北黄海－渤海表层沉积物中浮游植物生物标志物的分布特征及指示意义＊

王星辰，邢 磊＊＊，张海龙，李 莉

（中国海洋大学1.海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室2.海洋有机地球化学研究所，山东 青岛266100）

近几十年来由于工业、农业和生活污水的注入，渤海环境和营养盐水平发生了很大变化。在1960—1996年期间，渤海总无机氮浓度和N∶P升高，而活性磷酸盐浓度、硅酸盐浓度和Si∶N降低[1]。浮游植物群落中甲藻数量增加，成为渤海海域的优势藻种[2]。在北黄海由于Si、P营养盐限制，导致甲藻成为了该海域的优势藻种[3]。与此同时，在1960—1997年期间，渤海海水表层温度以0.01℃·a－1的速度上升[4]。1982—2006年期间，黄海海水表层温度上升了0.67℃[5]。因此，北黄海和渤海的水文及化学环境正在发生急剧变化，而这种变化对浮游植物生产力和群落结构造成了影响。

前人对渤海和北黄海生态系统的变化进行了初步研究。结果表明，在1959—1998年期间，渤海初级生产力水平呈现下降趋势[6]。1992—1993年与1982—1983年相比，渤海的硅藻和甲藻生物量都降低了，但硅藻生物量降低的幅度明显高于甲藻[1]。对北黄海36°N断面的调查结果显示，在1983—1986年期间，黄海的优势藻种是硅藻，在1996—1998年期间，黄海的优势藻种变成了甲藻[3]。以上研究为了解渤海和北黄海生态结构的变化提供了基础数据，但这些数据的时间尺度短，且调查区域有限，不足以揭示渤海和北黄海生态结构的变化规律。由于观测资料时空尺度的限制，生态系统变化记录重建成为研究生态环境变化的必需手段。已有研究者利用多种指标重建了渤海－北黄海的古生产力，包括有机碳通量[7]、底栖有孔虫属种及组合分布[8]等。但这些指标都存在着一定的缺陷，例如总有机碳含量（Total organic carbon，TOC）包括陆源和海源有机质，用其重建海洋古生产力信号可能存在偏差，在陆源物质输入高的边缘海的应用尤其受到限制。因此要获得生态系统重建的准确结果，应该采用多种不同的指标来进行研究。

生物标志物方法作为一种较新的研究手段，其含量与比值的变化被广泛用于总生产力或者某一种浮游植物生产力与群落结构变化的重建。已有研究者利用这一方法在我国东海[9－10]和南海[11]重建了浮游植物生产力变化。色素生物标志物记录显示近几十年来长江入海口呈富营养化趋势[9]。类脂类生物标志物的记录揭示南海北部冰期时生产力高于间冰期[11]。对东海和南黄海表层浮游植物生物标志物的研究发现，硅藻、甲藻和颗石藻生物标志物可以指示海洋浮游植物生产量，是海源有机质的良好指标[12－13]。本文通过测定北黄海－渤海表层沉积物中几种主要浮游植物生物标志物，得到浮游植物生物标志物含量分布特征及含量比值变化，并与现代海洋调查结果对比，为使用生物标志物来重建北黄海－渤海过去浮游植物生态结构提供基础验证数据。目前研究表明菜子甾醇主要来源于硅藻[14]，甲藻甾醇主要来源于甲藻[15]，并认为只有颗石藻属能够产生直链烯酮。本文选用的生物标志物包括：以菜子甾醇（B）指示硅藻；甲藻甾醇（D）指示甲藻；长链烯酮（A）指示颗石藻。

1 调查海区及分析方法

1.1 调查海域

渤海是一个半封闭的陆架浅海，总面积77 000km2，是中国4个边缘海中坡度最小的海区，平均水深约18m[16]。黄河是流入渤海河流中的最大的河流，输水量为420×108m3·a－1，输沙量为10×108t·a－1[17]。北黄海是被辽东半岛东岸至朝鲜半岛西北海岸所环抱的海湾。沿岸岛屿较多，海底起伏不平，并由北向南（向北黄海中部）缓倾斜，水深在50m以内[18]。北黄海流系主要包括黄海暖流余脉和沿岸流系，基本流向终年比较稳定，流速皆有夏弱冬强的变化。黄海暖流及其余脉北上，而黄海沿岸流南下，形成气旋式的流动[19]。北黄海水团主要是沿岸水团和黄海中央水团，沿岸水团特征是盐度终年较低、海水混浊、温度盐度的季节变化大；黄海中央水团由进入大陆架浅海的外海水与沿岸水混合后形成的混合水团，夏半年会明显地分为上下两层，上层为高温、低盐水；下层为低温、高盐水，称为黄海冷水团，两者之间出现明显的跃层。北黄海冷水团中心位置较稳定，约位于北黄海中部偏西，水深大于50m范围内[20]。通过2011年6月国家基金委开放航次，在东方红2号调查船上用箱式采样器采得沉积物样品，其中0～3cm为表层沉积物样品。渤海中部泥质区和北黄海中部泥质区的沉积速率较小，沉积速率在0.1～0.4cm/a之间，靠近黄河口的站位沉积速率最高，在1cm/a左右[21]。因此，表层沉积物样品时间尺度大概在3～30a之间。

