冬季中国东海中溶解碳水化合物浓度分布

杨桂朋,吴冠伟,张艳萍

(中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

冬季中国东海中溶解碳水化合物浓度分布

杨桂朋,吴冠伟,张艳萍

(中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

采集了中国东海(2009-12～2010-01)35个站位的海水样品,其中包括6个站位的垂直断面。用TPTZ方法测定了溶解态的单糖(MCHO)、多糖(PCHO)和总糖(TCHO)的浓度,对其水平分布和PN断面分布进行了研究。结果表明,受到长江冲淡水和黑潮水的影响,表层海水中MCHO、PCHO和TCHO浓度的水平分布表现出由近岸向外海递减的分布趋势。PN断面由于受冬季东北季风的影响,水体混合强烈,使得MCHO、PCHO和TCHO浓度在垂直方向上分层无明显规律。对长江口外3个断面海水中TCHO浓度与环境因子做了相关性研究。结果表明,TCHO浓度与盐度和温度呈显著的线性负相关,与Chl-a浓度呈线性正相关。

溶解碳水化合物;叶绿素a;浓度分布;中国东海

碳水化合物是海洋环境中普遍存在的化合物,是海洋中有机物质的主要组成部分,分别占大洋表层和深层海水中溶解有机碳的6.5%～24%和15%～21%[1],在海洋碳循环中起着非常重要的作用。碳水化合物是浮游植物光合作用的直接产物,是细胞中主要的能量、存储和结构组分[2-4]。碳水化合物在生物体内经一系列的降解而释放大量的能量,供生命活动需要,是异养生物的主要能量来源[5];是蛋白质、类脂、核酸、纤维素等的碳架及机体其它碳素的重要来源[6];也是生物体提供支撑保护作用的结构物质,如纤维素、胶质、壳质等[7]。

陆架海域被认为是生物生产力最活跃的区域,是陆地和海洋之间物质传送与转化的交界区[8-9]。中国东海是世界上最有代表性的大陆架浅海区之一,由于水深较浅,季节变化较大,各种物质的含量及分布也有非常大的变化。而且东海海域包括了黑潮主干及其分支水系、沿中国和九州的沿岸水、以及它们之间的混合水,水文状况特别复杂。其PN断面通过长江淡水区,横切冲绳海槽并与黑潮主轴垂直,对研究东海的水文、化学和生态特征极具代表性[10]。

溶解态碳水化合物的分布在各海域已有一些研究,例如,印度洋[11],北冰洋[12],墨西哥湾[13]等,但对于冬季东海溶解态碳水化合物的分布研究却未见文献报道。因此,本文首次研究了冬季东海溶解态碳水化合物在表层海水的水平分布和PN断面的垂直分布,探讨了溶解碳水化合物与海水中的叶绿素、温度、盐度等环境因素之间的关系,丰富了全球碳水化合物的海域调查资料,从而为进一步研究碳水化合物在整个海洋环境中的生物地球化学过程奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 取样

分析水样于2009-12-23～2010-01-05随“东方红2”号科学考察船在东海近海海域(25°N～33°N,119°E～128°E)用12 L Niskin采水器或10 L塑料桶采集。采集后立即取300 mL海水样品用Whatman GF/F玻璃纤维滤膜低压过滤(不大于5 mm Hg),滤液分别装入2个干净玻璃样品瓶中,一份于-20℃冷冻保存,用于测定碳水化合物;另一份滴加1～2滴饱和氯化汞于4℃冷藏保存,用于测定溶解有机碳。滤膜对折并用锡纸包好后于-20℃冷冻保存用于叶绿素a(Chl-a)测定。采样过程中使用的所有滤膜及玻璃样品瓶均经500℃灼烧5 h。采样站位如图1所示。

图1 中国东海的调查站位图Fig.1 Locations of the sampling stations in the East China Sea

1.2 溶解碳水化合物的测定

本文通过TPTZ(2,4,6-三砒啶-s-三嗪,C18H12N6)分光光度法测定海水中溶解态单糖(MCHO)、多糖(PCHO)和总糖(TCHO)[14]。主要原理为:Fe3+被海水中的还原糖还原成Fe2+,Fe2+与TPTZ发生络合反应,生成紫色产物;然后通过紫外-可见分光光度计在特定波长下检测其吸光度。

