長江口及鄰近海域低氧現(xiàn)象的探討——以光合色素為出發(fā)點(diǎn).pdf

1、本研究在實(shí)驗(yàn)室建立了海洋中浮游植物光合色素的高效液相色譜測定方法。并以此為基礎(chǔ)，測定了長江下游徐六涇、長江口和毗鄰東海北部海區(qū)懸浮顆粒物以及現(xiàn)場有機(jī)物降解培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中的顆粒物色素濃度，同時(shí)還測定了長江口E4柱狀沉積物中的色素含量；分析了1999至2003年共計(jì)5個航次的長江口、東海顆粒有機(jī)碳樣品并進(jìn)行了相關(guān)的動力學(xué)探討。在此基礎(chǔ)上，以2005至2007年共計(jì)5次長江口現(xiàn)場觀測為依托，同時(shí)充分考慮顆粒有機(jī)碳、營養(yǎng)鹽等其他生物地化參數(shù)，結(jié)合歷

2、史資料和文獻(xiàn)報(bào)道，針對長江口和毗鄰海區(qū)夏季出現(xiàn)的底層水低氧現(xiàn)象，對其歷史趨勢、嚴(yán)重程度、發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了探討和分析。 對長江口和毗鄰東海的生物地球化學(xué)背景研究顯示，長江口、陸架區(qū)域和黑潮為主的外海POC平均含量分別為26.5，7.7和3.3μM。斷面分布上，底層較高的TSM值(117mg/L)有時(shí)甚至達(dá)到表層的13倍之高。在E4站位，連續(xù)站觀測說明POC含量分布呈現(xiàn)周期變化：正弦函數(shù)擬合顯示，長江口POC日變化周期約為13h，和長

3、江口半日潮周期相吻合；結(jié)合文獻(xiàn)資料估算E4站位POC在真光層的停留時(shí)間在10天左右，且向外海呈現(xiàn)增加的趨勢。在從長江口到?jīng)_繩海槽的整個東海陸架上，我們觀測到底層存在一個高懸浮顆粒物濃度的霧狀層。配合文獻(xiàn)中的流場數(shù)據(jù)，估算出通過該霧狀層向沖繩海槽輸運(yùn)的POC通量為0.22×10<'12>g/yr，占長江輸入東海POC通量的約2％。 2004年8月至2007年2月在長江下游徐六涇的月際觀測表明，長江口徐六涇色素以葉綠素a(Chla)

4、含量最高(平均值0.9μg/L)，2006年Chla含量比2005年增加了0.2μg/L，其余色素含量平均值從0.02μg/L到0.32μg/L不等。其中巖藻黃素(Fuco)是次于Chla的最高濃度色素(平均值0.3μg/L)，再次是多甲藻素(Perid，平均值0.1μg/L)。Chla含量季節(jié)變化不明顯，F(xiàn)uco和Perid等其他色素則存在一定季節(jié)變化，但差異小于100％。 2006年6月至10月長江口和毗鄰海區(qū)懸浮顆粒物中C

5、hla，F(xiàn)uco，Perid和葉綠素b(Chlb)等色素含量(平均值)分別為1.3μg/L，900ng/L，290ng/L和64ng/L。6～8月Chla平均值差異很小。但具體每次調(diào)查期間的特征色素含量卻有差別。6月Perid含量較高，在8月和10月則主要以Fuco為主。空間分布顯示，Chla主要分布在長江口東經(jīng)123°的區(qū)域，向西或向東含量均下降；Perid/Fuco比值則在東經(jīng)122.5°左右較大，隨著進(jìn)入外海比值下降。垂向上，色素

6、主要分布在表層和次表層，40m以下濃度很低。2005年8月調(diào)查區(qū)域更靠近長江口，類似的，主要以Chla(1.3μg/L)、Fuco(1.3μg/L)和Perid(0.2μg/L)等色素為主。2007年2月調(diào)查區(qū)域涵蓋整個東海南部陸架，與夏季相比，該季節(jié)色素含量較低。Chla、Fuco、Perid和Chlb平均值分別降為0.6μg/L，240ng/L，40ng/L和76ng/L。2006年在調(diào)查海域南部觀測到DV Chla，暗示南部海域原

7、綠球藻的存在。根據(jù)現(xiàn)場溶氧(DO)數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)長江口外低氧發(fā)生在夏季。發(fā)生低氧的區(qū)域主要在東經(jīng)122°～123.5°，北緯30°～33°之間。從可查的1959年8月以來，底層溶氧平均值從1959年的5.9mg/L降低到2006年8月的2.7mg/L，同時(shí)低氧面積從1959年8月的～1800km<'2>增加到2006年8月的15400km<'2>，同時(shí)伴隨大量DO<3mg/L的溶氧低值區(qū)。2006年8月氧虧損量達(dá)到1.7×10

8、<'6>t，比文獻(xiàn)中報(bào)道的1999年8月情況更為惡化。低氧面積、氧虧損量增加的同時(shí)，與歷史情況相比長江口低氧區(qū)呈現(xiàn)北移的趨勢，中心區(qū)域從北緯31°北移至2006年的北緯32.5°。 在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，較高的溶氧一般在較低的POC/Chla值下出現(xiàn)，隨著POC/Chla值的增大，DO值逐漸降低。說明當(dāng)有機(jī)物降解較徹底時(shí)，水體中溶解氧含量較低，有機(jī)物尚比較新鮮則溶解氧含量較高。 對溶氧與其他參數(shù)的進(jìn)一步分析顯示，AOU同時(shí)與有機(jī)

