水母暴发后的消亡对海水环境的影响

发布时间：2017-06-21 20:20

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【摘要】：近年来,中国近海水母暴发频率逐年增加,水母暴发后的消亡对海洋生态环境有重大影响,探明其影响的效应和机制对预警和防治水母生态灾害意义重大。本学位论文聚焦水母消亡与水体环境耦合关系的研究,通过模拟实验阐明了水母消亡过程中水体不同形态碳氮磷的释放特征,揭示了水母消亡中碳氮磷的转化规律,诠释了水母消亡对海水环境的影响途径;阐明了水母消亡过程中水体颗粒态氨基酸与脂肪酸的变化特征,探讨了水母消亡释放的生源要素与氨基酸、脂肪酸的耦合关系;揭示了水母暴发前-暴发中-消亡三个阶段黄东海悬浮颗粒物中氮磷的组成、分布与季节变化特征,探讨了颗粒态生源要素对水母暴发/消亡的响应和对水母丰度的指示意义。获得的主要结果如下:1.揭示了水母消亡对生源要素的释放特征及对水体环境的影响机制,发现不同种类水母释放生源要素的浓度积累存在明显差异。水母消亡伴随的是一个生源要素快速释放的过程,水母消亡时碳、氮、磷的释放速率均在消亡初期最高,水母消亡释放的碳、氮、磷量远高于活体水母的排泄量,水母消亡可导致高碳、高氮负荷。水母消亡释放的溶解态物质远高于颗粒态,溶解态碳、氮、磷分别占总量的51.8-81.9%,86.0-97.9%,53.6-86.3%。水母消亡还可造成水体明显的酸化与低氧,但沉积物具有明显缓冲水体酸化与低氧的作用。水母消亡是持续快速的过程,不同种类水母的消亡存在差异,一般消亡时间为7-14天,消亡过程均有强烈臭味产生。水母释放的生源要素以溶解态为主。溶解有机碳(DOC)的最大净释放速率为103.77±12.6 mg kg-1 h-1,释放量是活体水母的253-288倍。水母释放的溶解态氮以NH4+为主,占总氮(TN)的72.2-75.2%;PO43-与溶解有机磷(DOP)呈此消彼长的变化规律,分别占总磷(TP)的39.3-40.7%与34.9-43.1%。NH4+与PO43-的释放速率分别是活体水母的3-5与8-13倍。颗粒有机碳(POC)的最大净释放速率为1.52±0.37 mg kg-1 h-1,且POC与DOC的释放速率呈极显著正相关。水母释放的颗粒态氮磷以颗粒有机氮(PON)与颗粒无机磷(PIP)为主,分别占总颗粒氮(TPN)与总颗粒磷(TPP)的73.9-95.2%与52.5-83.4%。水母消亡过程中TC/TN比(2.1-3.3)与DC/DN比(1.2-2.9)均小于Redfield比与水母组织中的C/N比(4.3-4.5);TN/TP比(29.5-35.8)与DN/DP比(28.5-69.0)均大于Redfield比与水母组织中的N/P比(22)。水母消亡导致C/N比的减少与N/P比的增加,可导致水体中相对高碳、高氮、低磷环境的出现,造成碳、氮的高负荷,加重海水中碳、氮、磷的不平衡分布。水母消亡均可引发水体p H的降低与溶解氧(DO)的消耗,p H的降幅可达0.77-0.96个单位,最大耗氧量可达7378.9-5550.8μmol kg-1 d-1。沉积物对水母消亡导致的p H与DO的变化具有一定的缓冲作用。2.探讨了水母消亡时颗粒态氨基酸与脂肪酸的释放特征,诠释了颗粒物中氨基酸、脂肪酸与碳、氮变化的耦合关系。水母释放的颗粒态氨基酸以中性氨基酸与酸性氨基酸为主,约占总氨基酸(TAA)的37%与23%;颗粒态脂肪酸以饱和脂肪酸(SFA)为主,约占总脂肪酸(TFA)的67.2%±10.9%。水母消亡使水体中的颗粒态氨基酸组成从基本氨基酸(组氨酸His、精氨酸Arg、赖氨酸Lys)向酸性氨基酸(谷氨酸Glu、天冬氨酸Asp)转变,颗粒态脂肪酸组成从SFA向单不饱和脂肪酸(MUFA)转变。颗粒态TAA与POC、PN均呈显著正相关,颗粒态TFA与POC呈显著正相关,说明水母释放的颗粒态氨基酸与脂肪酸可成为水体生物重要的碳源与氮源。水母消亡时释放颗粒态氨基酸的种类有17种,可补充水体与沉积物中缺失的氨基酸。谷氨酸与天冬氨酸的释放比例较大,分别占TAA的10.7-17.2%与8.8-13.9%,谷氨酸、天冬氨酸与甘氨酸(Gly)是影响总氨基酸趋势的主要氨基酸种类。水母消亡使水体颗粒物中酸性氨基酸(天冬氨酸,谷氨酸)的比重增加了23%,是导致水体p H降低的原因之一。