桑沟湾溶解态铝的分布_季节变化及影响因素_房瑞雪.doc

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1、第 卷 第 期 年 月 海 洋 科 学 进 展 ， 桑沟湾溶解态铝的分布 、 季节变化及影响因素 房瑞雪 ， 任景玲 ， 李 磊 ， 蒋增杰 ， 杜金洲 ， 方建光 （ 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室 ，山 东 青岛 ； 中国水产科学研究 院 黄海水产研究所 ，山 东 青岛 ； 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室 ，上 海 ） 摘 要 ： 基 于 ， ， 和 对桑沟湾海域大面 调 查的资 料 ， 利用改进的荧光 镓 （ ） 分 子 荧 光光谱分析法测定溶解态铝的含 量 ， 研究了桑沟湾溶解态铝的分布和季节变化特 征 。 结果表 明 ， 个 航 次桑沟 湾 溶解态铝的平

2、均浓度分别 是 （ ） ， （ ） ， （ ） 和 （ ） ， 呈现出明显的 季 节 变 化 ， 即 秋季最 高 ， 夏 季 、 春 季次 之 ， 冬 季最低 。 除几个异常站位 外 ， 溶 解态 铝的分布大致呈现随离岸距离的增 加 其 浓度逐渐降低的趋势 。 夏季表层溶解态铝的 浓度在近岸出现 低 值 ， 夏 、 秋季湾口北部均出现高 值 。 影 响 桑 沟 湾 溶解态铝分布的主要因素包括与黄海的水交 换 、 河 流及地下 水 、 浮 游植物和 养殖生 物 、 悬 浮颗粒 物 。 根据简单箱 式 模 型对桑沟湾溶解态铝的通量进行了估 算 ， 结 果 显 示 ， 除了河流和大气沉降 外 ， 桑

3、沟湾溶解态铝还存在其他的 源 。 与相邻的爱莲湾和俚岛湾相 比 ， 桑沟湾溶解态铝的浓度在春季较 高 ， 在 夏季 较 低 。 与世界大洋相 比 ， 桑 沟湾溶解 态 铝的浓度全年均较高 。 关键词 ： 溶 解态铝 ； 分 布 ； 季 节变化 ； 影 响因素 ； 桑 沟湾 中图分类 号 ： 文献标识 码 ： 文章编 号 ： （ ） 铝 的含量仅次于氧 、 硅 ， 占地壳总量 的 ， 其主要以铝硅酸盐的形式存在于岩石和矿物 中 。 由于 在 岩石风化过程中铝硅酸盐的溶解度很低且其在海洋中停留时间 较短等原因 ， 天然水体中铝的含量较 低 ， 属于 痕 量元素 。 海洋中溶解 态 铝 主要吸附至

4、颗粒物表面而随之沉降至海 底 ， 最终 形 成铝硅酸盐颗粒从水体中 迁 出 。开阔大洋水中的溶解态铝主 要 来源于大气沉 降 、 大 洋平流效应和底沉积物再悬浮过程的释 放 等 ； 近岸海域溶解态铝则主要来源于河流输 送 ， 。 人们通常认为铝 是非营养型元 素 ， 但有调查研究结果显 示 ， 在 水华发生后溶解态铝的浓度发生了明显的降 低 ， 这说明浮游植 物对铝有一定的清除作 用 ， 但清除机理尚 不 清楚 。 近年来海洋酸化问题日益严 重 ， 导致溶解态铝的含量升 高 ， 致使河流和湖泊中的鱼 类 、 大型 无 脊椎动 物 等死亡率升 高 。 因此 ， 研究铝在海洋中尤其是养殖海域中的生

