大海洋微表层海水对营养盐的富集

大海洋微表层海水对营养盐的富集

海洋约占地球表面的70%，微面海洋是海洋和大气相互作用的重要界面。氮、磷、硅和有机物质的丰富度也不同。国际上对微海表面的研究很多，这在中国才是如此。张正斌等人对南海微地表的化学过程进行了系统的研究。然而，对东南亚海域氮、磷、硅盐的研究仍然是空白。根据1998年10月、11月和1999年4月、5月和10月五个阶段的结果，亚太经合组织首次对香港亚太经合组织亚太经合组织亚太经合组织亚太经合组织亚太经合组织进行了初步研究。1主要站位分布,仅有3个半开1998年秋季(10、11月)、1999年春、秋两季(4、5、10月)在大亚湾海域开展了多个航次海洋微表层、次表层的调查研究工作.根据以往大亚湾生态网络调查的实践,并结合大亚湾沿岸及湾内独特的环境地理条件,在原有12个站位的基础上,重点增加了诸如大亚湾核电站(GNPS)进出水口(4-1、5-1站)、水产养殖区(渔排,8-2,12-1站)等站位.具体站位分布见图1.用0.5cm厚的平板玻璃制成一个40cm×60cm的长方形,用硅橡胶做一个刮片,采微表层水样(厚度约80μm);用5dm3有机玻璃采水器在水面下25cm处采集次表层水样,在水面下50cm处采集表层水样,在离底1m处采集底层水样,水样送回岸上实验室测定.部分水样经过0.45μm滤膜过滤后供测定营养盐用,化学需氧量(COD)用碱性高锰酸钾法测定,营养盐用微量连续流动分析系统(荷兰Skalar公司产品)测定,其余项目按《海洋监测规范》方法测定.2结果与讨论2.1微表层海水对三氮的富集微表层海水对营养盐等物质的富集程度用富集因素(EnrichmentFator,简称EF)表示.计算公式如下:EF=ci(微表层)/ci(次表层)式中:EF为富集因数,ci(微表层)为i种物质在微表层的含量,ci(次表层)为i种物质在次表层的含量.5个航次微表层海水对营养盐的富集状况可描述如下:第一个航次(1998-10,7个站)大亚湾微表层海水对三种形态的无机氮,即硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、铵氮(NH4-N)均产生富集;富集因子NO3-N为2.00～4.00,平均值为3.03;NO2-N为1.02～1.32,平均值1.11;NH4-N为1.83～5.12,平均值3.38.只有57%站位的微表层海水对活性磷酸盐(PO4-P)产生富集,整个海区的富集因子为0.17～4.00,平均值1.21.有86%站位的微表层海水对活性硅酸盐(SiO3-Si)产生富集,富集因数为0.96～1.43,平均值1.16.第二航次(1998-11,11个站)有70%站位的微表层海水对三氮产生富集,NO3-N、NO2-N、NH4-N的富集因数分别为0.31～7.14(平均值2.83)、0.42～1.83(平均值1.13)、0.85～5.87(平均值2.61).约64%站位微表层海水对PO4-P产生富集,富集因数为0.44～1.75,平均值1.18.约有64%的站位微表层海水对SiO3-Si产生富集,富集因数0.41～2.00,平均值1.20.第三航次(1999-04,6个站)微表层海水对NO2-N和NH4-N均产生了富集,NO2-N的富集因数为1.06～4.00(平均值2.38);NH4-N的富集因数为1.76～6.22(平均值3.93,因NO3-N在微表层和次表层水中含量变化极大,各站EF值相差甚远,不作讨论).各位微表层水对PO4-P均产生了富集,富集因数为1.11～2.50,平均值1.64.有大于83%的站位微表层水对SiO3-Si产生富集,富集因数0.94～1.50,平均值1.14.