1、渤海无机氮年际变化分析第 2l 卷第 2 期2002 年 4 月海洋通报MARINESCIENCEBULLE11N渤海无机氮年际变化分析石强陈江麟李崇德(国家海局北海 捌中心山东青岛 266033)VoI21.No.2Apr.2002搐要:撤据 1985-1998 年渤海斯面资科分析 ,高浓度无机氮水体从断面近岸海域通过底层水件运年向渤海巾铘迁移和扩散.断面坶域底层水体无【氮浓艇的年变化可比较稳定地反映水体的富营养化程度渤海晰面海域酊 j 酸盐氮,F 硝酸盐氮 j 际变化的主要韶舟原率呈现准平衡志变化,由于海水污染程度的持续增长.破坏了这种准平衡态年际变化.海详生物-化学过程仅能够维持其年际变
2、化的次耍部分呈现准甲衡志变化,是不足以阻止其土啬 lf 分脱离扯平衡惫变化海洋牛物的繁殖和聚集密度对无帆氪浓度的空 M 分布有重要影响.关键词:无机氪:迁移;扩散;准平衡卷中田分类号:P73425 文献标识码:A 文章编号:1001-6392(2002)02-002208引言海水中的无机氮是海洋生物需要摄入的重要营养元素,同时也是参与海洋生物化学循环的主要元素之一.近卜-几年来,由于渤海沿岸陆源污染物大量排海,渤海海洋污染状况日益严重,破坏了海水营养盐元素在生态过程中的正常循环过程,海水富营养化程度也愈加严重.目前,渤海每年接纳的陆源污水量 28 亿 t,各类污染物 70 多万 t,赤潮等海洋
3、生态灾害次数增加.自 1990 年以来,有记载的较大赤湖事件已数十起,影响面积达数千平方公里,造成的崮接经济损失数 I.亿元.山此看来,渤海水体中的无机氮分布与循环过程比过去发生了显着变化,原本形成的渤海无机氮自然循环过程,有可能因为污染等人为的因素而发生某种变异.困此,研究渤海无机氮的年际变化特征对于研究渤海无机氮的海洋化学循环过程的变异,建立无机氮循环数学模型以及评价渤海富营养化程度和恢复渤海海洋生态环境都有重要的意义.1 调查资料与分析方法分析资料取自渤海调舞断面海水表,底层无机氮浓度,调查站位见图 1.海水表,底层硝酸盐氮(NO-N), 亚硝酸盐氮(NO-N) 观测时间为 1985-1
4、995 年的 5 月份和19851998 年的 8 月份;铵盐氨(NHN)观测时间为 1991 1995 年的 5 月份和 1991-1998 年的 8 月份,其中 1993 年 8 月份无机氮资料欢删.分析仪器为船用分光光度仪,分析方法按照国家海洋局海洋调查规范规定执行.收稿日期:200l?0606接盒顶:国家拇许扁青年辫评科学嫠金资 l6 评题( 编号 97214)2 期石强等:渤海无机氪年际变化分析囤 I 渤海无机氟调查断面站位示意圈Fig】SchermaliesketchofsureysectionforinorganicNitrogenintheBohaigulf应用依据半径基函数的
5、多二次曲面客观分析方法将分析要素分别绘制割面.时间图,为了降低噪声干扰,刺分析数据做 Shapiro 二阶理想低通滤波 .为了研究分析要素的时空分布,我们对备要素进行了经验正交函数(EOF)分析,并且应用与文献【2,3】相似的N 规则判断,分别选出具有地球化学意义的 NOs?N,NOz-N 和 NH4-N 的特征向量( 位)和主成分 0).由于海洋表,底层水体分别邻接着不同的介质,表层与大气邻接,底层与沉积物邻接.黄海海域大气中的无机氮以氨氪和硝酸盐为主要存在形式沉降,它们是分层时期上棍合层中浮游植物的主要营养盐来源.现场培养实验表明,就平均通量而言,硝酸盐,亚硝酸盐,磷酸盐和硅酸盐均自沉积物
6、中向上覆水中转移,而氨氮则相反,自上覆水中向沉积物中转移.山于海洋表,底层水体的营养盐来源的方式,速率和光合作用,平流输送量的差异,其营养盐的时空变化特征必将有所 j 同.EOF 分析表明(表 1),底层无机氪通过检验的分析特妊值比表层稍多,随叫底层无机蠡的地球化学信号水平稍高于表层,具有比表层稳定的年际变化特征.冈此,我们主要对底层无机氮进行分析.2NO3-N 年际变化分析在充分通气的条件下,海水中的 NO3-N 是化合物的无机氮中 (热力学上)的稳定形式.断面平均水裸约】9m,水体乖直混合较充分,表底层 NO3-N 浓度分布差别大.图2,图 3 分别是断面 5 月,8 月底层 NO3-N
