文章信息
- 邢建伟, 宋金明, 袁华茂, 李学刚, 李宁, 段丽琴, 王启栋, 左九龙
- XING Jianwei, SONG Jinming, YUAN Huamao, LI Xuegang, LI Ning, DUAN Liqin, WANG Qidong, ZUO Jiulong.
- 胶州湾夏秋季大气湿沉降中的营养盐及其入海的生态效应
- Nutrients in atmospheric wet deposition and their ecological effects on Jiaozhou Bay in summer and autumn 2015
- 生态学报. 2017, 37(14): 4817-4830
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(14): 4817-4830
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201604110665
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文章历史
- 收稿日期: 2016-04-11
- 网络出版日期: 2017-03-02
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 青岛海洋科学与技术国家实验室, 海洋生态与环境科学功能实验室, 青岛 266237
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Function Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China
大气湿沉降是气溶胶及其中所含元素随自然界发生的雨、雪等降水形式沉降至地表及水体表面的过程。对海洋生态系统来讲, 湿沉降中含有浮游植物生长所必需的N、P、Si等生源要素, 是陆源营养物质输送入海的重要途径之一, 也是生源要素海洋生物地球化学循环的一个重要环节[1-2], 短时突发性强降雨带来的营养物质大量输入可能会导致表层海水的暂时富营养化, 并可引起赤潮的发生[3-4]。因此, 湿沉降带来的生源要素输入及其入海的生态效应一直是国内外研究的热点[2, 5-7]。从全球尺度上看, N的大气沉降量通常等于或大于河流向海洋的输入量[8], Zhang[3]研究发现大气湿沉降分别占黄海溶解无机氮(DIN)和溶解无机磷(DIP)输送量的65%和70%。在新加坡滨海下游区域, N的湿沉降占总氮(TN)输入量的70%以上[9], 这些都表明大气湿沉降是海洋N、P营养盐的主要来源之一。黄海和东海降水中5种营养盐组分的浓度呈现NH4-N>NO3-N>SiO3-Si>NO2-N>PO4-P的规律, 雨水的N/P摩尔比值在东海和黄海分别为1319和394, 均远远高于海水中的N/P比值(20—80) 和Redfield比值, 表明突发性的大气降水可以短时显著改变黄、东海表层海水的营养盐结构, 进而对初级生产力及浮游植物群落结构造成显著影响[10]。
胶州湾位于山东半岛东南, 黄海西岸, 为青岛市区、胶州市以及国家级青岛西海岸新区环绕, 面积374.4 km2, 平均水深7 m, 仅在东南角通过一个狭窄的湾口与黄海相通。胶州湾生态系统既受到东亚季风和黄海冷水团等自然因素的影响, 同时也受到沿岸日益增强的人类活动如陆源物质排放、海水养殖等的影响[11], 是我国北方一个受自然变化和人类活动双重影响的典型半封闭型海湾。近几十年来, 受青岛市经济社会迅猛发展、人口激增以及雾霾和沙尘天气频发等多种人文和自然因素的共同影响, 大气沉降在陆源污染物质向胶州湾输送过程中的作用日益凸现。特别是近年来, 随着青岛市“环湾保护, 拥湾发展”发展战略的深入实施, 胶州湾入海河流径流量及输沙量降低, 工农业废水和生活污水排放逐步得到治理。相对河流输入和沿岸非点源污染排放, 大气沉降, 特别是湿沉降在胶州湾营养盐负荷中所占比重势必会增大。因此, 胶州湾大气湿沉降的研究日益受到人们的重视。然而目前有关胶州湾大气沉降营养盐通量及入海生态效应的研究还非常少, 且不成系统, 而湿沉降方面的研究就更少了。
为深入了解大气湿沉降对胶州湾海洋生态系统营养盐输入的贡献及效应, 本研究通过岸基站位定点收集胶州湾2015年6—11月份的大气湿沉降样品, 系统分析了降水中溶解无机态营养盐(NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P、SiO3-Si)和溶解有机氮(DON)的浓度、变化、沉降通量、来源及其影响因素, 在此基础上剖析了大气湿沉降营养盐的输入对胶州湾生态系统的影响, 研究结果可为揭示胶州湾海—气界面化学物质交换过程及通量, 量化大气湿沉降对胶州湾营养物质收支的贡献及影响, 以及进一步阐明胶州湾这一受人为活动影响显著海域生源要素的生物地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析在青岛市市南区海边近岸的南海路7号中国科学院海洋研究所水族楼楼顶(36°03′19.46″N, 120°20′25.11″E)进行湿沉降样品的采集(图 1)。该站点位于胶州湾外南黄海山东半岛南岸沿岸, 距高潮水位岸线直线距离20 m。采样点距地面垂直高度15 m, 通风良好, 周围100 m内无高大建筑物及局部污染源影响。使用DH-200型降雨降尘自动采样器(青岛盛鼎环境仪器有限公司)收集降水样品, 该仪器采样可以实现完全自动化运行, 无需人员值守, 且性能稳定, 取样操作简单, 完全满足采样要求。采样过程中逢雨必采, 若24 h降水量小于0.5 mm, 则舍弃;24 h降水量大于0.5 mm, 则使用聚乙烯瓶(预先经1:10盐酸浸泡3 d, 依次使用自来水、去离子水和Milli-Q水洗净后烘干)收集, 同时记录降水量。采样期间共收集了33个湿沉降样品。为研究湿沉降营养盐浓度随降水时间的动态变化过程, 分别于2015年8—11月分时间段收集了13个连续降雨样品。
