南海北部营养盐结构特征

Table of Contents
Abstrac t (IX)
Chapter 1 Introduction (1)
1.1 Nutrient structure and its characteristics (3)
1.1.1 Nutrient distribution and limitation in the estuarine and coastal area (3)
1.1.2 Nutrient structure and its characteristics in the open ocean (5)
1.2 Review of the nutrient researches in the South China Sea (10)
1.2.1 Progress of nutrient study in the South China Sea (11)
1.2.2 Problems (12)
1.3 Goals of this research (13)
1.4 Structure of this thesis (13)
Chapter 2 Study area and methods (14)
2.1 Introduction to the study area (14)
2.1.1 Climate and surface currents in the northern SCS (15)
2.1.2 Water masses in the northern South China Sea (16)
2.1.3 Mesoscale processes in the SCS (17)
2.2 Sampling and analysis methods (20)
2.2.1 Sampling (20)
2.2.2 Analytical methods (22)
2.2.3 Measurement of nitrogen fixation (25)
2.2.4 On-deck enrichment experiments (29)
Chapter 3 Low-level phosphate measured by MAGIC (31)
3.1 Material and method (33)
3.2 Result and discussion (34)
3.3 Distribution of low-level phosphate in northern SCS (37)
3.3.1 Surface distribution of phosphate in northern SCS (37)
3.3.2 Vertical distribution of upper water column in northern SCS (40)
Chap te r 4 Co up ling o f nutrie nt with hyd rog rap hy a nd phytoplankton activities (43)
4.1Nutrient dis tribution in the northern SCS (44)
4.1.1 Nutrient levels (44)
4.1.2 Status of surface nutrient distribution (45)
4.1.3 Status of nutrient vertical distribution (45)
4.2 Relationship between nutrient and hydrography in the winter of
2004 (49)
4.2.1 Transect A (49)
4.2.2 Transect B (51)
4.2.3 Transect C (53)
4.2.4 Transect D (53)
1.4Su mma ry o n nu trien ts (56)
4.3 Relationship between nutrients and hydrography in the
summer
2004 (56)
2.3 Transect A (56)
2.4Transect C (57)
2.5Transect D (57)
2.6Summary on nutrients (57)
3.4 Relationship between nutrients and phytoplankton activities in the
northern SCS (60)
3.3.3 Distribution of chlorophyll a (60)
4.4.2 Distribution of phytoplanktonic community structure in the surface
water (62)
Chapter 5 Nutrient limitation in the northern SCS (65)
4.3 Nutrient ratios in the northern SCS (66)
4.4 Results of on-deck enrichment experiments (68)
5.2.1 On-deck enrichment experiments in the coastal region (68)
5.2.2 On-deck enrichment experiments in the offshore region (71)
4.5 Nitrogen-fixation in the northern SCS (79)
5.3.1 Abundance of nitrogen-fixer (Trichodesmium spp.) (79)
5.3.2 Nitrogen anomaly (80)
Chapter 6 Conclusio ns (82)
References (84)
Appendix Projects and activities involved (96)
Acknowledgement (97)
IV
图、表目录
图1 南海区域14
图2 涡旋上升流机制示意图18
图3 南海北部站位布设图21
图4 南海北部100 m以浅束毛藻的垂直季节变化28 图5 培养实验装置示意图30
图6 2004 年2 月南海北部表层磷酸盐水平分布38 图7 2004年2月航次南海北部表层盐度和温度的水平分布38 图8 2004 年7 月南海北部表层磷酸盐水平分布39 图9 2004年2月航次南海北部表层盐度和温度的水平分布39 图10 南海北部冬、夏季上层磷酸盐垂直分布40
图11 A1 站不同季节的磷酸盐垂直剖面41
图12 冬季A4 站用常规方法与MAGIC 法分别测定的磷酸盐结果比较41
图13 2004 年2 月南海北部表层温盐、营养盐和叶绿素的水平分布46 图14 2004 年7 月南海北部表层营养盐、温盐和叶绿素的水平分布47 图15 若干典型站位的温、盐和营养盐垂直分布48
图16 2004 年2 月航次A 断面理化参数的断面分布50 图17 2004 年2 月南海北部同时出现的两个反气旋涡51 图18 2004 年2 月航次B 断面理化参数的断面分布52 图19 2004 年2 月航次C 断面理化参数的垂直分布54 图20 2004 年2 月航次D 断面理化参数的垂直分布55 图21 2004 年7 月航次A 断面理化参数的垂直分布58 图22 2004 年7 月航次C 断面理化参数的垂直分布59 图23 2004 年7 月航次D 断面理化参数的垂直分布60 图24 2004 年2 月南海北部叶绿素a 的断面分布61 图25 2004 年7 月南海北部叶绿素a 的断面分布62 图26 南海北部A 断面表层浮游植物类群组成63
图27 2004 年2 月南海北部各营养盐之间的比例66 图28 2004 年7 月南海北部各营养盐之间的比例67
V
图29 2002 年11 月7 号站现场加富培养实验之叶绿素a 变化68 图30 2004 年2 月A9 站现场加富培养实验之叶绿素a 变化69 图31 2004 年2 月A9 站现场加富培养实验之营养盐变化70 图32 2004 年2 月航次A4 站现场加富培养实验的叶绿素变化72 图33 2004 年2 月航次A4 站现场加富培养实验之营养盐变化73 图34 2004 年7 月A1 站加富培养实验的叶绿素a 变化74 图35 2004 年7 月A1 站加富培养实验之营养盐变化75 图36 2004 年7 月D1 站加富培养实验之叶绿素a 变化76 图37 2004 年7 月D1 站加富培养实验之营养盐变化77 图38 其他研究中南海现场加富培养实验的叶绿素78 图39 显微镜下观察到的2004 年7 月D1 站的束毛藻79 图40 2004 年2 月和7 月航次南海北部氮异常的垂直分布80 表1 营养盐现场测定的精密度23 表2 营养盐国际比对实验结果23 表3 显色剂用量对MAGIC 法空白的影响34 表4 离心条件对MAGIC 法最终结果的影响35 表5 MAGIC 法的精密度实验36 表6 南海北部表层营养盐浓度与世界其它海域的比较44 表7 114°E，20°N附近水域多年不同季节的营养盐71
VI
摘要
南海是世界最大的边缘海之一，纵跨热带、亚热带，是一个典型的寡营养海区。

