2013年夏季渤海环境因子与叶绿素a的空间分布特征及相关性分析

张莹，王玉珏，王跃启，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.中国科学院大学，北京　100049）

2013年夏季渤海环境因子与叶绿素a的空间分布特征及相关性分析

张莹1，2，王玉珏1，王跃启1，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.中国科学院大学，北京100049）

通过对2013年7月渤海海域26个站点温度、盐度、营养盐及叶绿素a（Chl a）浓度的空间分布特征及其相关性进行了分析，发现：受渤海水深和夏季陆源河流输入影响，近岸水域表现出明显的高温、低盐与高营养盐特征，且垂直变化特征不显著；在水深较深的辽东湾湾口和渤海海峡，海水呈现明显的层化现象，表层水温高于中底层，而表层盐度与营养盐浓度则低于中底层。营养盐结构分析表明，渤海夏季磷酸盐浓度存在显著的绝对与相对限制，而受河流输入影响，硅酸盐的相对限制得到显著缓解。表层Chl a浓度的高值区位于滦河及复州河河口附近海区，中层与底层的高值区则出现在滦河与黄河口附近。Chl a浓度与环境因子的相关性分析表明，盐度、磷酸盐与硅酸盐的浓度、氮磷比、氮硅比是影响Chl a浓度空间分布的重要因素，且温度还影响到Chl a浓度的垂直分布。

渤海；叶绿素a；环境因子；主成分分析

渤海是我国唯一的内海，曾经是多种鱼、虾、蟹、贝类的产卵、索饵与育幼场所，但在区域性气候变化和高频度人类活动叠加产生的多重压力影响下，渤海生态系统发生了令人担忧的变化，整体生态“荒漠化”趋势加重，严重影响了其服务功能和可持续性（Lin et al，2001；Ning et al，2010；侯玉忠，2003；唐启升，2006）。

已有的研究表明，大量的氮营养盐输入，使得渤海富营养化问题严重，营养盐结构呈现显著变化，磷酸盐与硅酸盐的限制加重 （Yu et al，2001；Liu et al，2011）。在高氮磷比或高氮硅比条件下，甲藻对硅藻具有明显的竞争优势，从而可能导致浮游植物群落结构从硅藻占优，转变为硅甲藻联合优势（孙军等，2002；郭术津等，2014），进而引起有害甲藻赤潮的增多。如：根据国家海洋局海洋环境状况公报，仅2013年，渤海就发生13次赤潮，累计面积多达1 880 km2，其中甲藻赤潮9次（中国国家海洋局，2013）。此外，近年来的观测显示，受河流输入和气候变化的影响，渤海夏季温盐结构较历史资料发生较大变化，盐度有升高趋势（吴德星等，2004）。这些环境因子的综合变化，都可能成为夏季赤潮频发的诱因。

因此，综合分析渤海夏季浮游植物与环境因子的空间分布关系，并与历史资料形成比较，对于及时了解浮游植物与环境变化的响应关系具有重要意义。本研究通过搭乘2013年基金委渤海夏季公开航次，利用反映浮游植物现存量的指标叶绿素a（Chl a），以及海水温盐与营养盐数据，综合分析了叶绿素a浓度与环境因子的时空分布特征及相互关系，以期为渤海夏季赤潮高发现象提供研究思路与资料。

1　研究区域和方法

2013年7月搭乘国家基金委公开航次在渤海开展了温度、盐度、营养盐和Chl a的取样调查工作。调查区域涵盖了渤海中部、渤海海峡、辽东湾湾口、渤海湾湾口及莱州湾湾口5个断面共计26个站点的表层、中层与底层水样，具体站位布设如图1所示。

图1　调查站点及水深

温度和盐度的数据来自船载CTD（Seabird 911）。每个站位设表、中、底3层，表层水样取自水深3 m左右海水，中、底层依据实际水深设定。CTD采集的水样分别用于Chl a和营养盐浓度的测定。其中，3个1 L的平行水样经GF/F滤膜（Whatman，47 mm）过滤后，滤膜避光冷冻保存于-20℃下，用于Chla浓度的测定，结果取平均值。另取250 mL水样经0.45 μm醋酸钠纤维滤膜过滤，滤液于-20℃下冷冻保存，用于营养盐浓度的测定。航次结束，样品带回实验室后即进行相关测定工作。

