全 文 ：陆源物质输送对赤潮高发区的影响 以铝为例*
任景玲1* * 刘素美1 张 经1, 2 谢 亮1 李丹丹1 程 岩1 朱德弟3
( 1 中国海洋大学化学化工学院,青岛 266003; 2华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海 200062;
3 国家海洋局第二海洋研究所 ,杭州 310012)
摘要! 近年来长江口附近海域富营养化问题日趋严重,赤潮爆发次数增多, 而富含营养物质的长江水的
输入可能是海内富营养化的主要物质来源. Al在海洋中停留时间较短且不易受到人为活动的影响, 常用
Al作为陆源输入及不同水团运动的有效示踪元素. 结果表明, 研究海域中溶解态 Al的浓度秋季高于夏
季,且与水体的盐度和悬浮颗粒物浓度表现出一定的关系.赤潮高发区内溶解态 Al的浓度一般大于0. 04
mo l∀L - 1, 明显表现出受到陆源输入的影响. 赤潮发生时由于其自身的絮凝及赤潮生物颗粒物表面的吸
附作用使水体中的溶解态 Al含量平均下降约 40% ,而在赤潮发生过程中溶解态 Al形态变化及机理尚需
进一步深入研究.
关键词 赤潮高发区 源输入 铝
文章编号 1001- 9332( 2003) 07- 1117- 05 中图分类号 P734. 4, X132 文献标识码 A
Effects of terrestrial input on the harmful algal bloom area with aluminum as an example . REN Jingling1 ,
L IU Sumei1, ZHANG Jing1, 2, XIE Liang1, L I Dandan1 , CHENG Yan1, ZHU Dedi3( 1College of Chemis tr y and
Chemical Engineering , Ocean Univ er sity of China, Q ingdao 266003, China; 2 State K ey Laborator y of Estu
ar ine and Coastal Resear ch, East China Normal University , Shanghai 200062, China; 3 State Oceanic Ad
ministr ation, The Second Institute of Oceanography , Hangzhou 310012, China ) . Chin . J . A pp l . Ecol. ,
2003, 14( 7) : 1117~ 1121.
In recent years, eutrophication and frequently occur red harmful algal blooms ( HAB) become serious in the coastal
area near Changjiang R iver estuary , and the nutrients came from Changjiang River may be the main sources for
them. A luminum could be used as a useful tracer for the terrestrial input and the movement of different water
mass, since it enters into the natural water with the erosion products of soil and rock, and its residence time in
the ocean is shor t and uneasy to be disturbed by the act ivities of human being. Based on our results, the concen
tration of dissolved A l was higher in Autumn than in Summer , and show ed some relationships w ith the salinity
and suspended particulate matter ( SPM ) . T he concentration of Al in the HAB area was higher than 0. 04 mol
∀L - 1, which show ed the significant influence from the ter restrial input. The concentration of dissolved Al de
creased nearly 40% after the occurrence of HAB, and the flocculation of dissolved Al and its absorption onto the
surfaces of biogenic particles might be the main reasons. Ther e st ill need further study about the variation of Al
forms and its mechanism dur ing the occurrence o f HAB.
Key words Harmful alg al bloom area, Terrestrial input, A l.
* 国家重点基础研究发展规划项目( G1999043705和 2001CB409703)和
国家自然科学基金资助项目(40036010) .
* * 通讯联系人.
2002- 12- 18收稿, 2003- 03- 19接受.
1 引 言
铝是岩石圈中丰度最高的金属元素.天然水体
中的铝主要来自地表岩石风化, 除个别受酸雨影响
严重的地区,人为活动对其影响较小[ 10] . 由于岩石
风化过程中铝硅酸盐的低溶解度及其在海洋中停留
时间较短等原因, 河流、近岸海水及开阔大洋中 Al
的浓度分别为 50、10、< 1g∀L - 1,属于痕量元素[ 4] .
