大海洋微表層海水對營養(yǎng)鹽的富集

大海洋微表層海水對營養(yǎng)鹽的富集

海洋約占地球表面的70%，微面海洋是海洋和大氣相互作用的重要界面。氮、磷、硅和有機物質的豐富度也不同。國際上對微海表面的研究很多，這在中國才是如此。張正斌等人對南海微地表的化學過程進行了系統(tǒng)的研究。然而，對東南亞海域氮、磷、硅鹽的研究仍然是空白。根據(jù)1998年10月、11月和1999年4月、5月和10月五個階段的結果，亞太經(jīng)合組織首次對香港亞太經(jīng)合組織亞太經(jīng)合組織亞太經(jīng)合組織亞太經(jīng)合組織亞太經(jīng)合組織進行了初步研究。1主要站位分布,僅有3個半開1998年秋季(10、11月)、1999年春、秋兩季(4、5、10月)在大亞灣海域開展了多個航次海洋微表層、次表層的調查研究工作.根據(jù)以往大亞灣生態(tài)網(wǎng)絡調查的實踐,并結合大亞灣沿岸及灣內獨特的環(huán)境地理條件,在原有12個站位的基礎上,重點增加了諸如大亞灣核電站(GNPS)進出水口(4-1、5-1站)、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)(漁排,8-2,12-1站)等站位.具體站位分布見圖1.用0.5cm厚的平板玻璃制成一個40cm×60cm的長方形,用硅橡膠做一個刮片,采微表層水樣(厚度約80μm);用5dm3有機玻璃采水器在水面下25cm處采集次表層水樣,在水面下50cm處采集表層水樣,在離底1m處采集底層水樣,水樣送回岸上實驗室測定.部分水樣經(jīng)過0.45μm濾膜過濾后供測定營養(yǎng)鹽用,化學需氧量(COD)用堿性高錳酸鉀法測定,營養(yǎng)鹽用微量連續(xù)流動分析系統(tǒng)(荷蘭Skalar公司產(chǎn)品)測定,其余項目按《海洋監(jiān)測規(guī)范》方法測定.2結果與討論2.1微表層海水對三氮的富集微表層海水對營養(yǎng)鹽等物質的富集程度用富集因素(EnrichmentFator,簡稱EF)表示.計算公式如下:EF=ci(微表層)/ci(次表層)式中:EF為富集因數(shù),ci(微表層)為i種物質在微表層的含量,ci(次表層)為i種物質在次表層的含量.5個航次微表層海水對營養(yǎng)鹽的富集狀況可描述如下:第一個航次(1998-10,7個站)大亞灣微表層海水對三種形態(tài)的無機氮,即硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、銨氮(NH4-N)均產(chǎn)生富集;富集因子NO3-N為2.00～4.00,平均值為3.03;NO2-N為1.02～1.32,平均值1.11;NH4-N為1.83～5.12,平均值3.38.只有57%站位的微表層海水對活性磷酸鹽(PO4-P)產(chǎn)生富集,整個海區(qū)的富集因子為0.17～4.00,平均值1.21.有86%站位的微表層海水對活性硅酸鹽(SiO3-Si)產(chǎn)生富集,富集因數(shù)為0.96～1.43,平均值1.16.第二航次(1998-11,11個站)有70%站位的微表層海水對三氮產(chǎn)生富集,NO3-N、NO2-N、NH4-N的富集因數(shù)分別為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).約64%站位微表層海水對PO4-P產(chǎn)生富集,富集因數(shù)為0.44～1.75,平均值1.18.約有64%的站位微表層海水對SiO3-Si產(chǎn)生富集,富集因數(shù)0.41～2.00,平均值1.20.第三航次(1999-04,6個站)微表層海水對NO2-N和NH4-N均產(chǎn)生了富集,NO2-N的富集因數(shù)為1.06～4.00(平均值2.38);NH4-N的富集因數(shù)為1.76～6.22(平均值3.93,因NO3-N在微表層和次表層水中含量變化極大,各站EF值相差甚遠,不作討論).