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跟踪富营养化海沉积物中色素的变化趋势

Małgorzata Szymczak-Żyła ^a，马格达莱纳Krajewska ^a,

亚历山德拉Winogradow ^a，Agata Zaborska ^a，Gijs D. Breedveld ^b,

Grażyna Kowalewska ^a,*

总结在两个不同的沿海地区 - 格但斯克湾（波罗的海南部）和Oslofjord / Drammensfjord（挪威） - 都受到人类压力和与邻近海域的有限水交换的富营养化进行了调查和比较。 在12个采样点采集沉积物岩心（长达20厘米），采用岩心取样器，在两个区域各取6个样品，并分成子样品。 在采样期间测量表征邻近水柱和近底水的物理化学参数，即盐度，氧浓度和温度。 对于所有样品测定了叶绿素-a，-b和-c，它们的衍生物和选定的类胡萝卜素，以及表征沉积物的附加参数，即C_组织，N_合计，d¹³C和d¹⁵N，粒度。 ²¹⁰Pb活性，并在此基础上估算沉积物混合和积累速率。 沉积物中色素的分布与环境条件，采样点位置和沉积物特征有关。 结果与格但斯克湾富营养化增加的观察结果一致，尤其是自1970年代以来，而在同一时期，Oslofjord则下降了。 Oslofjord沉积物中的颜料比格但斯克湾的颜料更好地保存。 结果表明，chlorofigments-a in的总和根据沉积物干重计算的沉积物是富营养化的有价值的测量方法，只要监测点选择得当，即沉积物为缺氧/缺氧和非混合沉积物。 结果与先前的观察结果一致，即特定叶绿素a衍生物在氯色素总和中的百分比a是流域环境条件的通用标记。 可以将氯化色素b和叶绿素c与氯色素总和a（SChlns-b / SChlns-a; Chls-c / SChlns-a）的比率分别用作淡水和海洋有机物质输入的补充标记。

关键词

富营养化; 颜料; 标记; 沉积物; 波罗的海; 挪威峡湾

介绍

富营养化是影响全球许多沿海地区的最重要问题之一（例如， Bianchi等，2010; Chen等人，2001; Fleming-Lehtinen等，2015; 赫尔辛基委员会， 2007; Li等，2013; Orive等人，2002）。 它发生在高营养浓度引起的高生产力的水生盆地中（Edlund等，2009; Harmon等人，2014年）。 藻类和蓝细菌（包括产生毒素的浮游植物物种）的强烈绽放，随后沉积和积累的高速率以及限制水交换导致富营养化，这表现为沉积物和近底水中的缺氧/缺氧（Conley等人，2011; HYPOX，2016）。 氧耗竭抑制底栖生物的生长 - 这在层状沉积物的形成中被反应（Reuss等人， 2005; 赵等人，2012）。 像黑暗和低温一样，缺氧可以防止沉积物中有机质的再矿化（Hedges和Keil，1995年).

尽管与富营养化有关的大量知识及其在底部沉积物上的印记，但仍然不容易对其进行定量评估，分析其在盆地中的趋势并将其在不同位置进行比较。 许多替代品已被应用于这种现象，包括有机化合物 - 主要是颜料。 这些是叶绿素-a，类胡萝卜素及其衍生物。 水中的叶绿素-a作为初级生产的标志是众所周知的，并已在海洋学中用于此目的超过50年（例如 比安奇和 Canuel，2011; 杰弗里和曼图拉，1997年）; 这同样适用于其衍生物（Bianchi等，1997，2002a，b; 木匠 等人，1988）。 然而，水体中的叶绿素a浓度在时间和空间上经常变化，而沉积物中的氯化物a（叶绿素a及其衍生物）已被证明是盆地平均初级生产的良好指标（Bianchi等人，2002a，b; Harris等人， 1996; Stephens等人，1997; Szymczak-Żyła等人，2011年）。 特定的沉积叶绿素a衍生物可以作为同沉积和沉积后环境条件的标记（Szymczak-Żyła等人，2011年）。 不仅氯化色素而且类胡萝卜素在沉积物中作为化学分类学和生物量标记进行监测; 实际上，beta;-胡萝卜素被认为是比藻类叶绿素a更好的总藻类生物质替代物（Dixit等，2000; Leavitt，1993; Schuuml;ller等人， 2013）。 许多论文集中在近年和旧的沉积物中的氯化色素和类胡萝卜素，主要是在湖泊中（例如， Hodgson等人，2004; Leavitt等，1997; McGowan等人， 2012; Moorhouse等，2014; Pienitz等，1992）。 颜料也在货架区域被追踪（Chen等人，2001; 里 等，2012,2013; Louda等人，2000; Shankle等人，2002;WAM Sampere等人，2008），在美国的大河口（Canuel等人，2009; Chen等人，2005; Edlund等，2009; Wysocki等人，2006）和亚洲（Li等人，2011; 赵等人， 2012），在新西兰的峡湾（Schuuml;ller和Savage，2011年）和南极洲海岸外（Santilde;eacute;等，2013）。 相比之下，欧洲沿海地区沉积物中的颜料写出的论文并不多Bianchi等，1996; 布尔乔亚 等人，2011; Reuss等人，2005; Tselepides等人，2000年），在波罗的海沉积物中甚至更少（Bianchi等人，2002a， b; Kowalewska，1997; Kowalewska等人，2004; Reuss等人， 2005; Savage等人，2010; Szymczak-Żyła和Kowalewska， 2007），尽管多年前富营养化和缺氧已成为这个海域的问题（Conley等，2009; HELCOM，2007年).

