煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的研究

李 欣, 邸寶平, 劉東艷, 王玉玨, 董志軍

(1. 中國科學院 煙臺海岸帶研究所 中國科學院海岸帶過程重點實驗室, 山東 煙臺 264003; 2. 中國科學院研究生院, 北京100049)

眾多研究表明, 沉積物中保留的生物與化學信息可以用于指示海洋現代環境或者古環境中的一些變化[1-3]。其中, 生物硅(Biogenic Silica, BSi)含量通常用于指示上層水體中初級生產力的變化。生物硅也稱生物蛋白石, 是指化學方法測定的無定形硅的含量[4], 由海洋透光層硅質浮游生物硅藻、放射蟲、硅鞭毛藻和海綿骨針等產生, 是硅的一種重要存在形式。海洋沉積物中的生物硅主要來源于硅藻沉積,而硅藻是海洋浮游植物的最重要組成成分, 在不同海域對水體中初級生產力的貢獻可以達到40%～90%以上, 因此在某種程度上能夠反映上層水體的生產力[5-6], 成為重建海洋古生產力的替代性指標以及追蹤古氣候環境變化的有效手段[7]。因此, 沉積物中生物硅的研究對于海洋生產力的歷史變化研究和上層水體生態系統的反演都有重要意義。

對于沉積物中生物硅的研究, 國外在20世紀60年代就已經開始, 主要研究區域為四大洋以及歐洲,北美和日本的部分海域[8-13]。國內近十幾年才開始研究,研究范圍主要為近海海域, 長江口和少量內灣[14-21]。本文研究了煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的分布,通過與國內其他內灣的研究進行對比, 探討沉積物中生物硅對內灣環境的指示作用。

1 材料與方法

1.1 研究區域與樣品采集

煙臺四十里灣是北黃海區域的一個重要淺海養殖海區和港口, 是受人類經濟活動影響的典型區域。本研究在煙臺四十里灣選取了16個采樣站點(圖1),于2008年11月使用箱式采泥器進行了表層沉積物樣品的采集。根據人類活動的類型, 在四十里灣劃分為A、B、C、D四個區域進行比較研究: A區為生活污水排放區, B區為航道區, C區為海水養殖區, D區為垃圾傾倒區。樣品采集后用塑料袋密封, 放入冰盒內保存, 帶回實驗室后放入冰柜中-20℃冷凍保存,用于分析。

1.2 研究方法

1.2.1 生物硅的測定

將樣品冷凍干燥后, 準確稱取100～200 mg樣品于100 mL聚丙烯離心管中, 加10 mL H2O2(10%)超聲30 min除去有機質, 然后加10 mL鹽酸(1∶9)超聲振蕩30 min除去碳酸鹽, 加Milli-Q水后離心, 除去上清液。將離心管放入烘箱中60℃干燥12 h。離心管中加入40.0 mL 2mol/L Na2CO3, 加蓋, 振蕩混勻后放入85℃恒溫水浴。每隔1 h取0.1 mL提取液, 使用硅鉬藍法測定提取液中的硅含量, 連續測定 8 h,每個樣品取 3組平行。使用溶出曲線外推法求出樣品中生物硅的含量[5,8,22-23]。

1.2.2 沉積物粒度分析

將樣品用 10% H2O2除去有機質, 加入 0.05%(NaPO3)6處理后, 使用Mastersize 2 000激光粒度儀進行測量。將粒徑分為＜4 μm, 4～63 μm 和 ＞63 μm 3個等級, 分別代表黏土, 粉砂, 砂[24]。

1.2.3 數據分析

數據采用 ArcGIS10.0和Surfer10進行繪圖, 采用SPSS11.5進行沉積物中生物硅含量和粒度的相關性分析。

圖1 采樣站位圖Fig. 1 The location of sampling sites

2 結果與討論

2.1 四十里灣表層沉積物中生物硅、粒度的分布

圖2 沉積物中BSi 分布Fig. 2 Distribution of BSi in sediments

生物硅在四十里灣表層沉積物中存在明顯的空間分布特征(圖2)。四十里灣生物硅的含量(Si%)范圍為0.25%～1.01%, 平均值為0.56%。由圖2 可以看出,在灣外(D區)出現一個高值中心, 此外芝罘島北部海域(A區)生物硅含量較高, 而灣內(B區和C區)生物硅含量則相對較低。A區和D區平均值分別為0.71%和0.78%, 最高值出現在A0站位(1.01%); B區和C區平均值分別為 0.37%和 0.53%, 最低值出現在 B3站位(0.25%)。

對四十里灣表層沉積物進行了粒度測定(表1)后發現, 表層沉積物以粉砂為主(45.4%～72.8%), 其中A0, A2站位沉積物黏土含量較高(21.7%和23.8%)而砂含量很低(5.6%和8.0%); C區和沿岸的A4, B3站位均表現出較高的砂含量(25.5%～38.5%)。

