2010-2011年胶州湾叶绿素a与环境因子的时空变化特征

王玉珏，刘哲，张永，汪岷，刘东艳*

(1. 中国科学院 烟台海岸带研究所 海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东 烟台 264003；2. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3. 中国海洋大学 海洋生命学院，山东 青岛 266100)

2010-2011年胶州湾叶绿素a与环境因子的时空变化特征

王玉珏1，刘哲2，张永1，汪岷3，刘东艳1*

(1. 中国科学院 烟台海岸带研究所 海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东 烟台 264003；2. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3. 中国海洋大学 海洋生命学院，山东 青岛 266100)

2010年4、6、8、10月和2011年1、3月在胶州湾开展了6个航次的综合调查，研究了表层海水温度、盐度、营养盐和叶绿素a浓度的时空变化特征。调查期间，总无机氮(DIN)、磷酸盐(PO4)和硅酸盐(SiO3)多呈现东北部湾边缘高，而湾内和湾口低的空间分布特征。季节变化表明，DIN和PO4主要受养殖排放、河流径流输入和浮游植物生长消耗的影响，呈现初夏和秋季高，夏末和冬季低的特点；而SiO3主要受河流径流输入和浮游植物消耗的影响，呈现夏、秋高，而冬、春低的特点。营养盐浓度和结构分析表明，胶州湾存在PO4和SiO3的绝对和相对限制；SiO3限制尤其严重，是控制胶州湾浮游植物生长的主要环境因子。SiO3和PO4的限制主要表现在冬季，几乎遍布整个海湾；夏季降水可有效缓解海域的SiO3限制。叶绿素a浓度呈现春、夏季高，秋、冬季低的季节分布，温度、营养盐浓度与结构和季节性贝类养殖活动是控制胶州湾叶绿素a浓度时空分布的关键因素。

胶州湾；叶绿素a；营养盐；时空变化

1 引言

受工农业生产等人类活动的影响，近岸海域的各种环境问题越来越突出。其中，大量氮输入引起的水体富营养化是影响近海初级生产力和生态系统结构与功能的突出环境问题[1—3]。例如，2012年我国近海富营养化面积达 9.8×104km2，近海赤潮暴发73次，总面积达7.971×103km2[4]。胶州湾(35°54′～36°18′ N，120°04′～120°24′ E)位于黄海之滨、山东半岛南部，为一扇形半封闭海湾，湾口最窄处2.5 km。湾内岸线长163 km，总水域面积约为390 km2，平均水深为6～7 m，最大水深位于湾口处，深度为64 m。主要入海河流有大沽河、洋河、墨水河、白沙河、李村河和海泊河，大沽河流量最大[5—8]。已有的研究表明，近50年来，伴随着胶州湾海洋经济的快速发展和沿岸污水排放的急剧增加，胶州湾海域营养盐浓度不断增加，2002年湾内大部分水域已呈现中度营养和富营养化状态，赤潮暴发频繁；营养盐结构也发生了明显变化，出现了显著的季节性硅限制[9-11]。2008年奥运会后，青岛市人大通过了“环湾保护、拥湾发展”的战略规划，结合蓝色经济区建设以及青岛市“十二五”发展规划等多项政策，对胶州湾环境保护和生态环境展开整治。2010-2011年期间，为全面了解胶州湾的水质环境现状，持续跟踪海湾的水质环境变化，针对水体的叶绿素a、营养盐和温、盐要素开展了6个航次的综合调查，以期为胶州湾环境管理、健康评价及可持续发展提供资料支持。

2 材料与方法

2.1 样品采集

分别于2010年4、6、8、10月和2011年1、3月在胶州湾15个大面站点开展了综合调查(图1)。调查涵盖了4个季节，即春季(2010年4月和2011年3月)、夏季(2010年6月和8月)、秋季(2010年10月)和冬季(2011年1月)。其中，2010年8月的调查站位略有调整(图1)。调查期间，对表层水体的温度、盐度、营养盐和叶绿素a浓度进行分析。