1.2 分析方法

TOC的测定过程是将冷冻干燥后的沉积物样品研磨后装入玻璃瓶，向样品中逐滴添加4mol·L－1的HCl，至最后一次加入HCl无气泡冒出，静置小许后，震荡、超声、离心、去除上清液，加入超纯水，震荡、离心，去除上清液，重复数次直到用pH试纸检测上清液呈中性。将样品放入烘箱中，55℃烘干，烘干后放入干燥器中平衡24h后研磨使其均质化。称取适量样品，用CHN元素分析仪（Thermo Flash 2000）测定其TOC和TN的含量，其比值为C/N。TOC和TN的测定标准偏差分别为±0.02%（n＝6）和±0.002%（n＝6）。

生物标志物的测定分为样品预处理和上机分析2个过程。将表层沉积物样品经冷冻干燥后进行研磨，准确称取5g左右，装入50mL teflon样品瓶中，加入40μL 由 19－醇、24－氘烷组成的内标和50μL C46－GDGTs内标，用二氯甲烷－甲醇（3：1）混合溶剂超声萃取4次，提取液经6%的氢氧化钾－甲醇（质量比）溶液碱水解，室温放置过夜；然后用正己烷萃取4次得总有机质，过硅胶柱分离，正己烷洗脱得到烷烃组分，5%的甲醇－二氯甲烷混合溶剂洗脱得到正构醇、甾醇和烯酮组分。含有浮游植物生物标志物的中性组分经氮吹富集、衍生化处理后上机分析。对处理好的样品用气相色谱（Agilent 6890N）定量分析。所用色谱柱为 HP－1（50m），GC的初始炉温设为80℃，其程序升温过程为：以25℃·min－1升至200℃，4℃·min－1升至250℃，1.8℃·min－1升至300℃，5℃·min－1升至310℃并保持5min。氢气为载气，流速1.3mL·min–1。生物标志物的含量，由其峰面积与内标峰面积对比计算得到。

2 结果与讨论

2.1 生物标志物含量分布

北黄海－渤海表层沉积物中TOC的分布如图2A所示。样品中TOC的变化范围在0.04%～1.34%之间，在北黄海中部与黄海中部泥质区北部存在高值区。将实验结果与北黄海－渤海地区的表层沉积物的粒度[22－23]比较，发现TOC含量分布与粒度分布存在着密切的相关关系。在渤海中部、北黄海中部和黄海中部泥质区北部表层沉积物粒度小的区域TOC含量高；在渤海东部和北黄海东北部表层沉积物粒度相对较大的区域TOC含量低。北黄海－渤海表层沉积物中的TOC与表层沉积物的粒度相关，说明了水动力影响北黄海－渤海表层沉积物中的沉积有机质分布，这与前人在渤海区域做的TOC分布结果相符[24]。

菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮的含量分布如图2B、C、D所示，菜子甾醇的含量变化范围为48～1 658 ng/g，甲藻甾醇的含量变化范围为45～2 647ng/g，长链烯酮的含量变化范围为0～1 360ng/g。从这3种生物标志物的分布图上可以看出，表层沉积物中浮游植物生物标志物的含量分布与TOC含量分布有大致相同的趋势。在渤海中部泥质区、北黄海中部泥质区和黄海中部泥质区北部区域，这3种生物标志物的含量明显高于渤海东部和北黄海东北部砂质区。这一结果表明粒度效应对该海域沉积物中浮游植物生物标志物的含量分布的影响。

图2 北黄海－渤海表层沉积物中总有机碳和浮游植物生物标志物含量分布Fig.2 Distribution of TOC and Phytoplankton biomarkers content in surface sediments ofthe North Yellow Sea and the Bohai Sea

