长江口营养盐、石油烃对海洋生态系统影响及动力学研究

【摘要】： 近年来，由于人类活动的影响，东海海域富营养化程度和范围逐年加重和扩大，由此导致了水质恶化、海洋生态系失衡、赤潮等海洋灾害频发等重大海洋生态环境问题，尤其是长江口邻近海域。本文针对这一海洋生态环境的热点问题，通过对长江口邻近海域的海上现场调查、现场围隔生态实验以及相关生态动力学模型研究，对该海域营养盐及石油烃污染物的分布变化规律、控制过程以及对海洋生态系统的影响进行了研究，以为东海赤潮发生机理研究提供必要的科学基础。主要工作及结论如下： 1．利用现场调查对东海长江口邻近海域的多种化学要素的分布及变化规律进行了探讨，对该海域的各种形态的营养盐进行了较为全面的分析，并对营养盐结构及其影响因素进行了探讨。调查海区内营养盐含量的变化主要受长江冲淡水、台湾暖流以及生物活动所共同控制，营养盐的控制过程具有明显的季节变化，其中秋季研究海域营养盐浓度受长江冲淡水影响较大，而台湾暖流在春季对调查海区的影响程度大于秋季。 1．1．调查海区主要形态营养盐浓度较20世纪80年代有较为显著的升高，而且营养盐分布具有明显的季节变化。1997年秋季海水中硅及各种形态磷的含量均高于春季，除NO_3-N外，1998年春季海水中各种形态氮的浓度均高于秋季。秋季PN和PP显示出较强的垂直浓度梯度，其他形态营养盐垂直分布比较均匀。两个季节海水中磷的结构变化明显，秋季磷主要以PP(54％)为主，而春季 长江口营养盐、石油烃对海洋生态系统影响及动力学研究 主要以PO4一P(51%)为主;两季节氮的结构基本一致，溶解氮 都以DON为主，分别为40%和39%:秋季NO3一N比例较春季略 高(22%)，而春季NH4一N比例较秋季略高(9%)。 调查海域营养盐主要受长江冲淡水、台湾暖流流和浮游植物生长 综合作用所控制，日_其控制过程具有明显的季节变化。秋季营养 盐受长江冲淡水影响较大，春季该海域PO4一P受外海高盐水影响 较秋季大，具体而言，两季节5103一Si和DIN均主要来源于陆源 输入，但秋季对N03一N影响较大，春季则对NH4一N影响较大。 秋季PO4一P同时来源于长江冲淡水和台湾暖流，而春季则主要来 源于台湾暖流，显示出春季台湾暖流对调查海区的影响程度大于 秋季。 两季节浮游植物种群及对营养盐的吸收利用也表现出明显的季 节差异。其中两季节浮游植物光合作用均以PO4一P为主要磷源， 而秋季浮游植物以NO3一N为主要氮源，春季则同时以NH4一N和 NO3一N为主要氮源。由于秋季浮游植物优势种为硅藻且其生物量 和初级生产力均高于春季，春季优势种则为硅藻和甲藻，结合调 查海域叶绿素与化学要素间的相关程度，可推断秋季正处于浮游 植物生长的发展阶段，而春季正处于浮游植物生长的衰减阶段。 首次在长江口邻近海域进行了中尺度富磷围隔生态实验及石油烃 污染围隔生态实验，应用营养盐吸收动力学模型和所建立的石油 烃生物富集动力学模型，进行了营养盐及石油烃对海洋浮游生态 系统影响的定量化研究。结果表明，富磷及石油烃污染对该海域 浮游生态系统的数量及结构有着不同程度的影响，也造成营养盐 浓度及结构的变化。实验结果从定性及定量上证实并支持了了东 海PO4一P是比NO3一N更重要的营养盐限制因子。 营养盐浓度及形态的变化与浮游植物生长有密切的关系，在海水 中富氮而缺磷的长江口海域，加磷对浮游植物生长有较强的刺激 作用，甚至出现赤潮生成及消亡的全过程，磷酸盐浓度较高有利 「!‘国海洋人学博士学位论文 2 .2 2 .3 2 .4 2 .5 2 .6 于促进硅藻的生长，较低则相对有利于甲藻生长:同时加磷对小 型浮游动物的生长也有一定的从促进作用。 在磷限制的长江口邻近海区，浮游植物对PO4一P的吸收和释放速 度均大于对NO3一N的吸收和释放速度。其中，较高的磷浓度对浮 游植物吸收磷速度略有促进，对氮的吸收速度却略有限制，对浮 游植物的细胞外分泌影响不大;秋季浮游植物对PO4一P的吸收和 释放速度大于春季，而两季节浮游植物对氮的吸收和释放速率常 数相差不大，结合浮游植物优势种可知，硅藻对PO4一P的吸收速 度大于甲藻，而对NO3一N的吸收速度却略小于甲藻，释放速度则 略大于甲藻。证实该海域PO4一P是比NO3一N更重要的营养盐限制 因子。 围隔中浮游植物对富磷环境可能需要一个适应过程，适应后才开 始迅速生长。此外，实验初期浮游植物缓慢生长和对磷酸盐的快 速吸收，说明浮游植物对磷酸盐的吸收贮存过程，而且甲藻对磷 酸盐的贮存能力可能较大，故在水体磷酸盐水平极低的情况下仍 能迅速生长，由此可引发浮游植物优势种群的更替。 石油烃的加入在总体上可抑制浮游动物和浮游植物的生长，但并 不足以限制浮游生物的生长，对与浮游植物种群生长相关的生物 和化学过程影响似乎也不大。一定浓度的石油烃对甲藻抑制作用 较强，使甲藻的种类和数量减少，但对硅藻的生长有相对较强的 促进作用，使硅藻的种类和数量增加，由此引发了浮游植物种群 的演替。 通过所建立的石油烃生物富集动力学模型较好地模拟了浮游生 物对石油烃的生物富集