本研究调查了南海北部冬(2004 年2 月)、夏(2004 年7 月)两季整个水体的营养盐（硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐）及其它相关参数，旨在研究南海北部营养盐浓度水平、各种营养盐之间的比例及其季节和区域变化，探讨南海北部营养盐结构的影响因子以及南海北部的营养盐限制状况并分析产生该限制的可能原因。

南海北部营养盐的典型特征是上层(小于75 m)营养盐极端的贫乏，其含量往往低至常规分光光度法的检测限；下层营养盐含量无明显季节变化。

本研究采用目前国际上广泛应用的镁共沉淀法(MAGIC)测定了表层低浓度的磷酸盐，首次在国内测定了南海北部的低浓度磷酸盐。

南海北部冬季表层磷酸盐平均浓度为34.6 nmol/L，受珠江径流的显著影响；夏季平均浓度为17.6 nmol/L，整个海区的浓度差异不大。

南海北部营养盐分布受水文状况特别是中尺度海洋过程影响显著。

2004 年冬季，南海北部存在两个反气旋型涡旋，它们对营养盐分布的影响显著。

在反气旋型涡的中心，营养盐浓度水平很低，营养盐浓度等深线明显下移，表明表层寡营养的海水向下迁移；而在反气旋型涡的边缘，由于反气旋型涡与陆架边缘的摩擦，在涡旋附近的海域出现了下层低温高盐海水不同程度的涌升，将下层高浓度的营养盐带入真光层，为浮游植物的光合作用提供了丰富的物质基础。

