廈門港葉綠素的時(shí)空分布及其與水環(huán)境因子關(guān)系的多元分析

俞秀霞， 孫 琳， 陳長(zhǎng)平

(1. 廈門市環(huán)境監(jiān)測(cè)站 福建 廈門， 361000； 2. 廈門大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 福建 廈門， 361102)

浮游植物是海洋生物食物鏈中必不可少的初級(jí)生產(chǎn)者， 具有生命周期短、對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)迅速的特點(diǎn)， 常被作為水環(huán)境狀況的指示生物[1]。光合色素(尤其是葉綠素(Chl))是浮游植物利用光合作用將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)、釋放氧氣過程中的重要物質(zhì)， 因此葉綠素含量的分布和變化可以一定程度反映出水體中浮游植物的生物量以及變化規(guī)律， 為評(píng)估海洋初級(jí)生產(chǎn)力提供參考[2]。浮游植物中的葉綠素包括葉綠素a、葉綠素b和葉綠素c， 這3種葉綠素在不同的藻類種群中有明顯的差異， 因此浮游植物群落的結(jié)構(gòu)變化和生活狀態(tài)會(huì)影響水體中葉綠素a、b、c所占的比例。硅藻和甲藻細(xì)胞中的主要色素是葉綠素a和c， 其中葉綠素a通常多于葉綠素c； 葉綠素b僅存在于綠藻綱(Chlorophyceae)、裸藻綱(Euglenophyceae)和綠枝藻綱(Prasinophyceae)中， 且這幾個(gè)門類的海產(chǎn)種類較少[3]。葉綠素a是葉綠素的主要組成部分，因此海水中葉綠素a含量的變化趨勢(shì)總體與葉綠素含量一致。

浮游植物的分布和生物量(以葉綠素表示)與水體環(huán)境的物理-化學(xué)因素的變化息息相關(guān)， 包括溫度[4-5]、光照[4]、懸浮顆粒[6-7]、季風(fēng)[8]等物理過程以及氧氣[9-10]、pH[1，7]、鹽度[1，5]和營養(yǎng)鹽[5，7，11]等化學(xué)因素。目前已有很多關(guān)于港灣海域的葉綠素含量及其與相關(guān)水環(huán)境因子的相關(guān)性的研究報(bào)道[7-9，12-16]，但由于各海區(qū)地形、水文和氣候條件不同， 葉綠素的時(shí)空分布特征以及主導(dǎo)影響因子也存在差異。研究某個(gè)地區(qū)的葉綠素的時(shí)空分布及其影響因素， 有助于探究特定環(huán)境條件下浮游植物生物量變化和遷移及其形成機(jī)制。

廈門是中國東南部最為發(fā)達(dá)的區(qū)域之一。近數(shù)十年來， 隨著廈門及附近地區(qū)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)， 廈門島周邊海域也承受著前所未有的環(huán)境壓力，幾乎每年春夏季都有發(fā)生赤潮的記錄[17]。蔣榮根[18]在對(duì)廈門港及其臨近海域近30年的富營養(yǎng)化相關(guān)指標(biāo)研究后發(fā)現(xiàn)， 各指標(biāo)均表現(xiàn)為波動(dòng)劇烈、整體趨勢(shì)上升的特點(diǎn)， 富營養(yǎng)化壓力與日俱增。因此， 開展廈門港及其周邊海域的水環(huán)境調(diào)查和分析成為了近年來的研究熱點(diǎn)， 可為廈門市水資源利用、港口運(yùn)行、赤潮防治等提供參考。

關(guān)于廈門港以及鄰近海域的葉綠素已有不少的研究報(bào)道。1983年陳世敢[3]首次報(bào)道了廈門附近海域葉綠素含量的時(shí)空分布特征， 包括九龍江口內(nèi)側(cè)大于外側(cè)、港灣內(nèi)部高于入口的平面分布特點(diǎn)和雙峰型的季節(jié)變化特點(diǎn)。高亞輝[19]等發(fā)現(xiàn)微型浮游生物貢獻(xiàn)了廈門港70%以上的葉綠素a含量。周慈由[20]報(bào)道了葉綠素a含量與浮游植物同化碳量、海水溶解總碳量之間的正相關(guān)關(guān)系。曹振銳[21]等發(fā)現(xiàn)廈門海域葉綠素a的粒級(jí)結(jié)構(gòu)具有季節(jié)變化和水平變化特征。彭國安[6]等報(bào)道廈門海域葉綠素a含量的潮汛變化為高潮大于低潮。湯榮坤[22]等對(duì)2005—2007年廈門周邊海域葉綠素含量的年際變化分析后發(fā)現(xiàn)， 葉綠素含量逐年上升， 呈現(xiàn)出西北沿岸向東南遞減的趨勢(shì)。利用高效液相色譜(HPLC)和矩陣分解程序Chemtax分析廈門海域的光合色素后發(fā)現(xiàn)硅藻是優(yōu)勢(shì)門類， 但秋季其優(yōu)勢(shì)度有所下降[16]。廈門周邊海域的葉綠素含量與其他水環(huán)境因子之間的相關(guān)性已有一些相關(guān)報(bào)道[17，20，23-26]， 但已有研究報(bào)道多數(shù)局限在局部海域或是研究周期較短， 而且近十多年來廈門海域環(huán)境發(fā)生了較大的變化， 但未見全海域、周年持續(xù)的實(shí)時(shí)葉綠素監(jiān)測(cè)和時(shí)空分布的研究報(bào)道。

