春季東海營養鹽的空間分布格局和控制機制

吳林妮，韋欽勝,2*，辛 明，王明玉，滕 飛，謝琳萍，孫 霞，王保棟,2

（1. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 嶗山實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266237）

東海是西北太平洋陸架邊緣海之一，其北部與黃海相接，南部經臺灣海峽與南海相連，西部承接著長江、錢塘江、甌江、閩江等河流的輸入，東部則通過眾多的海峽和水道與太平洋開闊海域進行物質和能量交換（Zhang et al, 2017; Liu et al, 2021）。該海域不僅受黃海沿岸流（Guan,1994; Yuan et al,2008; 韋欽勝等, 2011）、長江沖淡水（毛漢禮等, 1963; Beardsley et al, 1985; 朱建榮等, 2003; Chang et al,2003; Wu et al, 2014b）和浙閩沿岸流（Chen et al, 2009; 曾定勇等, 2012）等沿岸流系/水團的顯著影響，還承受著外海水系——黑潮分支（Yang et al, 2012; Zhou et al, 2015; Wang et al, 2016b; Xu et al, 2018）和臺灣暖流（翁學傳等, 1985; Bai et al, 2004; Qi et al, 2017）入侵的脅迫。黑潮分支和臺灣暖流將外海高鹽水攜入東海陸架，并與沿岸水系相互作用（Chen et al, 1995; Wu et al, 2014a; 楊德周等, 2017），形成了較為復雜的水文動力環境。同時，在地形、風場和潮混合作用下，東海也存在顯著的上升流系統，夏季浙江沿岸-長江口海域為典型的上升流區（胡敦欣等, 1980b; 呂新剛等, 2007; Wang et al, 2007; Wei et al, 2021）。上述物理過程可對東海營養鹽等生源物質的時空分布格局和輸運產生重要影響，并進而作用到生態過程和區域海洋生態系統。

受復雜物理過程的影響，東海營養鹽的來源較為復雜，其一方面來自于長江等徑流的陸源輸入（Tian et al, 1993; 王保棟等, 2002; Wang et al, 2003; 王奎等, 2011; 米鐵柱等, 2012; Gao et al, 2012; Liu et al,2016），另一方面還與外海水向東海陸架的入侵密切相關（Zhang et al, 2007a; Zhao et al, 2011; Yang et al, 2013; Li et al, 2014; 董書航等, 2016; Wang et al, 2018; Zhou et al, 2018）。先前研究揭示了長江沖淡水擴展及其季節變化對營養鹽輸運過程的影響（王保棟等, 1998, 2002; 王奎等, 2011; Liu et al, 2016），并指出黑潮次表層水的北上可向東海攜入高營養鹽水體（尤其是磷酸鹽）（Chen et al, 1996; Liu et al, 2000;宋金明等, 2017; Xu et al, 2020）。研究還顯示，長江口-浙江近海是我國赤潮（周名江等, 2003, 2006; 于仁成等, 2007; Zhou et al, 2009）和缺氧（Chen et al, 2007; Zhu et al, 2011; Wang et al, 2016a; 韋欽勝等, 2017）的頻發區，并總體對應近岸海域的營養鹽高值區。然而，先前對于東海營養鹽的研究多集中在長江口、浙閩沿岸和黑潮次表層水影響區等海域，對較大尺度上營養鹽空間格局的探討較少，尚缺乏對春季等過渡季節營養鹽分布和輸運規律及其與水文、生態過程關系的深入研究。同時，關于春季東海陸架營養鹽外源輸入及其對生物地球化學過程的調控作用和生態環境響應的認識也不充分。

本文擬利用2017年春季所獲取的東海調查資料，通過分析水文要素、營養鹽和葉綠素a（Chla）等的空間格局及變化，研究東海的水團格局對營養鹽濃度和分布的調控，明晰春季黑潮次表層水的涌升和營養鹽跨陸架輸運，并在此基礎上探討春季水文過程和營養鹽特征對東海初級生產的潛在影響，進而為揭示春季東海營養鹽的控制機制奠定基礎，并為闡釋黑潮次表層水與浙江近海初級生產過程的內在關系及其對赤潮、缺氧的潛在影響等提供科學依據。

