2013年夏季秦皇島海域葉綠素a濃度分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

王全穎，杜雨蒙，劉 龍，石偉杰，張永豐，李 莉，張建樂

(國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066002)

引 言

秦皇島海域開闊，海岸線呈東北西南向，長162.7 km。沿岸分布有石河、湯河、戴河、洋河、人造河、大蒲河、新開口以及灤河等入海河流。隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，秦皇島海域環(huán)境承受的壓力也愈來愈大，赤潮、褐潮災(zāi)害頻發(fā)。自2009—2015年，秦皇島海域連續(xù)7 a發(fā)生大面積褐潮，監(jiān)測到的最大面積達3350 km2(2010年)，致使海水變色、透明度下降，貝類滯長死亡，嚴重影響了濱海旅游環(huán)境[1]。

葉綠素a作為浮游植物現(xiàn)存量及其動態(tài)變化的重要指標[2-3]，對于探索赤潮爆發(fā)的影響機制和預(yù)測預(yù)警具有重要意義。目前，渤海海域有關(guān)葉綠素a濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性研究已有較多報道[4-7]，但秦皇島海域這方面的研究報道依然較少。本文根據(jù)2013年夏季秦皇島海域的調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了葉綠素a濃度水平分布特征，著重探討了其與相關(guān)環(huán)境因子的關(guān)系，并初步評價了秦皇島海域營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)狀況，旨在為秦皇島海域的生態(tài)環(huán)境狀況研究和赤潮監(jiān)測預(yù)警提供理論參考。

1 樣品采集與處理方法

1.1 樣品采集

于2013年8月對秦皇島海域進行了現(xiàn)場調(diào)查取樣，按照大致與海岸線平行的原則布設(shè)調(diào)查斷面，站位設(shè)置基本涵蓋整個秦皇島近岸海域，共布設(shè)4條斷面，46個調(diào)查站位。(如圖1所示)。樣品的采集與保存均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378—2007)進行，用Nansen采水器采集后，葉綠素a、鹽度、活性磷酸鹽、無機氮和化學(xué)需氧量等海水樣品用聚乙烯瓶帶回實驗室進行測定。溶解氧海水樣品用棕色玻璃瓶盛放，并現(xiàn)場加入氯化錳溶液和堿性碘化鉀溶液進行固定，待回到實驗室后測定。水溫參數(shù)現(xiàn)場測定。

圖1 2013年夏季秦皇島海域調(diào)查站位示意圖

1.2 分析方法

海水樣品分析均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.7—2007)中的要求進行分析[8-9]。

葉綠素a測定：量取一定體積海水樣品，加入碳酸鎂懸浮液，混勻，用玻璃纖維濾膜(φ47 mm)過濾。將過濾了樣品的濾膜放入具塞離心管，加入10 mL 90%丙酮溶液，搖蕩，放置冰箱儲貯存室中14～24 h，提取葉綠素a。然后，以3000～4000 r·min-1速度對盛有樣品濾膜的具塞離心管離心10 min。最后，將上清液注入測定池，用丙酮溶液作參比，分別在750 nm、664 nm、647 nm、630 nm波長處測定吸光值。其中，750 nm處的測定，用以校正提取液的濁度。

水質(zhì)參數(shù)測定： NO3-N采用鋅鎘還原比色法測定；NO2-N采用鹽酸萘乙二胺分光光度法測定；NH4+-N采用次溴酸鹽氧化法測定；磷酸鹽采用磷鉬藍萃取分光光度法測定；化學(xué)需氧量采用堿性高錳酸鉀法測定；溶解氧采用碘量法測定。

葉綠素a濃度與主要環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析通過SPSS19.0軟件完成。平面分布圖采用Golden Software Sufer11.0軟件生成。

1.3 評價方法

作為海域藻類生物量表征的葉綠素a，一定程度上也可反映海域水體富營養(yǎng)化的程度，鑒于國際上關(guān)于富營養(yǎng)化的評價目前尚無統(tǒng)一標準，本研究采用營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)[10,11]和富營養(yǎng)化指數(shù)(EI)[12]來評價秦皇島海域富營養(yǎng)化狀況，營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)和富營養(yǎng)指數(shù)(EI)評價分級如表1所示。

表1 水質(zhì)營養(yǎng)水平評價分級[13]

營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)按下式計算：

NQI=COD/COD′+DIN/DIN′+DIP/DIP′+Chl-a/Chl-a′

式中，COD為水體化學(xué)需氧量實測濃度；DIN為水體無機氮實測濃度；DIP為水體活性磷酸鹽實測濃度；Chl-a為水體葉綠素a實測濃度；COD′、DIN′、DIP′和Chl-a′分別為水體化學(xué)需氧量、無機氮、活性磷酸鹽和葉綠素a的評價標準。其中：