而在两个反气旋型涡中间的海域，则没有受到涡旋的明显影响。

2004 年夏季，南海北部盛行西南季风，营养盐分布主要受沿岸上升流和陆架坡折处下层冷水涌升影响，在我们调查的所有断面都有沿岸上升流和陆架坡折处下层冷水涌升的存在，上升流的强度在不同断面存在一定差异。

营养盐的分布显然影响了南海北部浮游植物的生产活动。

营养盐浓度与叶绿素a 浓度呈正相关关系，并影响了浮游植物类群分布。

南海北部真光层各种营养盐通常都低于浮游植物生长的阈值，且各营养盐之间的比例显示，南海北部主要为氮磷共同限制。

营养盐现场加富培养实验的结果也表明氮磷共同限制是整个南海北部不同季节的共同特征。

近岸海区受珠江径流影响，秋、冬季表现出氮限制的倾向；春、夏季可能是磷限制比较重要。

远岸海
VII
区冬季主要是氮限制较明显，夏季则有磷限制的微弱信号出现。

出现这种季节转变的原因可能与束毛藻的丰度及其占浮游植物类群组成的比例有关。

目前研究人员认为营养盐限制的关键在于固氮作用的强弱。

束毛藻是全球海洋非常重要的固氮蓝藻，但现场测得的束毛藻丰度远远低于预期值，并且存在巨大的时空差异。

南海北部氮异常的数值为正，说明冬夏季都有固氮作用的存在；2004 年南海北部的固氮作用与大气铁输入的季节变化不一致。

关键词：营养盐；南海北部；限制因子
VIII
Abstract
Located in the tropical-subtropical region, the South China Sea (SCS) is one of the largest marginal seas in the west Pacific. In this thesis, we investigated the distribution of macro-nutrients (nitrate, phosphate and silicate) and other related parameters in the northern SCS in February and July 2004 in order to examine the biogeochemical processes that influence the nutrient structure and nutrient limitation.
Oligotrophy is a significant characteristic in upper water column of the northern SCS. Using the MAGIC (MAGnesium Induced Co-precipitation) technique, we measured low-level phosphate concentrations in the upper mixed layer. In winter, the average surface phosphate concentration is 34.6 nmol/L, while this value in summer is 1.5 nmol/L. This higher phosphate concentration in winter than in summer is overall
in agreement with the primary production level in the region.
We observed close coupling of nutrient distribution and the hydrography in the northern SCS. Among others, mesoscale processes appear to play a significant role in determining the distribution and supplies of nutrients in the upper ocean. In Feb 2004, there exist two anti-cyclonic eddies near the shelf break of northern SCS. At the center of the anti-cyclonic eddy, the level of nutrients was very low, and surface oligotrophic water appeared to be downwelled. At the edge of the eddy, cool and nutrient-enriched water upwelled intensively in winter, bringing nutrients into the euphotic zone, which may support photosynthesis processes. In between the two eddies, the effect of the eddies seems to be minimal. During the summer time, southwest monsoon previals the whole SCS, and coastal upwelling and near shelf break upwellings were the most important mesoscale processes which can also be seen from the nutrient distributions.
At the same time, we observed clear evidence pointing to the relationship between the nutrient distribution and the phytoplankton productivities in the northern SCS. High nutrient concentrations apparently have a direct linkage with high concentrations of chlorophyll. Moreover, phytoplanktonic community structure is also affected by the nutrient distribution and its structure.
IX
According to nutrient concentrations, their molar ratios and on-deck incubation experiments, we contend that nitrogen and phosphorus generally co-limited the primary production in northern SCS. In the nearshore region, winter should be nitrogen-limitation dominant, while phosphorus-limitation appears more important in summer. N-limitation in winter and P-limitation in summer are possible in offshore water. This shifting of nutrient limitation scenarios may be affected the phytoplanktonic community structure and by the abundance of trichodesmium which is the most important N2-fixer in the ocean. Although we observed trichodesmium spp. in the northern SCS, its abundance was much lower than we expected to sustain significant N2 fixation. The positive N anomaly value suggests N2-fixation is existent in both seasons. However, there is no evidence that N2-fixation has a significant relevence to the iron input from the atmospheric deposition in this particular region. Keywords:Nutrient, northern SCS, limitation
X
第一章绪论
海水中存在的常量营养盐通常包括硝酸盐(NO3-N)、亚硝酸盐(NO2-N)、氨
氮(NH4-N)、磷酸盐(PO4-P，常用SRP 表示，Soluble Reactive Phosphorus 溶解活性磷，指能形成磷钼蓝的那部分磷酸盐)、硅酸盐(Si(OH)4-Si)等。