本研究在廈門港共設(shè)立5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)， 分別投放了水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)， 對(duì)其中的葉綠素含量以及相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行了為期1年的持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過研究廈門港葉綠素的時(shí)空分布特征以及其主要影響因子， 旨在了解廈門海洋環(huán)境狀況， 為環(huán)境治理和港灣資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

廈門港是個(gè)半封閉性港灣， 是廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)的一部分； 背靠泉州市和漳州市， 面向東海， 與中國臺(tái)灣隔水相望； 海岸線曲折， 地形復(fù)雜， 海域面積達(dá)275 km2； 西為九龍江入?？?， 東南臨金門、大擔(dān)等島嶼， 北有眾多海堤。

1.2 研究數(shù)據(jù)來源

廈門海域投放的水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)是美國YSI品牌的EXO-2型水質(zhì)分析儀器， 搭載的葉綠素探頭型號(hào)為599103-02， 量程： 0～400 μg/L葉綠素。水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制措施主要有：

安排資深專業(yè)技術(shù)人員專門負(fù)責(zé)每天浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判。當(dāng)發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)運(yùn)行異常時(shí)即使用備機(jī)更換系統(tǒng)相應(yīng)模塊或啟動(dòng)應(yīng)急維修響應(yīng)， 并堅(jiān)決剔除懷疑受到影響的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

正常情況下， 每月維護(hù)和校準(zhǔn)1次(夏季水溫高時(shí)縮短為每2～3星期1次)；

在每個(gè)維護(hù)與校準(zhǔn)周期中段， 進(jìn)行1次連續(xù)比對(duì)測(cè)試， 即在浮標(biāo)附近與自動(dòng)監(jiān)測(cè)同時(shí)連續(xù)采集同水層水樣6次以上， 送回檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室采用與業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)相同的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定， 以確保本文采用的浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有高可比性；

在實(shí)施業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)時(shí)， 采集平行水樣送回實(shí)驗(yàn)室用備用探頭進(jìn)行測(cè)定， 并與業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果比對(duì)， 以確保日后備用探頭的監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

本文研究數(shù)據(jù)來自2017年廈門港水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本研究選取了葉綠素含量、水溫、鹽度)、pH、溶解氧飽和度和溶解氧含量等因子， 于2017年進(jìn)行全年連續(xù)監(jiān)測(cè)(其中， 西海域的監(jiān)測(cè)時(shí)期為8月14日至12月31日)， 每次監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔為0.5 h。水質(zhì)理化因子的分析按國家海洋局《海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》[27]中的分析方法進(jìn)行。

根據(jù)海域的地理位置和自然環(huán)境將廈門港及臨近海域分為以下幾個(gè)部分： (1) 同安灣海域： 五通道–澳頭連線西北， 廈門本島北部； (2) 東部海域： 澳頭–五通連線東南側(cè)， 廈門本島東側(cè)； (3) 南部海域： 鼓浪嶼北側(cè)–嵩嶼象鼻嘴–龍海市打石坑連線以東， 廈門島白石炮臺(tái)–青嶼和島美連線以西的廈門島的南部海域； (4) 九龍江口： 嵩嶼象鼻嘴至龍海市打石坑連線以西， 龍海市紫泥鄉(xiāng)滸茂洲、烏礁洲和玉枕洲以東的海域； (5) 西海域： 位于廈門島西側(cè)， 高崎–集美海堤以西和杏林–集美海堤以南， 嵩嶼象鼻嘴–鼓浪嶼北側(cè)–廈港避風(fēng)塢連線以北， 廈門本島西側(cè)[18]。各個(gè)海域設(shè)置的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見表1、圖1。

圖1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)站位圖Fig. 1 Station map of the water quality automatic monitoring system

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布Tab.1 Water quality monitoring site distribution

