大连湾海域营养盐时空分布、结构特征及其生态响应

张玉凤，田 金，杨 爽，李 爱，王年斌*（1.辽宁省海洋水产科学研究院，辽宁 大连 116023；2.辽宁省海洋环境监测总站，辽宁 大连 116023；3.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100）

大连湾海域营养盐时空分布、结构特征及其生态响应

张玉凤1，2，3，田 金1，2，杨 爽1，2，李 爱1，2，王年斌1，2*（1.辽宁省海洋水产科学研究院，辽宁 大连 116023；2.辽宁省海洋环境监测总站，辽宁 大连 116023；3.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100）

基于2012年夏秋季大连湾海水中溶解态和不同粒级颗粒物中氮、磷、硅、叶绿素a的调查资料，对大连湾海水不同粒级颗粒物中营养盐和叶绿素a的时空分布特征进行了分析，对不同粒级浮游植物的营养要素组成及营养盐结构特征进行了探讨.结果表明，大连湾海水中溶解态营养盐、叶绿素a高值区主要出现在臭水套和甜水套湾附近海域，并由湾内向湾外递减，各粒级颗粒物中营养盐分布趋势存在着不一致性，但高值区易出现在西北部海域； 除无机氮外，海水中营养盐总体表现出秋季高于夏季，各粒级叶绿素a浓度表现为夏季高于秋季；磷是大连湾海水中浮游植物生长的限制元素，硅是不同粒级浮游植物营养盐的限制要素；微微型浮游植物对现有的营养结构更具适应性.

大连湾；营养盐；浮游植物；时空分布；生态响应

海水中的无机氮（DIN）、磷（P）、硅（Si）是海洋生物繁殖生长不可缺少的成分，是海洋初级生产力和食物链的基础，营养盐在海水中的含量分布明显受到海洋生物活动的影响［1］.作为海洋生态系统的初级生产者和能量的主要转换者［2］，海洋中浮游植物按一定比例自海水中吸收营养盐［3-5］，偏离过高或过低都可能引起浮游植物的生长受到某一元素的限制，并显著影响水体中浮游植物的种类组成.按照Sieburth等［6］的分级标准浮游植物可分为小型、微型和微微型，不同类型浮游植物的生长速率、对营养要素的摄入速率、在食物网中的能流去向和沉降特性等均不同［2，7］.目前对于不同类型浮游植物中营养盐成分的研究仍主要处于实验室内对浮游植物胁迫作用的培养研究阶段，从天然海水颗粒物中分离出不同类型的浮游植物很难实现，因此，难以直接测定不同类型浮游植物的营养盐成分，而主要是通过分析不同粒级颗粒物中的营养盐成分，来粗略代表不同类型浮游植物中的营养盐成分［8］.

大连湾位于黄海北部辽东半岛南端，是半封闭型的天然海湾，海湾被大连市主城区环抱，人口约588.5万［9］.全湾总面积174km2，湾口朝向东南与北黄海相通，宽约11.1km［10］.大连湾有多个小湾，自东向西分别为大孤山湾、红土堆子湾、甜水套湾和臭水套湾，湾内水深自西北向东南递减，5～15m等深线占据着整个海湾，15～30m等深线在湾口密集，湾周围无成型的河流，多为间歇性小溪［10］，主要为汇入臭水套湾的春柳河以及汇入甜水套湾的泉水河.由于人口密集、工业发达，大量污水排放进入大连湾内，据统计每年仅工业废水就约有3亿多吨排入湾内［11］，大连湾海域富营养化状况严重［11-13］、赤潮发生频繁［14-15］.

