您的当前位置:首页正文

海洋中营养盐陆源补充及其对浮游藻群落结构的影响

2023-07-05 来源:客趣旅游网
201 1年 第1期 海洋开发与管理 39 海洋中营养盐陆源补充及其对浮游 藻群落结构的影响  刘 玮 。,冉祥滨 , 臧家业 , 韦钦胜 , 庞雪辉。, 刘芳明 , 王以斌 , 王宗兴 (1】_ 家海洋局第一海洋研究所海洋生态研究中心 青岛 266061;2.海洋生态环境科学与 翻鼙国家海洋局再点实验室 青岛 26606]; 3.济南大学化学化工学院济南250022) 摘 要:文章综述了国内外有关海洋中营养盐陆源利、充机制及其对浮游藻群落结 构影响的研究动态,研究表明人类活动极大地改变了海洋营养盐的浓度和组成,并导致近 海浮游生态系统发生了一定的变化,主要表现为:海域富营养化加剧,非硅藻类赤潮爆发 次数明显增加。然而,筑坝对海洋环境的影响研究仍存在许多问题,有待进一步研究。 关 键 词:海洋;营养盐;陆海相互作用 影响海洋中营养元素浓度、分布特征的主 要凶索为地球物理和地球化学过程上述过程影 响着海水中营养元素的输入、分散和生物化学 把营养盐输送到海洋的过程中担负着极其重要 的角色。在河口水体中,人类活动所造成的氮 通过河流的输人大大超过来自其他氮库的输入。 河口、近岸水体中磷(P)也大多来自河 流_2 ]。同样,河流是海洋中溶解硅(Si)的 主要来源,占海洋总输入量的82 _g],海洋内 部地球化学过程生成量则很少。氮、磷元素直 接由大气向河口和海岸水域的沉降作用可能小 到总量的1 、大到总量的30 ~4O _6],而硅 行为等。海洋对气体的直接吸收,雨水、固体 微粒的沉降以及生物活动等也有较大的影响[1J。 此外,人类排废也是海洋中大部分营养元素的 来源之一L2~f{l。在近海,尤其是河口、海湾等受 人为活动影响较大。人类活动显著改变了陆地 营养盐人海通量 j,并对近海生态系统产生了 一定的影响[=5]。本研究对目前国内外的陆海相 元素由大气向海洋的输送量较小,但此类研究 并不多见。 互作用中营养盐生物地球化学过程研究的基本 情况进行综述,希望能为陆海相互作用的进一 步研究提供一些参考。 2人类活动对海洋氮、磷营养盐的影响 从1860年起,输入到地球生态系统的活性 氮量增加了2O倍,目前总量接近150 Tg/a 。 l 海洋营养盐获取的主要陆源形式 海洋营养盐输入主要有陆源输送、沉积物 与水界面交换、生物作用(主要为生物固氮)、 地壳运动和大气沉降。就全球而言,大气氮 工业化以前全球每年输入海洋的氮量约为3.5× 10 t,尤其是20世纪5O年代以来,由于人类活 动的影响,河流入海的氮通量增至7.6×10 t。 据预测,到2020年全球河流输入到海岸带的人 (N)沉降约占40Tg/a(T一10 ),河流输送到 海洋的氮量约为30Tg/a,陆地地表水中氮约占 10Tg/a,生物固定氮约占20Tg/a_6J。在开阔的 造无机氮将是1990年的2倍多l_l 。氮肥的使用 量超过了生物生长所需量,多余的氮肥会在土 地中聚积或流向地表水体,或渗透到地下水, 或挥发到大气中,并通过一系列的化学反应转 大洋,氮输入的7o 来自海洋本身,22 来自 陆地,8 来自大气 J。而在近岸海域,河流在 *基金项目:中圈近海海洋综合调查与评价专项课题(908-Ol—BC14) 40 海洋开发与管理 化为氨或氮氧化物,之后通过径流、干沉降或 湿沉降影响陆地或海洋的生态系统 J。在全球 尺度,化肥等释出的氮总量的15 被输出到河 流中。另外,人为因素导致大气氮沉降量急剧 增加。据研究,输出到近海水中生物可利用性 新氮的20 ~40 来源与大气氮沉降,例如在 北大西洋流域,大气氮沉降源自北美和西欧的 污染源,这些污染源从工业革命开始急剧增长 (5~10倍)口 “j。与此同时,从土壤流失或由 废水携带而增加的磷通量显著提高了流向海洋 的磷,它几乎超过历史水平(8×10 Tg/a)的 3倍,目前总量接近22Tg/a[2' ]。不过相比于 氮而言,大气向海洋输送磷的通量较小,在其 中沙尘作用较大。此外,人类活动增加了排向 沿海湿地、海湾、溻湖等的营养盐总量,尤其 是那些工农业发达、人口密集的区域。 流域人口数量的急剧膨胀以及化肥施用量 的高速增长,导致由河流输送的营养物质通量 显著增加。Caraco等 通过对世界范围内35条 主要河流研究发现:化肥输入是河流获得氮的 最重要的来源(约为输入的5O ),降水和点源 约为25 。近2O年来,长江的溶解态无机氮又 增加了1倍以上,长江河口硝酸盐输人通量随 着人口的增长而呈指数递增ll ,说明人类活动 对河流营养盐输送的影响显著。Zhang等 通 过对中国主要大江大河的营养盐通量的研究, 发现农业和畜牧业造成的营养盐流失是中国陆 源输入营养盐的最主要来源。沈志良ll 在长江 氮的通量研究中发现化肥中氮的气态损失和农 :Jkt ̄点源流失大约占长江流域年化肥氮使用量 的6O 。上述研究结果均表明化肥是导致河流 营养盐通量迅猛增加的主要因素。 3人类活动对海洋溶解硅的影响 相对于氮、磷排放量的增加,筑坝作用显 著减少了人海溶解硅的通量 加]。因此,河 口、近海海域海水中营养盐浓度和结构[氮磷 比(N/P)和硅氮比(Si/N)]均发生了显著的 变化,表现为N/P比之升高,Si/N比值下降。 但是很多研究对于大坝是否显著改变生源要素 生物地球化学循环提出了质疑。最新研究发现, 铁门大坝每年因硅藻活动产生的生物硅颗粒的 沉降仅减少5 左右的溶解硅 J。