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖使用Excel軟件、IBM SPSS Station 22軟件。簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分類整理和作圖利用Excel軟件進(jìn)行， 水平分布情況繪制利用Surfer 13.0進(jìn)行， 數(shù)據(jù)的多元統(tǒng)計(jì)分析及參數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用IBM SPSS 22軟件進(jìn)行。

2 討論

2.1 葉綠素的空間分布

2017年廈門港水體中的葉綠素含量年平均值為(3.89±7.76) mg/m3， 與2013年的數(shù)值(各個(gè)海域年平均值均在5.00 mg/m3以上)相比有所降低[18]。最高值163.00 mg/m3出現(xiàn)在7月5日同安灣海域。與中國沿海各港口水域相比[13-15，28-32]， 廈門港附近海域的葉綠素含量年平均值屬中等水平， 低于赤潮多發(fā)區(qū)深圳灣及大鵬灣[14，29]； 總體年變化范圍較大， 原因是在觀測(cè)期間發(fā)生了一次赤潮， 使葉綠素含量最高值達(dá)到了163.00 mg/m3。

2017年廈門港各海域的葉綠素含量年均值和變化范圍如表2。同安灣海域的葉綠素含量年平均值達(dá)到5.44 mg/m3， 是5個(gè)海域之中最高的。各海域按葉綠素含量年平均值由大到小排列分別為： 同安灣(5.44 mg/m3)＞東部海域(4.67 mg/m3)＞南部海域(3.62 mg/m3)＞九龍江口(1.71 mg/m3)， 西海域由于監(jiān)測(cè)時(shí)間不完整而未列入此排序?？傮w上， 葉綠素含量呈現(xiàn)由北岸向南岸方向遞減的趨勢(shì)， 與前人對(duì)廈門臨近海域的研究結(jié)論一致[3，21，22]。

表2 2017年廈門港各海域葉綠素含量變化Tab. 2 Changes in chlorophyll content in the sea areas of Xiamen Bay in 2017

九龍江口具有高營養(yǎng)鹽、受潮汐影響大、鹽度不穩(wěn)定等特點(diǎn)， 但其葉綠素含量卻是各海域中最低的。李榮欣[33]等指出， 由于九龍江口浮游植物群落多樣性較高， 葉綠素含量與浮游植物密度之間不具有顯著相關(guān)性。因此本研究不能得出九龍江口的浮游植物密度最低的結(jié)論。

同安灣、東部海域和南部海域的葉綠素含量變化范圍較大(均超過110 mg/m3)。東部海域、南部海域和西海域的葉綠素含量年度峰值都較為異常， 這3個(gè)海域的年最高值出現(xiàn)的時(shí)間分別為9月16日、2月19日和8月15日， 均為驟然上升并在1～3 h后恢復(fù)至原來的水平。因本文中研究數(shù)據(jù)來源于水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)， 且在該時(shí)間段內(nèi)水溫、鹽度、溶解氧和pH等水質(zhì)因子無顯著變化， 故可推測(cè)， 葉綠素含量驟升的原因是監(jiān)測(cè)站點(diǎn)附近出現(xiàn)了小面積、短暫的藻類聚集現(xiàn)象。

根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道[3，16，20，22-24，34-41]的結(jié)果， 廈門港各海域歷年葉綠素含量見圖2(2017年數(shù)據(jù)來自本研究結(jié)果)。由圖2可見， 廈門海域葉綠素含量存在明顯的年際差異， 但沒有明顯的年際變化規(guī)律。根據(jù)歷年文獻(xiàn)記錄， 廈門海域全年平均葉綠素含量， 最低值出現(xiàn)于2017年， 該年廈門海域葉綠素含量為3.89 mg/m3； 最高值出現(xiàn)于1980年， 該年廈門海域葉綠素含量為6.49 mg/m3[3]。

圖2 廈門港各海域歷年葉綠素含量變化Fig. 2 Changes in chlorophyll content over the years in the sea areas of Xiamen Bay

2.1.1 葉綠素的季節(jié)分布

2017年廈門港各海域葉綠素含量的月平均值變化如圖3所示。結(jié)果表明， 廈門港各海域的葉綠素含量的季節(jié)變化總體上有相似性， 整體呈現(xiàn)出夏秋季高、冬春季低的季節(jié)變化趨勢(shì)。廈門港葉綠素含量月平均值峰值(10.34 mg/m3)出現(xiàn)在7月份， 谷值(1.01 mg/m3)則出現(xiàn)在3月份。

圖3 2017年廈門港各海域葉綠素含量周年變化Fig. 3 Monthly changes in chlorophyll content in the sea areas of Xiamen Bay in 2017