简要步骤为:取1 mL海水于具塞试管中,加入1 mL碱性铁氰化钾溶液(0.7 mmol/L),混合均匀,水浴加热10 min,立即加入1 mL三氯化铁溶液(2.0 mmol/L)和2 mL TPTZ溶液(2.5 mmol/L),充分摇匀后,通过紫外-可见分光光度计(UV-2550,Shimadzu Co.,Japan)用1 cm石英比色皿在596 nm下测定其吸光度。根据葡萄糖工作曲线求得MCHO浓度。对于TCHO,首先取4 mL海水样品于安瓿瓶中,加入0.4 mL 1 mol/L HCl,火焰密封后,在100℃下水解20 h,冷却后打开,用1 mol/L NaOH中和,然后依照上述测MCHO的步骤测定TCHO浓度,由工作曲线得到的浓度乘以1.2即为TCHO浓度。PCHO浓度为TCHO与MCHO浓度之差。此方法的变异系数为2%～10%,检出限为2.2μmol/L。1.3海水中叶绿素a的分析方法

图2 冬季中国东海表层海水中MCHO、PCHO、TCHO(μmol/L)、以及Chl-a(μg/L)的浓度、温度(℃)和盐度的水平分布Fig.2 Horizontal distributions of concentrations of MCHO,PCHO,TCHO(μmol/L),Chl-a(μg/L),temperatuer(℃)and salinity in the surface seawater of the East China Sea during winter

Chl-a的含量采用荧光法测定[15],即将滤膜用10 mL 90%的丙酮溶液在4℃黑暗条件下萃取24 h,在4 000 r·min-1转速下离心10 min,取上清液,在激发波长为436 nm、发射波长为670 nm条件下,用分子荧光分光光度计(F-4500,Hitachi Co.,Japan)测定其荧光信号,由Chl-a工作曲线直接求得Chl-a的浓度,该方法检出限为0.01μg/L。

2 结果与讨论

2.1 东海表层海水中MCHO、PCHO和TCHO的浓度的水平分布

2009年冬季航次调查结果表明,TCHO的浓度范围为2.8～24.0μmol/L,平均浓度为12.0μmol/L。其中MCHO的浓度范围为0.7～11.4μmol/L,平均浓度为4.3μmol/L;PCHO的浓度几乎是MCHO浓度的2倍,其浓度范围为1.4～20.7μmol/L,平均为8.5μmol/L。与其它海域所测结果相比,本文所测得的TCHO浓度低于张艳萍和杨桂朋[16]测定的北黄海的值,略高于墨西哥湾[13]、白令海[17]以及北冰洋[12]海水中的浓度。同航次Chl-a在表层海水中的浓度范围为0.20～1.06μg/L,平均浓度为0.53μg/L,与黄邦钦等[18]的研究结果相吻合。

调查海区表层海水中MCHO、PCHO和TCHO浓度的水平分布如图2所示,MCHO浓度高值集中分布在近岸海区,并由近岸向外海呈迅速递减趋势。这是由于冬季长江径流量小并受东北风的影响,长江冲淡水穿过杭州湾南下,并限于靠岸的一狭带,使得东海近岸海域营养盐含量很高,且等值线几乎与海岸线平行,呈现明显的由近岸向外海方向递减的趋势[19]。在长江口附近海域PCHO浓度出现高值区,在站点PN10、DH01和DH02的浓度分别达到15.6、12.8、14.5μmol/L,这是由于长江径流携带大量的营养盐向河口邻近海域输送,成为生物生存和发展的基础。另外,PCHO浓度在台湾西北部附近海域也出现了高值区,在站点KP04的浓度高达20.7μmol/L。与此同时,在台湾暖流和东海沿岸流的共同作用下,此海区形成高密度的浮游植物聚集区,Chl-a浓度出现高值,达到1.06μg/L,两者相吻合,说明较高的浮游植物密度促进了碳水化合物的合成和向海水中的释放,导致此海区出现PCHO浓度高值。

高温(>20℃)、高盐(>34)、低营养盐(NO-3, PO3-4,SiO2-3分别小于1,0.2,5μmol/L)的黑潮表层水控制着东海东部海区[20],特别是冬季高温高盐的黑潮上层低营养盐水入侵陆架达100 m等深线以西,是一年中黑潮上层水西进陆架最深入的季节[21],使得相应区域的MCHO、PCHO、TCHO的浓度明显偏低。