本文对大连湾海水不同粒级颗粒物中营养盐和叶绿素a（Chl a）时空分布及营养盐结构特征进行分析，并通过不同粒级颗粒物中营养盐与Chl a.的关系分析，探讨了浮游植物对现有营养盐结构的响应，以便能够为大连湾海域环境监管及赤潮和富营养化评价管理提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 样品采集与前处理

分别于2012年8月26日和11月14日对大连湾海域进行调查，共设置8个站位，在湾内和湾外均有布设（图1）.采用表层采水器采集表层海水样品，水样立即经0.45μm醋酸纤维滤膜（预处理）过滤，立刻进行溶解态营养盐分析；取未过滤的水样500mL，先用200μm孔径的筛绢去除较大的浮游动物和其他颗粒物质，再按照顺序用20μm、2μm和0.45μm滤膜过滤，得到20～200μm、2～20μm、0.45～2μm的颗粒物质，滤膜冷冻保存，用于测定颗粒态氮（PN）、颗粒态磷（PP）、颗粒态硅（PSi）的浓度；同样的操作过程，水样加1～2mL碳酸镁悬浮液混匀后，用相应孔径滤膜过滤，滤膜避光冷冻保存，用于Chl a.浓度的测定.

图1 大连湾采样点位示意Fig.1 Sampling sites in Dalian Bay

1.2 分析方法

海水中溶解态营养盐的检测均采用《海洋监测规范》（GB17378.4-2007）［16］中规定的方法，其中硝酸盐）检测采用锌-镉还原法，亚硝酸盐）检测采用萘乙二胺分光光度法，铵盐）检测采用次溴酸盐氧化法，活性磷酸盐（DIP）检测采用磷钼蓝分光光度法，活性硅酸盐（DSi）检测采用硅钼蓝分光光度法，无机氮（DIN）为、、的浓度之和.不同粒级颗粒物质中营养盐浓度在分析测定前，均需进行消解前处理，颗粒态氮（PN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［17］，颗粒态磷（PP）采用钼酸铵分光光度法［18］，颗粒态硅（PSi）采用硅钼蓝法［16］，Chl a.采用荧光分光光度法［16］.

悬浮颗粒物（＜200µm）包括了几乎所有的浮游植物、微型浮游动物、细菌和有机碎屑［8］，而浮游植物是＜200µm中颗粒物质的主要成分［19］，因此，20～200μm、2～20μm和＜2μm可粗略地代表小型、微型和微微型浮游植物.

海水中溶解态和不同粒级颗粒物中营养盐和Chl a.浓度的平面分布图采用Golden Software Surfer 9.0绘制，采用Origin 8.0进行数据统计.

1.3 营养盐结构评价方法

当营养盐水平满足浮游植物生长时，海洋浮游植物的Si/N/P的原子比应为16/16/1（Redfield比值）［2-3］，浮游植物生长需要的DSi、DIN和DIP的阈值分别为2μmol/L、1μmol/L和0.1μmol/ L［20-21］；如果Si/P＞22和N/P＞22，则P为限制元素；如果N/P＜10和Si/N＞1，则N为限制元素；如果Si/P＜10和Si/N＜1，则Si为限制元素［22-23］.

2 结果与讨论

2.1 溶解态营养盐的时空分布特征

大连湾海域夏季海水中DIP和DSi浓度分别为（0.18±0.15）μmol/L和（14.96±4.09）μmol/L，均低于秋季海水中DIP（0.52±0.14）μmol/L和DSi（18.52±2.72）μmol/L的浓度，而DIN的浓度夏季高于秋季，分别为（24.60±15.35）μmol/L和（19.82± 8.20）μmol/L（表1）.大连湾海域溶解态营养盐均表现出由湾内向湾外递减，高值区主要出现在甜水套湾和臭水套湾附近.

表1 大连湾海域表层海水营养盐平均浓度 （μmol/L）Table 1 The average concentration of nutrients in seawater in Dalian Bay （μmol/L）

