渤海中部冬夏季叶绿素a和营养盐结构影响因素对比分析

王丽莎，魏西会，张海波，李春川，唐洪杰

（1.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛 266100；2.青岛市生态环境局城阳分局，山东青岛 266109；3.国家海洋环境监测中心，辽宁大连 116023；4.中国海洋大学海洋高等研究院，山东青岛 266100）

海洋中叶绿素a（Chl a）是浮游植物体内的主要光合作用色素，其含量可指示海域内浮游植物的生物量和固碳能力，是海洋生态系统中食物网和能量流动的基础，对海洋渔业资源状况和全球气候变化起着重要作用［1］。营养盐作为浮游植物繁殖生长所必须的基础物质，其含量和组成比例等影响浮游植物的生长繁殖及群落结构稳定［2］。当水体营养盐过剩时，可能会引发赤潮、绿潮等生态灾害［3］，进而影响海洋渔业资源［4］。近岸海域承载着密集的人口和经济快速发展带来的生态压力，其生态系统稳定性与城市环境变化相互影响［5］。受人类活动和陆源输入的影响，近岸海域浮游植物群落结构易发生转变［6－8］，因此关注近海营养盐状况以及浮游植物变化对了解海域生态系统稳定具有重要意义。

渤海是我国的封闭性浅水内海，平均水深约18 m，主要由辽东湾、渤海湾、莱州湾和中央海区4个海区组成，是北方重要的渔业资源产卵场、索饵场和栖息地，具有较高的生态价值。渤海东部通过渤海海峡“北进南出”与北黄海进行水体交换，但其水流小，水交换缓慢。环渤海40余条入海径流每年裹挟大量的营养物质进入渤海，近年来受环渤海经济快速发展以及流域内建坝截流等活动的影响，入海径流量减少，硅输入减少［9］。海域内营养盐组成结构发生明显变化（N／P比值升高，Si／N比值下降），近岸富营养化严重，赤潮频发［10－11］，浮游植物群落由硅藻占绝对优势向非硅藻群落演替［12－13］。本文对比冬、夏季节叶绿素a和营养盐组成的时空特征，以期为了解渤海营养盐含量及组成变化对生态环境的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 调查区域

分别于2016年1月（冬季）和6月（夏季）对渤海海域进行调查，受寒潮结冰影响［14］，两次调查范围略有不同，因此选择相同的海域范围（图1多边形内）比较冬、夏季节间差异。现场使用CTD-Niskin联用（SeaBird 911plus CTD与12 L Niskin采水器联用，美国）采集表层、10 m层（中层）和底层水样，并测定温度、盐度等参数。

图1 渤海研究区域冬季和夏季站位分布Fig.1 Sampling stations in winter and summer in the Bohai Sea

1.2 样品采集与分析

水样经GF／F（Whatman，450℃灼烧4 h）滤膜过滤，滤膜和滤液冷冻（－20℃）保存，分别用于测定叶绿素a和营养盐。滤膜用90%丙酮萃取，分光光度法（岛津UV-2550，日本）测定吸光值并计算叶绿素a的含量［15］。水样使用营养盐分析仪（SEAL-AA3，德国）按照海洋调查规范方法（GB／T 12763.4-2007）测定各营养盐组分，其中NO－2-N采用重氮-偶氮法，NO－3-N采用铜-镉还原法，NH4＋-N采用水杨酸钠法，PO34－-P使用磷钼蓝法，SiO23－-Si以硅钼蓝法测定。NO3－-N、NO2－-N、NH4＋-N、PO3－4-P和SiO2－3-Si检出限分别为0.05、0.02、0.04、0.02和0.03μmol·L－1。溶解无机氮（DIN）为NO－3-N、NO－2-N和NH4＋-N 3组分加和。海水中总悬浮颗粒物（total suspended particulate，TSP）使用0.45μm孔径醋酸纤维滤膜过滤，重量法测定［16］。

1.3 浮游植物生长的营养盐限制评价方法

浮游植物按照一定比例吸收利用营养盐［17］，其含量和组成比例变化会对浮游植物生长及群落结构产生影响。本文采用水体中氮、磷、硅营养盐的含量及其摩尔比值判断营养盐对浮游植物生长的限制状况。首先根据浮游植物对营养盐需求的阈值［18－19］和营养盐组成比例［20－21］作为标准，评价营养盐的限制状况（表1）。

表1 营养盐限制评价标准Tab.1 Standards of evaluating nutrient limitation

2 结果与讨论

2.1 营养盐时空分布特征

冬季海水温度低（表2，T＜8℃），光照强度弱，浮游植物对营养盐的吸收利用较少。营养盐分布主要受扰动再悬浮、矿化释放以及北黄海洋流输入的影响［22］。DIN含量为2.07～19.51 μmol·L－1，平 均 值 为（10.51±4.52）μmol·L－1，由图2-A～C可以看出，DIN分布呈现由黄河口向中部海区逐渐递减的趋势。各水层DIN含量不同，受再悬浮影响，底层含量最高，其次为表层，中层含量最低。DIN组分特征表现为以NO－3-N为主（91%），其次为NH4＋-N，各站点DIN含量均高于阈值，不存在N限制状况。调查海 域PO3－4-P平 均 值 为（0.28±0.14）μmol·L－1，其分布受颗粒物吸附沉降，北黄海输入等因素［23］影响，呈现近岸低、中部和渤海海峡处高的分布特征（图2-D～F）。PO3－4-P垂向分布同DIN相似，底层含量最高。研究海区SiO2－3-Si平均浓度为（10.63±2.09）μmol·L－1，受黄河输入影响SiO2－3-Si分布从河口向中部海区逐渐递减（图2-G～I）。黄河口和莱州湾外近岸和中部为高N／P和Si／P比值区域，比值大于P潜在限制标准22，呈现明显的P潜在限制。