有时也把某些
微量金属(如铁、锌等)、维生素和生长激素等植物生产所不可缺少的成分叫做微
量营养盐(陈镇东, 2000)。

本论文提到营养盐主要指前者。

营养盐结构指的是宏
观上不同营养盐之间的组成比例，即水体中氮、磷、硅的相对量。

营养盐是浮游生物生命活动的物质基础，在浮游植物的光合作用过程中，这
些营养元素为海洋浮游植物所摄取，构成浮游植物的组成部分，并成为其物质和
能量代谢的来源。

大量的研究表明海水中氮(N)、磷(P)、硅(Si)等营养盐的水平
及其供应比例极大地影响着浮游植物的初级生产水平以及生态系统结构特别是
浮游植物的群落结构(Redfield et al., 1958; Harris, 1986; Tilman et al., 1982; Lagus et al., 2004)。

因此营养盐的分布和循环机制对了解海洋生态系统初级生产过程至
关重要的(林洪瑛等, 2001)。

营养盐循环还对海洋生物泵的控制起着重要作用，
而生物泵能吸收大气二氧化碳并将其转移到深海，因此，营养盐循环与海洋碳循
环紧密相关，营养盐循环的不平衡也影响着其他元素(如碳，C)的生物地球化学
循环。

因此，研究海洋中的营养盐结构、探讨浮游植物初级生产过程中的营养盐
限制因子就成为本论文研究的主要目的。

进入“人类纪”后，营养盐的研究更是受到特别的关注，因为营养盐与人类活
动的关系特别紧密，特别是工业革命以来，人类社会、经济活动向环境输入了大
量的营养盐。

例如，受人类活动影响，由河流输入海洋的氮和磷显著增加，工业
革命以来，在全球尺度上增加了2 到3 倍(Howarth et al., 1995)，许多地区的营养
盐增加远远大于这个增加幅度，特别是在北欧和北美(Howarth et al., 1996)，近年来，中国各大河口的营养盐浓度已经接近欧洲和北美那些污染和营养化的河流
(刘昌岭等, 1998)，这对近岸海区营养盐结构产生了重大的影响。

营养盐结构存在时空变化，对预测未来的海洋生态系统至关重要。

Karl et al. (2001)通过十年数据推测，夏威夷海域已经从过去的氮限制开始向磷限制转变；
1
这种营养盐结构的变化还可能在短时间尺度上(如年际尺度上)发生，例如在一次
El Nino 事件中，夏威夷海域内从平时的氮限制转变为短时间的磷限制(Karl et al., 1995)。

这些现象在某种程度上印证了Tyrrell (1999)的观点，他认为目前氮是主
要的限制性营养盐，而在长时间尺度上，磷将最终限制初级生产力。

同时，营养盐限制的观点也在不断的发生变化。

早在1840 年，Von Liebig
就提出了最小法则(Von Liebig, 1840)，他认为“植物的生长取决于处在最小量状
况的食物的量”，即不论什么时候都只有一种营养盐会限制植物生长，这曾经是
海洋学家描述浮游植物生态及其对营养盐循环的影响的主要理论依据。

但Smayda (1974)通过天然海水加纯种藻类的营养强化实验，提出了与传统观点截
然不同的看法，他认为：1) 某种营养盐对浮游植物的生长或产量的限制作用会
发生季节性变化；2) 营养盐的限制作用的强度随季节而不同；3) 通常是几种营
养盐同时有限制作用，但限制强度各不相同；4) 限制性营养盐的组成随季节而
变化；5) 营养盐限制的类型会发生季节性演替。

