【doc】黄海和东海营养盐分布及其对浮游植物的限制

黄海和东海营养盐分布及其对浮游植物的限制应用生态2003年7月第14卷第7期CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY.Ju1.2003,14(7):11221126黄海和东海营养盐分布及其对浮游植物的限制王保栋(国家海洋局第一海洋研究所,青岛266061)1引言*【摘要l根据19971999年黄海和东海4个季节的现场调查资料,分析探讨了黄海,东海的营养盐分布特征及其对浮游植物生长的限制状况.结果表明,在长江El以东及其东北部海域终年存在一个范围很大的营养盐高值区.分析表明,这些营养盐主要来自长江冲淡水的扩展及苏北沿岸流的输送.此外,还获得了1998年长江流域特大洪水期间,迄今被观测到的长江冲淡水中营养盐的最大扩展范围.计算并研究了黄海,东海上层水中Si/N/P比值,结果表明,黄东海上层水中Si/N比值较高,si不会成为黄东海浮游植物生长的限制因子;但在南黄海南部尤其是西南部,东海近岸及长江口以东海域,N/P比值很高(>30),说明与一般海洋环境的情况不同.黄海,东海有很大一部分海域浮游植物的生长受磷限制,而不是受氮限制.关键词营养盐营养盐限制黄海东海长江口文章编号10019332(2003)07112205中图分类号P734.2文献标识码ANutrientdistributionsandtheirlimitationo9phytoplanktonintheYellowSeaandtheEastChinaSea.WANGBaodong(FirstInstituteofOceanography,SDA,Qingdao266061,Chirm).C.J.A.Eco1.,2003.14(7):11221126.Basedonfieldobservationsduring1997to1999,thedistributionsofmicronutrientsandtheirlimitationonthegrowthofphytoplanktonintheYellowSeaandtheEastChinaSeawerediscussedinthispaper.Theresultsshowedthattherewereabundantnutrientsintheareaoftheeastandnorthern.eastoftheChaniangRiverestu.ary,andthenutrientscanlefromtheextensionoftheChang/iangRiverdilutedwaterandthetransportationoftheSubeiCoastalwater.Besides,themaximumextensionrangeofthenutrientsintheChang/iangRiverdilutedwaterwasobservedduringthecatastrophicfloodingperiodoftheChang/iangRiverinthesummerof1998.BasedontheRedfieldratio(Si:N:P=16:16:1)inwhich.threeessentialnutrientswereutilizedbymarinephytoplankton.theSi/N/PratioswereealculatedandstudiedfortheupperwateroftheYellowSeaandtheEastChinaSea.Theresultsindicatedthatsi/Nratioswereveryhigh,whichsuggestedthatsilicatewasnotthelim.kingfactorforthegrowthofphytoplanktonintheYellowSeaandtheEastChinaSea.However,underthein.fluenceofterrestrialrunoff,especiallytheChang/iangRiverrunoffwhichwasrichincombinednitrogenandhadveryhighN/Pratios,highN/PratiosoccuredintheChan西iangRiverestuaryanditsadjacentareassuchasthesouthandsouthwestoftheYellowSea.theinshoreareaoftheEastChinaSeaandtheareaeastoftheChang/iangRiverestuaryinspringandsummer.Asaresult,incontrasttogeneralopenmarinesystems,thesystemsintheseareasresembledestuarineonesratherthantypicalmarineones,TheprimaryproductioninaconsiderabhportionoftheYellowSeaandtheEastChinaSeamighthelimitedbyphosphateratherthannitrogen.KeywordsNutrient,Nutrientlimitation,YellowSea,EastChinaSea,Chang/iangRiverestuary海洋中的浮游植物是按一定比例自海水中吸收营养盐,这一恒定比例称为Redfield系数.海水中营养盐摩尔比值偏离Redfield系数过高或过低,均可导致浮游植物的生长受到某一相对低含量元素的限制,并显着影响水体中浮游植物的种类组成【581.一般认为,淡水环境中的初级生产力受P的限制,而在海洋及河口环境中则受N的限制【?t?15,.引.Fisher等J研究指出,N或P的限制性是有空间变化的,甚至在同一海区还有N,P营养盐限制的季节性交替变化.近年来有研究者指出Si也可能成为限制性因素【2】.Fe,Mn等亦可成为限制因子【tJ.黄海,东海是我国重要的陆架海区,向以生产力高而着称.关于这些海区浮游植物生长的营养盐限制因素的研究报道较少.王勇等【2根据现场培养实验对秋季北黄海的营养盐限制问题进行了研究,认为在该季节N,P营养盐的限制同时存在或交替限制.在长江口内部,强烈的湍流和水体高浑浊度限制了浮游植物的光合作用,因此,光或透明度成为这一水域初级生产力的限制因素.营养盐对初级生产力没有明显的限制作用副;但在长江口外,浮游植物的生长受P的限制?J,离河口500km以上的区*国家重点基础研究发展规划资助项目(2001CB409703)*通讯联系人.20021218收稿,20030225接受.|J7期王保栋:黄海和东海营养盐分布及其对浮游植物的限制1123域则受N限制【4】.Wong等J研究了夏季东海北部表层水中的过量氮,认为该海域浮游植物的生长可能受到P的限制.然而,上述结果并不能反映整个黄东海不同季节营养盐限制状况.本文根据19971999年对黄东海整个陆架海区的现场调查资料,拟对整个海区不同季节营养盐的分布及其对浮游植物生长的限制状况进行探讨,这对于了解东海赤潮频发的成因及赤潮防治具有重要意义.2调查方法在黄海,东海(北至37.N,南至台湾海峡)布设1213条东西断面共121151个测站.调查时间分别为1997年10z11月,1998年5月和78月,1999年1月,各航次具体站位参见文献【2.使用海鸟SBE25CTD仪测温度,盐度和深度,并用其玫瑰形采水系统用Niskin采水器采水(标准层).无机氮(包括NO2一.N,NO3一一N,NH4一N)和无机磷(P04?P),活性硅(Si03卜.Si)水样经0.45m醋酸纤维滤膜现场过滤后,用分光光度计按<海洋调查规范>(GB12763.4-91)现场测定.并用国家海洋局第二海洋研究所生产的营养盐标准系列制定工作曲线.3结果与讨论3.1营养盐的平面分布春季,东海表层高盐水主要来自黑潮,其次来自台湾暖流,这些高盐水的盐度通常不低于33.7C,l9.因此,东海盐度低于33.0的水域是这些高盐水与陆地径流,特别是长江冲淡水的混合水.长江水中富含无机氮和硅酸盐,曾有报道长江水中硝酸盐浓度高达100/mol?L,硅酸盐浓度可超过100肿o1.L_.201.因此,长江冲淡水中的营养盐将对黄海和东海产生重大影响.春季(5月),由于长江径流量大并受偏南风的共同作用,长江冲淡水开始左转北上,进入苏北近岸;另一部分则南下,而且有一部分南下的冲淡水以窄带形继续向东伸展至东海外陆架区(图1a).受长江冲淡水的影响,苏北近岸,长江口和东海近岸海域为营养盐高值区(DIN>3tmol?L_.,PO4一P>0.2ttmo?L,SiO3.Si>15tool?L,图2a,b,c);南黄海东部和北部,东海50m以深的陆架区,营养盐含量较低.比较盐度(图1a)与营养盐的分布(图2a,b,c)可以看出,盐度分布中冲淡水以窄带形向东伸展至东海外陆架区的情形,在营养盐的分布中并不十分明显,这可能是冲淡水向陆架区运移过程中,其中营养盐被浮游植物大量消耗所致.1998年夏季长江流域爆发特大洪水.其程度仅图1黄海,东海4季表层盐度(a,b,c)和水温(d)平面分布Fig.1SurfacedistributionsofsalinityandtemperatureintheYellowSeaandtheEastChinaSeainfourseasons.a)春季Spring.b)夏季Summer.c)秋季Autumn.d)冬季Winter.