图1 胶州湾采样站位Fig.1 Sampling sites in Jiaozhou Bay

表层海水的温度和盐度用加拿大RBR-XR620型多参数水质监测仪现场测得。用5 L的卡盖式采水器(国家海洋技术中心)采集表层水样分别用于营养盐和叶绿素a浓度的分析。其中，1 000 mL水样经GF/F滤膜(Whatman)现场过滤后，滤膜于-20℃下避光并冷冻保存，在实验室进行叶绿素a浓度的测定，每个采样点取3个平行样，结果取其平均值。取250 mL水样现场经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后，置于-20℃保存，在实验室对水体营养盐浓度进行测定。

2.2 样品测定

叶绿素a浓度采用分光光度法测定[12]。保存叶绿素a的滤膜先用90%的丙酮在 4℃ 避光条件下萃取24 h，在4 000 r/min转速下离心10 min后用紫外-可见分光光度计(TU-1810)在波长750 nm、664 nm、647 nm、630 nm处测定上清液吸光值(90%丙酮作空白)，将所得数据用以下公式换算成叶绿素a的浓度：

CChla(μg/L)=[11.85 (E664-E750)-1.54×

(E647-E750)-0.08 (E630-E750)]V丙酮/V水样，(1)

其中，CChla为Chla浓度，单位：μg/L；E750、E664、E647与E630分别是各波长下的吸光值；V丙酮为丙酮萃取液的体积，单位：mL；V水样为过滤海水的体积，单位：L。

2.3 统计分析

使用SPSS 13.0软件对温度、盐度、营养盐与叶绿素a浓度的相关性进行分析，获得每对变量的Pearson 相关系数和显著性水平p值。p<0.05 对应置信区间为 95%，p<0.01 对应置信区间为 99%。

3 结果与讨论

3.1 表层海水温度和盐度的空间分布和季节变化特征

胶州湾及其邻近海域均属于温带季风型气候，表层海水温度(SST)具有明显的季节变化特征(见表1，图2)。调查期间，春季(2010年4月，2011年3月)SST在3～10℃ 左右；夏季水温较高，8月份达到最大值，SST在24℃ 左右；冬季水温最低(2011年1月)，SST在-0.5～4℃ 左右。SST的平面分布明显受到水深的影响。湾边缘较浅的区域，受太阳辐射与陆地气候影响显著，春、夏季节水温明显高于湾口水域，而秋、冬季节水温则低于湾口的深水区域。

调查期间，胶州湾表层海水平均盐度(SSS)的变化范围为29.7～31.4，呈现冬季高、夏季低的特点(见表1，图3)。SSS的变化明显受到夏季降雨的影响，据1899-1987年计89年气象降水记录统计，青岛地区夏季降水量占全年总降水量的58%，而冬季降水量仅占全年的5%[13]。调查结果显示，夏季(2010年8月)雨水丰沛期，SSS多低于30(见图3)。比较而言，在干燥的冬季，则SSS相对较高，如：2011年1月(表1，图3)。在空间上，SSS基本呈现从湾口向湾边缘逐渐降低的趋势(见图3)。然而，这种空间变化在夏季比较明显，显示了降雨导致河流淡水输入增多对湾边缘海域的影响(如：2010年8月)；而在冬、春季，空间的差异并不显著，显示了淡水输入减少下黄海水交换的控制作用(如：2011年1月、3月)。

表1 调查期间胶州湾表层海水温度、盐度、叶绿素a和营养盐浓度与结构的变化特征

3.2 营养盐的空间分布和季节变化特征

3.2.1 营养盐浓度的时空变化特征

胶州湾DIN、PO4和SiO3的空间变化如图4～6所示。研究期间，除2010年8月和2011年1月外，其他月份3种营养盐的浓度均呈现从湾内向湾口下降的空间变化。营养盐的浓度与胶州湾海水养殖与河流输入表现出明显的空间关系。胶州湾东北部海域是典型的养殖区(以虾、蛤蜊为主)，水深较浅，有机物丰富[14—16]。据统计，该海域对虾养殖过程中每年大约需投入千吨饵料，其中60%以上的氮、磷养殖废水直接排入近海[17—18]，且菲律宾蛤仔的养殖过程可促使沉积物中氮、磷和硅的转化和释放[14，19—20]。因此，养殖带来的废水、饵料残留和沉积物的释放是导致养殖区海水中高DIN和PO4浓度的重要原因[21]。同时，沿岸工农业和生活污水经海泊河、墨水河、白沙河、李村河等径流入海，增加了该区域DIN与PO4的浓度。SiO3的空间分布表明河流径流输入是海区SiO3输入的主要途径。2010年8月西南部存在DIN和SiO3的高值区，对应于同时间该海区水体相对其他海区呈现的高温低盐的特点，认为夏季降水带来的洋河和大沽河的径流输入是造成高DIN和SiO3浓度的主要原因。本研究中，营养盐浓度的空间分布模式与以往调查结果一致[15，22—28]，表明自20世纪90年代以来胶州湾营养盐来源主要受控于陆源输入和养殖活动。

