东海水体营养盐浓度与结构变化和收支研究

来源 :自然资源部第一海洋研究所 | 被引量 : 1次 | 上传用户:dianquan999
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在驱动近海环境演变的环境因子中,营养盐(氮(N)、磷(P)和硅(Si))浓度的升高发挥了关键的作用,是海洋科学和环境科学共同关注的要素。由于人类活动的增强和对自然环境的干预,近海海洋环境相对过去发生了明显的变化;特别是陆源营养盐输入的增加引发了一系列海洋生态问题,突出表现在富营养化、低氧与酸化、赤潮、褐潮和绿潮等环境问题和生态灾害频发,对近海海洋生态系统构成了严重的威胁。在多数近岸海域,日益增加的氮和磷浓度加剧了富营养化水平,部分海域营养盐结构偏离了Redfield-Brzezinski比值(N:P:Si=16:1:16,摩尔比),出现了潜在磷与硅限制。近海的水化学环境变化特别是营养盐浓度和结构的变异对浮游植物种群结构影响显著,进而改变了海洋生态系统的结构与功能。因此,有必要明确近海营养盐分布和结构变化及对相关生态环境的影响,这是当前近海海洋环境管理的焦点问题。本研究聚焦东海陆架海域,基于2019~2022年多个航次的综合观测,结合水文和水化学参数分析了东海水体营养盐的时空分布和组成结构的变化;量化了河流输入、大气沉降、底界面交换和跨陆架输送等关键过程,构建了东海营养盐收支模型。在上述工作的基础上,结合历史资料,分析了长江下游、长江口和东海营养盐浓度和比值结构(摩尔比,以下同)长时间尺度的变化特征,并对比了以上三个区域变化的差异,探讨了驱动这种差异形成的机制;基于Global-NEWS2模型对东海沿岸入海河流营养盐的变化趋势进行了预测,并已进一步分析了河流输送对东海营养盐变化的潜在影响。本研究的结果可为近海生态环境治理提供科学依据。本研究结论如下:(1)2022年东海营养盐具有显著的季节差异,春季营养盐浓度低于秋季的观测结果,这与春季相比秋季浮游植物的迅速增长有关,这一季节较高含量的溶解氧(DO)和叶绿素a(Chl-a)也反应了春季高的初级生产力;在水平分布上,营养盐浓度、N/P比值和Si/P比值整体上呈现近岸高,远岸低的分布特征,在近岸海域存在明显的潜在磷限制现象,在远岸海域营养盐限制因子不明显;在垂向分布上,营养盐浓度在表层低于底层的观测结果,DO和Chl-a含量在表层高于底层的观测结果,反映了初级生产者对营养盐的利用降低了表层水体营养盐浓度。基于多元统计分析和东海地形分布特点,将东海陆架区分为内陆架和外陆架两部分;内陆架海域主要受长江冲淡水和浙闽沿岸流共同作用的结果,相对较高的陆源氮输入(高N/P)可能会加剧潜在磷限制。外陆架海域表层水体受到黑潮表层水和生物作用共同影响,出现营养盐浓度的低值区,底层自南向北扩散的高DIP黑潮次表层水的涌升有效缓解了研究区域外部的潜在磷限制现象。(2)东海营养盐收支结果表明,黑潮和台湾暖流是东海营养盐的主要外部来源,贡献了38.6%的DIN、69.3%的DIP和65.2%的DSi;其次是沉积物底界面的扩散,分别占水体DIN、DIP和DSi来源的31.2%、21.4%和7.03%;河流输送贡献了输入东海DIN和DSi总量的10%左右,而DIP的贡献较少,仅在4.75%左右;浮游植物的初级生产对营养盐的转化则是东海营养盐的主要消耗途径。由外源输入贡献的营养盐不足以支撑东海的初级生产,大部分维持东海初级生产的溶解态营养盐来源于颗粒态营养盐的转化和有机态营养盐的降解。近年来,东海初级生产力呈现逐渐上升的趋势,但内陆架海域浮游植物物种多样性却逐渐减少,这与河流输入的营养盐通量中DIN浓度和N/P比值不断上升以及DSi浓度不断下降密不可分。对东海营养盐的跨陆架输送进行了初步估算,结果显示DIN、DIP和DSi的净输送通量分别为339±215、28.6±7.94和415±405 Gmol/a,显著高于长江的输送通量。(3)近4年来,东海营养盐的浓度分布整体呈现近岸高、远岸低的分布趋势,但在同一季节的不同年份却存在明显差异,内陆架海域营养盐浓度变化较大,且营养盐高值区的范围主要与长江径流量有关,外陆架海域营养盐浓度较为稳定。从长时间尺度(1960s~2020s)来看,东海水体中DIN浓度呈现明显上升趋势,DIP浓度呈现先降低后升高的趋势,DSi浓度呈现下降趋势;N/P比值呈现明显上升趋势,Si/P比值呈现先上升后下降的变化趋势,Si/N比值呈现明显的下降趋势,随着DIN浓度和N/P比值的上升以及DSi浓度的下降,这与文献显示的内陆架海域赤潮的优势种逐渐由硅藻向非硅藻类或二者共同占优转变相一致。(4)对比分析长江、长江口海域和东海的营养盐浓度和比值的长期变化,发现长江口和长江下游中营养盐浓度和比值的变化趋势大致相同,说明长江口海域主要受到长江输入的影响;除长江口区域外,东海营养盐变化则与长江营养盐的变化存在明显不同,说明东海营养盐除受陆源输入影响外还受到其他因素影响,特别是黑潮年度变异的影响。尽管对于整个东海陆架区而言,长江输入的营养盐影响较小,但对于内陆架海域而言,长江依旧是营养盐浓度和比值变化的重要影响因子。(5)基于Global-NEWS2模型对未来东海近岸河流中营养盐的浓度和比值进行预测,结果显示在两种情形下营养盐的入海通量均有所增加,但营养盐比值却因磷酸盐增速快而出现了不同变化,这可能引起生态系统向不确定性方向发展。本研究基于观测和统计分析与模型预测等手段,系统分析了东海营养盐的分布特征、变化趋势和控制因素,并量化了东海营养盐的跨陆架输送通量,相关结果还与浮游植物变化相耦合,可为河流污染治理和近海环境管理提供基础依据。
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