次于1954年.1998年长江年径流量高达124010?m3】,比常年高出30%.从6月25日至8月底共65d的洪水期中长江径流量为42210m3引,约占年径流量的1/3.1998年长江人海的硝酸盐净通量达到创记录的10310tool【l7J,约为常年的2倍.以往的研究表明长江冲淡水为一射形流,即长江冲淡水主流的流向与表层盐舌的主轴一致u.Il.根据表层盐度的分布(图lb),1998年夏季洪水期长江冲淡水的扩散形态大致可分为3个阶段:第1阶段为长江径流人海段,即径流人海向东南冲溢,然后在31.N,122.5.E附近左转,转向点的表层盐度小于7.0;第2阶段为射形流冲溢阶段,冲淡水以舌形形态向济州岛方向伸展,盐度从7.0增大到26.0,长江冲淡水核心区(s<26.0)达到125.5.E;第3阶段为扩散阶段,在125.5.E以东,冲淡水向东南扩散,然后向东,盐度小于28.0的表层水扩散范围可达128.E.黑潮转弯处的表层水也受到重大影响.其盐度小于31.0.南黄海南端及苏北浅滩海域.盐度应用生态14卷低于30.0;东海南部近岸,长江冲淡水向南可达28.N.与盐度的分布相似,高无机氮水舌约在31oN,122.5.E附近左转向东北伸展直指济州岛,转向点处无机氮浓度大于40vmol?L.,1vmol?L-1等值线范围向东接近128.E(图2d).这是迄今调查发现的长江冲淡水中无机氮的最大扩散范围.苏北浅滩,浙江沿岸海域无机氮含量亦较高(>5mo1.L-1),并分别由近岸向远岸,由长江口分别向南,北快速递减至1vmol?L-1以下.活性硅酸盐的分布与无机氮大致相似(图2f).但磷酸盐的分布明显不同(图2e),富含磷酸盐的水舌向东南扩展进入东海,但并未出现明显左转的现象,其扩展范围也比无机氮小得多.王保栋等【2IJ认为这是长江口羽状锋区(盐度为20-27的区域)浮游植物大量摄取磷酸盐所致.秋季,由于长江径流量小并受东北风的影响,长江冲淡水穿过杭州湾口南下,并限于靠岸的一狭带(图lc).黄海西南部即苏北浅滩海域被盐度小于32.0的低盐水所占据,这是苏北沿岸流向东南方向扩展及小部分长江冲淡水的左转北上所致【22I.该海域营养盐含量很高,无机氮,磷酸盐和硅酸盐含量分田2黄海,东海4季表层营养盐平面分布Fl|.2SurfacediatributionsofnutrientsintheYellowSeaandtheEastChinaSeainfourth?qon$.7期王保栋:黄海和东海营养盐分布及其对浮游植物的限制别大于5,0.3和15pmol?L-1(图2g,2h,2i).东海近岸海域营养盐含量亦很高,且等值线几乎与海岸线平行,但仅限于靠岸的一狭带,且此处等值线十分密集,形成明显的营养盐锋面.自此向外营养盐含量快速递减.南黄海中央及西北部海域仍为营养盐低值区.冬季,长江冲淡水的扩展与秋季相似.水温的平面分布比盐度的分布更好地体现了黄,东海的环流状况.图1d显示高温,高盐的黑潮水自台湾东北部入侵陆架,台湾暖流北上可达31.N.源自对马暖流的黄海暖流自济州岛以西进入黄海.低温,低盐的苏北沿岸水向东南方向扩展,呈钝水舌形态进入东海北部.冬季营养盐分布(图2j,2k,21)表明,苏北浅滩海域为营养盐高值区,并呈钝水舌形态朝东南方向伸展进入东海北部.南黄海营养盐基本呈中央低,四周高的分布规律.东海近岸海域硝酸盐含量很高表1黄东海上层水体中Si/N/P比值统计结果Table1StatisticalresnltsoftheSi/N/PratiosintheupperlayeroftheYellowSeaandtheEastChinaSea(>10tmol?LI1),营养盐等值线走向几乎与海岸线平行,但仅限于靠岸的一狭带,且此处等值线十分密集,形成明显的营养盐锋面.自此向外硝酸盐含量快速递减.在台湾岛东北部海域可见低营养盐的黑潮表层水呈钝水舌状入侵陆架.而夹在沿岸锋与黑潮锋之间的是东海混合水,营养盐含量居中.总的看来,冬季营养盐平面分布趋势与秋季十分相似.3.2si/N/P比值为了更好地表征黄海,东海真光层中的营养盐状况,取黄海和东海近岸海域020m,东海外陆架区050m水层(真光层深度大致如此)营养盐浓度平均值计算si/N/P比值.从表1可以看出,黄东海绝大多数站位的Si/N比值大于1,只有极少数站位的Si/N比值小于1,但均在0.8以上.Si/N比值的平均值以春,夏季最高,冬季最低.一般认为,海洋硅藻的Si:N:P摩尔比值大约是16:16:1(即Si:N=1:1).因此,可以认为,si不会成为黄东海浮游植物(主要是硅藻)的限制性因素.资料表明,黄东海人海河流的DIN/Po4卜比值(其中DIN=NO3一十NO2一十NH4)在2O5000之间,远远超过适宜于海洋浮游植物生长的Redfield系数(N/P=16).