大连湾营养盐浓度表现出明显的季节变化特征. DIP和DSi的浓度夏季低于秋季，主要是由于浮游植物大量繁殖，生物活动旺盛，消耗大量的营养物质，使表层营养物质浓度降低；而秋季，浮游植物生长相对减弱，对营养物质的消耗减缓，同时浮游植物死亡后尸骸和排泄物腐解，营养要素重新释放进入水体中，此外，大连湾秋季较夏季海水对流混合剧烈，使底部的营养要素补充到表层，也会使其含量增高.而DIN浓度在夏季高于秋季，可能与陆源排污和降水有直接关系.据统计，2012年夏季大连市地区降雨量较往年明显偏大，7月和8月降雨量为464.2mm，较2011年同期增加151.1mm，增加比例为48%，夏季占全年降雨量百分比增加了5%［9，24］，降雨量偏大导致沿岸排污强度增大，使得大连湾夏季和DIN的浓度明显高于秋季的现象（表1）.同时，甜水套湾和臭水套湾集中了多个市政和工业排污口，也是春柳河和泉水河的入海口，因此无论是在夏季还是秋季，大连湾营养盐的平面分布都已受到陆源排污的影响（图2）.

图2 夏、秋季大连湾溶解态营养盐平面分布（μmol/L）Fig.2 Distribution patterns of nutrients in Dalian Bay in summer and autumn （μmol/L）

2.2 不同粒级颗粒物中营养盐的时空分布特征

2.2.1 PP 大连湾海水中PP浓度夏季低于秋季，与DIP的季节变化一致. 20～200μm的PP浓度在夏秋季均为3种粒级中最高 （表2）.

夏季各粒级PP均在臭水套湾附近出现高值区，由西向东逐渐递减（图3，图4），与海水DIP的分布趋势一致，主要是受到夏季强降雨和陆源排污的影响；而秋季20～200μm、2～20μm和总PP的高值区出现在湾口西侧7号站位，＜2μm中PP的高值区则分布在湾东侧，靠近大孤山湾附近海域的5号站位，该区域附近并无明显的陆源污染源，高值区的出现可能与浮游植物分布有关.

2.2.2 PN 大连湾海水中PN浓度夏季低于秋季，与DIN的季节变化一致，但远低于海水中DIN浓度.夏秋季2～20μm PN浓度均为3种粒级中最高（表2）.

夏季20～200μm中PN浓度由西向东逐渐递减，并且在臭水套湾附近出现高值区，秋季高值区则出现在大孤山湾附近（图3，图4）；2～20μm中PN的高值区在夏秋季均出现在甜水套湾附近，并且由湾内向湾外递减；＜2μm中PN的高值区在夏季主要分布在湾口，秋季则主要分布在甜水套湾和湾口.总PN夏季在甜水套和臭水套出现高值区，自湾内向湾外递减，秋季在甜水套湾、湾中部、湾口和大孤山湾出现高值区（图3，图4）.总体上，不同粒级PN高值区多出现于臭水套和甜水套附近海域，但在湾口和湾中部海域也有高值区分布，PN浓度分布不仅受到陆源排污和地表径流的影响，也与海域内浮游植物的种类和分布有一定的关系.

表2 大连湾海域海水中不同粒级颗粒态营养盐的浓度（平均值±SD）（μmol/L）Table 2 The concentration of N， P and Si in different-sized particulates in seawater in Dalian Bay （average±SD）（μmol/L）

图3 夏季大连湾不同粒级颗粒物中营养盐平面分布（μmol/L）Fig.3 Distribution patterns of nutrients in different-sized particulates in Dalian Bay in summer （μmol/L）

图4 秋季大连湾不同粒级颗粒物中营养盐浓度平面分布（μmol/L）Fig.4 Distribution patterns of nutrients in different-sized particulates in Dalian Bay in autumn（μmol/L）

2.2.3 PSi 大连湾海域PSi浓度夏季低于秋季，与DSi的季节变化一致，但远低于海水中夏秋季PSi的浓度，夏季和秋季＜2μm的PSi浓度在3种粒级中最高（表2）.

夏季各粒级PSi浓度均在湾口7号站位附近出现高值区，由湾外向湾内递减；秋季20～200μm中PSi浓度在湾中部出现高值区，2～20μm、＜2μm和总PP浓度的高值区均出现在湾口附近 （图3，图4）.PSi的分布主要受到地表径流和浮游植物分布的影响，在湾口附近高值区没有明显的河流输入，因此，在湾口附近出现高值区最可能原因就是受到浮游植物分布的影响.

