王星辰，邢 磊＊＊，張海龍，李 莉

（中國海洋大學(xué)1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室2.海洋有機地球化學(xué)研究所，山東 青島266100）

近幾十年來由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的注入，渤海環(huán)境和營養(yǎng)鹽水平發(fā)生了很大變化。在1960—1996年期間，渤海總無機氮濃度和N∶P升高，而活性磷酸鹽濃度、硅酸鹽濃度和Si∶N降低[1]。浮游植物群落中甲藻數(shù)量增加，成為渤海海域的優(yōu)勢藻種[2]。在北黃海由于Si、P營養(yǎng)鹽限制，導(dǎo)致甲藻成為了該海域的優(yōu)勢藻種[3]。與此同時，在1960—1997年期間，渤海海水表層溫度以0.01℃·a－1的速度上升[4]。1982—2006年期間，黃海海水表層溫度上升了0.67℃[5]。因此，北黃海和渤海的水文及化學(xué)環(huán)境正在發(fā)生急劇變化，而這種變化對浮游植物生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)造成了影響。

前人對渤海和北黃海生態(tài)系統(tǒng)的變化進行了初步研究。結(jié)果表明，在1959—1998年期間，渤海初級生產(chǎn)力水平呈現(xiàn)下降趨勢[6]。1992—1993年與1982—1983年相比，渤海的硅藻和甲藻生物量都降低了，但硅藻生物量降低的幅度明顯高于甲藻[1]。對北黃海36°N斷面的調(diào)查結(jié)果顯示，在1983—1986年期間，黃海的優(yōu)勢藻種是硅藻，在1996—1998年期間，黃海的優(yōu)勢藻種變成了甲藻[3]。以上研究為了解渤海和北黃海生態(tài)結(jié)構(gòu)的變化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)的時間尺度短，且調(diào)查區(qū)域有限，不足以揭示渤海和北黃海生態(tài)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。由于觀測資料時空尺度的限制，生態(tài)系統(tǒng)變化記錄重建成為研究生態(tài)環(huán)境變化的必需手段。已有研究者利用多種指標(biāo)重建了渤海－北黃海的古生產(chǎn)力，包括有機碳通量[7]、底棲有孔蟲屬種及組合分布[8]等。但這些指標(biāo)都存在著一定的缺陷，例如總有機碳含量（Total organic carbon，TOC）包括陸源和海源有機質(zhì)，用其重建海洋古生產(chǎn)力信號可能存在偏差，在陸源物質(zhì)輸入高的邊緣海的應(yīng)用尤其受到限制。因此要獲得生態(tài)系統(tǒng)重建的準(zhǔn)確結(jié)果，應(yīng)該采用多種不同的指標(biāo)來進行研究。

生物標(biāo)志物方法作為一種較新的研究手段，其含量與比值的變化被廣泛用于總生產(chǎn)力或者某一種浮游植物生產(chǎn)力與群落結(jié)構(gòu)變化的重建。已有研究者利用這一方法在我國東海[9－10]和南海[11]重建了浮游植物生產(chǎn)力變化。色素生物標(biāo)志物記錄顯示近幾十年來長江入?？诔矢粻I養(yǎng)化趨勢[9]。類脂類生物標(biāo)志物的記錄揭示南海北部冰期時生產(chǎn)力高于間冰期[11]。對東海和南黃海表層浮游植物生物標(biāo)志物的研究發(fā)現(xiàn)，硅藻、甲藻和顆石藻生物標(biāo)志物可以指示海洋浮游植物生產(chǎn)量，是海源有機質(zhì)的良好指標(biāo)[12－13]。本文通過測定北黃海－渤海表層沉積物中幾種主要浮游植物生物標(biāo)志物，得到浮游植物生物標(biāo)志物含量分布特征及含量比值變化，并與現(xiàn)代海洋調(diào)查結(jié)果對比，為使用生物標(biāo)志物來重建北黃海－渤海過去浮游植物生態(tài)結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)驗證數(shù)據(jù)。目前研究表明菜子甾醇主要來源于硅藻[14]，甲藻甾醇主要來源于甲藻[15]，并認為只有顆石藻屬能夠產(chǎn)生直鏈烯酮。本文選用的生物標(biāo)志物包括：以菜子甾醇（B）指示硅藻；甲藻甾醇（D）指示甲藻；長鏈烯酮（A）指示顆石藻。