5、物地球化学行为至关重 要 。 桑沟 湾 （ ， ） 位于 山 东半岛东 端 ， 是 一个面向黄海的半 封闭型海 湾 ， 湾 口 朝东 。 海湾水域面积 为 ， 平均水深 约 ， 最大水 深 。 入湾的河流有沽 河 、 桑干河 、 小落 河 和十里河 等 ， 均属季节性雨源河 流 ， 每逢雨 季 ， 河流暴 涨 ， 年 均径流总量 为 （ ） ， 年 输沙量 为 。 桑沟湾是我国北方重要的水产养殖基 地 ， 养殖面积 为 ， 在湾口外或水深较 大 、 流急 处 以 养殖海带为 主 ， 湾内水浅处以海带和 贝 类 （ 牡 蛎 、 贻 贝 等 ） 间 养 或以贝类养殖为 主 。 近几年多位研究 者

6、已经对这一养殖海域做 了大量的调查研究工 作 ， 如方 建光等对桑沟湾的养殖容 量 以及营养要素等做了诸 多 研 究 ； 陈皓文则对桑沟湾表层水细 菌 与生态环境因子的关系进行了研 究 ； 闫 哲和张国玲等分别对 桑 沟湾痕量元素砷和铝的分布和季节变化做了初 步的研 究 。 本文在前人研 究的基础 上 ， 增加了周边河 流 收稿日 期 ： 资助项目 ： 国家重点基础研究发展计划项目 多重压力下近海生态系统的可持续产出与适应性管理的科学基础 （ ）； 国 家自然科学基金项目 长江口及东海溶解态锰的分布 、 形态转化及其影响机制 （ ）； 国 家国际科技 合作专项 波 罗的海和东海的低氧的对比研究

7、 ： 以气候变化和土地利用改变为因 （ ） 作者简 介 ： 房瑞 雪 （ ） ， 女 ， 山东济宁人 ， 硕士研究 生 ， 主要从事痕量元素的海洋生物地球化学方面研 究 ： 通讯作 者 ： 任景 玲 （ ） ， 女 ， 天津人 ， 教授 ， 博士 ， 硕士生导 师 ， 主要从事痕量元素的海洋生物地球化学方面研 究 ： （ 王 燕 编辑 ） 期 房瑞雪 ，等 ：桑沟湾溶解态铝的分布 、季节变化及影响因素 和地下水样品的分析 ， 更加深入地论述了 年 个季节航次桑沟湾溶解态铝的分布和季节变化及 其影响因素 ， 并对桑沟湾溶解态铝的通量进行了简单估算 ， 以期能为该养殖区域中铝的生物地球化学行为提

8、供更为丰富的数据基础 。 采样与方法 样品采集和预处理 分别于 ， ， 和 采 集 桑沟湾海水样 品 。 为 了对比不同水文环境下溶解 态 铝的浓度变 化 ， 在同一时期对桑沟湾附近的俚岛 湾 、 爱莲湾进行了采 样 ， 调查站位如 图 所示 。 调查船采用有机械动力的木 船 ， 在 船 头 用有机玻璃采水器采水 。 其中 只采 集了表 层 水 样 。 采 样 瓶 和 样 品 瓶 在 使 用 前 均用体积比为 的盐酸浸泡一周左右 ， 再 先后 用 蒸 馏 水 和 水 冲 洗 干 净 ， 最 后 装入双层 洁净塑料袋备用 。 所有样 品 采 集 后 均 于 简 易 洁 净 工 作 台 中用已处理

9、过的 过滤器和 醋酸 纤 维 滤 膜 （ 经 的 浸 泡 ， 水洗至中性 ） 过 滤 ， 过 滤后将水样分 装于聚乙烯样品瓶中 ， 样 品瓶放于冰柜冷冻 （ ） 避 光 保 存 。 现 场 同 样 条 件 下 过 滤 水 做 空 白 水 样 ， 以 考 察 现 场 过 滤 条 件 、 滤 器 、 滤 膜 、 样 品瓶对样品中溶解态铝含 量的影响 ， 以证明 结果的可靠性 。 除了大面观测 站 外 ， 在 站 位 图 中 还 给 出 了 桑 沟 湾周边河流及地下水的 补 充 采样站位 ， 河 流采样点位于河流的中下 游 （ 盐 图 桑沟湾采样站位图 度为 ） ， 距入海口约 ， 包 括 沽 河

