強降雨對膠州灣生源要素補充和分布的影響*

張艷軍， 趙潤德， 胡躍誠， 王　偉， 楊南南， 梁生康**， 王修林

(1.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；

3.青島市環(huán)保局，山東 青島 266003；4.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003)

?

強降雨對膠州灣生源要素補充和分布的影響*

張艷軍1, 2， 趙潤德3， 胡躍誠4， 王偉1, 2， 楊南南1, 2， 梁生康1, 2**， 王修林1, 2

(1.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；

3.青島市環(huán)保局，山東 青島 266003；4.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 青島 266003)

摘要：臺風(fēng)帶來的強降雨對地表的強烈沖刷作用可將大量淡水和生源要素從陸地輸送到近海，從而在短時間內(nèi)對近海的水文和生物地球化學(xué)過程造成顯著影響。本文以膠州灣這一典型的半封閉海灣為研究對象，以2012年臺風(fēng)“達維”對青島地區(qū)帶來的強降雨事件為背景，通過降雨前后生源要素入灣河流和濕沉降輸入及海上分布同步調(diào)查，考察了強降雨對膠州灣生源要素的輸入、濃度及組成的影響。結(jié)果顯示，在強降雨過程中，通過河流和濕沉降輸入的生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P通量分別是降雨前的2.7、19.7和25.6倍。相應(yīng)地，膠州灣表層海水中DIN、SiO3-Si、PO4-P平均濃度分別達到(37.90±26.72), (20.18±17.22)和(1.75±1.28)μmol·L(-1)，分別是降雨前的1.5、2.4和2.3倍；同時，膠州灣中生源要素的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，N/Si/P的比例從降雨前的24∶8∶1變化為降雨后的19∶10∶1，更接近Redfield值和適宜浮游植物的生長。進一步運用富營養(yǎng)化指數(shù)(EI)分析表明，降雨后的富營養(yǎng)化程度加劇，整個海域EI指數(shù)平均值由降雨前的(4.35±6.40)升高到降雨后的(13.71±21.20)，同時降雨后的EI > 5 的嚴重富營養(yǎng)化區(qū)域面積占比達到 50%。以上分析表明臺風(fēng)帶來的強降雨提供了大量適宜浮游植物生長的生源要素，這可能是導(dǎo)致膠州灣富營養(yǎng)化程度加劇的原因。

關(guān)鍵詞：膠州灣；強降雨；生源要素；通量；營養(yǎng)鹽水平和結(jié)構(gòu)

引用格式：張艷軍，趙潤德，胡躍誠，等. 強降雨對膠州灣生源要素補充和分布的影響[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016, 46(4)： 79-88.

ZHANG Yan-Jun, ZHAO Run-De, HU Yue-Cheng, et al. The influence of typhoon-induced precipitation on biogenic element supplementary and distribution of Jiaozhou Bay, China [J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(4)： 79-88.

近年來，隨著全球氣候變化和人類活動加劇，強降雨等極端氣候事件頻發(fā)[1-5]，對近海生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視。強降雨不僅可導(dǎo)致短時間內(nèi)鹽度、濁度等海洋物理環(huán)境的劇烈改變，而且大量生源物質(zhì)通過徑流和大氣沉降輸入近海水體中，造成短時間內(nèi)海區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)含量迅速升高[6]，富營養(yǎng)化程度顯著增大，進而對近海浮游植物、浮游動物數(shù)量和空間分布造成顯著影響[7-9]，甚至導(dǎo)致赤潮、水母災(zāi)害等的發(fā)生[10-12]。

作為青島市的“母親灣”，膠州灣承納了青島市約60%陸域面積產(chǎn)生的污染物，膠州灣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對青島市社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的支撐作用。自上世紀60年代以來，隨著沿岸工農(nóng)業(yè)活動的加劇和人口規(guī)模的不斷擴大，膠州灣生源要素含量顯著增加[13-15]，且生源要素結(jié)構(gòu)也由較平衡發(fā)展為極不平衡[13-15]，突出表現(xiàn)為膠州灣富營養(yǎng)化污染加劇，氮磷比增大，這直接導(dǎo)致赤潮(綠潮)災(zāi)害頻發(fā)，已成為青島市社會經(jīng)濟發(fā)展的重要限制因素。降雨引起的面源營養(yǎng)要素流失是導(dǎo)致膠州灣水體富營養(yǎng)化加劇的重要因素；而強降雨引起的生源要素大量流失，必然會對膠州灣營養(yǎng)水平、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深刻的影響。然而，關(guān)于強降雨過程中膠州灣生源要素的輸入特征及其膠州灣海域水文和生源要素對強降雨響應(yīng)特征還缺乏系統(tǒng)研究。本文以 2012 年8月2日—3日臺風(fēng)“達維”給青島地區(qū)帶來的強降雨事件為背景，通過降雨前后生源要素陸源河流輸入、濕沉降直接輸入和海上分布同步調(diào)查，考察強降雨對膠州灣生源要素特別是營養(yǎng)物質(zhì)的補充及其分布和結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合其他環(huán)境因子的變化，初步探討強降雨對膠州灣生源要素的影響機制。