调查期间，海区营养盐浓度表现出明显的季节变化。受养殖活动、河流径流输入和浮游植物生长消耗的影响，DIN和PO4基本呈现初夏(2010年6月)和秋季(2010年10月)高，夏末(2010年8月)和冬季(2011年1月)低的变化特点(见表1，图4和图5)；而SiO3主要受河流径流输入和浮游植物消耗的影响呈现夏、秋高，冬、春低的季节变化规律(见表1，图6)。冬季(2011年1月)河流结冰与降雨量的减少可以显著降低径流量，导致营养盐输入减少。初春和夏末(8-9月)浮游植物的大量生长消耗使得海湾呈现营养盐浓度偏低的现象，叶绿素a浓度的季节分布规律(见表1，图7)进一步证明了该影响。4-6月持续增加的降水、河流输入与养殖活动可以快速增加水域营养盐浓度，同时，浮游动物的大量生长带来的摄食压力降低了浮游植物对营养盐的消耗，导致海域出现营养盐浓度升高的现象。秋季(10月)养殖和降水的输入以及浮游植物死亡再释放使得湾内营养盐浓度再次呈现高值。

图2 调查期间表层海水温度(℃)的时空变化特征Fig.2 The temporal and spatial variations of surface seawater temperature (℃) during the survey

图3 调查期间表层海水盐度(SSS)的时空变化特征Fig.3 The temporal and spatial variations of surface seawater salinity during the survey

将DIN、PO4和SiO3的季节变化与前人的研究结果进行对比表明，2010年10月DIN的高浓度与20世纪90年代以来的研究结果一致[16，20，27，29]。而8月DIN浓度的差异较大，1983、2003、2006年和本研究中8月胶州湾DIN呈现低浓度，但1962-1998年，2004-2008年期间，胶州湾DIN浓度在8月多为高值[25，29]。不同时间季节变化的差异性表明除生物活动影响外，降雨等影响因素导致外源DIN输入存在着不稳定性。2010年6月磷酸盐的高浓度现象与20世纪60年代以来对胶州湾营养盐的研究结果一致[20，29—31]。而秋季(2010年10月)PO4的高值则主要发生在2004年后[20，24，26，29—30]，表明养殖和河流输入对胶州秋季PO4的贡献在2004年后更加明显。本研究中SiO3的季节变化规律与沈志良[31]在1985—1998年的研究和孙晓霞等[20，30]在1983—1986年、2004—2008年的研究结果一致，表明自1985年起，胶州湾SiO3的来源和影响因素的稳定性。

图4 调查期间表层海水DIN(μmol/L)的时空变化特征Fig.4 The temporal and spatial variations of DIN concentrations (μmol/L) during the survey

图5 表层海水PO4 (μmol/L)的时空变化特征Fig.5 The temporal and spatial variations of PO4 concentrations (μmol/L) during the survey

3.2.2 胶州湾营养盐限制分析

营养盐结构变化影响着浮游植物营养动力学，生物碳传递，生物量以及群落演替[32—34]，甚至进一步影响整个食物网系统[35]。以往研究显示，近50年来，胶州湾水域的营养盐结构发生了明显变化[15—16，23，36—39]。从20世纪60年代到80年代中期的DIN限制为主转变为90年代至今逐渐增加的 PO4和SiO3限制。因此，有必要对胶州湾水域的营养盐限制现状进行分析(见表1，表2)。