表1 沉積物粒度分布Tab. 1 Distribution of grain sizes

2.2 四十里灣生物硅含量與國內外海區對比

研究表明, 中國近海沉積物中生物硅分布整體呈現南海南部較高(平均值 2.04%)[20-21], 南黃海中部海域和長江口及其鄰近海域略低(平均值0.726%)[15],渤海和南黃海北部較低(平均值分別為 0.43%和0.37%)[14], 在一定程度上表現出緯度分布規律, 這與中國近海的生產力狀況相吻合。將本研究結果與國內其他內灣沉積物中生物硅研究進行對比, 四十里灣表層沉積物中生物硅含量與膠州灣接近(0.36%～0.69%, 平均值 0.51%), 略高于廣東的拓林灣(0.46%)、海陵灣(0.30%)、水東港(0.16%)、雷州灣(0.22%)和流沙灣(0.39%), 略低于大亞灣(約 1%), 低于國際上大部分海灣, 僅與 Chesapeake Bay接近[8-13,18-19,25-26],綜合對比可以發現, 內灣沉積物中生物硅含量并沒有明顯的分布規律, 與該區域的自身條件密切相關。應用內灣沉積物中生物硅指示上層水體, 需要更多地與環境條件和人類活動相結合。

2.3 生物硅對內灣生產力和環境的指示作用

沉積物中生物硅的含量、分布與海區中硅藻等硅質生物的數量、分布密切相關, 可以通過指示硅藻沉積, 進而指示上層水體生產力。在近岸海域, 環境條件與人類活動的影響要遠大于外海, 生物硅的指示作用要與這些因素相結合, 才能更好地指示上層水體[17,27]。

四十里灣A區和D區生物硅含量較高, 反映了上層水體的富營養化。A區靠近套子灣污水處理廠,處理污水主要為生活污水, 每天大約有25×104t(其中僅1/6經過二級處理, 其余5/6經過一級處理)污水從套子灣污水處理廠排海[28], 污水的排放極大地影響了A區海域的營養狀況, 2009年-2010年的海水調查顯示[29], 四十里灣的 DIN(溶解性無機氮, 為NH4-N、NO3-N、NO2-N 之和)和硅酸鹽的最大值均出現在春季, 均值分別為 18.61 μmol/L和 12.66 μmol/L, A區春季DIN值為24～48 μmol/L, 硅酸鹽為14～16.5 μmol/L, 明顯高于四十里灣其他區域, 而夏季營養鹽水平較低且與其他區域相差不大。調查顯示[29], A區的浮游植物以硅藻為主, 夏季硅藻量約為2.5×104cells/L, 高營養鹽造成了硅藻春季和夏季的迅速繁殖并消耗了大量的營養鹽。死亡后的硅藻大量沉積可能是造成A區生物硅含量高的重要原因。

D區從1988年開始作為煙臺海洋傾倒區, 為環芝罘灣港口碼頭建設及港池航道清淤時傾倒廢棄物所設定, 傾倒物的主要組成為疏浚物。根據國家海洋局北海分局的疏浚物傾倒資料統計, 傾倒區自使用以來累計傾倒約為1120萬m3。據調查資料顯示[30],D區污染狀況處于逐年嚴重趨勢, 雖然此區域海水自凈能力較強, 但目前已處于輕度污染狀態。大量外來傾倒物明顯改變了水體的營養狀況, 造成了 D區海域的富營養化狀態, 改變了海區的物種組成。D區浮游植物群落在1991年, 2001年, 2004年的調查中都顯示了以硅藻為主, 甲藻為輔的群落特征, 但甲藻所占比例呈上升趨勢, 2006年的調查顯示硅甲藻所占比例接近, 2008年硅藻再次成為優勢種[30-31], 最新調查顯示, 赤潮甲藻海洋卡盾藻(Chattonella marina)成為D區的優勢種[29]。以上研究同時表明[29-31],從1991年至2010年, D區浮游植物種類不斷減少,香農-威納指數(Shannon-Wiener index)和物種均勻度指數分別由1991年的大于3.0和接近1.0降低至2009年的0.23和0.04。前期的富營養化造成D區硅藻的大量繁殖與沉積, 造成沉積物中生物硅含量較高。隨著 D區污染狀況的加劇, 甲藻比例上升, 硅藻數量下降, 未來表層沉積物中生物硅含量可能發生改變。

B區沉積物中生物硅含量很低, 顯示這一區域上層水體生產力很可能處于較低水平。煙臺港的航道位于此區域, 航道深度只有20 m左右, 大型貨船和客輪的吃水深度也接近20 m, 煙臺港2009年的吞吐量達到 1.69×108t, 航船的擾動對此海域的生態系統影響非常明顯。頻繁的航船擾動不僅會影響這部分海域水體中浮游生物的生長和繁殖, 增強了硅藻和硅鞭毛蟲的分解, 同時影響硅藻的沉積并增強表層沉積物的再懸浮過程。這可能是造成此海區沉積物中生物硅含量很低的主要原因。