蔣榮根[18]通過對(duì)廈門港5個(gè)海域葉綠素a的研究提出， 當(dāng)葉綠素a含量高于10 mg/m3時(shí)可能會(huì)發(fā)生赤潮現(xiàn)象。如圖3， 廈門港各海域的葉綠素含量月平均值大部分低于赤潮發(fā)生閾值， 同安灣個(gè)別月份的葉綠素a理論含量超過閾值， 有赤潮暴發(fā)的潛在危險(xiǎn)性。

廈門周邊海域在各季節(jié)的葉綠素含量水平分布如圖4。其中， 由于西海域監(jiān)測(cè)時(shí)間不完整， 僅有秋季數(shù)據(jù)。由圖4可見， 春季和秋季葉綠素含量高值區(qū)都位于東部海域， 廈門周邊海域的葉綠素含量分布整體呈現(xiàn)出由東部向?yàn)硟?nèi)遞減的趨勢(shì)； 夏季和冬季，廈門周邊海域的葉綠素含量高值區(qū)在同安灣， 其次東部海域， 逐漸向西南方向遞減， 九龍江口的葉綠素含量最低。

圖4 不同季節(jié)廈門港各海域葉綠素含量的水平分布(單位： mg/m3)Fig. 4 Distribution of chlorophyll content in the sea areas of Xiamen Bay (unit： mg/m3)

秋季的11月， 除東部海域出現(xiàn)較高的葉綠素含量(5.70 mg/m3)之外， 大部分海域的葉綠素含量普遍降至低值(平均值為0.96 mg/m3)。立秋之后， 隨著太陽輻射強(qiáng)度減弱、光照時(shí)間縮短， 并且東北季風(fēng)對(duì)廈門海域的影響加強(qiáng)， 因此海水溫度驟然下降， 10—11月間全海區(qū)水體溫度月平均值下降幅度達(dá)到5.1 ℃， 因此浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖能力很大程度上受到抑制，尤其是夏季占優(yōu)勢(shì)的暖水性浮游藻類。

11月之后進(jìn)入冬季， 水溫繼續(xù)下降， 至翌年2月份溫度降至最低(15.5 ℃)， 但各個(gè)海區(qū)葉綠素含量卻從12月開始逐步上升， 1—2月之間全海區(qū)葉綠素含量大幅度上升， 呈現(xiàn)出冬季浮游植物繁盛期特征， 2月葉綠素平均含量為7.00 mg/m3達(dá)到全年次高峰， 同安灣海域以高達(dá)10.82 mg/m3的葉綠素為各海區(qū)最高值。冬季浮游植物繁盛期的形成與水溫、鹽度、營養(yǎng)鹽及海區(qū)浮游植物群落的結(jié)構(gòu)特征等原因有著復(fù)雜的關(guān)系。冬季正值九龍江的枯水期， 同時(shí)因東北季風(fēng)影響， 降水量大幅降低， 使水體的鹽度上升； 又是浙閩沿岸流對(duì)本海區(qū)影響最大的季節(jié)， 水體的強(qiáng)烈垂直混合作用帶來全海區(qū)營養(yǎng)鹽含量驟升[42]。因此為相對(duì)適應(yīng)較高鹽度、較低水溫的浮游植物提供了有利的環(huán)境條件。在全海區(qū)出現(xiàn)冬季繁盛期的同時(shí)，還具有北岸高于南岸的葉綠素含量分布特征： 從同安灣至東部海域， 再到南部海域和九龍江口， 浮游植物密度呈現(xiàn)出沿廈門島順時(shí)針降低的變化趨勢(shì)。北高南低的分布趨勢(shì)可能是由于南北岸大陸徑流的大小差異， 以及北進(jìn)南出、底進(jìn)上出的外海水環(huán)流等因素， 補(bǔ)充了北岸海區(qū)的營養(yǎng)物質(zhì)， 促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖[3]。同安灣海域的葉綠素含量月平均值超過赤潮發(fā)生閾值， 雖未觀察到赤潮現(xiàn)象， 考慮到近年來同安灣赤潮發(fā)生頻率較高， 因此需要提高對(duì)該海區(qū)的監(jiān)管和整治力度。

3月， 廈門開始進(jìn)入春季， 由于冬季浮游植物繁盛期后的衰退， 全海區(qū)葉綠素含量急劇下降達(dá)到本年最低值(平均值1.01 mg/m3)， 呈現(xiàn)出非常均勻的平面分布特征。而隨著太陽直射線北移， 太陽輻射變強(qiáng)、日照時(shí)間變長(zhǎng)， 海區(qū)表層水溫上升， 全海區(qū)的葉綠素含量在4月、5月均有小幅度上升。由于2月份同安灣的浮游植物最為繁盛， 消耗了大量的營養(yǎng)鹽，因此衰退現(xiàn)象最明顯， 其3月份葉綠素含量是各海域中的最低值(0.25 mg/m3)。

