沈春燕 , 施 平 趙 輝

(1. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301; 2. 廣東海洋大學(xué), 廣東 湛江 524088; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

近年來, 快速增長的人口和工業(yè)化的發(fā)展給海洋環(huán)境帶來巨大的壓力, 一個(gè)最顯著的現(xiàn)象就是水體富營養(yǎng)化和赤潮的發(fā)生。水體葉綠素 a濃度是衡量浮游生物分布、水體初級生產(chǎn)力和富營養(yǎng)化狀況的一個(gè)基本指標(biāo)[1], 監(jiān)測和分析葉綠素a濃度的時(shí)空分布特征對于海洋生物資源的評估和海洋環(huán)境監(jiān)測非常重要。

煙臺四十里灣位于煙臺市萊山區(qū)北部海域(圖 1),三面鄰陸, 一面向海, 為耳狀半封閉海灣, 海岸線長約20 km, 平均水深8～10 m, 是中國北方一個(gè)重要的淺海養(yǎng)殖區(qū), 也是煙臺的重要水產(chǎn)養(yǎng)殖場所。近年來,隨著人口的增長和沿岸經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展, 特別是水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游觀光等人類活動(dòng)加劇, 大量污染物進(jìn)入海灣, 對該海域的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重, 赤潮時(shí)有發(fā)生。根據(jù)山東省海洋環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測記錄, 四十里灣在1998～2010年, 除2000、2003和2006年外, 每年都有赤潮發(fā)生, 富營養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重[2]。2003～2008年, 四十里灣海水中氮、磷、硅營養(yǎng)鹽濃度均增加3倍以上[3]。2007～2010年, 四十里灣氮磷呈現(xiàn)歷年增加的趨勢, 表明該海域有污染加重的趨勢[2]。營養(yǎng)物質(zhì)的增加和赤潮的發(fā)生對該區(qū)域整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成很大的危害, 嚴(yán)重影響了濱海旅游業(yè)和漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。四十里灣的富營養(yǎng)化現(xiàn)象引起不少學(xué)者的重視。但是以往的研究主要是集中于水質(zhì)[4]和營養(yǎng)鹽[2,5-8], 特別是赤潮[9-11]等方面的分析。對于葉綠素 a方面的研究, 只有喻龍[12]和 Hao等[3]分析過2003～2008年5～9月份赤潮高發(fā)期葉綠素a濃度的變化, 李斌等[13]研究了2006～2010年5、8、10月葉綠素a的分布特征。但是以往的研究僅限于短時(shí)間段和有限站點(diǎn)的采樣研究, 對于整個(gè)四十里灣水域和長時(shí)間序列的葉綠素a的研究還沒見報(bào)道。本文在已有研究的基礎(chǔ)上, 利用2003～2012年MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 在初步分析四十里灣葉綠素 a濃度的時(shí)空分布特征的基礎(chǔ)上, 對葉綠素 a時(shí)空變化的可能機(jī)制進(jìn)行了探討, 為四十里灣的海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 資料與方法

本文使用的葉綠素a數(shù)據(jù)及海表溫度是MODIS遙感資料。MODIS是搭載在土星 EOS-Terra(Earth Observation System-Terra)和水星 EOS-Aqua(Earth Observation System-Aqua)上的中分辨率成像光譜儀。MODIS有36個(gè)波段, 其中8～16波段用于海洋水色觀測, 中心波長 412、443、488、531、551、667、678、748、867 nm, 星下點(diǎn)分辨率是1 km。本文使用美國宇航局(NASA)網(wǎng)站(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的EOS-Aqua獲取的MODIS逐日葉綠素a濃度, 資料的空間分辨率是1 km, 時(shí)間是2003年1月～2012年12月。本文共挑選了2 730幅圖像, 其中725幅是無云或者云覆蓋很少的。下載的資料在ENVI(The Environment for Visualizing Images)進(jìn)行簡單的坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換才能應(yīng)用。坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換時(shí), 所有的圖像都采樣同樣的投影參數(shù)。經(jīng)過投影后進(jìn)行區(qū)域裁剪, 多時(shí)相合成, 算術(shù)平均分別獲得研究區(qū)域內(nèi)的月平均和年平均葉綠素a濃度數(shù)據(jù)。海表面溫度數(shù)據(jù)與葉綠素a數(shù)據(jù)同步, 處理方法類似, 最終獲取 2003～2012年海表面月平均溫度數(shù)據(jù)。將單日MODIS葉綠素濃度大于100 mg/m3的極高值當(dāng)做異常值予以剔除, 由于葉綠素濃度異常值較少, 該剔除方法對統(tǒng)計(jì)的結(jié)果影響不大。

