吴林妮，韦钦胜,2*，辛 明，王明玉，滕 飞，谢琳萍，孙 霞，王保栋,2

（1. 自然资源部 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 崂山实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237）

东海是西北太平洋陆架边缘海之一，其北部与黄海相接，南部经台湾海峡与南海相连，西部承接着长江、钱塘江、瓯江、闽江等河流的输入，东部则通过众多的海峡和水道与太平洋开阔海域进行物质和能量交换（Zhang et al, 2017; Liu et al, 2021）。该海域不仅受黄海沿岸流（Guan,1994; Yuan et al,2008; 韦钦胜等, 2011）、长江冲淡水（毛汉礼等, 1963; Beardsley et al, 1985; 朱建荣等, 2003; Chang et al,2003; Wu et al, 2014b）和浙闽沿岸流（Chen et al, 2009; 曾定勇等, 2012）等沿岸流系/水团的显著影响，还承受着外海水系——黑潮分支（Yang et al, 2012; Zhou et al, 2015; Wang et al, 2016b; Xu et al, 2018）和台湾暖流（翁学传等, 1985; Bai et al, 2004; Qi et al, 2017）入侵的胁迫。黑潮分支和台湾暖流将外海高盐水携入东海陆架，并与沿岸水系相互作用（Chen et al, 1995; Wu et al, 2014a; 杨德周等, 2017），形成了较为复杂的水文动力环境。同时，在地形、风场和潮混合作用下，东海也存在显著的上升流系统，夏季浙江沿岸-长江口海域为典型的上升流区（胡敦欣等, 1980b; 吕新刚等, 2007; Wang et al, 2007; Wei et al, 2021）。上述物理过程可对东海营养盐等生源物质的时空分布格局和输运产生重要影响，并进而作用到生态过程和区域海洋生态系统。

受复杂物理过程的影响，东海营养盐的来源较为复杂，其一方面来自于长江等径流的陆源输入（Tian et al, 1993; 王保栋等, 2002; Wang et al, 2003; 王奎等, 2011; 米铁柱等, 2012; Gao et al, 2012; Liu et al,2016），另一方面还与外海水向东海陆架的入侵密切相关（Zhang et al, 2007a; Zhao et al, 2011; Yang et al, 2013; Li et al, 2014; 董书航等, 2016; Wang et al, 2018; Zhou et al, 2018）。先前研究揭示了长江冲淡水扩展及其季节变化对营养盐输运过程的影响（王保栋等, 1998, 2002; 王奎等, 2011; Liu et al, 2016），并指出黑潮次表层水的北上可向东海携入高营养盐水体（尤其是磷酸盐）（Chen et al, 1996; Liu et al, 2000;宋金明等, 2017; Xu et al, 2020）。研究还显示，长江口-浙江近海是我国赤潮（周名江等, 2003, 2006; 于仁成等, 2007; Zhou et al, 2009）和缺氧（Chen et al, 2007; Zhu et al, 2011; Wang et al, 2016a; 韦钦胜等, 2017）的频发区，并总体对应近岸海域的营养盐高值区。然而，先前对于东海营养盐的研究多集中在长江口、浙闽沿岸和黑潮次表层水影响区等海域，对较大尺度上营养盐空间格局的探讨较少，尚缺乏对春季等过渡季节营养盐分布和输运规律及其与水文、生态过程关系的深入研究。同时，关于春季东海陆架营养盐外源输入及其对生物地球化学过程的调控作用和生态环境响应的认识也不充分。

本文拟利用2017年春季所获取的东海调查资料，通过分析水文要素、营养盐和叶绿素a（Chla）等的空间格局及变化，研究东海的水团格局对营养盐浓度和分布的调控，明晰春季黑潮次表层水的涌升和营养盐跨陆架输运，并在此基础上探讨春季水文过程和营养盐特征对东海初级生产的潜在影响，进而为揭示春季东海营养盐的控制机制奠定基础，并为阐释黑潮次表层水与浙江近海初级生产过程的内在关系及其对赤潮、缺氧的潜在影响等提供科学依据。

