2013年夏季渤海環(huán)境因子與葉綠素a的空間分布特征及相關性分析

張瑩，王玉玨，王躍啟，劉東艷

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室，山東　煙臺　264003；2.中國科學院大學，北京　100049）

2013年夏季渤海環(huán)境因子與葉綠素a的空間分布特征及相關性分析

張瑩1，2，王玉玨1，王躍啟1，劉東艷1

（1.中國科學院煙臺海岸帶研究所海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室，山東煙臺264003；2.中國科學院大學，北京100049）

通過對2013年7月渤海海域26個站點溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽及葉綠素a（Chl a）濃度的空間分布特征及其相關性進行了分析，發(fā)現：受渤海水深和夏季陸源河流輸入影響，近岸水域表現出明顯的高溫、低鹽與高營養(yǎng)鹽特征，且垂直變化特征不顯著；在水深較深的遼東灣灣口和渤海海峽，海水呈現明顯的層化現象，表層水溫高于中底層，而表層鹽度與營養(yǎng)鹽濃度則低于中底層。營養(yǎng)鹽結構分析表明，渤海夏季磷酸鹽濃度存在顯著的絕對與相對限制，而受河流輸入影響，硅酸鹽的相對限制得到顯著緩解。表層Chl a濃度的高值區(qū)位于灤河及復州河河口附近海區(qū)，中層與底層的高值區(qū)則出現在灤河與黃河口附近。Chl a濃度與環(huán)境因子的相關性分析表明，鹽度、磷酸鹽與硅酸鹽的濃度、氮磷比、氮硅比是影響Chl a濃度空間分布的重要因素，且溫度還影響到Chl a濃度的垂直分布。

渤海；葉綠素a；環(huán)境因子；主成分分析

渤海是我國唯一的內海，曾經是多種魚、蝦、蟹、貝類的產卵、索餌與育幼場所，但在區(qū)域性氣候變化和高頻度人類活動疊加產生的多重壓力影響下，渤海生態(tài)系統發(fā)生了令人擔憂的變化，整體生態(tài)“荒漠化”趨勢加重，嚴重影響了其服務功能和可持續(xù)性（Lin et al，2001；Ning et al，2010；侯玉忠，2003；唐啟升，2006）。

已有的研究表明，大量的氮營養(yǎng)鹽輸入，使得渤海富營養(yǎng)化問題嚴重，營養(yǎng)鹽結構呈現顯著變化，磷酸鹽與硅酸鹽的限制加重 （Yu et al，2001；Liu et al，2011）。在高氮磷比或高氮硅比條件下，甲藻對硅藻具有明顯的競爭優(yōu)勢，從而可能導致浮游植物群落結構從硅藻占優(yōu)，轉變?yōu)楣杓自迓摵蟽?yōu)勢（孫軍等，2002；郭術津等，2014），進而引起有害甲藻赤潮的增多。如：根據國家海洋局海洋環(huán)境狀況公報，僅2013年，渤海就發(fā)生13次赤潮，累計面積多達1 880 km2，其中甲藻赤潮9次（中國國家海洋局，2013）。此外，近年來的觀測顯示，受河流輸入和氣候變化的影響，渤海夏季溫鹽結構較歷史資料發(fā)生較大變化，鹽度有升高趨勢（吳德星等，2004）。這些環(huán)境因子的綜合變化，都可能成為夏季赤潮頻發(fā)的誘因。

因此，綜合分析渤海夏季浮游植物與環(huán)境因子的空間分布關系，并與歷史資料形成比較，對于及時了解浮游植物與環(huán)境變化的響應關系具有重要意義。本研究通過搭乘2013年基金委渤海夏季公開航次，利用反映浮游植物現存量的指標葉綠素a（Chl a），以及海水溫鹽與營養(yǎng)鹽數據，綜合分析了葉綠素a濃度與環(huán)境因子的時空分布特征及相互關系，以期為渤海夏季赤潮高發(fā)現象提供研究思路與資料。