近十年来，这个单一限制因子
的观点更是大大受到了挑战，因为在某些海域可能存在多种来源同时限制浮游植
物生长的现象(Hitchcock & Smayda, 1977; Morel et al., 1995; Sunda & Huntsman, 1997; Price & Morel, 1991; Howarth & Marino, 2005)，特别是在大多数寡营养盐海域，人们已观察到多种营养盐共同限制的现象(Chen et al., 2000；Dufour & Berland, 1999)。

这些寡营养盐海域的营养盐浓度很低，对全球初级生产力的贡献却很大(Bryant, 2003)。

多种营养盐共同限制的证据在生物培养实验中得到了初步证实。

同时添加两种或更多种不同的营养盐或单独添加不同的营养盐，浮游植物的生长
都会受到刺激，这种现象就是多因子共同限制(Arrigo, 2005)。

Arrigo (2005)指出，
多因子共同限制又分为多种营养盐共同限制、生物化学共同限制和群落共同限制
三种。

当各种营养盐浓度都低到生物难以利用，同时添加不同的营养盐会刺激浮
游植物的生长的状况称为多种营养盐共同限制；在单独添加不同营养盐同样刺激
浮游植物生长，可分为生物地球化学共同限制和群落共同限制两种，前者是由于
其中一种营养盐有利于生物对另一种营养盐的利用；后者指的是不同的营养盐限
制不同的生物群落生长。

另外，某一区域的营养盐限制并不一定是均一的，有可
能存在空间和时间上的转变。

在咸淡水交界的河口地带较易出现几种营养盐的同
时或交替限制。

Yin et al. (2001)发现珠江口从河端的P 限制向外海的N 限制变化；
2
Lohrenz et al. (1999)报道了密西西比河从冬春季的P 限制转向夏秋季的N 限制；Fisher et al. (1992)研究了切萨皮克湾的营养盐限制状况，发现了N、P 限制的季
节性转变。

综上所述，尽管海洋中营养盐的研究已经持续了近一个世纪，但目前对营养
盐的认识还有很多未解之谜，因此，随着检测手段的不断进步和生物地球化学研
究的不断发展，我们对营养盐结构的认识也处在不断的发展变化之中。

1.6不同海域营养盐的结构与特征
2.7 河口和近岸海域的营养盐结构与特征
河口和近岸受多方面因素影响，其营养盐状况复杂。

一般来说，河口和近岸
的营养盐来源主要有：与离岸水的交换、河流、地下水以及大气输入。

这些输送
的营养盐通量受人类活动(主要为农业活动和城市污水排放)影响很大(Jickells,
1998)。

其中，河流输入一直是研究人员关注的焦点。

近年来，各国学者也逐渐
认识到大气输入和地下水输入的重要性。

河口和近岸N: P: Si比值受到人为活动
的干扰，这些人为干扰有加剧的趋势(Jickells, 1998)。

2000年农业使用的N和P的
量分别相当于全球河流入海通量的242%和83%(Schlessinger, 1991)，并且在未来
50年可能成倍增长(Tilman et al., 2001)。

尽管硅酸盐浓度可能由于水文变化减少
50%，但Si的分布主要受其地球化学性质、纬度和径流影响(Correll et al., 2000; Humborg et al., 2000)。

因此，随着全球N、P输入的不断增加，而Si仍处在输入相
对稳定甚至减少的状态，全球河流和海洋中的N: P: Si组成将会受到巨大的影响，
最终影响整个水体生态系统(Turner, 2003)。

随着河流输入营养盐的不断增加，河口及近岸水体中的溶解氮和磷的浓度也
随之增大。

例如，Po河的SRP和总无机氮(DIN)浓度在1968到1987年间分别增加2 和2.5倍(Marchetti et al, 1989)；密西西比河在过去40年间总P和DIN浓度分别增加
了2到3倍，Si浓度则下降了50%(Turner & Rabalais, 1991; Dinnel & Brabovith, 1993; Bratbovith et al, 1994; Rabalais et al, 1996)。