海洋中铝的来源主要有河流输入、气源颗粒物溶解、
底沉积物扩散、颗粒物表面解吸、生源载体降解过程
中释放、大洋环流等[ 14] .在近岸海域,河流输入往往
占主要作用.由于Al在海洋中存留时间较短且不易
受到人为活动的影响,常用Al作为示踪元素来探讨
陆源物质输入及不同水团运动[ 5, 11] .
20世纪 80 年代初以来, 长江口及其邻近海域
赤潮频繁发生,严重影响了海洋生态环境,给渔业和
养殖业带来了不可估量的损失. 目前关于赤潮发生
机理的研究已成为热点研究领域, 由于高营养盐含
量的工业有机废水和城市生活污水通过河流进入海
洋,造成内湾、河口及沿岸海域的富营养化是直接原
因之一[ 20, 21] . 赤潮发生的机理、危害、预测和防治
仍将是今后研究的主流, 而目前关于赤潮的监测主
要是通过一些生物因素和非生物因素指标来进
行[ 15, 19] .一些微量元素(如铁、锰)对赤潮生物生长
的促进作用已为人们所认识,而关于痕量元素 Al是
否为生物吸收利用目前尚存在争议, 近期大部分学
应 用 生 态 学 报 2003 年 7 月 第 14 卷 第 7 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jul. 2003, 14( 7)#1117~ 1121
者倾向于认为溶解态 Al是一种非营养型元素[ 14] .
目前溶解态 Al在我国近海的含量、分布及其在一些
极端生态环境过程中(如赤潮)的变化研究尚属空
白,本文报告了溶解态 Al在长江口附近海域的分
布,并就溶解态 Al能否有效地示踪陆源物质在相关
海域的输送进行了初步讨论.
2 调查水域与研究方法
2002年 8月及 11 月分别乘金星号和科学一号科学调
查船出海,调查区域位于 122∃00%~ 123∃30%E 和 29∃00%~ 32∃
00%N 之间. 采样站位图如图 1 所示 ,其中 2002 年 11 月航次
未采 DC10A、DD14A和 DE18A三个加站.
图 1 2002年 8月及 11月航次采样站位图
Fig. 1 Sampling locations for the cruises of August and November, 2002.
痕量 Al样品用有机玻璃采水器采集, 采水器在使用前
用酒精清洗内外表面并用蒸馏水冲净.采样瓶和样品瓶在使
用前均用 1#5 HCl浸泡 1 周左右,并先后用蒸馏水及 MilliQ
水仔细冲洗干净,装入双层塑料袋中备用. 样品采集后于简
易痕量操作台中用已处理过的 Nalgen 滤器和 0. 45m 醋酸
纤维滤膜过滤, 样品冷冻保存或用高纯盐酸酸化至 pH = 2
( 1& , V/ V)后避光保存. 溶解态 Al以改进的 AlLMG 荧光
光度法测定,方法的检出限为 0. 25 nmol∀L - 1[ 13, 22] .现场用
M illiQ 水过滤作空白水样, 用以考察现场过滤条件、滤器、
滤膜、样品瓶及酸化用酸对样品含量的影响, 结果表明空白
值大大低于样品含量,可以认为得到的结果是可靠的.