6月， 正式進(jìn)入夏季， 全海區(qū)的葉綠素含量繼續(xù)上升，并于7月達(dá)到全年最高峰， 全海域葉綠素平均含量為10.34 mg/m3， 并在同安灣出現(xiàn)全年最高值163 mg/m3。這主要是由于九龍江開始進(jìn)入豐水期， 為廈門港海區(qū)帶來豐富的營養(yǎng)物質(zhì)， 促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖，形成夏季浮游植物繁盛期。同安灣海域葉綠素含量月均值在6月和7月出現(xiàn)異常的高峰值， 7月相比其他海區(qū)平均值(6.46 mg/m3)高了240%， 監(jiān)測(cè)結(jié)果與2017年廈門海洋環(huán)境狀況公報(bào)[43]所公布的6—7月初在同安灣發(fā)生了兩次赤潮現(xiàn)象符合。8月， 由于營養(yǎng)鹽的大量消耗， 浮游植物繁盛期開始進(jìn)入衰退， 整個(gè)海區(qū)的葉綠素含量出現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)。

進(jìn)入秋季， 夏季浮游植物繁盛期結(jié)束。而東部海域和西海域卻出現(xiàn)了葉綠素含量再次回升的現(xiàn)象。西海域是半封閉型區(qū)域， 與外界水體交換動(dòng)力差，并且周邊人口密度較高， 受到人類活動(dòng)的影響較大，因此相對(duì)于其他海域有更多的營養(yǎng)來源。而東部海域周邊人口密度低， 受污染程度低， 但由于秋季閩浙沿岸流對(duì)廈門島附近海域的影響次于冬季， 因此只有東部海域在其影響下， 營養(yǎng)鹽含量大大高于其他海域， 導(dǎo)致東部海域葉綠素含量升高[42]。其余海域的葉綠素含量持續(xù)下降。

2017年廈門港葉綠素含量總體上具有雙高峰的季節(jié)變化規(guī)律， 其中高峰分別出現(xiàn)在冬季(2月)與夏季(7月)， 而3月和11月大部分海域的葉綠素含量處于低值。這一變化規(guī)律與陳世敢[3]等報(bào)道的1980—1981年期間廈門海域的葉綠素含量年間變化規(guī)律相似， 當(dāng)時(shí)的高峰也出現(xiàn)在冬季(1月)與夏季(6月)。而高亞輝[19]和曹振銳[21]等的研究結(jié)果表明廈門港的葉綠素含量周年變化為單峰型， 高峰僅出現(xiàn)于夏季(8月)， 與本文結(jié)果有較大差異?？梢?， 廈門海域的葉綠素年際差別很大， 但不排除由于先前的研究采樣頻率低的原因。圖2中， 一些研究?jī)H報(bào)道了個(gè)別月份的葉綠素含量， 同樣也反映了廈門各海域的葉綠素含量在夏季(1995年8月[39]、2001年6月[16])高， 秋季(2014年10月[34])低的特點(diǎn)， 與本研究結(jié)果一致。

2.1.2 葉綠素的晝夜時(shí)空分布

為研究廈門港各海域葉綠素含量的晝夜變化，從2017年中選取了具有代表性的4個(gè)晝夜： 春分(3月20日)， 夏至(6月21日)， 秋分(9月23日)和冬至(12月22日)。如圖5所示， 廈門島附近海域葉綠素含量呈現(xiàn)出較強(qiáng)的晝夜變化規(guī)律。

圖5 不同季節(jié)廈門港各海域葉綠素含量的晝夜變化Fig. 5 Diurnal rhythm of Chlorophyll content in the sea areas of Xiamen Bay

春分時(shí)節(jié)(3月20日)， 各海域的葉綠素含量整體較低， 在0～1.51 mg/m3之間浮動(dòng)， 同安灣的葉綠素含量最低。春分之日， 廈門海域總體的葉綠素含量最高值出現(xiàn)在中午時(shí)段(9： 00—15： 00)。春季溫度較低，中午溫度最高、光照最強(qiáng)， 有利于浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖。而在18： 00進(jìn)入夜晚后， 溫度進(jìn)一步降低， 而全海域的葉綠素含量上升。