同样的，在Rheine河，SRP和NO3-N浓度从1950至1990年分别增加了3到6倍(Bennekom & Wetsteijin, 1990)。

六十年代到九十年代，胶洲湾DIP增加1.4倍，NO3-N增加4.3倍，NH4-N增加4.1倍，DIN增加了3.9倍，Si(OH)4-Si则一直维持在一个很低的浓度水平(Shen, 2001)。

这些营养盐
浓度的增加，导致浮游植物的生产力提高，最终导致富营养化。

3
一般来说，河口、近岸和较封闭海域中的初级生产过程通常受P 限制(刘慧
等, 2002)。

在长江口(Hu et al., 1990)、黄河(Turner, 1990)、珠江(Zhang et al., 1999; Yin et al., 2000)、密西西比河口(Ammerman, 1992; Chen, 1994; Smith & Hitchcock，1994; Lohrenz et al., 1999)等各大河口常常有P 限制的报道。

Zohary 和Thingstad 报道地中海发生P 限制，类似的还有芬兰的Archipelago 海域、Adriatic 海的中部
和南部及英国东部海岸河口(Jarvie et al., 1998)等。

Justic et al(1995)分析了全球十大河口和两个富营养化的沿岸生态系统，认为
可将河口分类为：P 限制河口(长江、黄河、Mackezie 河和Yukon 河)、N 限制河
口(Amazon 河和Zaire 河)、Si 限制河口(Rheine 河和Seine 河)及营养盐结构平衡
的河口(Po 河和密西西比河)。

各河口之间营养盐比例差异很大：例如，Rheine
河和Seine 河的Si: N 比低于0.5，而Yukon、Zaire、Mackezie 和Amazon 河该值大于12。

同样的，Seine、Rheine 河、密西西比和Po 河的Si: P 低于30，而在Yukon、Zaire、Mackezie 和Amazon 河该值大于190。

人为活动不仅增大了营养盐浓度，同时也改变了海水营养盐结构，即营养盐
之间的浓度比，如Si: N 和Si: P 比值。

这是因为溶解N 和P 浓度增大(化肥和洗
涤剂等)，而溶解Si 的浓度相对不变甚至降低了。

例如，1966 到1987 年间，尽
管莱茵河的溶解N、P 浓度增加，溶解Si 的浓度仍然没有改变(Bennekom & Wetsteijin, 1990)。

1968-1970 和1980-1982 年间Po 河的N: P 从63 下降到37，Si: P 从65 降至26，Si: N 从1.1 降至0.7。

密西西比河的Si: N 从1960-1962 年间的1.7到1980-1987 年间的0.9。

Si: P 从40 降至14，而N: P 从9 增至15。

Adriatic 海北部的P 限制随时间而减小，逐渐出现了Si 限制(Si: N<1，Si: P<16)加剧的趋势。

墨西哥湾北部在过去的30 年里N、P 缺乏的趋势减小，但Si 缺乏的趋势增
大，最近营养盐结构达到了平衡(Justic et al, 1995)。

胶洲湾的DIN：DIP 从六十
年代的15.9 ± 6.3 迅速增大到九十年代的37.8 ± 22.9，Si: P 比值很低(7.6 ± 8.9)，Si: DIN 比值(0.19 ± 0.15)也很低，这表明胶洲湾的营养盐结构在过去的40 年里从
较平衡向不平衡转变(Shen, 2001)。

近年来，随着环保措施的进一步实施，有些
地区的营养盐浓度维持不变甚至出现了不同程度的下降。

如荷兰海岸带
4
1988-1995 年时间序列站的数据表明SRP 增加了40%，总P 也增加了35%，同时DIN: SRP 比值从25-30 增至40-55，N 和Si 浓度的变化相对较小(Vries et al., 1998)。

河流输入的营养盐比例改变对沿岸浮游生物群落非常重要。

Officer & Ryther (1980)认为，Si: N 比值下降可能减少硅藻的生长潜力而有利于有毒鞭毛藻
的生长，降低了硅藻生长的可能性，从而加剧富营养化。