为了消除沉积物粒度和沉积速率对菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮这3种生物标志物含量分布的影响，将3种生物标志物分别与TOC做比值（见图3）。菜子甾醇/TOC的含量变化范围为586～5 606ng·g－1，甲藻甾醇/TOC的含量变化范围为186～4 178ng·g－1，长链烯酮/TOC的含量变化范围为0～1 087ng·g－1。图3显示菜子甾醇/TOC、甲藻甾醇/TOC、长链烯酮/TOC的分布与菜子甾醇、甲藻甾醇、长链烯酮的含量分布有明显的差异。将菜子甾醇/TOC的分布与现代北黄海浮游硅藻丰度的研究结果[25]进行了比较，发现菜子甾醇/TOC与浮游硅藻丰度有着大致相同的分布趋势。在辽东半岛南岸海域，菜子甾醇/TOC与浮游硅藻丰度都存在高值区；而在北黄海其他海域，菜子甾醇/TOC与浮游硅藻丰度值都相对较低。将甲藻甾醇/TOC的分布与现代北黄海浮游甲藻丰度的研究结果[25]进行了比较，发现甲藻甾醇/TOC与浮游甲藻丰度有着大致相同的分布趋势。在北黄海北部，甲藻甾醇/TOC与浮游甲藻丰度都存在高值区；在北黄海其他海域，甲藻甾醇/TOC与浮游甲藻丰度值都相对较低。这一结果表明，研究海域表层沉积物中的菜子甾醇和甲藻甾醇这两种生物标志物的相对含量基本可以用来指示上层水体中浮游硅藻和甲藻这两种藻类的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影响不能直接用来指示硅藻和甲藻的分布。

图3 北黄海－渤海表层沉积物中浮游植物生物标志物含量与TOC比值分布Fig.3 Distribution of TOC－based proxies in surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

2.2 浮游植物生物标志物比值的变化

图4A、B、C分别是菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮在北黄海－渤海的相对比例变化分布图。这3种生物标志物的相对比例可分别指示硅藻、甲藻和颗石藻在北黄海－渤海的相对贡献变化。从图4A可以看出，在整个研究海域内硅藻在渤海的相对贡献明显高于北黄海，在渤海海域内硅藻在黄河口及山东半岛沿岸区域的相对贡献明显高于渤海中部海域。以往的研究表明，由于河流的输入，渤海沿岸海域的硅酸盐浓度比渤海中部海域的高[26－27]。研究也表明渤海硅酸盐浓度高于北黄海[27]。高浓度硅有利于硅藻的生长[28]，所以在山东半岛沿岸附近及黄河口附近硅藻的相对贡献明显高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相对贡献明显高于北黄海。从图4B可以看出，甲藻的相对贡献分布与硅藻的相对贡献分布正好相反，在北黄海甲藻的相对贡献明显高于渤海，在渤海中部海域甲藻的相对贡献明显高于山东半岛沿岸附近及黄河口附近。这与同一海域内甲藻与硅藻对营养盐的竞争有关，在硅藻相对贡献较高的渤海区域甲藻相对贡献较低，而在硅藻相对贡献较低的北黄海区域甲藻相对贡献较高。高的颗石藻相对贡献出现在北黄海中部，与黄海暖流入侵路径对应。前人对南黄海表沉积物中钙质超微化石的研究表明，颗石藻的分布与黄海暖流有密切的关系，黄海暖流流经区域，颗石藻丰度高[29]。研究表明北黄海的颗石藻的优势藻种为赫氏艾密里藻和大洋桥石藻[30]，这2种颗石藻为大洋种。黄海暖流由黄海东南部进入黄海，沿着黄海槽北上，绕过山东半岛进入北黄海，然后转向西从渤海海峡的北侧进入渤海[31]。起源于外陆架的黄海暖流对北黄海－渤海海域的入侵将带来温暖高盐的大洋海水及高丰度的颗石藻。因此，在北黄海－渤海海域高的颗石藻相对比例与黄海暖流入侵路径相对应。

图4 北黄海－渤海表层沉积物中各浮游植物生物标志物含量与总含量比值分布Fig.4 Distribution of biomarkers－based proxiesin surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

3 结论

（1）北黄海－渤海表层沉积物的TOC及菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮含量与表层沉积物的粒度有密切的相关关系，在表层沉积物粒度小的区域，TOC和生物标志物含量高；在表层沉积物粒度大的区域，TOC和生物标志物含量低，显示水动力环境对北黄海－渤海表层沉积物中的有机质分布有着控制性的影响。

（2）北黄海表层沉积物中菜子甾醇和甲藻甾醇对TOC相对含量分布与北黄海现代海洋浮游硅藻和甲藻的丰度调查结果相似，相对含量高值主要出现在高生产力区，这表明研究海域表层沉积物中的菜子甾醇和甲藻甾醇这2种生物标志物的相对含量基本可以用来指示上层水体中硅藻和甲藻这2种藻类的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影响而不能直接用来指示硅藻和甲藻的分布。

（3）生物标志物比值结果显示山东半岛沿岸附近及黄河口附近硅藻的相对贡献明显高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相对贡献明显高于北黄海，与水体中硅酸盐的浓度分布相关。甲藻与硅藻有明显的竞争关系，硅藻相对贡献高的区域，甲藻相对贡献低。黄海暖流对北黄海－渤海海域的入侵带来温暖高盐的外海海水，并控制着颗石藻在北黄海和渤海的分布，高的颗石藻相对贡献与黄海暖流入侵路径相对应。

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