2017年長江口海域夏季葉綠素a晝夜動(dòng)態(tài)變化及影響因素

宋絢麗，許永久，俞存根，張洪亮

( 1.浙江海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022； 2.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山 316021 )

葉綠素a是絕大部分浮游植物的基本色素，也是海洋生態(tài)系統(tǒng)中評估水體營養(yǎng)程度狀況以及初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一[1]。葉綠素a含量動(dòng)態(tài)變化及其上行、下行效應(yīng)對于海洋生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。作為初級生產(chǎn)力的指標(biāo)，葉綠素a含量的高低也反映了該海域海洋生物資源(尤其是漁業(yè)資源)潛力，因此葉綠素a含量的空間分布和動(dòng)態(tài)變化受到了漁業(yè)資源學(xué)、漁業(yè)生態(tài)學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)等眾多學(xué)科專家的關(guān)注[2-5]。由于長江口受長江沖淡水、臺(tái)灣暖流和黃海冷水團(tuán)的影響，海洋環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)長江口近岸受到人類活動(dòng)的影響顯著，海洋污染頻發(fā)。在以上多重壓力的影響下，近數(shù)十年長江口近海海域生態(tài)環(huán)境變化劇烈，富營養(yǎng)化加劇，赤潮等生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)，漁業(yè)資源生產(chǎn)力衰退，因此長江口及鄰近海域的生產(chǎn)力或葉綠素a含量的時(shí)空分布及變化是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2-5]。夏季長江沖淡水徑流量達(dá)到峰值，其帶來豐富的營養(yǎng)鹽為長江口海域的浮游植物群落的生長提供了充足的營養(yǎng)，勢必顯著影響長江口海域的葉綠素a含量的分布及動(dòng)態(tài)變化。目前，關(guān)于長江口近海葉綠素a含量時(shí)空分布及動(dòng)態(tài)變化的研究多集中在葉綠素a含量的空間分布、長期動(dòng)態(tài)變化及其營養(yǎng)鹽上行調(diào)控機(jī)制方面的研究[2-5]等方面，而對于葉綠素a含量的晝夜動(dòng)態(tài)變化及其影響因素的研究較少。筆者主要結(jié)合長江口海域兩個(gè)連續(xù)站位的葉綠素a剖面的實(shí)測數(shù)據(jù)、葉綠素a熒光儀的剖面觀測數(shù)據(jù)，分析長江口海域葉綠素a含量表、中、底層晝夜動(dòng)態(tài)及其影響因素，初步探討葉綠素a含量晝夜(短時(shí)間)動(dòng)態(tài)變化的機(jī)制，以期為夏季長江口海域赤潮等災(zāi)害的預(yù)警提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集與分析

圖1 長江口海域調(diào)查站位與夏季主要流系Fig.1 Observed stations and summer currents in the Changjiang River estuary

表1 西綠華島潮汐周期Tab.1 The tidal cycle at Xilühua Island

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2013的統(tǒng)計(jì)分析功能研究營養(yǎng)鹽、鹽度與葉綠素a相關(guān)性，研究葉綠素a與環(huán)境因子在短時(shí)間(晝夜)尺度以及剖面上的相關(guān)關(guān)系。利用Matlab進(jìn)行S1、S2環(huán)境因子差異性(空間和晝夜差異)的顯著檢驗(yàn)，零假設(shè)為S1、S2的環(huán)境因子晝夜間差異不顯著；S1、S2的環(huán)境因子的短時(shí)間序列差異不顯著。S1、S2處于潮汐強(qiáng)烈影響的區(qū)域，為了分析潮汐對葉綠素a的動(dòng)態(tài)變化影響，將站位的潮汐高度與鹽度、葉綠素a與鹽度進(jìn)行每米深度相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)隨深度的變化，研究不同水層沖淡水、潮汐的影響。同時(shí)，利用SPSS 19.0進(jìn)行葉綠素a與環(huán)境因子、浮游動(dòng)物的多元線性回歸分析，篩選具有顯著性影響的環(huán)境因子，探討環(huán)境因子對葉綠素a的影響程度。

2 結(jié) 果

2.1 夏季長江口水文環(huán)境

夏季長江口近海溫鹽分層明顯，表層(<10 m)由于受強(qiáng)烈日照輻射，兩個(gè)站位的表層溫度異常偏高(26～30 ℃)，中下層(>10 m)光照減小，溫度偏低(20～25 ℃)(圖2a、b)。晝夜溫差不顯著(P>0.05)，形成了明顯的溫躍層(圖2a、b)，S2由于靠近長江口，溫躍層較淺(約5 m)，S1靠近舟山嵊泗的綠華島，溫躍層延伸至10 m。受溫躍層影響，S1和S2表層均為密度較小、溫度較高的沖淡水覆蓋，鹽度較低(16～26)。中下層鹽度較高(31～36)，受底層外部水團(tuán)影響劇烈，30 m以深鹽度波動(dòng)較小(圖2c、d)。S1和S2的水深分別為45 m和60 m，對應(yīng)的溫、鹽躍層分別為10 m和5 m，說明水深對于表層溫度、鹽度時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化具有顯著影響(P<0.05，圖2a～d)。兩個(gè)站位的中層(10～30 m)、底層(>40 m)溫度、鹽度的序列差異不顯著(P>0.05，圖2a～d)。

