长江口海域关键环境因子的长期变化及其生态效应

【摘要】近半个多世纪以来长江入海径流量、泥沙通量和营养盐通量的变异对长江口海域生态系统造成一系列影响，主要表现为长江口及其邻近海域的富营养化程度逐渐加重，超四类海水水质标准的海域面积明显扩大，底层缺氧现象不断加重；并由此导致长江口及其邻近海域赤潮频发且发生面积逐渐增大、赤潮类型由单一的硅藻赤潮演变为硅藻-甲藻赤潮的交替发生。然而，目前对长江入海物质通量变异引起的长江口海域生态环境长期变化缺少定量化分析，尤其是对近年来长江入海泥沙通量的降低对长江口及其邻近海域生态系统影响的研究还是空白，对于长江口海域生物群落对生态环境变化的响应缺乏系统化描述，对近30年来浮游植物生物量快速增加的主要影响因素缺少深入探讨。因此，有必要对长江口近岸海域生态环境的长期变化进行研究，以期获得其动态变化规律，甄别长江口海域生态环境变化的主要影响因素或控制因子。本文搜集并统计了近半个多世纪以来长江入海径流、泥沙通量和营养盐通量相关资料，结合长江口及其邻近海域表层海水盐度、悬浮物、营养盐（DIN、PO4-P和SiO3-Si）的历史文献资料和现场调查数据，定量化描述了入海物质通量变异对长江口生态环境的影响，并从浮游植物生物量及其群落结构、底栖生物种类数及其生物量等方面的长期变化来阐释长江口海域生态环境变化导致的生态效应，最后初步得出长江口海域生态系统变化及其演变过程的控制因素。主要结论如下：1.长江入海物质通量的变异半个多世纪以来，长江入海径流量变化不大。与径流量变化不同，长江入海泥沙量总体上呈降低趋势，这归因于长江入海水中泥沙含量的逐年降低，导致长江入海泥沙通量相应程度地降低，近30年来下降趋势尤为显著，尤其是进入21世纪后，泥沙入海通量降低速度明显加快。长江水中三类营养盐含量表现出不同的变化趋势。1980s之前，长江水中DIN和DIP浓度分别在20μmol/L和0.5μmol/L上下波动，80年代之后，DIN快速上升，进入21世纪后，DIN增加速度放缓，浓度维持在120～140μmol/L上下；而DIP自80年代中期开始，浓度略有升高，进入21世纪之后，DIP增加趋势依然显著，但两者在21世纪初期均达到历史最高值；而长江水中SiO3-Si浓度呈现出明显的降低趋势，尤其是20世纪80年代后，其下降速度明显加快，进入21世纪之后，SiO3-Si达到历史最低值，其浓度维持在100μmol/L上下，变化不再明显。2.长江入海物质通量的变异引起长江口海域关键环境因子的变化近30年来，长江入海物质通量的变异引起长江口海域环境因子相同的变化态势。在长江入海径流量变化不大的前提下，长江口海域表层海水盐度变化不大，冲淡水东部边界基本出现在123.5°E附近海域。29个航次的悬浮物数据显示，由于入海泥沙通量的降低，研究海域表层海水悬浮物含量明显降低，下降幅度约为51%，年均下降率约为1.7%。且20mg/L的TSS浓度等值线（长江冲淡水主体）明显向河口方向位移。与此同时，61个航次的营养盐结果表明，入海水中DIN、DIP浓度的增大和SiO3-Si浓度的降低造成长江口海域表层海水DIN、PO4-P浓度增加和SiO3-Si浓度降低，三者的变化幅度分别约为103%、102%和-33%，对应的年均变化率约为3.32%、3.19%和-1.03%。营养盐浓度的变化导致Si/N比值/P发生变化，其中N/P比值始终维持在45左右，变化不大；Si/P比值越来越接近16（Redfield比值）；而Si/N比值由原来大于1至2005年后小于1，导致硅酸盐含量小于无机氮含量，这将有利于非硅藻类浮游植物的竞争。3.长江口海域关键环境因子变化引发的生态效应自1981-2011年50个航次的叶绿素a数据显示，以叶绿素a表征的浮游植物生物量呈现出指数增加的趋势。由网采和水采得出的长江口及其邻近海域70个航次的浮游植物细胞密度变化趋势与叶绿素a一致。2003年之后的调查数据显示，小尺寸、小细胞的浮游植物（主要是甲藻）增加更为明显。与此同时，浮游植物群落结构的变化表现为以硅酸盐为主要营养的硅藻相对丰度逐渐降低，而甲藻相对丰度表现出逐渐升高的趋势。尤其是进入21世纪后，甲藻占优势的调查航次比例增大。长江口及其邻近海域32个航次的底栖生物结果表明，其总生物量和种类数均有所降低，其中种类数降低更为明显。近年来个体较小、生活周期短的且对环境污染承受能力强的多毛类所占比例增大，逐渐代替个体较大、生活周期相对长的棘皮动物和软体动物成为优势种。4.长江口海域的悬浮物和营养盐条件愈来愈有利于浮游植物的生长繁殖，最终导致赤潮频发且分布范围更广，并逐渐出现在低盐的河口海域利用22个夏季航次数据探讨近30年来长江口海域表层海水各生态环境因子之间的关系，结果表明：叶绿素a高值对应的盐度不仅有向河口方向位移的趋势，而且其对应的盐度范围明显扩大。低盐度（S=10）和中盐度（S=20、S=25）对应的DIN和PO4-P浓度有所升高、TSS浓度有所下降，而相对高盐度（S≥30）对应DIN和PO4-P浓度的升高、TSS浓度的下降均更为显著。虽然SiO3-Si浓度有所下降，但近30年来，SiO3-Si没有形成对浮游植物生长的限制。最终导致长江口海域环境更适宜于浮游植物的生长，这也是近年来赤潮频发、发生面积增大、发生区域逐渐向低盐的河口方向位移的主要原因。5.长江口海域浮游植物生物量增加的主要影响因素存在季节及区域差异在年际尺度上，浮游植物生物量的增加主要受入海营养盐通量增加以及入海泥沙通量降低的影响。在季节尺度上，春季，长江口海域浮游植物生物量的增加主要受入海泥沙通量的降低影响；夏季，长江径流通常达到一年中的最大值，入海营养盐通量、泥沙通量与浮游植物生物量增加的关系均不显著。在不同的盐度区域，低盐的近河口海域，入海泥沙通量减少对浮游植物生物量的增加效应最显著；在中盐度的羽状锋区，浮游植物生物量的增加可能是由于入海营养盐通量增加以及泥沙通量降低共同作用的结果；在相对高盐的外海域，入海营养盐通量的增加对浮游植物生物量的增加效应最显著，入海泥沙通量的降低对浮游植物生物量增加的贡献相对较弱。
【作者】辛明；
【导师】马德毅；王保栋；
【作者基本信息】中国海洋大学，环境科学，2014，博士
【关键词】长江口海域；环境因子；生态效应；长期变化；相关性分析；

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