2000～2011年深圳湾及邻近水域颗粒有机物的来源和时空分布

赵明辉,李绪录(.广东省海洋发展规划研究中心,广东 广州 50222；2.国家海洋局南海工程勘察中心,广东广州 50300)

2000～2011年深圳湾及邻近水域颗粒有机物的来源和时空分布

赵明辉1,李绪录2*(1.广东省海洋发展规划研究中心,广东 广州 510222；2.国家海洋局南海工程勘察中心,广东广州 510300)

依据2000～2011年每月一次的调查资料,简要描述和讨论了深圳湾及邻近水域中颗粒有机物(POM)质量浓度的时空分布,并结合盐度和叶绿素a (Chl a)实测数据探讨POM的来源和滞留时间.结果表明深圳湾的POM质量浓度和陆源质量分数分别约为4.2mg/L,79%,而伶仃洋东部沿岸的分别约为1.9mg/L,42%.深圳湾和伶仃洋东部沿岸中现存浮游植物颗粒有机物(PPOM):Chl a比率分别约为92,54g/g,由此估算的PPOM质量浓度分别为0.8,0.2mg/L左右.依据浮游植物生产力和累计海源POM估算的POM滞留时间在深圳湾中为1～5d,而在伶仃洋东部沿岸中约为10d.研究期间伶仃洋东部沿岸POM质量浓度的年际变化略呈上升趋势,从1.7mg/L上升至2.0mg/L;深圳湾POM质量浓度在2000～2005年呈上升趋势,从3.0mg/L上升至5.5mg/L,在2006～2011年则呈下降趋势,从5.4mg/L下降至3.0mg/L.

颗粒有机物；时空分布；来源；滞留时间；沿岸水；深圳湾；伶仃洋

海水中的颗粒有机物(POM)包括有生命和无生命的悬浮颗粒有机物质,由海洋生物生长繁殖过程中产生的及其死亡后形成的碎屑和浮游生物本身组成,近岸体系中也有部分来自陆源和人为输入.POM不但作为生物食物链中一个重要的物质基础,与海区的初级生产力密切相关,是评价海洋资源的一个重要参数[1],而且还作为海水中碳固化和迁移输出的主要形式,与其他海洋碳相之间的相互交换很活跃,在大洋和边缘海的生物地球化学过程和碳循环中扮演着重要的角色[2].同时,POM在痕量元素特别是金属元素的迁移、转化、清除等过程中均起着重要的作用[3].有关POM的研究受到广泛关注[4-12].20世纪80年代以来,我国学者已开展了诸多关于POM的调查研究[4].在南海北部[5-7]、珠江口[8-9]、大鹏湾[4]、大亚湾[10]和海南西南近岸珊瑚礁[11]也有一些相关的研究报道.

众所周知,多年长时间系列数据的分析结果更具代表性.因此,本研究选取香港环境保护署(EPD)已实施的综合调查项目中2000～2011年每月一次的水质监测资料,简要描述和讨论深圳湾及邻近水域中POM的时空分布,并结合盐度(S)和叶绿素a(Chl a)的实测数据,从生物地球化学角度,探讨研究海区中浮游植物生产力(PP)、POM的来源和滞留时间.

1 材料与方法

1.1 研究海区与监测站位

深圳湾是珠江口伶仃洋东侧中部一个由西向东偏北嵌入陆地约17.5km的半封闭型浅水海湾,隶属于香港特别行政区和深圳市.周边陆地为丘陵低山,沿岸有深圳河、大沙河及元朗河等注入,岸线长约60km,水域面积约为90.8km2;湾的东部(湾顶)较浅,西部(湾口)较深,深度一般小于5m,平均为2.9m[13-14].深圳湾潮汐为不规则半日潮,湾口平均潮差1.36m,最大涨潮潮差2.47m,最大落潮潮差3.44m,湾内潮流基本属于西南—东北向往复流;涨潮最大流速为0.97m/s,平均为0.29m/s;落潮最大流速为0.80m/s,平均为0.26m/s[14].集水区内发达的经济和密集的人口产生大量废水通过小河流和地面径流排放入海.深圳湾接受了大量的陆源物质输入,污染严重,水质达到国家海水质量标准劣四类[15],属于富营养化海域[13,16].