收集的雨水样品用0.45 μm醋酸纤维膜(预先经pH=2的盐酸浸泡24 h, Milli-Q水洗至中性, 50℃下烘干)过滤, 滤液-20 ℃冷冻保存, 并尽快上机分析。使用德国产QuAAtro连续流动分析仪测定5项营养盐(NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P、SiO3-Si)。溶解态总氮(DTN)采用过硫酸钾高温氧化法消解后上机测定。全部测定过程中均进行质量控制(表 1), 根据公式DIN=(NH4-N)+(NO3-N)+(NO2-N), DON=DTN-DIN差减计算得出。
营养盐 Nutrients |
测定方法 Measurement method |
精密度/% Precision |
检出限/(μmol/L) Detection limit |
NH4-N | 水杨酸钠法 | 2.71 | 0.25 |
NO3-N | Cd-Cu还原法 | 1.34 | 0.15 |
NO2-N | 盐酸-萘乙二胺比色法 | 1.81 | 0.01 |
PO4-P | 磷钼蓝法 | 2.04 | 0.01 |
SiO3-Si | 硅钼蓝法 | 2.81 | 0.01 |
降水中营养盐的平均浓度是指降水量的加权平均值。营养盐的降水量加权平均浓度及沉降通量的计算方法如下[12]:
(1) |
(2) |
式中, CVWM代表一定时间内降水中营养成分的降雨量加权平均浓度(VWM)(μmol/L), n为一定时间内的降水次数, Ci为单次降水中的营养盐浓度(μmol/L), Qi为单次降水量(mm);FW为湿沉降通量(μmol/m2)。
本研究中所有数据的统计分析借助于SPSS 16.0软件进行, 图片利用Surfer 8.0和Origin 8.0软件绘制。
2 结果与讨论 2.1 样品采集期间降水量观测期间胶州湾的总降水量为625.5 mm, 由于没有计入春、冬季降水量数据, 因而与胶州湾地区年平均总降水量745 mm相比较小[13]。历次降水量变化趋势如图 2所示。从图中可以看出, 各次降雨的降水量差异显著。观测期间共发生降水量超过30 mm的降水7次, 其中6、7、8月份各有1次, 而9月和11月各有2次。夏季(6—8月)、秋季(9—11月)总降水量分别为256.5 mm和369.0 mm。秋季降水量占比(59.0%)显著高于夏季(41.0%), 可见2015年胶州湾降水主要集中在秋季, 特别是11月份, 高达178.5 mm。而往年胶州湾降水集中在夏季的7、8月份, 这2个月的降水量几乎可占全年的一半[13-14]。2015年是强厄尔尼诺年, 可能是该事件引发的气候反常导致了胶州湾2015年与往年降水量季节分配的差异。
2.2 降水中营养盐的水平与变化 2.2.1 降水中不同形态营养盐的浓度水平、结构与变化特征胶州湾2015年夏秋季雨水中各项营养盐的浓度范围和雨量加权平均浓度见表 2。从中可以看出, NH4-N和NO3-N在湿沉降中的浓度较高, 其中NH4-N可占DIN浓度的64.8%, (NO3-N+NO2-N)占35.2%, 与胶州湾2009—2010年的调查结果相当[14], 同时与朱玉梅等在东海的观测结果较为相似[15];DON加权浓度均值可占DTN的25.9%, 与之前的研究结果相比差别不大[16-17], 表明胶州湾雨水中各形态N营养盐的整体来源和组成较为稳定。且胶州湾雨水中DON占DTN的比例与青岛沿海大气气溶胶中DON占DTN的比例(22%)相当[14], 暗示雨水中的N主要来自于对气溶胶中含N粒子的冲刷和淋溶。胶州湾降水中五种营养盐的浓度均值呈现NH4-N>NO3-N>NO2-N>PO4-P>SiO3-Si的特征, 与黄、东海略有差异[10]。与N相比, 雨水中PO4-P和SiO3-Si的浓度很低, 加权浓度均值分别仅0.23 μmol/L和0.12 μmol/L。由图 3也可以看出, 胶州湾降水中NH4-N和NO3-N构成了N营养盐的主体, 且各个月份中NH4-N浓度均高于NO3-N, 这与长江口[4, 18]以及中国多数沿海地区降水中DIN的组成相似[19]。
时间 Time | 项目 Item | 营养盐浓度Concentrations of nutrients/(μmol/L) | |||||||
NH4-N | NO3-N | NO2-N | DIN | DON | DTN | PO4-P | SiO3-Si | ||
夏季Summer | 范围 | 37.95—1524 | 24.28—1430 | 0.01—5.37 | 64.12—2959 | 9.30—330.7 | 124.2—3290 | 0.04—2.29 | 未检出—1.28 |
VWM | 161.5 | 86.05 | 0.575 | 248.1 | 67.37 | 315.5 | 0.16 | 0.10 | |
