1997–2010 年胶州湾叶绿素a 浓度数据集

2020-10-26赵永芳郑珊孙晓霞孙松

中国科学数据(中英文网络版) 2020年2期

关键词：胶州湾海湾站位

赵永芳，郑珊，孙晓霞,3,4*，孙松,3,4,5*

1. 中国科学院海洋研究所，山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站，青岛 266071

2. 青岛海洋科学与技术国家实验室，海洋生态与环境科学功能实验室，青岛 266071

3. 中国科学院海洋大科学研究中心，青岛 266071

4. 中国科学院大学，北京 100049

5. 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室，青岛 266071

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称 1997–2010 年胶州湾叶绿素a 浓度数据集数据作者赵永芳、郑珊、孙晓霞、孙松数据通信作者孙晓霞（xsun@qdio.ac.cn）；孙松（sunsong@qdio.ac.cn）数据时间范围 1997–2010年地理区域胶州湾（120°04′–120°23′E，35°55′–36°18′N）位于山东半岛南侧的黄海之滨，被誉为青岛市的“母亲湾”，面积约370 km2，南北宽32 km，东西宽28 km，平均水深约7m，海岸线长30多公里，滩涂面积5.6万亩，浅海面积近87万亩。数据量 956条记录，图形2.6 MB 数据格式 *.xlsx, *.zip

数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/839 基金项目数据库（集）组成国家科技部（CNERN）山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目；中国生态系统研究网络（CERN）胶州湾海洋生态系统定位研究站项目。本数据集由2部分组成，其一为表格型数据，其二是数据图形。表格型数据集名为“1997-2010胶州湾叶绿素数据集.xlsx”共包括3个数据表，它们分别为：“定位站表层叶绿素a浓度”表、“海湾分区叶绿素a浓度”表和“海湾叶绿素a浓度”表。数据图形为“1997-2010胶州湾叶绿素a长期时间序列图.zip”，包括30张叶绿素a浓度长期时间序列图，图形的格式为.svg矢量图。

引言

叶绿素a 是植物光合作用中的重要光合色素，其含量是浮游植物现存生物量的指标之一[1-2]。海水中的叶绿素a 浓度是浮游植物现存量的重要指标，其浓度能够反映水体中浮游植物的丰度[3]，表征水域初级生产者通过光合作用生产有机碳的能力，是海洋生态系统研究的重要内容，也是海域生物资源评估的重要依据。

胶州湾是我国集港口、旅游和水产养殖功能于一体的温带半封闭海湾，既具有半封闭系统特点，也与南黄海保持一定强度的生物和水交换，一直是我国海洋生态系统研究的典型模式海湾。湾内叶绿素a 的浓度受到营养盐、浮游植物结构、浮游动物的变动等多种因素的影响，因而是开展胶州湾生态系统动态变化研究的基础数据。

山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站（简称胶州湾站）始建于1981 年，是我国温带海域唯一集监测、研究与示范为一体的综合性生态系统研究站。1991 年成为中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）的野外观测基本站之一，按照CERN 统一的观测规范，对海湾生态系统的气象、水文物理、海洋化学、海洋生物要素进行长期、连续的观测研究，积累了大量的监测和研究数据。

本数据集基于胶州湾站在12 个定位监测站获取的长期叶绿素a 浓度数据整理形成。整理过程采用CERN 统一规范的数据处理方法和质量控制体系对原始数据进行质量控制和整理、加工，之后对时间序列数据进行3sigma 检验，结合临近站点时间序列对比进行异常值剔除。缺失值统一插补后整理出“定位站表层叶绿素a 浓度”“海湾分区叶绿素a 浓度”和“海湾叶绿素a 浓度”3 张数据表，绘制出长时间序列图并提供共享下载。这些长期定点观测数据是评价海湾生态健康、研究生产力长期变化、揭示海湾生态系统演变规律的基础数据，也为水色遥感获取叶绿素a 浓度提供基准参数，为政府部门有效制定环境质量限值和防治措施提供数据支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 采样站点设置

胶州湾站对胶州湾及邻近海域进行连续长期定点采样的叶绿素a 观测已近30 年，设置定点站位14 个，选择其中连续性好的12 个站位（图1）数据进行整理。站位的设定原则为涵盖整个海湾，在不同的水文物理状况、人类经济活动影响的区域设定代表站位。本数据集样地编码采用CERN 长期生态联网监测中的编码，依据站点空间位置及代表性将调查区域分为5 个区域，具体分区及代表性见表1。

图1 胶州湾生态站长期定位监测采样站位图

表1 胶州湾分区及其代表定点站位

区域区域代表性观测站编码经纬度 JZB12 JZB13 120°21′16.0″E 36°00′09.0″N 120°22′48.0″E 36°02′01.0″N