1 調(diào)查海區(qū)及分析方法

1.1 調(diào)查海域

渤海是一個半封閉的陸架淺海，總面積77 000km2，是中國4個邊緣海中坡度最小的海區(qū)，平均水深約18m[16]。黃河是流入渤海河流中的最大的河流，輸水量為420×108m3·a－1，輸沙量為10×108t·a－1[17]。北黃海是被遼東半島東岸至朝鮮半島西北海岸所環(huán)抱的海灣。沿岸島嶼較多，海底起伏不平，并由北向南（向北黃海中部）緩傾斜，水深在50m以內(nèi)[18]。北黃海流系主要包括黃海暖流余脈和沿岸流系，基本流向終年比較穩(wěn)定，流速皆有夏弱冬強的變化。黃海暖流及其余脈北上，而黃海沿岸流南下，形成氣旋式的流動[19]。北黃海水團主要是沿岸水團和黃海中央水團，沿岸水團特征是鹽度終年較低、海水混濁、溫度鹽度的季節(jié)變化大；黃海中央水團由進入大陸架淺海的外海水與沿岸水混合后形成的混合水團，夏半年會明顯地分為上下兩層，上層為高溫、低鹽水；下層為低溫、高鹽水，稱為黃海冷水團，兩者之間出現(xiàn)明顯的躍層。北黃海冷水團中心位置較穩(wěn)定，約位于北黃海中部偏西，水深大于50m范圍內(nèi)[20]。通過2011年6月國家基金委開放航次，在東方紅2號調(diào)查船上用箱式采樣器采得沉積物樣品，其中0～3cm為表層沉積物樣品。渤海中部泥質(zhì)區(qū)和北黃海中部泥質(zhì)區(qū)的沉積速率較小，沉積速率在0.1～0.4cm/a之間，靠近黃河口的站位沉積速率最高，在1cm/a左右[21]。因此，表層沉積物樣品時間尺度大概在3～30a之間。

1.2 分析方法

TOC的測定過程是將冷凍干燥后的沉積物樣品研磨后裝入玻璃瓶，向樣品中逐滴添加4mol·L－1的HCl，至最后一次加入HCl無氣泡冒出，靜置小許后，震蕩、超聲、離心、去除上清液，加入超純水，震蕩、離心，去除上清液，重復(fù)數(shù)次直到用pH試紙檢測上清液呈中性。將樣品放入烘箱中，55℃烘干，烘干后放入干燥器中平衡24h后研磨使其均質(zhì)化。稱取適量樣品，用CHN元素分析儀（Thermo Flash 2000）測定其TOC和TN的含量，其比值為C/N。TOC和TN的測定標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為±0.02%（n＝6）和±0.002%（n＝6）。

生物標(biāo)志物的測定分為樣品預(yù)處理和上機分析2個過程。將表層沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后進行研磨，準(zhǔn)確稱取5g左右，裝入50mL teflon樣品瓶中，加入40μL 由 19－醇、24－氘烷組成的內(nèi)標(biāo)和50μL C46－GDGTs內(nèi)標(biāo)，用二氯甲烷－甲醇（3：1）混合溶劑超聲萃取4次，提取液經(jīng)6%的氫氧化鉀－甲醇（質(zhì)量比）溶液堿水解，室溫放置過夜；然后用正己烷萃取4次得總有機質(zhì)，過硅膠柱分離，正己烷洗脫得到烷烴組分，5%的甲醇－二氯甲烷混合溶劑洗脫得到正構(gòu)醇、甾醇和烯酮組分。含有浮游植物生物標(biāo)志物的中性組分經(jīng)氮吹富集、衍生化處理后上機分析。對處理好的樣品用氣相色譜（Agilent 6890N）定量分析。所用色譜柱為 HP－1（50m），GC的初始爐溫設(shè)為80℃，其程序升溫過程為：以25℃·min－1升至200℃，4℃·min－1升至250℃，1.8℃·min－1升至300℃，5℃·min－1升至310℃并保持5min。氫氣為載氣，流速1.3mL·min–1。生物標(biāo)志物的含量，由其峰面積與內(nèi)標(biāo)峰面積對比計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物標(biāo)志物含量分布

