黄、东海秋季群落净生产力的分布特征及其影响因素

第53卷 第12期 2023年12月
中国海洋大学学报
P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A
53(12):085~094
D e c .,2023
黄㊁东海秋季群落净生产力的分布特征及其影响因素
❋
韩宗奕1,2
,秦 川1,2
,郑文静1,2
,张桂玲1,2
,简慧敏1,
2❋❋
(1.中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心和海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100
;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室,山东青岛266237
)摘 要: 群落净生产力(N e t C o m m u n i t y P r o d u c t i o n ,N C P )代表了总初级生产力与群落呼吸的差值,是衡量生物活动对上层海洋碳循环影响的重要指标㊂O 2/A r 比值消除了物理过程对海水中溶解氧(O 2)
饱和度的影响,因此基于生物氧饱和度(ΔO 2/A r )可以估算海洋混合层群落净生产力㊂本研究于2015年10月,首次利用膜进样质谱法走航获取了黄东海表层海水中高分辨率O 2/A r 数据,并估算了其N C P ,探讨了其分布特征及影响因素㊂本航次观测到的Δ(O 2
/A r )范围为-30.21%~44.38%,平均值为(0.32ʃ8.29)%,低值主要出现在长江口北侧,而长江口(11.75ʃ13.75)%和浙闽沿岸
(5.42ʃ5.21)%的Δ(O 2
/A r )明显高于南黄海(-2.62ʃ5.96)%和东海陆架区(-0.79ʃ5.02)%㊂南黄海和东海陆架区平均N C P 为(-9.24ʃ23.15)和(-4.04ʃ18.68)m m o l ㊃m -2㊃d -1
,总体表现为异养状态,而长江口和浙闽近岸N C P
均值分别为(24.49ʃ35.74)和(10.85ʃ12.17)m m o l ㊃m -2㊃d -1
㊂东㊁黄海N C P 的空间分布格局主要受到陆源输入和水
团混合的影响,营养盐和光照也是秋季影响N C P 分布的重要因素㊂本研究有助于深入认识高度动态的东㊁黄海碳循环过程及控制机制㊂
关键词: 东海;黄海;群落净生产力;Δ(O 2
/A r );陆源输入;碳循环中图法分类号: P 734 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)12-085-10
D O I : 10.16441/j
.c n k i .h d x b .20220336引用格式: 韩宗奕,秦川,郑文静,等.黄㊁东海秋季群落净生产力的分布特征及其影响因素[J ].中国海洋大学学报(
自然科学版),2023,53(12):85-94.
H a n Z o n g y i ,Q i n C h u a n ,Z h e n g W e n j i n g ,e t a l .H i g h -r e s o l u t i o n d i s t r i b u t i o n a n d r e g u l a t i n g f a c t o r s o f n e t c o m m u n i t y p
r o -d u c t i o n i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n a u t u m n [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y
o f C h i n a ,2023,53(12):85-94. ❋ 基金项目:国家自然科学基金项目(41776122,42176044);国家自然科学基金联合基金项目(U 1806211
)资助S u p p o r t e d b y
t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (41776122,42176044);t h e J o i n t F u n d s o f t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (U 1806211
)收稿日期:2022-07-11;修订日期:2022-08-23
作者简介:韩宗奕(1998 ),男,硕士生,主要从事海洋溶解温室气体的生物地球化学循环研究㊂E -m a i l :o u c __h z y
@163.c o m ❋❋ 通信作者:E -m a i l :j
i a n h m@o u c .e d u .c n 群落净生产力(N e t C o m m u n i t y P
r o d u c t i o n ,N C P )是总初级生产力(G r o s s P r i m a r y P
r o d u c t i o n ,G P P )和群落呼吸(C o m m u n i t y R e s p
i r a t i o n ,C R )的差值,反映了表层海水可以向深层海洋输送的最大有机质量,是衡量生物活动对上层海洋碳循环影响的重要指标[
1-2
]㊂由于群落净产生力在不同时间尺度上都表现出高度动