7、年际变化图 5 月 NO-N 高值区在断面的两端的近河口海域,由于辽东湾和黄河口坶域的 NO-N 迂移和扩敞,渤海中部 NO3-N 浓度逐渐升24 海洋通报 2I 卷注:E】,E2-E3 分别表示第一,第二,第二三特征向量:P】.P2,P3 分别表示第一,第二,第三主成分高,其中辽东湾一端的 NOs-N 高值线持续向南移动,11a 间 1.0umol/L 等值线已经向南移动了约 100km;黄河口一端海域 NOs-N 向北迁移的方式是突进的.这种差别主要是由于渤海潮流,余流朐特点决定的.8 月是浮游植物,细菌和藻类等生物的繁殖期.生物摄入和过量储存 N03-Ntt1.使得 NO-N 浓度比 5
8、 月份降低.但是,1998 年与 1985 年相比整个断面 NO3?N 浓度已升高了许多.EOF 分析表明:断面底层 N0-N 空f 百 J 特征向景分布季节差异明显.5 月第一特征向量 1)在渤海中部(38.5.N39.5.N)分布平缓,变化小;而辽东湾冷水团区(40.N39,5.N)与断面两端近岸海域呈反相位变化(图 4a),8月 EVEI 在断面绝大部分区域是同相位变化(图略 ).5 月第一特征向景(EVE2)以渤海中部为界在断面南北海域呈现反相位变化(8 月 EVE2 比较接近 N 授则判据,也有相似的分布).5 月第三特征向罱(EVE3)在断面中部(38.7.N)和北端海域有明显的同
9、相位变化(图 4a).主成分变化特点是:Jpc 在 19851991年期问现准平衡态变化,l991 年以后出现脱离准平衡态变化:PC:,PCs 仍然维持着准平衡态变化(图 4b).综合上述特点表明 8 月份生物群落茂盛并大囤 2 渤海断面 5 月底层硝酸盐浓度年际变化(moteL)Fig2AnnualvarietyofNO-NinthebottomlayerwaterintheBohaiSeainMaymol/L)图 3 渤海断面 8 月底层硝酸盐浓度年际变化(mol/L)Fig3AnnualvadetyofNONinthebosomlayerwaterintheBohaiSeainAugcs
10、t(mol/L)2 期石强等:渤海无机氯年际变化分析八.,/,带硼(.,第主或丹雄二主成 j/,/,荒.成丹一,.,/,tv-,/305N40dH4051 自转8619 日 1,8819 黯蝴?91I92919915 年I:向(b)主成分图 45-戊酸盐氪浓度Fig4ConcentralionoiNO3-NinthebottomlayeraterinMay量摄入 NO3 一 Nt 使 NOs-N 浓度下降.空恻布结构比较简单,一致.5 月份 NOs-N浓度较高,空削分布结构比较复杂,辽东湾冷水团的低温环境有利于 NOsN 富积;渤海39.N 以北海域浮游植物的高度密集撮入大量 NO3-N,使渤
11、海南北海域出现了反位相变化的成分;渤海湾和辽东湾沿岸河流 NO3-N 的排入主要列渤海断面近岸海域(39.N 以南和 4O.N 以北)产生影响.渤海断面 NO.,-N 变化主体(.P(J)原奉存在着准平衡态变化,坦是出于NO3-N 浓度的持续增长,使得 NO3-N 变化主体在 l992 年后出现脱离准平衡态变化.但是,NO3 一 N 变化的次要部分(PQ,PC3)仍维持着准平衡悉变化循环刷期约 5a 和 1la.3N02 一 N 年际变化分析NO2-N 是 NH,-N 和 NOrN 之的一种中氧化状态,它可以作为 NH-N 的氧化或NOz-N 的还原的一种过渡形式出现.这两种过程在海洋中主要受
12、生物的作用丽活化.渤海中 NONl 敞度比其他无机化台氮浓度低光还原作用使得表层 NON 浓度比底层浓度低,夏季藻类生物密集产生 NO2-N,使得 8 月份 N 一 N 浓度比 5 月份高.8 月底层NO2-N 浓度自 20 纪 9O 年代以来明显增高,i=东湾一端海域的 NO2 一 N 高值线向南延伸了约 f10km,黄河 El 一端海域的 N.N 高浓度向渤海中部伸展约 60km.见图 5.5 月份底层NON 浓度高值线已经从辽东湾一端向渤海中部延仲了约 110km,见图 6.EOF 分析特征:5 月份,渤海断面两端的近岸海域与渤海中部海域 NO2-N 的 EVE;反位相变化;8 月份断面
13、 N0N 的 Et 同位相变化(图略).5 月份断面两端 NON 的反位相变化.图 7a.在 8 月份 ,1991 年以前 PO 权重减小时 PC2 权重增大.在 5 月份,当P0 权重持续 8a(1985 一 l992)增大后,PO 出现偏离准平衡态变化 ,图 7b.上述特点表 HJ:断面 NO2-N 浓度年际,空问变化在渤海中部变化较小,在断面两端海域变化较大.断面 NO-N 浓度的空问分布和年际变化与 NO3-N 是相似的,其变化的原因也眦26 海洋通报 21 卷固 5 融海断面 8 月份底层亚硝酸盐氟浓度年际变化(umol/L)F5Annualvarib,ofNO-Ninthebott