选用EPD综合调查项目中11个代表不同地理区域的监测站,其中4个(D1～D4站)代表深圳湾海区和7个(D5、N1～N3、N5～N6和N8站)代表伶仃洋东部沿岸海区.具体监测站位见图1.

1.2 样品采样与要素测量

Seacat19+CTD温盐深剖面仪结合计算机控制的多瓶式采样器被用来测量现场参数和采集海水样品.收集表、中、底层测量数据.表层指海表面下1m深的位置;中层指水深一半的位置;底层指距海底1m深的位置.水深<4m时,只收集表层;水深4～6m时,仅收集表、底层;水深>6m时,收集表、中、底层.POM由重量法测定[4].Chl a由分光光度法测定[17].S、POM和Chl a的报告限分别为0.1,0.5mg/L,0.2mg/m3.

图1 深圳湾及邻近沿岸水域中水质监测站位Fig.1 Monitoring sites for water quality in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters

1.3 数据处理

依据所有的测量数据,应用Excel软件,求取2000～2011年各站水柱(包括表层、中层和底层)中POM质量浓度各月的平均值,并选取1、4、7和10月份代表冬、春、夏和秋季来分析其水平分布的季节变化;求取监测期间所有站表层、中层和底层水中POM质量浓度各月的平均值来分析其年内变化;求取POM质量浓度各航次的平均值来分析其年际变化.另外,鉴于实验分析可能出现偶然误差,在进行回归分析时,设置了一个滤波器滤掉个别被认为是“偶然误差”的离散数点,被滤掉的数点控制在总数点的2%之内.

2 结果与讨论

2.1 POM的时空分布

图2 2000～2011年深圳湾及邻近沿岸水域中平均POM质量浓度(mg/L)的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of the average POM concentration (mg/L) in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters from 2000 to 2011

图2是2000～2011年春、夏、秋和冬季深圳湾及邻近沿岸水域中的代表性POM质量浓度的水平分布.如图2所示,深圳湾的POM质量浓度远大于伶仃洋东部沿岸.各季POM质量浓度的水平分布趋势基本一致,在深圳湾中都是从深圳河口向湾外逐步递减,在伶仃洋东部沿岸,除了秋季的低值出现在深圳湾口外,其他季节的低值都出现在新界至大屿山之间的海域,而高值出现在大屿山西北沿岸(N8站,春、秋和冬季)或新界西沿岸(N6站,夏季).在深圳湾,冬季POM质量浓度明显高于其他季节,夏季的也较高,春、夏、秋和冬季其变化范围分别为1.8～6.1,2.1～7.2,2.5～4.7, 2.7～10.5mg/L,平均分别为3.5,4.6,3.3,5.9mg/L.在伶仃洋东部沿岸,春、夏季POM质量浓度较低,秋、冬季的较高,春、夏、秋和冬季其变化范围分别为1.2～2.0,1.3～2.5,1.8～2.7,1.3～2.7mg/L,平均分别为1.6,1.8,2.2,2.1mg/L.2000～2011年深圳湾和伶仃洋东部沿岸中POM质量浓度分别为(4.2±4.1),(1.9±1.4)mg/L.