态变化,连续和准确测定群落净生产力是非常必要的,对认识全球碳循环和海洋碳汇有重要作用[
3
]㊂在透光层中,N C P 通过光合作用与呼吸作用的耦合与生物活动紧密相连,O 2作为海洋初级生产的主要产物,在光合作用中与碳存在化学计量关系,因此可以利用O 2的
变化定量估算N C P [4-5
]㊂但O 2在海洋中会同时受到物
理和生物过程的影响,为了准确定量N C P ,必须消除物理过程的干扰㊂由于惰性气体A r 与O 2有相似的溶解特性,通过测定O 2
/A r 比值将二者归一化可去除物理过程对于O 2质量平衡的影响,
从而实现高分辨率的N C P 估算[6]
㊂目前O 2
/A r 比值法已经成为估算海洋混合层群落净生产力的重要方法,广泛地应用到南大
洋㊁太平洋㊁亚极地海域等[7-9
],获得了这些代表性大洋
中N C P 高分辨率时空分布特征及其影响因素,但是目前对陆架边缘海的观测仍较匮乏㊂近岸或陆架边缘海
具有富营养和高生物生产的特征,其生产力约占全球
海洋总初级生产力的10%[1
]㊁群落净生产力的29%[11],每年吸收大约0.2~0.4P g C [12
],
是重要的海洋碳汇;但是其碳通量具有高度时空变异性,碳源汇格局及生物泵效率要比大洋更为复杂㊂因此研究代表性陆架边缘海群落净生产力的时空变化及其影响因素对准确评估全球海洋碳汇强度有重要意义㊂
东㊁黄海是西北太平洋的陆架边缘海[13
],具有复杂
多变的海洋环境[14
]㊂受到陆源输入㊁高温高盐的黑潮
中国海洋大学学报2023年
水入侵以及不同水团相互作用等高度动态的物理过程影响,东㊁黄海初级生产力具有较大的时空差异[15-17]㊂与广泛开展的高时空分辨的碳吸收研究相比,目前关于东㊁黄海碳输出的研究还相对不足,鲜有群落净生产力的数据报道,仅有韩国科学家报道了南黄海及东海部分海域的群落净生产力分布[15]㊂因此,本文基于连续走航观测获得的高分辨率O2/A r数据,估算了黄㊁东海混合层N C P并结合其他辅助水文和生化参数,分析探讨了N C P的分布特征及影响因素㊂
1材料与方法
1.1调查区域及航行轨迹
本文于2015年10月19日至11月2日搭乘 东方红2 考察船G E O T R A C E S G P06-C N航次对黄㊁东海陆架(26ʎN 36ʎN,121ʎE 128ʎE)进行了为期14天的调查,调查站位和航迹见图1㊂本文根据研究区域的主要水文特征,将其分为A D四个区域(见图1):南黄海中部㊁长江口(S<30)㊁浙闽沿岸(深度<50m)和东海陆架(S>30,50m<深度<200m)㊂利用膜进样质谱仪(M I M S)走航连续测定了表层海水中(-5m)的O2㊁A r等溶解气体,同时走航测定了表层海水的温度㊁盐度㊁溶解氧以及叶绿素等基本参数,以认识东海㊁黄海表层海水的氧氩比值和群落净生产力的分布规律㊂1.2高分辨率走航观测系统
参考G uég u e n和T o r t e l l[18]的方法,我们搭建了用于测定溶解气体的连续走航观测系统[9]㊂利用考察船走航水系统抽取表层海水(约水下5m)并分为三路:第一路用于海水中溶解气体的测定,海水首先流入缓冲池以消除气泡,随后利用蠕动泵(M a s t e r f l e x,U S A)以恒定流速(约220m L㊃m i n-1)抽取水样㊂为了减小温度效应和水蒸气压力变化造成的O2/A r波动,海水先流经置于恒温水浴中的不锈钢管(6m长)进行恒温(温度设置为低于表层海水温度约2ħ),然后进入膜进样质谱仪(H P R-40,英国H i d e n公司)的进样池㊂在质谱仪的高真空作用下,海水中的溶解气体分子会扩散通过半透膜进入到仪器内部,经离子化后,根据气体分子不同的质核比(m/z)完成不同气体(O2㊁A r和C O2)的浓度信号值测定㊂第二路海水流入一个安装有多参数水质分析仪(R B R M a e s t r o,加拿大)的水箱进行温度㊁盐度㊁溶解氧(D O)㊁叶绿素a(C h l a)等参数的测定㊂第三路则用于排掉过量海水并粗略调节其他两路的流量㊂走航过程中的经纬度㊁船速和风速等参数由船载的自动气象站提供㊂不同仪器获取的走航数据根据北京时间一一对应,并最终处理为5m i n间隔的数据集
㊂
((a)中黄色实线将研究区域分为了A D四个部分㊂(b)黄海沿岸流:Y S C o W;黄海冷水团:Y S C W;长江冲淡水:C D W;东海沿岸水:E C S C o W;台湾暖流:T S W;黑潮表层水:K S W;黑潮次表层水:K S S W㊂T h e s o l i d y e l l o w l i n e d i v i d e s t h e s t u d y a r e a i n t o f o u r s u b a r e a s(A D).Y e l l o w S e a C o a s t a l w a t e r: Y S C o W;Y e l l o w S e a C o l d w a t e r:Y S C W;C h a n g j i a n g D i l u t e d W a t e r:C D W;E a s t C h i n a S e a C o a s t a l W a t e r:E C S C o W;T a i w a n S t r a i t W a t e r:T S W;K u r o s h i o S u r f a c e W a t e r:K S W;K u r o s h i o S u b s u r f a c e W a t e r:K S S W.)