9、物降解明顯相關(guān)：底層樣品的AOU與POC/PO4和POC/NO3呈負(fù)相關(guān)，說明有機(jī)物降解、營養(yǎng)鹽再生與低氧伴隨在一起。同時(shí)低氧與層化度有較好的相關(guān)性。綜合溫度、層化度和有機(jī)物降解等參數(shù)的多元回歸分析也顯示，AOU與層化度、有機(jī)物降解兩者間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，與溫度的關(guān)系不大。說明長江口底層水的低氧是水體層化和有機(jī)物降解綜合作用的結(jié)果，可以用式摘-1定量表達(dá)： AOU=2.5+0.001 5×T<'2>+0.2570×△p-0.37

10、30×In(POC/NO<,3>) 摘-12006年10月在現(xiàn)場進(jìn)行的有機(jī)物降解實(shí)驗(yàn)中，色素在培養(yǎng)前后含量發(fā)生了明顯的下降。實(shí)驗(yàn)條件分別控制為低氧(DO％<50％)和富氧(DO％>95％)兩類。低氧條件下Chla和Fuco含量分別從0.8μg/L、1.0μg/L下降為0.3μg/L、0.5μg/L；富氧條件下Chla和FUCO含量分別從1μg/L、1.4μg/L下降為0.3μg/L、0.3μg/L。POC在實(shí)驗(yàn)前后含量也存在下降，含量分

11、別從20.7μM(低氧)、28.6μM(富氧)下降為18,0μM(低氧)、16.3μM(富氧)。由于體系本身較高的營養(yǎng)鹽含量，因此培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)前后營養(yǎng)鹽變化與有機(jī)物降解的耦合關(guān)系不明顯，但低氧條件下氨氮實(shí)驗(yàn)前后存在明顯增大，同時(shí)FCM技術(shù)檢測顯示細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)過程中含量從910×10<'3>個/mL增加為最后的1300×10<'3>個/mL。聚球藻等FCM可檢測的浮游植物在培養(yǎng)過程中含量下降明顯，分別從低氧和富氧的270×10<'2>個/mL，

12、200×10<'2>個/mL下降為最后的20×10<'2>個/mL、40×10<'2>個/mL.。整個培養(yǎng)降解過程均伴隨著體系的pH值下降。指數(shù)函數(shù)擬合顯示，在本實(shí)驗(yàn)人工控制的條件下(特定的營養(yǎng)鹽背景、較低的加富色素量及約20μM的POC濃度背景等)，Chla的降解常數(shù)k(d<'-1>)在低氧和富氧下分別為0.22和0.18，F(xiàn)uco分別為0.21和0.18(0.67<0.96)。Chla在富氧下半衰期比低氧短，說明低氧更有

13、利于Chla的保存；Fuco則兩種條件下降解速度差異不大。根據(jù)有機(jī)碳降解的估算顯示，長江口夏季有機(jī)碳降解造成對溶氧的需求速率為1.7～1.9mmol m<'-3>d<'-1>。進(jìn)一步對長江口沉積物的色素分析顯示，長江口和毗鄰海區(qū)的表層沉積物中Chla平均含量65mg/g OC，最大值為170mg/g OC。然后是Fuco含量較高，平均值38mg/g OC；再其次是Perid，平均值17mg/g OC。Fuco和Perid與Chla的分布

14、比較相似，在長江口門附近區(qū)域含量較低，在該低值區(qū)域南北含量較高。但Fuco的含量是Perid的約2倍。Chlb最大值出現(xiàn)在調(diào)查區(qū)域的東北角H1-6站位，含量為44mg/g OC，Chlb在沉積物中含量平均值14mg，g OC。沉積物中Perid/Fuco(0.46)和Fuco/Chla(0.56)等比值與水體中Perid/Fuco(0.56)和Fuco/Chla(0.56)比值相近，而AIIo/Chla(0.23)則與水體中(0.01)

15、差異較大，可能與色素不同的穩(wěn)定性有關(guān)。在高沉積速率的長江口區(qū)域，表層沉積物中色素與水體中高Chla和低氧分布趨勢相似，說明高生產(chǎn)力、低氧環(huán)境有利于色素在沉積物中的埋藏與保存。E4柱中的色素在表層出現(xiàn)最大值，并在40cm左右以上隨著深度的增加而迅速降低，Chla含量變化范圍0.4～147mg/g OC，另外Fuco、Zea、AIIo等平均值分別為6.3、11和7.3mg/g OC。在沉積物中Chla分布與1998年洪水等歷史事件的響應(yīng)說明

16、沉積物中色素作為生物標(biāo)志物的有效性，同時(shí)色素與沉積物中的生物硅分布趨勢、歷史上現(xiàn)場水體Chla含量、長江徑流量等變化趨勢相吻合。色素隨深度變淺含量迅速上升，與長江流域近幾十年來營養(yǎng)鹽通量增加、長江口赤潮增加相對應(yīng)。Chla與δ 15N的顯著相關(guān)性(r<'2>=0.86,p=0.001)說明人文因素排放的化肥與長江口高Chla含量有密切關(guān)系。模式分析顯示，Chla在長江口沉積物中含量呈明顯的指數(shù)式下降(r<'2>=0.94)，降解常數(shù)k=