渤海夏季海水磷酸盐年际时空演变

2013-03-20石强

海洋通报 2013年4期

石强

（1.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛 266033；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033；2.海洋溢油鉴别与损害评估技术国家海洋局重点实验室，山东青岛 266033）

磷元素是陆地、海洋生态系统中的重要营养元素之一，氮磷钾元素的适宜比例是所有生物组织发育中的必要条件（Vos et al，2011）。磷元素在以矿藏形式，经过多种复杂的化学、生物、动力过程最终沉积在海洋沉积物中，这种磷循环的年运移通量目前仍不完全清楚（Compton et al，2000）。磷元素基本以溶解态和颗粒态的形式存在于海洋中，其中活性磷酸盐在海洋光合作用中起到关键作用，磷的利用也影响到海洋、大气的碳循环过程（Paytan et al，2007）。海洋中磷的源汇过程主要有：大陆风化作用、人类排放、海洋沉积、大气尘降等。最近研究表明，在世界海洋中的磷限制情况比先前认为的更加普遍（Vaulot et al，1996；Cotner et al，1997；Fisher et al，1999； Krom1 et al，2004；Thingstad et al，2005）。

近三十年来，我国经济的快速发展，使得渤海近海污染状况加重，严重污染海域主要集中在渤海三湾和部分城市近岸海域（刘学海，2010）。黄河和辽河属于输入渤海的主要磷酸盐排放源（国家海洋局北海分局，2009）。通过对流域排海污染物的治理，环渤海大型河流的入海污染物数量有所减少，2009年大辽河入海污染物总量比2006年减少了2.24 万吨，减少50%以上（辽宁海洋与渔业厅，2009）。2008年黄河携带入海的营养盐和COD 污染物质较上年有一定幅度减少（山东海洋与渔业厅，2008）。但是，近二十多年的调查表明，渤海海水中氮磷比例升高，磷限制状况出现，对渤海浮游植物群落结构的变化造成重要影响（于志刚等，2000；曲克明等，2002；王继龙等，2004；刘浩等，2007；郑丙辉等，2007；宫少军等，2009；阚文静等，2010）。

根据1978-2011年渤海断面历年8月份海水活性磷酸盐监测资料，对断面海水磷酸盐年际时空结构变化过程进行研究，将有助于对渤海活性磷酸盐年际变化过程的认识和对渤海海洋生态系统的保护。

1 材料与方法

1.1 渤海磷酸盐监测资料

渤海断面10 个站位分布在渤海南北方向主轴位置。国家海洋局北海环境监测中心在1978-2011年历年8月份对海水表、底层活性磷酸盐（PO4-P）监测（其中1982年、1993年各站缺测，使用各站点临年内插值），分析方法按照规范方法进行（国家质量监督检验检疫总局等，2007），断面站点位置图1。

图1 渤海断面站位

1.2 分析方法

1.2.1 旋转经验正交函数（REOF）方法

旋转经验正交函数（REOF）方法是经验正交函数（EOF）方法的改进。EOF 分析方法是一种分析矩阵数据中的结构特征和提取数据主要时空特征量的方法。Lorenz 在20 世纪50年代首次将其引入气象和气候研究（Lorenz，1956），现在海洋和其他学科中得到了广泛的应用（Jolliffe，2002；吴洪宝等，2010；石强等，2001；石强等，2011）。

EOF 方法可以反映分析域整体时空主要变化，当需要关注分析域变量局地时空结构时，采用旋转经验正交函数（REOF）是一个适宜的方法（Jolliffe，2002）。REOF 方法是在保持EOF 前K 个主成分的总方差不变情况下，进行最大方差正交变换，使变换后的空间型对原变量的方差贡献差异增大，以反映原变量中的局部结构，第K 个特征值方差贡献用REOFk（%）表示。REOF 详细讨论见吴洪宝等（2010）。

1.2.2 Pearson 相关系数与非线性相关系数

当两个随机变量服从二元正态分布时，其线性相关关系可由Pearson 积矩相关系数描述，简称Pearson 相关系数，值域范围-1～1。在使用Pearson相关系数时，二元正态分布假设十分重要。对于非正态分布的样本计算该相关系数值可能导致完全错误的结论（陶澍，1994）。因此，除有特别说明以外，本文所有参与计算延迟关系分析的变量均通过了信度0.001 正态分布检验。