另外,TAA含量与POC、PN均呈显著正相关,说明水母释放的氨基酸是重要的颗粒态碳、氮来源。水母消亡释放的颗粒态脂肪酸有12种,SFA是水母消亡时颗粒态脂肪酸的主要成分,占TFA的57.6-87.4%。SFA比例的减小与MUFA比例的增加说明水母消亡使水体中的脂肪酸组成从SFA向MUFA的转变。软脂酸(16:0)与硬脂酸(18:0)是SFA的主要组成成分,约占TFA的25.2-42.9%与15.0-40.9%;软油酸(16:1ω9)是MUFA的优势成分,约占2.7-17.6%;多不饱和脂肪酸(PUFA)则主要以亚油酸(18:2ω6)为主,约占1.2-1.8%。细菌型脂肪酸BFA(15:0、ISO14:0与18:1ω7)与真菌型脂肪酸FFA(18:1ω9与18:2ω6)的增加,说明水母消亡时微生物的增加。对单体脂肪酸来说,除16:1ω9、18:1ω7、20:0外,其他脂肪酸均与POC呈显著相关,说明颗粒态脂肪酸是POC的重要来源。氨基酸与脂肪酸的释放增加了碳、氮的聚集,脂肪酸的减少、氨基酸的增加以及C/N比的减小,说明水母消亡使水体中颗粒物从富碳向富氮的转变。3.获取了水母暴发前-暴发中-消亡三个阶段黄东海水体颗粒氮、磷的时空变化特征,发现颗粒有机氮(PON)与颗粒无机磷(PIP)是颗粒态氮、磷的优势成分,分别占总颗粒氮(TPN)与总颗粒磷(TPP)的75.7%与67.0%。颗粒态氮、磷高值区的分布主要受江苏沿岸流、长江冲淡水的影响,并与浮游植物及水母的季节变化有关。由于水母消亡的影响,秋季底层颗粒态氮、磷浓度高于其他季节,水母消亡时TPN与TPP输入约为总输入量的15.3%与4.5%,PIN、PIP、PON、POP的输入为总输入量的92.1%、51.3%、12.5%、7.2%,说明水母消亡期颗粒态氮、磷的释放对底层水体中颗粒态氮、磷的输入有重要贡献。黄东海的颗粒态氮主要以PON形式存在,比例远大于颗粒态无机氮(PIN),约占TPN的72.5-77.6%,相反,颗粒态无机磷(PIP)的比例略大于POP,约占TPP的66.3-67.8%,这与水母消亡时释放颗粒态氮、磷的比例一致。从夏季到秋季,颗粒态氮、磷的高值区从江苏沿岸向长江口转移,江苏沿岸流与长江颗粒态物质的输入是颗粒态氮、磷的主要来源。春末夏初,江苏沿岸流输入是颗粒态磷的主要来源,浮游植物是PIN的主要来源,江苏沿岸径流携带黄河三角洲再悬浮泥沙的输入是底层高值区集中在江苏沿岸以及PIP与POP集中在28.5-34°N陆架边缘的主要原因,此时为水母生长初期,丰度较小,对颗粒态氮磷的影响较小。夏季末,颗粒态氮、磷高值区南移到长江口附近,低值区位于东北部外海区域,造成高值区南移的主要原因是夏季长江入海径流量的增加,长江输入是近岸颗粒物的主要来源。表层水体受长江冲淡水的影响,高值区集中在长江口附近区域,底层则仍集中在江苏沿岸至长江口区域,呈略微南移。8月份的颗粒态氮、磷含量略高于6月份,除去受长江冲淡水与江苏沿岸流影响外,还受海洋生物活动的影响,除浮游植物外,8月份是沙海蜇生长旺盛时期,平均生物量为12140 kg km-2,水母排泄颗粒物是颗粒态氮、磷的来源之一。秋季,长江径流量减小,对颗粒物的输入也相对减小,长江口相邻区域表层颗粒态氮、磷浓度均有所降低,但由于长江与杭州湾携带泥沙在近岸迅速沉降,导致长江口附近底层颗粒态氮、磷的浓度有所增加。秋季的初级生产力下降,浮游植物输入的颗粒态氮、磷减少,但秋季底层PON、PIP、POP的含量整体高于其他季节,且水母丰度大的断面底层颗粒态氮、磷含量高于丰度小的断面。秋季黄东海沙海蜇的最大生物量可达2.0×105 kg km-2,此时沙海蜇消亡可达到的TPN、TPP、PON、POP的释放量分别为2.83 mg m-2 d-1、0.67 mg m-2 d-1、2.06 mg m-2 d-1、0.19 mg m-2 d-1,约为颗粒态总输入量的15.3%、4.5%、12.5%、7.2%,可见水母消亡期颗粒态氮、磷的释放对底层水体中颗粒态氮、磷的输入有重要贡献。
【关键词】：水母消亡 环境变化 生源要素 氨基酸 脂肪酸 颗粒态物质 水母
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q958.8;X145
【目录】：