1 调查区域与样品采集和分析

1.1 调查区域

基于国家自然科学基金委东海共享航次，搭乘“向阳红18”科学考察船于2017年春季期间进行为期5天（5月18日至22日）的现场调查。观测区域主要涵盖从长江口—杭州湾外南侧到台湾海峡北部的海域，共开展了42站次的调查和取样工作。在断面设计上，于舟山群岛东部设置了30°N断面（S1），同时在浙江外海由北向南布设了4条基本垂直于岸线的断面（S2至S5），并在S1和S2断面之间的远岸区、S2和S3以及S4和S5断面之间的近岸区设置了若干站位。调查区域和断面、站位分布情况如图1所示。

图1 东海水深、调查站位和流系分布Fig. 1 Water depth, stations and general currents in the East China Sea

1.2 样品采集和分析

利用SBE-911 plus温盐深CTD仪（美国）（各传感器均经过计量检定）测定各站位的温、盐度等水文参数，并通过集成在CTD上的24瓶Niskin采水器采集水样。根据水深情况设计标准采水层次，包括表层、10 m层、20 m层、30 m层、50 m层和底层水样（底层与标准层间隔小于3 m时只采集底层水样），用于营养盐、Chla等化学和生物参数的测定。

营养盐水样在现场经孔径0.45 μm的醋酸纤维滤膜过滤后装入聚丙烯瓶，然后放入−20 ℃冰箱冷冻保存。在实验室基于分光光度法（Grasshoff et al, 1999）利用营养盐自动分析仪（QuAAtro39，德国）测定样品，其中，测定亚硝酸盐（NO2-N）采用重氮-偶氮法，测定硝酸盐（NO3-N）采用铜-镉还原法，测定氨氮（NH4-N）采用次溴酸钠氧化法，测定磷酸盐（PO4-P）采用磷钼蓝法，测定硅酸盐（SiO3-Si）采用硅钼蓝法。NO2-N、NO3-N、NH4-N、PO4-P和SiO3-Si的检出限分别为0.02 μmol·L−1、0.02 μmol·L−1、0.04 μmol·L−1、0.03 μmol·L−1和0.25 μmol·L−1。溶解无机氮（Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN）的浓度为NO2-N、NO3-N和NH4-N浓度之和。测定过程中，利用营养盐标准系列（自然资源部第二海洋研究所海洋标准物质中心）制定工作曲线，并插入内标进行质量控制。采集Chla水样后，量取100～500 mL抽滤到Whatman GF/F（直径25 mm, 孔径 0.7 μm）玻璃纤维滤膜上，并将滤膜用铝箔包裹，置于−20 ℃冰箱内冷冻保存；实验室测定时，首先把样品在低温避光条件下经90%丙酮萃取24 h，然后使用荧光计（Trilogy 7200，美国）测定上清液酸化前后的荧光值，最后计算得到样品中的Chla质量浓度。

2 结 果

2.1 温、盐度分布特征

2017年春季调查海域不同水层中温度和盐度的平面分布如图2所示。由图2可知，温、盐度分布均具有明显的空间差异性。具体来看，上层水体中（表层和30 m层）（图2a、图2b、图2d和图2e），东海西部浙江近海为一低温、低盐区，且呈现出由近岸向外海扩展的趋势；调查海域南部存在一高温、高盐水舌，其在由南向北扩展过程中逐渐向东北偏转；调查海域东北部也为一明显的低温区，同时盐度也较南部海域低。底层（图2c和图2f），调查海域南部的高盐水舌（盐度高于34.5，总体呈现出低温的特征）由台湾东北部向西北扩展，并大致沿50～60 m等深线逐渐北上，可影响到浙江近岸海域；调查海域东北部的低温区仍然存在（与表层相比，其温度更低而盐度更高），同时盐度也较南部海域低。浙江外海典型断面S3的温度和盐度分布如图3所示。总体来看，该断面西侧中下层水体呈现出低温、高盐的特征，且存在底层冷水的向岸抬升现象（图3a）；底层冷水的涌升与表层沿岸低盐水的离岸输运相互对应。该断面东侧上层水体中的温度较高，在近底层存在温度层化。同时，断面东侧底层水的温度也较低。