图3示出2000～2011年深圳湾及伶仃洋东部沿岸中POM质量浓度各月均值的年内变化和各航次均值的年际变化.由图3a可见,在深圳湾,表层POM质量浓度10月～次年2月连续升高,2～5月则连续降低,5～6月有所回升,6～10月又逐渐降低,呈明显的半年周期循环特征;最高峰值出现在2月,次高峰值出现在6月,最低谷值出现在10月,次低谷值出现在5月;湿季(4～9月)的POM质量浓度明显低于旱季(10月～次年3月).在伶仃洋东部沿岸,表、中、底层POM质量浓度的年内变化波动不大,表层最高值出现在2月,最低值出现在3月;底层最高值出现在10月,最低值出现在4月;全年各月伶仃洋平均POM质量浓度都是底层高于表层.在研究期间,尽管POM与时间的秩相关没有达到显著水平,线性相关系数(R2)为0.01～0.10,但图3b和3c中还是显示出POM质量浓度随时间的不同变化趋势.在伶仃洋东部沿岸,POM质量浓度随时间的波动较小, 2000～2011年略呈上升趋势(图3c),从1.7mg/L上升至2.0mg/L;在深圳湾,POM质量浓度随时间的波动较大(图3b),2000～2005年呈上升趋势,从3.0mg/L上升至5.5mg/L, 2006～2011年则呈下降趋势,从5.4mg/L下降至3.0mg/L.

综上所述,深圳湾的POM质量浓度远高于伶仃洋东部沿岸,主要是由于受到沿海城市香港和深圳向海排放的影响以及其特殊自然环境条件的限制所致.深圳湾属半封闭性海湾,与开阔的伶仃洋相比,其水动力条件较差,水交换较弱,排放物较难向外扩散[13,15],故营养盐终年较高[18-19],成为典型的富营养化海域[13,16].研究期间,深圳湾POM质量浓度在2000～2005年呈上升趋势,2006～2011年则呈下降趋势,表明近几年来,随着周边地区环境保护设施(例如污水处理厂)投入的增加,陆源POM排放已得到一定的遏制.2000～2011年伶仃洋东部沿岸POM质量浓度略呈上升趋势,表明十几年来珠江口伶仃洋集水区的陆源POM排放不断增加.先前对深圳湾和伶仃洋东部沿岸中溶解无机氮和总溶解氮的研究,也得出与此类似的结论[18-19].

图3 2000～2011年深圳湾及伶仃洋东部沿岸中POM质量浓度的年内变化和年际变化Fig.3 Intra- and inter-annual variabilities of the POM concentration in the Shenzhen Bay and coastal eastern Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

深圳湾和伶仃洋东部沿岸的多年平均POM质量浓度分别为4.2,1.9mg/L (依Redfield关系[20],相当于POC质量浓度分别为1.51,0.66mg/L).深圳湾的POC质量浓度与象山港海区的约1.12mg/L和长江口的1.83～7.00mg/L相近[21-22].伶仃洋东部沿岸的POC质量浓度与九龙江河口的约0.76mg/L相近[23],但比He等[8]于2007年4月在伶仃洋的观测结果0.13～0.42mg/L高(然而他们的观测数点均落在本研究结果的范围之内).更多可比较的国内不同海域POC质量浓度见文献[4].

2.2 POM与盐度(S)的关系及POM的陆源和海源质量分数

图4 2000～2011年深圳湾和伶仃洋中各监测站平均POM质量浓度与S之间的的回归分析结果Fig.4 Regression of the POM concentration with S averaged at various sites in the Shenzhen Bay and Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

表1 2000～2011年深圳湾和伶仃洋中各监测站POM的平均海源和陆源质量分数Table 1 Average marine and terrestrial fractions of the POM at various sites in the Shenzhen Bay and Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

尽管海水中POM质量浓度的分布变化受到诸多因素的影响,但回归分析结果显示2000～2011年研究海区中各站平均POM与S之间关系密切,深圳湾和伶仃洋东部沿岸中POM质量浓度均随着盐度的上升呈线性下降(图4),表明研究海区的水动力条件对POM质量浓度分布变化的影响起决定性作用.线性趋势表示POM与S之间密切对等.Y-轴上的截距代表海域周边排放淡水(包括雨水)中的平均POM质量浓度,即深圳湾周边排放淡水的平均POM质量浓度为20.6mg/L,而伶仃洋东部沿岸的为5.5mg/L.因为海水S具有保守性,所以这可被认为研究海区中POM也具有“保守性”.因此,便可依据伶仃洋邻近南海北部沿岸水中多年平均POM质量浓度和S(分别为1.2mg/L,32.0)及各站的POM质量浓度和S,用二元混合质量平衡模式[24-25]定量估算出各站POM的陆源和海源质量分数(表1).伶仃洋东部沿岸POM的陆源质量分数为26%～54%之间,平均为42%,而深圳湾的为64%～92%,平均为79%.