1　研究區(qū)域和方法

2013年7月搭乘國家基金委公開航次在渤海開展了溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽和Chl a的取樣調查工作。調查區(qū)域涵蓋了渤海中部、渤海海峽、遼東灣灣口、渤海灣灣口及萊州灣灣口5個斷面共計26個站點的表層、中層與底層水樣，具體站位布設如圖1所示。

圖1　調查站點及水深

溫度和鹽度的數據來自船載CTD（Seabird 911）。每個站位設表、中、底3層，表層水樣取自水深3 m左右海水，中、底層依據實際水深設定。CTD采集的水樣分別用于Chl a和營養(yǎng)鹽濃度的測定。其中，3個1 L的平行水樣經GF/F濾膜（Whatman，47 mm）過濾后，濾膜避光冷凍保存于-20℃下，用于Chla濃度的測定，結果取平均值。另取250 mL水樣經0.45 μm醋酸鈉纖維濾膜過濾，濾液于-20℃下冷凍保存，用于營養(yǎng)鹽濃度的測定。航次結束，樣品帶回實驗室后即進行相關測定工作。

Chl a濃度的測定采用紫外-可見分光光度法。將濾膜剪碎，用90%的丙酮在4℃下提取24 h，4 000 r轉速下離心10 min，取其上清液用于Chl a濃度測定。用紫外-可見分光光度計（TU-1810），分別于波長750 nm、664 nm、647 nm、630 nm下測定其吸光值。Chla的濃度計算方法采用公式（1） （Lorenzen，1967；Jeffrey et al，1975）最終結果以μg/L表示。

其中，E750、E664、E647、E630分別代表750 nm、664 nm、647 nm和630 nm波長下的吸光值，V丙酮代表萃取劑90%丙酮的體積（mL），V水樣代表海水的過濾體積（L）。

溶解態(tài)無機營養(yǎng)鹽濃度利用營養(yǎng)鹽自動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，Germen）測定，包括硝酸鹽（-N）、亞硝酸鹽（-N）、氨氮（-N）、磷酸鹽（DIP）和硅酸鹽（DSi）。-N采用水楊酸鈉顯色法，其他營養(yǎng)鹽的測定方法主要參照《海洋調查規(guī)范》 （GB/T 12763.4-2007） （中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2007）：-N經銅鎘還原后采用重氮-偶氮顯色法；-N采用重氮-偶氮顯色法；DIP采用磷鉬藍法；DSi采用硅鉬藍法。溶解無機氮（DIN）經計算而得，為-N、-N和-N之和。

對渤海表層25個站點、中層24個站點、底層23個站點（其他站點因部分因子缺失去除）的Chla濃度和環(huán)境因子數據進行了主成分分析（PCA）（Lep? et al，2003），所得結果的前2個主成分軸均可解釋總體變量的85%以上，據此分別得到表、中、底層的PCA排序圖。

2　結果與討論

2.1溫度（T）與鹽度（S）的空間分布特征

圖2a-c為渤海水溫空間分布特征。調查期間水溫范圍為5.57℃～24.9℃；其中，表層平均水溫為20.8℃，中層為16.6℃，底層為15.1℃。渤海水溫的空間變化與地形和水深有密切關系，多數研究資料表明 （黃大吉等，1996；周峰等，2009），夏季在渤海海峽、遼東灣灣口可以形成層化現象（水深>30 m）。研究也證實了這一特點：萊州灣灣口及渤海中部水深較淺處，水溫垂直變化較??；而渤海海峽、渤海灣灣口及遼東灣灣口水深較深，水溫垂直變化顯著。同時，夏季陸地氣溫及徑流水溫高，徑流輸入導致黃河口和灤河口附近海區(qū)水溫明顯高于其他海區(qū)。

圖2d-f為渤海鹽度的空間分布特征。調查區(qū)域內鹽度范圍為25.1～31.5；其中，表層平均鹽度值為29.4，中層為30.0，底層為30.2。黃河入?？诟浇尸F出一個向東北方向延伸的低鹽水舌，表層尤為明顯，顯示了夏季黃河淡水輸入對該區(qū)域鹽度的影響；渤海海峽附近的鹽度較高，顯示了此處受到黃海高鹽水的影響（魏澤勛等，2004）。

