秋季雷州半岛近海营养盐和叶绿素a浓度空间分布及其相互关系

冯钰婷，赵 辉，施玉珍

（广东海洋大学化学与环境学院，广东 湛江，524088）

营养盐是海洋生态系统中最基础的物质和能量来源，浮游植物是海洋生态系统中最重要的初级生产者，既受环境因子影响，也能灵敏地反映水质、营养条件等环境的变化特征[1]。海水中的营养盐分布、结构状况以及营养盐的可获取性对海洋生物的生产力发挥着重要作用，一般来说，营养盐的含量高，浮游植物生长才丰富，Chl-a含量才越高[2-3]。从而研究营养盐与Chl-a之间的关系成为海洋科学研究的热点[4]。近年来，随着沿海经济的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，大量富含营养盐类物质的废水被排放入海以及近海水产养殖导致沿海近岸海域营养盐含量发生变化，营养盐含量的变化一定程度上会影响近海浮游植物的初级生产力乃至海洋生态系统，因此研究营养盐的空间分布变化及其对浮游植物初级生产力的影响具有重要意义。

雷州半岛地处中国大陆最南端，位于南海西北部，处于北纬 21.15°－21.20°、东经 109.22°－110.27°，西接北部湾东北部，东濒南海北部，南与海南岛和琼州海峡相望，其岸线曲折，港湾和岛屿众多，拥有红树林、海草床等独特的生态系统和丰富的海洋生物资源[1]。雷州半岛沿海地区位于陆海过渡区的海岸带，人类活动频繁进而对其周围生态环境造成一定的干扰。但由于工农业布局分布不均和发展不平衡，且受控于不同水体以及受海域、沿海径流和南海高温高盐水的影响，雷州半岛海岸带的水质状况、生态环境、海洋生物资源以及生态环境因素显得复杂多变。因此，雷州半岛东西部的营养盐结构和Chl-a空间分布存在很大差异。有关雷州半岛东西部叶绿素和营养盐浓度的空间分布特征以及它们之间相关性研究极少。2010年夏季对雷州半岛浮游植物的结构特征以及与环境因子的关系进行研究[1]，虽然研究范围与本研究一致，但是其研究内容主要是浮游植物群落的结构特征与环境因子的关系，并没有对雷州半岛东西部营养盐和叶绿素浓度的空间分布特征以及它们之间的相关性进行分析，未反映雷州半岛东西部营养盐、叶绿素分布状况以及两者之间的联系。

本研究利用2017年9月30日－2017年10月5日期间雷州半岛海域的现场调查资料，分析调查海域营养盐和Chl-a的空间分布特征，初步探讨该海域Chl-a浓度分布对营养盐的响应机制，为雷州半岛生态系统的恢复及健康发展提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 采样站位

2017年9月30日－10月5日对雷州半岛海域进行了1个航次的调查，该航次布设了19个断面，共49个站位，研究区域水深最深47 m，通常秋季混合层厚度达20 m，因此该航次调查仅取深度0.5 ～1.0 m水样作为表层水样。具体采样站位见图1。

图1 研究区域位置和采样站位分布Fig.1 Study area location and Sampling station location

1.2 样品的采集与分析方法

海水的温度用Orion 3 star pH 进行现场测定和读取，盐度用Orion 130 A进行测量。营养盐样品现场用预洁净的玻璃纤维膜（孔径0.70 μm）过滤后冷藏保存（0.4 ℃），采约250 mL过滤水样带回实验室使用Skalar营养盐自动分析仪测定，根据《海洋调查规范-海水化学要素观测》[5]和《SKALAR SAN++营养盐自动分析仪操作手册》进行水样分析，其中分别采用镉铜柱还原-重氮偶氮法、重氮偶氮法和硅钼蓝法测定硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐。DIN（NO3-+NO2-+NH4+）的检测限为 0.1 μmol/L，PO43-的检测限为 0.03 μmol/L，SiO32-的检测限为0.1 μmol/L。Chl-a样品现场采集250 mL水样经玻璃纤维膜（孔径0.7 μm）过滤，滤膜用锡箔纸包裹起来在-80 ℃ 冷冻保存。在实验室用体积分数90%的丙酮在低温（-20 ℃）冰箱中萃取滤膜，取萃取液在唐纳荧光仪 10AU型（Turner, Model 10AU）上进行测定，Chl-a的测定在1周内完成[6]。

2 结果与分析

2.1 温度和盐度含量的空间变化

由图2-a 可见，调查海域海表温度通常具有较高温度，雷州半岛在调查期间水温较高，29 ℃甚至温度更高的暖水几乎覆盖了雷州半岛东西部，这是因为这个季节是南海暖水最强盛的季节[5]。然而在湛江湾口东部存在一个显著的低温中心，最低温度在27 ℃左右。