各位微表層水對PO4-P均產(chǎn)生了富集,富集因數(shù)為1.11～2.50,平均值1.64.有大于83%的站位微表層水對SiO3-Si產(chǎn)生富集,富集因數(shù)0.94～1.50,平均值1.14.第四航次(1999-05,8個站)微表層水對三氮(除5-1站NO2-N外)均產(chǎn)生了富集,NO3-N、NO2-N和NH4-N的富集因數(shù)分別為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).微表層水對PO4-P的富集情況較復雜,有3個站(占37.5%)存在著反富集現(xiàn)象;有2個站的EF值為1;只有3個站產(chǎn)生富集,整個海區(qū)富集因數(shù)為0.43～1.50,平均值0.99.有75%的站位微表層水對SiO3-Si產(chǎn)生富集,富集因數(shù)為0.83～1.22,平均值1.06.第五航次[1999-10,9個站(其中增加了灣口三門島海域3個站)]對NO3-N而言,大亞灣灣內有50%的站位、灣口有1/3的站位存在著反富集現(xiàn)象,其余站位微表層水對NO3-N產(chǎn)生了富集,富集因數(shù)灣內為0.28～6.20,平均值1.99;灣口為0.22～3.06,平均值1.57.無論灣內或灣口,微表層水對NO2-N和NH4-N均產(chǎn)生了富集.NO2-N的富集因數(shù)灣內為1.08～2.40,平均值1.66;灣口為1.20～1.75,平均值1.54.NH4-N的富集因數(shù)灣內為2.06～9.61,平均值5.00;灣口為1.95～7.36,平均值4.41.微表層水對PO4-P除灣內1個站存在著反富集現(xiàn)象外,其余站位均產(chǎn)生富集,灣內和灣口三門島海域的富集因數(shù)分別為0.80～1.50,平均值1.17和1.17～2.86,平均值2.18.無論灣內或灣口,微表層水對SiO3-Si均產(chǎn)生了富集,富集因數(shù)分別為1.04～1.64,平均值1.27(灣內)和1.04～1.22,平均值1.14(灣口).上述結果表明,大亞灣海區(qū)微表層海水對氮、磷、硅營養(yǎng)鹽都產(chǎn)生了富集,與在廈門港和在南沙海區(qū)得出營養(yǎng)鹽在海洋微表層產(chǎn)生富集的結論相一致.因海況及季節(jié)不同,其富集因數(shù)(EF)會有所差別,如大亞灣海區(qū)微表層海水對PO4-P的平均富集因數(shù)遠低于南沙海區(qū),對SiO3-Si的富集因數(shù)亦低于南沙海區(qū)和西太平洋附近海區(qū).2.2微表層海水淡化產(chǎn)物的垂直分布特征春季(1999-05)和秋季(1999-10)大亞灣海區(qū)微表層、次表層、表層和底層水中三態(tài)氮各占無機氮(DIN)含量的百分比列于表1.從表1可以看出,無論微表層、次表層或是表層、底層,水中DIN平均含量均是秋季高于春季.它們的垂直分布特征均是微表層的DIN含量最高,說明整個調查海區(qū)微表層海水對DIN產(chǎn)生富集,灣內是次表層的最低,灣口則是表層的最低.底層由于底質營養(yǎng)鹽的再懸浮,其含量高于次表層或表層.從表1還可看出,無論春季或秋季,灣內或灣口,微表層水中無機氮主要以NH4-N的形態(tài)存在,而在次表層、表層、底層水中無機氮則主要以NO3-N形態(tài)存在,說明微表層海水有其獨特的化學性質.2.3微表層、次表層水中nh4-n與生物活性的相關性因航次較多,本文只選擇調查站位最多(11個)較能代表整個大亞灣海區(qū)的航次,即1998年11月(秋季)航次進行討論.對秋季各站位以三態(tài)氮及相應的五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、溶解有機氮(DON)和葉綠素a(Chl-a)測值分別進行回歸統(tǒng)計,其相關系數(shù)列于表2.