此外,世 界范围内河流输送硅的减少往往与河流富营养 化以及水库效应有关,一定程度上,河流富营 养化增加了硅在流域的滞留量 。此外,由于 目前有关河流硅通量的研究结果很少包含生物 硅(硅藻外壳)以及植硅体的数据l2 ,而筑坝 对颗粒物的拦截作用较为明显 ,因此,目前 的研究很难确定筑坝从多大程度上改变海洋溶 解硅的输人格局,表1列举了部分河流筑坝后 对河口溶解硅输送格局影响的案例。 表1 筑坝对河流溶解硅输送的影响 “mol・I 4 营养盐入海结构变化及其生态学响应 毫无疑问,人类活动导致氮、磷人海通量的 显著增加,而硅的负荷会保持不变或有所减少, 这便导致氮、磷、硅化学平衡的改变。氮、磷增 加的生态学特征与富营养化有关,这可以通过有 害藻类暴发来证明。据研究,北大西洋中来源于 大气氮沉降的“新”氮的沉降负荷导致有害藻类 暴发频率明显增加[ 。据已有的赤潮监测数据分 析,全球有害赤潮的增加是因为输入营养盐的N/ si比值和P/Si的比值升高的缘故,对于非硅藻类 而言,这种趋势更为明显_2川,如受密西西比河影 响的墨西哥湾大陆架 。 和受同样变化的多瑙河影 响的黑海西北大陆架 j。此外,营养盐结构的改 变将引起水生生态系统多种、复杂的变化_2 。在 罗马尼亚近海水域,多瑙河营养物排放格局的改 变引起真菌爆发、生物量增加,浮游植物种类构 成也发生了戏剧性的改变l3 。建坝前后硅藻类赤 潮暴发增加了1.5倍,而非硅藻类如双鞭甲藻、 定鞭金藻以及裸藻门的赤潮爆发则增加了5倍。 在过去的5O年间,密西西比河溶解无机氮和溶解 无机磷的浓度增加了一倍,而溶解硅的浓度却变 为原来的一半,Si/N从4:1变为1:1,这便更 第1期 冉祥滨,等:海洋中营养盐陆源补充及其对浮游藻群落结构的影响 有利于赤潮浮游植物的生长,致使北墨西哥湾赤 潮浮游植物暴发增殖的事件相应的增加l3 驺]。同 样中国在近4O年来,胶州湾无机氮和磷浓度分别 增加了3.9倍和1.4倍,N/P从15.9±6.3增加 到37.8-4-22.9,溶解硅浓度却保持在一个很低的 水平。营养盐结构的变化导致大型硅藻的减少和 浮游植物优势种组成的变化,可能致使大型硅藻 趋向于小型化l_3 。与其他影响因子相比,N/P比 则是更重要的调控因子 。 河流人海营养盐减少,对于近海、河口的 水质等也有一定的作用,而这种变化对于河口、 近海生态系统中的反馈效应如何,国内外尚无 相关研究。Brezonik等[3 对密西西比河口墨西 哥湾的研究发现,密西西比河人海营养盐负荷 减少20%~3O ,墨西哥湾底部溶解氧浓度将 提升15 ~5O ,这对于墨西哥湾水质改进, 尤其是季节性低氧区变动有一定的作用。 5 结束语 研究表明,人类活动极大地改变了海洋营 养盐的浓度和组成,并导致生物地球化学循环 和沿海生态结构发生了一定的变化,主要表现 为近海海域富营养化明显增强,硅藻优势地位 受到一定的影响,且非硅藻类赤潮暴发次数明 显增加。然而,河流筑坝对海洋环境的影响研 究仍存在许多问题,有待进一步的研究。 参考文献 [1] 赖利J P,斯基罗G.化学海洋学:第二卷[M].北 京:海洋出版社,1982. [2]BENNET E M,CARPENTER S R,CARACO N F.Human impact on erasable phosphorus and eu— trophication:a global perspective[J].BioScience, 2001,51:227—234. [3] BERT B,ROBERT B.The major biogeochemical cycles and their interactions[M].New York:John Wiley,1983. [4]CARACO N F,COI E J J.Human impact on ni— trate export:An analysis using major world rivers 口].AMBIO,1999,28:167—170. Es]HUMBORG C,ITTEKKOT V,COCIASU A,et a1.Effect of Danube river dam on Black Sea biogeo— chemistry and ecosystem structure[J].Nature, 1997,386:385—388. [6] PAERI H W,BOYNT()N W R,DENNIS R,et a1.Atmospheric deposition of nitrogen in coastal waters:biogeochemical and ecological implications. In:Nitrogen I oading in Coastal Water Bodies:An Atmospheric Perspective[M].Washington:D.C., 2000:11—53. [7] WOI I AST R.Interactions of carbon and nitrogen cycles in the coastal zone.W01last R,Mackenzie F T,Chou I .Interactions of C,N,P and S Biogeo— chemical Cycles and Global Change,NATO ASI se— ries I:Global Environmental Change[M].Berlin: Springer Verlag,1993:195—210. [8] GRIMVAI I A,STAI NACKE R.Riverine inputs of nutrients to the Baltic Sea.In:A Systems Anan— lyse is of the Baltic Sea.In:Wulff,F.V,Rahm, I .A.and Larsson。