14、omlayerwaterintheBohaiS 嗵 inAust(mol/L)U40200-02-04-0638ON3B5“N39ON39N40Om4 口 5(a)特向常瞳 6 融海断面 5 月 fj底层亚硝酸盐氨浓度年际变化(mol/L)Fig6AnnualvarietyofNO-NinbottomlayerwaterinIhBohaiS 嗵 inMay(mol/L)一/,|.第二主瞳一图 75 月底层亚硝酸盐氨浓度Fig7ConcentrationofNO:-NinthebottomlaterwaistinMay是相似的这里再重复.4NHN 年际变化分析在千游植物生长期闯,许多单细胞藻利用
15、 NH-N 优先于 NO,-Nt 列 NI-I-N 的吸收速率比 NO-N 高.在温带的表层水中当浮蝣植物的生长己移去了大部分的 N-N 时,NHN2 期石强等:渤海无机氮年际变化分析 27常常能成为化合态无机氮中最丰富的形式.另外,死亡的和衰老的藻细胞将发生自溶作用,并且这种作用与细菌作用相结合,将原来束缚在颗粒物中的大部分有机氮以NH-N 的形式释放出来.冈此,NH4-N 是海洋中十分重要而且变化和转换较快的一种化台态无机氨形式.断面底层 NH4?N 浓度逐年升高,在 5 月份表现为断面两端 NH4-N 高浓度区向渤海中部的扩散和迁移:在 8 月份主要是断面 38.5.N 以北海域 NFh
16、-N 浓度逐渐升高,近岸海域NH4-N 高浓度的扩散和迁移作用不明显,见图 8,图 9.田 8 渤海断面 5 月份底层铵盐耍【壤度年际变化(mol/L)Fig8AnnualvietyofNHNintheboltomlayerwater扪 meBohalSeaiaMay(umo/ILj囤 9 渤海断面 8 月份底屡铵盐氨浓度年际变化(mol/L)Fig9AnnuvarietyofNHNinthebottomlayeratcr抽口 BohaiSeaInAugcst(mol/L)EOF 分析特征:8 月份断面底层 NH4-N 浓度EVE,存在反位相变化的成分.EVE2的反位相变化在辽东湾冷水团海域表
17、现的 1 分明显,见图 l0a.8 月份断面底层 NH4-N浓度的尸凸权重呈指数型增长,这种变化可能与生态环境恶化,浮游生物摄取 NH.-N景减少有关.PC2 有准平衡态变化的形式 ,见图 10b.由于观测序列较短 ,耐渤海 NH4?N 的进步,;I|./第特向世(65).,0N 拍 0NN0N_05“N(a)特向垃第一主 J 越升舞=一.0911g9719g3l99161 朝 6I998 年(b)主成讣囤 108 月底层铵盐氰浓度F10ConcentrationofNHNintheboaomlayerwrcfmAugcst海洋通报 21 卷的分析还有待观测资料的积累.5 结论1985-199
18、8 年期问 ,渤海断面海域无机氮浓度逐年增加,特别是从 1991 年以后,断面海域无机氮比以前增加了数倍,海水富营养化程度严重.渤海断面海域无机氮浓度的增加主要归因于污染造成生态环境恶化,生物量减少以及大陆径流无机氮的排入.高浓度无机氮水体从断面两端近岸海域通过底层水体逐年向渤海中部迁移和扩散,表层水体的无机氮浓度易受外界物理因素的影响(风,降水,表层海流,太阳辐射等等)发生转换和位移,因此,渤海底层海水的无机氮浓度具有比表层稳定的年际变化特征,能够比较稳定地反映海水的富营养化稗度.EOF 分析表明:渤海断面海域 NO3-N,NOvN 年际变化的主要部分原本存在准平镊态变化,大陆径流污染物的排入并能立即改变这种准平,谯态变化,但是,当排入污染物经过数年的连续增长后,海洋生态环境恶化,原先呈现准平,镌态年际变化的NO3N,NO2-N 主要变化部分被破坏.并转向和维持在一个高浓度水平.虽然,海洋生物一化学过程能够维持其年际变化的次要部分呈现准平锈态变化,但是不足以阻止其主要部分脱离准平,镌态变化.浮游植物,藻类等海洋生物的繁殖和聚集密度对无机氮浓度的空间分布有重要影响.在浮游植物等生物高度密集的海域,无机氮的再生和消耗速率将加快,无机氮之间的
