劉曉輝 孫丹青 黃 備 王健鑫①

(1. 浙江海洋大學(xué) 海洋微生物分子生態(tài)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室 舟山 316022;2. 浙江省舟山海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 舟山 316021)

自工業(yè)革命以來, 人類大量使用化石燃料造成大氣中 CO2濃度從 280×10–6上升至 2015年的400×10–6, 超過了過去80萬年的地球大氣CO2最高濃度(Lüthi et al, 2008)。海洋作為地球上最大的碳匯之一, 吸收了人類CO2排放量的30%—40%(Sabine et al,2004), 這在一定程度上緩沖了大氣中 CO2含量的增速, 但是吸收的 CO2不可避免地會(huì)給海洋自身帶來變化, 比如海水 pH降低、海洋中的碳酸鹽平衡體系被打破等(Turley et al, 2006)。目前全球表層海水pH已經(jīng)下降0.1個(gè)單位, 預(yù)計(jì)到2100年海水pH將下降0.3—0.4個(gè)單位, 而到 2300年海水 pH下降將達(dá)到0.7—0.8 個(gè)單位(Caldeira et al, 2003; Orr et al, 2005)。海洋酸化成為21世紀(jì)人類面臨的除氣候變化以外的另一個(gè)重大環(huán)境問題, 不僅會(huì)影響海洋中的碳化學(xué)、營養(yǎng)鹽、微量元素等地球化學(xué)特性, 而且能影響海洋中浮游動(dòng)植物、微生物、各種大型動(dòng)物乃至整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)(張錦峰等, 2015)。

東海是典型的陸架邊緣海, 涵蓋河口、近岸、島嶼等多種生態(tài)系統(tǒng), 具有獨(dú)特的海洋生物地球化學(xué)特征, 也是開展海洋酸化研究的重要區(qū)域。海水 pH是海洋化學(xué)環(huán)境的關(guān)鍵因子, 即使細(xì)微變化都可能對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響(Feely et al, 2004),而海水中的pH除了大氣CO2作用外, 溫度、鹽度等環(huán)境因子也在影響其變化, 另外水體葉綠素a濃度代表著浮游植物的現(xiàn)存量, 是海洋食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)環(huán)節(jié), 同時(shí)也表征了海洋浮游植物將大氣中的 CO2轉(zhuǎn)化進(jìn)入海洋的能力(郝鏘, 2010)。近年來基于海水長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析成為海洋酸化研究的一個(gè)熱點(diǎn)(Midorikawa et al, 2012), 但在我國相關(guān)報(bào)道非常有限, 僅有對(duì)渤海(石強(qiáng)等, 2013)和南海(楊頂田等, 2013)進(jìn)行過類似分析, 而在東海海域都為單年度pH變化及與環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性分析(王玉衡等, 1990),尚未開展過較長歷史時(shí)期 pH年際變化的研究, 也未見有pH與葉綠素相關(guān)性的報(bào)道。

本文利用 2002—2011年期間東海沿岸海域春、夏、秋三個(gè)季節(jié)表層海水的 pH、葉綠素a、水溫和鹽度等觀測數(shù)據(jù), 重點(diǎn)研究了該海域表層海水pH的年際變化趨勢, 以及 pH與其他環(huán)境因子之間的相關(guān)性, 其結(jié)果將為進(jìn)一步研究海洋酸化對(duì)東海沿岸生態(tài)系統(tǒng)的影響, 以及預(yù)測未來我國沿海生態(tài)安全及海洋生產(chǎn)力的變化提供參考。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查海區(qū)及站點(diǎn)設(shè)置

2002—2011年, 本項(xiàng)目組利用專業(yè)海洋調(diào)查船對(duì)東海沿岸海域進(jìn)行春、夏、秋三季的環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測。本文選擇其中 4個(gè)典型區(qū)域 16個(gè)站點(diǎn)為研究對(duì)象,分別為長江口海域(CJ01、CJ02、CJ03、CJ04、CJ05)、杭州灣海域(HZ01、HZ02、HZ03、HZ04、HZ05)、三門灣海域(SM01、SM02、SM03)和椒江口海域(JJ01、JJ02、JJ03), 調(diào)查站點(diǎn)具體位置見圖1。