圖2 2017年夏季長江口兩個(gè)站位水文環(huán)境剖面晝夜時(shí)間序列Fig.2 Time series of hydrographic profiles at two stations in Changjiang River Estuary in Summer 2017a.S1溫度； b.S2溫度； c.S1鹽度； d.S2鹽度.a.temperature at station S1； b.temperature at station S2； c.salinity at station S1； d.salinity at station S2.

2.2 夏季長江口葉綠素a晝夜動(dòng)態(tài)變化

S1、S2葉綠素a含量均呈表層高、中底層低的趨勢，兩個(gè)站位的表層葉綠素a的質(zhì)量濃度顯著高于中、底層(P<0.05)，受表層沖淡水影響，S1的葉綠素a高值區(qū)一直延伸到約15 m，為1.0～7.0 mg/m3，中層—底層(20～50 m)葉綠素a質(zhì)量濃度為0.4～1.0 mg/m3，變化幅度較??；S2的次表層(5 m)葉綠素a質(zhì)量濃度最高，達(dá)到7～10 mg/m3，高值區(qū)擴(kuò)展到約25 m。兩個(gè)站位的12:00—18:00表層葉綠素a質(zhì)量濃度顯著高于其他時(shí)間(P<0.05)，而中層(10～30 m)、底層(40 m以上)葉綠素a晝夜差異不顯著(P>0.05)。S1的底層葉綠素a在10:00—16:00偏高，1:00—4:00明顯偏低。而S2的底層葉綠素a質(zhì)量濃度在03:00、09:00、15:00有較微弱的峰值，在23:00、06:00、13:00有較弱的低谷(圖3、圖4)，葉綠素a質(zhì)量濃度的變化呈現(xiàn)明顯6～7 h的周期性變化。另外，與S1不同，S2葉綠素a質(zhì)量濃度的最大層非表層，而是處于5～10 m的次表層。

圖3 2017夏季S1(a)、S2(b)站表、中、底水層葉綠素a含量時(shí)間序列的變化Fig.3 Time profile of chla levels in surface, middle and bottom depths at station S1(a) and S2(b)in summer 2017

圖4 2017夏季S1(a)、S2(b)站的Chl-a剖面時(shí)間序列Fig.4 Diurnal Chla contents in stations S1 (a) and S2 (b) in summer 2017

2.3 夏季長江口營養(yǎng)鹽及溫、鹽晝夜動(dòng)態(tài)變化

圖5 2017年夏季S1(左)和S2站(右)表層、中層、底層的營養(yǎng)鹽及溫、鹽晝夜變化Fig.5 Diurnal nutrient and environmental variations at three depth layers (surface, middle and bottom) in S1(left) and S2(right) stations

2.4 葉綠素a的動(dòng)態(tài)變化的影響因素

2.4.1 鹽度和潮高對葉綠素動(dòng)態(tài)變化的影響

為進(jìn)一步分析沖淡水對表層葉綠素a的影響和底層水團(tuán)對底部葉綠素a的影響，分析每個(gè)水層葉綠素a質(zhì)量濃度與鹽度、潮汐高度的相關(guān)性，獲得了相關(guān)系數(shù)的垂直分布(圖6)。長江口的兩個(gè)站位的鹽度與葉綠素a的相關(guān)關(guān)系(R1)為表層負(fù)相關(guān)(-0.6～-0.2)、深層的正相關(guān)(0.1～0.5)。其中S1表層負(fù)相關(guān)顯著(-0.5～-0.4)，而底層正相關(guān)關(guān)系較弱(0.1～0.2)；S2表層和底層負(fù)相關(guān)關(guān)系均較強(qiáng)(表層：0.3～0.5和底層：-0.4～-0.5)。兩個(gè)站的鹽度與潮高的相關(guān)關(guān)系(R2)，均在表層關(guān)系較弱(S1：-0.4～0；S2：0～0.2)，而在深層關(guān)系較強(qiáng)(S1：0.4～0.6；S2：0.4～0.7)。表層底鹽水團(tuán)均為沖淡水覆蓋，底層高鹽水團(tuán)為臺(tái)灣暖流占據(jù)(圖2a～b)。兩個(gè)站位表層的鹽度與葉綠素a的較強(qiáng)關(guān)系反映了沖淡水的強(qiáng)烈影響，而兩個(gè)站位的底層水團(tuán)受到了臺(tái)灣暖流的影響。

