劉麗雪 , 王玉玨 邸寶平 劉東艷

(1.中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺 264003; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

渤海是我國唯一的內(nèi)海, 具有豐富的生物多樣性與資源, 是我國發(fā)展捕撈與養(yǎng)殖, 實(shí)現(xiàn)國家中長期戰(zhàn)略目標(biāo)的重要區(qū)域[1-2]。近年來, 隨著環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 沿岸各種人類活動產(chǎn)生的大量污染物質(zhì)通過河流輸送和大氣沉降進(jìn)入海洋[3-5],已經(jīng)顯著影響到近海的生源要素與污染物分布, 并通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動作用于整個食物網(wǎng), 不僅嚴(yán)重影響到海洋環(huán)境質(zhì)量, 而且引起渤海生態(tài)系統(tǒng)衰退[6-8]。

已有研究表明, 渤海存在嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題,營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)較以往已發(fā)生顯著改變[9-10]。由于黃河斷流減少了硅的入海量, 且農(nóng)用氮肥流失量只增不減,渤海已出現(xiàn)明顯的磷限制與硅限制現(xiàn)象[11-12]。海水中營養(yǎng)鹽是浮游植物生長的必要條件, 營養(yǎng)鹽的濃度和結(jié)構(gòu)在一定程度上可以控制浮游植物的生長,引起種群數(shù)量的變動[11-15]。因此, 通過研究葉綠素a和營養(yǎng)鹽及其他環(huán)境因子的關(guān)系, 有助于了解浮游植物對周圍環(huán)境變化的響應(yīng)關(guān)系。

本研究對2012年春季渤海中部及其鄰近海域的葉綠素a和環(huán)境因子的空間分布進(jìn)行了分析, 并通過主成分分析探討了渤海葉綠素a濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性, 以期為渤海的相關(guān)生態(tài)學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)域和方法

本研究于2012年5月搭乘國家基金委航次在渤海開展了葉綠素與營養(yǎng)鹽樣品的采集工作, 調(diào)查區(qū)域涵蓋渤海中部以及三大灣口, 平均水深 23 m, 最深處為38 m左右, 本次調(diào)查共采集了32個站點(diǎn)的表層、中層與底層水樣(圖1)。

圖1 調(diào)查站點(diǎn)Fig.1 The sampling sites in the central Bohai Sea

溫度和鹽度數(shù)據(jù)來自于船上的 CTD(Seabird 911)測定結(jié)果。水樣從 CTD采水器中獲取, 用于葉綠素a與營養(yǎng)鹽的分析。其中, 1 L水樣經(jīng) GF/F濾膜(Whatman)過濾后, 濾膜于–20 ℃下避光冷凍保存,用于葉綠素a測定, 每個采樣點(diǎn)取三個平行樣, 結(jié)果取其平均值。取250 mL水樣0.45 μm醋酸纖維濾膜濾后, 濾液用于營養(yǎng)鹽的測定。

葉綠素a在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用分光光度法測定: 將濾膜用90%丙酮4 ℃條件下提取24 h后, 在4 000 r/ min轉(zhuǎn)速下離心10 min, 取上清液用紫外-可見分光光度計(jì)分別在波長 750、664、647、630 nm下測定其吸光值, 利用公式(1)[16-17]計(jì)算葉綠素a濃度:

其中,E750,E664,E647,E630分別是各波長下的吸光值,V丙酮為丙酮萃取液的體積(mL);V水樣為過濾海水的體積(L)。

溶解態(tài)無機(jī)營養(yǎng)鹽利用營養(yǎng)鹽自動分析儀(AA3,Bran+Luebbe, German)測定, 銨鹽(NH+4-N)采用水楊酸鈉顯色法測定, 其他營養(yǎng)鹽的測定方法主要參照《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763.4-2007)[18]: 硝酸鹽(NO3--N)采用銅鎘還原后重氮-偶氮顯色法, 亞硝酸鹽(NO-2-N)采用重氮-偶氮顯色法, 活性磷酸鹽(DIP)采用磷鉬藍(lán)法, 硅酸鹽(DSi)采用硅鉬藍(lán)法。溶解無機(jī)氮(DIN)為NO3--N, NO-2-N與NH+4-N的濃度之和。

葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)性分析采用主成分分析方法[19]。主成分分析可以將多個變量納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究, 它不僅可以簡化篩選出幾個重要變量, 也可以闡釋變量之間的關(guān)系。渤海葉綠素a和其他環(huán)境因子均為數(shù)量型環(huán)境因子, 因此可以通過進(jìn)行主成分分析來辨析它們之間的關(guān)系。本文對渤海30個站點(diǎn)(YD01和B45站點(diǎn)因營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)缺失去除)3個水層的葉綠素a和環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析, 得到的前兩個主成分軸均可解釋總體變量的 50%以上, 最后依據(jù)前兩個軸作出三個水層主成分分析排序圖。