1調(diào)查方法

1.1 研究區(qū)域簡介

膠州灣位于山東半島南岸西部，介于120°04′E～120°23′E，35°58′N～36°18′N之間，灣口最窄僅3.1km左右，灣內(nèi)水域開闊，東西向最大寬度約28km，南北向最大長度約40km，是典型的半封閉海灣。灣內(nèi)水域面積約320km2，平均水深8.8m，最大水深64m[16]。膠州灣及其附近屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量775.6mm。匯入膠州灣的河流有十余條，較大的有大沽河、海泊河、李村河、樓山河、墨水河、鐮灣河、洋河，流域面積達到6357km2，占青島市總面積的56%。流域內(nèi)分布464.3萬人(見表1)。

表1　入膠州灣主要河流基本信息[17-18]

Note:①Rivers；②River length；③Basin area；④Number of people

1.2 臺風(fēng)達維

臺風(fēng)達維于2012 年7月31日早晨在西北太平洋洋面上加強為強熱帶風(fēng)暴，于8 月2日晚登陸山東。受臺風(fēng)“達維”影響，青島市在8月2日晚普降大雨，局部地區(qū)甚至大暴雨，降雨一直持續(xù)到3日下午，平均降雨量是74.7mm。

1.3 樣品采集與測定

為了解降雨前后入膠州灣河流和濕沉降生源要素輸入通量及海域生源要素分布的變化，分別于2012年7月17日(降雨前15天)和8月5日(降雨后 1 天)在膠州灣河流入海口處和膠州灣海域進行了2次陸-海同步調(diào)查。其中，海上監(jiān)測站位設(shè)置以青島市環(huán)境監(jiān)測中心站在膠州灣已有監(jiān)測站位為基礎(chǔ)，并充分考慮河流入?？诤退|(zhì)控制點的位置，共設(shè)21 個監(jiān)測站位(見圖1)。陸源河流監(jiān)測站位設(shè)置于海泊河、李村河、樓山河、墨水河、大沽河、洋河、鐮灣河7條河流的入?？谔?見圖1)，濕沉降樣品采集于青島市魚山路 5 號中國海洋大學(xué)魚山校區(qū)八關(guān)山頂部(見圖1)，從開始到結(jié)束采集濕沉降全過程樣品進行分析。

(“▲”河流入?？冢?“★”: 濕沉降、“●” ：膠州灣。 “▲”: The station of the mouths of river “★”: The station for wet deposition monitoring “●” : The station in Jiaozhou Bay.)

圖1監(jiān)測站位示意圖

Fig.1Sketch map showing sampling locations

河水和雨水樣品采集和保存均按照《水和廢水監(jiān)測方法》[19]和《大氣降水樣品的采集與保存》(GB 13580.2-92)進行[20]，河流流量依據(jù)國標《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-93)[21]測定，流速通過直讀式轉(zhuǎn)子流速計(ZSX-5型，濰坊大禹水文科技有限公司)測定。

海水樣品采集、保存和測定按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》進行[22]。樣品采集時采用5L的Niskin采水器采集表層水樣，置于經(jīng)酸清洗的5L 塑料桶并放在冰水浴中臨時保存，轉(zhuǎn)移到實驗室后，約500mL水樣用GF/F膜(孔徑為0.7μm)過濾，膜樣用鋁箔包好，避光-20℃冷凍保存，用于葉綠素a(Chl-a)測定，濾液則用于各生源要素含量的測定。約200～300mL的水樣用提前稱重過的 0.45μm醋酸纖維膜過濾，45℃烘至恒重，通過差減法求得總懸浮顆粒物(TSM)含量。其中，各監(jiān)測站位溫度、鹽度、pH、溶解氧(DO)由YSI 6600VⅡ-2型便攜式多參數(shù)儀(美國YSI公司)直接測定。