10、、 十里 河 、 桑干 河 、 八河水库 等 ， 地下水则选择分布于桑沟湾周 围的 六 处井 水 （ 图 中 表示地下水站 位 ） 。 温度 、 盐度数据通 过 多参数水质分析仪现场测定获 得 。 样品测定 溶 解态铝的测定方法采用改进的荧光 镓 （ ） 分子荧光分析 法 。 该方法的检 出 限 为 ， 精 密度在 和 时分别 为 和 。 悬浮颗粒 物 （ ， ） 含 量 是过滤前后烘干滤膜的质量差 值 。 所有样品均 于 内完成测 定 。 结果与讨论 桑沟湾溶解态铝浓度的分布及季节 变化 年桑沟湾 个季节航次的温 度 、 盐 度 、 和溶解态铝的浓度范围及平均值见表 。 结果 表明 ， 溶解

11、态铝的平均浓度呈现出明显的季节变化 ， 即 秋季最高 ， 夏 、 春 季次之 ， 冬 季最低 。 桑沟湾海水的盐 海 洋 科 学 进 展 卷 度和溶解态铝 表 、 底层浓度的平面分布如 图 所示 。 由图可知 ， 夏季盐度梯度变化比 春 、 秋和冬三季明显 ， 这 主要与夏季降雨量增 加 、 陆源输入量增大有 关 。 受陆 源输入和黄海水稀释 作用的影 响 ， 除 几个异常站位 外 ， 溶解态铝的分布大致呈现湾内 高 、 湾口低的趋 势 ， 并 且随离岸距离的增加 浓度逐渐降 低 。 其 中 ， 夏 季表层 溶 解态铝的浓度在近岸异常地出现低 值 ， 具体原因 见 部 分 。 此 外 ， 在

12、夏 、 秋 季湾口北部溶解态铝的浓 度 均出现高 值 ， 一方面是因为桑沟湾北岸码头居 多 ， 人为活动较为频 繁 ； 另一方面是因为受桑沟湾海流的影 响 ， 桑沟湾海流方向由湾北部双岛至楮岛 嘴 ， 从湾口到 湾 内流速逐渐减 弱 ， 并 且存 在季节变 化 ， 湾口深水区规 律 较明显 ，夏 、 秋 季比 春 、 冬 季的流速 大 ， 底层沉积物再悬浮 较 剧 烈 ， 释 放出溶解态铝使其含量升 高 ， 具 体 讨 论见 部分 。 表 年 桑沟湾 个航次的温度 （ ）、 盐 度 （ ）、 和溶解态铝的浓度范围 ， ， 航 次 （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）

13、（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 注 ： 括号内数据为平均值 图 个季节航次桑沟湾海水的盐度和表 、 底层溶解态铝浓度的平面分布 期 房瑞雪 ，等 ：桑沟湾溶解态铝的分布 、季节变化及影响因素 影响桑沟湾溶解态铝分布的主要因素 周边河流及地下水的输入 丰水期桑沟湾周边主要河流 及 地 下水中溶解态铝的浓度结果如 图 所 示 。 由图可 见 ， 周 边 各 河流 因 采 样 站 位 周 围 环 境 及 水质的不同导致其溶解态 铝 的 浓 度有所差 异 ， 其 浓 度 范 围 为 ， 其中沽河水中溶解态铝的浓度 最 高 。 沽河是桑沟湾最大的河 流 ， 年 均径流量占

14、桑沟湾河流 年均 径 流总量的 左 右 ， 。 由于缺乏近年来各河流的年均径流量的数 据 ， 沽河对桑沟湾溶 解 态铝的贡献量 采 用按径流总量 的 来估算 ， 其他河流按径流总量 的 来估算 。 计算公式 为 （ ） 式中 ， 表示河流年输 入 总 量 （ ） ； 表示河流中溶 解 态 铝 的 浓 度 （ ） ； 表示河流年均径流 量 （ ） 。 由该公式得出每年河流对桑沟湾中溶 解 态铝的贡献量 为 。 地下水中 溶解态铝 的 浓度比河流中低很 多 ， 除 了 站位的浓度 是 外 ， 其他站位的浓度均低 于 。 基 于 等 运用氡放射性同位素示踪法估算的桑沟 湾 的地下水排放通 量 （ ，