1 調查區域與樣品采集和分析

1.1 調查區域

基于國家自然科學基金委東海共享航次，搭乘“向陽紅18”科學考察船于2017年春季期間進行為期5天（5月18日至22日）的現場調查。觀測區域主要涵蓋從長江口—杭州灣外南側到臺灣海峽北部的海域，共開展了42站次的調查和取樣工作。在斷面設計上，于舟山群島東部設置了30°N斷面（S1），同時在浙江外海由北向南布設了4條基本垂直于岸線的斷面（S2至S5），并在S1和S2斷面之間的遠岸區、S2和S3以及S4和S5斷面之間的近岸區設置了若干站位。調查區域和斷面、站位分布情況如圖1所示。

圖1 東海水深、調查站位和流系分布Fig. 1 Water depth, stations and general currents in the East China Sea

1.2 樣品采集和分析

利用SBE-911 plus溫鹽深CTD儀（美國）（各傳感器均經過計量檢定）測定各站位的溫、鹽度等水文參數，并通過集成在CTD上的24瓶Niskin采水器采集水樣。根據水深情況設計標準采水層次，包括表層、10 m層、20 m層、30 m層、50 m層和底層水樣（底層與標準層間隔小于3 m時只采集底層水樣），用于營養鹽、Chla等化學和生物參數的測定。

營養鹽水樣在現場經孔徑0.45 μm的醋酸纖維濾膜過濾后裝入聚丙烯瓶，然后放入?20 ℃冰箱冷凍保存。在實驗室基于分光光度法（Grasshoff et al, 1999）利用營養鹽自動分析儀（QuAAtro39，德國）測定樣品，其中，測定亞硝酸鹽（NO2-N）采用重氮-偶氮法，測定硝酸鹽（NO3-N）采用銅-鎘還原法，測定氨氮（NH4-N）采用次溴酸鈉氧化法，測定磷酸鹽（PO4-P）采用磷鉬藍法，測定硅酸鹽（SiO3-Si）采用硅鉬藍法。NO2-N、NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si的檢出限分別為0.02 μmol·L?1、0.02 μmol·L?1、0.04 μmol·L?1、0.03 μmol·L?1和0.25 μmol·L?1。溶解無機氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）的濃度為NO2-N、NO3-N和NH4-N濃度之和。測定過程中，利用營養鹽標準系列（自然資源部第二海洋研究所海洋標準物質中心）制定工作曲線，并插入內標進行質量控制。采集Chla水樣后，量取100～500 mL抽濾到Whatman GF/F（直徑25 mm, 孔徑 0.7 μm）玻璃纖維濾膜上，并將濾膜用鋁箔包裹，置于?20 ℃冰箱內冷凍保存；實驗室測定時，首先把樣品在低溫避光條件下經90%丙酮萃取24 h，然后使用熒光計（Trilogy 7200，美國）測定上清液酸化前后的熒光值，最后計算得到樣品中的Chla質量濃度。

2 結 果

2.1 溫、鹽度分布特征

2017年春季調查海域不同水層中溫度和鹽度的平面分布如圖2所示。由圖2可知，溫、鹽度分布均具有明顯的空間差異性。具體來看，上層水體中（表層和30 m層）（圖2a、圖2b、圖2d和圖2e），東海西部浙江近海為一低溫、低鹽區，且呈現出由近岸向外海擴展的趨勢；調查海域南部存在一高溫、高鹽水舌，其在由南向北擴展過程中逐漸向東北偏轉；調查海域東北部也為一明顯的低溫區，同時鹽度也較南部海域低。底層（圖2c和圖2f），調查海域南部的高鹽水舌（鹽度高于34.5，總體呈現出低溫的特征）由臺灣東北部向西北擴展，并大致沿50～60 m等深線逐漸北上，可影響到浙江近岸海域；調查海域東北部的低溫區仍然存在（與表層相比，其溫度更低而鹽度更高），同時鹽度也較南部海域低。浙江外海典型斷面S3的溫度和鹽度分布如圖3所示?？傮w來看，該斷面西側中下層水體呈現出低溫、高鹽的特征，且存在底層冷水的向岸抬升現象（圖3a）；底層冷水的涌升與表層沿岸低鹽水的離岸輸運相互對應。該斷面東側上層水體中的溫度較高，在近底層存在溫度層化。同時，斷面東側底層水的溫度也較低。