廈門的夏至(6月21日)和秋分(9月23日)都處在高溫之中， 呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)： 中午至午后達(dá)到最低值， 而最高值出現(xiàn)在夜間。光照可以促進(jìn)藻類生長(zhǎng)繁殖， 但強(qiáng)光會(huì)加大藻細(xì)胞DNA受損的機(jī)率；夏季中午光照太強(qiáng)， 溫度過高， 因此造成了光抑制作用[44]。傍晚海水表層溫度開始下降至浮游植物的適宜溫度， 葉綠素含量大幅度上升。在南海東北部也發(fā)現(xiàn)了夏季葉綠素最高值出現(xiàn)在夜間21： 00的現(xiàn)象，研究認(rèn)為這與該海域超微型光合生物的高細(xì)胞豐度有關(guān)[44]， 而廈門海域的浮游植物以微型浮游植物為主[21]， 夏、秋季廈門海域葉綠素含量在夜間出現(xiàn)高值可能與微型浮游植物的高細(xì)胞豐度有關(guān)。

冬至(12月22日)， 九龍江口和東部海域受徑流和外海水影響， 變化幅度較??； 葉綠素在其他海域白天升高， 傍晚時(shí)驟升至最高值， 夜間持續(xù)下降， 說明了光照和水溫對(duì)于葉綠素積累的重要性。

白天和夜間的表層水體葉綠素含量之間的差異可能與浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。本研究的結(jié)果表明， 廈門海域夏、秋季的晝夜葉綠素含量差異顯著(P＜0.05)， 冬、春季的晝夜變化則差別不大(P＞0.05)。在對(duì)廈門海域附近的泉州灣表層水體浮游植物的研究中發(fā)現(xiàn)， 夏、秋季白天和夜間之間的多樣性指數(shù)(H′)差異顯著大于冬、春季(P＜0.005)[32]?？梢酝茰y(cè)， 廈門海域的葉綠素含量晝夜規(guī)律與因晝夜的環(huán)境條件變化引起浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

2.2 葉綠素與水環(huán)境因子相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)分析

葉綠素含量是反映水體初級(jí)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，而浮游植物是初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者。浮游植物的生長(zhǎng)和繁殖受許多環(huán)境因素影響， 如溫度、鹽度、pH等。對(duì)于影響葉綠素含量的環(huán)境因子的研究已有大量報(bào)道[13-15]， 由于不同地區(qū)的浮游植物群落組成結(jié)構(gòu)存在差異， 以及海水本身的物理性質(zhì)也存在差異， 導(dǎo)致葉綠素含量與水環(huán)境因子之間具有復(fù)雜的相關(guān)性。

本研究獲得到的2017年廈門周邊海域水環(huán)境因子情況如表3。各水環(huán)境因子的年變化趨勢(shì)見圖6。各海域水溫隨季節(jié)變化明顯， 但各海域之間水溫差異不明顯， 水溫呈現(xiàn)夏秋季高、冬春季低的季節(jié)變化趨勢(shì)， 與葉綠素含量的季節(jié)變化趨勢(shì)一致； 鹽度全年變化幅度不大， 總體來說， 夏季的鹽度的最低， 而夏季的葉綠素含量最高。從地理分布來看， 靠近外海的東部海域鹽度最高， 九龍江口則為鹽度最低的站位， 同安灣、南部海域、西海域鹽度在上半年鹽度差別不明顯， 而各海域葉綠素含量均值是同安灣＞東部海域＞西海域＞南部海域＞九龍江； 溶解氧含量和溶解氧飽和度均具有冬季高、夏秋季低的趨勢(shì)特征， 與葉綠素含量的季節(jié)分布趨勢(shì)相反， 各海域在2月份均出現(xiàn)溶解氧飽和度上升并且在3月份驟降的現(xiàn)象，同安灣的溶解氧含量以及溶解氧飽和度均較高， 九龍江口的溶解氧指標(biāo)在全年的大部分月份均為各海域最低； 各海域pH變化較為復(fù)雜， 2月份和7月份的各海域pH都出現(xiàn)上升并在次月下降的現(xiàn)象， 東部海域和南部海域的pH較高， 而九龍江口總體低于其他海域。

圖6 水環(huán)境因子年變化趨勢(shì)Fig. 6 Annual variations of water environmental factors

表3 2017年廈門港水環(huán)境因子情況Tab. 3 Water environmental factors of xiamen bay in 2017

本文以廈門周邊海域?yàn)檠芯繉?duì)象， 對(duì)水環(huán)境因子進(jìn)行聚類分析和相關(guān)性分析， 然后對(duì)葉綠素含量與水環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸分析。

2.2.1 水環(huán)境因子聚類分析與相關(guān)性分析

由于得到的水質(zhì)理化因子計(jì)量單位不同， 為避免量綱不同導(dǎo)致聚類分析得到不合理的結(jié)果， 在聚類分析時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理， 其變換公式為：

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的各水環(huán)境因子進(jìn)行聚類分析， 結(jié)果如圖7。聚類分析衡量了不同數(shù)據(jù)之間的相似性。依據(jù)聚類分析， 本研究中的水環(huán)境因子被分為4類。第1類： 溶解氧含量(DO)、溶解氧飽和度(%DO)； 第2類： 鹽度(Sal)； 第3類： pH； 第4類： 水溫(T)。溶解氧含量與溶解氧飽和度是反映水體溶解氧的不同指標(biāo)， 因此聚類分析結(jié)果將這兩個(gè)因子歸為一類，與實(shí)際相符。

圖7 廈門港海域水環(huán)境因子聚類分析Fig. 7 Cluster analysis of water environment factors in Xiamen Bay

通過聚類分析結(jié)果， 可以發(fā)現(xiàn)各水環(huán)境因子之間不是獨(dú)立的， 各個(gè)水環(huán)境因子對(duì)葉綠素含量的貢獻(xiàn)也存在差異。通過Pearson相關(guān)分析可以進(jìn)一步了解葉綠素含量以及各水環(huán)境因子之間的相關(guān)性。對(duì)廈門港附近海域2017年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用Pearson指數(shù)分析， 結(jié)果見表4。廈門港附近海域的葉綠素含量與水溫、鹽度、pH、溶解氧飽和度和溶解氧含量各因子在0.01水平(雙尾檢驗(yàn))上呈現(xiàn)顯著相關(guān)， 其中鹽度與葉綠素含量為負(fù)相關(guān)關(guān)系， 其余各水環(huán)境因子與葉綠素含量均為正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)的大小可以判斷， 葉綠素含量與溶解氧飽和度之間為強(qiáng)相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)介于0.6～0.8)， 與pH之間為中等程度相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)介于0.4～0.6)，與水溫、溶解氧含量之間屬于弱相關(guān)(Pearson相關(guān)系數(shù)介于0.2～0.4)， 而與鹽度之間屬于極弱相關(guān)(Person相關(guān)系數(shù)介于0～0.2)。

表4 廈門港葉綠素含量和環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab. 4 Pearson correlation coefficient between chlorophyll content and environmental factors in Xiamen Bay

2.2.2 多元線性回歸

根據(jù)聚類分析和Pearson回歸分析的結(jié)果， 采用逐步回歸法， 以水溫、鹽度、溶解氧飽和度、溶解氧含量、pH為自變量對(duì)因變量Chl建立多元線性模型，排除了水環(huán)境因子溶解氧含量和pH兩個(gè)水環(huán)境因子以避免因各水環(huán)境因子之間相關(guān)性太高而引起嚴(yán)重共線性使回歸模型不準(zhǔn)確， 經(jīng)過計(jì)算得到回歸方程：

方程通過顯著性0.05的F檢驗(yàn)， 校正復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.565， 表明此回歸模型可以解釋因變量的大多數(shù)信息。各個(gè)自變量系數(shù)所有自變量的容錯(cuò)度大于0.6， 說明自變量之間的共線性程度很低， 回歸結(jié)果不受共線性影響而失真。廈門港的葉綠素含量與鹽度呈負(fù)相關(guān)性， 與水溫、溶解氧飽和度呈正相關(guān)性。模型的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)的絕對(duì)值反映了自變量對(duì)因變量的影響大小[13]， 這些水環(huán)境因子對(duì)葉綠素含量變化的影響由大到小排序?yàn)椋?溶解氧飽和度(0.702)＞水溫(0.449)＞鹽度(0.158)。溶解氧與廈門港的葉綠素含量關(guān)系最為密切， 其次為水溫， 鹽度與葉綠素含量之間的密切程度次之。

溶解氧是常用的水質(zhì)指標(biāo)， 它是浮游植物生長(zhǎng)的必備條件， 也是影響浮游植物新陳代謝的重要因素。溶解氧是水體中各種生化過程的主要參與者， 浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖過程中能夠產(chǎn)生溶解氧， 因此浮游植物的生態(tài)變化必然導(dǎo)致水體中溶解氧含量的變化。本研究得到葉綠素含量與溶解氧飽和度呈正相關(guān)關(guān)系， 與浮游植物光合作用釋放氧氣增加水中溶解氧的規(guī)律一致。據(jù)柴小平[45]等2014 年春季對(duì)浙江省近岸海域溶解氧的調(diào)查結(jié)果， 海區(qū)中溶解氧飽和度高值區(qū)與浮游植物豐度的高值區(qū)一致[45]， 而海區(qū)中浮游植物豐度影響葉綠素含量， 葉綠素含量高值與浮游植物高豐度有關(guān)[44]， 因此海域葉綠素含量高值區(qū)與溶解氧飽和度高值區(qū)一致， 呈正相關(guān)， 均與浮游植物豐度有關(guān)。