2 結(jié)果和討論

2.1 溫度與鹽度的空間分布特征

圖2a~圖2c給出了海水溫度表、中、底層的分布特征。結(jié)果表明: 調(diào)查區(qū)域海水溫度范圍為6.01~16.7 ℃; 靠近遼東灣與渤海海峽的海水溫度明顯低于萊州灣口附近; 渤海中部偏渤海灣方向水溫的垂直變化較大, 最高溫差可達(dá) 5.7℃。調(diào)查海區(qū)的溫度明顯隨水深的增加而減小, 春季陸地升溫比海水快是造成近岸水溫高于中部的主要原因。

圖2d~圖2f給出了海水鹽度表、中、底層的分布特征。結(jié)果表明: 調(diào)查區(qū)域海水鹽度范圍為28.05~31.29; 海水鹽度呈現(xiàn)由西南向東北鹽度逐漸增加的趨勢, 顯示了黃河淡水輸入的影響; 并且表層鹽度值低于30的海域大于中層和底層, 表明黃河淡水對表層海水的影響更明顯。

圖2 調(diào)查海區(qū)水溫與鹽度的空間分布特征Fig.2 The spatial distribution of temperature and salinity in the studied areas

2.2 營養(yǎng)鹽濃度的空間分布特征

圖3a~圖3c給出了DIN濃度的空間分布特征。結(jié)果表明: DIN在調(diào)查海區(qū)的濃度范圍為 2.37~9.05 μmol/L; 高值區(qū)主要出現(xiàn)在萊州灣口斷面鄰近的海域, 尤其是靠近黃河口附近的海域, 最大值可達(dá)9.05 μmol/L; 大部分站點(diǎn)中底層DIN濃度略高于表層。

圖3d~圖3f給出了DIP濃度的空間分布特征。結(jié)果表明: DIP在調(diào)查海區(qū)的濃度范圍低于檢出限–0.25 μmol/L; 出現(xiàn)了兩個高值區(qū), 分別位于渤海灣口靠近黃河口處與渤海海峽口附近, 最大值分別為0.25 μmol/L和0.14 μmol/L; 多數(shù)站位表層DIP濃度低于中底層。

圖3g~圖3i給出了DSi濃度的空間分布特征。結(jié)果表明: DSi在調(diào)查海區(qū)的濃度范圍為 0.12~8.36 μmol/L; 黃河口附近出現(xiàn)了一個明顯高值區(qū)(1.21~8.36 μmol/L), 這一結(jié)果與鹽度的分布特征類似, 顯示了黃河水輸入是硅酸鹽的一個重要來源;此外, 在渤海灣口南部和萊州灣口處的中底層 DSi濃度高于表層, 其他海區(qū)則無明顯差別。

圖3 調(diào)查海區(qū)營養(yǎng)鹽的空間分布特征Fig.3 The spatial distribution of dissolved inorganic nutrients in the studied areas

3種營養(yǎng)鹽均在黃河口附近海域有較高的濃度,充分表明黃河水輸入是渤海水體中營養(yǎng)鹽的重要來源。并且中層和底層營養(yǎng)鹽濃度略高于表層, 尤其是磷酸鹽, 說明沉積物中營養(yǎng)鹽的再釋放可能對上層水體中營養(yǎng)鹽有所補(bǔ)充。李玲偉等[20-21]通過對渤海沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量的研究表明, 渤海沉積物向上覆水體中釋放一定比例的營養(yǎng)鹽, 尤其是磷酸鹽的釋放可以彌補(bǔ)上層水體中磷酸鹽的不足。

2.3 營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的可能限制作用

Justi?等[14]提出的浮游植物生長的化學(xué)計(jì)量和可能營養(yǎng)鹽限制因素標(biāo)準(zhǔn)見表1。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn), 調(diào)查期間海區(qū)97%的站點(diǎn)存在磷酸鹽的絕對限制, 87%站點(diǎn)存在硅酸鹽的絕對限制。

表1 營養(yǎng)鹽限制因素標(biāo)準(zhǔn)[14]Tab.1 The limitation criterion of nutrients[14]

營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)在解釋富營養(yǎng)化與浮游植物生物量及其種群結(jié)構(gòu)變化中, 具有重要意義。因此對調(diào)查海區(qū)營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析(表2)。結(jié)合表1中的營養(yǎng)鹽限制標(biāo)準(zhǔn), 得出調(diào)查海區(qū) 71%的站點(diǎn)存在磷酸鹽的相對限制; 13%的站點(diǎn)存在硅酸鹽的相對限制。結(jié)合磷酸鹽和硅酸鹽絕對濃度限制分析, 表明海區(qū)在調(diào)查期間同時存在磷酸鹽和硅酸鹽的限制, 且磷酸鹽限制更為嚴(yán)重。

表2 調(diào)查海域營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)特征Tab.2 The structures of nutrients in the studied areas

營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)空間分布特征如圖4, 其中B43站點(diǎn)由于其底層 DIN/DIP太高, 為 1287.11, 故在作圖時去除該站點(diǎn)。結(jié)果表明, 整個調(diào)查海區(qū) DIN/DIP較高而DSi/DIN較低, 主要原因是DIP與DSi濃度較低, 而 DIN濃度相對較高, 可能是春季浮游植物生長高峰期消耗了大量的營養(yǎng)鹽[9], 但由于污水排放、氮肥流失等向渤海輸入較多的 DIN, 而 DIP的輸入較少, 并且近年來黃河入海流量減少限制了主要由風(fēng)化過程產(chǎn)生的硅的入海量[10-11], 因此造成營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)比例失衡。這一研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了目前已有的認(rèn)識, 渤海自20世紀(jì)90年代以來, 已經(jīng)由原來的氮限制逐步轉(zhuǎn)為磷限制, 并且在 20世紀(jì)末, 渤海存在磷限制與硅限制加劇的趨勢[10-12,22-23]。

