秋季雷州半島近海營養(yǎng)鹽和葉綠素a濃度空間分布及其相互關(guān)系

馮鈺婷，趙 輝，施玉珍

（廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江，524088）

營養(yǎng)鹽是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的物質(zhì)和能量來源，浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級生產(chǎn)者，既受環(huán)境因子影響，也能靈敏地反映水質(zhì)、營養(yǎng)條件等環(huán)境的變化特征[1]。海水中的營養(yǎng)鹽分布、結(jié)構(gòu)狀況以及營養(yǎng)鹽的可獲取性對海洋生物的生產(chǎn)力發(fā)揮著重要作用，一般來說，營養(yǎng)鹽的含量高，浮游植物生長才豐富，Chl-a含量才越高[2-3]。從而研究營養(yǎng)鹽與Chl-a之間的關(guān)系成為海洋科學(xué)研究的熱點[4]。近年來，隨著沿海經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，大量富含營養(yǎng)鹽類物質(zhì)的廢水被排放入海以及近海水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致沿海近岸海域營養(yǎng)鹽含量發(fā)生變化，營養(yǎng)鹽含量的變化一定程度上會影響近海浮游植物的初級生產(chǎn)力乃至海洋生態(tài)系統(tǒng)，因此研究營養(yǎng)鹽的空間分布變化及其對浮游植物初級生產(chǎn)力的影響具有重要意義。

雷州半島地處中國大陸最南端，位于南海西北部，處于北緯 21.15°－21.20°、東經(jīng) 109.22°－110.27°，西接北部灣東北部，東瀕南海北部，南與海南島和瓊州海峽相望，其岸線曲折，港灣和島嶼眾多，擁有紅樹林、海草床等獨特的生態(tài)系統(tǒng)和豐富的海洋生物資源[1]。雷州半島沿海地區(qū)位于陸海過渡區(qū)的海岸帶，人類活動頻繁進而對其周圍生態(tài)環(huán)境造成一定的干擾。但由于工農(nóng)業(yè)布局分布不均和發(fā)展不平衡，且受控于不同水體以及受海域、沿海徑流和南海高溫高鹽水的影響，雷州半島海岸帶的水質(zhì)狀況、生態(tài)環(huán)境、海洋生物資源以及生態(tài)環(huán)境因素顯得復(fù)雜多變。因此，雷州半島東西部的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)和Chl-a空間分布存在很大差異。有關(guān)雷州半島東西部葉綠素和營養(yǎng)鹽濃度的空間分布特征以及它們之間相關(guān)性研究極少。2010年夏季對雷州半島浮游植物的結(jié)構(gòu)特征以及與環(huán)境因子的關(guān)系進行研究[1]，雖然研究范圍與本研究一致，但是其研究內(nèi)容主要是浮游植物群落的結(jié)構(gòu)特征與環(huán)境因子的關(guān)系，并沒有對雷州半島東西部營養(yǎng)鹽和葉綠素濃度的空間分布特征以及它們之間的相關(guān)性進行分析，未反映雷州半島東西部營養(yǎng)鹽、葉綠素分布狀況以及兩者之間的聯(lián)系。

本研究利用2017年9月30日－2017年10月5日期間雷州半島海域的現(xiàn)場調(diào)查資料，分析調(diào)查海域營養(yǎng)鹽和Chl-a的空間分布特征，初步探討該海域Chl-a濃度分布對營養(yǎng)鹽的響應(yīng)機制，為雷州半島生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)及健康發(fā)展提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 采樣站位

2017年9月30日－10月5日對雷州半島海域進行了1個航次的調(diào)查，該航次布設(shè)了19個斷面，共49個站位，研究區(qū)域水深最深47 m，通常秋季混合層厚度達20 m，因此該航次調(diào)查僅取深度0.5 ～1.0 m水樣作為表層水樣。具體采樣站位見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置和采樣站位分布Fig.1 Study area location and Sampling station location