圖2 春季東海溫度和鹽度平面分布Fig. 2 Horizontal distributions of temperature and salinity in the East China Sea during spring

圖3 春季東海S3斷面溫度和鹽度分布Fig. 3 Vertical distributions of temperature and salinity along Section S3 in the East China Sea during spring

2.2 營養鹽分布特征

2017年春季調查海域各水層中的營養鹽分布如圖4所示。由圖4可知，調查海域西部杭州灣東南—浙江近海的營養鹽濃度由表至底均較高，且呈現出由近岸向外海擴展的趨勢。調查海域東北部也為一營養鹽高值區。調查海域東南部的上層水體（表層和30 m層）中存在一由臺灣東北部向西北方向擴展的低營養鹽水舌（圖4a、圖4b、圖4d、圖4e、圖4g和圖4h），其與此處的高溫（圖2a和圖2b）、高鹽水（圖2d和圖2e）位置相一致；底層在臺灣東北部海域存在一PO4-P高值區（＞0.55 μmol·L?1），并向西北海域擴展（圖4f），其與此處的低溫（圖2c）、高鹽水（圖2f）總體相對應。典型斷面S3的營養鹽分布如圖5a～圖5c所示?？傮w來看，營養鹽濃度由近岸向外海逐漸降低，外海中上層水體中的營養鹽濃度整體較低。底層水體中的營養鹽濃度較高，且在西側近岸和東部深水區形成2個營養鹽高值核心，其中西部的營養鹽濃度高于東部；同時，西側底層的高營養鹽水體總體存在向岸涌升的趨勢（圖5a～圖5c），與此處低溫水的抬升（圖3a）相對應。

圖4 春季東海營養鹽平面分布Fig. 4 Horizontal distributions of nutrients in the East China Sea during spring

圖5 春季東海S3斷面營養鹽和Chl a 分布Fig. 5 Vertical distributions of nutrients and Chl a along Section S3 in the East China Sea during spring

2.3 Chl a分布特征

浮游植物Chla各水層平面分布如圖6所示。上層水體（表層和10 m層）中，Chla質量濃度總體呈現近岸高、遠岸低的分布趨勢。具體來看，杭州灣東南—浙江近海的Chla高值區明顯（圖6a和圖6b），與該海域的營養鹽高值區位置總體相吻合；調查海域東南部的Chla質量濃度整體較低，其分布與自南向北擴展的高溫、高鹽水范圍（圖2a和圖2d）較為一致；調查海域東北部存在強度較小的Chla高值區（＞0.4 mg·m?3），其位置與此處的低鹽區（圖2d）基本對應。20 m和30 m層中（圖6c和圖6d），Chla質量濃度較上層水體顯著降低，且在調查海域中部存在與岸線大致平行的條帶狀Chla高值區（＞0.4 mg·m?3）；與上層相比，20 m和30 m水層中的Chla高值區位置向遠岸移動。典型斷面S3的Chla分布（圖5d）顯示，斷面西側浙江近岸區上層水體中的Chla質量濃度總體較高；東部深水區具有較低的Chla質量濃度，且10～40 m層范圍內存在次表層Chla最大值。

圖6 春季東海不同水層Chl a（mg·m?3）平面分布Fig. 6 Horizontal distributions of Chl a (mg·m?3) in different layers in the East China Sea during spring