C區生物硅含量略低, 海水養殖可能造成了一定程度的影響。已有研究表明, 海水養殖能夠改變海水營養鹽結構, 改變浮游植物類群, 進而影響沉積物中生物硅含量[24,27]。四十里灣是我國北方典型的海水養殖區之一, 目前養殖對象有貽貝、櫛孔扇貝、海灣扇貝和海帶等, 養殖方式主要為浮筏養殖。扇貝、貽貝和海帶的養殖面積分別為800 、400 和250 hm2[32]。四十里灣2009年-2010年的海洋調查表明[29],表層水體中 DIN、磷酸鹽、硅酸鹽濃度等整體上呈現A區＞D區＞C區＞B區, C區較低的生物硅含量很好地對應了上層水體較低的營養鹽濃度。雖然扇貝等的濾食作用會對沉積環境產生影響, 但大量浮游生物殘渣和排泄物仍然會沉降到沉積物中以生物硅的形式保存, 使沉積物中生物硅的含量保持相對正常的水平[33]。因此, 海水養殖可能對沉積物中生物硅的保存和積累影響不大, 生物硅的含量能夠較好地指示上層水體的營養狀態。

綜上所述, 內灣沉積物中生物硅含量能夠較好地指示上層水體的營養狀態和生產力水平, 并且能夠在一定程度上評估陸源污染, 港口運輸, 海水養殖等對海區的影響。

2.4 沉積環境對生物硅的影響

已有的研究表明, 沉積物的粒度可以明顯影響生物硅在沉積物中的含量。沉積物顆粒越細, 則越有利于生物硅的保存和積累, 而粗顆粒則會加速生物硅的分解[16,34-36]。對四十里灣沉積物中生物硅含量與粒度數據進行Pearson相關性分析發現, 生物硅含量與黏土含量呈顯著正相關關系, 與砂含量則呈顯著負相關關系, 進一步驗證了上述關系。A區生物硅含量較高, 其中A0和A2站位出現明顯高值(1.01%和0.84%), A4站位較低(0.43%), 這可能與保存條件有關。A0, A2站位沉積物黏土含量較高, 砂含量很低,因此有利于生物硅的保存, 而 A4站位砂含量較高,不利于生物硅的保存。C區整體含砂量較高可能是導致其生物硅含量偏低的重要原因。生物硅含量最低的B3站位砂含量較高, 其生物硅含量明顯低于航道區其他站位。通過上述分析可以得出, 沉積物粒度對生物硅在沉積物中的保存具有重要影響。

水動力環境也會對硅藻的沉積造成一定影響。四十里灣基本不受洋流等影響, 水深較淺, 最深處不足30 m(圖3), 沉降時間短, 因此潮流、近岸流等是影響沉積的主要水動力因素。A區位于芝罘島北部海域, 海岸陡峭, 岸線曲折, 海蝕地貌發育, 海域開闊, 10 m等深線距岸只有70 m, 為水動力活躍區,潮流流速大, 北側海域的潮流為往復流, 落潮流由西北流向東南, 漲潮流向正好相反, 而且落潮流速明顯大于漲潮流速[28,37-38], 同時, 位于芝罘島西北側的套子灣污水處理廠的排海管道也會對此海域產生一定影響[37]?；钴S且復雜的水動力環境可能是造成A區復雜的粒度特征的重要原因, 同時也在一定程度上影響了生物硅的沉積。對四十里灣潮流和拉格朗日余流的計算以及標識質點跟蹤研究表明[39-40],四十里灣的水動力的搬運作用整體表現為由西向東,沿與岸線平行的方向由A區向D區遷移。海流的搬運作用和D區有利于沉積的沉積環境也可能是D區生物硅含量較高的重要原因。相對于灣外, 灣內的潮流和拉格朗日余流明顯較弱[39], 有利于硅藻的沉積,但由于海水養殖的影響以及沉積物整體含砂量較高不利于生物硅的保存, 最終造成此區域沉積物中生物硅含量較低。

根據以上分析可以看出, 沉積環境是影響生物硅的沉積和保存的重要因素, 沉積物粒度可以明顯影響生物硅在沉積物中的保存, 水動力環境則可以在一定程度上影響生物硅的沉降和分布。

3 結論

研究了煙臺四十里灣表層沉積物中生物硅的分布, 通過與四十里灣海區實際狀況的分析對比, 驗證性地討論了內灣沉積物中生物硅含量對上層水體的指示作用及影響因素, 得出以下結論:

(1)內灣表層沉積物中生物硅的分布主要與該海區的自身條件有關, 能夠較好地指示上層水體的營養狀態和生產力狀況, 可以在一定程度上評估人類活動對海區的影響。

(2)沉積環境對生物硅的沉降和保存有重要影響。水動力環境可以在一定程度上影響生物硅的沉積, 沉積物粒度對生物硅的保存有重要影響, 黏土含量高, 砂含量低有利于沉積物中生物硅的保存和積累, 反之則會加速其分解。

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