所采集的河流水樣品、雨水樣品和海水樣品中生源要素分別采用《水和廢水監(jiān)測方法》[19]或《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4-2007)[22]中的方法進行測定，其中，硝態(tài)氮(NO3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)和氨態(tài)氮(NH4-N)分別通過鎘銅還原法、萘乙二胺分光光度法和次溴酸鈉法測定，溶解無機氮(DIN)為NO3-N、NO2-N和NH4-N的總和；活性磷酸鹽(PO4-P)和可溶性活性硅酸鹽(SiO3-Si)分別通過磷鉬藍法和硅鉬藍分光光度法測定；葉綠素a通過90%丙酮萃取后用熒光分光光度法測定[22]；化學(xué)需氧量(CODMn)通過堿性高錳酸鉀法測定[22]。

1.4 生源要素入海通估算

應(yīng)用式(1)估算通過河流和濕沉降輸入膠州灣生源要素的通量：

FT=FR+FP。

(1)

其中:FT表示入灣生源要素總量;FR和FP分別表示河流輸入通量和濕沉降直接輸入通量，單位為mol·d-1，分別依照式(2)和式(3)計算。其中，

FR=CR×QR。

(2)

式中:CR為河水中生源要素濃度，單位為μmol·L-1;QR為河流入?？趶搅髁?，單位為m3·d-1。

FP=CP×RP×A×10-3。

(3)

式中:Cp為雨水中生源要素濃度，單位為μmol·L-1;RP單位為降雨強度，單位為mm·d-1;A為膠州灣面積，單位為km2。

2結(jié)果與討論

2.1 強降雨帶來的膠州灣生源要素輸入特征

2.1.1強降雨前后入灣主要河流生源要素的濃度和通量的變化監(jiān)測結(jié)果表明(見圖2)，強降雨1d后入膠州灣的7條河流淡水總流量達到 8.5×106m3·d-1，較降雨前提高了51.1%。其中，大沽河、墨水河、李村河、樓山河、洋河的流量強降雨后較強降雨前分別提高48.4%、97.6%、38.4%、29.0%和 17.7%，而鐮灣河流量降雨前后差異不大，這是由于該河流流域面積較小，河長較短，降雨對其徑流影響的持續(xù)時間較短，在采樣時流量已經(jīng)恢復(fù)到降雨前水平[17]。進一步分析，強降雨前后，大沽河流量最大，分別占7條河流總流量的 81.3%和79.9%，其次是墨水河，降雨前、后其流量在7條河流總流量中的占比分別為 10%和13%，這主要是由于這兩條河流流域面積大，由強降雨帶來的徑流量較大，持續(xù)時間也較長[17]。

圖2　強降雨前后入膠州灣河流流量的變化

強降雨后1d，各入灣河流 DIN、PO4-P、SiO3-Si濃度較降雨前都大大提高，且各河流中PO4-P和SiO3-Si濃度較DIN增幅更為顯著(見圖3)。由于強降雨引起淡水輸入量和生源要素濃度都顯著增大，導(dǎo)致入灣河流的DIN、PO4-P、SiO3-Si通量顯著增大，分別達到4.4×106，9.2×104和1.0×106mol· d-1，較降雨前分別提高2.3、24.0、18.4倍。這表明強降雨過程中伴隨著流量和養(yǎng)分濃度的升高而導(dǎo)致大量的生源要素在短時間內(nèi)流失。這與高超等[23]在長江中下游強降雨對小流域氮、磷流失影響的研究結(jié)果基本一致，這可能是由于臺風(fēng)“達維”所帶來的降雨強度高，持續(xù)時間較長不僅導(dǎo)致地表生源要素大量流失；而且在洪水的強烈沖刷和擾動作用下，導(dǎo)致溝渠和河道底泥中存留的氮特別是磷和硅的流失強度增大。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在DIN中，NH3-N的占比由強降雨前的23.5%增加到67.3%，而NO3-N則由強降雨前的75.3%減少到26.5%(見圖3)。這主要是由于強降雨導(dǎo)致土壤中所施加的氮素(主要為尿素)大量流失，水體整體處于還原環(huán)境，因此氮素中還原態(tài)NH3-N占主體[24]。實際上，由于降雨導(dǎo)致非點源污染物產(chǎn)生的過程十分復(fù)雜，不僅受降雨過程、降雨時間和降雨強度的影響，而且受到流域內(nèi)地形、地貌、土壤理化狀況及植被和作物類型等因素的綜合影響，需要通過加密監(jiān)測進一步深入研究。

圖3　強降雨前后入膠州灣河流生源要素的濃度和輸入通量的變化

2.1.2 大氣濕沉降直接對膠州灣生源要素的輸入監(jiān)測結(jié)果表明，雨水中DIN、PO4-P和SiO3-Si的濃度分別達到48.18、 0.36和4.01μmol/L，其中DIN中NH3-N占比最高，達到76%，其余為NO3-N和NO2-N(見圖4),這與宋宇然[25]和朱玉梅[26]對青島近海雨水中營養(yǎng)要素的監(jiān)測結(jié)果基本吻合。強降雨引起的入膠州灣 的DIN、PO4-P和SiO3-Si濕沉降通量分別約為8.1×105、6.02×103和6.7×104mol/d 。