由图2-b可见，盐度在雷州半岛西部区域明显高于东部区域，在西部区域盐度比较高且分布均匀，而在东部盐度相对较低且在湛江湾口东部存在一个显著的低盐中心，最低盐度在24左右。

图2 2017年雷州半岛海域温度盐度的空间变化Fig.2 Spatial variation of temperature salinity in the Leizhou Peninsula in 2017

2.2 Chl-a的空间分布

图3描述了本航次所测得雷州半岛表层海水Chl-a的分布情况。表层海水中Chl-a的变化范围是0.09 ～ 7.35 μg/L，从空间分布上来看呈现块状分布和近岸高离岸低的分布特征。表层Chl-a浓度的最大值出现在近岸，尤其是湛江湾口东部区域、外罗港附近、龙斗港附近以及铁山港附区域。

图3 2017年雷州半岛海域Chl-a含量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of Chl-a content in the waters of Leizhou Peninsula in 2017

2.3 营养盐和透明度的空间分布

为分析营养盐结构的空间分布特征，本研究将2017年9月30日－10月5日现场数据绘制成如图4。图4为本航次雷州半岛各个采样站位表层水体的营养盐（DIN、PO43-、SiO32-）以及透明度空间分布图。由图4可知，DIN、PO43-和SiO32-的浓度范围分别是 0.27～127.78 μmol/L（最大值出现在湛江湾口附近区域，此图已将其中3个站位的异常高值点移除），0.11～2.47 μmol/L、2.09～60.6 μmol/L（最大值出现在湛江湾口附近区域，此图已将其中3个站位的异常高值点移除），透明度的变化范围是0.9～11.4 m。从空间分布上来看，雷州半岛表层海水DIN，PO43-和SiO32-呈现块状分布，并呈现近岸高离岸低的分布特征。在总体趋势上，DIN、SiO32-均表现为东侧海水略高于西侧海水，而PO43-表现为西侧海水略高于东侧海水。

图4 2017年雷州半岛海域DIN、Phosphate、Silicate和透明度的空间变化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

由图5可以看出，nDIN/nP、nSi/nDIN的变化范围为 1.48～58.29和 0.47～32.54。总体上，nDIN/nP比值东部海域大于西部海域且大于Redfield比值，只有在雷州半岛东北部比值略低于Redfield氮磷比值。该调查海域的nSi/nDIN比值在西部海域略大于东部海域，基本上均大于Redfield硅氮比值，且在雷州半岛东北部出现明显的低值区，在西北部出现明显的高值区。

图5 雷州半岛海域 nDIN/nP，nSi/nDIN含量的空间变化

2.5 Chl-a与主要环境因子的关系

海洋中的浮游植物组成 Chl-a，即海洋初级生产力。大量研究表明，海水中藻类生长和无机营养盐具有很高的相关性，且在浮游植物生长的过程中营养盐是主要调控因子[7]。海水中营养盐在海洋浮游植物自身生长繁殖中具有非常重要的作用，因此当缺少生长所需的某一种元素时，这种元素就会成为限制浮游植物生长的限制因素。本研究将表层Chl-a与温度、盐度以及同层营养盐的各组分通过逐步回归建立回归模型，分析发现雷州半岛水域的亚硝酸盐与盐度是影响Chl-a浓度变化的最主要因子。回归模型如下：

式中：ρChl-a为叶绿素 a 的浓度 (μg/L )。ρNO2表示海水中亚硝酸盐的浓度，S为海水的盐度。

有相关研究表明南海北部浮游植物的生长繁殖与亚硝酸盐有更高的相关性[5]，也有研究表明藻类生长与珠江口水域中的活性磷酸盐、硝酸盐则呈负相关关系[7]。因此为探明雷州半岛东西部 Chl-a与营养盐的相关性，将雷州半岛西部和东北部表层Chl-a与温度、盐度以及同层营养盐的各组分进行相关分析。由表1可知，雷州半岛西部海域的Chl-a与亚硝酸盐呈现明显线性关系，这与陈绍勇等[8]研究结果一致。另外 Chl-a与硝酸盐、磷酸盐、DIN也呈现显著性相关，说明本研究海域西部浮游植物的生长与亚硝酸盐、硝酸盐 、磷酸盐、DIN有比其他因子更为密切的关系。然而雷州半岛东北部营养盐以及营养盐比值均与 Chl-a没有很好的相关性。这很可能是因为在东北部浮游植物数量较多，且在采样期间该区域浮游植物的数量恰好增长到最大值，此时对营养盐的消耗更大，会导致此时现场营养盐浓度极低，故Chl-a与现场营养盐浓度没有呈现出很好的相关性。

表1 雷州半岛东西部chl-a与环境因子相关性系数Table 1 Correlation coefficient between chl-a and environmental factors in the east and west parts of Leizhou Peninsula

3 讨论

3.1 温度、盐度对浮游植物Chl-a的影响

本研究结果，雷州半岛东部海域温度和盐度均小于西部海域，这可能是因为雷州半岛西部水体受北部湾影响较大，而在秋季，北部湾沿岸河流径流量普遍减小，海面蒸发量逐渐增大，因此导致西部盐度也普遍增高[9]。而雷州半岛东北部则可能受近岸河流冲淡水的作用较大，这也可能同粤西近岸尤其是靠近湛江湾一带存在尺度为100 km的气旋涡有关[6]，气旋涡可以将下层冷水带到表层水体，再加上冲淡水的稀释作用可能导致该区域温度和盐度较低。同时气旋涡和冲淡水也带来了丰富的营养盐，因此这可能是导致该海域Chl-a高值的原因之一。由回归模型可知，盐度是影响Chl-a浓度的重要因子。这可能是因为海区海水盐度的变化主要体现了陆源淡水输入的影响，主要反映的是近岸与外海生态环境差异尤其是营养盐来源对浮游植物的影响[10]，因此盐度较高的西部海域营养盐及 Chl-a浓度相对较低。

3.2 Chl-a与营养盐的空间分布特征

由图3和图4(a，b，c)可知，雷州半岛东部Chl-a和海域营养盐（DIN、SiO32-）含量大于西部海域，尤其以东北部海域最明显，且呈现近岸高离岸低的分布趋势。这可能是与经济发达的东北部相比，雷州半岛西北部和广西南部沿海地区属于经济欠发达地区，由人类产生的污染（营养盐）影响较小[1]，因此浮游植物丰度低，进而Chl-a含量也较低。由图4-d可以看出，在雷州半岛东北部水深较浅，透明度较低。这可能是因为在雷州半岛东北部，由港口、鉴江(上游茂名市工农业生产和生活污水)、塘尾分洪河和南三河带来的工农业生产、生活污水以及大面积的水产养殖给该海域带来丰富的营养物质。且有研究表明，湛江湾地区氮素输入主要以化肥氮（49.00%）、排泄氮（31.04%）和大气沉降氮（12.92%）为主[11]。而在采样期间降雨较多，故可能会携带大量的氮素到海水中，可能也会为浮游植物的生长繁殖提供营养物质，从而形成浮游植物的高值区[6]。

值得一提的是外罗港以及附近S19号站位营养盐含量并不高，但其Chl-a含量较高（图3、4）。这与龚玉艳等[1]所提到的在该区域 Chl-a 含量低、营养盐含量低结果不一致。这可能因为虽然在该区域大面积网箱养殖带来了丰富营养物质，但由于雷州半岛东南部受到多种海流、潮流等的综合作用，加上该区域不规则半日潮的特征，使得该海岸带水体与南海水交换更加频繁[12]，因此浮游植物增殖消耗大量营养盐后，营养盐没有得到及时补充，使得海岸带水体形成高Chl-a低营养盐的分布特征。

流沙湾位于雷州半岛西南部，东经 109.78°～110.01°，北纬 20.35°～20.52°，在图1 中 S37、S38、S39站位为流沙湾区域。该区域是半封闭型的一个口小腹大呈葫芦形的港湾，流沙湾水产养殖种类主要是珍珠贝、扇贝和鱼类养殖等，是中国“南珠”的主要养殖区[13]。由图3、4可知在调查流沙湾海区内，营养盐和Chl-a含量都偏低，且在湾内湾外无明显差异，这与前人研究结果一致[14]。 这可能是因为：（1）在流沙湾没有工业区和大的生活区，因此人类对环境的干扰较小，这使得营养盐的输入较低，因此低外部输入也可能是流沙湾低营养盐的原因[15]；（2）据报道[15]，过滤贝类通过养分沉积将养分从水体输送到海底沉积物，减少了水体的养分负荷，阻碍了物质循环，因此使得营养盐含量得不到及时补充；（3）流沙湾内外有丰富的大型海藻和海藻资源，其生长需要消耗大量的养分，它可以抑制浮游植物对营养盐的吸收，从而降低水中Chl-a的含量[13]；（4）相关研究表明[14]，流沙湾水体交换较强，因此水体可以带走大量的有机质和无机盐[2]，另外浮游植物的光合作用也会受到强烈的湍流影响[16]。与流沙湾不同，图1中龙斗港（ S43，S44，S45站）Chl-a含量相对较高，但DIN含量相对较低。这可能是由于该区域水体交换较弱，消耗的营养盐得不到及时补充。因此，该区域表现为Chl-a含量高、营养盐含量相对低的特征。而在雷州半岛西部铁山港附近（S56，S57站）Chl-a含量比较高、DIN含量较低的原因可能是这2个站位离铁山港比较近。而铁山港是珍珠贝类等重要海产品的养殖场所，同时也分布着红树林、海草床等重要生态系统，因此可能导致该区域Chl-a浓度高[17]。但由于雷州半岛西北部紧挨着北部湾，其海流环境复杂，且根据盐度分布（图2-b）表明，雷州半岛西部主要受寡营养盐的外海水控制，导致该区域大部分海域低营养盐浓度高叶绿素浓度的分布特征。