图12015年10月黄东海航次航迹与站位(a)和表层流场示意图(b)
F i g.1 M a p s h o w i n g t h e s t u d y a r e a w i t h c r u i s e t r a c k s a n d s t a t i o n s(a)a n d m o n t h l y m e a n c u r r e n t f i e l d(b)
i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
68
12期韩宗奕,等:黄㊁东海秋季群落净生产力的分布特征及其影响因素
1.3气体信号值的校正方法
M I M S获取的O2和A r的信号比值(O2/A r)利用与大气平衡后的海水标准样进行校正[18]㊂取1L过滤(0.22μm)后的海水装入聚碳酸酯瓶中,置于恒温水槽中(温度设置为与表层海水温度相同),用空气泵连续鼓泡24h,使其与大气达到平衡,然后利用M I M S测定其O2/A r㊂测定前先用200m L海水清洗管路,取进样2~3m i n后信号达到平衡时的数据平均值,记为([O2]/[A r])e q㊂O2/A r的校正每隔6~8h进行一次,且同时进行多组标准样的制备以满足校正需求㊂
每隔6h从走航观测系统中采集离散水样进行D O 和C h l a校正㊂其中D O样品采用W i n k l e r滴定法测定,而C h l a水样(2L)则用0.22μm滤膜过滤后,将滤膜冷冻保存于-20ħ,带回实验室后,依照‘海洋调查规范“采用荧光法测定㊂
1.4基于Δ(O2/A r)的群落净生产力计算
由于O2和A r具有相似的物理特性,Δ(O2/A r)作为生物过饱和氧的指标,可消除物理过程(如海气交换㊁温度变化㊁压力变化㊁气泡注入等)对O2的影响[6],其计算公式如下:
Δ(O2/A r)=[O2]/[A r]
[O2]/[A r]e q-1㊂
式中:[O2]/[A r]是M I M S走航测定的海水中溶解O2和A r的信号比值;([O2]/[A r])e q则是空气鼓泡得到的与大气平衡的标准海水样中O2与A r的信号比值;Δ(O2/A r)是测量的O2和A r的信号比值偏离平衡的百分比㊂在忽略垂直混合的稳态条件下,N C P可视为Δ(O2/A r)和海气交换速率的函数[4]:
N C P(m m o l㊃m-2㊃d-1)ʈk O2㊃[O2]e q㊃
Δ(O2/A r)㊃r CʒO2㊃ρ㊂
式中:k O2是加权后的O2海气交换速率常数(m㊃d-1); [O2]e q是溶解O2在混合层中的饱和浓度[19](μm o l㊃k g-1);ρ是海水密度(k g㊃L-1);是光合作用中C和O2的摩尔光合商,通常为1ʒ1.4[20]㊂我们使用了欧洲中期天气预报中心(E C MW F)风速再分析数据产品,分辨率为0.25ʎˑ0.25ʎ(h t t p s://w w w.e c m w f.i n t/e n/ f o r e c a s t s),利用W a n n i n k h o f[21]报道的方法将风速进行参数化得到气体交换速率k,然后结合T e e t e r等[22]报道的方法对调查前30天的k值进行加权计算,最终得到k O2㊂在近岸复杂多变的环境条件下,基于O2/A r 估算的N C P并不反映该区域实际的群落净生产的日产量,而是代表O2在混合层中停留时间内积累的生物氧通量[8,23]㊂
2结果与讨论
2.1水文和生化参数的分布
2015年10月黄㊁东海表层的温度和盐度分布见图2㊂表层海水的温度范围为19.37ħ~26.73ħ,平均值为(23.38ʃ1.89)ħ,从北向南温度逐渐升高,黄海表层海水的温度(19.37~23.21)ħ明显低于东海(21.33~ 26.73)ħ㊂图1(b)显示了黄海沿岸流将温度和盐度较低的沿岸水向东南方向输送[24-25],除了受长江冲淡水影响的长江口区域,东海表层海水的盐度(33.29ʃ0.79)明显高于黄海(31.38ʃ0.56),受长江冲淡水(S<30)向东南方向扩散与东海沿岸水的共同影响[26-27],浙闽沿岸的盐度明显低于东海外陆架㊂此外,受台湾暖流和黑潮表层水的影响,东海的西南和东南海域分别出现了高温和高温高盐现象[28]㊂叶绿素(C h l a)的整体变化范围在(0.15~8.76)μg㊃L-1之间,平均值为(0.92ʃ1.07)μg㊃L-1,在长江口出现极大值(最高可达8.76μg㊃L-1),浙闽沿岸叶绿素浓度高于其它调查区域㊂黄海D O浓度((6.47ʃ0.28) m g㊃L-1)整体略高于东海((6.31ʃ0.36)m g㊃L-1),但低于长江口和浙闽沿岸㊂上述海区出现了D O浓度高值,其中最大值(8.15m g㊃L-1)出现在长江口附近,本文结果与石晓勇等[29]报道的2006年11月长江口邻近海域D O结果(5.32~8.47m g㊃L-1)基本一致㊂2.2Δ(O2/A r)与N C P的分布