第四航次(1999-05,8个站)微表层水对三氮(除5-1站NO2-N外)均产生了富集,NO3-N、NO2-N和NH4-N的富集因数分别为1.46～2.28(平均值1.94)、0.86～3.38(平均值1.56)和2.29～7.73(平均值4.82).微表层水对PO4-P的富集情况较复杂,有3个站(占37.5%)存在着反富集现象;有2个站的EF值为1;只有3个站产生富集,整个海区富集因数为0.43～1.50,平均值0.99.有75%的站位微表层水对SiO3-Si产生富集,富集因数为0.83～1.22,平均值1.06.第五航次[1999-10,9个站(其中增加了湾口三门岛海域3个站)]对NO3-N而言,大亚湾湾内有50%的站位、湾口有1/3的站位存在着反富集现象,其余站位微表层水对NO3-N产生了富集,富集因数湾内为0.28～6.20,平均值1.99;湾口为0.22～3.06,平均值1.57.无论湾内或湾口,微表层水对NO2-N和NH4-N均产生了富集.NO2-N的富集因数湾内为1.08～2.40,平均值1.66;湾口为1.20～1.75,平均值1.54.NH4-N的富集因数湾内为2.06～9.61,平均值5.00;湾口为1.95～7.36,平均值4.41.微表层水对PO4-P除湾内1个站存在着反富集现象外,其余站位均产生富集,湾内和湾口三门岛海域的富集因数分别为0.80～1.50,平均值1.17和1.17～2.86,平均值2.18.无论湾内或湾口,微表层水对SiO3-Si均产生了富集,富集因数分别为1.04～1.64,平均值1.27(湾内)和1.04～1.22,平均值1.14(湾口).上述结果表明,大亚湾海区微表层海水对氮、磷、硅营养盐都产生了富集,与在厦门港和在南沙海区得出营养盐在海洋微表层产生富集的结论相一致.因海况及季节不同,其富集因数(EF)会有所差别,如大亚湾海区微表层海水对PO4-P的平均富集因数远低于南沙海区,对SiO3-Si的富集因数亦低于南沙海区和西太平洋附近海区.2.2微表层海水淡化产物的垂直分布特征春季(1999-05)和秋季(1999-10)大亚湾海区微表层、次表层、表层和底层水中三态氮各占无机氮(DIN)含量的百分比列于表1.从表1可以看出,无论微表层、次表层或是表层、底层,水中DIN平均含量均是秋季高于春季.它们的垂直分布特征均是微表层的DIN含量最高,说明整个调查海区微表层海水对DIN产生富集,湾内是次表层的最低,湾口则是表层的最低.底层由于底质营养盐的再悬浮,其含量高于次表层或表层.从表1还可看出,无论春季或秋季,湾内或湾口,微表层水中无机氮主要以NH4-N的形态存在,而在次表层、表层、底层水中无机氮则主要以NO3-N形态存在,说明微表层海水有其独特的化学性质.2.3微表层、次表层水中nh4-n与生物活性的相关性因航次较多,本文只选择调查站位最多(11个)较能代表整个大亚湾海区的航次,即1998年11月(秋季)航次进行讨论.对秋季各站位以三态氮及相应的五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、溶解有机氮(DON)和叶绿素a(Chl-a)测值分别进行回归统计,其相关系数列于表2.从表2可以看出,微表层、次表层水中NO3-N与DON含量呈高度显著正相关(α=0.01),而在表、底层中不相关;微表层、次表层水中NH4-N与BOD5、COD和DON测值呈高度显著正相关,而在表、底层中不相关;占DIN百分比很小的NO2-N则在表、底层中与DON含量呈显著相关.微表层、次表层水中NH4-N与BOD5、COD、DON测值呈高度显著正相关(图2～4),而在表、底层不相关,说明水中有机氮化合物在硝化菌作用下的氧化分解主要在微表层、次表层中进行.