15、 ） ， 估算出 年地下水排放通量 为 。 通常包括陆源 地下淡水和 再 循环海水 ， 陆源地下淡水一般占 总 的 ， 为 减少计算 误 差 ， 保 守 取 ， 即 。 周边地下 水中溶解态铝的平均浓 度 为 ， 根 据公 式 （ ） 可 计算出周边地下水对桑沟湾 溶解 态 铝的贡献 量 ： （ ） 式中 ， 表示地下水年输入总 量 （ ） ； 表示地下水中溶解态铝的浓 度 （ ） ； 表示地下水排 放 通 量 （ ） 。 由该 公 式 得 出 周 边 地下水对桑沟湾溶解态铝的贡献量 为 ， 占 河 流 输 入 量 的 。 图 丰水期桑沟湾周边主要河流及地下 水 （ ） 中溶解态铝的浓 度 生

16、物清除和 对溶解态铝分布的影响 由于受陆源输入的影响 ， 春 、 秋和冬季溶解态铝的浓 度在近岸都比较高 ， 在 夏季近岸表层却出现了低值 （ 图 ）。 夏季桑沟湾盐度与溶解态铝浓度之间的关系见图 ， 图中 表示以河流溶解态铝浓度最大值作 为淡水端元 ， 表示以河流溶解态铝浓度的平均值作为淡水端元 ， 表示以河流溶解态铝浓度的最 小值作为淡水端元 ）， 由 和 围成的三角形区域为保守区域 ， 由 图可见 ， 有 些点不在该区域内 ， 这 可能与生物清除和底层沉积物再悬浮释放有关 。 又因在 桑沟湾暴发大规模水华 ， 进一步说明浮游 海 洋 科 学 进 展 卷 植物对溶解态铝的清除作用不容忽视

17、。 为讨 论生物和 对溶解态铝分布的影响 ， 仅 考虑水团的物理 混合 ， 以河水和黄海水为两个端元估算该研究区域溶解态铝的浓度 ， 其两个计算公式为 （ ） （ ） 式 中 ， 表示实测盐 度 ； 表示河流的盐 度 （ ） ； 表示黄海水的盐 度 （ ） ； 表示河流端元在水 团 混合中占的比 例 ； 表示黄海水端元在水团混合中占的比 例 。 再由公 式 （ ） （ ） （ ） （ ） 式中 ， （ ） 表示该区 域 溶 解 态 铝 的 估 算 理 论 值 ； （ ） 表示河流中溶解态铝 的 平 均 浓 度 （ ） ； （ ） 表示黄海水中溶解态铝的浓 度 （ ） 。 最后由公 式 （ ）

18、（ ） （ ） （ ） 式中 ， （ ） 表示该区域溶解态铝的实测 值 （ ） 。 由此得出该区域溶解态铝的实测值与估算理论值 之 间的偏差占实测值的比 值 。 该研究区域叶 绿 素 （ ） 和 与 之 间的关系见 图 。 由图可 知 ， 与 呈 显 著 的 负 相 关 关 系 （ ， ） ， 与 呈 显 著 的 正 相 关 关 系 （ ， ）， 说明浮游植物和 对溶解态铝的浓度 分布有一 定 的 影 响 。 夏 季 是 桑 沟 湾 养 殖 海 带 和 贝类等 的 生 长 旺 季 。 荣成 市渔业技术推广站 年统计 资 料 显 示 ， 桑 沟 湾 海 带 的 年 产 量 已达到 万余 ， 牡蛎

