【研究意义】我国黄海海域自2007年起, 连续暴发大规模浒苔绿潮, 给沿海省市带来严重的经济损失, 浒苔绿潮已成为我国黄海常见的海洋生态灾害。【前人研究进展】近几年来对黄海海域浒苔生态学的研究很多, 目前已基本掌握了水温^[1-2]、盐度^[3]、光照^[4]、营养盐^[5-7]、pH值等生态环境因子^[8-11]对浒苔生长的影响, 以及浒苔绿潮发生对生态环境的影响。【本研究切入点】大多数的研究仅限于浒苔绿潮暴发年份的分析, 系统地通过大量数据分析浒苔绿潮暴发前后几年环境因子变化的报道较少。本研究通过浒苔绿潮暴发期间黄海海域环境因子数据分析及对比浒苔绿潮暴发前后黄海海域环境因子的变化情况, 系统分析浒苔绿潮暴发重点海域关键环境因子(温度、盐度、pH值、溶解氧DO、无机氮、磷酸盐和叶绿素a)的季节性和年际变化。【拟解决的关键问题】掌握环境因子与浒苔绿潮之间的相互影响关系, 为绿潮形成机制研究和半岛绿潮灾害防治提供科学资料。

根据绿潮发生范围, 选取34~36°N, 120~122.5°E黄海海域作为调查范围, 2003—2012年每年的2月、8月开展海水质量调查, 2009年2—8月开展绿潮专项调查。

调查要素包括温度、盐度、溶解氧(DO)、pH值、叶绿素a、磷酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐、氨氮。温度采用颠倒温度计法/CTD法/电极法(GB/T 12763—2007), 盐度采用盐度计法/CTD法(GB/T 12763.4—2007), DO采用碘量法/电极法(GB/T 12763.4—2007), pH值采用pH计法/CTD法(GB/T 12763.4—2007), 叶绿素a采用荧光分光光度法/分光光度法(GB/T 12763.4—2007), 磷酸盐采用磷钼蓝分光光度法(GB/T 12763.4—2007), 亚硝酸盐采用盐酸萘乙二胺分光光度法(GB/T 12763.4—2007), 硝酸盐采用锌镉还原法或镉柱还原法(GB/T 12763.4—2007), 铵盐采用次溴酸盐氧化法(GB/T 12763.4—2007)。

2009年2—8月份调查海域表层海水温度的变化如图 1所示。受季节性影响, 调查期间调查海域表层海水温度呈持续增长的趋势, 5月份的表层海水平均温度约15℃, 南黄海海域开始出现浒苔, 6月和7月表层海水平均温度为21.78~24.64℃, 调查海域浒苔数量最多; 8月份表层海水温度超过浒苔生长的最适宜温度, 浒苔数量开始减少。由此可见, 黄海海域浒苔生长与消亡和海水温度的影响有关。

图 1 (Fig. 1)

图 1 2009年调查海域表层海水温度变化 Fig.1 The temperature change of surface water in investigation sea area in 2009

2月份表层海水平均温度基本在5~8℃, 8月份表层海水平均温度基本都在25~28℃。从图 2可以看出, 历年调查海域表层海水温度存在较小的波动, 但总体上处于相同水平, 变化不太明显。

图 2 (Fig. 2)

图 2 2004—2012年调查海域表层海水温度变化 Fig.2 The temperature change of surface water in investigation sea area in 2004-2012

2009年2—8月份调查海域表层海水盐度的变化如图 3所示。受季节性影响, 调查期间调查海域表层海水盐度总体上呈现连续下降的趋势, 但变化幅度不是很大。

图 3 (Fig. 3)

图 3 2009年调查海域表层海水盐度变化 Fig.3 The salinity change of surface water in investigation sea area in 2009

2003—2012年调查海域表层海水盐度变化情况如图 4所示。2月份和8月份调查海域表层海水盐度的年际变化趋势基本一致, 2月份海水盐度平均值基本在31‰~33‰, 8月份海水盐度平均值基本在29‰~31‰, 年际变化幅度不是很大。

图 4 (Fig. 4)

图 4 2003—2012年调查海域表层海水盐度变化 Fig.4 The salinity change of surface water in investigation sea area in 2003-2012

在浒苔绿潮漂浮季节, 黄海海域盐度变化为29‰~33‰, 适宜浒苔生长, 但不是最适宜的条件(最适宜的条件为20.2‰~26.9‰)。浒苔在漂移过程中将会逐渐适应盐度的微小变化, 不会对浒苔生长和繁殖产生太大的影响。因此, 盐度不是影响黄海海域绿潮快速生长繁殖的最重要因素。