3 结果与讨论
31 溶解态Al的分布及其季节性变化
图 2 给出了 2002年 8 月、11 月航次中溶解态
Al的大面分布. 夏季航次溶解态 Al的浓度范围为
0. 006~ 0. 153 mol∀L- 1, 平均浓度为 0. 034 mol∀
L - 1.秋季航次溶解态 Al的浓度范围为 0. 021~
0. 227 mol∀L - 1,平均浓度为 0. 070 mol∀L- 1, 与
夏季航次相比溶解态 Al的浓度明显偏高.由图 2可
见,溶解态Al的表、底层大面分布规律基本类似,在
长江口及杭州湾口附近均出现了溶解态 Al的高值
区,表明了明显的外源输入.这两个区域受到长江冲
淡水及浙江杭州湾钱塘江淡水的影响, 淡水中携带
的大量风化产物的溶解是海洋中溶解态 Al的主要
来源.溶解态 Al的浓度随着离岸距离的增加而明显
下降,说明在此区域内河流输送的陆源物质受到外
海水的稀释作用含量逐渐下降, 而且在调查海域内
没有明显的新的外源输入. 唯一有所不同的是, 秋季
航次中溶解态 Al的浓度底层略高于表层,并在长江
口外海域底层出现了一个高值中心, 这可能与底层
悬浮颗粒物的再悬浮有关.
图 2 2002年 8月及 11月航次中溶解态 Al的表、底层分布
Fig. 2 Dist ribut ions of dissolved Al in the surface an d bot tom layers in
the cruises of August and November, 2002.
1) Zhang J, Ren JL, Liu SM, et al . 2003. Dissolved aluminum and silica
in the Changjiang (Yangtze River) : Im pact of w eathering in subcont i
nental scale. Glob Biogeochem Cycle ( in Press) .
在研究海域内, 长江输送的陆源物质无疑是主
要的物质来源之一.与此类似,铝作为岩石的主要组
成成份随风化产物进入河流,再通过河口进入海洋.
因此,长江流域内溶解态Al的含量是影响研究区域
内溶解态 Al分布的关键因素.张经通过在长江南通
监测站连续多年观测溶解态 Al含量变化发现, 夏秋
季溶解态Al含量与冬春季相比要低两倍左右1) .冬
1118 应 用 生 态 学 报 14卷
春季长江流域处于枯水期,流量相对较小,风化产物
易于在流域内积累且进入水体后相对浓度较高; 与
此相反,夏秋季处于长江的丰水期,大量的径流稀释
了溶解态 Al的浓度,使此季节河流中溶解态 Al浓
度偏低.与此相对应,受陆源输送影响显著的调查海
域,溶解态 Al的浓度相应地出现了冬季高于夏季的
结果.
32 Al与盐度及悬浮颗粒物浓度之间的关系
在河口及近岸海区盐度可以有效地表征淡水的
影响程度, 通过对比盐度和Al的大面分布图可以验
证Al作为河流物质输送的示踪性元素的有效性.
2002年 8月及 11月航次盐度的表、底层分布如图 3
所示, 8月处于长江的丰水期, 由于长江冲淡水的影
响,表、底层的盐度均小于秋季航次,而同一航次中
表层盐度均小于底层盐度.对比盐度和 Al的大面分
布可知,盐度的低值区往往对应着溶解态 Al的高值
区,这一规律已在多次的海洋调查中得以证实,尤其
是在受淡水影响显著的河口区更为明显[ 9, 12, 16, 23] .
图 3 2002年 8月及 11月航次中盐度的表、底层分布
Fig. 3 Dist ribut ions of salinity in the surface and bottom layers in the
cruises of August and November, 2002.
图 4分别给出了两个航次溶解态 Al与盐度的
关系图,由图 4可见, 虽然数据有一定的离散性, 但
表现出了基本相同的规律,即溶解态 Al的浓度随盐
度的升高而基本呈下降的趋势, 这与以往的研究结
果相吻合[ 3] . 由于盐度数据使用 YSI 得到, 其垂直
剖面数据的可靠性由压力探头的较正得以保证, 与
此相比,水样采集时由于海流的影响相对深度存在
一定的偏差,这也可能是造成数据离散性的一个原
因.此外, 研究海域的盐度在 15psu 以上, 错过了变
化最为明显的河口区, 这也在一定程度上掩盖了二
者间的关系. 为验证溶解态 Al在长江口的行为, 曾
在实验室中用不同季节南通环境监测站取长江水与
过滤的东海水按一定比例混合, 振荡 24h 后过滤分
析其中溶解态 Al含量,结果发现虽也存在一定的数
据离散性,但很明显,随着盐度的升高水体中溶解态
铝的浓度降低. 由此可知, 溶解态 Al可以作为陆源
物质向海洋输送的较为有效示踪元素.