P.(eds).Ecological Studies Analysis and Synthesis[J],Springer,Berlin,2001, 148:l13—131. [9] TREGUER P,NEI S0N D M,VAN BENNEK0M A J,et a1.The silica balance in the world ocean:A reestimate[J].Science,1995,268:375—379. [10] GAI L0WAY J N,C0WI ING E B.Nitrogen and the world[J].AMB10,2002,31:64—71. [11] FIEI D J H,B00M H L.Nitrogen,Phosphorus and Eutrophication in the Costal Waters Ocean sci— ence,trends,and the challenge of sustainability [M].Washington:Island Press,2002:42—43. [12] VIT0USEK P M,ABER J,H0WARTH R W, et a1.Human alteration of t he global nitrogen cy— cle:causes and consequences[J].Ecological Ap— plications,1997(7):737—750. [13] DUCE R A.The atmospheric input of trace spe— cies to the world’s ocean[J].Global Biogeochem— ical Cycles,1991(5):193—59. [14] PAERI H W.Coastal eutrophication in relation to atmospheric nitrogen deposition:current perspec— tives[J].Ophelia,1995,41:237—259. [15] H0WARTH R W,JENSEN H,MARIN0 R,et a1.Transport to and processing of P in.near— shore and oceanic waters.In:Tlessen H(Ed) Phosphorus in the Global Environment[M].Wiley &Sons,Chichester,1995:323—345. [16] 黄清辉.人类活动对长江河VI硝酸盐输入通量的 影响[J].长江流域资源与环境,2001(10):565— 42 海洋开发与管理 2011正 569. {1 7] ZttANG J,YAN J,ZHAN(;Z F.Nationwide river chemistry trends in China:Huanghe and Changjiang[J].AMBI(),l995,24:275—279. [18] 沈志良.长江氮的输出通量[J].水科学进展, 2004。1 5(6):752—759. [1 9] WHABY S I),BISHARA N F.The effect of Riv— er Nile on Mediterranean water before and after the construction of the High Dam at Aswan.Pa— ges 311—318 In Matin IM,Burton JD,Eisma D, eds.River Inputs to()cean Systems[M].New York:United Nations,1 980. [2o] MII I IMAN J.Blessed dams or dammed dams [J].Nature,1 997,386:325—327. [21] FR1EDI G,TE0D()RU C.WEHRI I B.Is the I ron Gate I reservoir on the Danube River a sink for dissolved silica?[J].Biogeochemistry,2004,68: 21—32。 [22] MCGINNIS D F,B()CAN10V S,TE0D0RU C, et a1.Silica retention in the Iron Gate l reservoir on the Danube River:The role of side bays as nu— trient sinks[J].River Research and Applications, 2006,22:441—456. [23] HUMBORG C,SMEDBERG E,MORT、H C M, et a1.Dissolved silica dynamics in boreal and arctic rivers:vegetation control over temperature?in: The Silicon Cycle[M].Washington:Island Press, 2006:53—69. [24] C()NI EY D J.Terrestrial ecosystems and the global biogeochemical silica cycle[J].Global Bio— geochemical Cycles,2002,16(4):1 121. [25] DEAN W E,G()RHAM E.Magnitude and signif— ieanee of carbon burial in lakes,reservoirs。