2021年春季北部湾北部近岸浮游植物叶绿素a分布特征及影响因子

史海艺，赵 辉,2，孙 东

（1.广东海洋大学化学与环境学院，广东 湛江 524088；2.南方海洋科学与工程广东实验室，广东 湛江 524088）

浮游植物在海洋生物地球化学循环和全球碳动态中发挥着关键作用[1]，很大程度控制上沿海生态系统的生产力。因此海水中的叶绿素a(Chl-a)的含量常用于表征浮游植物生长状况和水体富营养化程度[2]，有人通过浮游植物生物碳和叶绿素a浓度比值来定量反映海洋初级生产力[3]，高航等[4]利用长江口外赤潮海区真光层Chl-a 观测数据积分优化方法的垂直归一化模型来估算整个藻华水柱初级生产力。Chl-a浓度的变化受气候和环境因素的影响，如季节性大气循环、光照、当地风况、降雨、海流、河水流入、浊度、水柱分层和海表温度波动等[5-6]。Chla浓度具有显著的区域差异性[7]，众多学者一般通过海域的动力过程、生物群落构成和水域环境变化，来探究特定海域的Chl-a 分布情况与环境因子之间的关系[8-9]。此外水体中营养物质的变化也会对近岸水域浮游植物群落分布带来极大的影响[10]。

近几十年，随着沿海地区经济的高速发展，人类活动对海洋环境的破坏亦日趋严重[11]。北部湾位于南海西北部，是亚热带典型的半封闭性海湾，其环流为不闭合逆时针环流，季风、入海河流、琼州海峡、外海底层上升流等主要流系会影响北部湾海域水团的组成[12-14]。同时北部湾北部有多条河流输入，包括南流江、大风江、钦江、茅岭江、防城江等，年径流量达3.0×1011m3[15]。

本研究利用2021年春季期间北部湾北部近岸8个站位的Chl-a及环境因子连续观测数据，研究Chla 及其它环境因子在不同区域的时空分布特征，分析Chl-a 浓度与环境因子和水体营养盐之间的相关性，探讨Chl-a 时空变化可能的调控机制，旨在为北部湾近岸海域藻华暴发预报、环境保护政策制定和探明近海区域海洋初级生产力水平提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域和数据来源

本研究区域位于北部湾北部(108.25°—109.20°E,21.40°—22.05°N)，即广西沿岸海域，该区域由防城港、钦州湾、三娘湾和廉州湾组成，主要的入海河流为南流江、大风江、钦江、和防城江。为展示Chl-a 的区域差异性，将站位根据所在海湾（防城港、钦州湾、三娘湾和廉州湾）分为四个区域，标记为区域A、B、C 和D。研究范围与现场监测点位见图1。

图1 2021年北部湾北部近岸海域三月份平均Chl-a空间分布Fig.1 Spatial distribution of average Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in March 2021

本研究现场研究数据来自2021 年广西壮族自治区海洋环境监测中心站水质自动在线监测的监测数据，研究海域投放的水质自动在线监测仪是美国YSI品牌的6600V2型多参数水质分析仪器,搭载的Chl-a 探头型号为599103-02，量程0～400 μg/L。本研究选取Chl-a含量、温度(SST)、盐度(SAL)和浊度(TUR),于2021 年3 月进行全月的每天24 h 连续监测，每次监测的时间间隔为0.5 h。同时，利用型号为NPA-PRO 营养盐自动分析仪（意大利SYSTEA）测定营养盐成分[硝酸盐(NO3-)、亚硝酸盐(NO2-)、氨氮(NH4+)、活性磷酸盐(SRP)]，其中，氨氮量程为0～1 mg/L，硝酸盐和亚硝酸盐的量程为0～5 mg/L，磷酸盐的量程为0～0.5 mg/L，数据每4 h 采样一次，三娘湾因未布设营养盐探测装置，故此海湾的水体氮磷营养盐数据缺。为方便分析，本研究将硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮求和作为总溶解无机氮(TDIN)。

使用由遥感系统(www.remss.com/) 提供的结合交叉校准的卫星微波风和使用变分分析方法(VAM) 的仪器观测的6 h 海面风数据，空间分辨率为(0.25° × 0.25°)。本研究采用2015—2021 年风速数据，将2015—2020 年3 月数据进行多年平均得到气候态风速，将2021 年3 月风速数据处理为研究区域的月平均风速(WS)。

1.2 数据处理与绘图

选取区域包含所有站位各个参数的日平均值，利用Origin 2021 绘制时间序列图。本研究对调查区域的每日平均环境监测数据进行正态分布检验，并在0.05（双尾检验）水平上采用Pearson 指数分析。进行不同区域Chl-a 与环境因子的相关性分析，筛选具有显著性影响的环境因子，探讨环境因子对Chl-a的影响机制。本研究Chl-a和各环境因子的等值线剖面图均采用Ocean Data View 软件绘制、折线图和相关性分析图采用Origin 2021绘制、风速图采用MATLAB 2021b绘制。

2 结果与分析

2.1 Chl-a的空间分布

观测期间平均Chl-a 质量浓度空间分布见图1，显示研究海域整体的Chl-a 质量浓度大致范围在2.95～8.15 mg/m3（表1），平均质量浓度为4.25 mg/m3，其中广西沿岸的中部海域存在一个显著的Chl-a 质量浓度高值区，即区域C的5号站位，质量浓度高达8.15 mg/m3；位于区域A、区域B 和区域D 的1、3 和6号站位Chl-a 质量浓度较低，最低值出现于区域B湾内的3号站位，质量浓度为2.95 mg/m3。

表1 2021年春季研究区域Chl-a和环境参数的月均现场数据情况Table 1 The Chl-a and environmental parameters of on-site monitoring stations in the study area during the spring of 2021

2.2 环境因子的空间分布

SST 大体呈现中部高东部西部低的趋势（图2(a)），波动范围为17.80～29.21 ℃（表1）。区域B 的平均水温不超过21.2 ℃，明显低于其他区域，其中，位于区域B 北部茅尾海的3 号站位最低，温度为20.99 ℃；区域C 的平均水温超过23 ℃，最高可达29.21 ℃。

SAL 梯度变化趋势由北向南递增（图2(b)），变化范围是20.46～32.25（表1）。区域B 的SAL 低于其他三个区域，其中位于内湾的3号站位SAL最低；区域D 附近海域SAL 较高，所含站位SAL 均超过30；四个区域均呈现湾内低，湾外高的分布。

TUR 在2.06～40.21 NTU 之间变化（图2(c)），各区域的水体TUR 均值依次表现为区域D ＞区域A ＞区域C ＞区域B。位于湾内的1、3、7和8号站位的平均TUR 较高，均超过10 NTU，其中7 号站位高达13.28 NTU，表明区域D 海域悬浮物较多；其余站位的平均TUR 波动在5.75～10.27 NTU，其中4 号站位最低。

TDIN 和SRP的分布情况大体相似（图2(d,e)），均由北向南递减，呈现湾内高于湾外、近岸高于离岸的趋势，其中区域B 营养盐浓度最高（表2），其余区域营养盐浓度相对较低；此外，根据Redfield 比值可知，在区域A、B和D的N/P ＜16∶1，因此三个区域大致为氮限制。

表2 2021年春季调查海域四个区域的环境参数Table 2 Environmental parameters of four areas in the surveyed sea area in spring 2021

图2 2021年北部湾北部近岸海域三月份平均环境因子空间分布Fig.2 Spatial distribution of average environmental factors in the northern coastal waters of Beibu Gulf in March 2021

2.3 区域间Chl-a与环境因子的时间变化

2.3.1 Chl-a的时间序列 三月份叶绿素日平均时间序列显示研究海域Chl-a 浓度变化范围为1.07～15.7 mg/m3（图3）。区域A 的Chl-a 浓度变化整体上呈现先升后降的趋势，其中1号和2号站位均于3月8 日出现极大值，并分别在16 日和25 日达到最高值；区域B 的3 号站位变化较为平缓，而4 号站位的浓度变化区间波动最大，22—29 日有显著波动，于25 日出现整个海域的Chl-a 最高值，在1 d 内又降至极小值；区域C 的5 号站位浓度多数时间远高于其它站位，在15日前，存在多处极大值，15—29日期间波动十分强烈，19 日升至最高值，23 日下降至极小值；区域D 的6、7 和8 号站位存在较明显的周期性波动，在大多数时间内，3 个站位的变化趋势一致，但在15 日后浓度波动趋势存在明显反向变化的情况，其中6 号站最为明显，17 日只有6 号站出现极大值，25—29日期间则相反。

图3 2021年春季北部湾北部近岸海域Chl-a时间分布Fig.3 Time distribution of Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in spring 2021

为直观观察到Chl-a 的日变化程度，用每日数据的标准差除以平均值得到每日变化率。根据每日变化率发现调查海域每个区域的Chl-a 浓周日波动不规则；多数区域在3 月6—9 日、16—19 日、22—29 日三个时间段日波动较大，只有区域C 的日变化率相对平稳，其中区域D 的6 号站位在3 月27—29日的变化十分显著（图4）。

图4 2021年春季北部湾北部近岸海域Chl-a每日变化率Fig.4 The daily change rate of Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in spring 2021

2.3.2 SST 和SAL 的时间变化 区域A、B、D 的SST，最低温出现在3 月5 日，3 月20 日升至最高，而区域C的SST在3月1—12日期间，与其他区域相比波动剧烈，11日达到最高温29.21 ℃（图5）。SAL 方面，区域A 的变化较平稳；区域B 和D 在3 月20—22 日期间出现最低值；区域C 的SAL 与SST 变化趋势相反（图5）。

2.3.3 TUR的时间变化 区域A的TUR在3月19日前维持在较低水平，但在3 月21 日出现突增，4 d 后回到该区域平均水平；区域B TUR 在3 月12 日突增至21 NUT，且于22 日到达极大值；在研究期间，区域C 的的TUR 呈现不规则且剧烈的变化，波动区间小于其它三个区域；区域D 的TUR 明显高于其他三个区域，且浓度变化剧烈，于3 月21 日突增至最高，接近30 NUT（图5）。

图5 不同海湾Chl-a与环境因子的时间变化特征Fig.5 Temporal variation characteristics of Chl-a and environmental factors in different bays

2.3.4 TDIN 和SRP 的时间变化 图6为不同海湾区域的水体氮、磷营养盐状况，区域C因未布设营养盐探测装置，故此海湾的水体TDIN 和SRP 数据缺测。三个区域间的氮和磷营养盐浓度变化情况存在差异，但每个海湾内的TDIN 与SRP 变化趋势大体相同，且Chl-a 与营养盐的浓度高值存在一定的滞后性（图3，图6）。在整个研究期间，营养盐浓度从大到小排序为：B ＞D ＞A，但在3 月6—7 日期间，区域D 的氮营养盐最高。因为两种营养盐分布大致相似，且三个区域均为氮限制，故仅保留TDIN 用于分析。

图6 不同海湾总溶解无机氮TDIN和活性磷酸盐SRP的时间变化特征Fig.6 Time variation characteristics of TDIN and SRP in different bays

3 讨论

3.1 不同区域的Chl-a对环境因子的响应差异

营养盐通常是影响浮游植物生长的主要因子，其分布变化能够较为客观的反映该海域的浮游植物生长情况。当水体中TDIN ＞0.1 mg/L，SRP ＞0.02 mg/L 时，会极大增加发生藻华的可能[16]。营养物质在水体中会受到潮汐、径流、上升流、季风、降水等动力过程引起的水体结构改变和作用于其上物理力的影响[17-18]。根据李少朗等[19]研究，北部湾北部沿岸为不规则全日潮。根据调查期间潮汐变化图（图7）和Chl-a 每日变化率图（图4），发现由于受到不规则全日潮的影响，调查海域的营养盐和Chl-a浓度的周日波动并不规律，使得个别站位Chla浓度一天内变化幅度很大，如位于区域D 湾外的6号站位日变化剧烈时段刚好与潮汐的不规则波动一致。北部湾北部近岸海域的水团主要为琼州海峡流和外海高盐水组成的混合水团，12 月至次年3月的影响范围最大[20]。研究发现SAL 并不直接对Chl-a分布产生作用，其变化主要体现淡水输入的影响[21]。低盐高营养的河流冲淡水漂浮在较高盐度的低营养盐外海水体上，水平扩散入海，为海域浮游植物生长提供营养，对周围海域的水文、生化特征和泥沙运动产生巨大的影响[22]。

图7 研究海域3月潮汐变化Fig.7 Variation of tides in the study area in March

根据北部湾海域多年的3 月平均风速图（图8(a)）和2021 年3 月风场图（图8(b)）对比可知，3 月北部湾为东偏北风向，两者一致，而近岸区域在2021年风向有所改变，主要为东南风（图8(b)黑框内）。研究期间近岸海域多数为阴雨天气，风雨及淡水输入使得该区表层水体混合作用活跃，从而加速了海-气界面的气体交换，为浮游植物生长提供了充足的氧气。浮游植物通常需到水体稳定、TUR 下降后才能大量吸收营养物质用于生长。

图8 北部湾海域与研究区域3月平均海面风Fig.8 The average sea surface wind of Beibu Bay and the study area in March

微藻生长一般在吸收营养盐的9 d左右进入生长衰减期[23]。并且，有研究发现最大风速会引起Chl-a浓度最大值滞后营养盐浓度最大值约7～10 d[24]。在本研究中，滞后相关分析（图9）也表明区域A 的Chl-a 浓度与营养盐存在9 d 的最大滞后正相关（图9(a)），这说明该区域营养盐明显调控着浮游植物生长。此外，A 区域附近存在上升流[25]，风引起的上升流将底层低温高营养水带至表层，使得该区域原本较少的氮、磷营养盐得到一定程度的补充，待吸收9 d后藻类数量达到峰值。

区域B 最大相关系数不存在显著滞后性（图9(b)），Chl-a 与营养盐有较好的同步相关。该区域所处钦州湾，湾口狭小且被陆地包围面积大，受淡水输入影响最为显著，大量营养物质输入海中；潮水经过狭窄的湾口时，会加速水体向湾内的流动。两种水体的混合加速海-气界面氧气的交换，使得水体拥有充足的氧气和营养物质，且潮汐的波动有利于浮游植物在湾内聚集，浮游植物在此大量生存繁殖，Chl-a 浓度随之增加[18]。湾内水体TUR 较低（图2(c)），表层浮游植物也可以得到充足的光照进行光合作用。

图9 研究海域3月日均Chl-a和TDIN 的滞后相关分析Fig.9 The lag correlation analysis of the daily average Chl-a and TDIN in the study area in March

区域C虽然营养盐缺测，但有研究发现，在近岸海域SAL 与营养盐存在较显著的负相关[26]，加之有大风江的淡水汇入使SAL 不高，由此推测该区域的营养浓度并不低。充足的营养盐和适宜的生长温度、光照，让该区域藻类大量繁殖，Chl-a浓度随之升高，成为研究海域初级生产力丰富的区域。

区域D 的TDIN 与SAL 呈显著负相关，说明此区域营养盐主要来源于陆源径流，尽管也受外海水的影响，但是Chl-a 与TDIN 的滞后性却表现弱的负相关（图9(c)），9 d 的相关尤为显著，这可能与高营养盐高TUR 有关。周边淡水携带高营养盐高TUR水体注入，与东南风驱动的琼州海峡沿岸流在该区域交汇，使得水体混合剧烈，沉积物与有机质再悬浮，导致光强减弱影响了浮游植物光合作用吸收，从而影响Chl-a浓度。

3.2 水体情况对浮游植物生长的影响

光照强弱和水体温度一定程度上调控着海洋生态系统，对近岸海域藻华暴发起到一定的驱动作用[27]。光照和温度通过影响浮游植物光合活性、放氧速率、酶促反应和营养物质的分解等过程等方面，来直接或间接影响藻类生长[28]。当处在适宜的光照条件下，浮游植物可以快速有效的吸收营养物质用于自身繁殖，从而获得竞争优势，而当水中混合层和真光层比值变小时，会导致水体光照增强，从而加大藻华发生的机率[29]，且适宜的水温（23～28 ℃）也有利于浮游植物的复苏和大量生长[30]。

区域C 的SST（＞23 ℃）明显高于其他区域（图2(a)）。该区地形开阔[31]，WS 相较其它区域强（图8(b)），外海水侵入量较大。宋国栋等[32]发现，春季近岸海水表面温度低于离岸海水，因此在东南风的作用下温度较高的外海水流向近岸与陆源淡水混合，从而导致该沿岸海域温度升高，短时间内引起SST的强烈响应，温度升高到适宜生长的水平，从而促进该海域的浮游植物大量生长，因此区域C 的Chl-a浓度较高。区域A、B、D温度与Chl-a浓度显著正相关（图10），与先前研究结果一致[30]。区域C 温度与Chl-a浓度并无显著相关，推测是该区域SST整体维持在较高温度，当浮游植物处在一个适宜的温度、光照环境并有充足的营养盐时，SST 并不能对其形成温度限制，使得相关性并不显著。由于多数时间广西沿岸处于阴雨天气，使得光照程度较晴天弱，且区域A 和D 受外海水和淡水混合作用强，由径流输入带来的悬浮颗粒物与潮汐带来的底层沉积物在水体中混合再悬浮会导致水体TUR 增大，水体中的有效光合辐射强度减弱，限制了浮游植物的光合作用，大大降低这两个区域的浮游植物生物量[33-34]。当水体中营养盐丰富时，光照是影响浮游植物生长的主要因素[35]，区域B 的TUR 不高，藻类可用光强充足，且该区域为半封闭性海湾，当高营养的淡水注入时，湾内藻类吸收大量营养用于生长，使得该区Chl-a浓度较高，为该区藻华暴发提供有利条件。

图10 2021年春季期间北部湾北部沿岸海域Chl-a与环境因子的Pearson相关分析Fig.10 Pearson correlation analysis of Chl-a and environmental factors in the northern coastal waters of the Beibu Gulf during the spring of 2021

综上，通过监测近岸水体中藻类Chl-a 的浓度（重点关注区域B 和C），了解整个北部湾北部近岸调控Chl-a 分布特征的影响因素，可以为藻华灾害监测预警问题提供数据和理论支持。

4 结论

春季北部湾北部近岸水体大致呈现出氮限制，Chl-a时间变化主要受陆源输运、光照和不规则全日潮影响。并且，Chl-a 浓度呈现显著的空间变化，这种现象可能受不同区域环境因子的明显变化调控：1）防城港的浮游植物生长主要受营养盐调控；2）在富含营养盐淡水输入的钦州湾和三娘湾，且低TUR暗示光照充足，浮游植物的生长不受到光照和营养盐限制，但由于三娘湾的SST 相对更适宜，使得该区的浮游植物Chl-a 明显高于其他区域；3）在高营养盐的廉州湾，由于高TUR 导致的透明度下降光照减弱，导致浮游植物生长受到光照限制，Chl-a 浓度最低。