圖2　調查海區(qū)海水溫度（T）和鹽度（S）的空間分布特征

2.2營養(yǎng)鹽濃度的空間分布特征

圖3a-c為DIN濃度的空間分布特征。調查區(qū)域內DIN濃度范圍為1.05～17.1 μmol/L；其中，中（6.27 μmol/L）、底層（6.29 μmol/L）平均濃度高于表層（5.80 μmol/L）。在水平分布上，DIN濃度呈現出渤海中部偏渤海灣與萊州灣側高于遼東灣口與渤海海峽的特點。

圖3d-f所示為DIP濃度的空間分布特征。調查區(qū)域內DIP濃度最低值低于檢出限，最高值為0.11 μmol/L；其中，底層（0.04 μmol/L）平均濃度略高于表層（0.03 μmol/L）與中層（0.03 μmol/L），垂直變化不顯著。在水平分布上，底層高值區(qū)位于遼東灣灣口東部海區(qū)及渤海海峽附近；表層高值區(qū)位于萊州灣灣口東部海區(qū)，最高值可達0.09 μmol/L；中層分布相對均勻，渤海西北部海區(qū)濃度略高。

圖3g-i所示為DSi濃度的空間分布特征。調查區(qū)域內DSi濃度范圍為0.22～2.54 μmol/L；其中，底層平均濃度 （0.98 μmol/L） 高于中層（0.84 μmol/L）與表層（0.82 μmol/L）。水平分布上，3層DSi濃度高值區(qū)均集中在黃河口附近，而渤海海峽附近海區(qū)濃度較低。

圖3　調查海區(qū)溶解無機氮（DIN）、磷酸鹽（DIP）和硅酸鹽（DSi）的空間分布特征

本次調查中，營養(yǎng)鹽的空間分布特征與以往調查相似，夏季河流輸入，尤其黃河水輸入對海區(qū)營養(yǎng)鹽有重要補充作用，是渤海氮和硅的重要來源（Yu et al，2001；Zhang et al，2004）。3種營養(yǎng)鹽濃度均呈現出中、底層平均濃度高于表層的特征，說明渤海沉積物向上覆水中釋放出一定比例營養(yǎng)鹽。Liu等（2011）研究發(fā)現，渤海沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放在全年可達到河流輸入的2～3倍。然而，在夏季，沉積物向上層水體的輸入受海水層化的影響，垂直交換速度可能慢于冬季。

本次調查結果顯示 DIP濃度較以往結果（Wang et al，2009；石強等，2013；王文濤等，2013）偏低，而同期研究結果（王麗莎等，2015）也表明2013年夏季渤海中部呈現低DIP濃度的特征，尤其是表層海水（＜0.1 μmol/L）。分析其原因可能為：一方面，黃河輸入對渤海DIP補給少，陳沛沛等（2013）研究發(fā)現黃河下游水域中DIP的濃度不高（＜0.1 μmol/L），可以推斷黃河水輸入對渤海DIP濃度的貢獻相對較??；另一方面，可能與浮游植物生長大量消耗有關，結合2.4部分分析也發(fā)現Chla與DIP呈顯著負相關，同時對比以往同期研究（趙騫等，2004；郭全，2005），發(fā)現2013年夏季Chla濃度（3.04 μg/L）顯著高于2000年夏季（0.96 μg/L）及2002年夏季（1.53 μg/L），因此高Chla值對應的高浮游植物生物量對海區(qū)DIP消耗也可能是造成DIP低值的重要因素；再者，沉積物中DIP再釋放是一個緩慢過程（Liu et al，2011），這也可能是導致海區(qū)低DIP濃度的一個重要原因。