圖1 四十里灣研究區(qū)域Fig.1 Study area of the Sishili Bay

2 結(jié)果分析

2.1 四十里灣葉綠素a濃度的空間分布特征

圖2為煙臺四十里灣海域2003～2012年月平均海表面葉綠素a的空間分布。四十里灣葉綠素a濃度具有顯著的水平分布特征, 全年均是南部的近岸高,從西南的灣內(nèi)向東北的灣外逐漸降低。

冬季(12～2月), 四十里灣葉綠素 a濃度范圍是2～17 mg/m3。12月份, 最高值(>12 mg/m3)出現(xiàn)在四十里灣最西側(cè)與芝罘灣交界的一帶沿岸海域。南部離岸約4 km寬以內(nèi)的海域分布值大概是5 mg/m3。最低值(2.5 mg/m3)出現(xiàn)在崆峒島北部, 呈條帶狀一直延伸到北黃海。1、2月份葉綠素 a濃度的平面分布基本一致, 高值區(qū)(>4 mg/m3)出現(xiàn)在辛安河入?？? 葉綠素 a濃度總體從近岸向外灣逐步降低, 但是變化梯度不大, 最低值(<2 mg/m3)分布在崆峒島附近海域。

春季(3～5月), 四十里灣葉綠素 a濃度范圍是1.8～18 mg/m3, 明顯比冬季高。3～5月份葉綠素 a濃度的水平分布趨勢基本一致, 都是近岸高, 逐漸向外海降低, 但是同一個(gè)地點(diǎn)的葉綠素 a濃度逐月升高。從4月份開始, 在逛蕩河入海口正北方大約6 km左右有一個(gè)高值羽分2支向北流去, 從該區(qū)域一直延伸至崆峒島附近海域, 5月份該高值羽的強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。

夏季(6～8月), 四十里灣灣內(nèi)的葉綠素 a濃度達(dá)到年高峰, 最高值達(dá)到36 mg/m3。6月份, 高值區(qū)(>15 mg/m3)出現(xiàn)在辛安河入海口正北方大約5 km的海域, 大于10 mg/m3的區(qū)域向西延伸至逛蕩河入?？谝粠ШＳ? 然后沿著海岸線向東延伸至辛安河入海口。另外還有2個(gè)較高值(>10 mg/m3)區(qū)域出現(xiàn)在養(yǎng)馬島西邊部和崆峒島西南海域。7月份, 葉綠素 a濃度值相比6月份有所降低, 灣內(nèi)葉綠素 a分布沒有規(guī)律, 高值區(qū)出現(xiàn)在辛安河入?？? 有2個(gè)低值區(qū), 一個(gè)出現(xiàn)在逛蕩河口, 另一個(gè)在養(yǎng)馬島西北側(cè)。6、7月份, 以崆峒島為界, 灣內(nèi)外葉綠素a濃度的變化梯度比較大。而且, 原來出現(xiàn)在春季的高值羽在6月份基本消失, 在7月份有一點(diǎn)痕跡, 直到8月份, 高值羽合并為一支, 并擴(kuò)大增強(qiáng)。大于15 mg/m3的區(qū)域在8月份占據(jù)了整個(gè)內(nèi)灣的差不多三分之一的區(qū)域, 是全年葉綠素a濃度最高的月份。

秋季(9～11月), 葉綠素 a濃度逐月下降。9月份,葉綠素 a濃度比8月份有所下降, 高值區(qū)的范圍也縮小。9月份葉綠素高值羽的寬度比8月份的小, 而且向東偏移, 在10月份消失。