圖4　濕沉降過程中中生源要素濃度和輸入通量

2.1.3 強降雨前后膠州灣生源要素的輸入通量強降雨過程中，有河流輸入和大氣濕沉降直接輸入膠州灣的DIN、PO4-P和SiO3-Si濕沉降通量分別達到5.2×106、9.8×104和1.1×106mol/d 。其中，以河流輸入為主，分別占總輸入通量的84.4%、93.8%和93.7%,而由大氣濕沉降直接輸入DIN的量不容忽視,占總輸入通量的15.6%，而由大氣濕沉降直接輸入PO4-P和SiO3-Si量較少，分別僅占總輸入通量的6.1%和6.3%。進一步分析表明，強降雨前后河流和濕沉降輸入的生源要素比例也發(fā)生顯著變化，N∶Si∶P比分別由降雨前的380∶1∶11變?yōu)?0∶1∶10(見圖5)。

圖5　強降雨前后河流和濕沉降輸入膠州灣生源要素通量比例

2.2 降雨前后膠州灣生源要素含量和結(jié)構(gòu)分布變化特征

2.2.1 降雨前后溫度和鹽度的分布受陸源輸入影響，強降雨前后，膠州灣表層海水溫度都呈現(xiàn)灣底向灣口逐漸降低的趨勢，但強降雨后1d的海水溫度高于降雨前(見圖6)。同時，表層海水鹽度則呈現(xiàn)由灣東北部和灣底部向灣口逐漸降低的分布趨勢；但強降雨后1d，灣內(nèi)鹽度明顯下降，鹽度分布在24.17～30.31，平均值為28.31±1.75，較降雨前顯著降低5.8%，特別是大沽河和墨水河河口鹽度較降雨前降低15%以上，表明強降雨帶來的大量淡水可顯著降低膠州灣特別是河口區(qū)的鹽度場。這與海南文昌河河口區(qū)臺風(fēng)所帶來強降雨使徑流顯著增加并導(dǎo)致鹽度梯度向外海方向移動的研究結(jié)果基本一致[6]。

2.2.2 降雨前后生源要素濃度的分布變化對于氮生源要素，強降雨1d后，受陸源輸入影響，NH3-N、NO2-N和NO3-N都呈現(xiàn)由灣底部向灣口逐漸減少的分布趨勢，且濃度梯度差較降雨前更為明顯，表明強降雨導(dǎo)致的強脈沖式陸源輸入對氮生源要素的濃度分布影響顯著。強降雨1d后，膠州灣內(nèi)3種形態(tài)氮的濃度都有所增大，其中，NH3-N平均濃度由降雨前(4.57±3.67)μmol·L-1升高到(12.31±6.70)μmol·L-1，NO2-N平均濃度由降雨前的(1.99±1.69)μmol·L-1升高到降雨后1d的(4.38±4.34)μmol·L-1，NO3-N平均濃度由降雨前的(17.92±17.75)μmol·L-1升高到降雨后1d的(21.21±17.07)μmol·L-1，相應(yīng)的，DIN平均濃度則由降雨前的(24.49±21.51)μmol·L-1升高到降雨后1d的(37.90±26.72)μmol·L-1，是降雨前的1.5倍。進一步分析表明，強降雨后1d，膠州灣表層海水中不同形態(tài)氮的占比也發(fā)生顯著變化，NH3-N由降雨前的18.67%提高到32.48%，NO3-N則由降雨前的73.17%下降至55.96%，這與強降雨過程中NH3-N輸入通量高于NO3-N輸入通量相一致。已有研究表明，浮游植物對NH3-N的吸收同化速率要高于NO3-N[27]。上述分析表明，由于強降雨引起的氮素濃度升高和NH3-N占比的增大，都有利于浮游植物的快速生長繁殖。