3 討論

3.1 東海的水團格局對營養鹽濃度和分布的影響

流場和水團的格局對營養鹽的分布及其空間變化具有重要影響。由各水層的溫、鹽度分布（圖2）可知，春季調查海域主要受東海沿岸水（Li et al, 2006; Chen et al, 2009）、東海北部冷水（胡敦欣等,1980a; 蘇育嵩等, 1989; 王剛等, 2010）和外海高鹽水（谷國傳等, 1994; Yang et al, 2012; Xu et al, 2018）的控制，分別位于調查海域的西部、東北部和東南部。東海沿岸水也被稱為浙閩沿岸水（Guan, 1994;曾定勇等, 2012），其在春季呈現出低溫、低鹽的特征，尤其是在表層（圖2a和圖2d）。該沿岸水主要由包括長江在內的河流入海的淡水與海水混合而形成。東海北部冷水是冷季黃海沿岸流南下輸運的結果（蘇育嵩等, 1989; 王剛等, 2010; 趙宇航等, 2022），因其呈現出渦旋的特征而又被稱為濟州島西南冷渦或東海北部冷渦（胡敦欣等, 1980a）。該冷水存在于由表至底的各水層（圖2a～圖2c），其溫度由表至底逐漸降低，而鹽度卻不斷升高。外海高鹽水則主要受黑潮分支和臺灣暖流的影響（Zhang et al, 2007b; Yang et al, 2012; Qi et al, 2014; Zhang et al, 2017; Xu et al, 2018）。由東海的鹽度分布（圖2d～圖2f）也可以看出，調查海域東南部自表至底存在一個從臺灣東北部和臺灣海峽東北向浙江近海擴展的高鹽水舌，其在表層呈現出高溫的特征（圖2a），在底層則具有低溫的特性（圖2c）。這在一定程度上分別體現了黑潮表層水和黑潮次表層水的影響。外海高鹽表層水除受黑潮影響外，臺灣海峽水北上所形成的臺灣暖流水也可構成其來源（Liu et al, 2003; Qi et al, 2017）。由溫度-鹽度點聚圖（圖7a和圖7b）可進一步識別春季調查海域表、底層的水團及其溫度和鹽度特性。需要指出的是，底層各水團的鹽度均較表層有不同程度的升高，這可能與黑潮次表層水（具有更高的鹽度）向陸架入侵及其與相鄰水團的混合有關，由此提升了底層水體中東海北部冷水和浙閩沿岸水的鹽度。

圖7 溫度-鹽度點聚圖及PO4-P與鹽度之間的關系Fig. 7 Temperature-salinity plot and relationships between PO4-P and salinity

根據東海營養鹽的空間分布，并結合上述針對調查海域內水團格局的分析，可知：浙江近海的營養鹽高值區是浙閩沿岸水影響的結果；調查海域東北部的高營養鹽水體與黃海沿岸流的南下輸運和東海北部冷水有關；調查海域東南部表層營養鹽低值區與寡營養鹽的外海表層水相對應，而該海域底層的高PO4-P水體則主要受黑潮次表層水向東海陸架入侵的影響。東海表層水體中PO4-P與鹽度之間的相關關系（圖7c）以及DIN和SiO3-Si與鹽度之間的關系（圖略）也進一步證實，營養鹽濃度總體隨著鹽度的升高而降低，浙閩沿岸水和東海北部冷水具有相對較高的營養鹽濃度。同時，相關性分析還顯示，在底層鹽度高于34.5的黑潮次表層水影響區，PO4-P濃度與鹽度呈現出一定的正相關關系（圖7d），與之相比，DIN和SiO3-Si與鹽度之間的關系不明顯（圖略）。這一結果表明黑潮次表層水可向東海陸架輸送PO4-P。由此可見，春季黑潮次表層水向東海內陸架的入侵對營養鹽的空間格局（尤其是PO4-P）具有重要影響。需要指出的是，東海遠岸區上層和底層分別受高溫外海表層水和低溫黑潮次表層水的影響，于下層水體中形成了一定強度的溫躍層（圖3a），阻擋了底層高營養鹽水體向上層的輸送。同時，浙閩沿岸水和外海高鹽表層水的交匯趨于形成SW—NE向的溫、鹽度鋒面（圖2a和圖2d）（He et al, 2016; Cao et al, 2021; 劉東艷等, 2022），該鋒面作為一條屏障可在一定程度上阻礙高營養鹽水體由近岸向遠岸的擴展。因此，東海遠岸區上層水體中的營養鹽濃度總體維持在較低的水平。