2.3營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的可能限制作用

海水營養(yǎng)鹽結構在控制海洋浮游植物的生長和海洋初級生產力等方面起著相當重要的作用（Patsch et al，1997）。近年來渤海的營養(yǎng)鹽水平及結構發(fā)生了很大變化，DIN含量上升，DIP及DSi含量下降，并由此引起磷限制與硅限制的現象（蔣紅等，2005；于志剛 等，2000；闞文靜等，2010；謝琳萍 等，2012）。本研究依據Redfield（1958）、Nelson等（1990）、Justic等（1995b）提出的浮游植物生長化學計量和可能的營養(yǎng)鹽限制因素參考值（表1），對渤海營養(yǎng)鹽限制狀況進行了判斷。

表1　營養(yǎng)鹽限制因素判定參考值

結果如表2和圖4所示（其中表層P1、M5，中層P5，底層P1站點處DIN/DIP值過高，均大于1 000，已在圖中用▲單獨標明）。參照營養(yǎng)鹽相對限制判定標準，調查區(qū)域存在DIP與DSi的絕對限制與相對限制，但是不存在DIN限制。在調查的26個站位中，表層有13個站點存在DIP相對限制，有2個站點存在DSi相對限制；中層有15個站點存在DIP相對限制，有1個站點存在DSi相對限制，底層有16個站點存在DIP相對限制，有2個站點存在DSi相對限制。對比2012年春季調查結果（劉麗雪等，2014），發(fā)現夏季硅限制情況較春季有所緩解，這可能是因為夏季豐水期陸源輸入補充了海區(qū)的DSi含量，從而緩解了海區(qū)的硅限制狀況。盡管依據化學計量營養(yǎng)鹽判定參考值，發(fā)現調查海區(qū)不存在DIN的限制，但確切的結論尚需進一步結合相關培養(yǎng)實驗確定。例如，1998-1999年對膠州灣的研究中發(fā)現，根據判定標準（表1），表層水體不存在DIN限制，但現場添加實驗發(fā)現同時添加氮與磷的實驗組浮游植物生長情況最好，表明DIN對浮游植物生長可能存在實際限制（王勇等，2002）。在渤海灣的加富實驗研究也表明，盡管調查海區(qū)不存在DIN限制，但增加硝酸鹽含量仍造成了Chl a濃度和浮游植物細胞密度的升高（穆迪等，2012）。

表2　調查海區(qū)營養(yǎng)鹽限制狀況

2.4Chl a濃度的空間分布特征及環(huán)境因子的相關性分析

圖5a-c所示為調查海區(qū)內Chl a的空間分布特征。調查海域內Chl a的濃度范圍為0.96-7.75μg/L；其中，表層Chl a平均濃度（3.53±1.74 μg/L）高于中（3.01±1.42 μg/L）、底層（2.60±1.44 μg/L）。高值區(qū)位于灤河及復州河河口附近海區(qū)，表明了陸源河流的營養(yǎng)鹽輸入和低鹽度對海區(qū)浮游植物生長的促進作用（孫軍等，2003；傅明珠等，2009）；黃河口附近Chl a濃度并非最高，其原因可能是由于夏季調水調沙導致該海區(qū)呈高渾濁度，浮游植物的生長受光限制所致（畢乃雙等，2010；劉曉彤等，2012）；低值區(qū)位于渤海中部及渤海海峽。Chl a濃度的垂直分布明顯受到水深的影響。在水深較深的遼東灣口與渤海海峽，底層Chl a濃度明顯低于表層，顯示了光限制的影響（鄭國俠等，2006；沈國英等，2010）。

圖5　調查海區(qū)Chla的空間分布特征

圖6a-c所示為將Chl a濃度與T、S、DIN、DIP及DSi的濃度及結構數據進行主成分分析（PCA）的結果。排序圖結果表明：表層鹽度與Chla呈正相關，中、底層水體中鹽度與Chl a濃度空間分布呈顯著負相關關系。表層結果可能受到黃河口附近低鹽度與低Chl a特征的影響，但整體來看，夏季渤海河流輸入與Chl a濃度呈正相關關系。張志峰等（2012）對渤海營養(yǎng)鹽與赤潮發(fā)生的時空耦合分析也表明，夏季河流攜帶營養(yǎng)鹽入海通量的高低與赤潮發(fā)生的面積及頻率呈顯著正相關。在中、底層，Chl a濃度顯示了與T的正相關關系，表明夏季層化區(qū)域對下層浮游植物生長有限制作用。