2015年10月黄㊁东海的Δ(O2/A r)范围为(-30.21%~44.38%),平均值为(0.32ʃ8.29)%㊂其中,低值主要出现在区域A和区域B交界的长江口北侧,其溶解氧浓度也较低,Δ(O2/A r)处于不饱和状态㊂而在长江口(11.75ʃ13.75)%和浙闽沿岸(5.42ʃ5.21)%的Δ(O2/A r)明显高于南黄海和东海陆架,这是由于长江冲淡水携带了大量营养盐输入,导致生物量较高,因此叶绿素和Δ(O2/A r)均较高㊂N C P与Δ(O2/A r)的分布趋势大体一致,黄海群落净生产力在(-120.41~41.65)m m o l㊃m-2㊃d-1之间变化,其平均值为(-9.24ʃ23.15)m m o l㊃m-2㊃d-1,与该航次其他三个研究区域相比处于最低值(见表1),但是去除D O<6.5m g㊃L-1的区域后黄海的平均N C P约为(4.37ʃ9.24)m m o l㊃m-2㊃d-1㊂在长江口(B区域)和浙闽沿岸(C区域)群落净生产均为正值,其中长江口区的平均N C P((24.49ʃ35.74)m m o l㊃m-2㊃d-1)是浙闽沿岸((13.56ʃ13.42)m m o l㊃m-2㊃d-1)的2倍㊂而东海陆架区(区域D)受陆源输入和沿岸流的影响较小,N C P平均值(-4.04ʃ18.68)m m o l㊃m-2㊃d-1)相较于近岸显著降低,为净异养状态,这与C h e n[26]和叶文琪等[30]分别于1998年和2011年秋季在东海进行浮游生物群落呼吸研究发现其呈异养状态的结果相一致㊂
受到季风㊁陆源输入㊁沉降和蒸发㊁黑潮及多种水团的物理过程影响[31],黄㊁东海生态系统生产力有着复杂
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年
图22015年10月黄㊁东海表层温度(ħ)(a)㊁盐度(b)㊁叶绿素a(μg㊃L-1)(c)和溶解氧(m g㊃L-1)(d)的水平分布F i g.2S u r f a c e d i s t r i b u t i o n s o f t e m p e r a t u r e(ħ)(a),s a l i n i t y(b),C h l a(μg㊃L-1)(c)a n d D O(m g㊃L-1)(d)i n
t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
的时空变异性,然而目前对黄东海群落净生产力的研究较少㊂J a n g等[32]利用13C同位素示踪技术测定碳吸收速率,估算了夏季黄海中部的总初级生产力平均值为(291ʃ165)m m o l㊃m-2㊃d-1㊂L e e等[15]基于O2/ A r法估算得到,春季受黄海冷水团控制的济州岛西北部海区N C P为(35ʃ13.3)m m o l㊃m-2㊃d-1,然而该航次在黄海南部与长江口交汇的区域也观测到了净异养的结果㊂目前,陆源输入有机质被发现是沿岸陆架区域系统出现异养状态的主要原因[33],秋季高有机质含量的沿岸水和陆源输入对黄海影响较大[34-35]㊂在黄海南部区域出现D O低值区(D O<6.5m g㊃L-1)[36],与谢琳萍[35]在南黄海发现的T O C高值区高度重合,高有机质含量会导致呼吸作用的加强㊂同时在叶文琪的调查中,南黄海秋季的浮游生物群落呼吸速率(P l a n k-t o n C o m m u n i t y R e s p i r a t i o n,P C R)平均值为(237.17ʃ221.42)m g㊃m-2㊃d-1,远高于东海陆架区[30]㊂所以研究区域呼吸作用较强,初级生产力通过光合作用产生的O2低于呼吸作用消耗的O2可能是本航次南黄海陆架区出现净异养的主要原因㊂张玉荣等[37]利用14C方法测得东海秋季初级生产力为490.9m m o l㊃m-2㊃d-1,
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这里可以看作是总初级生产力(G P P ),该航次利用氧氩比值方法计算得到的东海N C P 约占G P P 的6.9%,
与之前研究报道的N C P /G P P 变化区间(5%~40%)
一致[
38
]
㊂图3 2015年10月黄东海表层氧氩比(%)(a )和N C P (m m o l ㊃m -2㊃d -1
)(b
)的分布F i g .3 S u r f a c e d i s t r i b u t i o n s o f Δ(O 2