因此,受河流物质输送的影响,黄东海近岸水体中无机氮相对过剩,而无机磷相对缺乏,因而近岸水体中浮游植物的生长很可能受到磷酸盐供给的限制.图3显示N/P比值的水平分布与无机氮的平面分布极为相似,即无机氮浓度高的区域,N/P比值亦高.胡明辉等【7曾根据长江口浮游植物的现场培养实验结果,提出了长江口海域浮游植物生长的营养盐限制标准,即当N/P比值大于30时,为磷限制,当N/P比值小于8时,为氮限制.若将此标准推广至受长江冲淡水影响的海域,则春季磷限制海域为2934.N,123.E以西海域(图3a);夏季磷限制海域覆盖了南黄海西南部,30田3黄海,东海4季上层水中N/p比值的平面分布Fig.3DistributionsofN/PratiosintheupperwateroftheYellowSeaandtheEastChinaSeainfouraeB5.1126应用生态14卷33.N,126.E以西海域及东海近岸海域(图3b),磷限制海域范围为4季之最;秋季,磷限制海域仅限于长江口及其以东,东海近岸一狭带(图3c);冬季则无磷限制海域(图3d).此外,南黄海北部及东海东南部及黑潮区N/P比值小于10,海水中无机氮相对缺乏,符合海洋环境中浮游植物生长受N限制的一般规律.此外,从图3b可以看出,N/P比值最高的区域不是在长江口,而是在以32.N,124.5.E为中心的周围海域.受长江冲淡水的影响,该海域无机氮浓度很高(20tmol?LI1左右,图2d),但磷酸盐浓度却极低(0.1tmol?LI1左右,图2e),此区域又刚好位于长江口羽状锋区,浮游植物大量摄取营养盐,使磷酸盐浓度几近耗尽,但由于无机氮显着过量,因此无机氮仍保持很高的浓度.由此导致该海域极高的N/P比值,浮游植物的生长明显受P限制.4结语黄,东海上层水中si/N比值较高,因此si不会成为黄东海浮游植物生长的限制因子;但在南黄海南部尤其是西南部,东海近岸及长江口以东海域,N/P比值很高(>30),说明与一般海洋环境的情况不同,黄海,东海有很大一部分海域浮游植物的生长很可能是受磷的限制,而不是受氮的限制.研究表明,磷限制海域的限制程度及范围主要受陆地径流(主要是长江水)的季节变化的影响.参考文献lChenrA.R11oR,PaiS,O2.1995.ExchangeofwaterrnassesbetweentheEestChinaSeaandtheKuroshiooffnortheasternTai.wan.ContinentalShelfRes.15:19392DngdaleRC.WilkersonFP.MinasHJ.1995.Theroleofasili.catepumpindrivingnewproduction.Deep-SinRes.42:6977193FisherTR.PeeleER.AnllnerrnanJW.o2.1992.Nutrientlimi.rationinChesapeakeBay.MarEcdProgSer.82:51634HarTigonP.,HuMH,YangYP&LuX.1990.Phosphatelimi?rationinestuarineandcoastalwatersofChina.,Ea:pB/o/Ecol,l40:79875HealeyFP.HendzelLL.1980.Physiologicalindicatorsofnutrientdeficiencyinlakephytoplankton.Can_r刚lAquaticSci,37:4424536HeckyRE.KilhamP.1988.Nutrientlimimtionofphytoplanktoninfreshwaterandmarineenvironments:Areviewofrecentevidenceontheeffectsofenrichment.LimnolOceanogr.33(4):7968227HuM.H(胡明辉),YangY.P(杨逸萍),XuCL(徐春林),O2.1989.PhosphatelimitionofphytoplanktongrowthintheChangjhngestuary.ActaGtanolSin(海洋),11(4):439-443(inChinese)8KilhamP.HeckyRE.1988.Comparativeeoobgyofmarineandfreshwaterphytoplankton.L/randOcamogr.33(4):7767959KromMD.BrennerS.KN.GordonLI.199I.PhosphoruslimimtionofprimaryproductionintheEasternMediterraneanSea.LimndOcanogr.36:4244321OLeKT(乐肯堂).1986.Solneaspectsof出epathoftheChangjiangdilutedwater.