秋季Autumn | 范围 | 13.09—323.6 | 0.48—138.4 | 未检出—0.71 | 12.33—399.2 | 10.31—132.1 | 44.88—449.1 | 0.08—0.82 | 未检出—0.42 |
VWM | 74.26 | 41.19 | 0.089 | 115.4 | 53.77 | 169.2 | 0.27 | 0.13 | |
整体Total | 范围 | 13.09—1524 | 0.48—1430 | 未检出—5.37 | 12.33—2959 | 9.30—330.7 | 44.88—3290 | 0.04—2.29 | 未检出—1.28 |
VWM | 110.0 | 59.58 | 0.290 | 169.8 | 59.35 | 229.2 | 0.23 | 0.12 | |
VWM:雨量加权平均浓度Volume-weighted mean;DIN:溶解无机氮Dissolved Inorganic Nitrogen DON:溶解有机氮Dissolved Organic Nitrogen;DTN:溶解态总氮Dissolved Total Nitrogen |
由图 3可以看出, 降水中不同形态营养盐的月均浓度变化非常明显。NH4-N、NO3-N、NO2-N和DIN、DON以及DTN随降水量的变化趋势非常相似, 均呈现出先升高、后降低、又升高、再降低的波浪双峰型变化趋势。除DON和PO4-P外, 其它各项营养盐均在7月和10月出现两个极高值, 其中NH4-N和NO3-N的最高浓度分别达最低浓度的4倍和3倍, 不同于以往的研究结果[20], 可能与这两个月份降水量较少有关。将各项营养盐浓度与降水量进行相关性分析, 结果显示, 各项营养盐浓度与降水量之间均呈现不同程度的负相关关系(相关系数在-0.010—-0.350之间), 从而支持了这一推断。降水中PO4-P和SiO3-Si的浓度均很低, 变化也相对平稳。相关的研究表明, 大气P和Si的主要来源均为矿物沙尘[15, 21-22], 而P还有一部分来自于燃烧过程中释放的烟尘[23]。本研究的调查季节为夏、秋季, 胶州湾盛行东南风, 基本没有受到来自西北的沙尘天气以及冬季燃煤供暖的影响, 因而雨水中较低的PO4-P和SiO3-Si浓度可能与二者在调查期间的来源较少有关。研究表明, 降水中的营养盐浓度不仅与降水量有关, 还取决于大气气溶胶粒子的浓度[15, 24], 这从上文雨水和气溶胶中无机/有机氮的含量比例相似也可以得到证实, 而大气气溶胶粒子的浓度同时受到污染物来源[15]以及风向、风速等气象因素的制约[25-28]。调查期间8月份的主导风向为东南偏南风, 来自南黄海的海洋气溶胶对胶州湾大气颗粒物的浓度造成了一定的稀释, 因而虽然8月份的降水量也较低, 但雨水中各项营养盐的浓度却并没有出现极高值。此外, 胶州湾2015年秋季降水量显著高于夏季, 因此, 秋季降水中N营养盐浓度均值普遍低于夏季, 而PO4-P和SiO3-Si与之相反(表 2), 可能是秋季受到西北地区沙尘的远距离输送以及局地排放源(如农作物秸秆焚烧以及大风引起的土壤扬尘等)增强的缘故[16-17]。
为进一步研究连续性降雨条件下, 降水中营养盐浓度随降水持续时间的动态变化规律, 分别于2015年6月25—26日, 7月17—19日, 8月6—8日, 9月1日2:30—15:30, 10月26日5:30—22:30以及11月4日19:50—6日10:40分时段收集降水样品13个, 测定各项营养盐的浓度, 结果见表 3。
时间 Time | 降水量/mm Precipitation amount | 降水类型 Precipitation type | 营养盐浓度Concentrations of nutrients/(μmol/L) | |||||||
NH4-N | NO3-N | NO2-N | DIN | DON | DTN | PO4-P | SiO3-Si | |||
6月June | 4.5 | 小雨 | 66.79 | 186.4 | 0.01 | 253.2 | 41.45 | 294.6 | 0.43 | 0.62 |
81.0 | 暴雨 | 33.95 | 31.92 | 0.32 | 70.18 | 100.4 | 170.5 | 0.04 | 0.02 | |
7月July | 2.5 | 小雨 | 526.2 | 415.4 | 0.04 | 941.6 | 29.78 | 971.4 | 0.80 | 0.20 |
3.5 | 小雨 | 236.5 | 189.7 | 0.04 | 426.2 | 40.29 | 466.5 | 0.37 | 0.02 | |
8月August | 4.5 | 小雨 | 200.8 | 232.9 | 0.04 | 433.8 | 9.52 | 443.3 | 0.67 | 0.19 |
30.0 | 大雨 | 39.83 | 24.28 | 0.01 | 64.12 | 60.09 | 124.2 | 0.07 | / | |
9月 | 7.5 | 小雨 | 71.16 | 83.98 | 0.03 | 155.2 | 132.1 | 287.3 | 0.18 | 0.10 |
September | 8.0 | 小雨 | 110.9 | 41.26 | 0.71 | 152.9 | 26.60 | 179.5 | 0.10 | 0.07 |