2.2.4 不同粒级Chl a.的分布特征及浮游植物组成特征 大连湾海水中Chl a.浓度夏季（16.12±5.62）μg/L高于秋季（4.69±0.77）μg/L.夏季各粒级Chl a.均在湾西北部海域出现高值区，由湾内向湾外递减；秋季＜2μm中Chl a.浓度的高值区出现在湾口附近，其他粒级中Chl a.浓度的高值区出现在湾西北部海域（图5）.不同类型浮游植物中Chl a.浓度夏季明显高于秋季，夏季Chl a.浓度大于10μg/L，表明夏季大连湾海域处于富营养化的状态，浮游植物已经大量繁殖.

夏季2～20μm颗粒态中的Chl a.比例最高，为42.3%.秋季20～200μm、2～20μm和＜2μm颗粒态中的Chl a.比例分别为34.8%、32.7%和32.5%.因此大连湾海域浮游植物组成特征，夏季以微型浮游植物为主，秋季小型、微型和微微型浮游植物比例相当（表3）.

2.2.5 颗粒态营养盐与Chl a.季节变化比较 Chl a.浓度在一定程度上可反映海域浮游植物生物量，如果海域Chl a.浓度高，表明浮游植物生物量较大，而相应的浮游植物中营养盐成分浓度也会较高.前文分析可知，大连湾颗粒态营养盐浓度均表现为夏季低于秋季，而Chl a.在季节变化上与颗粒态营养盐表现出相反的特征，这种不一致现象在其他研究［8，25］中也曾出现.造成此现象可能的原因有:一、不同粒级浮游植物中营养盐成分不同，浮游植物生物量与营养成分未有确定关系，这与浮游植物的种类和丰度有关，也与浮游植物对营养盐的竞争力不同有关.大连湾海域＜2µm中PP表现为夏季大于秋季，但＜2µm的微微型浮游植物生物量只占28.6%（表3），小的生物量使微微型浮游植物不能主导浮游植物的总体季节变化，在20～200µm中PSi也出现类似现象.二、以不同粒级颗粒物中营养盐浓度代表浮游植物中营养盐成分的方法，存在一定误差，可能会由于陆源矿物颗粒物的大量输入，而影响不同粒级颗粒物对不同浮游植物的代表性，也可能是造成这种不一致的原因.

图5 夏季、秋季大连湾不同粒级Chl a浓度平面分布（μg/L）Fig.5 Distribution patterns of chlorophyll a concentration in different-sized particulates in Dalian Bay（μg/L）

表3 大连湾海域不同粒级Chl a.的浓度（平均值±SD）Table 3 The average concentration of Chl a. in differentsized particulates in seawater in Dalian Bay （average±SD）

2.2.6 营养盐结构与生态响应 大连湾海水中溶解态营养盐结构与颗粒态中营养盐结构也存在很大的差距.海水中溶解态N/P和Si/P远高于Redfield比值（16:1），而Si/N接近Redfield比值（1:1），主要是由于P缺乏所引起的，海域营养盐结构属于P限制；颗粒物中PSi/PP和PSi/PP远低于16:1和1:1，PN/PP比值接近Redfield比值（16:1）（表4），这主要是由于颗粒物中Si缺乏引起的，浮游植物的营养盐成分存在Si限制的现象.

不同粒级颗粒物中营养盐结构反映不同类型浮游植物对海水中不同营养盐结构适应性的差异.大连湾各粒级颗粒物中PSi/PN和PSi/PP比值与总颗粒物PSi/PN和PSi/PP比值一致，均远小于Redfield比值（1:1和16:1），按照营养盐结构评价方法，小型、微型和微微型浮游植物中营养盐成分也均属于Si限制；在PSi/PN和PSi/PP均远小于Redfield比值的情况下，夏秋季在2～20μm颗粒物中PN/PP比值大于Redfield比值（16:1）（表4，图6），这表明微型浮游植物对N的吸收更有竞争力；夏季在20～200μm颗粒物中PN/PP比值小于Redfield比值，这表明夏季小型浮游植物对P的吸收更有竞争力（表4，图6）.总体来看，可以反映出小型、微型和微微型浮游植物的营养盐成分均表现出Si限制，不同粒级的浮游植物对不同营养盐吸收的竞争力也会有所差异，而微微型浮游植物的营养盐比值更接近Redfield比值（图6），因此微微型浮游植物在大连湾海域的营养盐结构环境中更具有适应性.