非线性相关系数（广义相关系数）定义：可解释的变差与总变差比值，值域范围0～1，其中可解释变差计算中采用二阶多项式拟合两个变量。当多项式最高阶数由2 降低为1 时，非线性相关系数退化为线性相关系数（斯皮格尔等，2002）。

2 结果与讨论

2.1 磷酸盐年际变化

对磷酸盐值进行年际方向边界一阶、内部二阶Shapio 滤波（Shapiro，1970），以消除短期噪声。然后绘制表底层海水活性磷酸盐浓度年际分布图2 和图3。

图2 表层磷酸盐分布（单位：μmol·dm-3）

1978-2011年渤海夏季断面表层海水磷酸盐浓度变化0.02～0.68 μmol/dm3。渤海夏季断面表层海水磷酸盐高浓度出现在辽河口和黄河口附近，大型河口磷酸盐排放效果明显。1978-1980年、1996年和2000年辽河口海域出现过高浓度磷酸盐，但是向辽东湾内的影响范围比较小，由于辽河口海域夏季表层海流以气旋型向辽东湾流动为主（魏皓等，2001；魏泽勋等，2003），因此，分析渤海中部表层磷酸盐浓度不是由于辽河口磷酸盐排放影响。黄河口海域的海水磷酸盐高浓度值出现在1979年、1992年和2005年，黄河口海域海水高浓度磷酸盐向渤海中部扩散的范围较小，这是由于夏季黄河口海域，表层海流以沿岸方向流动和反气旋型流动为主（魏皓等，2001；魏泽勋等，2003），自黄河口进入渤海的磷酸盐主要受海流携带在黄河口附近沿岸流动扩散为主，垂直黄河口岸线方向的渤海中部受到的影响较小。分析资料期间，渤海断面表层海水磷酸盐浓度从高向低渐变，在2006-2011年期间渤海断面表层海水磷酸盐浓度出现最低情况。渤海中部海水磷酸盐主要受到冀东沿海水体的影响（刘浩等，2007），自2007年以后该海域表层磷酸盐浓度持续降低（图2）。

图3 底层磷酸盐分布（单位：μmol·dm-3）

1978-2011年渤海夏季断面底层海水磷酸盐浓度变化0.03～0.87 μmol/dm3。断面海底深度是W 形状，断面中部存在两个海底凹地，北侧凹地（A1）水深约29 m，南侧凹地（A2）水深约25 m（图4）。由于底层海水交换缓慢以及底层磷酸盐海水-沉积物交换作用（宫少军等，2009），使得断面底层海水磷酸盐浓度在两个凹地海域出现磷酸盐高浓度存积效应，在1990-1998年2 个凹地都存有浓度较高的磷酸盐水体，特别是北侧凹地（A1）海域。辽河口磷酸盐输入对底层海水影响主要在1978-1980年。1990-1998年期间，底层海水磷酸盐浓度均高于表层，2004-2011年期间，表层海水磷酸盐浓度进一步降低，底层海水的磷酸盐浓度也迅速降低，2 个凹地的高浓度磷酸盐水体存积效应减小（图3）。

图4 渤海断面海底深度分布

经正态分布检验，表层磷酸盐有2年不符合正态分布（2007年、2010年），底层磷酸盐有1年不符合正态分布（1983年）。对于正态分布年份用平均值，非正态分布用中位数表示年份磷酸盐大小特征统计量（陶澍，1994）。近34年来，渤海夏季断面表底层海水磷酸盐平均浓度年际变化呈现波动形趋势减小，并且具有显著的线性趋势减小，线性减小速率底层稍大于表层（图5）。

图5 断面表底层磷酸盐浓度平均值和中位数以及趋势线

2.2 磷酸盐年际时空变化

采用Shapio 滤波后的磷酸盐资料距平值进行REOF 分析，取EOF 分析前3 个特征值（方差总贡献为：表层89%、底层88%）做REOF 分析并讨论。对REOF 模态时间分量进行5 项高斯型低通滤波处理，减小短期噪声干扰。