圖6　強降雨前后膠州灣表層海水溫度(°C)和鹽度分布

強降雨前，膠州灣表層海水PO4-P 濃度在0.17～2.21μmol·L-1范圍內(nèi)，平均值為(0.77±0.73)μmol·L-1，基本呈現(xiàn)由灣東北部向灣口逐漸減少的分布趨勢(見圖7)。強降雨后1d，盡管表層海水PO4-P 濃度空間分布與降雨前基本一致，但從灣底到灣口PO4-P濃度梯度差更顯著，PO4-P分布高值區(qū)與鹽度低值區(qū)基本一致，主要位于灣北部大沽河河口和灣東北部的墨水河、樓山河等河口，表明強降雨引起的強脈沖式陸源徑流輸入對PO4-P濃度分布具有顯著影響(見圖7)。強降雨后1d膠州灣PO4-P濃度明顯升高，在0.21～4.71μmol·L-1范圍內(nèi)，平均值達到(1.75±1.28)μmol·L-1，為降雨前的2.3倍。

降雨前，膠州灣表層海水中SiO3-Si濃度較低，處于0.37～22.00μmol·L-1范圍內(nèi)，平均值為(8.25±7.22)μmol·L-1，基本呈現(xiàn)由灣北部和東部向灣中央和灣口遞減的分布趨勢(見圖7)。降雨后1d，膠州灣表層海水中 SiO3-Si 含量顯著增加，濃度在 1.68～64.76μmol·L-1范圍內(nèi)，全灣平均值達到(20.18±17.22)μmol·L-1，為降雨前的2.4倍?？臻g分布上呈現(xiàn)由灣北部和東北部向灣中央灣口遞減的分布趨勢，SiO3-Si 濃度高值區(qū)與鹽度低值區(qū)基本吻合，表明強降雨引起河流徑流輸入對SiO3-Si濃度分布具有顯著影響(見圖7)。

2.2.3 降雨前后營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的分布特征降雨前，N/P值較高，在 12.89～181.66范圍內(nèi)，平均值為41.37±39.79，大大超過浮游植物適宜生長的Redfield 值[28-29]，也大于一般認為磷潛在受限的比值(N∶P>22)[30]，同時，降雨前各項營養(yǎng)鹽濃度都高于浮游植物生長閾值，表明磷為該海區(qū)浮游植物生長潛在限制因子；從空間分布上看，N/P呈現(xiàn)顯著的斑塊狀分布，其高值區(qū)主要集中在各河口包括大沽河河口及灣東部的各河口附近(見圖8a)，這與強降雨前通過河流輸入生源要素比例中氮遠遠高于磷相一致。降雨后 1 天，膠州灣N/P值顯著下降，在11.67～29.31范圍內(nèi)，平均值為21.13±4.17，接近 Redfield 比值；從空間分布上看，盡管N/P仍呈現(xiàn)由河口區(qū)到灣中央及灣底到灣口降低的趨勢，但斑塊狀高值區(qū)消失，分布較為均勻，這與強降雨過程中通過河流輸入生源要素通量中磷占比提高而氮占比相對降低相一致(見圖5)。從Si/N看，強降雨前，其值較低，在 0.07～0.57 范圍內(nèi)，平均值為 0.31±0.14，且基本呈現(xiàn)近岸高、灣中央低的分布特征(見圖8b)，且在灣中央SiO3-Si ≤ 2μmol·L-1，說明該海區(qū)可能 SiO3-Si 限制或存在潛在限制。降雨后1天，膠州灣Si/N值顯著升高，在 0.30～0.74 范圍內(nèi)，平均值為 0.49±0.13；從空間分布上看，Si/N 呈現(xiàn)從灣底到灣口逐漸降低的趨勢，灣中央的低值區(qū)消失，分布較為均勻(見圖8b)，這與強降雨過程中生源要素輸入通量硅占比提高而氮占比降低相吻合(見圖5)。對于Si/P比，降雨前其值較高，介于 0.92～74.81 范圍內(nèi)，平均值為 13.56±16.26，且呈現(xiàn)斑塊狀分布，其高值區(qū)主要分布在大沽河河口及灣東部的各河口附近(見圖8c)，這反應(yīng)了陸源生源要素輸入通量硅多而磷相對低的特點。降雨后 1天，膠州灣Si/P比有所下降，在 5.78～21.15 范圍內(nèi)，平均值為10.3±3.46；Si/P比基本呈現(xiàn)從河口區(qū)到灣中央及灣底到灣口逐步降低的變化趨勢，但斑塊狀高值區(qū)消失，分布趨于均勻(見圖8c)，這反應(yīng)了強降雨中磷輸入增加量較硅輸入增加量多的特點(見圖5)。上述分析結(jié)果表明，強降雨導(dǎo)致膠州灣表層海水中營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。這與Cadee等人[12]的研究結(jié)果基本一致。他們通過對荷蘭瓦登海河口區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，N/P的變化能夠促進生物群落結(jié)構(gòu)的改變，而強降雨會間接地影響到近海海域生物群落的穩(wěn)定，致使一些非優(yōu)勢種群轉(zhuǎn)變成優(yōu)勢種群，嚴重的還會導(dǎo)致赤潮、水母災(zāi)害等的發(fā)生。

