杜 錦,石曉勇,2,李宏亮,盧 勇,陳 鵬,張傳松*
(1.中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100;2.國家海洋局 海洋減災(zāi)中心,北京100194;3.國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012;4.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;5.山東煙臺赫爾曼格邁納爾中學(xué),山東 煙臺 265500)
隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、人類活動加劇,海水富營養(yǎng)化已引起國內(nèi)外學(xué)者的重視[1]。營養(yǎng)鹽的生物地球化學(xué)過程非常復(fù)雜,地表徑流的輸送、各形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換、沉積物-水界面之間的交換均對營養(yǎng)鹽的循環(huán)有重要影響[2-3]。河口是研究海陸相互作用、陸源以及人為活動入海通量的重要區(qū)域,河口區(qū)營養(yǎng)鹽的生物地球化學(xué)行為,如是否保守等,對其輸出量有決定性作用,在研究營養(yǎng)鹽的生物地球化學(xué)循環(huán)中有重要意義[4-5]。河水中的營養(yǎng)鹽從河口不斷向外海輸送過程中,水體的離子強(qiáng)度、絡(luò)合物組分的相對比例、溫度和pH值等會產(chǎn)生變化 另外存在外海水的入侵、生物吸收等作用,河口水體中營養(yǎng)鹽的形態(tài)和濃度均會發(fā)生劇烈變化[7]。
長江是中國第一大河、世界第三大河,覆蓋面積達(dá)1.81×106km2,受人類活動影響較大[8]。近年來,長江口及鄰近海域赤潮頻發(fā),造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞,也對人類健康造成威脅,該海域的生態(tài)環(huán)境一直以來備受關(guān)注[9-11]。長江依靠其強(qiáng)大的徑流量對河口及鄰近海域的營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)量最大,其中以硅酸鹽(SiO3-Si)最多[12-13],SiO3-Si通量為2.89×106t[14-15]。地球表面硅含量排名第二,陸地風(fēng)化作用可向河流提供大量的溶解態(tài)硅酸鹽和顆粒硅,攜帶大量硅的河流再匯入海洋,每年向世界海洋凈輸入的溶解硅大約80%來自河流的輸入[16]。海洋浮游植物硅藻的光合作用離不開硅的參與,硅在調(diào)節(jié)浮游植物的群落組成方面有非常重要的作用[17]。王正方 等[18]通過對長江口區(qū)域的調(diào)查,得出硅酸鹽主要受海水稀釋作用控制的結(jié)論。王保棟 根據(jù)20022003年航次調(diào)查資料認(rèn)為,總的來看,活性硅酸鹽基本呈保守混合行為。
本文根據(jù)2006年夏、冬季以及2007年春、秋季對長江口及鄰近海域表層海水SiO3-Si及相關(guān)環(huán)境因子的調(diào)查數(shù)據(jù),對SiO3-Si在長江口及鄰近海域表層海水的混合模式及影響因素進(jìn)行初步探討,從而初步理解該區(qū)域SiO3-Si的混合行為,為分析混合行為對長江口及鄰近海域營養(yǎng)鹽補(bǔ)充及分布的影響提供初步的科學(xué)依據(jù)。
2006年7月—2007年12月,對長江口及鄰近海域進(jìn)行了春、夏、秋和冬季4個航次的現(xiàn)場調(diào)查。具體調(diào)查站位如圖1所示。因表層海水受其他因素影響較小,本文著重分析長江淡水對長江口及鄰近海域表層海水SiO3-Si的稀釋作用。
圖1 調(diào)查站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling stations
現(xiàn)場調(diào)查使用Rossette采水器采集表層海水樣品,由CTD探頭獲得溫度(T)、鹽度(S)數(shù)據(jù);pH 值使用pH電位法測定;溶解氧(DO)含量使用碘量法測定;海水樣品現(xiàn)場經(jīng)0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾后,使用營養(yǎng)鹽流動分析儀(荷蘭產(chǎn),Skalar)測定SiO3-Si濃度,其測定精密度和檢測限分別為6.0%和0.07μmol/L。
圖2為長江口及鄰近海域四季表層SiO3-Si濃度隨鹽度變化關(guān)系圖。由圖可知,四季表層海水中SiO3-Si濃度在整個鹽度范圍內(nèi)與鹽度(S)相關(guān)性均較好,所測數(shù)據(jù)基本落在理論稀釋線(TDL)上。具體來說,春季,鹽度為0~35的海域,表層SiO3-Si濃度最高達(dá)到100μmol/L,SiO3-Si濃度正偏于TDL線,這可能是懸浮顆粒物的解吸或沉積物的再溶所致[20]。