19、 、 扇贝等的 年产量约 万 左右 ， 所 以桑沟湾养殖生物对铝的清除作用也是 不容小觑 的 。 但 对 生 物 清 除 铝 的 机 理 目 前 尚 不 明确 。 有研究表明 对溶解态铝的影响是一 个 吸附 、 解吸的动态平 衡过程 ， 在 含量低的 情 况 下 以 解 吸 为 主 ， 当 含 量 达 到 一 定 程 度 时 吸 附 、 解吸达到平 衡 ， 随 着 含量的增加逐渐 会 以吸附过程为 主 。 图 盐度与溶解态铝浓度之间的关 系 图 溶解态铝浓度的估算偏差比 值 与 及 之间的关 系 为 为 期 房瑞雪 ， 等 ： 桑沟湾溶解态铝的分布 、 季节变化 及影响因素 桑沟湾溶解态铝的通

20、量估算 桑沟湾溶 解 态 铝的来 源 有 河流及地下水的 输 入和大气的干 、 湿 沉 降 等 。 溶 解 态 铝 的 通 量 可 根 据 模型估 算 。 由河流年均径流总 量 、 地下水排 放 通 量 、 年 降雨 量 （ ） 和 年蒸发 量 （ ） ， 据水交换平衡计算从桑沟湾到黄海的 余 流 项 ； 由 桑沟湾和黄海的平均 盐 度 值 和 ， 据盐交换平衡计算桑沟湾和 黄 海的水交换 量 为 ， 黄 海水中溶解态 铝 的平均浓度 为 ， 由此估算从桑沟湾输入黄海的 溶 解态铝的 量 ， 桑 沟 湾与 黄海之间溶解态铝的交 换 量 为 。 在 小节中已经估算出河流及地下 水的 年 输入 量

21、 和 。 大气干沉降 量 （ ） 可根据公 式 （ ） 估算 ， 大气湿沉降 量 （ ） 可根据公 式 （ ） 估算 ： （ ） （ ） 式中 ， 表示大气的干沉降通 量 （ （ ） ） ； 表示桑沟湾水域面 积 （ ） ； 表 示 的 干沉降溶 出 率 ； 表示大气微粒 中 的百分含 量 ； 表示 年威海市全年 降 雨 量 （ ） ； 表示雨水中 溶 解态铝的浓 度 （ ） 。 由于估算过程中有些参 数 （ 年蒸发 量 、 干沉降通量 等 ） 来 自先前的文献并非实时 观 测得到 ， 因此计算结果存在一定的偏 差 。 估算结果见 图 ， 图 中正值代表输入桑沟湾的 量 ， 负值代表从桑 沟

22、湾 输出的 量 ， 表示大气沉降 量 ， 表示河流输入 量 ， 表示地下水输入 量 ， 表示桑沟湾向黄海的净输 入 量 ， 表示桑沟湾和黄海之间的交换 量 。 由图 可知 ， 溶解 态铝的输入和输 出 是不平衡 的 。 究其原 因 ， 桑 沟 湾 溶解态铝可能还存在其他的 源 ， 例如底 沉 积物再悬浮的释放和沉积 物 水 界面间隙水的扩散 等 。 此 外 ， 生 物的清除作用也不能忽 视 ， 但由于缺乏相关的数据不能够进行定量估 算 。 图 桑沟湾溶解态铝的通量 与其它海湾 、 河流 、 海区含量对比 与爱莲湾 、 俚岛湾的比较 爱 莲湾与俚岛 湾 、 桑沟湾相邻或相 近 （ 图 ） ， 因

23、 此 个海湾拥有几乎相同的地质气候条件和海洋环 境 。 不同的是桑沟湾比爱莲 湾 、 俚岛湾水域面积 大 ， 并且 桑 沟湾属于半封闭型海 湾 ， 而 爱莲 湾和俚岛湾属于开 阔 型海湾 ， 所以桑沟湾与其他两个海湾的水文环境 有 所差 异 。 个海湾的盐度 和溶解态铝浓度的对比如 图 所示 。 由图 可见 ， 在春 、 秋 、 冬季盐 度 值基本持 平 ， 并不存在显著性差 异 （ 检 验 ， 置 信度 为 ） ， 而 在 夏季桑沟湾明显低于爱莲湾和俚岛 湾 ， 一方面主要与桑沟湾周边河流比其他两个海湾 多 、 陆源输入量相对 大 有关 ； 另一方面由于半封闭型海湾和相对大的养殖面 积的特点