圖7　強降雨前后膠州灣不同形態(tài)氮(μmol·L-1)、活性磷酸鹽(μmol·L-1)、活性硅酸鹽(μmol·L-1)的分布

圖8　強降雨前后膠州灣表層海水中營養(yǎng)鹽比例的變化

2.2.4 降雨前后膠州灣富營養(yǎng)化水平分布進一步應(yīng)用富營養(yǎng)化指數(shù)法[29]，評價了強降雨對膠州灣富營養(yǎng)化程度的影響。由圖9可以看出，降雨前，膠州灣表層富營養(yǎng)化指數(shù)基本呈現(xiàn)由灣東部和東北部向灣中央和灣口逐步減低的趨勢，富營養(yǎng)化指數(shù)在0.11～20.56，平均值為 4.35±6.40，EI值大于5的嚴重富營養(yǎng)化區(qū)域面積不足整個灣面積的10%，主要分布在灣東部和東北部海域。強降雨后 1 天，由于短時間內(nèi)大量營養(yǎng)要素通過河流徑流和大氣濕沉降排入灣內(nèi)，導(dǎo)致灣內(nèi)表層海水富營養(yǎng)化程度顯著增大，最大值達到91.89，整個海域EI平均值為13.71±21.20，較降雨前提高了2.2倍， EI值大于5的嚴重富營養(yǎng)化海域面積占比達到 50%以上，較降雨前提高4倍多，同時，營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)也更有利于浮游植物生長，這為大規(guī)模赤潮爆發(fā)提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。實際上，已有研究表明，由于降雨而在膠州灣形成的高溫、低鹽、富營養(yǎng)的環(huán)境，有利于中肋骨條藻的快速增值并直接導(dǎo)致了赤潮的爆發(fā)[31]。

圖9　降雨前后膠州灣富營養(yǎng)化指數(shù)的空間分布

3結(jié)語

受臺風(fēng)“達維”所帶來的強降雨影響，入膠州灣河流流量生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P濃度較降雨前顯著增大，由于受河流和濕沉降共同作用導(dǎo)致輸入膠州灣生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P通量較降雨前分別增加了2.7、19.7和25.6倍。強降雨過后 1 天，膠州灣生源要素DIN、SiO3-Si、PO4-P含量均顯著升高，富營養(yǎng)化程度進一步加重，且高值區(qū)與鹽度的低值區(qū)分布區(qū)域極其吻合，說明降雨帶來的陸源生源要素流失是導(dǎo)致灣內(nèi)生源要素含量升高的直接原因；同時，膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，N/Si/P的比例由降雨前的24∶8∶1變化為降雨后的19∶10∶1，更接近Redfield比值，降雨前潛在的磷或硅限制大大降低，且氮素中浮游植物更易于吸收同化的NH3-N含量增加。強降雨后，膠州灣營養(yǎng)鹽水平和營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)都較降雨前更適宜于浮游植物的生長繁殖，為大規(guī)模赤潮的爆發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]Goldenberg S B, Landsea C W, Mestas-NuezA M, et al. The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications[J]. Science, 2001, 293(5529): 474-479.

[2]Emanuel K. Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 years[J]. Nature, 2005, 436(7051): 686-688.

[3]Webster P J, Holland G J, Curry J A, et al. Changes in tropical cyclone number, duration, and intensity in a warming environment[J]. Science, 2005, 309(5742): 1844-1846.

[4]Wu L, Wang B, Geng S. Growing typhoon influence on east Asia[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(18):109-127.

[5]Knutson T R, McBride J L, Chan J, et al. Tropical cyclones and climate change[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(3):157-163.

[6]Herbeck L S, Unger D, Krumme U, et al. Typhoon-induced precipitation impact on nutrient and suspended matter dynamics of a tropical estuary affected by human activities in Hainan, China[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 93(4): 375-388.

[7]Harding L W, Perry E S. Long-term increase of phytoplankton biomass in Chesapeake Bay, 1950-1994[J]. Oceanographic Literature Review, 1998, 45(3).

[8]Harding Jr L W, Mallonee M E, Perry E S. Toward a predictive understanding of primary productivity in a temperate, partially stratified estuary[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2002, 55(3): 437-463.

[9]Roman M, Zhang X, McGilliard C, et al. Seasonal and annual variability in the spatial patterns of plankton biomass in Chesapeake Bay[J]. Limnology and Oceanography, 2005, 50(2): 480-492.