COD′=3.0 mg·L-1；DIN′=0.3 mg·L-1；DIP′=0.03 mg·L-1；Chl-a′=5 μg·L-1。

富營養(yǎng)化指數(shù)(EI)計算公式如下：

EI=COD × DIN × DIP× 106/4500

式中單位以mg·L-1表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦皇島海域水質(zhì)狀況

各環(huán)境因子的調(diào)查結(jié)果如表2所示。各環(huán)境因子的水平分布如圖2所示。表層海水溫度普遍較高，介于23.6～28.0℃之間，平均值為(26.0±1.1)℃，最大值出現(xiàn)在12號站，最小值出現(xiàn)在26號站，分布趨勢不明顯。鹽度介于27.01～29.81，平均值為29.10±0.52，最大值出現(xiàn)在10號站，最小值出現(xiàn)在24號站，受到沿岸河流淡水輸入的影響，鹽度表現(xiàn)出由河口向離岸逐漸增高的趨勢。pH值在7.90～8.35之間，平均值為8.14±0.14，最大值出現(xiàn)在26號站，最小值出現(xiàn)在37號站，呈現(xiàn)出由河口向離岸逐漸增高的趨勢。溶解氧含量在5.30～11.7 mg·L-1之間，平均值為(8.37±1.33)mg·L-1，最大值出現(xiàn)在24號站，最小值出現(xiàn)在37號站，且北部海域溶解氧含量高于南部海域?；瘜W(xué)需氧量在1.20～1.60 mg·L-1之間，平均值為(1.43±0.11)mg·L-1，最大值出現(xiàn)在10、34和44號站，最小值出現(xiàn)在24和28號站。無機氮介于51.2～246.0μg·L-1之間，平均值為(120.1±47.2)μg·L-1，活性磷酸鹽介于2.43～13.41 μg·L-1之間，平均值為(5.52±2.75)μg·L-1，由于陸地徑流為沿岸海域輸送了豐富的營養(yǎng)鹽，無機氮與活性磷酸鹽的高值區(qū)均出現(xiàn)在沿岸河口海域，最大值分別出現(xiàn)在1、16號站，最小值分別出現(xiàn)在35、3號站。

表2 表層海水葉綠素a濃度及相關(guān)環(huán)境因子

圖2 環(huán)境因子的水平分布圖

2.2 表層海水葉綠素a水平分布

秦皇島海域表層海水葉綠素a的水平分布如圖3所示。研究結(jié)果表明，葉綠素a濃度變化范圍為0.50～7.79μg·L-1，平均值為(2.10±1.38)μg·L-1。與劉述錫等[14]在2006年夏季對河北海域的調(diào)查結(jié)果相比較，本文研究結(jié)果低于歷史資料值(平均值為3.45±2.80μg·L-1)，這主要是由于站位選取有所差異。但在水平分布上，兩次調(diào)查結(jié)果均顯示出葉綠素a濃度呈現(xiàn)近岸高、離岸低的分布趨勢。濃度高值區(qū)主要出現(xiàn)在沿岸河口附近海域，最高值出現(xiàn)在戴河口附近24號站(7.79μg·L-1)，湯河附近37號站(4.96μg·L-1)和31號站(4.72μg·L-1)濃度值也相對較高，這可能與河口區(qū)域受人為活動影響，營養(yǎng)鹽含量較高有關(guān)。

圖3 夏季秦皇島海域表層海水葉綠素a水平分布圖(μg·L-1)

2.3 葉綠素a與環(huán)境因子的相關(guān)性

從表3可以看出，葉綠素a與鹽度呈極顯著負相關(guān)，表明葉綠素a與陸地徑流輸入海洋的污染物密切相關(guān)。

本次調(diào)查葉綠素a與pH呈顯著負相關(guān)，葉綠素a主要反映的是浮游植物的現(xiàn)存量，浮游植物主要是通過生長階段的光合作用和消亡階段的氧化分解作用影響pH，二者呈顯著負相關(guān)，這說明與光合作用相比，浮游植物消亡階段的氧化分解作用可能對pH的影響更大些。

葉綠素與磷酸鹽呈顯著正相關(guān)，從圖2也可以看出，磷酸鹽的平面分布與葉綠素a具有一致性。磷酸鹽是浮游植物生長的生源要素，二者顯著正相關(guān)，說明秦皇島海域浮游植物生長可能受到活性磷酸鹽控制。

葉綠素a與無機氮、水溫、化學(xué)需氧量和溶解氧等相關(guān)性不顯著(表3)。

表3 葉綠素a濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性系數(shù)