Smayda (1990)认为，Si: P 比的长期下降导致了全球沿岸地区非硅藻浮游植物的水华。

许多河口及沿岸的营养盐限制表现出明显的季节变化，例如密西西比河在夏
末和秋季很可能出现N 限制，而Si 限制则出现在春季，其他时候则为P 限制(Lohrenz et al., 1999)。

还有些地区沿河口水也出现了营养盐限制的变动或几种营
养盐共同限制的情况，如在密西西比河—墨西哥湾(Dortch & Whitledge, 1992; Lohrenz et al., 1999)、切萨皮克湾(Fisher et al., 1999)、St. Lawrence 河—St. Lawrence 湾地区(Levasseur et al., 1990)和珠江口(Yin et al., 2001)。

尽管对河口及沿岸海域的营养盐结构已经开展了较长时间的研究，并取得了
丰富的数据，但是河口和沿岸的环境极为复杂，加上人为因素的强烈影响，这些
区域的营养盐结构研究还有待于进一步的深入。

1.8 开阔海域和大洋的营养结构与特征
2.8 开阔大洋的营养盐分布特征
营养盐在大洋中的分布，早已有大量研究报道(参见Milliero, 1996)。

一般来
说，由于光合作用时浮游植物摄取了营养盐，海洋表层的SRP、NO3-N 和
Si(OH)4-Si 的浓度较低。

在真光层以下，随着有机物的分解，营养盐得到再生又
重新回到海水中，因此其浓度随深度增加而升高。

通常在浅于1000 m 处，出现
一个浓度剧变层；而1000 m 以深，浓度随深度变化幅度较小。

上世纪70 年代的海洋地球化学断面调查(GEOSECS)十年的研究首次在全球
尺度上基本摸清了大洋主要海域营养盐的分布情况，揭示了全球海洋的营养盐分
布主要受大洋环流和有机物的矿化所控制。

营养盐在表层海洋的平均停留时间比
水体平均停留时间小得多，它们通过死亡的生物和排泄物从表层向下沉降，而后
在深层水再生，深层水的营养盐浓度比表层水高得多。

太平洋深层水营养盐浓度
5
比大西洋深层水营养盐浓度高，是因为太平洋深层水比大西洋“老”，因而有更长
时间去接受再矿化的沉降碎片。

同样的，在大西洋，随着北大西洋深层水在向南
流的过程中不断“老化”，其营养盐浓度逐步增大。

研究结果也表明，整个大西洋
的营养盐主要受北大西洋深层水控制，南大洋底层水有高的Si(OH)4-Si 和
NO3-N，SRP 浓度也相对较高，其位置与氧极小值一致。

而太平洋营养盐最大值
一般出现在中层水，而且SRP 和NO3-N 的最大值深度大体一致，Si(OH)4-Si 的
最大值出现在SRP 和NO3-N 的最大值之下。

印度洋表层营养盐极度贫乏，
Si(OH)4-Si 最大值出现在2000 m 以深，SRP 和NO3-N 最大值出现在1500 m 左
右(Fanning, 1992)。

在西南印度洋亚热带环流和南大洋之间的锋带，NO3-N 浓度
在亚热带水中低于0.2 µmol/L，锋带以南其浓度却急剧增大至> 20 µmol/L。

SRP
的分布和NO3-N 基本一致；而Si(OH)4-Si 的分布则与NO3-N 有明显差异，在亚
热带水体中浓度较低(最高2.2 µmol/L)，向南逐渐低至小于1.5 µmol/L，而后又
增至3 µmol/L (Read et al., 2000)。

在南大洋的JGOFS – KERFIX 时间序列站，NO3-N 的最小值出现在夏末(三月)，浓度为23-24 µmol/L，冬季随混合层深度增
加而增至28 µmol/L；Si 的季节变化比NO3-N 大，但是浓度低于NO3-N；SRP 浓
度不低于1.5 µmol/L，相对于NO3-N 并不缺乏；其C: N: P 为100: 16: 1，Si: N
比值在1.8-3 之间变动(Louarchi et al., 2001)。