水溫是影響浮游植物生長(zhǎng)、繁殖的關(guān)鍵因素。本研究區(qū)域處于亞熱帶地區(qū)， 夏季水溫最高達(dá)33.6 ℃，較高的溫度有利于本海域浮游植物主要類群的生長(zhǎng)；冬季水溫下降但不低于藻類生長(zhǎng)適宜溫度范圍， 適應(yīng)在稍低溫生長(zhǎng)的浮游植物類群成為了優(yōu)勢(shì)群體。因此本海域的葉綠素含量與溫度之間的關(guān)系密切，且呈正相關(guān)。朱敬萍[46]等研究了浙江東極島海域葉綠素a含量與環(huán)境影響因子的相關(guān)分析， 相關(guān)分析表明， 從全年來說， 海域的水溫與葉綠素a含量呈顯著正相關(guān)。與本研究中廈門港海域的分析結(jié)果一致。

葉綠素含量與鹽度之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系， 與王磊等[47]對(duì)2013年3—5月巽他陸架和馬六甲海峽表層海水浮游植物群落的研究結(jié)果一致， 研究海區(qū)葉綠素a含量與水體鹽度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。與其他海灣的研究結(jié)果也類似[13，26]。沈新強(qiáng)等[48]發(fā)現(xiàn)， 在鹽度低于25～27的水域中葉綠素a含量與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系， 而鹽度高于27的水域中二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。廈門海域大部分區(qū)域鹽度超過27， 而九龍江口區(qū)域鹽度較低， 因此葉綠素含量與鹽度的關(guān)系較為復(fù)雜。

Otsuka等[1]在利用PCA分析巴西Pernambuco灣的葉綠素a及多個(gè)水環(huán)境因素后， 發(fā)現(xiàn)溶解氧飽和度和溫度為僅次于營養(yǎng)鹽的第二組分。大量關(guān)于港灣水體的葉綠素含量的研究得到了其與溶解氧(DO)或溶解氧飽和度以及溫度之間存在密切關(guān)系的結(jié)論[14，28，49-50]， 與本研究結(jié)果一致。He等[16]報(bào)道了廈門港夏、秋季浮游植物生物量的變化與溫度、溶解氧的變化是眾多環(huán)境因素中最為耦合的， 本研究結(jié)果再次證實(shí)了這一結(jié)果。而周毅頻等[29]報(bào)道了位于香港和深圳之間的大鵬灣海域的葉綠素a含量與溶解氧、溫度相關(guān)性較低： 大鵬灣溫度終年高于廈門， 該海域浮游植物對(duì)溫度的敏感程度低于廈門周邊海域； 由于香港和深圳的大量陸源排放， 排放物中的氨氮等還原性物質(zhì)消耗了浮游植物產(chǎn)生的溶解氧， 因此溶解氧與葉綠素含量的耦合程度比廈門海域弱。在緯度高于廈門港、水溫終年不超過30℃的舟山港， 葉綠素a含量與水溫之間呈負(fù)相關(guān)[12]， 當(dāng)?shù)氐母∮沃参锶郝鋵?duì)溫度較敏感， 在表層海水有條件達(dá)到光飽和時(shí)， 溫度超過一定限度會(huì)限制浮游植物的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

2017年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明， 廈門港表層海水葉綠素均值為3.89 mg/m3， 根據(jù)年均值數(shù)據(jù)， 各海域無富營養(yǎng)化現(xiàn)象。全海域葉綠素年變化范圍0.00～163.00 mg/m3， 高值出現(xiàn)于同安灣7月份赤潮時(shí)期。平面分布上， 廈門港海域葉綠素含量分布呈現(xiàn)灣內(nèi)大于灣外、北岸大于南岸的特點(diǎn)， 陸源徑流、海流和人類活動(dòng)是重要的影響因素。

廈門港海域的葉綠素含量具有夏秋季高、冬春季低的季節(jié)變化特點(diǎn)。一年之中出現(xiàn)兩次浮游植物繁盛期， 分別為夏季(7月)和冬季(2月)。該海域葉綠素含量還有較強(qiáng)的晝夜變化規(guī)律： 春季正午最高； 夏季和秋季在白天降低， 中午達(dá)到最低值， 最高值出現(xiàn)在夜間； 冬季， 葉綠素含量白天上升， 夜晚降低。

在聚類分析和相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上通過逐步回歸建立了葉綠素含量與水環(huán)境因子的多元線性模型，得到了葉綠素含量與溶解氧和水溫之間的關(guān)系最為密切。