10月October | 16.5 | 中雨 | 188.7 | 138.4 | 0.33 | 327.5 | 60.88 | 388.4 | 0.55 | 0.32 |
3.5 | 小雨 | 176.2 | 114.2 | 0.07 | 290.4 | 15.75 | 306.2 | 0.44 | 0.20 | |
11月 | 15.0 | 中雨 | 323.6 | 75.58 | 0.03 | 399.2 | 49.89 | 449.1 | 0.33 | 0.14 |
November | 58.0 | 暴雨 | 45.92 | 18.18 | / | 64.10 | 10.31 | 74.40 | 0.82 | 0.27 |
24.5 | 中雨 | 13.09 | 0.48 | / | 12.33 | 32.55 | 44.88 | 0.10 | 0.12 | |
根据中国气象局降雨量等级划分标准划分;表中“/”表示未检出 |
从表 3可以看出, 各类营养盐大体上呈现出降水后期浓度低于前期的特征, 如7月份的连续降雨中, 前、后期降水量相当, 但后期降水中除DON外, 其它各项营养盐浓度均出现显著降低, 特别是在前期降水量较小而后期降水量较大的情况下, 后期降水中营养盐浓度会呈现迅猛降低的趋势, 此现象在8月和11月的两次降水事件中表现尤为明显。这表明随着降雨的持续, 雨水对气溶胶中营养元素的不断冲刷和淋溶, 使得气溶胶中相应离子的浓度越来越低, 最终导致后期降水中营养成分的浓度呈现逐渐降低的趋势, 进一步证明降水中营养盐的浓度与降水量以及气溶胶中相应营养盐成分的浓度密切相关。然而雨水中营养盐浓度还受到云内雨除及其它气象条件等的综合制约[28], 机制比较复杂, 部分后期降水样品中营养成分浓度高于前期降水, 其中的原因还需要进一步的研究揭示。
表 4列出了不同区域降水中营养盐的浓度。可以看出, 与2009—2010年[14]、2006—2008年[17]以及2004—2005年[16]夏秋季相比, 本研究胶州湾降水中各项无机氮的浓度均明显偏高, 而DON除与2006—2008年秋季大致相当外均明显偏高, 表明近年来胶州湾周边大气N污染在加剧, 而PO4-P和SiO3-Si的浓度与2004—2005年相比显著降低, 但本研究测得的PO4-P浓度比2009—2010年略偏高。同时, 胶州湾湿沉降各项N营养盐的浓度均明显高于大亚湾[29]、黄海[12]、东海[15]的水平, 与长江口[4]相差不大, 但远远高于太平洋降水中各项无机氮的浓度[30], 大致呈现出沿岸>近海>大洋的变化趋势, 进一步证实降水中各项营养盐的浓度除了受降水量影响外, 还受制于气溶胶浓度以及排放源的区域性差异, 这主要体现为人为活动的影响。此外, 排放到大气中的陆源污染物随气团由大陆向远洋的输送路径也会影响相应区域降水中的离子组成。如姜晓璐通过气团后向轨迹研究发现, 青岛地区降水云团大部分来自西北和华北地区, 因此胶州湾降水中各项营养盐的浓度必然会在一定程度上受到上述地区风沙和人为污染物的影响[17]。相对而言, 胶州湾大气湿沉降中PO4-P和SiO3-Si的浓度显著低于长江口, 可能是两地的经济发展水平和自然条件差异造成的。长江三角洲是我国经济最发达的地区, 高强度的工业生产导致的工业烟尘的大量排放以及崇明岛农业耕作导致的土壤中磷肥的释放可能是引起降水中PO4-P浓度升高的重要原因。同时, 调查期间两地气象条件的差异以及局部污染也可能造成雨水中SiO3-Si含量的变动。
海区 Seas | 时间 Time | 营养盐浓度Concentrations of nutrients/(μmol/L) | |||||
NH4-N | NO3-N | PO4-P | SiO3-Si | DIN | DON | ||
胶州湾(1) | 2015夏 | 161.5 | 86.05 | 0.16 | 0.10 | 248.1 | 67.37 |
Jiaozhou Bay | 2015秋 | 74.26 | 41.19 | 0.27 | 0.13 | 115.4 | 53.77 |
均值 | 110.0 | 59.58 | 0.23 | 0.12 | 169.8 | 59.35 | |
胶州湾[14]Jiaozhou Bay | 2009—2010 | 54.8 | 36.3(2) | 0.12 | 5.12 | 91.1 | / |
胶州湾[17] | 2006—2008夏 | 63.10 | 23.37(2) | 0.20(3) | 2.49 | 86.47 | 37.30 |
Jiaozhou Bay | 2006—2008秋 | 63.30 | 25.32(2) | 1.69 | 88.62 | 65.00 | |
胶州湾[16] | 2004夏 | 64.30 | 33.84(2) | 0.84(3) | 2.23 | 98.14 | 29.31 |
Jiaozhou Bay | 2004秋 | 63.90 | 37.59(2) | 4.46 | 101.49 | 33.83 | |
大亚湾[29]Daya Bay | 2012 | 33.86 | 38.29 | / | / | 73.57 | / |
黄海[12]The Yellow Sea | 2009—2010 | 64.24 | 52.42 | 0.01—9.08 | 0.75—95.58 | 1.95—436.0 | / |
