茅尾海夏季海水与表层沉积物叶绿素a空间分布研究

廖秀丽, 黄洪辉, 刘华雪, 戴 明, 于 杰, 田梓杨

(1. 中国水产科学研究院 南海水产研究所, 广东 广州510300; 2. 农业部南海渔业资源环境科学观测实验站, 广东 广州510300; 3. 广东省渔业生态环境重点实验室, 广东 广州 510300)

海水叶绿素a(Chlorophyll a, Chl-a)浓度是表征海域中光合浮游生物现存生物量的重要指标[1], 也是估算初级生产力的主要参数之一。脱镁叶绿酸a(Phaeophorbide a, Pha)是叶绿素a降解产物的主要形式。沉积物中Chl-a的含量关系到底栖动物的食物来源和底质环境的质量, Pha的含量预示着底质中死亡植物的量[2-5], 它们是底栖生态系统的重要环节, 对能量流动和食物链研究起重要作用。关于水体Chl-a的研究很多, 但关注沉积物Chl-a的研究较少, 已有的报道主要集中于潮间带区域[6-9], 对大洋区域沉积物Chl-a的研究也有报道[10-13], 但针对近岸浅海并把水体和沉积物Chl-a结合研究的报道很少[14-15]。

茅尾海为钦州湾北部的一个内湾, 海域面积约134 km2, 潮流属不规则全日潮, 年均潮差2.40 m[16]。海域北部有茅岭江、钦江和大榄江三条径流注入, 河流携带来的泥沙, 在河口区附近沉积而不断向海推进前展, 形成大片沙质和淤泥质浅滩, 海岸滩涂资源非常丰富, 是集红树林、海草床和盐沼等多种多样的海洋生态景观于一体的独特的河口型海湾生态系统。本文根据2011年6月在茅尾海的现场观测数据, 探讨观测海区夏季水体和沉积物Chl-a浓度的分布特征及环境因子对Chl-a分布的影响, 为茅尾海生物海洋学研究及海洋生态环境管理提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 采样站位

2011年6月, 在茅尾海海域进行了水环境、沉积环境和海洋生态现场调查, 设16个站位(图1)。站位的布设主要依据海洋监测规范[17]中的均匀布点原则, 兼顾河流入汇处、海湾中部及湾海交汇处, 并考虑茅尾海的养殖生产状况, 其中S3、S5、S10、S13毗邻牡蛎吊养区, S1位于茅尾海最南端(钦州湾湾颈), S11、S14、S15、S16靠近河口。

1.2 环境参数及水体叶绿素a

温度、盐度用YSI 556 MPS型多功能水质仪现场测定, 透明度用Secchi圆盘作同步观测。悬浮物(SS)、无机氮(DIN)、活性磷酸盐(DIP)、Chl-a用有机玻璃采水器采集表层(0.5 m)水样, 大型底栖生物用抓斗式采泥器采集沉积物样品, 按海洋监测规范(GB17378-2007)[17]进行室内分析。沉积物粒度分析根据海洋调查规范(GBT 12763-2007)中激光法[18]进行。

图1 采样站位示意图 Fig. 1 The sampling stations

1.3 沉积物叶绿素a

1.4 数据分析

水柱及表层沉积物叶绿素a含量分别按以下公式计算:

(1)式中C(Chl-a)w代表水柱Chl-a含量(mg/m2), [Chl-a]w为表层水体Chl-a浓度(mg/m3),D为水深(m);

(2)式中C(Chl-a)S代表表层(0～5 cm)沉积物Chl-a含量(mg/m2), [Chl-a]S为沉积物Chl-a含量(mg/kg湿重),T为沉积物厚度(本文取0.05 m),ρs为沉积物密度(kg/m3);

(3)式中ρZ为海洋沉积物干密度(取值[20-21]2.7×103kg/m3),2HOω为沉积物含水率(%),ρ为间隙水的密度(取值1.0×103kg/m3)。

数据分析和作图在Arcgis 10、Excel 2010、Spss 18.0(Pearson相关分析)中进行。

2 结果

2.1 水环境特征

调查水域水温变化范围为26.72～30.22 ℃, 平均值为(29.33±0.64)℃; 盐度变化范围为0.05～21.67, 平均值为(11.66±6.05); 透明度变化范围为0.2～1.8 m, 平均值为(1.0±0.4) m; 悬浮物变化范围为2.1～25.0 mg/L, 平均值为(15.9±7.6) mg/L。空间分布特征, 水温和盐度均为从河口向海域中部递增后再向南轻微下降(图2-a, 图2-b), 透明度自北向南递增(图2-c), 悬浮物浓度从河口往湾口方向迅速降低(图2-d)。