/A r )(%)(a )a n d N C P (m m o l ㊃m -2㊃d -1
)(b )i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r ,2015
2.3影响黄、东海N C P 分布的因素
黄㊁东海N C P 分布呈现明显的区域分布特征,
受水团性质及水团混合的影响㊂图4为该航次C h l a 和
N C P 的T -S 点聚图,
不同区域表现出不同的生物量和群落净生产状态,其基本参数汇总于表1㊂南黄海(区
域A )主要受到黄海沿岸水和黄海冷水团的影响,秋季
在东北季风的驱使下该区域平均温度明显低于其他三个区域,22ħ以下的低温水普遍出现在黄海㊂长江口北
侧的D O 低值区对应谢琳萍[35]观测到的T O C 含量高值
区,表层和底层T O C 分别可高达6.93和13.8m g
㊃L -1
,由于长江冲淡水向南移动,该区域水体混合加强,同时该区域还受到南下的苏北沿岸流的影响,导致水体
T O C 含量较高,呼吸作用加强,出现净异养状态㊂而在黄海中部,黄海冷水团一定程度上阻隔了底层的营养
盐向上补充[34],限制了上层水体营养盐的来源[39],浮
游植物生物活动减弱导致该区域的群落净生产力较
低㊂长江口(区域B )的平均盐度与其他区域相比明显
偏低(27.51ʃ2.53),这是长江冲淡水(26<盐度<30
)影响的结果[28
]㊂秋季长江冲淡水会携带高浓度的D I N
和硅酸盐等营养盐入海[40
],并且沿浙闽沿岸的狭带向
南扩展
[41
]㊂该航次从北向南经过长江口时对应图
4(a )中温度>22ħ的表层海水,其C h l a 浓度处于较
高水平㊂高浓度的营养盐会促进浮游植物的生长从
而带来较高的生产力,距离长江口最近的P 2站观测到了本航次D I N (27.13μm o l ㊃L -1)和硅酸盐(18.48
μ
m o l ㊃L -1)的最高浓度(见图6(a )),同时对应着N C P 的高值㊂然而在同一区域的P 3站N C P 却表现为负值,尽管P 3站无机氮含量仍较高,
硅酸盐含量却大幅降低㊂叶文琪等[30
]发现秋季黄东海P C R 与硅酸盐呈
极显著的负相关,由于群落净生产力是总初级生产力
与群落呼吸的差值,因此可推测P 3站浮游生物呼吸速
率较强导致了净异养状态的出现㊂但是总的来说,因
为受到陆源输入的影响,长江口区域C h l a 平均浓度达到(3.11ʃ2.15)μg ㊃L -1,是浙闽沿岸的2倍㊁南黄海和东海陆架区的5倍,N C P 也是该航次4个区域中的
最高水平((24.49ʃ35.74)m m o l
㊃m -2㊃d -1
)㊂区域C 位于浙闽沿岸,
主要受到东海沿岸流和向东南方向延伸的长江冲淡水羽流的影响[
26,28
]㊂浙闽沿岸纬度较低,温盐较高,其C h l a 浓度仅次于长江口,
对应的群落净生产相较于长江口下降了50%,整体呈现净自养状态㊂东海陆架在温度>24ħ的海区主要受到高温高盐
的黑潮表层水和台湾暖流的影响[28
],具有最高的温度
和盐度(见表2),同时继承了黑潮水寡营养盐的特点,
表现出低浮游植物生物量的特点,C h l a 平均浓度((0.62ʃ0.44)μ
g ㊃L -1)基本与南黄海持平㊂而在东海陆架北部温度和盐度有所减弱(t <24ħ)
,与南黄海9
8
中国海洋大学学报2023年
相当,这是部分长江冲淡水向东北扩展与苏北沿岸流朝东南方向扩散混合的结果[40]㊂同时长江口东北方向存在一个高营养区[42],在图6(a)中可以观察到东海北部陆架的Q T14,Q T15和Q T16三个站位的D I N浓度明显高于其他邻近站位,这可能是受到河流输入影响造成的无机氮相对过剩,因此在C h l a浓度有所增加的情况下N C P并未相应提高,这与王保栋在东海北部和南黄海的调查中发现浮游植物的生长不受N限制相符[40],可能存在其他因素抑制了浮游植物的初级生产㊂叶文琪等[30]研究发现秋季长江口表层的P C R相对较低,同时王保栋[40]和郝锵[42]的研究发现长江冲淡水在扩散过程中伴随着悬浮泥沙的沉降,导致水体浑浊,光可利用率降低,从而限制了浮游植物的生长[42],因此光照可能是长江口附近群落初级生产力的限制因素
㊂
(图中的四色框线代表A D四个区域的温度和盐度范围㊂T h e f o u r c o l o u r e d b o x l i n e s i n t h e d i a g r a m r e p r e s e n t t h e t e m p e r a t u r e a n d s a l i n i t y r a n g e s i n t h e f o u r s u b a r e a s A D.)