夏季,S<18的海域處于最大渾濁帶,浮游植物受光限制難以繁殖,此區(qū)域幾乎不受浮游植物活動影響,現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜,表層SiO3-Si濃度在40~120μmol/L之間波動,分布較為離散。S>18的海域,表層SiO3-Si濃度整體上隨鹽度升高而逐漸降低,但分布也較離散。夏季長江口及鄰近海域以硅藻為主的浮游植物旺發(fā),快速增殖的藻類聚集于表層水體中,光合作用最強(qiáng),水體分層強(qiáng)烈而且穩(wěn)定,是溶解氧飽和度最高的季節(jié)[21-22];朱建 榮 等[23]分析認(rèn)為夏季以硅藻為主的浮游植物爆發(fā),表層出現(xiàn)高質(zhì)量濃度的葉綠素a分布;周偉華 等 比較了一年四季水體各層葉綠素a數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)葉綠素a質(zhì)量濃度最高的是夏季的表層。夏季,S>18的海域,硅藻消耗SiO3-Si導(dǎo)致其濃度降低,同時,懸浮顆粒對營養(yǎng)鹽的吸附與解吸以及水底營養(yǎng)物質(zhì)的釋放和再生等地球化學(xué)過程也會影響該區(qū)域SiO3-Si濃度,因此SiO3-Si的稀釋過程與TDL線出現(xiàn)差異。
秋、冬季,鹽度為0~35的海域,表層SiO3-Si濃度隨鹽度升高逐漸降低,相關(guān)性良好,R2分別為0.989 5和0.960 2。
總體而言,秋、冬季SiO3-Si在長江口入海的過程中與鹽度相關(guān)性較好,更符合TDL線,而在春、夏季則稍有不同,主要是由于以硅藻為主的浮游植物增殖、懸浮顆粒物的解吸和沉積物的再溶所致。
圖2 SiO3-Si濃度與鹽度的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Relations between SiO3-Si concentration and S
圖3為長江口及鄰近海域S<18海域(S<18的長江口水域處于最大渾濁帶,浮游植物受光限制難以繁殖)表層海水四季SiO3-Si隨溫度變化關(guān)系圖。由圖可以看出,春季在14~17℃溫度范圍內(nèi)、夏季在24~30℃溫度范圍內(nèi)、秋季在17~23℃溫度范圍內(nèi)、冬季在6~11℃溫度范圍內(nèi),SiO3-Si濃度均隨溫度升高而略有上升,可能的原因是懸浮顆粒物中SiO3-Si的解析量隨溫度的升高而增加,沉積物中SiO3-Si的再溶隨溫度升高而增加。
圖4為長江口及鄰近海域S>18海域表層海水四季SiO3-Si隨溫度變化關(guān)系圖。由圖可以看出,春季在14~16℃溫度范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度存在高值,除此高值區(qū)外,10~20℃溫度范圍內(nèi)表層SiO3-Si濃度均低于20μmol/L,且相差不大;夏季,長江處于豐水期,22~32℃溫度范圍內(nèi),SiO3-Si分布較為分散,在25~28℃溫度范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度存在高值;秋季,15~22℃溫度范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度存在高值,除此高值區(qū)外,15~26℃溫度范圍內(nèi)表層SiO3-Si濃度基本都低于20μmol/L,且相差不大;冬季,6~10℃溫度范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度存在高值,10~19℃溫度范圍內(nèi)表層SiO3-Si濃度均低于20 μmol/L,且相差不大。從以上分析可知,四季均存在表層SiO3-Si濃度的高值范圍,可能是存在高SiO3-Si濃度區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)分析,長江口和杭州灣四季均存在SiO3-Si的高值區(qū),長江口SiO3-Si濃度比杭州灣更高[25]。除上述2個高硅區(qū)域外,整體來說,四季5~32℃溫度范圍內(nèi),表層海水中SiO3-Si濃度均低于20μmol/L,且相差不大。
圖3 S<18海域SiO3-Si濃度與溫度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relations between SiO3-Si concentration and Twhere S<18
圖4 S>18海域SiO3-Si濃度與溫度的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relations between SiO3-Si concentration and Twhere S>18
圖5為長江口及鄰近海域S<18海域表層海水四季SiO3-Si隨pH值變化關(guān)系圖。由圖可以看出,四季pH值在7.7~7.9范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度基本保持不變;pH 值在7.9~8.2范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度隨pH值升高逐漸降低,這主要是由于物理混合作用影響。
圖6為長江口及鄰近海域S>18海域表層海水四季SiO3-Si隨pH值變化關(guān)系圖。春季,pH值在7.9~8.3范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度隨pH 值升高逐漸降低;pH 值在8.3~8.5范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度基本保持不變。夏季,pH值在7.9~8.3范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度隨pH值升高逐漸降低;pH值在8.3~8.6范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度基本保持不變。春季和夏季,pH 值在7.9~8.3范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度均隨pH值升高逐漸降低,主要是由于春、夏季以硅藻為主的浮游植物快速增殖,導(dǎo)致SiO3-Si被明顯消耗,快速增殖的藻類聚集于表層水體中,光合作用較強(qiáng),吸收二氧化碳,致使pH值升高,因而表層SiO3-Si濃度隨pH值的升高而逐漸降低;同時,春、夏季也存在物理混合作用影響,同樣導(dǎo)致SiO3-Si濃度隨pH值升高逐漸降低,但以生物作用為主。秋季pH值7.9~8.3范圍內(nèi)、冬季pH 值8.1~8.3范圍內(nèi),整體上表層SiO3-Si濃度隨pH值升高而逐漸降低,主要受物理混合作用影響。