全球海洋SRP 平均浓度为2.3 µmol/L (Benitez-Nelson, 2000)。

在开阔海洋上层水中，生物摄食耗尽SRP 导致全年浓度
低于0.2 µmol/L。

1000 m 以下，其浓度一般维持在2 到3 µmol/L的范围。

一般
来说，SRP 浓度随着离岸距离的增大而减小，因此最低浓度出现在北太平洋和北
大西洋表层水中(Karl & Yanagi, 1997; Ormaza-Gonzalez & Statham, 1991)。

工业革命以来，特别是近几十年来，随着人类活动的日益加剧，全球气候系
统与海洋生态系统的相互作用日益显著，这要求我们了解海洋在不同时空尺度上
的变化。

世界各国先后建立了一系列的时间序列观测站。

其中最著名的是美国JGOFS 计划中的BATS(the Bermuda Atlantic Time-Series Study, 31°50′N，64°10′W) 和HOTS(Hawaii Time-Series Station, 22°45′N，158°00′W)时间序列站。

例如，BATS 站的观测结果表明其季节变化显著，每年二月在160-230 m 出现深度混合层，秋、
6
冬季转为强的温度层化；年际变化的主要信号表现在冬季混合程度的变化，表层
营养盐浓度和混合层深度紧密联系。

深度混合的年份，营养盐浓度升高，且持续
时间较长(Michaels & Knap, 1996)。

大洋表层营养盐浓度较低，并且常常低于检测限。

近年来通过测定方法的改进，海水表层营养盐已经可以比较准确的测得。

其中低浓度SRP 一般通过镁共
沉淀法测得(Karl & Tien, 1992)，低浓度NO3-N 最常采用高灵敏度化学发光法(Garside, 1982)。

ALOHA 时间序列站6 年观测的结果表明，该地区表层海水中的SRP 浓度(MAGIC 方法测定)随着时间从＞150 到＜10 nmol/L 之间变化，垂直分布大体可分为两类：第一类，在100 m 以上水柱中SRP 浓度几乎不随深度变化；第二类，表层(0-30 m)水SRP 浓度较高，在真光层中部(40-80 m)出现SRP 极小值。

其中，第一类又可在平均SRP 值的基础上再分为低浓度(SRP ≤60 nmol/L) 和高浓度(SRP > 60 nmol/L)两种(Karl & Tien, 1997)。

BATS 附近水域营养盐垂直剖面分布有层化显著和混合均匀两种：层化显著的垂直剖面在80 m 以浅浓度几
乎不变，都相当低，80 m 以下突然增大1~2 个数量级；而强烈混合型的营养盐
垂直剖面150 m 以上浓度几乎不变，从150 m 开始有所增大，SRP 和NO3-N 加NO2-N(N+N，数值上约等于DIN)的变化趋势相近。

BATS 附近的N+N 从南部的1.9到7 nmol/L 逐渐增大到BATS 北部的600 nmol/L，在沿岸陆架低温海水中，浓度变化从3 到5 µmol/L。

SRP 浓度变化与N+N 的变化平行，但是变化幅度小
得多，从南部的0.5 nmol/L 到接近5 nmol/L，马尾藻海北部平均SRP 12 nmol/L，而沿岸水平均值为400 nmol/L(Cavender-Bares et al., 2001)。

除了时间序列站及其附近海域，陆续有一些表层海水低浓度营养盐浓度数据报道(Zhang, 2000; 2002; Wu et al., 2000)，尤其是近年来在南海海盆甚至北部陆坡开始有春夏季的一些数
据见诸报道(Wu et al., 2003; Chen et al., 2004)。

2.9 开阔大洋的营养盐限制
Redfield (1958)指出，海水中平均氮磷原子比为15: 1，浮游植物生长时氮和磷以15: 1 的比例被消耗掉，而实验室分析浮游植物组成的氮磷比是16: 1。

后来
很多人就以海水中氮磷原子比同15: 1 或16: 1 相比较，这就是经典的Redfield 比；高于此值的就是磷限制，低于此值则被认为是氮限制。

这种方法简单易行，
7。