采样频率为每年4 次（2 月、5 月、8 月、11 月），尽可能在月中旬组织航次，先后使用“科交2 号”“创新号”科学考察船，使用GPS（TOPCON，HP5500）定位到定点站后使用Niskon 采水器进行分水层样品采集，采样水层按照水域生态系统观测规范[4]进行，即采集表层（0 m），底层（实测水深−2 m）以及10 m 的整数倍层（如10 m、20 m 等），＜5 m 的站位只采集0 m 层。新采水样立刻使用0.2 mm 孔径的筛绢去除浮游动物，之后使用醋酸纤维滤膜（0.45 μm，47 mm）过滤（负压＜0.030 MPa），所获滤膜样锡箔纸包好后避光、−20℃冷冻保存，于1 个月内完成叶绿素a 的含量测定。

1.2 样品分析方法

1997–2002 样品按照联合国教科文推荐的分光光度法进行测定[5]，90%丙酮萃取色素，使用751G型分光光度计测定混合提取液在750，664，647，630，50，480 nm 波长处的消光值，应用Jefery-Humphrey 等[6]建立的公式计算叶绿素a 的含量。2003–2010 年按海洋监测规范[7]规定的萃取荧光法，使用Turner Designs Model-10 荧光光度计进行测定，计算叶绿素a 含量。荧光光度计每半年标定一次，采用Sigma-Aldrich Chlorophyll a 标准品（C-5753≥85.0%，HPLC 级，1 mg）。

1.3 数据处理与成图

样品测定后得到各站位叶绿素a 的含量，对每个站位采用3sigma 检验结合临近站点时间序列对比进行异常值剔除。单站位时间序列缺失率小于10%并且缺失值不连续时统一进行缺失值插补后结合采样时间，整理出“定位站表层叶绿素a 浓度”数据表。再根据海湾分区统计出“海湾分区叶绿素a 浓度”数据表。最后选择湾内及湾口9 个定位站统计出“海湾叶绿素a 浓度”数据表。海湾分区及全湾指标统计均取平均值。插补后的数据在备注中说明，不符合插补的缺失值用“-”表示，定位站水柱平均值按照如下方式计算：

1）采水水层数n=1，即仅采集表层时，Lavei=Li1

其中：Lavei为定位站i 水柱平均浓度；Li1为定位站i 表层样品浓度；Lij为定位站i 第j 采水层的样品浓度；Dij为定位站i 第j 采水层的水深。

缺失值插补采用R 语言“longitudinalData”包中imputation 函数（method="linearInterpol.bisector", lowerBound="min", upperBound="max"），绘图采用R 语言ggplot2 包绘出叶绿素a 时间序列变化图，直观展示数据集。具体数据处理流程见图2。

2 数据样本描述

1997–2010 年胶州湾叶绿素a 浓度数据集为Excel 表格型数据和zip 图形压缩文件。表格型数据文件包含3 个数据表：“定位站表层叶绿素a 浓度”表存放12 个定位站表层叶绿素a 浓度的数据，共计620 条数据；“海湾分区叶绿素a 浓度”表存放分区统计后的表层、底层和水柱平均叶绿素a浓度的数据，共计280 条数据；“海湾叶绿素a 浓度”表存放海湾统计的表层、底层和水柱平均叶绿素a 浓度数据，共计56 条数据。数据表单所包含的具体字段名称、类型和示例见表2–4。

表2 定位站表层叶绿素a 浓度表内容

图2 叶绿素a 浓度数据集构建流程图

表3 海湾分区叶绿素a 浓度表内容

表4 海湾叶绿素a 浓度表内容

zip 图形压缩文件包含按照定位站和区域进行叶绿素a 长时间序列绘制的图形30 张，图形命名规律为“站位/区域+要素名.svg”，图形为矢量化格式，可以满足出版和各类显示需求，示例如图3。

图3 胶州湾JZB01 长期定位站表层叶绿素a 浓度长期变化图

3 数据质量控制和评估

在水体叶绿素a 样品的采集、室内分析以及数据处理过程中，严格按照CERN 统一的水域生态系统观测规范[4]和国家海洋监测规范[7]来开展相关工作。

胶州湾站设有专门的叶绿素a 监测技术和质量负责人，每次样品分析测试前都要对样品测试人员进行技术培训，以保证分析数据的质量。荧光光度计每半年标定一次。纸质资料录入完成后进行核对，保证资料无误、不重、不漏，样品损失无法获取的数据确定为缺失值。

编写R 程序对单个数据点进行时间序列和空间邻近点的对比检查，对同一定位站的叶绿素a 浓度进行3sigma 检验遴选出超出范围的点（概率≤3%），绘制本定位站及邻近定位站长期时间序列图，遴选出的点如与邻近定位站趋势不一致则确定为异常值并进行剔除。叶绿素a 数据全部通过检验，相邻定位站趋势一致性好。仅对单个定位站缺失率小于10%并且缺失值不相邻的缺失值进行插补。2000 年数据全年缺失，不符合插补条件，均以缺失值处理。