[10]Mallin M A, Paerl H W, Rudek J, et al. Regulation of estuarine primary production by watershed rainfall and river flow[J]. Marine Ecology Progress Series MESEDT, 1993, 93(1/2):199-203.

[11]Mallin M A, Paerl H W, Rudek J. Seasonal phytoplankton composition, productivity and biomass in the Neuse River estuary, North Carolina[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1991, 32(6): 609-623.

[12]Cadee G C. Recurrent and changing seasonal patterns in phytoplankton of the westernmost inlet of the Dutch Wadden Sea from 1969 to 1985[J]. Marine Biology, 1986, 93(2): 281-289.

[13]沈志良.膠州灣營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的長期變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 海洋與湖沼, 2002, 33(3): 322-331.

Shen Zhiliang. Long-term changes in nutrient structure and its influences on ecology and environment in jiaozhou bay[J]. oceanologia et limnologia sinica, 2002, 33(3): 322-331.

[14]孫曉霞,孫松,趙增霞,等.膠州灣營養(yǎng)鹽濃度與結(jié)構(gòu)的長期變化[J]. 海洋與湖沼, 2011, 42(5): 662-669.

Sun Xiaoxia, Sui Song, Zhao Zengxia. Long-term changes in nutrient concentration and structure in the jiaozhou bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2011, 42(5): 662-669.

[15]王修林,李克強,石曉勇.膠州灣主要化學(xué)污染物海洋環(huán)境容量[M]. 北京:科學(xué)出版社,2006:1-22.

Wang Xiulin, Li Keqiang, Shi Xiaoyong. Marine environmental capacity of main chemical pollutants in the jiaozhou bay[M]. Beijing: Science Press, 2006:1-22.

[16]《中國海灣志》編撰委員會. 中國海灣志(第四分冊)[M]. 北京: 海洋出版社, 1993.

“Chinese bays" compliation committee. Chinese bays (fourth volumes)[M]. Beijing: China ocean press, 1993.

[17]喬旭東.膠州灣排污管理區(qū)及其主要排?；瘜W(xué)污染物分配容量的準確計算研究[D].青島: 中國海洋大學(xué)， 2009:14-26.

Qiao Xudong. The Study on Bay Discharge Regions and Accurate Calculations Their Allocated Capacities of Major Pollutants[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2009:14-26.

[18]趙瑾.環(huán)膠州灣河流對膠州灣水沙輸送的數(shù)值模擬[D].青島:中國海洋大學(xué)， 2007:9-10.

Zhao Jin. The Numerical Simulation of the Transport of the Fluvial Water and Sediment to the Jiaozhou Bay[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2007:9-10.

[19]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

State Environmental Protection Administration. Water and Wastewater Monitoring and Analysis Method[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[20]國家環(huán)境保護總局.GB 13580.2-1992大氣降水樣品的采集與保存[S]. 北京： 中國標準出版社,1993.

The State Environmental Protection Administration, GB13580.2-1992. Collection and Preservation of Atmospheric Precipitation Samples[S]. Beijing: China Standard Press， 1993.

[21]中華人民共和國水利部.GB 50179-93河流流量測驗規(guī)范[S]. 北京: 中國計劃出版社， 1993.

The people's Republic of China of water sector. GB:50179-93 River Discharge Test of the Ministry[S]. Beijing: China Planning Press， 1993.

[22]國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心.GB 17378.1-2007海洋監(jiān)測規(guī)范[S]. 北京: 中國標準出版社， 2007.

National marine environmental Monitoring Center. GB17378.1-2007.Marine Monitoring[S]. Beijing: China Standard Press, 2007.

[23]高超, 朱繼業(yè), 朱建國, 等.極端降水事件對農(nóng)業(yè)非點源污染物遷移的影響[J].地理學(xué)報, 2006, 60(6): 991-997.

Gao Chao, Zhu Jiye, Zhu Jianguo, et al. Effects of extreme rainfall on the export of nutrients from agricultural land [J]. Acta Geographica Sinica, 2006.60(6):991-997.

[24]Ramos M C, Martinez-Casasnovas J A. Nutrient losses from a vineyard soil in Northeastern Spain caused by an extraordinary rainfall event[J]. Catena, 2004, 55(1): 79-90.

[25]宋宇然. 青島地區(qū)大氣濕沉降的研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2006:49-53.

Song Yuran. Study on the Atmospheric Wet Deposition in Qingdao[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2006:49-53.

[26]朱玉梅. 東、黃海大氣沉降中營養(yǎng)鹽的研究[D]. 青島：中國海洋大學(xué)，2011:30-32.

Zhu Yumei. Nutrients in Atmospheric Deposition of the Yellow and East China Seas Qingdao[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011:30-32.