圖6 S1(a)和S2站(b)鹽度與潮高(R1)、鹽度與葉綠素a(R2)的相關(guān)系數(shù)隨深度的變化Fig.6 Variation in correlation coefficient between salinity and tide level (R1), and between salinity and Chla level (R2) with depth at stations S1(a)and S2 (b)

2.4.2 營養(yǎng)鹽和浮游動(dòng)物對葉綠素a晝夜變化的綜合影響

圖7 S1(a)和S2站(b)浮游動(dòng)物主要種類(總豐度、橈足類、枝角類和毛顎動(dòng)物)，S1(c)和S2(d)站表、底層N∶P、Si∶N的晝夜動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Diurnal variation in zooplankton abundance (total, copepoda, cladocera and chaetognatha abundance) at stations S1(a) and S2(b), and N∶P, and Si∶N ratio in stations S1 (c) and S2 (d)

表2 兩個(gè)站表層、底層葉綠素a晝夜變化與浮游動(dòng)物、環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)及多元線性模型

3 討 論

3.1 夏季葉綠素a垂直分布及其原因

3.2 夏季葉綠素a時(shí)間序列動(dòng)態(tài)及影響因素

長江口是多種團(tuán)流交匯混合的區(qū)域[5,13-15]，營養(yǎng)鹽是影響浮游植物生長的最重要環(huán)境因子之一[2,3]。各種水團(tuán)帶來的營養(yǎng)鹽對于生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充具有重要意義。在時(shí)間序列上，長江沖淡水在表層的補(bǔ)充沒有明顯的差異，S1、S2均在下午光照度較大的時(shí)刻，葉綠素a含量較高。而長江口近海底層水團(tuán)受到潮汐作用的強(qiáng)烈影響，葉綠素a含量具有周期性變化。浮游動(dòng)物在整個(gè)水層中生活，具有夜間浮游到表層攝食，白天至海底躲避敵害的生態(tài)習(xí)性。由于浮游動(dòng)物為垂直水層采樣，筆者將浮游動(dòng)物橈足類分別作為表層、底層的影響因子進(jìn)行葉綠素a變化的模型構(gòu)建。盡管表層葉綠素a的模型不具有顯著性，模型結(jié)果仍然反映了表層葉綠素a含量的變化主要由營養(yǎng)物質(zhì)(長江沖淡水所致的鹽度)調(diào)控，由于營養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)充充足，葉綠素a含量異常的高，足夠浮游動(dòng)物攝食，浮游動(dòng)物并不是限制表層葉綠素a含量的因素。底層葉綠素a含量的變化主要受到潮汐(臺(tái)灣暖流所致的鹽度)調(diào)控，呈現(xiàn)較為明顯的周期變化。浮游動(dòng)物橈足類，在葉綠素a含量極低的時(shí)候，起到顯著的負(fù)面影響作用。筆者認(rèn)為，浮游動(dòng)物在底層對葉綠素a具有一定的攝食壓力，且這種攝食壓力受潮汐的影響而發(fā)生波動(dòng)，浮游動(dòng)物對葉綠素a的攝食壓力在這種物理作用下的具體響應(yīng)機(jī)制需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

夏季長江口海域表層受長江沖淡水的顯著影響，表層葉綠素a質(zhì)量濃度下午較高(為1.0～7.0 mg/m3)，底層受到臺(tái)灣暖流的影響，營養(yǎng)鹽較低，葉綠素a質(zhì)量濃度較低(0.2～1.0 mg/m3)。表層葉綠素a的晝夜變化主要受到長江沖淡水、光照的影響，而底層葉綠素a主要受到潮汐作用和臺(tái)灣暖流帶來的高鹽水的周期性影響；兩個(gè)站位葉綠素a垂直分布、時(shí)間序列分布差異不顯著。多元回歸分析表明，表層營養(yǎng)鹽豐富，是影響葉綠素a時(shí)間序列的主要因素，浮游動(dòng)物不是限制性的因子。底層潮汐作用強(qiáng)烈，臺(tái)灣暖流和浮游動(dòng)物是影響葉綠素a周期變動(dòng)的重要因素。

致 謝

感謝浙江海洋大學(xué)A15資環(huán)班張浩良同學(xué)(現(xiàn)浙江工業(yè)大學(xué)研究生)在采樣過程中的幫助，溫鹽深儀環(huán)境數(shù)據(jù)由“浙漁科2號(hào)”船員一同協(xié)助采樣，謹(jǐn)致謝忱。