&udMarSin(海洋科学集刊),27:221228(inChinese)llMaoHL(毛汉礼),KanT.C(甘子钧),LanSF(蓝淑芳).1963.ApreliminarystudyoftheYangtzedilutedwateranditsmixingprocesses.Gtano/L/mno/Sin(海洋与湖沼),5(3):183206(inChinese)12MartinJH.1992.Ironasalimitingfactorinoceanicproductivity.In:FalkowskiPG&WoodheadADeds.PrimaryProductivityandBiogeoehemicalCyclesintheSea.NewYork:PlenumPress.123137l3MartinJH,Coale,.i,KHJohnsonKSeta/1994TestingthetonhypothesisinecosystemsoftheequatorialPacificOcehq.j,.371:123129l4PuxM(蒲新明),wuY.L(吴玉霖),ZhangY.S(张永山).2001.AstudyonthenutrientlimitationofphytoplanktonintheChangjiangestuary.In:Zhangs(章申)&Shen咐(沈焕庭)eds.Land-SeaInteractioninEstuariesoftheChaniangRiver.ZhujiangRiverandTheirAdjacentSeaAreas.Beijing:OceanPress.173194(inChinese)l5RaymontJEG.1980.PlanktonandProductivityintheOceans.2ndEdition.V0I_1Phytoplankton.Oxford:PergamonPresa.48916RytherJK,DunstanWM.1971.Nitrogen.phosphorusandeu.trophicationinthecoastalnneenvironment.Sc/ence.171:1008101317ShenZ-L(沈志良),LiuQ(刘群),ZhangSM(张淑美),eta/.2001.ThedominantcontrollingfactorsofhighcontentinorganicnitrogenintheChangjiangRiveranditsmouth.Gemno/LimnolSin(海洋与湖沼),32(5):465473(inChinese)18Shenz.L(沈志良),LuJ-p(陆家平),LiuX.J(刘兴俊),eto2.1992.DistributionfeatureofnutrientsintheChan4iangestuaryandtheimpactoftheThteeGorgesprojectonit.&udMar(海洋科学集刊),33:107129(inChinese)19SuY.WengX.1994.Water蝤8esinChinaSeas.In:ZhouD.LiangYB,ZengCK,eds.OceanologyofChinaSeas,voJ.1.Netherlands:KluwerAcademicPublishers.31620TangR.DongH,WangF.1990.BiogeoehemicalbehaviorofnitTogenandphosphateintheChangjiangestuaryanditsadjacentwaters.In:YuG.MartinJM.ZhouJ,WindomH&DawsonR.eds.BiogeochemicalStudyoftheChan西iangEstuary.Beijing:OceanPres$.32233421WangB-D(王保栋),ChenA-P(陈爱萍),LiuF(刘峰).2002.ChemicohydrographiccharacteristicsintheshelfareaduringtheChan西iangRivercatastrophicfloodperiodinthesummerof1998.AdvMarS矗(海洋科学进展),20(3):1519(inChinese)22Wang,B-D(王保栋),ZhanR(战闰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