1.2 樣品的采集與測定

根據(jù)國家海洋監(jiān)測規(guī)范(GB17378) (中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 2008)要求, 分別采集表層以下0.5m處海水用于測定pH、葉綠素a、水溫和鹽度, 其中 pH和葉綠素a濃度分別采用 pH計(jì)法和分光光度法測定, 水溫和鹽度則分別采用溫度計(jì)和鹽度計(jì)直接測定。所有站點(diǎn)的pH數(shù)據(jù)完整, 但由于航次安排等原因, 部分站點(diǎn)或個(gè)別年度的其他環(huán)境因子數(shù)據(jù)會(huì)有缺失(具體見結(jié)果部分)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

pH和葉綠素a數(shù)據(jù)主要按時(shí)間和空間序列進(jìn)行分析。pH和葉綠素a的整體變化趨勢都包含了三個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)信息, 對(duì)于pH還進(jìn)行了三個(gè)季節(jié)的比較,由于葉綠素a的數(shù)據(jù)量較少, 所以未進(jìn)行季節(jié)間的比較。各因子間的相關(guān)性分析采用SPSS19.0軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 東海沿岸海域表層海水pH年際變化

東海沿岸海域表層海水pH的年際變化如圖2所示。從圖中可以統(tǒng)計(jì)出共有 10個(gè)站點(diǎn)的pH存在下降趨勢, 占到所有站點(diǎn)60%以上, 其中長江口海域的CJ01、CJ02站點(diǎn)和杭州灣海域的HZ01站點(diǎn)pH下降幅度較大, 說明這兩個(gè)海域的酸化趨勢比較明顯; 而三門灣和椒江口海域 pH的下降并不明顯, 說明其海水尚未有明顯的酸化趨勢。

圖1 東海沿岸海域采樣站點(diǎn)分布圖Fig.1 The sampling sites of the East China Sea coast

春、夏、秋三季表層海水pH年際變化分別見圖3、圖4和圖5?？傮w來看, 春季表層海水pH的下降趨勢比較明顯, 而且也比較穩(wěn)定, 從圖3中可以看出近年來 pH出現(xiàn)連續(xù)的下降趨勢; 夏季表層海水 pH的變化范圍比較大, 最小值為 7.75, 最大值為 8.37,從圖4可以清晰地看出pH的年際變化幅度是三個(gè)季節(jié)中最大的, 其中三門灣海域的pH值在2008年有一明顯低谷, 而椒江口海域的 JJ03站點(diǎn)卻有輕微上升的趨勢; 秋季的 pH年際變化幅度不是很大, 同一海域里的站點(diǎn)pH值變化趨勢大致相同, 但沒有表現(xiàn)出明顯的上升或下降趨勢。對(duì)比春、夏、秋三個(gè)季節(jié)表層海水 pH的年際變化趨勢, 可以看出只有春季的表層海水 pH呈較明顯的下降趨勢, 而夏季和秋季的變化趨勢則不明顯。無論從海域還是季節(jié)上分析海水pH的年際變化, 都能發(fā)現(xiàn)pH存在下降的趨勢, 這在一定程度上說明了東海沿岸海域表層海水存在一定的酸化傾向。

2.2 東海沿岸海域表層海水葉綠素a年際變化

2002—2011年東海沿岸海域表層海水葉綠素a濃度變化如圖6所示, 從海域上比較, 長江口海域的CJ03站點(diǎn)葉綠素a濃度變化比較大, CJ01和CJ04站點(diǎn)的葉綠素a濃度變化趨勢比較相近, 都表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。杭州灣海域的三個(gè)站點(diǎn)葉綠素a濃度變化趨勢都比較接近, 沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。三門灣海域的SM03站點(diǎn)葉綠素a濃度要比SM02站點(diǎn)略低, 但從年際變化來看兩者都呈現(xiàn)出先升高后逐漸降低的趨勢。JJ03站點(diǎn)位于椒江口海域附近, 葉綠素a濃度的年際變化差異較大, 也沒有明顯的變化規(guī)律?？偟膩碚f, 葉綠素a濃度在2007和2008年間有一個(gè)明顯的小高峰, 但從 2009年開始濃度相對(duì)較低, 呈明顯的下降趨勢。