海区营养物质丰富, 无机氮变化范围25.00～53.57 µmol/L, 最高值约为最低值的2倍, 海域平均浓度高达(34.33±7.66) µmol/L, S16和S14分别位于钦江的两个入海口, 无机氮浓度出现最高值(53.57 µmol/L)和次高值(47.86 µmol/L), 向南浓度降低(图2-e)。活性磷酸盐变化范围为0.65～2.58 µmol/L, 最大值约为最小值的 4倍, 海域平均浓度为(0.91±0.53)µmol/L, 茅岭江口的 S10出现最大值(2.58 µmol/L), S11居第二位(1.61 µmol/L), 其余站位差异小(图2-f)。无机氮与活性磷酸盐浓度的比值(N/P)见表1, 除S10、S11比例明显较低外, 其余站位差异不大, 空间分布特征为河口区高而南部低。

对水体中的各环境参数作相关性分析, 结果显示, 水温分别与盐度、透明度极显著正相关(P＜0.01,n=16, 下同), 与活性磷酸盐极显著负相关(P＜0.01); 盐度与透明度极显著正相关(P＜0.01), 与无机氮、活性磷酸盐显著负相关(P＜0.05); 透明度与活性磷酸盐 极显著负相关(P＜0.01); N/P比值分别与无机氮、活性磷酸盐浓度呈极显著正、负相关(P＜0.01)。

大年三十前夕，大雪依然纷纷扬扬。父亲将我们召集到一起，问想吃什么，明天是年前最后一次逢集，都给买回来。

图2 环境参数空间分布 Fig. 2 The spatial distribution of some environmental parameters

2.2 底栖生物栖息密度和沉积物粒度分析

茅尾海大型底栖生物栖息密见表1, 其变化范围为150.03～800.16 个/m2, 海域均值为(268.80±157.19)个/m2, 最高栖息密度出现在钦江口的S16, 海域中部的S7次之, 其余站位数值相近。总体而言底栖生物在整个海域的数量分布较均匀。

沉积物粒度分析数据如表1。海域南部站位(S1～S7)的砾含量均检出且普遍高于北部站位, 而粒径较细的粉砂、黏土比例则相反。绝大多数站位沉积物均以砂为主要组分。

表1 水体N/P、底栖生物和沉积物粒度数据 Tab. 1 Data of N/P, benthos and sediment-size

2.3 水体和沉积物叶绿素a分布特征

水体Chl-a浓度范围为1.384～4.060 mg/m3, 平均值为(2.143±0.768) mg/m3, 浓度高值出现在海域北部三条河流注入茅尾海并开始扩散的冲淡水稀释区, 在海域西南部亦出现小范围高值区(图3)。最大Chl-a浓度为4.060 mg/m3, 在大榄江口和钦江口外的S16 出现。Chl-a浓度的空间分布自北向南逐渐降低, 离河流越远浓度越低; 低值出现在东南部的淡水龙至辣椒槌海域。海域中部、南部Chl-a浓度较低且分布均匀。

茅尾海夏季表层沉积物Chl-a空间差异明显(图4), 16个调查站位其变化范围为0.006～0.740 mg/kg (湿重, 下同), 均值(0.124±0.179) mg/kg; S16的含量显著高于其他站位, 达0.740 mg/kg, S13、S14次之, Chl-a含量分别为0.256 mg/kg和0.214 mg/kg, 其余站位均低于0.2 mg/kg, S2特别低, 仅0.006 mg/kg。总叶绿素(Chl-a+Pha)变化范围为0.065～1.421 mg/kg, 平均为(0.445±0.368) mg/kg; 其中S2、S3、S5～S7、S12数值介于0.065～0.166 mg/kg之间, 含量较低; S4、S8～S11、S14、S15变化范围为0.401～0.579 mg/kg, 含量中等; S1、S13、S16含量较高, 分别为0.910、0.866、1.421 mg/kg。Chl-a在总叶绿素中所占比例从9.17%至52.08%不等, 平均占27.86%。表层沉积物中Chl-a与总叶绿素的变化趋势基本一致, 均大致呈现从河口向南部递减的趋势。

根据1.4的公式计算出的茅尾海各站位水柱及沉积物Chl-a含量见表2。表层厚度为5 cm的沉积物, 每平方米面积上的Chl-a含量(即C(Chl-a)S)北部明显高于南部, 靠近河口的区域高于海域中部及南部, 海域平均(14.20±20.99) mg/m2。水柱Chl-a含量(即C(Chl-a)w)受水深的影响呈现北低南高的趋势, 均值为(10.97±5.49) mg/m2。沉积物表层Chl-a平均占其上方水柱Chl-a的129.44%。