[27]胡章喜, 徐寧, 段舜山. 不同氮源對4種海洋微藻生長的影響 [J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(10): 2452-2457.

Hu Zhangxi, Xu Ning, Duan Shunshan. Effects of nitrogen sources on the growth of Heterosigma akashiw, Karenia sp.,Phaeocystis globosa and Chaetoceros sp[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2010, 19(10): 2452-2457.

[28]張平.長江口營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化研究 [D]. 青島： 中國科學(xué)院海洋研究所， 2001.

Zhang Ping. Research on the structural changes of nutrients in the Changjiang Estuary[D]. Qingdao: Institute of the Chinese Academy of Sciences, 2001.

[29]鄒景忠, 董麗萍, 秦保平. 渤海灣富營養(yǎng)化和赤潮問題的初步探討[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 1983, 2(2): 41-54.

Zou Jingzhong, Dong Lliping, Qin Baoping. The Preliminary Study on eutrophication and red tide problem of Bohai Bay[J]. Marine Environmental Science, 1983, 2(2): 41-54.

[30]Justic D, Rabalais N N, Turner R E, et al. Changes in nutrient structure of river-dominated coastal waters: stoichiometric nutrient balance and its consequences[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1995, 40: 339-356.

[31]霍文毅, 俞志明, 鄒景忠, 等. 膠州灣中肋骨條藻赤潮與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 海洋與湖沼, 2001, (3): 311-318.

Huo Wenyi, Yu Zhiming, Zou Jingzhong, et al. Outbreak of skeletonema costatum red tide and its relations to environmental factors jiaozhou bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2001(3):311-318.

責(zé)任編輯徐環(huán)

The Influence of Typhoon-Induced Precipitation on Biogenic Element Supplementary and Distribution of Jiaozhou Bay, China

ZHANG Yan-Jun1, 2, ZHAO Run-De3, HU Yue-Cheng4, WANG Wei1, 2,YANG Nan-Nan1, 2, LIANG Sheng-Kang1, 2, WANG Xiu-Lin1, 2

(1.The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3.Qingdao Environmental Protection Agency, Qingdao 266003, China; 4.Qingdao Environmental Monitoring Centre,Qingdao 266003, China)

Abstract:Typhoon-induced heavy rains often have great impact on coastal hydrology and biogeochemistry through the strong pulse input of biogenic elements. However, few studies have explored the impacts of heavy rains associated with typhoon on the ecosystem of the Jiaozhou Bay (JZB), which is a typical semi-enclosed bay of China. In this study, two synchronous survey of the input, the concentrations and composition of biogenic elements as well as other physical-chemical parameters of the JZB were conducted, prior to and after Typhoon Damrey in August 2012. During the process of the typhoon, the flux of dissolved inorganic nitrogen (DIN), silicate ) andphosphate ), through both the bay catchments and atmospheric wet deposition was the 2.7, 19.7 and 25.6 times than that of the previous heavy rain, respectively. Accordingly, the average concentration of DIN, and in surface seawater of the JZB elevated to (37.90±26.72)μmol·L(-1), (20.18±17.22)μmol·L(-1), (1.75±1.28)μmol·L(-1), which was the 1.5, 2.4 and 2.3 times than that of the previous heavy rain, respectively. At the same time, the structure of biogenic elements of the JZB also changed significantly. The average values of the ratio changes from 24∶8∶1 before the typhoon to 19∶10∶1 after 1 day of the typhoon, which is closer to the Redfield ratio and is more optimal for phytoplankton growth. Further application of eutrophication index (EI) analysis showed that the level of eutrophication in the JZB become more serious after the strong rainfall. The average value of the EI increased greatly from 4.35±6.40 of the previous rainfall to 13.71±21.20 of the post rainfall, and the area proportion with severe eutrophication (EI>5) reached 50%. These results indicate that typhoon-induced heavy rain not only could provide the sufficient nutrient elements, but also could vary nutrient ratio appropriately for the growth of phytoplankton, which might result in the occurrence of phytoplankton bloom in the JZB.

Key words:Jiaozhou bay; heavy rain; biogenic elements; input flux; nutrient level and ratio

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb. 20150010

中圖法分類號：P734.4+1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)04-079-10

作者簡介：張艷軍(1987-)，女，碩士。E-mail: 860791230@qq.com**通訊作者： E-mail: liangsk@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-01-21；

修訂日期：2015-03-24

*基金項目：國家海洋局公益性課題項目(201205018);中央高校基本業(yè)務(wù)費項目(201362014)資助

Supported by The Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean of China; The Fundamental Funds for the Central Universities