2.2 东海PN断面海水中MCHO、PCHO和TCHO浓度的垂直分布

冬季东海PN断面MCHO、PCHO、TCHO、Chla、温度和盐度的分布如图3所示。其中MCHO、PCHO、TCHO的浓度范围分别为0.1～9.0,0.2～15.6,0.7～17.5μmol/L,平均浓度分别为2.4,7.0, 8.6μmol/L。PCHO平均浓度占TCHO浓度的81.4%,说明PCHO是海水中TCHO的主要组分。

由图中温盐的分布发现,冬季100 m以上海水垂直混合均匀,PN09站位以西出现了较强的盐度锋,表明是受到了长江冲淡水的影响,因此该断面西北侧的MCHO和PCHO浓度也呈现出由近岸向外海方向迅速递减的趋势。在PN断面东南侧两站位100 m以上水体中出现了PCHO浓度小于1μmol/L的低值区,从图3可以看出这2个站位的温、盐分布符合黑潮水的特征,表明黑潮水主流从该处经过,因此100 m以上水体中低浓度的PCHO主要是受贫糖的黑潮表层水和次表层水的影响。此外,还观测到等盐线隐约沿陆坡向陆架楔入(见图3),表明黑潮次表层水有沿陆坡向陆架爬升的现象。受黑潮水对东海入侵的影响, PN03b站位的水体中,浮游植物生物量比较低,Chl-a浓度明显低于相邻站位。另外,在陆架边缘的PN04站近底层海水中出现一PCHO浓度高值区,其最高浓度可达14.7μmol/L,该区域水体中Chl-a含量(> 0.55μg/L)明显高于相邻站位,意味着该PCHO浓度高值区的形成与生物活动有密切的联系。这也可能是底层沉积物再悬浮作用所致[3]。

周伟华等[22]的研究结果表明,由于冬季东北季风强烈引起剧烈的海水垂直运动,导致水体强烈混合,使得40 m以上的表层、中层和底层3个水层的Chl-a浓度非常接近,这与作者的研究结果大致吻合,如图3所示,在PN08站位以东,40 m以上水体中的Chl-a浓度在垂直方向上变化不是很明显,相应水体中MCHO、PCHO和TCHO浓度在垂直方向上表现得比较复杂,没有明显的变化趋势。在PN08站位以西,是MCHO、PCHO和TCHO浓度的高值区,这是由于近岸的冲淡水和外海入侵的底部高盐水在近海区混合剧烈,使得近岸水体含有丰富的营养盐,造成底层叶绿素a高值基本上均匀分布在近岸区[22]。

图3 冬季中国东海PN断面MCHO、PCHO、TCHO(μM C)以及Chl-a(μg/L)的浓度、温度(℃)和盐度的分布Fig.3 Vertical profiles of the concentrations of MCHO,PCHO,TCHO(μmol/L),Chl-a(μg/L),temperature(℃)and salinity at PN transect in the East China Sea during winter

2.3 长江口外3个断面表层海水中TCHO浓度分布与环境因子之间的关系

长江是我国最大的河流,其年均径流量达9.24× 1011m3,悬浮沉积物入海达4.86×108t/a[23]。强大的径流不断地把大量的悬浮泥沙和丰富的溶解营养盐带入海洋,成为有机生命生存和发展的基础。黑潮从台湾以东海域流入东海后沿陆坡北上,高温、高盐、贫营养盐的黑潮表层水入侵到东海陆架上,是影响碳水化合物分布的重要因素。为了了解长江径流输入和黑潮入侵大陆架对东海溶解碳水化合物分布的影响,分别对冬季调查中长江口外的DH(01～05)、PN和DH (31a～37)3个断面表层海水中TCHO浓度与盐度和温度之间的关系进行了研究,结果如图4a、4b所示。由图可见,表层海水中TCHO浓度与盐度和温度具有显著的线性负相关性,其相关关系可分别用如下公式表示:

TCHO(μM C)=-3.42(±1.03)S+124.9(± 34.6)

TCHO(μM C)=-1.42(±0.26)T+33.91(± 4.55)

图4 冬季中国东海表层海水中TCHO浓度与盐度(S)、温度(T)和Chl-a的相关关系Fig.4 Relationships between the concentrations of TCHO and seawater salinity(S),temperature(T)or Chl-aconcentrations in the surface water of the East China Sea during winter