其相关方程如下:c(BOD5)=1.40+0.34c(NH4-N)(n=22,r=0.813)(1)c(COD)=0.68+0.19c(NH4-N)(n=22,r=0.794)(2)c(DON)=24.86+4.56c(NH4-N)(n=22,r=0.754)(3)图4及方程(3)的斜率(ΔDON/ΔNH4-N)为4.56,即4.56μmol的DON氧化分解可产生1μmol的NH4-N.目前,对无机氮营养盐在海洋微表层中的富集现象还没有确定的解释,我们只能据上述结果进行探讨.由于微表层、次表层海水中BOD5、COD和DON测值越大,NH4-N含量则越高,而在表、底层中无此现象;且有机氮化物氧化分解首先产生NH4-N,可认为海洋微表层水富集的含氮有机物在硝化菌作用下的现场分解是无机氮在微表层富集的原因之一;文献还认为可能还有海水中“纳米”粒子交换吸收的结果,但尚有待实验证实.2.4bod5、cod与nh4-n将秋季(1998-11)航次各站微表层、次表层或表层、底层水中PO4-P或SiO3-Si分别与相应的BOD5、COD、无机氮、有机氮、叶绿素a测值进行回归分析,其相关系数列于表3.从表3的相关系数可看出,无论PO4-P或SiO3-Si,在微表层、次表层或表层、底层水中与BOD5、COD和无机氮测值均无相关关系.BOD5值是指水中有机物在好氧微生物作用下,进行好氧分解过程中所消耗水中溶解氧的量.有机物在微生物作用下的好氧分解,大体上分两个阶段进行.第一阶段是含碳物质氧化阶段.第二阶段为硝化阶段,在硝化菌的作用下,被氧化的主要是含氮的有机物,氧化后生成无机氮(本调查的结果主要为NH4-N,因BOD5与NH4-N测值呈高度显著正相关,与NO3-N和NO2-N含量无相关).COD值是指水体中的还原性物质被强氧化剂(KMnO3)氧化所消耗溶解氧的量,还原性物质主要是有机物.海水中的有机物是多种组分的极复杂的混合体,用BOD5和COD为指标所测定的有机物主要是由碳、氮、硫、磷等元素所组成,因此BOD5、COD与SiO3-Si测值无相关;但是BOD5、COD与PO4-P测值亦无相关,只与NH4-N含量呈高度显著正相关,说明大亚湾海域水中含氮有机物较含磷有机物丰富.SiO3-Si与诸因子的相关性,微表层、次表层显著于表层、底层,SiO3-Si与DON含量在微表层、次表层中显著正相关(α=0.05),主要是硅藻的贡献.在微表层、次表层水中,PO4-P和SiO3-Si均与Chl-a含量呈高度显著负相关(图5、6),而在表、底层中仅呈负相关趋势,说明微表层是有独特物理、化学、生物学性质的薄层.虽然Chl-a在微表层不富集,但是浮游植物消耗PO4-P、SiO3-Si进行光合作用的能力,微表层、次表层强于表、底层.微表层、次表层中PO4-P、SiO3-Si与Chl-a含量的回归方程如下:c(PO4-P)=0.16-0.0089c(Chl-a)(n=22,r=-0.647)(4)c(SiO3-Si)=9.10-0.64c(Chl-a)(n=22,r=-0.601)(5)方程(4)及图5的斜率为0.0089,即浮游植物每消耗0.0089μmol的PO4-P可生成1μg的Chl-a;方程(5)及图6的斜率为0.64,即浮游植物每消耗0.64μmol的SiO3-Si可生成1μg的Chl-a.实际上,浮游植物(特别是硅藻)所消耗的SiO3-Si仅有极小部分合成新的Chl-a,绝大部分合成新的硅藻体,而Chl-a与三态氮均无相关关系.因此可认为大亚湾海区水中的活体有机物主要是含硅有机物,即硅藻类有机物.这与文献认为大亚湾海水中主要的活体自养生物为硅藻浮游植物的结论相一致.