北黃海－渤海表層沉積物中TOC的分布如圖2A所示。樣品中TOC的變化范圍在0.04%～1.34%之間，在北黃海中部與黃海中部泥質(zhì)區(qū)北部存在高值區(qū)。將實驗結(jié)果與北黃海－渤海地區(qū)的表層沉積物的粒度[22－23]比較，發(fā)現(xiàn)TOC含量分布與粒度分布存在著密切的相關(guān)關(guān)系。在渤海中部、北黃海中部和黃海中部泥質(zhì)區(qū)北部表層沉積物粒度小的區(qū)域TOC含量高；在渤海東部和北黃海東北部表層沉積物粒度相對較大的區(qū)域TOC含量低。北黃海－渤海表層沉積物中的TOC與表層沉積物的粒度相關(guān)，說明了水動力影響北黃海－渤海表層沉積物中的沉積有機質(zhì)分布，這與前人在渤海區(qū)域做的TOC分布結(jié)果相符[24]。

菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮的含量分布如圖2B、C、D所示，菜子甾醇的含量變化范圍為48～1 658 ng/g，甲藻甾醇的含量變化范圍為45～2 647ng/g，長鏈烯酮的含量變化范圍為0～1 360ng/g。從這3種生物標(biāo)志物的分布圖上可以看出，表層沉積物中浮游植物生物標(biāo)志物的含量分布與TOC含量分布有大致相同的趨勢。在渤海中部泥質(zhì)區(qū)、北黃海中部泥質(zhì)區(qū)和黃海中部泥質(zhì)區(qū)北部區(qū)域，這3種生物標(biāo)志物的含量明顯高于渤海東部和北黃海東北部砂質(zhì)區(qū)。這一結(jié)果表明粒度效應(yīng)對該海域沉積物中浮游植物生物標(biāo)志物的含量分布的影響。

圖2 北黃海－渤海表層沉積物中總有機碳和浮游植物生物標(biāo)志物含量分布Fig.2 Distribution of TOC and Phytoplankton biomarkers content in surface sediments ofthe North Yellow Sea and the Bohai Sea

為了消除沉積物粒度和沉積速率對菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮這3種生物標(biāo)志物含量分布的影響，將3種生物標(biāo)志物分別與TOC做比值（見圖3）。菜子甾醇/TOC的含量變化范圍為586～5 606ng·g－1，甲藻甾醇/TOC的含量變化范圍為186～4 178ng·g－1，長鏈烯酮/TOC的含量變化范圍為0～1 087ng·g－1。圖3顯示菜子甾醇/TOC、甲藻甾醇/TOC、長鏈烯酮/TOC的分布與菜子甾醇、甲藻甾醇、長鏈烯酮的含量分布有明顯的差異。將菜子甾醇/TOC的分布與現(xiàn)代北黃海浮游硅藻豐度的研究結(jié)果[25]進行了比較，發(fā)現(xiàn)菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度有著大致相同的分布趨勢。在遼東半島南岸海域，菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度都存在高值區(qū)；而在北黃海其他海域，菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度值都相對較低。將甲藻甾醇/TOC的分布與現(xiàn)代北黃海浮游甲藻豐度的研究結(jié)果[25]進行了比較，發(fā)現(xiàn)甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度有著大致相同的分布趨勢。在北黃海北部，甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度都存在高值區(qū)；在北黃海其他海域，甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度值都相對較低。這一結(jié)果表明，研究海域表層沉積物中的菜子甾醇和甲藻甾醇這兩種生物標(biāo)志物的相對含量基本可以用來指示上層水體中浮游硅藻和甲藻這兩種藻類的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影響不能直接用來指示硅藻和甲藻的分布。

圖3 北黃海－渤海表層沉積物中浮游植物生物標(biāo)志物含量與TOC比值分布Fig.3 Distribution of TOC－based proxies in surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