圖2 表層海水pH整體變化趨勢Fig.2 The annual variation of pH in surface seawater

圖3 春季表層海水pH年際變化Fig.3 The annual variation of pH in surface seawater in spring

圖4 夏季表層海水pH年際變化Fig.4 The annual variation of pH in surface seawater in summer

圖5 秋季表層海水pH年際變化Fig.5 The annual variation of pH in surface seawater in autumn

圖6 表層海水葉綠素a整體變化趨勢Fig.6 The annual variation of chlorophyll a in surface seawater

2.3 表層海水pH與其他環(huán)境因子相關(guān)性分析

東海沿岸海域 2002—2011年春、夏、秋三個(gè)季節(jié)的表層海水pH值與葉綠素a濃度、水溫, 鹽度的相關(guān)性分析結(jié)果如表1—表3所示: 從表1可以看出只有杭州灣海域夏季表層海水的pH與葉綠素a濃度呈極顯著正相關(guān)(r=0.526,P<0.01), 而在其他海域兩者間未顯示出顯著的相關(guān)性。pH與海表溫度和鹽度也存在一定關(guān)系, 從表2可以看出杭州灣海域春夏兩季的 pH與水溫都表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性, 其中春季為正相關(guān)(r=0.390,P<0.05), 夏季為負(fù)相關(guān)(r=–0.405,P<0.05)。pH與鹽度的關(guān)系在各海域表現(xiàn)的更加明顯,從表3中可以發(fā)現(xiàn)長江口海域春季表層海水的pH與鹽度存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.530,P<0.01), 杭州灣海域的春夏兩季 pH與鹽度都呈顯著的正相關(guān),同時(shí)三門灣海域秋季pH與鹽度也表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系(r=0.457,P<0.05)。

表1 pH與葉綠素a相關(guān)性分析表Tab.1 The correlation analysis between pH and chlorophyll a

表2 pH與水溫相關(guān)性分析表Tab.2 The correlation analysis between pH and water temperature

綜合來看, 表層海水pH與葉綠素a濃度、水溫、鹽度等相關(guān)性顯著的區(qū)域主要集中于杭州灣海域,少量分布于長江口和三門灣海域, 而在椒江口海域沒有明顯的相關(guān)性。從季節(jié)上看, 夏季 pH與其他環(huán)境因子的相關(guān)性比較明顯, 春季次之, 秋季最小。

表3 pH與鹽度相關(guān)性分析表Tab.3 The correlation analysis between pH and salinity

3 討論

3.1 東海沿岸海域酸化總體趨勢與空間分布特征

目前國外對(duì)海洋酸化的歷史數(shù)據(jù)分析已有較多的報(bào)道, Midorikawa等(2012)關(guān)于1969—2003年夏季南太平洋海域pH變化趨勢的研究表明pH在整個(gè)海區(qū)都有下降趨勢, 而極地區(qū)域的下降率最高;Polonsky(2012)對(duì)黑海表層海水的酸化研究顯示10年尺度下pH的下降特別明顯; Wootton等(2008)對(duì)東太平洋沿海海域 2000—2007年的歷史數(shù)據(jù)研究也表明pH有明顯下降趨勢。研究人員還發(fā)現(xiàn)與大洋地區(qū)的海洋酸化相比, 近岸海域的 pH下降幅度更為明顯(Byrneet al, 2010; Caiet al, 2011)。國內(nèi)關(guān)于海洋酸化歷史趨勢分析的研究不多, 石強(qiáng)等(2013)研究了渤海1978—2013年間的海水酸化進(jìn)程, 發(fā)現(xiàn)冬季表層和夏季底層海水平均pH年際變化存在顯著性的線性降低趨勢; 楊頂田等(2013)對(duì)三亞灣 2000—2010年的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)海水 pH出現(xiàn)明顯下降。本研究對(duì)2002—2011年東海沿岸表層海水pH的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 顯示部分海域站點(diǎn)存在酸化的趨勢, 特別是長江口海域的 CJ01、CJ02站點(diǎn)和杭州灣海域的 HZ01站點(diǎn)。從地理位置上看這幾個(gè)站點(diǎn)都在沿岸附近分布,與靠近外海的站點(diǎn)相比有明顯的下降趨勢。對(duì)于近岸海域酸化趨勢比較明顯的原因有多種推測, 垚垚湛等(2013)認(rèn)為近岸海域水層較淺, CO2氣體在水中的溶解一般處于飽和狀態(tài), 水體中的 CO2分壓易隨空氣中 CO2濃度的變化而變化, 是最先也是最容易受到海洋酸化影響的海域; Duarte等(2013)則認(rèn)為海流作用、營養(yǎng)物輸入和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變?nèi)菀自斐裳睾H的變化; 我們認(rèn)為沿岸這幾個(gè)站點(diǎn)酸化主要與長江和錢塘江帶來的淡水以及大量有機(jī)物質(zhì)的分解有關(guān)。