图4群落净生产力(m m o l㊃m-2㊃d-1)(a)和叶绿素a(μg㊃L-1)(b)的T-S点聚图
F i g.4S u r f a c e T-S d i a g r a m o f N C P(m m o l㊃m-2㊃d-1)(a)a n d C h l a(μg㊃L-1)(b)
表12015年10月黄东海航次不同区域的Δ(O2/A r)㊁N C P和相关参数结果汇总
T a b l e1 Δ(O2/A r),N C P a n d o t h e r r e l e v a n t p a r a m e t e r s i n d i f f e r e n t s u b a r e a s i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
区域
S u b a r e a s
南黄海
T h e S o u t h
Y e l l o w S e a
长江口
T h e Y a n g t z e
R i v e r e s t u a r y
浙闽沿岸
T h e M i n-Z h e
c o a s t
东海陆架
T h e E a s t C h i n a
S e a s h e l f
温度/ħ
T e m p e r a t u r e
21.55ʃ1.00
(19.37~23.21)
22.36ʃ0.54
(21.39~24.18)
24.46ʃ0.40
(23.35~25.30)
24.81ʃ0.94
(22.55~26.73)
盐度S a l i n i t y31.38ʃ0.56
(30.20~32.62)
27.51ʃ2.53
(22.16~33.17)
32.74ʃ0.90
(29.66~34.32)
33.83ʃ0.69
(30.30~34.82)
叶绿素a/(μg㊃L-1)
C h l a
0.53ʃ0.31
(0.15~1.44)
3.11ʃ2.15
(0.39~8.76)
1.58ʃ0.77
(0.37~3.96)
0.62ʃ0.44
(0.15~6.03)
溶解氧/(m g㊃L-1)
D O
6.42ʃ0.28
(5.31~6.81)
6.96ʃ0.53
(6.00~8.15)
6.42ʃ0.18
(5.99~6.86)
6.15ʃ0.12
(5.72~7.24)
氧氩比/%
Δ(O2/A r)
-2.62ʃ5.96
(-30.21~10.23)
11.75ʃ13.75
(-15.38~44.38)
5.42ʃ5.21
(-8.16~21.85)
-0.79ʃ5.02
(-18.97~16.35)
群落净生产力
N C P/(m m o l㊃m-2㊃d-1)
-9.24ʃ23.15
(-120.41~41.65)
24.49ʃ35.74
(-66.14~87.50)
13.56ʃ13.42
(-26.55~63.72)
-4.04ʃ18.68
(-78.72~56.42) 09
12期韩宗奕,等:黄㊁东海秋季群落净生产力的分布特征及其影响因素
为了认识不同区域内N C P的分布特征和主要贡献因素,利用o r i g i n分析了四个区域N C P与环境因子(温度㊁盐度㊁D O㊁C h l a和营养盐)之间的相关性关系(见图5)㊂在南黄海,N C P与温度呈显著的负相关(r=-0.43,p<0.01),N C P与D O呈明显的正相关,在长江口及浙闽沿岸都观察到了N C P与C h l a呈显著正相关(r=0.79,p<0.01;r=0.85,p<0.01)㊂而在区域D观察到N C P与温度呈一定的正相关,表明温度降低可能减弱生物活动,对于N C P有较大的影响㊂长江口及浙闽沿岸呈现群落净生产力较高的特征,主要是由于高营养盐支持着浮游植物的高生物量㊂从图6中可以看出区域B和C的无机氮㊁磷酸盐和硅酸盐含量整体上高于区域D,但是高营养盐含量并不一定带来高的N C P㊂在图6(a)中我们可以观察到该航次N C P 与D I N没有统计学意义上的关联,D I N浓度的高值出现在P2(27.13μm o l㊃L-1),Q T4(13.37μm o l㊃L-1)和P3(9.06μm o l㊃L-1)站,然而除P2站对应着高的群落净生产力,Q T4和P3站的N C P都很低甚至在P3出现了较大的负值㊂这可能是由于长江冲淡水携带大量无机氮进入东海陆架,导致浮游植物生长所需的营养盐远超适宜其生长的浓度,D I N不再是浮游植物生长的限制因素㊂王保栋[40]发现秋季长江口和东海近岸