此外，3層水體中的Chl a濃度均與營養(yǎng)鹽的結構或濃度表現出顯著相關。相對于DIN和DSi，Chl a濃度與DIP均呈顯著負相關，表明DIP的供應不能滿足夏季浮游植物的快速生長，DIP始終處于快速消耗狀態(tài)。張志峰等（2012）特別指出江河輸入的DIP總量影響了渤海赤潮發(fā)生的空間和規(guī)模。對比近年來在渤海夏季開展的調查（趙騫等，2004；郭全，2005；謝琳萍等，2012），也證實磷酸鹽的限制作用在夏季明顯大于硅酸鹽。

圖6PCA排序圖

3　結論

2013年夏季渤海海區(qū)的綜合調查表明，夏季河流輸入對渤海溫鹽結構、營養(yǎng)鹽與Chl a濃度有顯著影響。鹽度、營養(yǎng)鹽濃度與結構是控制渤海Chl a濃度時空分布的主要因素。夏季河流輸入對硅酸鹽的補充顯著，緩解了其對浮游植物的生長限制，但對磷酸鹽的補充作用不明顯。

致謝：感謝 “東方紅2號”科考船對海上作業(yè)的支持；感謝2013年夏季基金委共享航次（41249901）為本文提供的溫鹽數據支持；感謝全體采樣和測定人員及其提供的幫助。

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（本文編輯：袁澤軼）

Spatial distribution and correlation of environmental factors and chlorophyll a concentrations in the Bohai Sea during the summer of 2013

ZHANG Ying1,2,WANG Yu-jue1,WANG Yue-qi1,LIU Dong-yan1

（1.KeyLaboratoryof Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation,Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences;Yantai 264003,China;2.Graduate Universityof Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

Spatial distribution of seawater temperature,salinity,nutrient concentrations and Chlorophy a(Chla)concentrations from 26 stations in the Bohai Sea during July of 2013 were analyzed.The results showed that the water depth and river discharge in summer resulted in the high seawater temperature,low salinity and high nutrient concentrations together with the unobvious vertical variations in the coastal area of the Bohai Sea.However,in the deeper area such as the Liaodong Bay and the Bohai Strait,vertical gradients in the seawater were found with higher seawater temperature,lower salinity and nutrient concentrations in the surface water compared with the middle and lower water.The nutrient structure showed obvious absolute and relative limitation of phosphate in the Bohai Sea in summer.The supplement of silicate from river discharge relieved the relative limitation of silicate.High Chlaconcentrations of the surface seawater were found close to the Luan River and the Fuzhou River mouth,and high Chlaconcentrations of the middle and lower water were found close to the Luan River and the Yellow River mouth.The correlation analysis between Chlaconcentrations and environmental factors indicated that salinity, phosphate and silicate concentrations,ratios of dissolved inorganic nitrogen(DIN)to phosphate,and ratios of DIN to silicate were factors related to the spatial distribution of Chlaconcentrations.Seawater temperature also could affect the verticalvariations of Chlaconcentration.

Bohai Sea;environmental factors;chlorophylla;Principal Components Analysis

P734.4+3

A

1001-6932（2016）05-0571-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.011

2015-06-11；

2015-10-27

中國科學院戰(zhàn)略先導研究項目（XDA11020405）；國家自然科學基金面上項目（41376121）；山東省自然科學杰出基金（JQ201414）；國家基金委共享航次基金（41249901）。

張瑩（1991-），女，碩士研究生，主要從事海洋藻類生態(tài)學研究，電子郵箱：zhying0825@163.com。

劉東艷，研究員，理學博士，電子郵箱：dyliu@yic.ac.cn。