摘要
自上世纪70年代开始，海水富营养化问题凸显，其导致的有毒藻华和缺氧现象在全球蔓延，日趋严重。中国海域也深受富营养化现象所困扰，然而，中国海域的富营养化现象在2011～2019年间有所缓解，原因不明。海水富营养化与活性氮(N)浓度的增多紧密相关，对于边缘海系统N加富过程的机制仍然了解不全。主流观点认为，河流入海N排放的增加是海水富营养化演变的主因，在此基础上地下水输入、大气沉降、废水排放和水产养殖进一步加重了海水环境的富营养化。这一框架很好地解释了受河流冲淡水影响近岸海域频繁发生的藻华和缺氧现象，但对远离河流冲淡水的近海开阔海域，富营养化现象的出现无法解释。例如，当河流入渤海N排放在本世纪的头十年趋于稳定，但渤海中部的富营养化程度却进一步加重。同样，黄海接受的河水N输入十分有限，然而近些年来却频繁出现赤潮、绿潮、金潮等现象。对于这些海域的富营养化现象的理解需要另外一个视角。 本研究针对海水富营养化这一全球性的重大环境问题，以最近40年来呈王贝出明显富营养化趋势的渤黄海作为研究区域，进行常规营养盐的大面调查，分析渤黄海营养盐结构的时空变异及其主控因素，明确渤黄海水体的主要N源，解析海源N的变异对渤黄海富营养化的贡献;基于渤海开阔海域的营养盐收支，结合黄河径流量、大气N沉降和北黄海N改变等方面的历史资料，探讨了渤海中部在1990～2018年间富营养化演变的主因;进而通过对比2016年和2019年渤海中部N收支状况，探讨大气环境污染改善对于渤海中部富营养化缓解的重要贡献。 本研究主要基于导师课题组在渤黄海开展的8次季节性调查，这些调查覆盖4个自然季节。调查发现，超额氮（即，N*=DIN-16×DIP）浓度高于5μmolkg-1的水样仅收集自黄河口、长江口，以及江苏沿岸海域，这些区域在冬春季也出现远大于16的DIN:DIP值。在这些河口、近岸海域以外，多数海水样品中的N*值在-2～2μmol kg-1范围内波动，在盐度介于31.0～33.0之间的海水样品中，部分呈现出低于-2.0μmol kg-1的N*，最低的N*值为-6.0μmol kg-1。结合历史资料，本研究发现渤黄海N*的航次平均值在1990～2010年间呈现增加的趋势，然而在最近10年间渤海和北黄海N*的航次平均值却呈现出逐年下降的趋势，同时期南黄海N*也不再快速增加，而稳定在0μmol kg-1上下。 基于2011～2018年的6航次调查数据，本研究构建了渤黄海N收支，并通过溶解无机磷(dissolved inorganic phosphorus，DIP)、盐度和水深等参数对所采集水样中的海源N含量进行了计算，结果表明，71％的样品中海源N含量与现场检测的DIN一致。通过水样中海源N和非海源N的解析，发现受非海源N影响的水样多出现在盐度小于31.0的区域，主要在黄河口、长江口、莱州湾和江苏沿岸海域。而在这些河口、近岸海域以外，海源N则是水体中溶解无机氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN）的主要成分。在我们的航次调查中，渤黄海DIN中海源N的占比在渤海和黄海分别为(51±38)％和(67±37)％。此外，本研究还发现洋流输运N*的增加和大气N沉降的累积主导了渤黄海开阔海域的N*增加。在1990～2010年间，黄海开阔海域的N*增加中黑潮N*的增加和大气N沉降信号的累积分别贡献了29％和71％，而渤海开阔海域的N*增加则有61％源自黄海N*的增加，剩余39％源自大气N沉降。最近10年，大气N排放在中国明显减少，黑潮上层N*的航次平均值也趋于稳定，因而渤黄海N*波动上升的趋势也随之停止。 2011～2016年，渤海中部频繁发生“褐潮”和夏季底层低氧等富营养化现象。为了明确渤海中部开阔海域的营养盐环境，本研究对渤海的营养盐水平和结构进行了季节和区域性分析，结果显示，渤海营养盐水平大都呈现出季节性循环的变动格局，而营养盐结构则呈现出区域性差异显著的特征。在黄河口外近岸海域，受黄河冲淡水影响，DIN:DIP远高于16，存在“氮磷比失衡”。但在渤海中部，秋、冬季航次调查测得的DIN:DIP分别为16.9±3.4和16.1±3.0，基本符合Redfield比（16左右），为藻类春夏季生长提供了充足的DIP，导致2011～2016年间渤海中部频发的藻华。为解决渤海中部营养盐的源解析问题，本研究将冬季发生的黄海营养盐输入与夏季发生的河流输入统一到年尺度上，并与年平均的大气N沉降统计在一起，核算为“冬季营养盐收支”，以最大限度地规避夏季生物活动的复杂影响。营养盐收支结果表明，渤海中部DIN只有17％经由与近岸浅湾水体的营养盐交换来自夏季淡水（河水和地下水）排放，55％是北黄海输入，另外还有28％左右来自渤海中部的大气N沉降;而渤海中部99％的DIP来自北黄海的冬季入侵。海水和冲淡水在渤海中部开阔海域的混合造成冬季水体相对平衡的营养盐结构。此外，1990～2010年间的渤海中部DIN∶DIP升高也主要是由黄海N增加主导的，黄海N增加导致了渤海中部DIN∶DIP增幅的71％。 最近10年，我国大气环境逐步改善，大气N排放和沉降都明显下降，相应地，渤海表层叶绿素a水平也波动下降，赤潮等富营养化现象则自2014年开始明显趋缓。本研究2019年的调查数据表明，渤海中部DIN∶DIP航次均值现已降至11左右，接近本世纪初的情况。对收集水样的海源N计算发现，2019年航次调查中渤海中部DIN均为海源N，非海源N的信号消失。对比2016年和2019年渤海中部冬季营养盐收支表明，洋流输入和大气沉降的N通量减少贡献了渤海中部DIN∶DIP年际下降的(65±35)％。 综上所述，不同于河流冲淡水影响海域，渤黄海开阔海域的DIN以海源N为主，而海源N的变异主导了渤黄海的富营养化进程。海源N的变异，一方面由于外海营养盐环境的改变，另一方面则是因为区域内大气N沉降的加强。在渤黄海开阔海域的富营养化进程中，入海河水、污水等点源排放影响有限。此外，黄海海域内的大气N沉降部分(43％)导致了渤海的富营养化程度的加剧，揭示出大气N沉降不仅影响沉降的局地，通过洋流输运还有显著的远程效应。全球多数近海系统受入海河流影响较小，水文化学环境受洋流所主导，因而本研究成果对认识近海系统的富营养化问题及其营养盐动力具有重要的启示作用。
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