Chl a浓度的测定采用紫外-可见分光光度法。将滤膜剪碎，用90%的丙酮在4℃下提取24 h，4 000 r转速下离心10 min，取其上清液用于Chl a浓度测定。用紫外-可见分光光度计（TU-1810），分别于波长750 nm、664 nm、647 nm、630 nm下测定其吸光值。Chla的浓度计算方法采用公式（1） （Lorenzen，1967；Jeffrey et al，1975）最终结果以μg/L表示。

其中，E750、E664、E647、E630分别代表750 nm、664 nm、647 nm和630 nm波长下的吸光值，V丙酮代表萃取剂90%丙酮的体积（mL），V水样代表海水的过滤体积（L）。

溶解态无机营养盐浓度利用营养盐自动分析仪（AA3，Bran+Luebbe，Germen）测定，包括硝酸盐（-N）、亚硝酸盐（-N）、氨氮（-N）、磷酸盐（DIP）和硅酸盐（DSi）。-N采用水杨酸钠显色法，其他营养盐的测定方法主要参照《海洋调查规范》 （GB/T 12763.4-2007） （中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2007）：-N经铜镉还原后采用重氮-偶氮显色法；-N采用重氮-偶氮显色法；DIP采用磷钼蓝法；DSi采用硅钼蓝法。溶解无机氮（DIN）经计算而得，为-N、-N和-N之和。

对渤海表层25个站点、中层24个站点、底层23个站点（其他站点因部分因子缺失去除）的Chla浓度和环境因子数据进行了主成分分析（PCA）（Lepš et al，2003），所得结果的前2个主成分轴均可解释总体变量的85%以上，据此分别得到表、中、底层的PCA排序图。

2　结果与讨论

2.1温度（T）与盐度（S）的空间分布特征

图2a-c为渤海水温空间分布特征。调查期间水温范围为5.57℃～24.9℃；其中，表层平均水温为20.8℃，中层为16.6℃，底层为15.1℃。渤海水温的空间变化与地形和水深有密切关系，多数研究资料表明 （黄大吉等，1996；周峰等，2009），夏季在渤海海峡、辽东湾湾口可以形成层化现象（水深>30 m）。研究也证实了这一特点：莱州湾湾口及渤海中部水深较浅处，水温垂直变化较小；而渤海海峡、渤海湾湾口及辽东湾湾口水深较深，水温垂直变化显著。同时，夏季陆地气温及径流水温高，径流输入导致黄河口和滦河口附近海区水温明显高于其他海区。

图2d-f为渤海盐度的空间分布特征。调查区域内盐度范围为25.1～31.5；其中，表层平均盐度值为29.4，中层为30.0，底层为30.2。黄河入海口附近呈现出一个向东北方向延伸的低盐水舌，表层尤为明显，显示了夏季黄河淡水输入对该区域盐度的影响；渤海海峡附近的盐度较高，显示了此处受到黄海高盐水的影响（魏泽勋等，2004）。

图2　调查海区海水温度（T）和盐度（S）的空间分布特征

2.2营养盐浓度的空间分布特征

图3a-c为DIN浓度的空间分布特征。调查区域内DIN浓度范围为1.05～17.1 μmol/L；其中，中（6.27 μmol/L）、底层（6.29 μmol/L）平均浓度高于表层（5.80 μmol/L）。在水平分布上，DIN浓度呈现出渤海中部偏渤海湾与莱州湾侧高于辽东湾口与渤海海峡的特点。

图3d-f所示为DIP浓度的空间分布特征。调查区域内DIP浓度最低值低于检出限，最高值为0.11 μmol/L；其中，底层（0.04 μmol/L）平均浓度略高于表层（0.03 μmol/L）与中层（0.03 μmol/L），垂直变化不显著。在水平分布上，底层高值区位于辽东湾湾口东部海区及渤海海峡附近；表层高值区位于莱州湾湾口东部海区，最高值可达0.09 μmol/L；中层分布相对均匀，渤海西北部海区浓度略高。

