时,调查期间各季度颗粒态与溶解态之间关联性较高,颗粒物中的活体部分通过产生分泌物[19]、碎屑及排泄物[20]实现对多种溶解态的影响,而非活体部分同样能通过吸附解吸等过程实现对溶解态的缓冲作用[21]

      图  5  大亚湾各形态氮、磷营养盐组成

      Figure 5.  Average proportion of each nitrogen and phosphorus form in Daya bay

    • 表 5所示,大亚湾TDN、DIP、PN及PP浓度逐年增加。本研究DIN浓度是20 a前的8倍[22],溶解态磷则有一定波动,但趋势不明显;PN达到2000年浓度水平的1.8[23],PP的变化相对较小,使得颗粒态与溶解态N/P均呈上升趋势,富营养程度有所增强。

      表 5  大亚湾氮、磷营养盐变化

      Table 5.  Variation of nitrogen and phosphorus in Daya bay

      为了更好地的认识大亚湾水体氮磷比的特征,此处采用计算各站位氮磷比再平均化的统计方法,以排除湾顶、河口区域较高浓度对于湾内低浓度区域的影响。夏、冬、春、秋4个季度PN/PP、PIN/PIP、DIN/DIP值变化见表 6。大亚湾各季度DIN/DIP远大于Redfield值,而颗粒态氮磷比值PN/PP、PIN/PIP偏离Redfield值较小,仅PON/POP值较大,这与浮游生物自身特性相关。同时,在DIN/DIP值较高的春夏季,PIN/PIP值同样较高,这一特征与湾内叶绿素变化一致,氮磷比失衡从溶解态传递到颗粒物无机态,浮游植物的同化作用是可能的原因。可见,颗粒态营养盐可能是维持水体中各类营养盐比例平衡的一项重要缓冲。

      表 6  大亚湾各季度氮磷比值

      Table 6.  Seasonal variation of nitrogen phosphorus ratio in Daya bay

    • (1) 大亚湾水体PN和PP平均浓度分别为8.20±4.75、0.39±0.37 μmol/L,其中PON与PIP分别是大亚湾PN、PP的主要成分;PN组分PIN、PON的含量为2.94±2.89、5.27±3.33 μmol/L,PP组分PIP、POP则分别为0.25±0.24、0.14±0.16 μmol/L,相比国内外其他海湾,处于中等浓度水平。

      (2) 颗粒态营养盐季节差异明显,春、夏季PN、PP浓度较高,占总营养盐比例大,浓度从湾顶至湾口递减;秋、冬两季则浓度较低,占比较小,空间分布相对均匀。

      (3) 不同季节PN、PP分布的影响因素存在差异,夏季径流输入等陆源影响显著,春季外海输入则较显著;浮游植物活动是另一重要影响因素,叶绿素a的增加促进颗粒物含量增加。

      (4) 年均DIN/DIP大于Redfield值,但PN/PP、PIN/PIP等值并没有显示出明显的失衡现象,因此,颗粒态营养盐是维持水体中各类营养盐比例平衡的一项重要缓冲器。

参考文献 (24)

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