2.2 四十里灣葉綠素a濃度的時(shí)間分布特征

2003～2012年四十里灣葉綠素a月平均變化濃度是 4.2～13.9 mg/m3, 標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化范圍是0.5～7.8 mg/m3。葉綠素a中值的分布趨勢與均值基本一致, 而且在同一個(gè)月份兩者的值差別不大。在春季5月份(10.3 mg/m3)和夏季8月(13.9 mg/m3)出現(xiàn)2個(gè)高峰, 呈現(xiàn)溫帶海域特有的葉綠素a“雙峰”現(xiàn)象。從季節(jié)變化來看, 夏季葉綠素a濃度最高, 平均值是10.1 mg/m3, 春秋季差別不大, 平均值都約7.3 mg/m3,位于其次, 冬季最低, 平均值是4.7 mg/m3。

圖2 四十里灣2003～2012年月平均葉綠素a濃度的平面分布Fig.2 Monthly averaged MODIS Chl-a in the Sishili Bay from 2003 to 2012

從年際變化來看(圖3b), 四十里灣葉綠素a年平均值有波動(dòng)性, 最低值出現(xiàn)在 2003年, 整個(gè)海灣平均值是6.7 mg/m3, 最高值出現(xiàn)在2011年, 平均值是12.0 mg/m3。標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化范圍是1.2～5.6 mg/m3。中值的分布趨勢與均值一致, 而且每年的中值和均值比較相近。

3 討論

3.1 四十里灣MODISA遙感葉綠素a濃度與已有研究的對比

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在近海二類水體的應(yīng)用是有爭議性的。為了驗(yàn)證衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的可用性, 我們收集四十里灣已有的葉綠素 a濃度的研究資料與本研究結(jié)果進(jìn)行對比分析。喻龍等[12]分析了2003～2008年赤潮高發(fā)期(5～9月)的營養(yǎng)鹽與葉綠素 a的年際變化, 發(fā)現(xiàn)四十里灣葉綠素a含量大體上呈上升趨勢, 2003年為2.7 mg/m3, 到2007年上升到了11.5 mg/m3, 2008年略有下降, 為7.26 mg/m3, 葉綠素a含量的升高也暗示該海域有富營養(yǎng)化的趨勢。李斌等[13]利用2006～2010年5、8、10月的四十里灣的調(diào)查資料, 分析了該海域的水質(zhì)、浮游植物、葉綠素及水文氣象要素。結(jié)果顯示, 2006～2009年, 四十里灣表層葉綠素a年平均含量有逐年增加的趨勢。除了2009年, 其他年份的葉綠素a含量均為8月最高。從已有的研究來看, 對于葉綠素a濃度的時(shí)空變化, 喻龍等[12]和李斌等[13]的研究結(jié)果不盡相同。本研究的結(jié)果盡管與前人的研究也有所不同: MODIS衛(wèi)星遙感葉綠素a的值普遍比前人采樣實(shí)測的值高, 空間分布的實(shí)際結(jié)果略有微小差異; 但本研究得到的四十里灣葉綠素a濃度值數(shù)量級、葉綠素a年波動(dòng)以及最高峰所在的月份與已有的2個(gè)研究結(jié)果一致。造成本研究與已有的研究結(jié)果有差異的主要原因有: (1)實(shí)測數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)采樣, 一些重要信息缺漏, 而遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)要密很多; (2)研究的具體時(shí)間不盡相同,因?yàn)槊娣e較小的四十里灣被迅速發(fā)展的煙臺市包圍,水域環(huán)境因子嚴(yán)重受調(diào)查期間人類活動(dòng)、氣象因素等影響, 所以結(jié)果也有偏差。

圖3 四十里灣2003～2012年葉綠素a濃度的時(shí)間分布Fig.3 Temporal distribution of MODIS Chl-a concentrations in the Sishili Bay from 2003 to 2012