and peatlands[J].Geology,1998,26:535 538. [26] MAYER I M.GI OSS S.Buffering of silica and phosphate in a turbid river[J].Limnology and O— ceanography,1980,25:12—22. [27] H()K C,HODGKISS I J.Characteristics of red tieds caused by Alex andrium eatenel la(Whedon 8L Kofoid)balech in Hong Kong[C]//SMAYDA T J,SHIMIZU Y.Toxic Phytop1ankton Blooms in the Sea.Net herlands:Elsevier Science Publish一 ers,l 993:263—268. [28] TURNER R E,QURESHI N,RABAI AIS N N, et a1.Fluctuating silicate:nitrate ratios and coast— al plankton food webs[J].Proc.Nail Acad. ge1.,1 998,95:】3 O48—13 051. [29] OFFICER C B,RYTHER J H.The possible im— portance of silicon in marine eutrophication[J]. Marine Ecology Progress Series,1 980(3):383 39 J. [3O] B0DEANU N.Microbial blooms in the Romanian area of Black Sea and contemporary eutrophication conditions. In:Toxic Phytoplankton Blooms in the Sea[M].1993:203~209. [31] RABAI AIS N N。ATII I A N。N()RMANDEAU C,et a1.Ecosystem history of Mississippi River influenced continental shelf revealed through pre— served phytoplankton pigments[J].Marine Pollu— tion Bulletin,2004,49(728):537—547. [32] TURNER R E,RABAI AIS N N.Changes in the Mississippi River water quality this century impli— cations for coastal food webs[J].BioSeienee, 1991,41:14O~147. [33] JUSTIC D,RABA1 A1S N N。TURNER R E,et a1.Changes in nutrient structure of river domina— ted coastal waters:stoichiometric nutrient balance and its consequences[J].Estuary Coast Shelf Sci, l995,40:339~356. [34] 沈志良.胶州湾营养盐结构的长期变化及其对生 态环境的影响[J].海洋与湖沼,2002,33(3): 322—331. [35] HODGKISS I J,HO K C.Are changes in N:P ra— tios in coastal waters the key to increased red tide blooms[J].Hydrobiologia,1997,352:l4l一147. [36] BREZ0NIK P I ,VICT0R J B,Jr Richard Alex- ander,et a1.Effects of Reducing Nutrient Loads to Surface Waters within the Mississippi River Ba— sin and the Gulf of Mexico:Topic 4 Report for the Integrated Assessment on Hypoxia in the Gulf of Mexico.NOAA Coastal()cean Program Decision Analysis Series No.1 8[R].NOAA Coastal O— cean Program,1999:13O. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容