1.2 樣品的采集與分析方法

海水的溫度用Orion 3 star pH 進行現(xiàn)場測定和讀取，鹽度用Orion 130 A進行測量。營養(yǎng)鹽樣品現(xiàn)場用預(yù)潔凈的玻璃纖維膜（孔徑0.70 μm）過濾后冷藏保存（0.4 ℃），采約250 mL過濾水樣帶回實驗室使用Skalar營養(yǎng)鹽自動分析儀測定，根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范-海水化學(xué)要素觀測》[5]和《SKALAR SAN++營養(yǎng)鹽自動分析儀操作手冊》進行水樣分析，其中分別采用鎘銅柱還原-重氮偶氮法、重氮偶氮法和硅鉬藍法測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽。DIN（NO3-+NO2-+NH4+）的檢測限為 0.1 μmol/L，PO43-的檢測限為 0.03 μmol/L，SiO32-的檢測限為0.1 μmol/L。Chl-a樣品現(xiàn)場采集250 mL水樣經(jīng)玻璃纖維膜（孔徑0.7 μm）過濾，濾膜用錫箔紙包裹起來在-80 ℃ 冷凍保存。在實驗室用體積分數(shù)90%的丙酮在低溫（-20 ℃）冰箱中萃取濾膜，取萃取液在唐納熒光儀 10AU型（Turner, Model 10AU）上進行測定，Chl-a的測定在1周內(nèi)完成[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和鹽度含量的空間變化

由圖2-a 可見，調(diào)查海域海表溫度通常具有較高溫度，雷州半島在調(diào)查期間水溫較高，29 ℃甚至溫度更高的暖水幾乎覆蓋了雷州半島東西部，這是因為這個季節(jié)是南海暖水最強盛的季節(jié)[5]。然而在湛江灣口東部存在一個顯著的低溫中心，最低溫度在27 ℃左右。

由圖2-b可見，鹽度在雷州半島西部區(qū)域明顯高于東部區(qū)域，在西部區(qū)域鹽度比較高且分布均勻，而在東部鹽度相對較低且在湛江灣口東部存在一個顯著的低鹽中心，最低鹽度在24左右。

圖2 2017年雷州半島海域溫度鹽度的空間變化Fig.2 Spatial variation of temperature salinity in the Leizhou Peninsula in 2017

2.2 Chl-a的空間分布

圖3描述了本航次所測得雷州半島表層海水Chl-a的分布情況。表層海水中Chl-a的變化范圍是0.09 ～ 7.35 μg/L，從空間分布上來看呈現(xiàn)塊狀分布和近岸高離岸低的分布特征。表層Chl-a濃度的最大值出現(xiàn)在近岸，尤其是湛江灣口東部區(qū)域、外羅港附近、龍斗港附近以及鐵山港附區(qū)域。

圖3 2017年雷州半島海域Chl-a含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of Chl-a content in the waters of Leizhou Peninsula in 2017

2.3 營養(yǎng)鹽和透明度的空間分布

為分析營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的空間分布特征，本研究將2017年9月30日－10月5日現(xiàn)場數(shù)據(jù)繪制成如圖4。圖4為本航次雷州半島各個采樣站位表層水體的營養(yǎng)鹽（DIN、PO43-、SiO32-）以及透明度空間分布圖。由圖4可知，DIN、PO43-和SiO32-的濃度范圍分別是 0.27～127.78 μmol/L（最大值出現(xiàn)在湛江灣口附近區(qū)域，此圖已將其中3個站位的異常高值點移除），0.11～2.47 μmol/L、2.09～60.6 μmol/L（最大值出現(xiàn)在湛江灣口附近區(qū)域，此圖已將其中3個站位的異常高值點移除），透明度的變化范圍是0.9～11.4 m。從空間分布上來看，雷州半島表層海水DIN，PO43-和SiO32-呈現(xiàn)塊狀分布，并呈現(xiàn)近岸高離岸低的分布特征。在總體趨勢上，DIN、SiO32-均表現(xiàn)為東側(cè)海水略高于西側(cè)海水，而PO43-表現(xiàn)為西側(cè)海水略高于東側(cè)海水。

圖4 2017年雷州半島海域DIN、Phosphate、Silicate和透明度的空間變化Fig.4 Spatial variation of DIN, Phosphate, Silicate and Transparency in the Leizhou Peninsula Sea in 2017

2.4 氮磷、硅氮比值分析

由圖5可以看出，nDIN/nP、nSi/nDIN的變化范圍為 1.48～58.29和 0.47～32.54。總體上，nDIN/nP比值東部海域大于西部海域且大于Redfield比值，只有在雷州半島東北部比值略低于Redfield氮磷比值。該調(diào)查海域的nSi/nDIN比值在西部海域略大于東部海域，基本上均大于Redfield硅氮比值，且在雷州半島東北部出現(xiàn)明顯的低值區(qū)，在西北部出現(xiàn)明顯的高值區(qū)。