沉积物中的颜料浓度取决于不同的因素，与（1）初级生产和沉积，（2）色素稳定性和（3）沉积物中的沉积后条件有关。 由于衰老，氧化，食草动物放牧或细菌降解（例如， Bianchi等，1988; Louda等，1998,2002; Spooner等，1994a，b; Szymczak-Żyła等人，2006; Welsch- 梅耶和洛伦岑，1985年）。 特定因素对色素含量的影响在不同地点可能不同，因此，根据沉积物中的色素替代物来比较不同地区的富营养化程度或判断富营养化趋势Leavitt，1993; Reuss等人，2005).

这项工作的目的是比较格但斯克湾（波罗的海南部）和Oslofjord / Drammensfjord（挪威）的不同水域的富营养化状况及其趋势。 这两个水体在盐度，地貌和水混合程度上有所不同，但都与邻近的海域有限的水交换，并且都受到人类压力。 通过分析近期沉积物中与近底水环境条件以及沉积物特征（包括积累速率，沉积物混合，粒度分布，碳氮含量，即参数和相关因素）相关的色素含量富营养化。

1. 材料与方法

2.1研究领域

2.1.1格但斯克湾

格但斯克湾（图。1，面积4940公里²）是波罗的海南部的一部分（Majewski，1990）。 相邻格但斯克 - 索波特 - 格丁尼亚城市（gt; 120万居民）在海湾地区具有相当大的人为影响。 此外，格但斯克湾每年从该地区淡水收到约39公里³（平均流量1240米^3-1）的淡水维斯瓦河（维斯瓦河）（Pastuszak和Witek，2012年），相当于格但斯克海域总量的13％。 威斯拉河的集水区覆盖波兰面积的约54％（170公里²），该国居民中约有60％（波罗的海集水区人口的27％）居住，河流本身积累工业，市政和农业用水的污染物; 营养素尤其重要。 维斯瓦水域进入海湾的营养物质和有机物质导致初级生产量增加，加上格但斯克湾有限的水交换，导致富营养化（IMGW，2013; Witek等人，1999).

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格但斯克湾的深度（平均 - 59米;最大 - 118米）从浅海岸带向海面增加。 海湾地表水域的盐度不等4.5位于维斯瓦口附近，位于盆地深部的北部，为8。 在其较深的地区（格但斯克深水区），发生了水的垂直分层现象，导致在60-80米深的海底线，将较深的盐水（12.5）与较低的盐水分开。 由于垂直水交换是有限的，最深处的底水是缺氧/缺氧（Conley等，2009; IMGW，2013）。 在北海和丹麦海峡的寒冷和含氧充足的海水的间歇性低温事件中，氧气条件得到改善。 进入波罗的海的这种强烈入侵每隔几年发生一次，通常在深秋或冬季（HELCOM，2013; Mauml;lkki和Perttilauml;，2012; Mohrholz等，2015）。 就沉积物特征而言，水文条件和底部地形对这个浅水盆地有很强的区分作用。 就这样海湾地区的沉积物从海岸附近的粗砂到格但斯克深处的粉质粘土都不相同。 这和潮汐的缺乏使得海湾成为研究强烈受淡水输入影响的海洋环境中富营养化的特殊自然模式盆地IMGW，2013).