图2 春季东海温度和盐度平面分布Fig. 2 Horizontal distributions of temperature and salinity in the East China Sea during spring

图3 春季东海S3断面温度和盐度分布Fig. 3 Vertical distributions of temperature and salinity along Section S3 in the East China Sea during spring

2.2 营养盐分布特征

2017年春季调查海域各水层中的营养盐分布如图4所示。由图4可知，调查海域西部杭州湾东南—浙江近海的营养盐浓度由表至底均较高，且呈现出由近岸向外海扩展的趋势。调查海域东北部也为一营养盐高值区。调查海域东南部的上层水体（表层和30 m层）中存在一由台湾东北部向西北方向扩展的低营养盐水舌（图4a、图4b、图4d、图4e、图4g和图4h），其与此处的高温（图2a和图2b）、高盐水（图2d和图2e）位置相一致；底层在台湾东北部海域存在一PO4-P高值区（＞0.55 μmol·L−1），并向西北海域扩展（图4f），其与此处的低温（图2c）、高盐水（图2f）总体相对应。典型断面S3的营养盐分布如图5a～图5c所示。总体来看，营养盐浓度由近岸向外海逐渐降低，外海中上层水体中的营养盐浓度整体较低。底层水体中的营养盐浓度较高，且在西侧近岸和东部深水区形成2个营养盐高值核心，其中西部的营养盐浓度高于东部；同时，西侧底层的高营养盐水体总体存在向岸涌升的趋势（图5a～图5c），与此处低温水的抬升（图3a）相对应。

图4 春季东海营养盐平面分布Fig. 4 Horizontal distributions of nutrients in the East China Sea during spring

图5 春季东海S3断面营养盐和Chl a 分布Fig. 5 Vertical distributions of nutrients and Chl a along Section S3 in the East China Sea during spring

2.3 Chl a分布特征

浮游植物Chla各水层平面分布如图6所示。上层水体（表层和10 m层）中，Chla质量浓度总体呈现近岸高、远岸低的分布趋势。具体来看，杭州湾东南—浙江近海的Chla高值区明显（图6a和图6b），与该海域的营养盐高值区位置总体相吻合；调查海域东南部的Chla质量浓度整体较低，其分布与自南向北扩展的高温、高盐水范围（图2a和图2d）较为一致；调查海域东北部存在强度较小的Chla高值区（＞0.4 mg·m−3），其位置与此处的低盐区（图2d）基本对应。20 m和30 m层中（图6c和图6d），Chla质量浓度较上层水体显著降低，且在调查海域中部存在与岸线大致平行的条带状Chla高值区（＞0.4 mg·m−3）；与上层相比，20 m和30 m水层中的Chla高值区位置向远岸移动。典型断面S3的Chla分布（图5d）显示，断面西侧浙江近岸区上层水体中的Chla质量浓度总体较高；东部深水区具有较低的Chla质量浓度，且10～40 m层范围内存在次表层Chla最大值。

图6 春季东海不同水层Chl a（mg·m−3）平面分布Fig. 6 Horizontal distributions of Chl a (mg·m−3) in different layers in the East China Sea during spring

3 讨论

3.1 东海的水团格局对营养盐浓度和分布的影响

流场和水团的格局对营养盐的分布及其空间变化具有重要影响。由各水层的温、盐度分布（图2）可知，春季调查海域主要受东海沿岸水（Li et al, 2006; Chen et al, 2009）、东海北部冷水（胡敦欣等,1980a; 苏育嵩等, 1989; 王刚等, 2010）和外海高盐水（谷国传等, 1994; Yang et al, 2012; Xu et al, 2018）的控制，分别位于调查海域的西部、东北部和东南部。东海沿岸水也被称为浙闽沿岸水（Guan, 1994;曾定勇等, 2012），其在春季呈现出低温、低盐的特征，尤其是在表层（图2a和图2d）。该沿岸水主要由包括长江在内的河流入海的淡水与海水混合而形成。东海北部冷水是冷季黄海沿岸流南下输运的结果（苏育嵩等, 1989; 王刚等, 2010; 赵宇航等, 2022），因其呈现出涡旋的特征而又被称为济州岛西南冷涡或东海北部冷涡（胡敦欣等, 1980a）。该冷水存在于由表至底的各水层（图2a～图2c），其温度由表至底逐渐降低，而盐度却不断升高。外海高盐水则主要受黑潮分支和台湾暖流的影响（Zhang et al, 2007b; Yang et al, 2012; Qi et al, 2014; Zhang et al, 2017; Xu et al, 2018）。由东海的盐度分布（图2d～图2f）也可以看出，调查海域东南部自表至底存在一个从台湾东北部和台湾海峡东北向浙江近海扩展的高盐水舌，其在表层呈现出高温的特征（图2a），在底层则具有低温的特性（图2c）。这在一定程度上分别体现了黑潮表层水和黑潮次表层水的影响。外海高盐表层水除受黑潮影响外，台湾海峡水北上所形成的台湾暖流水也可构成其来源（Liu et al, 2003; Qi et al, 2017）。由温度-盐度点聚图（图7a和图7b）可进一步识别春季调查海域表、底层的水团及其温度和盐度特性。需要指出的是，底层各水团的盐度均较表层有不同程度的升高，这可能与黑潮次表层水（具有更高的盐度）向陆架入侵及其与相邻水团的混合有关，由此提升了底层水体中东海北部冷水和浙闽沿岸水的盐度。

图7 温度-盐度点聚图及PO4-P与盐度之间的关系Fig. 7 Temperature-salinity plot and relationships between PO4-P and salinity

根据东海营养盐的空间分布，并结合上述针对调查海域内水团格局的分析，可知：浙江近海的营养盐高值区是浙闽沿岸水影响的结果；调查海域东北部的高营养盐水体与黄海沿岸流的南下输运和东海北部冷水有关；调查海域东南部表层营养盐低值区与寡营养盐的外海表层水相对应，而该海域底层的高PO4-P水体则主要受黑潮次表层水向东海陆架入侵的影响。东海表层水体中PO4-P与盐度之间的相关关系（图7c）以及DIN和SiO3-Si与盐度之间的关系（图略）也进一步证实，营养盐浓度总体随着盐度的升高而降低，浙闽沿岸水和东海北部冷水具有相对较高的营养盐浓度。同时，相关性分析还显示，在底层盐度高于34.5的黑潮次表层水影响区，PO4-P浓度与盐度呈现出一定的正相关关系（图7d），与之相比，DIN和SiO3-Si与盐度之间的关系不明显（图略）。这一结果表明黑潮次表层水可向东海陆架输送PO4-P。由此可见，春季黑潮次表层水向东海内陆架的入侵对营养盐的空间格局（尤其是PO4-P）具有重要影响。需要指出的是，东海远岸区上层和底层分别受高温外海表层水和低温黑潮次表层水的影响，于下层水体中形成了一定强度的温跃层（图3a），阻挡了底层高营养盐水体向上层的输送。同时，浙闽沿岸水和外海高盐表层水的交汇趋于形成SW—NE向的温、盐度锋面（图2a和图2d）（He et al, 2016; Cao et al, 2021; 刘东艳等, 2022），该锋面作为一条屏障可在一定程度上阻碍高营养盐水体由近岸向远岸的扩展。因此，东海远岸区上层水体中的营养盐浓度总体维持在较低的水平。

3.2 黑潮次表层水涌升和营养盐跨陆架输运

跨浙江近海的S3断面温、盐度垂直分布显示，该断面西侧底层存在一低温、高盐水体（图3）。分析东海底层温、盐度的平面分布（图2c和图2f）可知，这一低温、高盐水是由黑潮次表层水向东海内陆架的扩展和入侵所致。调查海域南部S5断面的观测结果（图8a和图8b）可进一步印证此现象：在断面东侧靠近台湾东北部的深水区，60 m层以下存在一低温、高盐区。该低温、高盐水位置总体对应台湾东北部陆架边缘的黑潮次表层水源区（Hsueh, 2000; Yang et al, 2011, 2018）。图5a～图5c和图8c还显示，S3断面西侧和S5断面东部中、下层水体中均有一营养盐高值区，且与低温、高盐水（图3和图8a、图8b）的位置总体一致。同时，对比分析发现，由南（S5断面）（图8）向北（S3断面）（图3、图5a～图5c）底层的低温、高盐、高营养盐水体具有向近海涌升的趋势，其中S3断面西侧底层的高营养盐水体可影响到浙江近岸海域的上层（图5a～图5c）。在此基础上结合底层温、盐度的观测结果（图2c和图2f），可进一步刻画出春季黑潮次表层水向东海的跨陆架输运过程：其由台湾东北部向西北涌升至东海陆架，并沿50～60 m等深线逐渐向北，至浙江近海后通过上升流影响到上层水体。由此形成了春季黑潮和东海进行物质交换的一个重要输运通道，这也是杭州湾东南—浙江近海底层高盐水（图2f）形成的重要原因。黑潮次表层水自台湾东北部向东海的涌升和入侵，不仅显著影响了东海的温、盐度场和流场分布，而且可向内陆架海域输送一定的营养物质（尤其是PO4-P），图7d可证实这一现象。由此可知，春季杭州湾东南—浙江近海上层海域的营养盐除来自于沿岸水的携带外，也与黑潮次表层水涌升所引起的垂向输送密切相关。

黑潮次表层水涌升和由此引起的跨陆架输运还显著影响着东海的营养盐结构。春季东海底层的N/P值分布（图9a）可进一步证实这一现象：外海黑潮次表层水影响区的N/P值显著低于西侧的东海沿岸水和北侧的东海北部冷水。相关性分析（图9b）也显示，在底层盐度高于34.5的黑潮次表层水影响区，N/P值与盐度呈现出一定的负相关关系，其中高盐端的N/P值约为14。该结果表明黑潮次表层水源区具有低N/P值的特征。相比之下，东海沿岸水中的DIN浓度（图4a～图4c）和N/P值（图9a）较高。因此，黑潮次表层水向东海内陆架的入侵和涌升不仅可形成PO4-P的重要来源，而且对调节东海异常高的N/P值具有重要的作用。这也与之前的研究结果（Chen et al, 1996; Liu et al, 2000;Wang et al, 2007; Zhang et al, 2007a; Yang et al, 2013; Wang et al, 2018）一致。

3.3 水文过程和营养盐特征对Chl a分布的影响

调查资料显示，杭州湾东南—浙江近海上层水体中的Chla质量浓度较高（图6a和图6b），与该海域的营养盐高值区位置（图4a、图4b、图4d、图4e、图4g和图4h）总体一致；东侧深水区上层水体中的Chla质量浓度较低，对应营养盐低值区。同时，典型断面S3的Chla质量浓度垂直分布（图5d）还表明，断面西侧上层海域中的Chla质量浓度较高，深水区则存在次表层Chla质量浓度最大值现象。上述Chla的分布特征与营养盐和水体光照条件的空间格局密切相关。其中西侧近岸海域的营养盐浓度总体较高，但由于近岸水体的透光性较弱，因此趋于上层形成最大值；东侧深水区的透光性增强，但中、上层水体中的营养盐浓度较低，无法满足浮游植物的快速生长，此时Chla高值往往在次表层（营养盐和光照的平衡点）出现。这也是由近岸向外海Chla高值所在深度总体上逐渐加深（图5d）的重要原因，并由此导致20 m和30 m层中的Chla高值区位置较表层和10 m层向远岸移动（图6）。

Chla的空间分布和浓度变化反映了营养盐、光照等环境因子对海洋浮游植物生长的综合影响。春季浙江近海的Chla高值区（图5d和图6a、图6b）在一定程度上预示了东海赤潮的潜在发生。春季东海赤潮发生时，随着营养盐的不断吸收和利用，浙江近海的PO4-P会呈现被消耗殆尽的趋势。然而，黑潮次表层水向东海内陆架的入侵和涌升可带来持续不断的外源PO4-P。S3断面温度（图3a）和营养盐（图5a～图5c）分布清晰指示了黑潮次表层水在浙江近海涌升（产生上升流）并引起营养物质垂向输送的现象。受此影响，在浙江近海对应形成了Chla的高值区（图5d），这在一定程度上显示了黑潮次表层水涌升对初级生产的影响。相关模拟结果也显示，暖季黑潮次表层水可向浙江近海输入可观的磷营养盐，进而对近岸海域的赤潮暴发产生潜在影响（Yang et al, 2013; Xu et al, 2020）。本研究结果进一步表明，该动力过程及其生态影响在春季就已显现。此外，由于黑潮次表层水主要由底部向东海陆架入侵，再加之入春后东海上层水体的增温作用，跃层也开始形成（图3）。此时，跃层附近的水体稳定度较高，且具有适宜的温度和营养盐，可为浮游植物的生长繁殖提供良好的场所。考虑到黑潮次表层水在近岸海域的显著抬升，上混合层变浅，因此浙江近海的Chla高值较东部深水区也更接近海表（图5d）。S4断面各要素的分布（图10）也可进一步证实上述现象。该断面西侧富含PO4-P的黑潮次表层水涌升对应形成了近海表的Chla高值区；相比之下，断面东侧海域的温跃层较深，上混合层中的营养盐浓度也较低，因而在次表层形成强度较弱的Chla最大值现象。需要指出的是，黑潮次表层水入侵所引起的营养盐结构调整（图9a）也可在一定程度上影响东海的初级生产过程。根据先前的相关研究（Tseng et al, 2014），具有适宜N/P值的水体能够通过上升流调制上层水体中浮游植物的生长繁殖。由此可见，春季东海黑潮次表层水涌升对近岸海域的Chla分布和初级生产具有重要的调控作用。

图10 春季东海S4断面温度、PO4-P和Chl a分布Fig. 10 Vertical distributions of temperature, PO4-P and Chl a along Section S4 in the East China Sea during spring

4 结论

基于2017年春季所获取的东海水文、化学和生物调查资料，分析了营养盐的空间分布和该海域水团格局对其的调控，明晰了东海营养盐的跨陆架输运，并在此基础上探讨了水文过程和营养盐特征对Chla分布及初级生产的潜在影响，主要结论如下。

1）春季东海的流场和水团格局对营养盐的分布及其变化具有重要影响。浙江近海的营养盐高值区是浙闽沿岸水影响的结果；调查海域东北部的高营养盐水体与黄海沿岸流的南下输运和东海北部冷水有关；调查海域东南表层的营养盐低值区与寡营养盐的外海高盐水扩展相对应，而该海域底层的高PO4-P水体则主要由黑潮次表层水输运所致。

2）春季源自台湾东北部的黑潮次表层水存在向东海陆架的入侵，其不仅改变了东海的温、盐度场和流场分布，而且可向内陆架海域输送PO4-P等营养物质，并由此形成了黑潮和东海之间一个重要的跨陆架物质输运通道。同时，黑潮次表层水入侵也可在一定程度上调节东海陆架的N/P值。

3）黑潮次表层水向东海内陆架的入侵和涌升可在浙江近海形成上升流，使具有适宜N/P值的富PO4-P水体能够被输送至上层，从而促进近岸海域上层水体中浮游植物的生长，并对应形成Chla的高值。该过程对维持浙江近海的初级生产过程具有重要的作用。

致谢：本研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目（项目批准号：41649902 ） 的资助。 该航次（航次编号：NORC2017-02)由“向阳红18”号科考船实施，在此一并致谢。