根据Nelson和Brezinski[40]、Justic等[41]提出的浮游植物生长化学计量和可能的营养盐限制因素标准对研究期间胶州湾营养盐限制状况进行判断表明，海湾SiO3和PO4均存在相对DIN的限制，而SiO3限制相对于PO4更加显著。对Si/P比的分析表明，除2010年4月(1个站点Si/P比高于22)和8月(3个站点Si/P比小于22)外，其他月份整个海湾SiO3相对PO4存在不足。进一步结合营养盐限制因子的出现几率(见表2)，表明SiO3为胶州湾主要限制因子，其次是磷酸盐，这与已有研究结果基本一致[16，23]。SiO3和PO4的限制在冬季尤其显著，且限制几率最高，93.3%的研究站点存在PO4的绝对限制，整个海湾存在SiO3的相对和绝对限制。夏季降水带来的SiO3补充使得海湾不存在SiO3的绝对限制，相对限制也得到缓解(见表2)。我们的结果进一步证实了自20世纪80年代以来胶州湾硅限制持续加剧的状况和降水、河流径流输入对硅酸盐限制的影响[16，23—24，29]。尽管本文根据化学计量营养盐判定标准，发现胶州湾不存在DIN的限制，但确切的结论尚需进一步结合相关的培养实验确定。如根据Nelson和Brezinski[40]、Justic等[41]的判定标准，1998年2月、8月和1999年2月胶州湾表层水体不存在DIN限制，但现场添加实验发现同时添加氮磷实验组浮游植物生长情况最好，表明在浮游植物生长旺季DIN可能存在实际限制[42]。

表2 胶州湾营养盐限制因子出现几率分析

3.3 叶绿素a浓度的空间分布和季节变化特征

调查期间，叶绿素a浓度季节变化的高值主要出现在春季(2010年4月和2011年3月)和夏季(2010年8月)(见表1，图7)。对胶州湾多年的调查表明，叶绿素a浓度的峰值主要出现在1-3月与8-9月[5，43—48]，季节峰值在不同年份出现的差异与气候的年际变化有重要关系。如：冬、春季显著的低温结冰现象可以降低营养盐循环，并推迟浮游植物峰出现的时间；夏季降雨量的多少、台风等天气因素则可以改变夏季浮游植物峰值出现或者持续的时间。这些特征在胶州湾都有体现，如潘友联等对1983年11月-1985年11月胶州湾叶绿素a的分析表明，叶绿素a冬季峰值出现在3-4月[48]；姚云和沈志良[16]与李超伦等[46]2003-2004年的研究均表明，叶绿素a的冬季峰值出现在2月，1月叶绿素a呈现低浓度；而孙晓霞等在2008年的调查中，发现的叶绿素a的冬季峰值出现在1月[30]。本研究中3、4月份胶州湾叶绿素a的浓度明显高于1月份，但由于缺乏2月份的数据，尚不确定冬季峰是否发生推迟。2010年8月，叶绿素a浓度的高值与前人的研究结果一致。

叶绿素a浓度的空间分布特征与以往研究结果一致[5，30，43—47]，春季叶绿素a浓度的高值区主要出现在湾东北部，向湾口逐渐降低；8月份叶绿素a浓度的高值区则出现在湾西部，其余月份的叶绿素a浓度分布相对均匀，高值区不明显(见图7)。

研究表明，环境因子(如温度、盐度、透明度、溶解氧、营养盐)与摄食压力的变化等均是影响胶州湾叶绿素a的浓度和分布的因素的主要因素[5，39，47，49-50]。本文通过对叶绿素a浓度与环境因子的相关性分析进一步证实了这点(见表3)。2011年3月叶绿素a浓度与水体温度，营养盐浓度均呈现明显的正相关性，与盐度呈显著负相关，显示春季河流融冰之后，生源要素大量输入对叶绿素a浓度的影响。2010年8月份叶绿素a浓度与盐度的关系表现为负相关性，而与SiO3浓度，Si/N和Si/P比表现为正相关，说明季节性河流输入的影响。2010年6月，海湾营养盐相对丰富，且平均叶绿素a浓度较高，但湾东北部未出现叶绿素a浓度的高值区，这可能主要与滤食性贝类的摄食有关。贝类养殖海区主要在海湾东北部，养殖时间主要为4-9月，春季和秋季是蛤仔的生长旺季[14]，贝类的滤食可能是使得海湾东北部在2010年6月和2010年8月呈现低值的主要原因，该结果与孙晓霞等对胶州湾叶绿素2008年的研究结果一致[30]。此外，2011年1月，叶绿素a浓度与温度之间存在明显的正相关性，表明低温是影响1月份浮游植物生长的重要因素。