24、使得在 养 殖期内桑 沟湾内外海水交换能力 比 其他两个海湾更滞 缓 。 从图 也可看出 ， 在养殖阀架 密 集的春 季 ， 桑沟湾溶解 态 铝的 浓度比其他两个海 湾 高 ； 秋 、 冬季大部分养殖生物收获 后 ， 溶解态铝的浓度 并 无太大差 异 ； 夏 季 ， 桑 沟湾溶解态铝浓度相对低的 原 因主要还是与养殖面积大和大规模水华的发生有 关 ， 溶解态铝被生物清除的程度比另外两个海湾 大 。 海 洋 科 学 进 展 卷 图 桑沟湾和爱莲湾 、 俚岛湾盐度与溶解态铝浓度对比 ， 与其他河流 、 海区相比较 我 国主要河 流 、 陆架边缘海及世界 大 洋中溶解态铝的浓度范围见 表 。 由于溶

25、解态铝受陆源输入影 响 显著 ， 桑沟湾溶解态铝的浓度高于世界大洋中铝的浓 度 ； 胶州湾周边河流的年均径流量和输沙量均高于桑沟 湾 ， 所以胶州湾中溶解态铝浓度略高于桑沟 湾 ； 黄河和长江是我国陆架 边 缘海重要的淡水 源 ， 溶 解态铝 的 浓度较高 ， 受其影 响 ， 渤海和长江口中溶解态铝的浓度也高于桑沟 湾 、 黄海和东 海 。 此外 ， 由于桑沟湾这一 特 殊的养殖环境使得该区域溶解态铝的浓度呈现明显的季节变 化 。 表 我国主要河流 、陆架 边缘海及世界大洋中溶解态铝的浓度 ， 区 域 参考文献 桑沟湾 本 文 胶州 湾 黄 河 长 江 长江 口 渤 海 黄 海 东 海 太平洋

26、 ， 北大西 洋 东印度洋 ， 结 论 通过对 年 个季节航次桑沟湾溶解态铝浓 度的分布 、 季 节变化及影响因素的讨论 ， 主 要得 出以下结论 ： ） 个季节航次溶解态铝的平均浓度呈现出明显的季节变化 ， 秋 季最高 ， 夏 、 春 季次之 ， 冬 季最低 。 除几 个异常站位外 ， 溶解态铝的浓度大致呈现随离岸距离 的增加而逐渐降低的趋势 。 夏季表层溶解态铝的浓度 期 房瑞雪 ，等 ：桑沟湾溶解态铝的分 布 、季节变化及影响因素 在近岸出现低值 。 夏 、 秋季湾口北部溶解态铝的浓度均出现高值 。 ） 影响该区域溶解态铝分布的主要因素为与黄海的水交换 、 河流及地下水 、 浮游植物和养

27、殖生物以及悬 浮颗粒物 。 桑沟湾溶解态铝通量的估算结果显示 ， 除了河流和大气沉降外 ， 溶解态铝还存在其他的源 。 ） 由于水文环境和陆源输入的不同 ， 春季桑沟湾溶解态铝的浓度比爱 莲湾和俚岛湾高 ； 秋 、 冬 季没有太 大差异 ； 夏季桑沟湾溶解态铝的浓度相对其他两个海湾偏低 。 由于受陆源输入影 响显著 ， 桑沟湾溶解态铝的 浓度低于胶州湾和个别的陆架边缘海 ， 而高于世界大洋中溶解态铝的浓度 。 致谢 ： 中国水产科学研究院黄海水产研究所 、 华东师 范大学河口海岸学国家重点实验室 、 中 国海洋大学 海洋生物地球化学实验室以及荣成市海洋与渔业局的老师和同学们对野外实验和实验室工作提供了帮助 。 参考文献 （ ）： ： ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 任 景玲 ， 张经 的海洋生物地球化学研 究 海 洋环境科 学 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ，