2013年夏季秦皇岛海域叶绿素a浓度分布及其与环境因子的关系

王全颖，杜雨蒙，刘 龙，石伟杰，张永丰，李 莉，张建乐

(国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心站，河北 秦皇岛 066002)

引 言

秦皇岛海域开阔，海岸线呈东北西南向，长162.7 km。沿岸分布有石河、汤河、戴河、洋河、人造河、大蒲河、新开口以及滦河等入海河流。随着区域社会经济的快速发展，秦皇岛海域环境承受的压力也愈来愈大，赤潮、褐潮灾害频发。自2009—2015年，秦皇岛海域连续7 a发生大面积褐潮，监测到的最大面积达3350 km2(2010年)，致使海水变色、透明度下降，贝类滞长死亡，严重影响了滨海旅游环境[1]。

叶绿素a作为浮游植物现存量及其动态变化的重要指标[2-3]，对于探索赤潮爆发的影响机制和预测预警具有重要意义。目前，渤海海域有关叶绿素a浓度与环境因子的相关性研究已有较多报道[4-7]，但秦皇岛海域这方面的研究报道依然较少。本文根据2013年夏季秦皇岛海域的调查数据，分析了叶绿素a浓度水平分布特征，着重探讨了其与相关环境因子的关系，并初步评价了秦皇岛海域营养盐结构及营养状况，旨在为秦皇岛海域的生态环境状况研究和赤潮监测预警提供理论参考。

1 样品采集与处理方法

1.1 样品采集

于2013年8月对秦皇岛海域进行了现场调查取样，按照大致与海岸线平行的原则布设调查断面，站位设置基本涵盖整个秦皇岛近岸海域，共布设4条断面，46个调查站位。(如图1所示)。样品的采集与保存均按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)进行，用Nansen采水器采集后，叶绿素a、盐度、活性磷酸盐、无机氮和化学需氧量等海水样品用聚乙烯瓶带回实验室进行测定。溶解氧海水样品用棕色玻璃瓶盛放，并现场加入氯化锰溶液和碱性碘化钾溶液进行固定，待回到实验室后测定。水温参数现场测定。

图1 2013年夏季秦皇岛海域调查站位示意图

1.2 分析方法

海水样品分析均按照《海洋监测规范》(GB 17378.7—2007)中的要求进行分析[8-9]。

叶绿素a测定：量取一定体积海水样品，加入碳酸镁悬浮液，混匀，用玻璃纤维滤膜(φ47 mm)过滤。将过滤了样品的滤膜放入具塞离心管，加入10 mL 90%丙酮溶液，摇荡，放置冰箱储贮存室中14～24 h，提取叶绿素a。然后，以3000～4000 r·min-1速度对盛有样品滤膜的具塞离心管离心10 min。最后，将上清液注入测定池，用丙酮溶液作参比，分别在750 nm、664 nm、647 nm、630 nm波长处测定吸光值。其中，750 nm处的测定，用以校正提取液的浊度。

水质参数测定： NO3-N采用锌镉还原比色法测定；NO2-N采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定；NH4+-N采用次溴酸盐氧化法测定；磷酸盐采用磷钼蓝萃取分光光度法测定；化学需氧量采用碱性高锰酸钾法测定；溶解氧采用碘量法测定。

叶绿素a浓度与主要环境因子之间的相关性分析通过SPSS19.0软件完成。平面分布图采用Golden Software Sufer11.0软件生成。

1.3 评价方法

作为海域藻类生物量表征的叶绿素a，一定程度上也可反映海域水体富营养化的程度，鉴于国际上关于富营养化的评价目前尚无统一标准，本研究采用营养状态质量指数(NQI)[10,11]和富营养化指数(EI)[12]来评价秦皇岛海域富营养化状况，营养状态质量指数(NQI)和富营养指数(EI)评价分级如表1所示。

表1 水质营养水平评价分级[13]