通過與已有的研究結(jié)果的對比分析證明, 利用MODIS遙感資料反演四十里灣葉綠素a濃度具有可行性。同時(shí), 本文主要關(guān)注該海域葉綠素a的時(shí)空變化特征, 有關(guān)定性研究 MODIS衛(wèi)星遙感該海域葉綠素 a的精度和誤差方面的問題將在今后開展實(shí)施。

3.2 海表面溫度和異常天氣對葉綠素 a分布的影響

一般來說, 海水中葉綠素 a濃度的分布變化在一定程度上受到水域環(huán)境因子的影響, 其中, 溫度、透明度、營養(yǎng)鹽和風(fēng)場是首要因子。以往的研究表明, 海水溫度是影響四十里灣葉綠素 a含量的重要因子, 葉綠素a和海水溫度呈顯著正相關(guān)[12-13]。圖4是四十里灣2003～2012年10年月平均海表面濃度分布。四十里灣夏季海水溫度最高, 平均值的 22.4℃,其次是秋季, 18.66℃, 春季和冬季分別是 8.41℃和3.56℃。對10 a 120個(gè)月平均的葉綠素a濃度和海表面溫度做相關(guān)分析顯示, 葉綠素 a和海表面溫度呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)是0.41, P<0.05)。夏季陽光充足, 營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)豐富, 浮游植物光合作用旺盛, 所以葉綠素 a濃度含量相對較高, 相反, 冬季就比較低(圖2、圖 3b)。

圖4 四十里灣多年月平均海表面溫度圖Fig.4 Monthly averaged sea surface temperature in the Sishili Bay

四十里灣歷來很少受到臺風(fēng)的影響。2011年出現(xiàn)年平均值的高峰, 可能與罕見地出現(xiàn)在該年度的的2個(gè)臺風(fēng)“米雷”和“梅花”有關(guān)。由于臺風(fēng)所伴隨的強(qiáng)風(fēng)、向上的?？寺槲?、降溫等對臺風(fēng)路經(jīng)海域的浮游植物有極其重要的影響, 圖3b顯示2011年的葉綠素a濃度平均值達(dá)到12 mg/m3, 浮游植物迅速增長。類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在2005年11月和2007年11月, 臺風(fēng)導(dǎo)致南海相應(yīng)的海域發(fā)生水華現(xiàn)象[14];2007年臺風(fēng)海貝思期間, 南海相應(yīng)的海域出現(xiàn)葉綠素濃度高值區(qū)[15]。

3.3 人類活動(dòng)對葉綠素a分布的可能影響

隨著四十里灣經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增長, 該海域受到人類的影響也越來越大, 生活污水、工農(nóng)業(yè)排放和水產(chǎn)養(yǎng)殖和海洋旅游業(yè)帶來的污染物質(zhì)中富含的營養(yǎng)鹽是影響海水葉綠素 a濃度分布的重要因素。進(jìn)入四十里灣的主要河流是東南角的辛安河、魚鳥河和西邊的逛蕩河。辛安河污水處理廠一期工程從2003年底開始, 日排污量從2萬噸增加到2012年的9萬噸[2], 近年來排污帶來的營養(yǎng)物質(zhì)的增加可能是該海域葉綠素a濃度較高的一個(gè)因素。從2003年開始, 18個(gè)排污口和芝罘區(qū)南郊的工業(yè)廢水和生活污水4萬m3/d, 這些污水部分處理, 然后全部經(jīng)逛蕩河入海, 牟平區(qū)的污水也是未經(jīng)處理直接經(jīng)魚鳥河注入該海域[11]。這些入海的污水富含豐富的有機(jī)物, 是沿岸出現(xiàn)高濃度葉綠素a的主要原因(圖2)。高濃度的葉綠素a向外海擴(kuò)散, 濃度慢慢降低。孫珊等[7]也指出, 煙臺四十里灣海域營養(yǎng)鹽的分布整體趨勢是近岸高, 由近岸向外部海域遞減。圖 2中 4～5、7～9這幾個(gè)月在逛蕩河口正北出現(xiàn)的葉綠素 a高值羽,也有可能是逛蕩河富含有機(jī)物的污水入海后擴(kuò)散流形成的。另外, 四十里灣營養(yǎng)鹽含量與降雨量顯著相關(guān)。煙臺屬于溫帶季風(fēng)氣候, 雨季一般出現(xiàn)在 7～9月, 降雨引起徑流量增大, 其中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致這幾個(gè)月的葉綠素a濃度較高(圖2、圖3a), 這也是導(dǎo)致赤潮發(fā)生的主要原因[10]。李斌等[13]也證實(shí),8、9月份煙臺進(jìn)入雨季, 充足的降水?dāng)y帶著大量的陸源污染物經(jīng)辛安河流入四十里灣, 該過程在改變了海水的營養(yǎng)狀態(tài)的同時(shí)也加強(qiáng)了海水上層的層結(jié),為赤潮發(fā)生提供了物質(zhì)和物理基礎(chǔ)。因此, 浮游植物在每年的8、9月快速增長, 葉綠素a濃度就相對較高, 這與本文的結(jié)果一致(圖3a)。