圖5 S<18海域SiO3-Si濃度與pH值的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relations between SiO3-Si concentration and pH where S<18
圖6 S>18海域SiO3-Si濃度與pH值的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relations between SiO3-Si concentration and pH where S>18
圖7為長江口及鄰近海域S<18海域四季表層海水SiO3-Si隨DO變化關(guān)系圖。由圖可見,表層SiO3-Si濃度與DO含量未呈現(xiàn)明顯相關(guān)關(guān)系。S<18海域,處于最大渾濁帶,浮游植物受光限制難以繁殖,該范圍內(nèi)浮游植物的影響不明顯,此區(qū)域SiO3-Si含量主要受長江淡水中SiO3-Si濃度的影響。
圖8為長江口及鄰近海域S>18海域四季表層SiO3-Si隨DO變化關(guān)系圖。由圖可知,S>18海域,春、夏季,DO含量較高時表層SiO3-Si濃度較低,DO含量較低時表層SiO3-Si濃度較高。夏季DO含量達(dá)到8.0mg/L時表層SiO3-Si幾乎消耗殆盡。一方面春、夏季生物活動旺盛,光合作用增強(qiáng),生物吸收營養(yǎng)鹽的同時釋放大量氧氣,SiO3-Si濃度隨DO含量升高而降低;另一方面受物理作用影響,SiO3-Si濃度隨DO含量升高而升高,但以生物作用為主??傮w看來,春、夏季表層SiO3-Si濃度隨DO含量升高而降低。秋、冬季表層SiO3-Si濃度與DO呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,這主要是受物理混合作用影響。整體來說,春、夏季以生物作用為主,表層SiO3-Si濃度與DO含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;秋、冬季因物理混合作用影響,表層SiO3-Si濃度與DO含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。
圖7 S<18海域SiO3-Si濃度與DO的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relations between SiO3-Si concentration and DO where S<18
圖8 S>18海域SiO3-Si濃度與DO的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relations between SiO3-Si concentration and DO where S>18
根據(jù)2006年7月—2007年12月,對長江口及鄰近海域表層海水SiO3-Si及相關(guān)環(huán)境因子的調(diào)查數(shù)據(jù),對SiO3-Si在長江口及鄰近海域表層海水的混合模式及影響因素進(jìn)行了初步探討,結(jié)果如下:
(1)長江口及鄰近海域表層SiO3-Si濃度與鹽度相關(guān)性總體較好,秋、冬季稀釋模式與TDL線相符,春、夏季因生物作用、懸浮顆粒物解析和沉積物再溶作用的影響,稀釋模式與TDL線存在差異。
(2)長江口及鄰近海域,鹽度S<18的海域處于最大渾濁帶,浮游植物受光限制難以繁殖。整體上,表層海水中,四季SiO3-Si濃度隨溫度升高略有上升,可能是由于懸浮顆粒物中SiO3-Si的解析量和沉積物的再溶增加。pH值為7.7~7.9時表層SiO3-Si濃度基本不變,pH值為7.9~8.2時表層SiO3-Si濃度隨pH升高而降低,這主要受物理混合作用的影響。表層SiO3-Si濃度與DO含量無明顯相關(guān)關(guān)系。
(3)長江口及鄰近海域,鹽度S>18的海域,長江口和杭州灣表層海水SiO3-Si含量相對較高,除上述2個高硅區(qū)域外,四季在5~32℃溫度范圍內(nèi),表層SiO3-Si濃度均低于20μmol/L,且相差不大。pH值為7.9~8.3時表層SiO3-Si濃度隨pH 升高逐漸降低,春、夏季是由于以硅藻為主的浮游植物快速增殖聚集于表層水體,光合作用較強(qiáng),表層SiO3-Si被明顯消耗,同時存在物理混合作用影響,而秋、冬季主要受物理混合作用影響;pH>8.3時表層SiO3-Si濃度基本不變。春、夏季,表層SiO3-Si濃度與DO含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),一方面春、夏季生物活動旺盛,光合作用增強(qiáng),生物吸收營養(yǎng)鹽的同時釋放大量氧氣,另一方面受物理作用影響,但以生物作用為主;秋、冬季表層SiO3-Si濃度與DO呈現(xiàn)正相關(guān),主要是受物理混合作用影響。
致謝 感謝國家海洋局第二海洋研究所陳建芳老師及海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員給予的支持和幫助!
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