营养状态质量指数(NQI)按下式计算：

NQI=COD/COD′+DIN/DIN′+DIP/DIP′+Chl-a/Chl-a′

式中，COD为水体化学需氧量实测浓度；DIN为水体无机氮实测浓度；DIP为水体活性磷酸盐实测浓度；Chl-a为水体叶绿素a实测浓度；COD′、DIN′、DIP′和Chl-a′分别为水体化学需氧量、无机氮、活性磷酸盐和叶绿素a的评价标准。其中：

COD′=3.0 mg·L-1；DIN′=0.3 mg·L-1；DIP′=0.03 mg·L-1；Chl-a′=5 μg·L-1。

富营养化指数(EI)计算公式如下：

EI=COD × DIN × DIP× 106/4500

式中单位以mg·L-1表示。

2 结果与分析

2.1 秦皇岛海域水质状况

各环境因子的调查结果如表2所示。各环境因子的水平分布如图2所示。表层海水温度普遍较高，介于23.6～28.0℃之间，平均值为(26.0±1.1)℃，最大值出现在12号站，最小值出现在26号站，分布趋势不明显。盐度介于27.01～29.81，平均值为29.10±0.52，最大值出现在10号站，最小值出现在24号站，受到沿岸河流淡水输入的影响，盐度表现出由河口向离岸逐渐增高的趋势。pH值在7.90～8.35之间，平均值为8.14±0.14，最大值出现在26号站，最小值出现在37号站，呈现出由河口向离岸逐渐增高的趋势。溶解氧含量在5.30～11.7 mg·L-1之间，平均值为(8.37±1.33)mg·L-1，最大值出现在24号站，最小值出现在37号站，且北部海域溶解氧含量高于南部海域。化学需氧量在1.20～1.60 mg·L-1之间，平均值为(1.43±0.11)mg·L-1，最大值出现在10、34和44号站，最小值出现在24和28号站。无机氮介于51.2～246.0μg·L-1之间，平均值为(120.1±47.2)μg·L-1，活性磷酸盐介于2.43～13.41 μg·L-1之间，平均值为(5.52±2.75)μg·L-1，由于陆地径流为沿岸海域输送了丰富的营养盐，无机氮与活性磷酸盐的高值区均出现在沿岸河口海域，最大值分别出现在1、16号站，最小值分别出现在35、3号站。

表2 表层海水叶绿素a浓度及相关环境因子

图2 环境因子的水平分布图

2.2 表层海水叶绿素a水平分布

秦皇岛海域表层海水叶绿素a的水平分布如图3所示。研究结果表明，叶绿素a浓度变化范围为0.50～7.79μg·L-1，平均值为(2.10±1.38)μg·L-1。与刘述锡等[14]在2006年夏季对河北海域的调查结果相比较，本文研究结果低于历史资料值(平均值为3.45±2.80μg·L-1)，这主要是由于站位选取有所差异。但在水平分布上，两次调查结果均显示出叶绿素a浓度呈现近岸高、离岸低的分布趋势。浓度高值区主要出现在沿岸河口附近海域，最高值出现在戴河口附近24号站(7.79μg·L-1)，汤河附近37号站(4.96μg·L-1)和31号站(4.72μg·L-1)浓度值也相对较高，这可能与河口区域受人为活动影响，营养盐含量较高有关。

图3 夏季秦皇岛海域表层海水叶绿素a水平分布图(μg·L-1)

2.3 叶绿素a与环境因子的相关性

从表3可以看出，叶绿素a与盐度呈极显著负相关，表明叶绿素a与陆地径流输入海洋的污染物密切相关。

本次调查叶绿素a与pH呈显著负相关，叶绿素a主要反映的是浮游植物的现存量，浮游植物主要是通过生长阶段的光合作用和消亡阶段的氧化分解作用影响pH，二者呈显著负相关，这说明与光合作用相比，浮游植物消亡阶段的氧化分解作用可能对pH的影响更大些。

叶绿素与磷酸盐呈显著正相关，从图2也可以看出，磷酸盐的平面分布与叶绿素a具有一致性。磷酸盐是浮游植物生长的生源要素，二者显著正相关，说明秦皇岛海域浮游植物生长可能受到活性磷酸盐控制。