2.2.1 表层海水磷酸盐年际变化时空特征

根据REOF 空间分量的大值分布，表层磷酸盐时空分布可以分成3 种模态：河口型（黄河口、辽河口）、辽东湾型和开阔海型（渤海中部和辽东湾）。

表层海水磷酸盐河口型模态（REOF1：35%）的空间分量高值在黄河口和辽河口，在渤海中部空间分量量值很小，该模态反映河口排放效应对表层海水磷酸盐浓度年际空间变化（图6a）。辽东湾型模态（REOF2：30 %）空间分量大值在辽河口海域，并向辽东湾外延伸逐渐减小，在渤海中部空间分量量值很小。该模态主要表示在辽东湾夏季环流作用下，辽河口排放磷酸盐向湾外输送扩散的表层磷酸盐浓度的年际空间变化状况（图7a）。开阔海型模态（REOF3：24%）空间分量大值在渤海中部和辽东湾海域，在黄河口和辽河口附近海域空间分量很小，该模态表示开阔海域表层海水磷酸盐年际空间变化，这种变化形态与河口排放无直接关系（图8a）。

图6 表层磷酸盐第一模态（a 空间分量，b 时间分量）

图7 表层磷酸盐第二模态（a 空间分量，b 时间分量）

图8 表层磷酸盐第三模态（a 空间分量，b 时间分量）

表层磷酸盐河口型和开阔海型模态时间分量具有显著的线性减小趋势（图6b、图8b），开阔海型线性减小速率最大；辽东湾型模态时间分量有线性减小趋势，但是未通过显著性检验（图7b）。最大熵谱分析结果：河口型模态显著年际变化周期是13.6年，辽东湾型是7.6年和17.0年，开阔海型是6.8年和22.7年。表层磷酸盐辽东湾型与开阔海型的显著周期在7年左右比较一致，对于长周期变化，局地效应显著，长周期值差异大。

2.2.2 表层磷酸盐时空响应位相差

采用延迟相关分析方法，对表层磷酸盐3 个模态时间分量位相差进行分析。首先对3 个模态时间分量成对序列a、b 构建延迟数组x、y，即：

x 滞后y 数组

x 超前y 数组

其中：L 是延迟步长（取0～12），m 是原始数据长度（m=34），然后计算成对延迟数组的Pearson 相关系数与非线性相关系数。经过检验，所有参与延迟分析的数组符合（信度0.001）正态分布。

开阔海型（第三模态）与河口型（第一模态）延迟线性相关系数和非线性相关系数峰值在9年，图9。

开阔海型（第三模态）与辽东湾型（第二模态）延迟线性相关系数峰值在5年，非线性相关系数峰值在10年，图10。

渤海中部与黄河口海域之间由于夏季海流系统的特点，阻断了黄河口入海磷酸盐自表层直接向渤海中部输送（刘浩等，2007），夏季黄河口入海磷酸盐信号要经过漫长的环流过程才能显现在渤海中部，从延迟相关分析结果看，这个过程大约需要9年左右（图9）

图9 表层REOF 第三模态-第一模态延迟相关系数

图10 表层REOF 第三模态-第二模态延迟相关系数

渤海磷酸盐有显著的季节循环过程，但是河口海域与开阔海域的磷酸盐季节循环有单峰、双峰形态不同（刘浩等，2007）。这是由于海水环境中磷的再生速度快于氮（主要是铵盐）（Ryther et al，1971；张平等，2001），磷在参与浮游植物生长过程被消耗后可以很快的再生，海域氮磷比值的不同也影响到浮游植物生长对磷的吸收（刘浩等，2007）。渤海表层磷酸盐模态中时间分量8年左右显著周期与渤海夏季断面表层水温EOF 第二模态时间分量显著周期接近（石强等，2011），说明夏季开阔海域表层磷酸盐浓度与夏季表层水温年际变化有密切关系。由于海水磷酸浓度受到多种因素的显著影响，季节循环周期中可能出现长周期变化分量。渤海中部与辽东湾之间存在有利的磷酸盐海流运移条件（刘浩等，2007），因此，开阔海型模态与辽东湾型模态之间出现5年的滞后相关（图10）。