图3g-i所示为DSi浓度的空间分布特征。调查区域内DSi浓度范围为0.22～2.54 μmol/L；其中，底层平均浓度 （0.98 μmol/L） 高于中层（0.84 μmol/L）与表层（0.82 μmol/L）。水平分布上，3层DSi浓度高值区均集中在黄河口附近，而渤海海峡附近海区浓度较低。

图3　调查海区溶解无机氮（DIN）、磷酸盐（DIP）和硅酸盐（DSi）的空间分布特征

本次调查中，营养盐的空间分布特征与以往调查相似，夏季河流输入，尤其黄河水输入对海区营养盐有重要补充作用，是渤海氮和硅的重要来源（Yu et al，2001；Zhang et al，2004）。3种营养盐浓度均呈现出中、底层平均浓度高于表层的特征，说明渤海沉积物向上覆水中释放出一定比例营养盐。Liu等（2011）研究发现，渤海沉积物中营养盐的释放在全年可达到河流输入的2～3倍。然而，在夏季，沉积物向上层水体的输入受海水层化的影响，垂直交换速度可能慢于冬季。

本次调查结果显示 DIP浓度较以往结果（Wang et al，2009；石强等，2013；王文涛等，2013）偏低，而同期研究结果（王丽莎等，2015）也表明2013年夏季渤海中部呈现低DIP浓度的特征，尤其是表层海水（＜0.1 μmol/L）。分析其原因可能为：一方面，黄河输入对渤海DIP补给少，陈沛沛等（2013）研究发现黄河下游水域中DIP的浓度不高（＜0.1 μmol/L），可以推断黄河水输入对渤海DIP浓度的贡献相对较小；另一方面，可能与浮游植物生长大量消耗有关，结合2.4部分分析也发现Chla与DIP呈显著负相关，同时对比以往同期研究（赵骞等，2004；郭全，2005），发现2013年夏季Chla浓度（3.04 μg/L）显著高于2000年夏季（0.96 μg/L）及2002年夏季（1.53 μg/L），因此高Chla值对应的高浮游植物生物量对海区DIP消耗也可能是造成DIP低值的重要因素；再者，沉积物中DIP再释放是一个缓慢过程（Liu et al，2011），这也可能是导致海区低DIP浓度的一个重要原因。

2.3营养盐对浮游植物生长的可能限制作用

海水营养盐结构在控制海洋浮游植物的生长和海洋初级生产力等方面起着相当重要的作用（Patsch et al，1997）。近年来渤海的营养盐水平及结构发生了很大变化，DIN含量上升，DIP及DSi含量下降，并由此引起磷限制与硅限制的现象（蒋红等，2005；于志刚 等，2000；阚文静等，2010；谢琳萍 等，2012）。本研究依据Redfield（1958）、Nelson等（1990）、Justic等（1995b）提出的浮游植物生长化学计量和可能的营养盐限制因素参考值（表1），对渤海营养盐限制状况进行了判断。

表1　营养盐限制因素判定参考值

结果如表2和图4所示（其中表层P1、M5，中层P5，底层P1站点处DIN/DIP值过高，均大于1 000，已在图中用▲单独标明）。参照营养盐相对限制判定标准，调查区域存在DIP与DSi的绝对限制与相对限制，但是不存在DIN限制。在调查的26个站位中，表层有13个站点存在DIP相对限制，有2个站点存在DSi相对限制；中层有15个站点存在DIP相对限制，有1个站点存在DSi相对限制，底层有16个站点存在DIP相对限制，有2个站点存在DSi相对限制。对比2012年春季调查结果（刘丽雪等，2014），发现夏季硅限制情况较春季有所缓解，这可能是因为夏季丰水期陆源输入补充了海区的DSi含量，从而缓解了海区的硅限制状况。尽管依据化学计量营养盐判定参考值，发现调查海区不存在DIN的限制，但确切的结论尚需进一步结合相关培养实验确定。例如，1998-1999年对胶州湾的研究中发现，根据判定标准（表1），表层水体不存在DIN限制，但现场添加实验发现同时添加氮与磷的实验组浮游植物生长情况最好，表明DIN对浮游植物生长可能存在实际限制（王勇等，2002）。在渤海湾的加富实验研究也表明，尽管调查海区不存在DIN限制，但增加硝酸盐含量仍造成了Chl a浓度和浮游植物细胞密度的升高（穆迪等，2012）。