浮游植物存在磷限制,在图6(b)中观察到长江口附近(Q T14㊁P3站)和浙闽沿岸(Q T1,Q T2和Q T3站)部分站位的磷酸盐浓度极低(<0.15μm o l㊃L-1),这些站位都受到了北上的寡营养盐的台湾暖流和黑潮表层水的影响,N C P与磷酸盐总体呈现显著的负相关(r= -0.615,p<0.05)㊂虽然王保栋[40]发现硅酸盐不是该区域浮游植物的限制性因素,而本研究发现N C P与硅酸盐有极显著的正相关(r=0.708,p<0.05)(见图6(c)),这与叶文琪等[30]在黄东海秋季观察到P C R与硅酸盐呈负相关相一致,同时郝锵[42]指出长江口附近较高的硅酸盐浓度(>0.5μm o l㊃L-1)有助于硅藻占优的浮游植物群落保持较高的生物量水平㊂综上所述,营养盐会影响东黄海N C P的分布,但是并不会成为控制N C P分布的限制因素㊂
图52015年10月A D(a d)四个区域的温度,盐度,叶绿素a,溶解氧与群落净生产力的相关性分析
F i g.5C o r r e l a t i o n a n a l y s i s o f t e m p e r a t u r e,s a l i n i t y,C h l a,D O a n d N C P i n f o u r s u b a r e a s
A D(a d)i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
19
中国海洋大学学报2023
年
图62015年10月黄东海航次N C P与溶解无机氮(a)㊁
磷酸盐(b)和硅酸盐(c)的相关性分析
F i g.6C o r r e l a t i o n a n a l y s i s o f N C P a n d D I N(a),P O3-4(b)a n d S i O2-4(c)i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
除此之外,混合层深度(M L D,M i x e d L a y e r D e p t h)可以作为混合层光可利用程度的重要指标,较浅的混合层深度意味着更充足的光照,为了归一化由M L D引起的N C P变化,定义N C P与M L D的比值为单位体积水体的群落净生产力(N C P v o l)[43-44]㊂选取从北向南的区域B D的部分站位进行分析,发现各站的M L D在5~45m之间,且M L D与N C P v o l表现为一定的负相关(见图7),在M L D较浅的站位对应着混合层中单位体积更高的N C P㊂同理,在Q T16和Q T15站位M L D到达40m左右时,单位体积的群落净生产大幅下降㊂傅明珠等[39]研究也发现真光层与混合层的相对深度对群落净生产有影响,混合层深度大于真光层深度时浮游植物白天也会处于无光区,呼吸作用大于光合作用从而减弱N C P㊂另外,王保栋[40]和郝锵[42]研究发现,长江口及东海沿岸大量悬浮的泥沙会使透光率下降导致真光层变浅㊂综上所述,光照是秋季影响黄㊁东海N C P的重要限制因素,也是富营养的近岸海区N C P呈现低值的主要原因㊂
图72015年10月黄东海航次单位体积水体的群落净生产力
与混合层深度的相关性分析
F i g.7C o r r e l a t i o n a n a l y s i s o f N C P v o l w i t h m i x e d l a y e r d e p t h i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n O c t o b e r,2015
3结语
该研究首次基于O2/A r比值法获得了中国陆架边缘海 东㊁黄海秋季生物氧饱和度((O2/A r)和群落净生产力(N C P)的高分辨率分布特征㊂在受到长江冲淡水强烈影响的长江口N C P较高((24.49ʃ35.74) m m o l㊃m-2㊃d-1),是浙闽沿岸((10.85ʃ12.17) m m o l㊃m-2㊃d-1)的2倍多㊂水温较低的南黄海和受到黑潮影响的东海陆架区N C P分别为(-9.24ʃ23.15)和(-4.04ʃ18.68)m m o l㊃m-2㊃d-1,均呈现净异养状态㊂秋季黄海和东海的群落净生产分布呈现高度的空间异质性,主要受到陆源输入和黑潮水㊁台湾暖流水团混合的影响㊂同时,营养盐和光照也是影响该区域N C P分布的重要因素㊂
致谢:感谢中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室的同学们在采样中提供帮助!