• 致谢4-7
• 摘要7-11
• Abstract11-19
• 第一章 绪论19-44
• 1.1.水母暴发与海洋生态环境的相互关系19-32
• 1.1.1.水母暴发概况19-20
• 1.1.2.水母暴发对海洋生态系统的影响20-23
• 1.1.3.水母暴发的可能影响因素23-32
• 1.2.水母消亡对海洋生态环境的影响32-39
• 1.2.1.水母消亡概况32-34
• 1.2.2.水母消亡对海洋环境的影响34-38
• 1.2.3.水母消亡对海洋生物群落的影响38-39
• 1.3.中国近海水母暴发/消亡研究现状39-42
• 1.3.1.沙海蜇40
• 1.3.2.霞水母40-41
• 1.3.3.海月水母41-42
• 1.4.本论文的选题意义与研究内容42-44
• 第二章 水母消亡的研究方法44-49
• 2.1.水母消亡对海水环境影响的模拟44-45
• 2.1.1.实验设计44
• 2.1.2.样品采集44-45
• 2.2.水母消亡对生源要素的影响机制研究45-46
• 2.2.1.实验设计45
• 2.2.2.样品采集45-46
• 2.3.外海调查46-47
• 2.3.1.采样区域环境特征46
• 2.3.2.样品采集46-47
• 2.4.样品分析47-49
• 2.4.1.碳、氮、磷测定47-48
• 2.4.2.氨基酸与脂肪酸测定48-49
• 第三章 水母消亡对海水环境及氮、磷循环的影响49-66
• 3.1.水母暴发后的消亡现象49
• 3.2.水母消亡期间水质的变化49-52
• 3.2.1.水体p H49-51
• 3.2.2.水体溶解氧51-52
• 3.3.水母消亡对水体中氮、磷循环的影响52-63
• 3.3.1.水体中总氮、总磷的变化52-53
• 3.3.2.水体中颗粒态氮、磷的变化53-56
• 3.3.3.水体中溶解态氮、磷的变化56-59
• 3.3.4.水母消亡时氮、磷的形态组成与比例59-63
• 3.4.水母消亡对海洋生态系统的潜在影响63-66
• 第四章 水母消亡对生源要素释放机制初探66-92
• 4.1.水母消亡时水体环境的变化66-67
• 4.1.1.沙海蜇消亡时水体的直观现象66
• 4.1.2.沙海蜇消亡时水体的p H66-67
• 4.2.水母消亡对水体中碳、氮、磷的释放与补充67-77
• 4.2.1.沙海蜇消亡时颗粒态碳、氮、磷的释放67-71
• 4.2.2.沙海蜇消亡时溶解态碳、氮、磷的释放71-75
• 4.2.3.沙海蜇消亡时C/N比与N/P比的变化75-77
• 4.3.水母消亡时氨基酸的释放特征77-82
• 4.3.1.氨基酸的组成77-79
• 4.3.2.氨基酸的动态变化79-82
• 4.4.水母消亡时脂肪酸的释放特征82-89
• 4.4.1.脂肪酸的组成82-85
• 4.4.2.脂肪酸的动态变化85-89
• 4.5.水母消亡时氨基酸、脂肪酸与碳、氮的耦合关系89-92
• 第五章 黄东海颗粒态的氮、磷及其与水母的耦合关系92-128
• 5.1.研究区水文特征92-96
• 5.2.颗粒态的氮、磷96-122
• 5.2.1.颗粒态氮、磷的组成与比例96-98
• 5.2.2.颗粒态氮、磷的水平分布98-116
• 5.2.3.颗粒态氮、磷的断面分布116-122
• 5.3.颗粒态氮、磷分布与水母的耦合关系解析122-128
• 5.3.1.黄东海中颗粒态氮、磷的来源122-125
• 5.3.2.颗粒态氮、磷对水母暴发不同阶段的响应125-128
• 第六章 结论与创新点128-134
• 6.1.主要结论128-132
• 6.2.研究的主要创新点132-134
• 参考文献134-147
• 作者简介147
• 论文发表与完成情况147

【参考文献】

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1 单秀娟;庄志猛;金显仕;戴芳群;;长江口及其邻近水域大型水母资源量动态变化对渔业资源结构的影响[J];应用生态学报;2011年12期

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本文编号：469853