东海[15]The East China Sea | 2008—2009 | 16.50—65.74 | 9.39—58.54(2) | 0.04—0.42 | 1.08 | 25.89—115.0 | / |
长江口[4]Yangtze River Estuary | 2004—2005 | 22.90—222.6 | 8.02—92.23 | 0.23—1.34 | 0.09—0.53 | 31.05—315.4 | / |
太平洋[30]The Pacific Ocean | 2008—2009 | 1.70—55.0 | 0.16—18.0 | / | / | / | / |
(1) 本研究结果;(2) 为NO3-N和NO2-N之和;(3) 为年均浓度;“/”表示文中无此数据 |
胶州湾2015年各项营养盐湿沉降通量见表 5(由于缺乏春、冬季湿沉降营养盐数据, 故参考姜晓璐[17]、朱玉梅[14]的研究结果, 取夏秋季NH4-N、NO3-N、DON以及PO4-P和SiO3-Si的湿沉降通量分别约占全年湿沉降通量的75%、75%、60%、40%和60%估算)。可以看出, 2004—2015年胶州湾各形态N营养盐湿沉降通量出现较大幅度的增长, 其中2006—2008年N、P营养盐高沉降通量的出现可能与这些年份较高的降水量密切相关;而PO4-P和SiO3-Si通量出现一定程度的降低, 尤其是SiO3-Si的降低幅度可达几十倍, 表明近十几年来青岛市大气N污染(主要为NH4-N、NO3-N、DON的前体物NOx和NH3)有加重的趋势。2015年夏秋季胶州湾各项营养盐的时间变化如图 4所示。可以看出, 除DON外, 胶州湾NH4-N、NO3-N、NO2-N、DIN以及DTN的湿沉降通量均在7月份达到最高, 而DON湿沉降通量在9月出现最高值。相应的, 各形态N的湿沉降通量最低值均出现在10月份。同样, PO4-P和SiO3-Si的通量最高值均出现在11月, 而最低值分别出现于6月和8月。将上述各项营养盐湿沉降通量与降水量进行相关性分析发现, 其均与降水量呈现不同程度的线性正相关, 相关系数r分别为0.310, 0.307, 0.388, 0.319, 0.652, 0.874, 0.439和0.319, 表明降水量对各项营养盐的湿沉降通量有较大的促进作用。这是由于降水可以冲刷并淋溶气溶胶中含有营养物质的颗粒, 降水量越大, 对气溶胶中颗粒物的冲刷越彻底。然而气溶胶中颗粒物的含量是一定的, 随着降雨量的不断加大, 雨水中营养盐的浓度会逐渐下降(表 3), 进而导致湿沉降通量不能持续呈线性增长。因此, 营养盐的湿沉降通量受到雨水中营养盐浓度和降水量的双重制约, 导致各项营养盐湿沉降通量月际间呈波浪状变化。
海区 Seas | 时间 Time | 降水量/mm Precipitation amount | 湿沉降通量Wet deposition fluxes/(mmol m-2 a-1) | ||||||
NH4-N | NO3-N | PO4-P | SiO3-Si | DIN | DON | DTN | |||
胶州湾(1) | 2015 | 625.5 | 91.76 | 49.69 | 0.35 | 0.12 | 141.7 | 61.87 | 203.6 |
胶州湾[14] | 2009—2010 | 680.3 | 28.30 | 18.80(2) | 0.07 | 2.65 | 47.10 | / | / |
胶州湾[17] | 2006—2008 | 942.1 | 209.3 | 346.2(2) | 3.70 | 3.30 | 556.5 | 240.9 | 797.4 |
胶州湾[16] | 2004—2005 | 605.4 | 53.80 | 38.80(2) | 0.57 | 3.50 | 92.60 | 41.90 | 134.5 |
长江口[4] | 2004—2005 | / | 37.29 | 14.67 | 0.17 | 0.10 | 52.02 | / | / |
黄海[12] | 2009—2010 | 1167.4 | 37.49 | 30.53(2) | 0.80 | 2.14 | 68.02 | / | / |
东海[15] | 2008—2009 | 951.0 | 30.13 | 21.92(2) | 0.08 | 2.05 | 52.05 | / | / |
珠江口[19] | 2006—2007 | / | 47.57 | 36.29 | / | / | 83.86 | 82.27 | 166.1 |
大亚湾[31] | 2012 | 1656 | 68.25 | 84.51 | 0.24 | / | 157.6 | / | / |
Barnegat bay[32] | 1999—2001 | / | 18.60 | 29.20 | / | / | / | / | / |
Eastern mediterranean[33] | 2003—2006 | / | 6.70 | 9.70 | / | / | / | 4.80 | 21.10 |
(1) 本研究数据;(2) 为NO3-N和NO2-N之和; “/”表示文中无此数据 |
与国内其它海域如长江口[4]、黄东海[12, 15]、珠江口[19]、大亚湾[31]相比较(表 5), 胶州湾大气N湿沉降的通量都处于较高水平。与国外一些海区相比, 胶州湾大气NH4-N湿沉降通量分别为Barnegat Bay[32]和东地中海[33]的4.9倍和13.7倍, NO3-N湿沉降通量分别为上述海区的1.7倍和5.1倍。而对PO4-P, 胶州湾与大亚湾[31]相差不大, 但显著高于东海[15]和长江口[4]的水平。2015年胶州湾SiO3-Si湿沉降通量较小, 与长江口[4]相差不大, 但均比黄海[12]和东海[15]小1个数量级。