图1 采样点的位置：（a）格但斯克湾和（b）奥斯陆峡湾/德拉门斯峡湾。

2.1.2奥斯陆峡湾/ Drammensfjord

Oslofjord（挪威南部）是Skagerrak向北约100公里的延伸段（图。1）。 它被一个狭窄的声音划分为内外峡湾，水深19.5米（Droslash;bakSound）。 Oslofjord内部由两个主要盆地组成：Vestfjord和Bunnefjord，两者的最大水深约为160 m，在水深约50 m处由一个基岩隔开。 两个峡湾盆地都包含一些较小的半封闭盆地。 奥斯陆峡湾的底部地形限制了内陆峡湾的深水交换和更新。 水体与微咸的地表水和海底水分开。 深水更新发生在冬季，强烈偏北风（Hess等人，2014）。 与尼日利亚人口密度最高和工业化地区接壤的内部微米区域，特别是在上个世纪，已经收到了大量的废水和营养物质。 由于这一点以及不同盆地之间的有限水交换，几个盆地发展了贫氧的底层水条件（戴尔等人，1999年）。 1970年左右，奥斯陆峡湾内部的营养负荷达到最大值; 从那以后它大大减少了，大多数盆地的氧气条件正在慢慢改善（Hess等人，2014).

外部的奥斯陆峡湾与Drammensfjord相连，其长度为20公里，宽度为1.6-3.0公里。 它在大斯洛维克与大奥斯陆峡之间被一个门槛分开，斯维尔维克大约在1900年左右从6至8米的深度疏浚（Smittenberg等人，2005）。 自19世纪以来，德拉门峡湾的氧化还原电线已经在纸浆和造纸工业有机材料的增加以及流域内不断增加的人口和更加集约化的农业之后进入更浅的水深（Alve，1991）。 1899年首先检测到氧耗尽，1933年6月存在H₂SOuml;ztuuml;rk，1995; Smittenberg等人，2005）。 目前每3〜5年发生一次海水入侵，主要发生在11月至5月之间，使一些缺氧底部水域向上移动（Alve，1995a; 理查兹，1965年）。 氧化还原线最浅的位置发生在20世纪70年代末至80年代初，当时它位于30-35米水深处马格努松 和Naelig;s，1986）。 1988年，随着工业的关闭和政府法规的实施，北部水深约35米，南部约60米，深部缺氧沉积物和浅部有氧沉积物ALVE， 1995b）。 最近由地方当局进行的研究（2008 - 2011年德拉门峡湾监测， NGI，2010）表明，深水溶解氧水平从2004/2005年 - 将基台疏浚至12米深度后，从缺氧状态增加到一段充满氧气的时期。 来自Drammen河的淡水（排水面积17 000 km²，平均流量300 m³s^-1）在其头部进入峡湾时会产生咸水表层（盐度1-10，取决于季节），与40米深度以下的盐水底层水（30.5）分离。 河调节了过去60年来到峡湾的年度淡水供应，减少了春季灌溉的影响并增加了冬季供应。 这将冬季最低淡水供应量从冬季转移到夏末，从而增加了夏季地表水的停留时间（Smittenberg等人，2005).

样品采集

在格但斯克湾的六个站点和Oslofjord / Drammensfjord的六个站点收集了沉积物（图。1; 表格1）。 选择格但斯克湾的台站以覆盖研究区内广泛的环境条件，即不同的水深，盐度，氧浓度，沉积物类型和距海岸线的距离。 选定的四个电台--P110，P116，M1和P1 - 位于维斯瓦水域内，位于格但斯克海峡深处。 另外两个台站位于海湾浅海西部的普克湾（Puck Bay）表格1）：位于海湾中部的BMPK10站和P104靠近Hel城镇，这是一个娱乐和体育中心，在Hel半岛的尖端附近集中使用航道和强劲的水流。

Oslofjord / Drammensfjord的站点也被选中，以便获得许多与公海距离，盐度，氧气浓度和人体压力不同的位置（图。1; 表格1）。 两个电台位于德拉门峡湾：A在峡湾和B中间更接近斯维尔维克。 其他四个台站位于Oslofjord内部：位于Vestfjord最南端最深处的C站，以及Bunnefjord的D，E和F站。 D站位于Bunnefjord的最深部和最南部，E站位于较浅的部分，F站距离奥斯陆港最近。

在2014年4月（在格但斯克湾）和2014年6月（在挪威峡湾），两艘游轮“大洋洲”收集了沉积物。 在格但斯克湾的Niemistouml;核心取样器和挪威峡湾的GEMAX双核取样器采集了沉积物样品; 同时

案例核心直径F = 10厘米。 每个站点收集了八个核心。 收集后立即拍摄所有核心（附

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