2009年2—8月份调查海域表层海水pH值的变化如图 5所示。2—4月份调查海域表层海水pH值呈下降趋势, 5月份浒苔发生, 海水pH值有所升高, 6月和7月浒苔暴发, 海水pH值持续升高, 8月份浒苔消亡, 海水pH值下降。原因与藻类的光合作用和新陈代谢过程有关, 藻类的光合作用吸收了海水中的CO₂, 导致海水中CO₃^2-浓度下降, 海水的pH值升高。浒苔死亡后, 由于藻体的分解, 海水的pH值降低。pH值的变化在一定程度上反映浒苔的生长状况。

图 5 (Fig. 5)

图 5 2009年调查海域表层海水pH值变化 Fig.5 The pH change of surface water in investigation sea area in 2009

2003—2012年调查海域表层海水pH值变化情况如图 6所示。2月份, 调查海域表层海水pH值比较稳定, 总体呈上升趋势; 8月份, 调查海域表层海水pH值差异较大, 总体呈下降趋势。

图 6 (Fig. 6)

图 6 2003—2012年调查海域表层海水pH值变化 Fig.6 The pH change of surface water in investigation sea area in 2003—2012

2009年2—8月份调查海域表层海水DO浓度的变化如图 7所示。2—4月份表层海水DO浓度呈下降趋势, 5月份DO浓度有所升高, 6—8月份又呈下降趋势, 但始终符合第一类海水水质标准。

图 7 (Fig. 7)

图 7 2009年调查海域表层海水DO浓度变化 Fig.7 The DO concentration change of surface water in investigation sea area in 2009

5月份黄海海域开始出现浒苔, 海水DO浓度升高, 8月份浒苔开始消亡, 海水DO浓度下降。但6月和7月份, 浒苔生长旺盛时期, 海水DO浓度却较5月份刚发生浒苔的时候有所下降, 主要是因为5月份和8月份浒苔主要集中在近岸海域, 而6月和7月份浒苔主要集中在外海海域, 水交换条件好, 导致海水DO浓度并未因为浒苔的生长而升高。

2003—2012年调查海域表层海水DO浓度的变化情况如图 8所示。2月份调查海域表层海水DO浓度平均值基本在9~11 mg/L, 8月份DO浓度平均值基本在6~8 mg/L, 年际变化幅度都不是很大, 但总体上2月份呈上升趋势, 8月份2003—2009年基本处于同一水平, 2010年和2012年有所减小。历年来调查海域表层海水的DO浓度维持稳定, 变化幅度很小, 难以看出浒苔暴发与海水DO浓度之间的联系。

图 8 (Fig. 8)

图 8 2003—2012年调查海域表层海水DO浓度变化 Fig.8 The DO concentration change of surface water in investigation sea area in 2003—2012

近岸海域浒苔绿潮与海水DO浓度存在一定关系, 即浒苔生长会导致水体中DO浓度升高, 而浒苔衰亡会导致水体中DO浓度降低。但大面调查数据显示浒苔绿潮的暴发与海水中DO浓度关系不明显, 由此推断, 浒苔绿潮与DO浓度的相关性只体现在小范围、较为封闭、水交换条件差的水体环境中, 比如近岸海域, 而在黄海这种开阔的水域环境, 由于水交换条件好, 浒苔的生长和消亡就不会对DO浓度产生太大的影响, 因而浒苔绿潮暴发与DO浓度之间的关系不是很明显。

2009年2—8月份调查海域表层海水无机氮浓度的变化如图 9所示。2—4月份调查海域表层海水无机氮浓度总体上呈上升过程, 4月达到最高值, 5月份开始下降, 6—8月份趋于稳定, 其变化趋势同浒苔绿潮的发生情况相吻合。

图 9 (Fig. 9)

图 9 2009年调查海域表层海水无机氮变化 Fig.9 The DIN concentration change of surface water in investigation sea area in 2009

2—8月份调查海域表层海水活性磷酸盐浓度的变化如图 10所示。2009年不同月份间表层海水的活性磷酸盐浓度波动较大, 无明显规律。

图 10 (Fig. 10)

图 10 2009年调查海域表层海水活性磷酸盐浓度变化 Fig.10 The PO43--P concentration change of surface water in investigation sea area in 2009

将2003—2009年2月、8月调查海域表层海水的无机氮、活性磷酸盐浓度进行比较, 结果如图 11和图 12所示。2006年之后2月份表层海水的无机氮浓度略高于2006年之前; 但2006年之后8月份的无机氮浓度却明显低于2006年之前的, 这也证明浒苔绿潮暴发大量消耗了海水中的无机氮。