图 4 2002年 8月及 11月航次中盐度与溶解态 Al浓度间的关系
Fig. 4 Relat ionsh ip between salin ity and dissolved Al in the cruises of
August and November, 2002.
Al作为岩石的主要组成成份随风化产物进入
天然水体,因此水体中的悬浮颗粒物既可能是溶解
态 Al的源, 也可能是汇,它是影响天然水体中溶解
态 Al含量的重要因素[ 1, 3, 6, 7] .图 5分别给出了两个
航次中悬浮颗粒物( SPM)浓度的表、底层分布.由图
5可见,夏季航次表、底层的 SPM 均小于秋季航次,
而同一个航次中表层的悬沙含量均小于底层,这主
要是由于底沉积物的再悬浮所致. 对比SPM和Al
图 5 2002年 8月及 11月航次中悬浮颗粒物浓度的表、底层分布
Fig. 5 Dist ribut ions of SPM in the surface and bot tom layers in the cruis
es of August and November, 2002.
11197 期 任景玲等:陆源物质输送对赤潮高发区的影响 以铝为例
的大面分布可知, SPM 含量高的海域, 溶解态 Al的
含量也较高. 图 6给出了溶解态 Al与 SPM 含量的
关系图,由图 6可见, SPM 对溶解态 Al的影响较复
杂.在一定范围内,溶解态 Al的浓度随 SPM 增高而
增加,颗粒物表面吸附的 Al进入水体,但当 SPM 高
到一定程度以后水体中的溶解态 Al则又絮凝沉积
到颗粒物表面.
图 6 2002年 8月及 11月航次中悬浮颗粒物与溶解态 Al 浓度间的
关系
Fig. 6 Relat ionship betw een SPM and dissolved Al in the cruises of Au
gust and November, 2002.
33 Al含量与长江口赤潮高发区之间的联系
从前面的讨论可知, 溶解态 Al可以作为陆源物
质输送的有效示踪性元素, 它在陆架海区的含量可
以说明陆源物质对陆架海区的影响程度, 本文仅就
其含量与赤潮高发区之间的关系进行初步的探讨.
据统计,长江口及其邻近海域赤潮发生的频率逐年
增多,其中以 30∃30%00∋~ 32∃00%00∋N, 122∃15%00∋~
123∃15%00∋E 海域发生最为频繁, 被称为(赤潮多发
区) [ 18] . 2002年 8月航次样品采集过程中发现了两
次赤潮, 图 7给出了其盐度、溶解态 Al分布与赤潮
高发区之间的耦合情况. 由图 7可见,在长江口赤潮
高发区内盐度约小于 23左右,溶解态 Al的含量则
大于 0. 04 mol∀L - 1,远远高于开阔大洋的含量(如
黑潮区:溶解态 Al的浓度小于 0. 01 mol∀L - 1, 实
验室未发表数据 ) . 通过这两个参数的变化范围可
知,这一海域明显地受到了长江、钱塘江的陆源输
图 7 2002年 8月航次中盐度、溶解态Al与赤潮高发区之间的关系
Fig. 7 Relat ionship betw een high frequen cy area of HAB and salinity and
dissolved Al in the cruises of August , 2002.
送的影响,如果河流携带的高含量的营养物质输入
过量,造成水体富营养化,就为赤潮生物大量增殖和
赤潮的形成提供了物质基础.