2.3 POM与Chl a的关系及浮游植物POM (PPOM)

图5 2000～2011年深圳湾中和伶仃洋东部沿岸表层Chl a与POM之间的回归分析结果Fig.5 Regressions of the surface chlorophyll a with POM in the Shenzhen Bay and coastal eastern Lingdingyang Estuary from 2000 to 2011

PPOM是指POM的浮游植物质量分量[4],即有生命浮游植物对POM的贡献量.因为海水中Chl a质量浓度是浮游植物现存量的代表,所以通过分析POM与Chl a的相关关系可定量确定PPOM.深圳湾和伶仃洋东部沿岸中表层POM与Chl a之间的线性回归分析结果显示它们之间存在着密切的关系(图5).线性趋势表示Chl a与POM质量浓度之间密切对等.回归线斜率×1000可被认为是PPOM:Chl a比率的平均值.Y-轴上的截距代表无生命碎屑POM的平均质量浓度(确切的说,其中还包含小部分有生命的浮游动物POM).在深圳湾,表层PPOM:Chl a比率约为92g/g,由此结合Chl a实测数据估算的平均PPOM质量浓度为0.8mg/L,约占POM总量的19%,而平均碎屑POM质量浓度为3.4mg/L,约占POM总量的81%.在伶仃洋东部沿岸,表层PPOM:Chl a比率约为54g/g,由此结合Chl a实测数据估算的平均PPOM质量浓度为0.2mg/L,约占POM总量的10%,而平均碎屑POM质量浓度为1.7mg/L,约占POM总量的90%.

2.4 POM滞留时间(TPOM)

海水中TPOM受到很多因素的影响.浮游植物生产一旦开始就面临被海洋动物摄食而被消耗,浮游植物碎屑一旦出现又面临自溶和被细菌降解,只有少部分碎屑POM沉积到海底.TPOM可由水域中的POM现存量除以POM稳定输入量或输出量求出[26].现场初级生产可以认为是POM的稳定输入,但在研究海区中也有大量的陆源POM输入(见2.2节).所以,首先依据图4中POM与S的关系扣除各站POM的陆源质量分量,再采用Chl a法,按照Cadee等[27]提出的简化公式计算PP [以碳(C)表示,g/(m2·d)],采用积分法求出累积海源POM(IPOM海源)现存量,那么依Redfield关系[20],TPOM＝IPOM海源/PP×1272/3550.

深圳湾中表层Chl a质量浓度和透明度分别约为11.0mg/m3和0.6m.深圳河口附近海域的PP较高,湾口附近海域的较低,平均为0.33g/ (m2·d).IPOM海源现存量基本上与水深成正比,平均为2.1g/m2.TPOM在深圳河口附近海域中最短(1.1d),在湾口附近海域中(D4站)中最长(5.1d),平均为2.7d.

伶仃洋东部沿岸中表层Chl a质量浓度和透明度分别为4.6mg/m3和1.7m左右.PP的变化范围为0.29～0.61g/(m2·d),平均为0.51g/(m2·d). IPOM海源现存量也与水深成正比,平均为14.3g/m2.TPOM的变化范围为3～21d,平均为10d.