图 5为胶州湾夏秋季营养盐湿沉降通量相对组成。从中可以看出, 胶州湾大气湿沉降中DTN可占全部营养盐总沉降通量的99.85%, 高于大亚湾86.34%的水平[29], 其中DIN和DON大致呈现3:1的格局, 与珠江口横门(DIN:DON=1:1) 不同[19], 表明DIN是胶州湾大气N湿沉降的主体, 但DON的湿沉降通量亦不可忽视。国外的研究结果也发现, 不同区域的降水中DON可占DTN沉降通量的11%—56%[34], 然而以往研究中往往忽略了DON的湿沉降, 这将会严重低估胶州湾大气N湿沉降的输入通量。相比之下, PO4-P和SiO3-Si的湿沉降通量所占比例甚微。N湿沉降通量中, 又以NH4-N为主, 与长江口[4]以及丹江口水库[35]的观测结果相似;NO3-N和DON次之, 且二者通量相近, 而NO2-N湿沉降通量非常微小。
2.3 降水中营养盐来源初步解析 2.3.1 相关性分析运用SPSS 16.0软件将不同形态营养盐之间进行两两Pearson相关性分析, 来判定不同形态N、P、Si的来源是否具有一致性, 结果如表 6所示。各项营养盐之间均呈现极显著正相关, 而无机氮之间的相关性更为明显, 表明它们可能具有较为一致的来源。PO4-P和SiO3-Si之间的相关性也很明显, 而DON与其它各营养盐成分之间的相关系数均较低, 暗示DON可能还有其它一些来源。已有的研究表明, 大气中的有机氮还来源于生物释放和海洋表层的气泡破碎[36], 可能是这些来源导致了DON与其它营养盐成分间相关性的差异。
参数 Parameters | NH4-N | NO3-N | NO2-N | PO4-P | SiO3-Si | DIN | DON | DTN |
NH4-N | 1.000 | |||||||
NO3-N | 0.906** | 1.000 | ||||||
NO2-N | 0.758** | 0.745** | 1.000 | |||||
PO4-P | 0.792** | 0.896** | 0.590** | 1.000 | ||||
SiO3-Si | 0.711** | 0.784** | 0.697** | 0.791** | 1.000 | |||
DIN | 0.980** | 0.973** | 0.771** | 0.861** | 0.763** | 1.000 | ||
DON | 0.555** | 0.647** | 0.729** | 0.513** | 0.497** | 0.613** | 1.000 | |
DTN | 0.971** | 0.975** | 0.796** | 0.856** | 0.763** | 0.996** | 0.679** | 1.000 |
**示显著性水平P<0.01(双尾), 极显著相关;*示显著性水平P<0.05(双尾), 显著相关 |
一般认为, 降水中氮含量高低与当地的农业生产活动和经济发展水平密切相关。若采样点靠近工、农业发达的地区, 则雨水中NO3-N和NH4-N的含量就高[4]。这从人类活动的角度解释了胶州湾近年来湿沉降氮营养盐逐年升高的主要原因。大气中的NH4-N主要由牲畜粪便和无机氮肥中的NH3转化而来[37], 而NO3-N则主要来自于工业中化石燃料的燃烧[38]。研究表明若雨水中NH4-N/NO3-N>1, 则表示该区域农业排放源占主导地位;反之, 则表示该地区大气中氮盐主要源自于工业排放[39-40]。
本研究中胶州湾夏季湿沉降NH4-N/NO3-N均值为1.7, 秋季均值为3.3, 与2004—2005年NH4-N/NO3-N均值1.6相比偏高[16], 但均大于1, 表明来自于农业生产导致的无机氮排放构成了胶州湾大气湿沉降DIN的主要来源。秋季NH4-N/NO3-N高于夏季, 可能与秋季风大, 导致氮肥颗粒/蒸发物向空中转移增加有关, 同时秋季也是农田大量增施肥料的重要季节的缘故。
2.4 胶州湾大气湿沉降营养盐负荷及对海湾生态系统的影响 2.4.1 胶州湾大气湿沉降营养盐负荷胶州湾面积较小, 水深较浅, 仅通过东南部一个狭小的湾口与黄海相通。大气沉降输入的营养物质无疑将会增加胶州湾的营养盐负荷。为阐明通过湿沉降输入的营养盐总量在胶州湾营养盐总外源输入中的作用, 将表 5中估算的湿沉降通量乘以胶州湾实际面积计算出湿沉降负荷, 并与陆源输入(此处主要指河流输入和陆源排污口污水输入, 下同)和海水养殖的输入负荷对比, 估算大气湿沉降对胶州湾营养盐总外源输入量的贡献(表 7)。
营养盐 Nutrients | 湿沉降负荷 Wet deposition load/ (mol/a) | 陆源输入负荷 Terrestrial inputs load/ (mol/a) | 海水养殖污染负荷 Sea pollution load/ (mol/a) | 湿沉降占总外源输入负荷百分比 Wet deposition percentages in the total input loads/% |
DIN | 5.30×107 | 5.19×108 | 1.47×107 | 9.04 |
DON | 2.32×107 | 2.03×108 | / | 10.24 |