表明受到长江冲淡水和黑潮水的共同影响,长江口外3个断面表层海水中TCHO浓度均随盐度和温度增加而降低。河流输入淡水,导致河口水域盐度较低,而碳水化合物浓度较高;受高温高盐的黑潮水影响,外海水盐度和温度较高,碳水化合物浓度较低。

浮游植物是海洋初级生产力的主要贡献者,初级生产过程是碳的生物地球化学循环的基础,它启动了海洋生态系统的能量流和物质流[18]。海水中的Chl-a浓度是浮游植物现存量的重要指标,其分布反映出了水体中浮游植物的丰度及其变化规律。迄今为止所做的研究表明,MCHO、PCHO与Chl-a并非存在简单的相关关系,得到的结论也不尽相同[6,13,24]。这是因为不同海区浮游植物物种组成不尽相同甚至存在很大差异,以及不同种类的浮游植物对Chl-a的贡献不同,生产MCHO、PCHO的能力也不同,使得MCHO、PCHO与Chl-a的关系在各海区不同区域不同时间都不尽相同。Biddanda和Benner[25]实验室培养浮游植物研究发现,在培养的4种藻(Synechococcus,Phaeocystis, Emiliania和Skeletonema)中,Phaeocystis生产释放的溶解碳水化合物浓度最高,约100μmol/L,而且浮游植物在不同的生长时期生产释放碳水化合物的能力也不同,随着浮游植物的生长,MCHO浓度随着PCHO浓度的增加而增加。本文中,图4c是选取了同图4a、b

相同的3个断面表层海水,对其TCHO浓度和Chl-a

进行了相关性研究。数据分析结果表明,两者存在一

定线性正相关,其相关关系可用如下公式表示:

TCHO(μmol/L)=21.7(±9.71)Chl-a+0.8913(±4.41)可见长江口外3个断面表层海水中TCHO浓度

随着Chl-a浓度的增加而有所增加。

3 结语

中国东海中碳水化合物的分布主要受长江冲淡水、黑潮水、台湾暖流等多个水团以及东北季风的影响。冬季东海表层海水中MCHO和PCHO浓度的水平分布明显受到长江冲淡水和来自太平洋的黑潮水影响,总体上呈现出由近岸向外海递减的趋势。在垂直方向上,冬季东北季风引起剧烈的海水垂直运动,导致水体强烈混合,使得MCHO、PCHO和TCHO浓度在垂直方向上变化复杂,没有明显规律。另外,对长江口外的DH(01～05)、PN和DH(31a～37)3个断面表层海水中TCHO浓度分别与盐度、温度和Chl-a做了相关性研究。结果表明,TCHO浓度与盐度和温度呈显著的线性负相关,与Chl-a浓度呈线性正相关。

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Abstract: Seawater samples were collected at 35 stations,including 6 stations in the vertical section,in the East China Sea from December 2009 to January 2010.Concentrations of monosaccharides(MCHO), polysaccharides(PCHO),total dissolved carbohydrate(TCHO)were measured with TPTZ method,and their horizontal and PN vertical distributions were studied.The results showed that the horizontal distributions of MCHO,PCHO and TCHO were obviously influenced by the Yangtze River effluent and the oligotrophic Kuroshio waters,and displayed a decreasing trend from inshore to offshore sites.At transect PN,because of strong vertical mixing of seawater caused by strong northeast monsoon in winter,no obvious change pattern was observed in the profiles of concentrations of MCHO,PCHO and TCHO.Linear regressive analyses were made between the concentrations of TCHO and environmental parameters measured at three transects outside the Yangtze River estuary.The results indicated that the concentrations of TCHO was negatively correlated with salinity and temperature,while it was positively correlated with chlorophylla.

Key words: dissolved carbohydrates;chlorophylla;distribution;the East China Sea

责任编辑 徐 环

Distribution of Dissolved Carbohydrates in the East China Sea During Winter

YANG Gui-Peng,WU Guan-Wei,ZHANG Yan-Ping
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education,College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P734.4+3

A

1672-5174(2011)06-075-07

国家杰出青年科学基金(40525017);国家自然科学基金重点项目(41030858);国家重点基础研究发展规划项目(2010CB428904);教育部“长江学者”奖励计划和山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助

2010-09-04;

2011-04-07

杨桂朋(1963-),男,山东诸城人,博士,教授,博导,主要从事海洋化学研究。E-mail:gpyang@ouc.edu.cn