夏季海流、水温、浮游植物生消以及磷酸盐再生、排放、季节循环变异等年际变化过程对上述显著延迟相关信号的物理化学过程，还需要进一步研究。

2.2.3 底层海水磷酸盐年际变化时空特征

根据REOF 空间分量的大值分布，底层磷酸盐时空分布可以分成3 种模态：河口型（黄河口、辽河口）、辽东湾型和开阔海型（渤海中部和辽东湾）。

底层海水磷酸盐河口型模态（REOF1：44%）空间分量最大值在黄河口海域，较小值在辽河口海域，在渤海中部最小，该模态主要表示由河口排放磷酸盐在黄河口、辽河口海域年际变化（图11a）。辽东湾型模态（REOF2：27 %）空间分量最大值在辽河口，较小值在辽东湾海域，该模态主要表示辽河口排放磷酸盐在辽东湾夏季环流作用下向湾外输送扩散的底层磷酸盐年际变化（图12a）。开阔海型模态（REOF3：17 %）空间分量最大值在渤海中部和辽东湾海域，在黄河口和辽河口分量很小，该模态表示与河口排放无关的开阔海域底层磷酸盐年际变化（图13a）。

图11 底层磷酸盐第一模态（a 空间分量，b 时间分量）

图12 底层磷酸盐第二模态（a 空间分量，b 时间分量）

底层磷酸盐河口型和开阔海型模态时间分量具有显著的线性减小趋势（图11b、图13b），河口型线性减小速率最大；辽东湾型模态时间分量为准平衡年际变化（图12b）。最大熵谱分析结果：河口型模态显著年际变化周期是6.2年和13.6年，辽东湾型是4.3年、8.5年和22.7年，开阔海型是4.9年、7.6年和22.7年。辽东湾型与开阔海型各显著周期值比较接近。

图13 底层磷酸盐第三模态（a 空间分量，b 时间分量）

2.2.4 底层磷酸盐时空响应位相差

采用与前节相同的方法，分析了底层海水磷酸盐3 个模态时间分量位相差。

开阔海型（第三模态）与河口型（第一模态）延迟线性相关系数峰值在8年，非线性相关系数峰值在3年和8年（图14）。

开阔海型（第三模态）与辽东湾型（第二模态）延迟线性相关系数峰值在3年，非线性相关系数峰值在滞后3年和超前5年（图15）。

图14 底层REOF 第三模态-第一模态延迟相关系数

由于夏季黄河口与渤海中部之间海流系统的阻断作用（刘浩等，2007），使得两个海域底层磷酸盐要经过较长时间（8年）的环流过程才出现线性相关信号（图14）。

夏季底层磷酸盐辽东湾模态时间分量显著周期与夏季底层水温EOF 第一、二模态时间分量显著周期（5.3年和10.7年）接近（石强等，2011），与水温有关的底层磷酸盐水-沉积物交换过程（宫少军等，2009），以及有利的夏季海流输送作用（刘浩等，2007），使得开阔海型与辽东湾型底层磷酸盐年际变化位相差显著相关最小延迟时间小于表层（图15）。

图15 底层REOF 第三模态-第二模态延迟相关系数

夏季海流、水温、水-沉积物交换季节循环变异和磷酸盐沉积等过程对3 个模态的底层磷酸盐年际变化的影响作用，需要进一步研究。

3 结论

（1） 1978-2011年渤海夏季断面海水磷酸盐浓度年际变化呈现波动形减小，年平均磷酸盐浓度线性趋势减小速率底层稍大于表层。2004年以后，渤海中部磷酸盐浓度显著减小。

（2）渤海夏季断面海水表底层活性磷酸盐年际时空变化有3 种模态：河口型、辽东湾型和开阔海型，其中河口型和开阔海型模态年际变化有显著线性降低趋势，辽东湾模态年际变化为准平衡年际变化。

（3）在河口型模态中，底层磷酸盐年际变化线性减小速率大于表层。在开阔海型模态中，表层磷酸盐年际变化线性减小速率大于底层。

（4）渤海夏季磷酸盐3 种模态之间存在数年的延迟相关关系，夏季海流、水温、浮游植物生消以及磷酸盐再生、排放、季节循环变异、海水-沉积物交换、磷酸盐沉积等过程年际变化与3 种时空模态表底层磷酸盐年际变化位相延迟相关分布有关。

备注：本文荣获2012年中国环境科学学会年会“光大国际优秀论文奖”一等奖，本刊发表有修改。

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