3.3 研究区域氮磷硅对浮游植物的限制影响

海洋中DIN、PO43-和SiO32-是浮游植物生长必不可少的的营养成分，也是最常见的限制性营养元素[18]。 然而，沿海水域的比例变化很大，往往过高或过低，这与生化、水动力因素和不同海湾对大陆径流的影响程度有关[19]。由Redfield等[20]提出各种营养盐的原子比为nDIN∶nSi∶nP=16∶16∶1。通常认为nN/nP是判断营养盐结构的重要指标[21]，并将他们的比值作为判断氮磷限制的重要依据。nN/nP＞22 为磷限制，nN/nP＜10 为氮限制，nSi/nDIN＞1为氮限制，nSi/nDIN＜1为硅限制[22-23]。由实验数据可得在雷州半岛东部nDIN/nP范围为 4.74～58.29 μmol/L ,nSi/nDIN范围为 0.47～3.52 μmol/L。西部nDIN/nP范围为 1.47～17.00 μmol/L，nSi/nDIN范围为2.37～32.54 μmol/L。由此可知在雷州半岛东部海域相对于氮表现为磷限制，在雷州半岛西部相对于磷表现为氮限制。在雷州半岛大多数海域相对于硅表现为氮限制，而只有在雷州半岛东北部海域相对于氮表现为硅限制。这可能是因为雷州半岛东部DIN含量变化范围为4.74～58.29 μmol/L，东北部含量变化范围为29.95～54.46 μmol/L, 西部DIN含量变化范围为1.48～17.00 μmol/L。在雷州半岛东部Si含量变化范围为6.02～60.6 μmol/L，东北部Si含量变化范围为6.02～60.6 μmol/L，西部Si含量变化范围为2.09～14.9 μmol/L。由此可知在东北部DIN含量明显高于其他区域，而在东北部Si含量相比较其他区域并没有明显的高值，故而在东北部会存在Si/DIN＜1的情况。也可能是因为东北部浮游植物丰度很高，且硅藻的生理特征相比较甲藻有很大的优越性，在东北部硅藻为该区域浮游植物的优势种，即暗示了硅在浮游植物群落扮演重要角色[24]，因此在该区域浮游植物的生长将会消耗大量硅酸盐，而硅酸盐的生物地球化学过程也通过生物吸收和死亡不断把Si逐渐转移到海底，进而Si处在不断消耗的过程中，这可能成为该区域相对于氮表现为硅限制的原因。总的来说，在调查海域东部表现为磷限制，西部表现为氮限制。

4 结论

对营养盐和Chl-a结构的空间分布特征分析表明，秋季调查海域营养盐和Chl-a结构变化主要是受海域水文情况（河流径流、潮汐类型）和人类活动的影响。在调查海域东部由于受到河流径流和不规则半日潮的影响，营养盐、Chl-a浓度以及营养盐比值（PO43-和nSi/nDIN除外）都比较高，而西部海域由于河流径流量小、人类活动较少以及受到规则的全日潮的影响，没有得到过多营养盐的补充，因此在调查海域西部营养盐、Chl-a浓度以及营养盐比值含量较低且分布较均匀。逐步回归分析表明，亚硝酸盐和盐度是影响Chl-a浓度的重要因子。相关性分析表明，在雷州半岛东北部Chl-a与环境因子均没有显著相关性，这可能是由于采样时期恰好处于浮游植物丰度的最大值。而在雷州半岛西部Chl-a与DIN呈极显著负相关(P＜0.01)。与TP，NO3-和NO2-呈显著负相关关系（P＜0.05）。通过对浮游植物生长的限制因素分析得出，在雷州半岛东部主要为磷限制，雷州半岛西部主要为氮限制。该结果为雷州半岛生态系统的进一步恢复及健康发展提供参考。