叶绿素a与无机氮、水温、化学需氧量和溶解氧等相关性不显著(表3)。

表3 叶绿素a浓度与环境因子的相关性系数

为进一步研究该海域叶绿素a与环境因子的关系，本文收集了2013年5月至10月秦皇岛北戴河近岸海域(位于洋河口-戴河口近岸)连续6个月的调查数据进行分析。从表4可看出，叶绿素a与活性磷酸盐之间均呈正相关关系，部分月份相关性显著或极显著；叶绿素a与pH之间呈负相关，8—10月为显著负相关，表明有机体的氧化分解对pH影响可能更大；叶绿素a与盐度除7月份相关性不高，其余均呈显著负相关；叶绿素a与无机氮主要以正相关为主，部分月份相关性显著或极显著；叶绿素a与水温、化学需氧量和溶解氧之间的相关性变化较大，无明显规律。

表4 叶绿素a浓度与环境因子的相关性系数

与本研究中秦皇岛海域的46个站位的大面研究结论进行对照，叶绿素和磷酸盐、盐度和pH的相关性方面，二者都体现了较大程度的相似性，水温、化学需氧量、溶解氧方面，二者都显示相关性并不密切。此外，与秦皇岛海域的调查数据相比，北戴河海域的无机氮与叶绿素a的相关性更高。由于北戴河海域仅仅为秦皇岛海域内的一个局部，因此个别要素的相关性有一定区别，但从总体上看，在叶绿素与磷酸盐、盐度和pH方面的结论具有较好的一致性。

Redfield指出海水中N/P值一般为16:1，高于此值浮游植物生产受磷限制，低于此值受氮限制[15,16]。本次调查数据显示秦皇岛海域氮磷比值高于16的站位占73.9%，这表明秦皇岛海域浮游植物生长总体上为磷限制。由图4可以看出，新开口至滦河外部海域磷限制最显著，且滦河外3号站N/P最高达99.7。

图4 DIN/DIP水平分布图

2.4 秦皇岛海域富营养化状况评价

图5和图6给出了各站位水质营养状态质量指数(NQI)和富营养化指数(EI)。秦皇岛海域NQI值变化范围为0.93～ 2.70，平均值为1.48，除位于河口附近的1、4、24、16、37和31号站为中营养化外，其余站位均为贫营养化，贫营养化率为87.0%。EI值变化范围介于0.05～0.76之间，平均值为0.21，中营养化站位为1、4和16号站，其余站位均为贫营养化，贫营养化率为93.5%。NQI和EI两种评价结果均表明夏季秦皇岛海域处于贫营养化状态。通过两种评价结果还可发现，该海域存在离岸越近水质富营养化程度越高的趋势，这可能与陆源河流携带了大量污染物入海以及沿岸海洋水产养殖有关。

图5 营养状态质量指数(NQI)水平分布图

图6 富营养化指数(EI)水平分布图

本文对秦皇岛海域富营养化指数的计算结果与郑克芳[19]计算的秦皇岛海域多年的富营养化指数相比，数值略低，其原因可能与前期赤潮对营养盐的过度消耗有关。相关资料显示，该海域在2013年5—7月共发生6次赤潮，肇事藻种为夜光藻、微小原甲藻、抑食金球藻[20]。持续的赤潮，使海水中有机物质的分解矿化过程被打乱，无机氮磷始终无法被补充，故导致富营养化指数偏低。

3 结论

(1)夏季秦皇岛海域表层海水叶绿素a浓度水平分布上呈现出近岸高、离岸低的趋势，高值区主要出现在营养盐含量较高的沿岸河口附近海域。

(2)表层海水叶绿素a的分布受多种环境因子的相互作用，活性磷酸盐可能是其主控因素。

(3)营养状态质量指数(NQI)和营养指数(EI)评价结果显示，秦皇岛海域主要为贫营养化状态。