表層海水pH的年際變化在不同區(qū)域其變化規(guī)律是不同的, 楊頂田等(2013)比較了中國幾處典型海域的海水pH, 發(fā)現(xiàn)各海域水體的pH存在較大差異。我們研究發(fā)現(xiàn)長江口和杭州灣海域表層海水pH都呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢, 從空間上看, 長江口海域離岸越近的CJ01站點(diǎn)比離岸越遠(yuǎn)的CJ02及其他站點(diǎn)下降趨勢更為明顯, 這一結(jié)果與石曉勇等(2005)研究發(fā)現(xiàn)的長江口海域pH呈近岸低、外海高的分布趨勢相一致。杭州灣海域HZ01站點(diǎn)的pH變化較大但仍有下降的趨勢, 這可能與沿岸的污染物排放以及海水養(yǎng)殖活動(dòng)有關(guān), 楊季芳等(2011)也研究發(fā)現(xiàn)陸源工業(yè)污水的排放、海水增養(yǎng)殖活動(dòng)、頻繁發(fā)生的赤潮等區(qū)域生態(tài)災(zāi)害會(huì)直接影響該海域水體的 pH。三門灣位于浙江省沿海中部, 是一個(gè)半封閉的海灣, 灣內(nèi)岸線曲折,使其成為具有港口、航道、養(yǎng)殖等多功能的海灣(王奎等, 2007)。三門灣海域pH的年際波動(dòng)幅度是4個(gè)海域中最大的, 從變化趨勢上看沒有明顯的規(guī)律可循, 可能與三門灣海域頻繁的人類活動(dòng)造成水體重度富營養(yǎng)化從而引起浮游植物大量繁殖有一定關(guān)聯(lián)。離三門灣不遠(yuǎn)的椒江口海域水環(huán)境質(zhì)量也不容樂觀,營養(yǎng)鹽也同樣嚴(yán)重超標(biāo)(錢健等, 2016)。該海域表層海水 pH與其余 3個(gè)海域相比處于較高水平, 但也沒有明顯的變化規(guī)律, 從空間上看呈現(xiàn)出南高北低的規(guī)律, 這與王玉衡等(1990)研究發(fā)現(xiàn)浙江南部海區(qū)隨著緯度的降低pH由北向南逐漸升高的結(jié)果相一致。

3.2 東海沿岸海域葉綠素a變化與pH相關(guān)性

葉綠素 a是反映海洋中初級(jí)生產(chǎn)者浮游植物生物量的一個(gè)重要指標(biāo), 也是浮游植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵色素(周偉華等, 2003)?？傮w而言, 各海域葉綠素 a濃度的空間變化特征表現(xiàn)為三門灣和椒江口海域的表層海水葉綠素a濃度總體較高, 而長江口和杭州灣海域相對(duì)較低; 各海域表層海水的葉綠素a濃度年際變化趨勢大都呈先上升后下降的趨勢, 高值區(qū)大致位于2007年和2008年附近。胡松等(2011)在中國東部海域葉綠素時(shí)空變化的研究中也發(fā)現(xiàn)了 2007年為葉綠素濃度典型的高值年。吳國麗等(2016)研究指出 2006—2007年為厄爾尼諾年, 海表溫度發(fā)生異常, 這可能是導(dǎo)致本次研究出現(xiàn)葉綠素a濃度高值年的原因。根據(jù)最近幾年的走勢情況未來葉綠素a濃度可能有進(jìn)一步下降的趨勢, 這與鄭小慎等(2012)研究發(fā)現(xiàn)的從 1998—2010年東海沿岸海域年平均葉綠素a濃度存在一定的下降趨勢基本一致。

海水中葉綠素 a的分布和季節(jié)變化在一定程度上反映了溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽、pH和DO等環(huán)境因子對(duì)浮游植物生長的影響, 也反映了海洋生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r(周群英等, 2000; 王俊等, 2002)。水體的pH與藻類生命活動(dòng)密切相關(guān), 游亮等(2007)研究發(fā)現(xiàn)在藻類豐盛的水體中, 其藻類豐度和生命活動(dòng)旺盛程度對(duì)水體的 pH 起主導(dǎo)作用。Mattsdotter Bj?rk等(2014)在研究阿蒙森海和羅斯海控制酸化的因素時(shí)發(fā)現(xiàn)葉綠素a對(duì)酸化的影響最大, 生物因素是邊緣海表層水海洋酸化的主控因素。國內(nèi)研究人員也對(duì)東海春季、渤海秋季和黃海冬季的海水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果都顯示pH值與葉綠素a間呈顯著正相關(guān)(孫軍等,2003; 石曉勇等, 2005; 張龍軍等, 2008)。本研究發(fā)現(xiàn)杭州灣海域夏季表層海水的pH值與葉綠素a濃度呈極顯著正相關(guān), 而其他幾個(gè)海域兩者間均無顯著的相關(guān)性, 具體原因還待進(jìn)一步分析。