圖5 雷州半島海域 nDIN/nP，nSi/nDIN含量的空間變化

2.5 Chl-a與主要環(huán)境因子的關(guān)系

海洋中的浮游植物組成 Chl-a，即海洋初級生產(chǎn)力。大量研究表明，海水中藻類生長和無機營養(yǎng)鹽具有很高的相關(guān)性，且在浮游植物生長的過程中營養(yǎng)鹽是主要調(diào)控因子[7]。海水中營養(yǎng)鹽在海洋浮游植物自身生長繁殖中具有非常重要的作用，因此當缺少生長所需的某一種元素時，這種元素就會成為限制浮游植物生長的限制因素。本研究將表層Chl-a與溫度、鹽度以及同層營養(yǎng)鹽的各組分通過逐步回歸建立回歸模型，分析發(fā)現(xiàn)雷州半島水域的亞硝酸鹽與鹽度是影響Chl-a濃度變化的最主要因子?；貧w模型如下：

式中：ρChl-a為葉綠素 a 的濃度 (μg/L )。ρNO2表示海水中亞硝酸鹽的濃度，S為海水的鹽度。

有相關(guān)研究表明南海北部浮游植物的生長繁殖與亞硝酸鹽有更高的相關(guān)性[5]，也有研究表明藻類生長與珠江口水域中的活性磷酸鹽、硝酸鹽則呈負相關(guān)關(guān)系[7]。因此為探明雷州半島東西部 Chl-a與營養(yǎng)鹽的相關(guān)性，將雷州半島西部和東北部表層Chl-a與溫度、鹽度以及同層營養(yǎng)鹽的各組分進行相關(guān)分析。由表1可知，雷州半島西部海域的Chl-a與亞硝酸鹽呈現(xiàn)明顯線性關(guān)系，這與陳紹勇等[8]研究結(jié)果一致。另外 Chl-a與硝酸鹽、磷酸鹽、DIN也呈現(xiàn)顯著性相關(guān)，說明本研究海域西部浮游植物的生長與亞硝酸鹽、硝酸鹽 、磷酸鹽、DIN有比其他因子更為密切的關(guān)系。然而雷州半島東北部營養(yǎng)鹽以及營養(yǎng)鹽比值均與 Chl-a沒有很好的相關(guān)性。這很可能是因為在東北部浮游植物數(shù)量較多，且在采樣期間該區(qū)域浮游植物的數(shù)量恰好增長到最大值，此時對營養(yǎng)鹽的消耗更大，會導(dǎo)致此時現(xiàn)場營養(yǎng)鹽濃度極低，故Chl-a與現(xiàn)場營養(yǎng)鹽濃度沒有呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性。

表1 雷州半島東西部chl-a與環(huán)境因子相關(guān)性系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between chl-a and environmental factors in the east and west parts of Leizhou Peninsula

3 討論

3.1 溫度、鹽度對浮游植物Chl-a的影響

本研究結(jié)果，雷州半島東部海域溫度和鹽度均小于西部海域，這可能是因為雷州半島西部水體受北部灣影響較大，而在秋季，北部灣沿岸河流徑流量普遍減小，海面蒸發(fā)量逐漸增大，因此導(dǎo)致西部鹽度也普遍增高[9]。而雷州半島東北部則可能受近岸河流沖淡水的作用較大，這也可能同粵西近岸尤其是靠近湛江灣一帶存在尺度為100 km的氣旋渦有關(guān)[6]，氣旋渦可以將下層冷水帶到表層水體，再加上沖淡水的稀釋作用可能導(dǎo)致該區(qū)域溫度和鹽度較低。同時氣旋渦和沖淡水也帶來了豐富的營養(yǎng)鹽，因此這可能是導(dǎo)致該海域Chl-a高值的原因之一。由回歸模型可知，鹽度是影響Chl-a濃度的重要因子。這可能是因為海區(qū)海水鹽度的變化主要體現(xiàn)了陸源淡水輸入的影響，主要反映的是近岸與外海生態(tài)環(huán)境差異尤其是營養(yǎng)鹽來源對浮游植物的影響[10]，因此鹽度較高的西部海域營養(yǎng)鹽及 Chl-a濃度相對較低。