2.2 浮游植物生物標(biāo)志物比值的變化

圖4A、B、C分別是菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮在北黃海－渤海的相對比例變化分布圖。這3種生物標(biāo)志物的相對比例可分別指示硅藻、甲藻和顆石藻在北黃海－渤海的相對貢獻變化。從圖4A可以看出，在整個研究海域內(nèi)硅藻在渤海的相對貢獻明顯高于北黃海，在渤海海域內(nèi)硅藻在黃河口及山東半島沿岸區(qū)域的相對貢獻明顯高于渤海中部海域。以往的研究表明，由于河流的輸入，渤海沿岸海域的硅酸鹽濃度比渤海中部海域的高[26－27]。研究也表明渤海硅酸鹽濃度高于北黃海[27]。高濃度硅有利于硅藻的生長[28]，所以在山東半島沿岸附近及黃河口附近硅藻的相對貢獻明顯高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相對貢獻明顯高于北黃海。從圖4B可以看出，甲藻的相對貢獻分布與硅藻的相對貢獻分布正好相反，在北黃海甲藻的相對貢獻明顯高于渤海，在渤海中部海域甲藻的相對貢獻明顯高于山東半島沿岸附近及黃河口附近。這與同一海域內(nèi)甲藻與硅藻對營養(yǎng)鹽的競爭有關(guān)，在硅藻相對貢獻較高的渤海區(qū)域甲藻相對貢獻較低，而在硅藻相對貢獻較低的北黃海區(qū)域甲藻相對貢獻較高。高的顆石藻相對貢獻出現(xiàn)在北黃海中部，與黃海暖流入侵路徑對應(yīng)。前人對南黃海表沉積物中鈣質(zhì)超微化石的研究表明，顆石藻的分布與黃海暖流有密切的關(guān)系，黃海暖流流經(jīng)區(qū)域，顆石藻豐度高[29]。研究表明北黃海的顆石藻的優(yōu)勢藻種為赫氏艾密里藻和大洋橋石藻[30]，這2種顆石藻為大洋種。黃海暖流由黃海東南部進入黃海，沿著黃海槽北上，繞過山東半島進入北黃海，然后轉(zhuǎn)向西從渤海海峽的北側(cè)進入渤海[31]。起源于外陸架的黃海暖流對北黃海－渤海海域的入侵將帶來溫暖高鹽的大洋海水及高豐度的顆石藻。因此，在北黃海－渤海海域高的顆石藻相對比例與黃海暖流入侵路徑相對應(yīng)。

圖4 北黃海－渤海表層沉積物中各浮游植物生物標(biāo)志物含量與總含量比值分布Fig.4 Distribution of biomarkers－based proxiesin surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

3 結(jié)論

（1）北黃海－渤海表層沉積物的TOC及菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮含量與表層沉積物的粒度有密切的相關(guān)關(guān)系，在表層沉積物粒度小的區(qū)域，TOC和生物標(biāo)志物含量高；在表層沉積物粒度大的區(qū)域，TOC和生物標(biāo)志物含量低，顯示水動力環(huán)境對北黃海－渤海表層沉積物中的有機質(zhì)分布有著控制性的影響。

（2）北黃海表層沉積物中菜子甾醇和甲藻甾醇對TOC相對含量分布與北黃海現(xiàn)代海洋浮游硅藻和甲藻的豐度調(diào)查結(jié)果相似，相對含量高值主要出現(xiàn)在高生產(chǎn)力區(qū)，這表明研究海域表層沉積物中的菜子甾醇和甲藻甾醇這2種生物標(biāo)志物的相對含量基本可以用來指示上層水體中硅藻和甲藻這2種藻類的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影響而不能直接用來指示硅藻和甲藻的分布。

（3）生物標(biāo)志物比值結(jié)果顯示山東半島沿岸附近及黃河口附近硅藻的相對貢獻明顯高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相對貢獻明顯高于北黃海，與水體中硅酸鹽的濃度分布相關(guān)。甲藻與硅藻有明顯的競爭關(guān)系，硅藻相對貢獻高的區(qū)域，甲藻相對貢獻低。黃海暖流對北黃海－渤海海域的入侵帶來溫暖高鹽的外海海水，并控制著顆石藻在北黃海和渤海的分布，高的顆石藻相對貢獻與黃海暖流入侵路徑相對應(yīng)。

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