3.2 黑潮次表層水涌升和營養鹽跨陸架輸運

跨浙江近海的S3斷面溫、鹽度垂直分布顯示，該斷面西側底層存在一低溫、高鹽水體（圖3）。分析東海底層溫、鹽度的平面分布（圖2c和圖2f）可知，這一低溫、高鹽水是由黑潮次表層水向東海內陸架的擴展和入侵所致。調查海域南部S5斷面的觀測結果（圖8a和圖8b）可進一步印證此現象：在斷面東側靠近臺灣東北部的深水區，60 m層以下存在一低溫、高鹽區。該低溫、高鹽水位置總體對應臺灣東北部陸架邊緣的黑潮次表層水源區（Hsueh, 2000; Yang et al, 2011, 2018）。圖5a～圖5c和圖8c還顯示，S3斷面西側和S5斷面東部中、下層水體中均有一營養鹽高值區，且與低溫、高鹽水（圖3和圖8a、圖8b）的位置總體一致。同時，對比分析發現，由南（S5斷面）（圖8）向北（S3斷面）（圖3、圖5a～圖5c）底層的低溫、高鹽、高營養鹽水體具有向近海涌升的趨勢，其中S3斷面西側底層的高營養鹽水體可影響到浙江近岸海域的上層（圖5a～圖5c）。在此基礎上結合底層溫、鹽度的觀測結果（圖2c和圖2f），可進一步刻畫出春季黑潮次表層水向東海的跨陸架輸運過程：其由臺灣東北部向西北涌升至東海陸架，并沿50～60 m等深線逐漸向北，至浙江近海后通過上升流影響到上層水體。由此形成了春季黑潮和東海進行物質交換的一個重要輸運通道，這也是杭州灣東南—浙江近海底層高鹽水（圖2f）形成的重要原因。黑潮次表層水自臺灣東北部向東海的涌升和入侵，不僅顯著影響了東海的溫、鹽度場和流場分布，而且可向內陸架海域輸送一定的營養物質（尤其是PO4-P），圖7d可證實這一現象。由此可知，春季杭州灣東南—浙江近海上層海域的營養鹽除來自于沿岸水的攜帶外，也與黑潮次表層水涌升所引起的垂向輸送密切相關。

黑潮次表層水涌升和由此引起的跨陸架輸運還顯著影響著東海的營養鹽結構。春季東海底層的N/P值分布（圖9a）可進一步證實這一現象：外海黑潮次表層水影響區的N/P值顯著低于西側的東海沿岸水和北側的東海北部冷水。相關性分析（圖9b）也顯示，在底層鹽度高于34.5的黑潮次表層水影響區，N/P值與鹽度呈現出一定的負相關關系，其中高鹽端的N/P值約為14。該結果表明黑潮次表層水源區具有低N/P值的特征。相比之下，東海沿岸水中的DIN濃度（圖4a～圖4c）和N/P值（圖9a）較高。因此，黑潮次表層水向東海內陸架的入侵和涌升不僅可形成PO4-P的重要來源，而且對調節東海異常高的N/P值具有重要的作用。這也與之前的研究結果（Chen et al, 1996; Liu et al, 2000;Wang et al, 2007; Zhang et al, 2007a; Yang et al, 2013; Wang et al, 2018）一致。

3.3 水文過程和營養鹽特征對Chl a分布的影響

調查資料顯示，杭州灣東南—浙江近海上層水體中的Chla質量濃度較高（圖6a和圖6b），與該海域的營養鹽高值區位置（圖4a、圖4b、圖4d、圖4e、圖4g和圖4h）總體一致；東側深水區上層水體中的Chla質量濃度較低，對應營養鹽低值區。同時，典型斷面S3的Chla質量濃度垂直分布（圖5d）還表明，斷面西側上層海域中的Chla質量濃度較高，深水區則存在次表層Chla質量濃度最大值現象。上述Chla的分布特征與營養鹽和水體光照條件的空間格局密切相關。其中西側近岸海域的營養鹽濃度總體較高，但由于近岸水體的透光性較弱，因此趨于上層形成最大值；東側深水區的透光性增強，但中、上層水體中的營養鹽濃度較低，無法滿足浮游植物的快速生長，此時Chla高值往往在次表層（營養鹽和光照的平衡點）出現。這也是由近岸向外海Chla高值所在深度總體上逐漸加深（圖5d）的重要原因，并由此導致20 m和30 m層中的Chla高值區位置較表層和10 m層向遠岸移動（圖6）。