圖4 調(diào)查海區(qū)DIN/DIP, DSi/DIN與DSi/DIP的空間分布(c中“★”表示B43站點(diǎn))Fig.4 The spatial distribution of DIN/DIP, DSi/DIN and DSi/DIP in the studied areas (“★” in figure c represents B43 )

2.4 葉綠素 a的空間分布特征及其與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

圖5a~圖5c給出了調(diào)查海區(qū)表、中、底三個水層葉綠素a的空間分布特征, 結(jié)果表明: 表層葉綠素a濃度范圍是0.63~3.75 μg/L, 高值區(qū)位于渤海灣口,濃度均在 2 μg/L以上, 該研究結(jié)果與以往研究中春季表層葉綠素濃度分布類似[24-25]; 中層和底層葉綠素a顯示了相同的分布特征(圖5b~圖5c), 濃度范圍分別為 0.57~5.31 μg/L 與 0.75~8.35 μg/L, 在渤海中部靠近渤海灣口處出現(xiàn)了一個明顯的葉綠素高值區(qū)。

圖5 調(diào)查海區(qū)葉綠素a的空間分布特征Fig.5 The spatial distribution of chlorophyll a in the studied areas

表層葉綠素a與營養(yǎng)鹽濃度高值區(qū)相近, 而中、底層明顯不同, 可能原因?yàn)榇杭靖∮沃参锷L消耗了大量營養(yǎng)鹽, 而表層受淡水輸入影響, 在渤海灣口靠近黃河口處有較多的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充。對比三個水層不同海區(qū)的葉綠素a濃度發(fā)現(xiàn), 渤海中部靠近渤海灣口海區(qū)中底層葉綠素a濃度明顯高于表層, 而在其他海域均為表層葉綠素a濃度相對較高, 造成這種現(xiàn)象的原因可能是該海域沉積物釋放的營養(yǎng)鹽促進(jìn)了中、底層浮游植物的生長。

將葉綠素a濃度與溫度(T)、鹽度(S)及營養(yǎng)鹽的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析(圖6a~圖6c)。排序圖結(jié)果表明: 表層水體中與葉綠素a強(qiáng)相關(guān)的因子為磷酸鹽和溫度(圖6a); 中層和底層與葉綠素a強(qiáng)相關(guān)的因子為磷酸鹽(圖6b~圖6c)。該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)磷酸鹽已經(jīng)成為影響該海區(qū)浮游植物生長的主要因素, 這與磷酸鹽是影響該海區(qū)浮游植物生長的主要限制因子相對應(yīng)。并且中底層葉綠素a與磷酸鹽的負(fù)相關(guān)性高于表層, 這也對應(yīng)于該部分水體中底層葉綠素a濃度明顯高于表層而磷酸鹽整體偏低的趨勢。

圖6 PCA排序圖Fig.6 The scatter diagrams of PCA

對比三個水層的主成分分析結(jié)果發(fā)現(xiàn), 溫度與葉綠素a的相關(guān)性由高到低分別為: 表層、中層、底層, 而磷酸鹽與葉綠素a的相關(guān)性高低趨勢則相反。說明表層葉綠素a濃度主要受溫度和磷酸鹽的影響,而磷酸鹽為中、底層葉綠素a濃度的主要影響因素。

3 結(jié)論

綜上, 2012年春季黃河口附近海域?yàn)楦邷氐望}區(qū), 而渤海東北部海域則為低溫高鹽區(qū), 符合往年春季的溫鹽分布調(diào)查, 影響溫度分布的主要因素是陸地氣候, 黃河沖淡水對鹽度有顯著影響。

靠近黃河口的渤海灣口和萊州灣口為營養(yǎng)鹽的高值區(qū), 而中部和遼東灣口營養(yǎng)鹽濃度偏低, 表現(xiàn)出黃河水輸入對渤海營養(yǎng)鹽濃度的影響。底層營養(yǎng)鹽濃度高于表層, 說明沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放也是一個重要來源。在研究期間調(diào)查海區(qū)的浮游植物生長同時受磷限制和硅限制的影響, 磷限制尤其明顯。

葉綠素a在表層的高值區(qū)位于渤海灣口處, 而中底層的高值區(qū)位于渤海中部。主成分分析結(jié)果表明磷酸鹽和溫度是影響表層浮游植物生長的主要因素, 磷酸鹽是影響中層和底層浮游植物生長的主要因素。

致謝:感謝“東方紅2號”科考船對海上作業(yè)的支持; 感謝基金委共享航次(41249901)為本文提供的溫鹽數(shù)據(jù)支持;感謝全體采樣和測定人員及其提供的幫助。

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