PO4-P | 1.32×105 | 2.18×107 | 1.16×106 | 0.57 |
SiO3-Si | 4.65×104 | 2.67×107 | / | 0.17 |
陆源数据引自杨南南[41]和王刚[42], 海源负荷引自孙松等[13], 其中SiO3-Si仅河流输入, 数据来自刘洁等[43];/表示文中无此数据, 计算时暂不予考虑 |
由表 7可以看出, 胶州湾大气湿沉降各项营养盐负荷在胶州湾总外源输入负荷中的比重均较低, 而其中PO4-P和SiO3-Si的大气湿沉降负荷极低, 与孙松等[13]的估算结果(大气总沉降P负荷占比低于1%)相同, 在总输入负荷中几乎可以忽略不计, 表明胶州湾N、P、Si营养盐均主要来自于陆源输入, 但DIN和DON的大气湿沉降对胶州湾N营养盐负荷也有一定的贡献。本研究中DIN的大气湿沉降量在胶州湾总外源输入中的负荷约为孙松等估算结果(大气沉降占胶州湾DIN入海总通量的6%, 此处为干、湿沉降总量)的1.5倍[13], 但由于本研究没有考虑干沉降, 因而实际的大气干、湿总沉降对胶州湾DIN总负荷的贡献会明显高于6%, 这也从一个侧面反映出大气沉降对胶州湾营养盐负荷的整体贡献在增大。
2.4.2 胶州湾湿沉降营养盐入海的生态效应上述研究已经证明, 大气湿沉降可以为胶州湾带来大量的营养物质输入, 是陆源N营养盐输入胶州湾的重要途径之一。胶州湾面积374.4 km2, 假设降水对海水营养盐短期内只影响到表层2 m的范围, 则采样期间各次湿沉降营养盐输入对胶州湾表层水体营养盐的加富效应见表 8。从中可以看出, 大气湿沉降对胶州湾表层水体各形态N营养盐均有一定的加富作用, 其中对NH4-N的加富贡献率最大, 可以达到13.0%, 其次是DIN, 而对PO4-P和SiO3-Si的加富作用非常微小, 几乎可以忽略不计。以本调查期间夏季一次突发的强降雨为例:2015年7月31日, 胶州湾发生短时强降雨, 1 h内降雨量高达51.5 mm, 由此带来的湿沉降营养盐输入可使胶州湾表层海水DIN、PO4-P和SiO3-Si的浓度分别上升19.26%、1.20%和0.02%。王伟研究了台风“达维”带来的强降雨对胶州湾生源要素的补充作用, 发现降雨后1d胶州湾实测DIN、PO4-P和SiO3-Si浓度较降雨前分别提高54.80%、127.3%和144.6%[44], 显著高于本研究, 推测PO4-P和SiO3-Si浓度的显著升高可能与降水形成的陆地径流的大量输入有关。在厦门海域的研究也发现, 台风“碧利斯”的直接湿沉降带来的营养盐的输入对台湾海峡西部表层海水NO3-N、NH4-N、DIN的加富量分别达2.6、1.4 μmol/L和4.03 μmol/L, 对九龙江口、同安湾以及台湾海峡西部表层海水的DIN的增加幅度分别高达12%、20%和136%[45]。此外, 降水对热带西太平洋海水中的N、P也有一定的补充作用[46]。这些都表明强降雨会在短时间内对相关海域的营养盐水平产生强烈的加富效应。受制于狭窄湾口对湾内外水体交换的阻碍作用, 胶州湾湿沉降带来的大量营养盐很难及时输送到湾外, 且降水中的无机氮浓度均远高于水体富营养化阈值[47], 因此湿沉降特别是突发性强降雨带来的营养盐尤其是无机氮的短时大量输入会使胶州湾水体面临富营养化的风险。
营养盐 Nutrients | 湿沉降平均加富浓度/(μmol/L) Enrichment of wet deposition | 胶州湾海水浓度均值(1)/(μmol/L) Average concentrations of nutrients in the Jiaozhou Bay | 湿沉降对营养盐现存量的贡献/% Contribution of wet deposition to nutrients concentrations |
NH4-N | 1.04 | 8.00 | 13.0 |
NO3-N | 0.56 | 11.50 | 4.87 |
NO2-N | 0.0027 | 1.36 | 0.20 |
DIN | 1.61 | 21.60 | 7.45 |
DON | 0.56 | 17.11 | 3.27 |
PO4-P | 0.0021 | 0.30 | 0.70 |
SiO3-Si | 0.0011 | 7.00 | 0.02 |
(1) 胶州湾海水营养盐浓度数据分别来自康美华[48]和丁东生等[49] |
孙松等[13]总结了胶州湾浮游植物丰度的长期变化, 发现2001—2010年浮游植物数量增长明显, 为上世纪90年代浮游植物平均数量的6.5倍, 主要与营养盐的输入增加有关。而作为胶州湾营养物质重要来源之一的大气湿沉降必然也在一定程度上加速了这一进程。研究发现, 降水可以刺激海水中浮游植物的快速增长, 主要与湿沉降带来的营养盐输入有关[3, 50-51]。浮游植物主要优先利用水体中的NH4-N, 而胶州湾降水中以NH4-N为主的营养盐结构无疑又促进了这一进程。据报道, 海洋中的浮游生物对湿沉降中的营养元素响应迅速, 初级生产力在降水发生后会迅速提高[3, 50]。而且降水中含有的Fe、Mn等微量元素也会促进浮游植物的生长[52]。如Zou等[51]在黄海通过现场添加雨水实验发现, 加入10%的雨水后, 培养瓶中叶绿素a的含量在24 h后增加了2.6倍, 证明了降水对水体浮游植物生长的极大促进作用。