图3 水体叶绿素a空间分布图 Fig. 3 The spatial distribution of Chl-a contents in the water

3 讨论

3.1 径流对茅尾海叶绿素a空间分布的影响

入海河流携带大量淡水、泥沙、污染物等, 降低了河口区的盐度和透明度[22], 改变了底质环境, 增加了水体的营养物质供给, 促进浮游植物的生长。调查期间茅尾海河口区透明度普遍不足1.0 m, 但在此透明度低值区却出现了本次调查的Chl-a高值, 相关分析显示水体Chl-a含量与透明度呈现一定程度的负相关(表3), 而与悬浮物含量呈正相关。尽管光是影响海洋中浮游植物光合作用速率的重要理化因子, 直接影响着海水中Chl-a浓度的分布状况[23], 但本次水体Chl-a只测定了表层(0.5 m)的浓度, 光线都能透过, 光对浮游植物的光合作用影响不大。本研究表明海区水体的Chl-a浓度与盐度显著负相关(P＜0.05), Chl-a数值较高的站位多出现在河口低盐区域, 显示受河流的影响大。

本次调查河口区水体的无机氮、活性磷酸盐浓度均明显高于南部海域, 且海域的N、P浓度均高于限制浮游植物生长的浓度阈值(N浓度为1 µmol/L, P浓度为0.1 µmol/L[24,25]), 浮游生物的生长不存在N、P的营养盐限制。调查海域N/P比值平均为35.34, 明显高于最适合浮游植物生长的比值16[26], 可理解为N相对过剩或P的潜在性限制。不同区域N/P比值存在差异, 海域中部(S6～S9)和南部(S1～S5)均值相近, 分别为42.07和42.48, 北部河口区(S10～S16)均值为48.85, 明显高于中部和南部海域, 表明河流输入了更多的无机氮。值得注意的是, 茅岭江口的S10、S11其N/P比值(12.46、19.49)明显低于海域的其他站位, 这两个站的活性磷酸盐含量特别高, 造成这种差异的原因可能是由于茅岭江接纳的主要是 农业污染(氮肥、磷肥等), 而大榄江和钦江流经市区,接纳的主要是生活污水(含磷洗涤剂已被限制使用), 因而大榄江和钦江河口区的S12～S16的N/P比值均值(62.00)显著高于茅岭江口的S10、S11。相关分析显示, 水体Chl-a浓度与无机氮显著正相关(P＜0.05), 与N/P比存在一定程度的正相关关系, 与磷酸盐相关性差, 表明尽管水体中的氮、磷营养盐浓度高于浮游植物生长的阈值, 但无机氮含量的升高在一定程度上仍能促进浮游植物的生长繁殖。

图4 表层沉积物叶绿素a含量 Fig. 4 The contents of Chl-a in the surface sediments

表2 水柱及表层沉积物叶绿素a含量 Tab.2 Chl-a contents of water column and surface sediments

与历年夏季的调查结果[27]相比发现, 从2003年至2010年, 夏季茅尾海水体Chl-a浓度普遍低于5.0 mg/m3(2009年例外, 高达7.0 mg/m3, 当时可能发生了赤潮), 其中2003年、2007年、2008年、2010年平均浓度均小于2.0 mg/m3; 本次调查海区均值为2.143 mg/m3, 位于历年调查的变化范围内且与多数年份的调查数值相近, 显示茅尾海海域夏季Chl-a浓度较为稳定。营养盐数据显示[27], 从2003年至本次调查时止, 海域N/P的数值均高于最适合浮游植物生长的16: 1, 磷可能对浮游植物的生长繁殖起潜在的限制作用, 因而总体上海域的水体Chl-a浓度不高。

茅尾海位于茅岭江、大榄江钦江的河口, 夏季海域中部涨、落潮平均流速[28]分别为0.67和1.09 m/s, 在潮流及径流的共同作用下, 自北向南沉积物逐渐变粗, 表现为沉积物中细颗粒含量北部高于南部, 从而对表层沉积物中总叶绿素的含量产生一定的影响。从2.3的分析中得知, S2、S3、S5、S6、S7、S12这6个站位的沉积物表层Chl-a及总叶绿素含量均较低, 而相对应的细颗粒含量(粉砂+黏土)亦低(比例范围为0～6.629%), 其他站位的比例均在10%以上, 最高达59.527%。相关分析显示, 底泥的细颗粒含量与总叶绿素浓度存在一定的正相关关系, 但与Chl-a浓度不具明显相关性。这与姚晓等[29,30]的研究结果相似, 即底栖微型藻类在颗粒较细的沉积物中更易积聚和生长。

在自然条件下, 表层沉积物与上方的水体存在沉积、悬浮等相互作用。分析16个站沉积物叶绿素与部分水质因子的相关关系(表1)后发现, 沉积物Chl-a与水体无机氮、N/P存在极显著或显著的正相关关系(P＜0.01或P＜0.05), 而沉积物总叶绿素与无机氮显著正相关(P＜0.05), 这表明沉积物叶绿素在一定程度上受河流输入的无机氮的影响, 而与光照、河流冲淡水、磷酸盐的关系不明显。此外, 沉积物Chl-a与水体Chl-a具极显著正相关关系(P＜0.01), 与长江河口的研究结果一致[22], 显示水体Chl-a浓度较高, 对应的表层沉积物Chl-a含量亦高。而2.3的结果显示表层沉积物(0～5 cm)中Chl-a含量甚至高于其上方水柱 Chl-a含量, 研究结果支持了Richard(2000)[14]的观点, 即若单以水柱中Chl-a含量来估算初级生产力, 结果可能偏低。

综上所述, 河口区高浓度营养盐特别是无机氮的输入, 成为水体和表层沉积物中浮游植物生长繁殖的重要影响因素。

表3 Chl-a与部分环境参数的相关性(r值) Tab. 3 Correlation coefficient between Chl-a contents and some environmental parameters (r)

3.2 茅尾海底栖生物、养殖贝类与叶绿素a的关系分析

水体中的浮游植物会沉降至海底从而给底栖生物提供食物来源, 因而水体Chl-a浓度高的地方表层沉积物Chl-a含量亦较高, 底栖生物出现的数量也多, 表现为茅尾海16个站位大型底栖生物的栖息密度与水体Chl-a浓度显著正相关(P＜0.05)。沉积物中Chl-a及总叶绿素均与底栖生物栖息密度呈极显著的正相关关系(P＜0.01), 显示底栖生物作为底层食物链的关键环节, 通过自身的转化加速营养物质的分解, 供应底栖藻类生长所需, 并通过自身对底质的搅动把埋藏于表层之下的藻类带至上层, 减少藻类由于泥砂沉降而逐渐被深埋的量, 而藻类中的Chl-a会因深埋过程中的黑暗和缺氧而降解为Pha。本研究表明, 茅尾海底栖生物对沉积物中Chl-a含量的保持起促进作用, 与张培玉[5]在渤海湾的研究结果一致。

在河口地区, 由于悬浮泥沙的沉积、悬浮、再沉积又再悬浮过程使得表层沉积不稳定, 从正上方水柱中沉淀下来的浮游植物及其碎屑残体未能得到适宜的生存环境, 或被泥沙沉积物掩埋或随泥沙再悬浮而重新回到水体中, 因而沉积物中的Chl-a浓度较低。若沉积物总叶绿素中Pha占大部分, 则说明沉积物表层光合生物的细胞活性较低[22]。长江口沉积物表层Chl-a含量均值为(0.089±0.052) mg/kg, 占总叶绿素的比例为 9.79%[30], 与之相比, 茅尾海底质Chl-a含量(均值0.124 mg/kg)约为长江口的1.4倍, Chl-a在总叶绿素中的比例(27.86%)约为长江口的3倍, 说明茅尾海潜在生产力明显高于长江口。从90年代末开始, 茅尾海的贝类养殖蓬勃发展, 几乎遍布整个海区[31], 对浮游植物的摄食强度日益增强, 贝类的强滤食作用对浮游植物生长的抑制作用[32], 使海水中Chl-a浓度普遍不高, 茅尾海从2003年至2011年夏季水体Chl-a浓度普遍较低证明了这点; 但贝类显著加速了水体中颗粒物的沉积过程(Giles和Pilditch的研究[33]显示贝类介导的生物沉积速度可达自然沉积速度的40倍), 部分未被分解的浮游植物随贝类的粪或假粪沉降到水底, 这对沉积物表层Chl-a有较大的贡献。

4 结论

茅尾海夏季具有水浑、营养物质丰富、叶绿素a浓度一般的独特生态特征。2011年夏季观测海域水体的叶绿素a浓度高值出现在径流注入茅尾海的河口区域, 往南及远离河流的方向浓度逐渐降低, 海域表层沉积物叶绿素a和总叶绿素含量亦呈现出类似的空间分布特征。水体、沉积物叶绿素(a)均与无机氮浓度及底栖生物栖息密度呈显著或极显著的正相关关系(P＜0.01或P＜0.05), 表明河流输入的营养盐促进了海区浮游植物的生长, 而水体Chl-a浓度的升高促使其下方的表层沉积物Chl-a含量增加, 为底栖物提供更丰富的食物来源, 表现为更高的栖息密度。0～5 cm沉积物叶绿素a含量超过其上方水柱叶绿素a的含量, 显示沉积物对海域初级生产力有显著的潜在贡献。

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