由上述可见,尽管深圳湾中表层Chl a质量浓度比伶仃洋东部沿岸的高1倍多,但由于深圳湾的透明度比伶仃洋东部沿岸的低得多,伶仃洋东部沿岸的PP反而比深圳湾的高.研究海区中TPOM基本上与大鹏湾中TPOM3～14d[4]、东海南部沿岸陆架水中POC滞留时间(TPOC)2～14d[28]和南沙永署礁水域中TPOC17d[29]一致.另外,深圳湾中TPOM(1～5d)与由潮差和水深估算的海水滞留时间(1～4d)[19]相近.

3 结论

3.1 深圳湾和伶仃洋东部沿岸多年平均POM质量浓度分别为(4.2±4.1)和(1.9±1.4)mg/L.深圳湾中POM质量浓度一年四季都远高于伶仃洋东部沿岸,主要是由于受到沿海城市香港和深圳向海排放的影响以及其半封闭性特殊自然环境条件的限制所致.

3.2 研究期间,深圳湾POM质量浓度在2000～2005年呈上升趋势,2006～2011年则呈下降趋势,表明近几年来,随着周边地区环境保护设施(例如污水处理厂)投入的增加,陆源POM排放已得到一定的遏制.2000～2011年伶仃洋东部沿岸POM质量浓度略呈上升趋势,表明十几年来珠江口伶仃洋集水区的陆源POM排放不断增加.

3.3 研究海区中各站平均POM与S之间关系密切, POM质量浓度随着盐度的上升呈线性下降,表明研究海区的水动力条件对POM质量浓度的分布变化的影响起决定性作用.由二元混合质量平衡模式估算的深圳湾和伶仃洋东部沿岸中陆源POM质量分数分别约为79%,42%.

3.4 表层POM与Chl a之间存在着密切的关系.深圳湾和伶仃洋东部沿岸中表层平均PPOM: Chl a比率分别为92,54g/g,由此结合Chl a质量浓度估算的平均PPOM质量浓度分别为0.8, 0.2mg/L,分别约占POM总量的19%,10%.

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Temporal and spatial distributions and sources of particulate organic matter in the Shenzhen Bay and adjacent coastal waters from 2000 to 2011.

ZHAO Ming-hui1, LI Xu-lu2*(1.Ocean Develop Plan Research Center of Guangdong Province, Guangzhou 510222, China；2.South China Sea Marine Engineering Surveying Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2905～2911

Based on the data obtained from monthly cruises from 2000 to 2011, temporal and spatial distribution of the particulate organic matter (POM) concentration in Shenzhen Bay and the coastal eastern Lingdingyang Estuary were discussed. Sources and residence time of POM were also investigated by combining measurements of the salinity with chlorophyll a (Chl a). The results showed that POM concentration and terrestrial fraction were about 4.2mg/L and 79% in Shenzhen Bay, and about 1.9mg/L and 42% in the coastal eastern Lingdingyang Estuary respectively. The ratios of the phytoplankton POM (PPOM):Chl a were about 92 and 54g/g, based on which the PPOM concentrations were estimated at about 0.8 and 0.2mg/L, in Shenzhen Bay and the coastal eastern Lingdingyang Estuary respectively. On the basis of the phytoplankton productivity and integrated marine POM, the POM residence time was estimated to be from 1～5 days in the Shenzhen Bay and about 10days in the coastal eastern Lingdingyang Estuary. The POM concentration increased slightly from 1.7 to 2.0mg/L in the coastal eastern Lingdingyang Estuary in the period 2000～2011, while increased from 3.0 to 5.5mg/L in the period 2000～2005 and decreased from 5.4 to 3.0mg/L in the period 2006～2011 in the Shenzhen Bay.

particulate organic matter；temporal and spatial distributions；sources；residence time；coastal waters；Shenzhen Bay；Lingdingyang

X142

A

1000-6923(2014)11-2905-07

李绪录(1960-),男,广东汕头人,高级工程师,主要从事海洋化学研究.发表论文20余篇.

2014-03-13

国家自然科学基金项目(41376091);国家“973”项目(2013CB956101);国家海洋局青年海洋科学基金(2013509)

* 责任作者, 高级工程师, benlixulu@sohu.com