3.2 Chl-a與營養(yǎng)鹽的空間分布特征

由圖3和圖4(a，b，c)可知，雷州半島東部Chl-a和海域營養(yǎng)鹽（DIN、SiO32-）含量大于西部海域，尤其以東北部海域最明顯，且呈現(xiàn)近岸高離岸低的分布趨勢。這可能是與經(jīng)濟發(fā)達的東北部相比，雷州半島西北部和廣西南部沿海地區(qū)屬于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，由人類產(chǎn)生的污染（營養(yǎng)鹽）影響較小[1]，因此浮游植物豐度低，進而Chl-a含量也較低。由圖4-d可以看出，在雷州半島東北部水深較淺，透明度較低。這可能是因為在雷州半島東北部，由港口、鑒江(上游茂名市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水)、塘尾分洪河和南三河帶來的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水以及大面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖給該海域帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。且有研究表明，湛江灣地區(qū)氮素輸入主要以化肥氮（49.00%）、排泄氮（31.04%）和大氣沉降氮（12.92%）為主[11]。而在采樣期間降雨較多，故可能會攜帶大量的氮素到海水中，可能也會為浮游植物的生長繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，從而形成浮游植物的高值區(qū)[6]。

值得一提的是外羅港以及附近S19號站位營養(yǎng)鹽含量并不高，但其Chl-a含量較高（圖3、4）。這與龔玉艷等[1]所提到的在該區(qū)域 Chl-a 含量低、營養(yǎng)鹽含量低結(jié)果不一致。這可能因為雖然在該區(qū)域大面積網(wǎng)箱養(yǎng)殖帶來了豐富營養(yǎng)物質(zhì)，但由于雷州半島東南部受到多種海流、潮流等的綜合作用，加上該區(qū)域不規(guī)則半日潮的特征，使得該海岸帶水體與南海水交換更加頻繁[12]，因此浮游植物增殖消耗大量營養(yǎng)鹽后，營養(yǎng)鹽沒有得到及時補充，使得海岸帶水體形成高Chl-a低營養(yǎng)鹽的分布特征。

流沙灣位于雷州半島西南部，東經(jīng) 109.78°～110.01°，北緯 20.35°～20.52°，在圖1 中 S37、S38、S39站位為流沙灣區(qū)域。該區(qū)域是半封閉型的一個口小腹大呈葫蘆形的港灣，流沙灣水產(chǎn)養(yǎng)殖種類主要是珍珠貝、扇貝和魚類養(yǎng)殖等，是中國“南珠”的主要養(yǎng)殖區(qū)[13]。由圖3、4可知在調(diào)查流沙灣海區(qū)內(nèi)，營養(yǎng)鹽和Chl-a含量都偏低，且在灣內(nèi)灣外無明顯差異，這與前人研究結(jié)果一致[14]。 這可能是因為：（1）在流沙灣沒有工業(yè)區(qū)和大的生活區(qū)，因此人類對環(huán)境的干擾較小，這使得營養(yǎng)鹽的輸入較低，因此低外部輸入也可能是流沙灣低營養(yǎng)鹽的原因[15]；（2）據(jù)報道[15]，過濾貝類通過養(yǎng)分沉積將養(yǎng)分從水體輸送到海底沉積物，減少了水體的養(yǎng)分負荷，阻礙了物質(zhì)循環(huán)，因此使得營養(yǎng)鹽含量得不到及時補充；（3）流沙灣內(nèi)外有豐富的大型海藻和海藻資源，其生長需要消耗大量的養(yǎng)分，它可以抑制浮游植物對營養(yǎng)鹽的吸收，從而降低水中Chl-a的含量[13]；（4）相關(guān)研究表明[14]，流沙灣水體交換較強，因此水體可以帶走大量的有機質(zhì)和無機鹽[2]，另外浮游植物的光合作用也會受到強烈的湍流影響[16]。與流沙灣不同，圖1中龍斗港（ S43，S44，S45站）Chl-a含量相對較高，但DIN含量相對較低。這可能是由于該區(qū)域水體交換較弱，消耗的營養(yǎng)鹽得不到及時補充。因此，該區(qū)域表現(xiàn)為Chl-a含量高、營養(yǎng)鹽含量相對低的特征。而在雷州半島西部鐵山港附近（S56，S57站）Chl-a含量比較高、DIN含量較低的原因可能是這2個站位離鐵山港比較近。而鐵山港是珍珠貝類等重要海產(chǎn)品的養(yǎng)殖場所，同時也分布著紅樹林、海草床等重要生態(tài)系統(tǒng)，因此可能導(dǎo)致該區(qū)域Chl-a濃度高[17]。但由于雷州半島西北部緊挨著北部灣，其海流環(huán)境復(fù)雜，且根據(jù)鹽度分布（圖2-b）表明，雷州半島西部主要受寡營養(yǎng)鹽的外海水控制，導(dǎo)致該區(qū)域大部分海域低營養(yǎng)鹽濃度高葉綠素濃度的分布特征。