表2　调查海区营养盐限制状况

2.4Chl a浓度的空间分布特征及环境因子的相关性分析

图5a-c所示为调查海区内Chl a的空间分布特征。调查海域内Chl a的浓度范围为0.96-7.75μg/L；其中，表层Chl a平均浓度（3.53±1.74 μg/L）高于中（3.01±1.42 μg/L）、底层（2.60±1.44 μg/L）。高值区位于滦河及复州河河口附近海区，表明了陆源河流的营养盐输入和低盐度对海区浮游植物生长的促进作用（孙军等，2003；傅明珠等，2009）；黄河口附近Chl a浓度并非最高，其原因可能是由于夏季调水调沙导致该海区呈高浑浊度，浮游植物的生长受光限制所致（毕乃双等，2010；刘晓彤等，2012）；低值区位于渤海中部及渤海海峡。Chl a浓度的垂直分布明显受到水深的影响。在水深较深的辽东湾口与渤海海峡，底层Chl a浓度明显低于表层，显示了光限制的影响（郑国侠等，2006；沈国英等，2010）。

图5　调查海区Chla的空间分布特征

图6a-c所示为将Chl a浓度与T、S、DIN、DIP及DSi的浓度及结构数据进行主成分分析（PCA）的结果。排序图结果表明：表层盐度与Chla呈正相关，中、底层水体中盐度与Chl a浓度空间分布呈显著负相关关系。表层结果可能受到黄河口附近低盐度与低Chl a特征的影响，但整体来看，夏季渤海河流输入与Chl a浓度呈正相关关系。张志峰等（2012）对渤海营养盐与赤潮发生的时空耦合分析也表明，夏季河流携带营养盐入海通量的高低与赤潮发生的面积及频率呈显著正相关。在中、底层，Chl a浓度显示了与T的正相关关系，表明夏季层化区域对下层浮游植物生长有限制作用。

此外，3层水体中的Chl a浓度均与营养盐的结构或浓度表现出显著相关。相对于DIN和DSi，Chl a浓度与DIP均呈显著负相关，表明DIP的供应不能满足夏季浮游植物的快速生长，DIP始终处于快速消耗状态。张志峰等（2012）特别指出江河输入的DIP总量影响了渤海赤潮发生的空间和规模。对比近年来在渤海夏季开展的调查（赵骞等，2004；郭全，2005；谢琳萍等，2012），也证实磷酸盐的限制作用在夏季明显大于硅酸盐。

图6PCA排序图

3　结论

2013年夏季渤海海区的综合调查表明，夏季河流输入对渤海温盐结构、营养盐与Chl a浓度有显著影响。盐度、营养盐浓度与结构是控制渤海Chl a浓度时空分布的主要因素。夏季河流输入对硅酸盐的补充显著，缓解了其对浮游植物的生长限制，但对磷酸盐的补充作用不明显。

致谢：感谢 “东方红2号”科考船对海上作业的支持；感谢2013年夏季基金委共享航次（41249901）为本文提供的温盐数据支持；感谢全体采样和测定人员及其提供的帮助。

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（本文编辑：袁泽轶）

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

中国科学院战略先导研究项目（XDA11020405）；国家自然科学基金面上项目（41376121）；山东省自然科学杰出基金（JQ201414）；国家基金委共享航次基金（41249901）。

张莹（1991-），女，硕士研究生，主要从事海洋藻类生态学研究，电子邮箱：zhying0825@163.com。

刘东艳，研究员，理学博士，电子邮箱：dyliu@yic.ac.cn。