為進一步研究該海域葉綠素a與環(huán)境因子的關(guān)系，本文收集了2013年5月至10月秦皇島北戴河近岸海域(位于洋河口-戴河口近岸)連續(xù)6個月的調(diào)查數(shù)據(jù)進行分析。從表4可看出，葉綠素a與活性磷酸鹽之間均呈正相關(guān)關(guān)系，部分月份相關(guān)性顯著或極顯著；葉綠素a與pH之間呈負相關(guān)，8—10月為顯著負相關(guān)，表明有機體的氧化分解對pH影響可能更大；葉綠素a與鹽度除7月份相關(guān)性不高，其余均呈顯著負相關(guān)；葉綠素a與無機氮主要以正相關(guān)為主，部分月份相關(guān)性顯著或極顯著；葉綠素a與水溫、化學(xué)需氧量和溶解氧之間的相關(guān)性變化較大，無明顯規(guī)律。

表4 葉綠素a濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性系數(shù)

與本研究中秦皇島海域的46個站位的大面研究結(jié)論進行對照，葉綠素和磷酸鹽、鹽度和pH的相關(guān)性方面，二者都體現(xiàn)了較大程度的相似性，水溫、化學(xué)需氧量、溶解氧方面，二者都顯示相關(guān)性并不密切。此外，與秦皇島海域的調(diào)查數(shù)據(jù)相比，北戴河海域的無機氮與葉綠素a的相關(guān)性更高。由于北戴河海域僅僅為秦皇島海域內(nèi)的一個局部，因此個別要素的相關(guān)性有一定區(qū)別，但從總體上看，在葉綠素與磷酸鹽、鹽度和pH方面的結(jié)論具有較好的一致性。

Redfield指出海水中N/P值一般為16:1，高于此值浮游植物生產(chǎn)受磷限制，低于此值受氮限制[15,16]。本次調(diào)查數(shù)據(jù)顯示秦皇島海域氮磷比值高于16的站位占73.9%，這表明秦皇島海域浮游植物生長總體上為磷限制。由圖4可以看出，新開口至灤河外部海域磷限制最顯著，且灤河外3號站N/P最高達99.7。

圖4 DIN/DIP水平分布圖

2.4 秦皇島海域富營養(yǎng)化狀況評價

圖5和圖6給出了各站位水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)和富營養(yǎng)化指數(shù)(EI)。秦皇島海域NQI值變化范圍為0.93～ 2.70，平均值為1.48，除位于河口附近的1、4、24、16、37和31號站為中營養(yǎng)化外，其余站位均為貧營養(yǎng)化，貧營養(yǎng)化率為87.0%。EI值變化范圍介于0.05～0.76之間，平均值為0.21，中營養(yǎng)化站位為1、4和16號站，其余站位均為貧營養(yǎng)化，貧營養(yǎng)化率為93.5%。NQI和EI兩種評價結(jié)果均表明夏季秦皇島海域處于貧營養(yǎng)化狀態(tài)。通過兩種評價結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，該海域存在離岸越近水質(zhì)富營養(yǎng)化程度越高的趨勢，這可能與陸源河流攜帶了大量污染物入海以及沿岸海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖有關(guān)。

圖5 營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)水平分布圖

圖6 富營養(yǎng)化指數(shù)(EI)水平分布圖

本文對秦皇島海域富營養(yǎng)化指數(shù)的計算結(jié)果與鄭克芳[19]計算的秦皇島海域多年的富營養(yǎng)化指數(shù)相比，數(shù)值略低，其原因可能與前期赤潮對營養(yǎng)鹽的過度消耗有關(guān)。相關(guān)資料顯示，該海域在2013年5—7月共發(fā)生6次赤潮，肇事藻種為夜光藻、微小原甲藻、抑食金球藻[20]。持續(xù)的赤潮，使海水中有機物質(zhì)的分解礦化過程被打亂，無機氮磷始終無法被補充，故導(dǎo)致富營養(yǎng)化指數(shù)偏低。

3 結(jié)論

(1)夏季秦皇島海域表層海水葉綠素a濃度水平分布上呈現(xiàn)出近岸高、離岸低的趨勢，高值區(qū)主要出現(xiàn)在營養(yǎng)鹽含量較高的沿岸河口附近海域。

(2)表層海水葉綠素a的分布受多種環(huán)境因子的相互作用，活性磷酸鹽可能是其主控因素。

(3)營養(yǎng)狀態(tài)質(zhì)量指數(shù)(NQI)和營養(yǎng)指數(shù)(EI)評價結(jié)果顯示，秦皇島海域主要為貧營養(yǎng)化狀態(tài)。