图 11 (Fig. 11)

图 11 2003—2012年调查海域表层海水无机氮浓度变化 Fig.11 The DIN concentration change of surface water in investigation sea area in 2003—2012

图 12 (Fig. 12)

图 12 2003—2012年调查海域表层海水活性磷酸盐浓度变化 Fig.12 The PO43--P concentration change of surface water in investigation sea area in 2003—2012

调查海域表层海水的活性磷酸盐浓度相对稳定, 历年来变化幅度不是很大, 且8月份的活性磷酸盐浓度始终处于很低的水平, 从图 12中难以看出浒苔绿潮发生发展与活性磷酸盐之间的关系, 这主要是由于低浓度的活性磷酸盐对于浒苔的吸收来说形成“磷限制”, 导致浒苔绿潮暴发与该海域的活性磷酸盐之间的关系不明显。

2009年2—8月份调查海域表、中、底层海水叶绿素a浓度变化情况如图 13所示。2月份由于海水垂直混合比较均匀, 各层海水中叶绿素a浓度相近; 3—5月份, 随着春季光照加强, 表、中层海水中浮游植物开始生长, 大量消耗营养盐, 而海温跃层的初步形成导致底层海水营养盐无法及时输送至表层, 营养盐的缺乏影响了浮游植物生长, 出现底层海水叶绿素a浓度高于表、中层的现象; 5—7月份浒苔绿潮暴发, 营养盐进一步被大量消耗, 尤其是6月份, 正值浒苔高发期, 营养盐消耗更多, 且此时为黄海跃层的强盛期, 浮游植物的生长受到极大限制, 叶绿素a浓度进一步降低, 底层海水营养盐丰富, 水温、光照都适宜浮游植物生长, 所以7月份底层海水叶绿素a浓度达到峰值; 8月份, 浒苔或下沉或死亡, 部分消耗底层海水营养盐, 此时黄海跃层处于衰退期, 各层海水营养盐垂直分布较均匀, 表层海水由于光照充分, 有利于浮游植物的生长, 表层海水叶绿素a浓度最高。

图 13 (Fig. 13)

图 13 2009年调查海域海水叶绿素a浓度变化 Fig.13 The chla concentration change of water in investigation sea area in 2009

对比2006—2013年8月份调查海域表、底层海水叶绿素a浓度, 结果如图 14所示。未发生浒苔绿潮的2006年, 调查海域8月份表层海水叶绿素a浓度与底层海水叶绿素a浓度相近, 底层稍大于表层, 发生浒苔绿潮的2007—2013年, 调查海域表层海水叶绿素a浓度与底层海水叶绿素a浓度年际变化趋势一致, 表层的浓度大于底层, 这主要是因为8月份部分浒苔下沉, 消耗了底层海水营养盐, 使得底层海水浮游植物生长受到影响, 而表层海水由于光照充分, 有利于浮游植物的生长。

图 14 (Fig. 14)

图 14 2006—2013年调查海域表、底层海水叶绿素a浓度 Fig.14 The chla concentration change of surface and bottom water in investigation sea area in 2006—2013

(1) 南黄海海域5~7月表层海水平均温度约为15~25℃, 适宜浒苔生长; 8月份水温超过浒苔生长的最适宜温度, 浒苔数量开始减少并逐渐消亡。温度是影响浒苔生长与消亡的最重要因素。

(2) 盐度适宜于浒苔生长, 但其季节性和年际变化幅度不大, 浒苔在漂移过程中将会逐渐适应这种微小变化, 不会对浒苔生长和繁殖产生太大的影响。盐度不是影响黄海海域浒苔绿潮快速生长繁殖的重要因素。

(3) 南黄海海域pH值变化于7.84~8.15, 适宜浒苔的生长; 浒苔生长导致海水中pH值升高, 浒苔消亡导致海水中pH值降低。浒苔的生长消亡与南黄海海域pH值变化和分布具有一致性的对应关系。

(4) 在较为开阔的海域, 由于水交换条件好, 浒苔生长与溶解氧之间的关系不明显。

(5) 南黄海海域营养盐状况适宜于浒苔的发生和生长。浒苔绿潮暴发大量消耗了海水中的无机氮。低浓度的磷酸盐对于浒苔的吸收来说形成“磷限制”, 导致浒苔绿潮暴发与磷酸盐之间的关系不明显。

(6) 浒苔绿潮的暴发大量消耗营养盐, 浮游植物的生长受到极大限制, 导致浒苔绿潮暴发期间底层海水叶绿素a浓度高于表、中层。