由于胶州湾主要为P限制或Si限制[53-54], 根据Redfield定律, 假设湿沉降带来的PO4-P可以完全被浮游植物摄取和利用, 以孙松等[11]得出的胶州湾夏、秋季初级生产力均值分别为835.7 mg C m-2 d-1和247.8 mg C m-2 d-1计算, 则本研究中大气湿沉降所支持的新生产力在夏、秋季分别为0.575 mg C m-2 d-1和1.42 mg C m-2 d-1, 分别占胶州湾夏、秋季初级生产力的0.07%和0.57%。尽管大气湿沉降对胶州湾初级生产力的贡献有限, 但考虑到降水本身的特性, 特别是夏季突发性的强降雨带来的营养盐高强度输入会使表层海水的营养盐浓度迅速增加, 从而促进浮游植物的大量繁殖。如2003年6月胶州湾东侧近岸出现的短暂初级生产力极高值(7 213.5 mg C m-2 d-1), 可能与一周前出现的一次强降雨有关[11]。此外, 在2004年7月11日, 胶州湾一天内降雨可达49.5mm, 雨水中DIP所支持的新生产力为142.2 mg C m-2 d-1, 可占夏季胶州湾海水中平均初级生产力的17%[16]。在美国的Chesapeake湾, 也发现极端天气带来的淡水输入可以显著改变浮游植物的现存量和空间分布格局[55]。相关研究发现, 赤潮的爆发往往是在大雨过后不久发生的, 与降水中较高含量的营养盐有关[56-57]。这都充分表明湿沉降输入的营养盐会对胶州湾浮游植物丰度以及初级生产力产生重要的影响。
本研究中, 胶州湾降水中DIN/P, Si/DIN和Si/P分别为1 617, 0.001和0.90。DIN/P分别为东海[15]和大亚湾[31]降水中N/P比值的2.4倍和10倍, 远远高于Redfield比值和胶州湾水体中的DIN/P, 但Si/N和Si/P却远远低于水体中相应的比值[58], 表明降水可能会在某种程度上改变胶州湾表层海水的营养盐结构。假设湿沉降带来的营养盐输入仅对海水表层2 m产生影响, 以表 8的数据为例, 计算得出降水发生前胶州湾海水的DIN/P、Si/N比值分别为72和0.32, 降水发生后二者分别变为76.8和0.30, 可知夏、秋季降水对胶州湾表层海水的平均加富作用对表层海水的营养盐结构影响不大, 但一次强降水过程如7月31日的短时大暴雨会使表层水体的DIN/P、Si/N比值分别改变为84和0.27, 表明湿沉降可在一定程度上加剧胶州湾表层水体的P限制或Si限制, 与Liu等[54]的观点一致。长期的N/P比失衡可以导致甲藻类在浮游植物群落中的比例大幅上升[59-60]。由于甲藻主要优先摄取NH4-N, 而湿沉降中以NH4-N为主的营养盐结构势必会促进甲藻的繁殖和增长, 相应的研究也发现, 近年来胶州湾甲藻类群成为优势种的概率在不断增加[13], 这表明由大气湿沉降带来的大量NH4-N的输入以及P和Si的相对极度缺乏可能会引起胶州湾浮游植物优势种由硅藻到甲藻的演替。如2003年以后, 甲藻经常成为胶州湾夏季一些区域的优势种类, 且甲藻的高值分布区呈现湾外向湾内蔓延的规律[13]。此外, 由于微型和微微型浮游植物的生长更容易受到NH4-N浓度的影响, 而NO3-N则可以促进小型浮游植物的生长。研究发现自1998年开始, 胶州湾小型浮游植物所占比例下降, 而微型浮游植物比例有所上升[61], 这可能也与大气湿沉降中NH4-N的比例较高有关。综上所述, 大气湿沉降通过可以改变表层水体的营养盐结构进而对胶州湾的浮游植物群落结构、优势种演替以及粒级结构产生重要影响。
3 结论(1)2015年夏秋季胶州湾大气湿沉降NH4-N和NO3-N构成了DIN的主体, 且各个月份中NH4-N浓度均高于NO3-N, DON含量占DTN的25.9%, 而PO4-P和SiO3-Si的浓度均很低, 可能与调查期间二者的来源较少有关。胶州湾雨水中各项营养盐浓度具有显著的时间变化, 均与降水量呈负相关关系, 还与气溶胶中营养物质的来源和浓度有关。
(2)2015年胶州湾DIN, DON, PO4-P和SiO3-Si的湿沉降通量分别为141.7、61.87、0.35 mmol m-2 a-1和0.12 mmol m-2 a-1, 月际间变化显著。DIN和DON大致构成3:1的湿沉降格局, 忽略DON将会严重低估胶州湾大气N湿沉降通量。NH4-N占全部N湿沉降通量的48%, PO4-P和SiO3-Si的湿沉降通量较低。与国内外其它海域相比, 胶州湾的大气N湿沉降通量处于较高水平。
(3) 相关性分析表明, 除DON外, 其它形式的N营养盐可能具有较为一致的来源, NH4-N/NO3-N比值分析表明, 农业生产导致的无机氮排放构成了胶州湾湿沉降DIN的主要来源。
(4) 胶州湾大气湿沉降营养盐负荷与陆源输入相比较低, 湿沉降可对表层海水的营养盐浓度产生一定的加富效应, 可能引发水体富营养化。以PO4-P计算, 大气湿沉降所支持的新生产力分别占胶州湾夏、秋季初级生产力的0.07%和0.57%, 短时强降雨带来的大量营养盐输入会对胶州湾浮游植物丰度及初级生产力产生重要影响。湿沉降中DIN/P比高达1 617, 而Si/DIN则低至0.001, 湿沉降带来的大量无机氮输入可在某种程度上改变表层水体的营养盐结构, 加剧胶州湾表层水体的P限制或Si限制, 并可能导致浮游植物优势种由硅藻到甲藻的演替, 从而对浮游植物群落结构、优势种演替以及粒级结构产生重要影响。作为生源要素生物地球化学循环的重要一环, 大气湿沉降对胶州湾生源要素收支的贡献及其引发的生态效应不容忽视。
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