关于溶解态 Al在天然水体中的生物地球化学
循环问题至今仍存在一定的争议, 人们倾向于认为
它并不是生物生长必需的微量元素, 是一种非营养
型的元素.而溶解态Al在赤潮发生前后的含量是否
改变,可以为我们认识溶解态Al在一种极端生态环
境下的生物地球化学循环提供佐证. 2001年 5月利
用东方红进行的科学考察过程中, 我们及时地采集
到了赤潮爆发过程中的水样( 122. 5∃E, 31. 5∃N, 简
称为 CH 点) , 表 1给出了赤潮爆发前及过程中溶解
态 Al含量的对比. 由于赤潮爆发突然, CH 点在赤
潮爆发前并没有采样, 这里我们利用稍微偏南半度
的 E4站( 122. 6∃E, 31. 0∃N )溶解态 Al的浓度来代
替.由本文提供的两个航次中溶解态 Al的表、底层
分布图可知, E4站溶解态 Al浓度要低于 CH 点,这
也证明了我们用 E4站作为赤潮爆发区溶解态的 Al
背景值的可行性. 通过表 1的对比可知,赤潮爆发时
相同层次的溶解态 Al含量均有不同程度的下降,降
低幅度为 24% ~ 53% ,平均下降约 40% .目前比较
一致的观点认为, 造成这种现象的原因并不是由于
溶解态 Al被赤潮生物生长所吸收, 而是由于溶解态
Al自身的物理化学性质决定的. 赤潮爆发过程中水
体的 pH 升高, 溶解态Al容易絮凝迁出水体.另外,
生源颗粒物表面富含羟基、羧基,这种结构特点决定
了它容易吸附 Al( OH ) 4- , Al清除的强度是生源颗
粒物通量的函数[ 2, 8, 17] .由于赤潮的发生对生态系
统的影响是深远的,如何有效地监测、预报乃至治理
这一生态难题已摆在海洋科学家的面前. 目前这方
面的研究刚刚起步,而以水体中溶解态 Al的含量来
对赤潮可能爆发区域的界定更属于探索性的工作,
这种相关关系尚需更多航次、更多陆架海区的调查
结果加以验证.
表 1 赤潮爆发前及过程中溶解态 Al浓度的对比
Table 1 Comparison of dissolved Al concentrations before and during a
harmful algal bloom ( (mol∀L- 1)
122. 6∃E, 31. 0∃N
0m 4. 5m 10m 16m
122. 5∃E, 31. 5∃ N
0m 3. 5m 10m 26m
赤潮前 0. 067 0. 077 0. 065 0. 076
Before HAB
赤潮中 0. 051 0. 036 0. 040 0. 046
During HAB
4 结 论
在研究海域内, 溶解态 Al、盐度及悬浮颗粒物
1120 应 用 生 态 学 报 14卷
含量秋季高于夏季,且在长江口及杭州湾外海域由
于受到来自长江、钱塘江冲淡水的影响,表现出明显
的陆源输送的特征. 溶解态Al的大面积分布与盐度
及悬浮颗粒物浓度可以较好地耦合, 说明溶解态 Al
可以作为陆源物质向海洋输送的有效示踪性元素.
近岸海域赤潮高发区中盐度一般小于 23,而溶解态
Al的含量则大于 0. 04 mol∀L- 1. 通过对比赤潮发
生前及发生过程中溶解态 Al含量的变化可知,赤潮
发生时由于其自身的絮凝、生源颗粒物表面的吸附
使水体中的溶解态 Al含量平均下降约 40% . 关于
Al在赤潮发生前后的含量、形态变化及机理尚需进
一步深入研究.
致谢 在野外和实验室的工作中得到了国家海洋局第二海洋
研究所的许卫忆、陈琪老师和中国海洋大学海洋生物地球化
学实验室的叶曦雯、张国森的帮助, 谨志谢忱.
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作者简介 任景玲, 女, 1973 年生, 硕士, 讲师, 主要从事生
物地球化学研究, 发表论文 11 篇. Email: renjing l@ mail.
ouc. edu. cn
11217 期 任景玲等:陆源物质输送对赤潮高发区的影响 以铝为例