從表2可以看出,微表層、次表層水中NO3-N與DON含量呈高度顯著正相關(α=0.01),而在表、底層中不相關;微表層、次表層水中NH4-N與BOD5、COD和DON測值呈高度顯著正相關,而在表、底層中不相關;占DIN百分比很小的NO2-N則在表、底層中與DON含量呈顯著相關.微表層、次表層水中NH4-N與BOD5、COD、DON測值呈高度顯著正相關(圖2～4),而在表、底層不相關,說明水中有機氮化合物在硝化菌作用下的氧化分解主要在微表層、次表層中進行.其相關方程如下: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)圖4及方程(3)的斜率(ΔDON/ΔNH4-N)為4.56,即4.56μmol的DON氧化分解可產(chǎn)生1μmol的NH4-N.目前,對無機氮營養(yǎng)鹽在海洋微表層中的富集現(xiàn)象還沒有確定的解釋,我們只能據(jù)上述結果進行探討.由于微表層、次表層海水中BOD5、COD和DON測值越大,NH4-N含量則越高,而在表、底層中無此現(xiàn)象;且有機氮化物氧化分解首先產(chǎn)生NH4-N,可認為海洋微表層水富集的含氮有機物在硝化菌作用下的現(xiàn)場分解是無機氮在微表層富集的原因之一;文獻還認為可能還有海水中“納米”粒子交換吸收的結果,但尚有待實驗證實.2.4bod5、cod與nh4-n將秋季(1998-11)航次各站微表層、次表層或表層、底層水中PO4-P或SiO3-Si分別與相應的BOD5、COD、無機氮、有機氮、葉綠素a測值進行回歸分析,其相關系數(shù)列于表3.從表3的相關系數(shù)可看出,無論PO4-P或SiO3-Si,在微表層、次表層或表層、底層水中與BOD5、COD和無機氮測值均無相關關系.BOD5值是指水中有機物在好氧微生物作用下,進行好氧分解過程中所消耗水中溶解氧的量.有機物在微生物作用下的好氧分解,大體上分兩個階段進行.第一階段是含碳物質氧化階段.第二階段為硝化階段,在硝化菌的作用下,被氧化的主要是含氮的有機物,氧化后生成無機氮(本調查的結果主要為NH4-N,因BOD5與NH4-N測值呈高度顯著正相關,與NO3-N和NO2-N含量無相關).COD值是指水體中的還原性物質被強氧化劑(KMnO3)氧化所消耗溶解氧的量,還原性物質主要是有機物.海水中的有機物是多種組分的極復雜的混合體,用BOD5和COD為指標所測定的有機物主要是由碳、氮、硫、磷等元素所組成,因此BOD5、COD與SiO3-Si測值無相關;但是BOD5、COD與PO4-P測值亦無相關,只與NH4-N含量呈高度顯著正相關,說明大亞灣海域水中含氮有機物較含磷有機物豐富.SiO3-Si與諸因子的相關性,微表層、次表層顯著于表層、底層,SiO3-Si與DON含量在微表層、次表層中顯著正相關(α=0.05),主要是硅藻的貢獻.在微表層、次表層水中,PO4-P和SiO3-Si均與Chl-a含量呈高度顯著負相關(圖5、6),而在表、底層中僅呈負相關趨勢,說明微表層是有獨特物理、化學、生物學性質的薄層.雖然Chl-a在微表層不富集,但是浮游植物消耗PO4-P、SiO3-Si進行光合作用的能力,微表層、次表層強于表、底層.微表層、次表層中PO4-P、SiO3-Si與Chl-a含量的回歸方程如下: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)及圖5的斜率為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)及圖6的斜率為0.64,即浮游植物每消耗0.64μmol的SiO3-Si可生成1μg的Chl-a.實際上,浮游植物(特別是硅藻)所消耗的SiO3-Si僅有極小部分合成新的Chl-a,絕大部分合成新的硅藻體,而Chl-a與三態(tài)氮均無相關關系.因此可認為大亞灣海區(qū)水中的活體有機物主要是含硅有機物,即硅藻類有機物.這與文獻認為大亞灣海水中主要的活體自養(yǎng)生物為硅藻浮游植物的結論相一致.