图7 表层海水叶绿素a(μg/L)的时空变化特征Fig.7 The temporal and spatial variations of Chl a concentrations (μg/L) during the survey

表3 胶州湾叶绿素a浓度与环境因子的相关性分析(Pearson相关系数)

Tab.3 The correlation analysis between Chlaconcentrations and environmental factors in Jiaozhou Bay (Pearson correlation index)

时间SSTSSSDINPO4SiO3N/PSi/NSi/P2010年4月0 166-0 1210 1090 027-0 0920 219-0 580∗-0 2242010年6月0 205-0 3970 4220 4880 4310 055-0 502-0 3952010年8月0 494-0 628∗0 476-0 2060 617∗0 4790 667∗∗0 556∗

续表3

注：显著性为双尾检验：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关。

4 结论

以上研究结果表明：胶州湾营养盐浓度多数月份呈现从湾边缘向湾口逐渐升高的空间变化特征，体现了河流输入、贝类养殖等的影响。季节变化上，冬季相对较低，表现出显著的PO4和SiO3的相对与绝对限制；而夏季和秋季浓度相对较高，明显受到养殖、径流量与浮游植物生长消耗的影响。胶州湾表层水体叶绿素a的浓度在季节变化上，受到气候(温度、降雨量)、人类活动(养殖活动、排污)与浮游动物摄食压力的共同影响；在空间变化上，人类活动(养殖活动、排污)则扮演更重要的角色，湾东北部在大多数月份出现高值。与近年来的调查资料比较，本次研究结果并无显著差异，表明胶州湾水体环境仍显著受到人类活动的影响。

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Temporal and spatial variations of chlorophyllaand environmental factors in Jiaozhou Bay in 2010-2011

Wang Yujue1，Liu Zhe2，Zhang Yong1，Wang Min3，Liu Dongyan1

(1.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessesandEcologicalRemediation，YantaiInstituteofCoastalZoneResearch，ChineseAcademyofSciences，Yantai264003，China; 2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 3.CollegeofMarineLifeScience，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China)

Temporal and spatial variations of surface seawater temperature (SST)，salinity (SSS)，nutrient concentrations and chlorophyllaconcentrations were studied in April，June，August and October 2010 and January and March 2011 in Jiaozhou Bay. Spatial distributions showed that dissolved inorganic nitrogen (DIN)，phosphate (PO4) and silicate (SiO3) concentrations were higher in the northeast edge and decreased gradually towards the inner and the mouth of Jiaozhou Bay during most time of study. DIN and PO4were relatively higher in early summer and autumn but lower in winter and late summer as a result of the effects from aquaculture，exogenous nutrients input and phytoplankton consumption. SiO3concentrations were mainly affected by phytoplankton consumption and river loadings and were higher in summer and autumn and lower in spring and winter. The analysis on concentrations and structures of nutrients of Jiaozhou Bay during the study period indicated that PO4and SiO3were both absolute and relative limitations，and SiO3limitation was more serious and acted as the important factor which controlled the growth of phytoplankton all over the year. The most serious limitation of SiO3and PO4occurred in winter and was found in the whole bay. The nutrient loadings as a result of rainfall in summer，however，relieved SiO3limitation. The chlorophyllaconcentrations were higher in spring and summer and lower in autumn and winter. Temperature，nutrients and the ingestion of filter mussels were the dominant effect factors of the concentrations and distribution of chlorophylla．

Jiaozhou Bay; chlorophylla; nutrients; temproal; spatial variations

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.04.010

2014-07-17；

2014-12-24。

中国科学院先导专项 (XDA11020405)；中国科学院科技创新交叉与合作团队；国家自然科学基金(41106101，41376121)。

王玉珏(1978—)，女，山东省昌乐县人，助理研究员，博士，主要从事藻类营养盐生理生态学研究。E-mail：yjwang@yic.ac.cn

*通信作者：刘东艳，研究员，主要从事海洋藻类生态学研究。E-mail：dyliu@yic.ac.cn

Q948.8

A

0253-4193(2015)04-0103-14

王玉珏，刘哲，张永，等. 2010-2011年胶州湾叶绿素a与环境因子的时空变化特征[J].海洋学报，2015，37(4)：103—116，

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