葉孟杰等[8]指出, 四十里灣赤潮形成的營養(yǎng)物質(zhì)主要是養(yǎng)殖糞便及其廢棄物提供的。高昊東等[11]也指出, 四十里灣的各類污染物總量以貝類養(yǎng)殖排泄物居首, 赤潮發(fā)生的幾率及范圍與貝類養(yǎng)殖面積以及 N、P和 C排泄物年際變化有直接的關(guān)系。四十里灣海水養(yǎng)殖歷史悠久, 早在20世紀(jì)80年代就開展海帶和裙帶菜的養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn), 養(yǎng)殖對象有貽貝、櫛孔扇貝、海灣扇貝和海帶, 養(yǎng)殖區(qū)遍布整個(gè)內(nèi)灣, 過密的養(yǎng)殖, 阻礙了海流的暢通, 不利于污染物稀釋擴(kuò)散[11], 這也是造成內(nèi)灣葉綠素a濃度高(圖2)的原因,而且高濃度的葉綠素 a主要是集中在內(nèi)灣, 無法擴(kuò)散出去。

隨著四十里灣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 入海排污量日增,同時(shí), 養(yǎng)殖業(yè)也迅速發(fā)展, 所以灣內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)逐年增長, 這可能也是導(dǎo)致四十里灣葉綠素 a濃度較高的(圖3b)的重要原因。

4 結(jié)論

衛(wèi)星遙感技術(shù)為海洋研究提供了大量、大面積的同步監(jiān)測數(shù)據(jù), 彌補(bǔ)了常規(guī)監(jiān)測的不足。本文利用衛(wèi)星遙感資料, 詳細(xì)分析了四十里灣海洋的葉綠素a時(shí)空分布及變化特征, 并分析其影響機(jī)制, 得到如下的幾點(diǎn)結(jié)論:

1) 四十里灣葉綠素 a濃度總體上是灣內(nèi)高, 灣口低。逛蕩河口正北約6 km海域在4～5、7～9月出現(xiàn)葉綠素a高值羽。

2) 四十里灣葉綠素a濃度夏季最高, 冬季最低,每年的5、8月份出現(xiàn)高峰, 呈現(xiàn)溫帶海域特有的“雙峰”特性。年平均值呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài), 2011年出現(xiàn)年平均值的高值峰, 可能與當(dāng)年過境該海域的 2個(gè)臺風(fēng)有關(guān)。

3) 四十里灣葉綠素a濃度的分布及變化與海表面溫度以及人類的影響密切相關(guān)。其中人類活動(dòng)的影響, 特別是入海排污和海水養(yǎng)殖業(yè)是影響葉綠素a濃度分布的重要原因。

受當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)限制, 本文僅是我們初步的研究結(jié)果, 我們當(dāng)前的目標(biāo)是定性的研究以遙感葉綠素 a為指標(biāo)該區(qū)域浮游植物分布及變化特征, 今后我們會(huì)增加大氣渾濁、水體光學(xué)性質(zhì)的觀測研究,以期更準(zhǔn)確地定量地評價(jià)該區(qū)域的葉綠素濃度分布特征。

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