Chla的空間分布和濃度變化反映了營養鹽、光照等環境因子對海洋浮游植物生長的綜合影響。春季浙江近海的Chla高值區（圖5d和圖6a、圖6b）在一定程度上預示了東海赤潮的潛在發生。春季東海赤潮發生時，隨著營養鹽的不斷吸收和利用，浙江近海的PO4-P會呈現被消耗殆盡的趨勢。然而，黑潮次表層水向東海內陸架的入侵和涌升可帶來持續不斷的外源PO4-P。S3斷面溫度（圖3a）和營養鹽（圖5a～圖5c）分布清晰指示了黑潮次表層水在浙江近海涌升（產生上升流）并引起營養物質垂向輸送的現象。受此影響，在浙江近海對應形成了Chla的高值區（圖5d），這在一定程度上顯示了黑潮次表層水涌升對初級生產的影響。相關模擬結果也顯示，暖季黑潮次表層水可向浙江近海輸入可觀的磷營養鹽，進而對近岸海域的赤潮暴發產生潛在影響（Yang et al, 2013; Xu et al, 2020）。本研究結果進一步表明，該動力過程及其生態影響在春季就已顯現。此外，由于黑潮次表層水主要由底部向東海陸架入侵，再加之入春后東海上層水體的增溫作用，躍層也開始形成（圖3）。此時，躍層附近的水體穩定度較高，且具有適宜的溫度和營養鹽，可為浮游植物的生長繁殖提供良好的場所?？紤]到黑潮次表層水在近岸海域的顯著抬升，上混合層變淺，因此浙江近海的Chla高值較東部深水區也更接近海表（圖5d）。S4斷面各要素的分布（圖10）也可進一步證實上述現象。該斷面西側富含PO4-P的黑潮次表層水涌升對應形成了近海表的Chla高值區；相比之下，斷面東側海域的溫躍層較深，上混合層中的營養鹽濃度也較低，因而在次表層形成強度較弱的Chla最大值現象。需要指出的是，黑潮次表層水入侵所引起的營養鹽結構調整（圖9a）也可在一定程度上影響東海的初級生產過程。根據先前的相關研究（Tseng et al, 2014），具有適宜N/P值的水體能夠通過上升流調制上層水體中浮游植物的生長繁殖。由此可見，春季東海黑潮次表層水涌升對近岸海域的Chla分布和初級生產具有重要的調控作用。

圖10 春季東海S4斷面溫度、PO4-P和Chl a分布Fig. 10 Vertical distributions of temperature, PO4-P and Chl a along Section S4 in the East China Sea during spring

4 結論

基于2017年春季所獲取的東海水文、化學和生物調查資料，分析了營養鹽的空間分布和該海域水團格局對其的調控，明晰了東海營養鹽的跨陸架輸運，并在此基礎上探討了水文過程和營養鹽特征對Chla分布及初級生產的潛在影響，主要結論如下。

1）春季東海的流場和水團格局對營養鹽的分布及其變化具有重要影響。浙江近海的營養鹽高值區是浙閩沿岸水影響的結果；調查海域東北部的高營養鹽水體與黃海沿岸流的南下輸運和東海北部冷水有關；調查海域東南表層的營養鹽低值區與寡營養鹽的外海高鹽水擴展相對應，而該海域底層的高PO4-P水體則主要由黑潮次表層水輸運所致。

2）春季源自臺灣東北部的黑潮次表層水存在向東海陸架的入侵，其不僅改變了東海的溫、鹽度場和流場分布，而且可向內陸架海域輸送PO4-P等營養物質，并由此形成了黑潮和東海之間一個重要的跨陸架物質輸運通道。同時，黑潮次表層水入侵也可在一定程度上調節東海陸架的N/P值。

3）黑潮次表層水向東海內陸架的入侵和涌升可在浙江近海形成上升流，使具有適宜N/P值的富PO4-P水體能夠被輸送至上層，從而促進近岸海域上層水體中浮游植物的生長，并對應形成Chla的高值。該過程對維持浙江近海的初級生產過程具有重要的作用。

致謝：本研究的數據及樣品采集得到國家自然科學基金委員會共享航次計劃項目（項目批準號：41649902 ） 的資助。 該航次（航次編號：NORC2017-02)由“向陽紅18”號科考船實施，在此一并致謝。