3.3 研究區(qū)域氮磷硅對浮游植物的限制影響

海洋中DIN、PO43-和SiO32-是浮游植物生長必不可少的的營養(yǎng)成分，也是最常見的限制性營養(yǎng)元素[18]。 然而，沿海水域的比例變化很大，往往過高或過低，這與生化、水動力因素和不同海灣對大陸徑流的影響程度有關(guān)[19]。由Redfield等[20]提出各種營養(yǎng)鹽的原子比為nDIN∶nSi∶nP=16∶16∶1。通常認為nN/nP是判斷營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的重要指標[21]，并將他們的比值作為判斷氮磷限制的重要依據(jù)。nN/nP＞22 為磷限制，nN/nP＜10 為氮限制，nSi/nDIN＞1為氮限制，nSi/nDIN＜1為硅限制[22-23]。由實驗數(shù)據(jù)可得在雷州半島東部nDIN/nP范圍為 4.74～58.29 μmol/L ,nSi/nDIN范圍為 0.47～3.52 μmol/L。西部nDIN/nP范圍為 1.47～17.00 μmol/L，nSi/nDIN范圍為2.37～32.54 μmol/L。由此可知在雷州半島東部海域相對于氮表現(xiàn)為磷限制，在雷州半島西部相對于磷表現(xiàn)為氮限制。在雷州半島大多數(shù)海域相對于硅表現(xiàn)為氮限制，而只有在雷州半島東北部海域相對于氮表現(xiàn)為硅限制。這可能是因為雷州半島東部DIN含量變化范圍為4.74～58.29 μmol/L，東北部含量變化范圍為29.95～54.46 μmol/L, 西部DIN含量變化范圍為1.48～17.00 μmol/L。在雷州半島東部Si含量變化范圍為6.02～60.6 μmol/L，東北部Si含量變化范圍為6.02～60.6 μmol/L，西部Si含量變化范圍為2.09～14.9 μmol/L。由此可知在東北部DIN含量明顯高于其他區(qū)域，而在東北部Si含量相比較其他區(qū)域并沒有明顯的高值，故而在東北部會存在Si/DIN＜1的情況。也可能是因為東北部浮游植物豐度很高，且硅藻的生理特征相比較甲藻有很大的優(yōu)越性，在東北部硅藻為該區(qū)域浮游植物的優(yōu)勢種，即暗示了硅在浮游植物群落扮演重要角色[24]，因此在該區(qū)域浮游植物的生長將會消耗大量硅酸鹽，而硅酸鹽的生物地球化學(xué)過程也通過生物吸收和死亡不斷把Si逐漸轉(zhuǎn)移到海底，進而Si處在不斷消耗的過程中，這可能成為該區(qū)域相對于氮表現(xiàn)為硅限制的原因。總的來說，在調(diào)查海域東部表現(xiàn)為磷限制，西部表現(xiàn)為氮限制。

4 結(jié)論

對營養(yǎng)鹽和Chl-a結(jié)構(gòu)的空間分布特征分析表明，秋季調(diào)查海域營養(yǎng)鹽和Chl-a結(jié)構(gòu)變化主要是受海域水文情況（河流徑流、潮汐類型）和人類活動的影響。在調(diào)查海域東部由于受到河流徑流和不規(guī)則半日潮的影響，營養(yǎng)鹽、Chl-a濃度以及營養(yǎng)鹽比值（PO43-和nSi/nDIN除外）都比較高，而西部海域由于河流徑流量小、人類活動較少以及受到規(guī)則的全日潮的影響，沒有得到過多營養(yǎng)鹽的補充，因此在調(diào)查海域西部營養(yǎng)鹽、Chl-a濃度以及營養(yǎng)鹽比值含量較低且分布較均勻。逐步回歸分析表明，亞硝酸鹽和鹽度是影響Chl-a濃度的重要因子。相關(guān)性分析表明，在雷州半島東北部Chl-a與環(huán)境因子均沒有顯著相關(guān)性，這可能是由于采樣時期恰好處于浮游植物豐度的最大值。而在雷州半島西部Chl-a與DIN呈極顯著負相關(guān)(P＜0.01)。與TP，NO3-和NO2-呈顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。通過對浮游植物生長的限制因素分析得出，在雷州半島東部主要為磷限制，雷州半島西部主要為氮限制。該結(jié)果為雷州半島生態(tài)系統(tǒng)的進一步恢復(fù)及健康發(fā)展提供參考。