3.3 東海沿岸海域溫鹽度與pH變化的相關(guān)性

沿海海域酸化具有局部性和季節(jié)性的特征(Feely et al, 2010), 有研究報(bào)道海水溫度的變化可以影響海水吸收 CO2的能力和 pH 值, 當(dāng)水溫升高時(shí), 海水CO2含量減少, pH值升高, 而當(dāng)水溫降低時(shí)pH值隨之降低(González-Dávila et al, 2003; Raven et al, 2005);但龍愛民等(2006)對(duì)南海北部海域的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)海水 pH值表現(xiàn)出與溫度相反的分布趨勢, Midorikawa等(2010)對(duì)西北太平洋海域 25年的觀測結(jié)果顯示海表溫度上升對(duì)pH下降的貢獻(xiàn)度為15%左右; 因此海水pH的變化與海水溫度變化之間的關(guān)系比較復(fù)雜。本研究顯示杭州灣海域的pH與溫度之間存在顯著的相關(guān)性, 呈現(xiàn)出春季正相關(guān)而夏季負(fù)相關(guān)的特征, 可能與江浙沿岸水的季節(jié)性水團(tuán)差異有關(guān)。江浙沿岸水因受到長江和錢塘江等入海徑流以及氣象條件等因素的影響呈現(xiàn)出夏季分布范圍大, 溫度高, 鹽度低,冬季溫度低, 鹽度略高的特點(diǎn)(張啟龍等, 2007), 因此夏季江浙沿岸水的高溫低鹽水團(tuán)對(duì)長江口和杭州灣海域的影響非常大, 而春季又屬于冬季型向夏季型的過渡, 此時(shí)江浙沿岸水出現(xiàn)明顯東擴(kuò)。

pH與海表鹽度也存在一定關(guān)系, Zeebe(2012)指出溫度和鹽度是碳酸鹽化學(xué)平衡中的重要因子, 會(huì)影響海水 pH 值; 肖鉦霖(2015)研究發(fā)現(xiàn)楚科奇海和北歐海的酸化都受到鹽度的影響, 但從相關(guān)度來看楚科奇海海洋酸化受鹽度影響較大, 北歐海則較小,這與北歐海海區(qū)水團(tuán)相對(duì)穩(wěn)定而楚科奇海受到融冰水的影響有關(guān)。我們的研究結(jié)果顯示多數(shù)海域里 pH與鹽度都有一定的相關(guān)性, 不同海域的酸化受鹽度影響的程度也不相同, 通過相關(guān)性分析顯示長江口、杭州灣和三門灣海域海洋酸化受鹽度影響較大, 椒江口則較小, 這可能與淡水的稀釋作用、浙江沿岸流以及臺(tái)灣暖流的影響有關(guān)。但是研究結(jié)果顯示 2003年和 2008年pH出現(xiàn)明顯低值的主要原因則應(yīng)該與厄爾尼諾影響有關(guān), 因?yàn)檫@兩個(gè)年份恰好因厄爾尼諾事件導(dǎo)致次年夏季長江流域降水偏多(袁媛等,2012), 長江徑流量偏大導(dǎo)致海水被稀釋, 鹽度降低可能是導(dǎo)致pH偏低的主要原因。

4 結(jié)論

2002—2011年東海沿岸海域表層海水pH和葉綠素 a的年際變化趨勢都存在明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異。共有10個(gè)站點(diǎn)表層海水pH呈下降趨勢, 從區(qū)域上看, 主要集中于長江口和杭州灣海域的部分站點(diǎn), 從季節(jié)上看, 春季的表層海水 pH呈較明顯的下降趨勢, 而夏季和秋季的變化趨勢不明顯; 葉綠素 a濃度總體上呈現(xiàn)出先升高后逐漸降低的變化趨勢,區(qū)域上的分布特點(diǎn)為南部海域高于北部海域。相關(guān)性分析表明, 杭州灣海域夏季表層海水的pH與葉綠素a濃度呈極顯著正相關(guān), 其余幾個(gè)海域則無相關(guān)性;杭州灣海域的pH值與海表溫度也存在顯著的相關(guān)性,但季節(jié)不同趨勢不同, 呈現(xiàn)出春季正相關(guān)而夏季負(fù)相關(guān)的特征; pH與鹽度的關(guān)系在各海域表現(xiàn)得更加明顯, 長江口、杭州灣和三門灣三個(gè)調(diào)查海區(qū)海水的pH變化與鹽度都存在顯著的正相關(guān)?？傊? 近年來東海沿岸表層海水存在一定程度的酸化趨勢, 其影響機(jī)制是復(fù)雜的, 仍需要進(jìn)一步研究, 同時(shí)酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響也不容忽視。

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