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P r o d u c t i o n i n t h e E a s t C h i n a S e a a n d Y e l l o w S e a i n A u t u m n
H a n Z o n g y i1,2,Q i n C h u a n1,2,Z h e n g W e n j i n g1,2,Z h a n g G u i l i n g1,2,J i a n H u i m i n1,2
(1.F r o n t i e r s S c i e n c e C e n t e r f o r D e e p O c e a n M u l t i s p h e r e s a n d E a r t h S y s t e m,a n d K e y L a b o r a t o r y o f M a r i n e C h e m i s t r y T h e o r y a n d T e c h n o l o g y,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a;2.L a b o r a t o r y f o r M a r i n e E c o l o g y a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e,P i l o t N a t i o n a l L a b o r a t o r y f o r M a r i n e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(Q i n g d a o),Q i n g-d a o266237,C h i n a)
A b s t r a c t: N e t C o m m u n i t y P r o d u c t i o n(N C P)r e p r e s e n t s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n g r o s s p r i m a r y p r o d u c-t i v i t y a n d c o m m u n i t y r e s p i r a t i o n,i n d i c a t i n g t h e i m p a c t o f b i o l o g i c a l a c t i v i t y o n t h e c a r b o n c y c l e i n t h e u p p e r o c e a n.T h e b i o l o g i c a l o x y g e n(O2)s a t u r a t i o n(ΔO2/A r)i s u s e d t o e s t i m a t e N C P i n m a r i n e s u r-f a c e w a t e r s,w i t h O2/A r r a t i o u s e d t o c o r r e c t f o r p h y s i c a l e f f e c t s o n O2s u p e r s a t u r a t i o n.I n o r d e r t o o b-t a i n h i g h-r e s o l u t i o n d i s t r i b u t i o n o f N C P a n d i m p r o v e o u r u n d e r s t a n d i n g o f i t s r e g u l a t i n g f a c t o r s i n t h e E a s t C h i n a S e a(E C S)a n d t h e Y e l l o w S e a,w e c o n d u c t e d c o n t i n u o u s s h i p b o a r d m e a s u r e m e n t s o f d i s-s o l v e d O2a n d A r u s i n g m e m b r a n e i n l e t m a s s s p e c t r o m e t r y(M I M S)i n O c t o b e r2015.T h e o b s e r v e d Δ(O2/A r)r a n g e d f r o m-30.21%t o44.38%,w i t h t h e m e a n v a l u e o f(0.32ʃ8.29)%.A m o n g t h e m, t h e l o w e s t v a l u e s w e r e f o u n d i n t h e r e g i o n n o r t h o f t h e Y a n g t z e R i v e r e s t u a r y,w h i l eΔ(O2/A r)w a s s i g-n i f i c a n t l y h i g h e r i n t h e Y a n g t z e R i v e r e s t u a r y(11.75ʃ13.75)%a n d o f f t h e M i n-Z h e c o a s t(5.42ʃ5.21)%t h a n i n t h e S o u t h Y e l l o w S e a(-2.62ʃ5.96)%a n d E a s t C h i n a S e a s h e l f(-0.79ʃ5.02)%. T h e m e a n N C P w a s(-9.24ʃ23.15)a n d(-4.04ʃ18.68)m m o l㊃m-2㊃d-1i n t h e S o u t h Y e l l o w S e a a n d t h e E C S s h e l f,i n d i c a t i n g n e t h e t e r o t r o p h y,w h i l e N C P w a s(24.49ʃ35.74)a n d(10.85ʃ12.17) m m o l㊃m-2㊃d-1i n t h e Y a n g t z e e s t u a r y a n d t h e M i n-Z h e c o a s t,r e s p e c t i v e l y.T h e d i s t r i b u t i o n o f N C P i n t h e Y S a n d E C S s h o w e d o b v i o u s s p a t i a l h e t e r o g e n e i t y a n d w a s m a i n l y i n f l u e n c e d b y l a n d-s o u r c e i n p u t a n d w a t e r m a s s m i x i n g.N u t r i e n t a n d l i g h t a v a i l a b i l i t y w e r e t h e m a j o r e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s r e g u l a t i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f N C P.T h i s s t u d y i m p r o v e s o u r u n d e r s t a n d i n g o f t h e c a r b o n c y c l e i n t h e h i g h l y d y-n a m i c c o a s t a l a r e a s u c h a s t h e E S C a n d Y e l l o w S e a.
K e y w o r d s:t h e E a s t C h i n a S e a;t h e Y e l l o w S e a;n e t c o m m u n i t y p r o d u c t i o n;Δ(O2/A r);l a n d-s o u r c e
i n p u t;c a r b o n c y c l e
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