表4 大连湾海域营养盐结构比值Table 4 The nutrient structure ratio of seawater in Dalian Bay

图6 夏季、秋季大连湾不同粒级颗粒物中营养盐相关关系Fig.6 The relations among N， P， Si content in differentsized particulates in Dalian Bay in summer and autumn

大连湾海域夏季Chl a.浓度表明海域属于富营养化状态，初级生产力较高，但从Chl a.浓度角度分析，浮游植物生长并未受到P和Si的限制.出现这种现象的主要原因在于海域的营养盐结构不单表现为对浮游植物生物量的影响，同时也会影响海域浮游植物的种类，不同种类的浮游植物适应不同的营养盐结构，因此海域出现营养盐限制，但又出现富营养化的现象也是可能发生的，一些研究［24-25］中也出现了海域属于P或Si限制而发生赤潮或海域处于富营养化状态的现象.

3 结论

3.1 大连湾海域海水溶解态营养盐和不同粒级Chl a.浓度高值区主要出现在甜水套湾和臭水套湾附近，由湾内向湾外递减；不同粒级颗粒物中营养盐分布趋势存在着不一致，但高值区易出现在西北部海域.除DIN外，海水中营养盐总体表现出秋季高于夏季；不同粒级Chl a.浓度表现为夏季高于秋季.

3.2 大连湾海域夏季浮游植物以微型浮游植物为主，秋季小型、微型和微微型浮游植物比例相当.

3.3 大连湾海域海水中溶解态营养盐主要表现为P限制；不同类型浮游植物中营养盐表现为Si限制；微微型浮游植物对大连湾海域营养盐结构具有更强的适应性.

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Distribution and structure of nutrients in seawater and ecological responses in Dalian Bay.

ZHANG Yu-feng1，2，3，TIAN Jin1，2， YANG Shuang1，2， LI Ai1，2， WANG Nian-bin1，2*（1.Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute，Dalian 116023， China；2.Liaoning Ocean Environment Monitoring Station， Dalian 116023， China；3.College of Chemistry and Chemical engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）. China Environmental Science，2015，35（1）：236～243

Nutrient concentrations in seawater， and content of N， P， Si and chlorophyll a in different-sized particulates were measured in Dalian Bay during the cruises carried in summer and autumn of 2012. The temporal and spatial distributions of nutrients and chlorophyll a were studied， and the nutrient compositions and structures in different-sized fractions of phytoplankton were discussed. The high concentration areas of nutrients and chlorophyll a were usually in Choushuitao Bay and Tianshuitao Bay. The concentration decreased gradually from the inner bay to the outer bay. The distributions of nutrients in different-sized particulates showed no consistent trends， and the concentrations of nutrients in the northwest were higher than the middle of the bay. Seasonal variations in nutrients were higher in autumn than in summer （except DIN）， however the content of chlorophyll a indicated an opposite variation. P was the limiting factor of phytoplankton growth， and Si was the limiting factor of nutrient compositions in different-sized fractions of phytoplankton. Among phytoplankton groups， picophytoplankton growth was the most adaptable in the nutrient structure of Dalian Bay.

Dalian Bay；nutrients；phytoplankton；temporal and spatial distribution；ecological response

X142

A

1000-6923（2015）01-0236-08

张玉凤（1982-），女，辽宁凌源人，助理研究员，中国海洋大学博士研究生，主要从事海洋环境化学及环境生态学方面研究.发表论文3篇.

2014-03-28

国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室基金项目（201115）；海洋公益性行业科研专项（201205012-7）

* 责任作者， 研究员， wang_nb0415@aliyun.com