图2 冬季调查海域各水层营养盐含量及限制状况分布Fig.2 Horizontal distribution of nutrient concentrations and limitations in winter in the study area

表2 调查海域冬夏季不同水层叶绿素a及环境参数特征Tab.2 Chlorophyll-a，nutrients and hydrological parameters in the same study area of the central Bohai Sea

夏季温度（表2，T＞20℃）和光照适宜浮游植物生长，水体中浮游植物含量多且具有较强的新陈代谢活动，其吸收利用较多的营养盐。受陆源输入影响［24］，DIN在黄河口以及莱州湾外呈现明显的高值区（图3-A～C），最高值达15.96 μmol·L－1（图4-D），在北部和渤海海峡处呈现低值，其主要组分为NH4＋-N（48%）和NO－3-N（45%）。受生物吸收利用影响，表层DIN含量最低，平均值为（3.90±4.59）μmol·L－1，且东部海域部分站位含量低于阈值图（4-D，图3-A），该海域浮游植物的生长受氮元素限制。PO3－4-P受“磷负荷削减”影响，陆源输入减少，同时受黄河口外近岸区域高生物量的浮游植物对磷吸收转化、悬浮颗粒物的吸附作用以及北黄海冷流［25］输入影响，调查区域PO34－-P浓度呈由黄河口及近岸海域向渤海中部和渤海海峡逐渐升高的趋势（图3-D～F）。PO34－-P垂向分布从表层向底层逐渐增加，在近岸和中部海域较多站位含量低于阈值（0.03μmol·L－1）（图3-D～F），呈现明显的磷限制。SiO23－-Si平均含量为（3.81±1.72）μmol·L－1，在黄河口外呈现高值（图3-G～I），受生物吸收利用影响，SiO23－-Si在莱州湾湾口和海峡处部分站位含量低于阈值（图4-F，图3-G～I），不利于渤海优势藻种硅藻［6］的生长。

图3 夏季调查海域各水层营养盐含量及限制状况分布Fig.3 Horizontal distribution of nutrient concentrations and limitations in summer in the study area

对比冬、夏季营养盐结构发现（表2，图4），夏季浮游植物具有较强的光合作用，且对营养盐的吸收转化率高，营养盐各组分含量较冬季均明显降低。夏季DIN浓度平均值为（4.72±4.2）μmol·L－1，较冬季降低55.0%；PO34－-P平均浓度为（0.04±0.04）μmol·L－1，较冬季降低85.7%；SiO23－-Si平均含量为（3.81±1.72）μmol·L－1，较冬季下降64.2%。冬、夏两季DIN主要组分不同，冬季DIN主要组分为NO3－-N，而夏季为NH4＋-N和NO3－-N。此外，冬、夏季营养盐对浮游植物生长影响不同，冬季营养盐对浮游植物生长不存在N限制，但在黄河口和莱州湾外近海存在明显的P潜在限制；而夏季部分站位存在N限制（东部海域表层水体）以及明显的P限制（渤海海峡以东海域）。

图4 调查海域冬夏季各水层营养盐含量及结构变化特征Fig.4 Spatial and seasonal variations of nutrients and nutrient structure in the study area

2.2 冬夏季叶绿素分布特征及影响因素分析

冬季受温度（T＜8℃）、光照等因素影响，浮游植物生长繁殖受到抑制，Chl a含量为0.54～1.37 mg·m－3，平均（0.99±0.25）mg·m－3，高值区在黄河口外海域（图5-A～C），受混合影响垂向差异较小（表2）。夏季水温（T＞20℃）及光照条件适宜，浮游植物快速繁殖生长，Chl a含量为（4.58±5.51）mg·m－3（表2），是冬季Chl a含量的4.6倍，变化明显（P＜0.01），其高值区与黄河口和莱州湾外高DIN和SiO2－3-Si含量区域基本一致（图5-D，图3-A，G），高值区Chl a含量高于10 mg·m－3，存在发生赤潮的风险［26］。

图5 冬夏季调查海域各水层叶绿素a分布特征（mg·m－3）Fig.5 Horizontal and seasonal distribution characteristics of Chl a in the study area

2.3 渤海海域营养盐以及浮游植物群落变化趋势研究

对比渤海中部2016年冬、夏季叶绿素含量和营养盐结构发现（表2）：冬季浮游植物生长受限［7，27］，Chl a平均含量较低，营养盐消耗较少且受有机物矿化分解影响，水体营养盐含量较高（表2）。N／P和Si／P平均值分别为69.30±86.80和64.50±68.80，呈现明显的P潜在限制，而氮、硅含量较高，不存在限制的状况。夏季浮游植物生长旺盛，消耗大量营养盐，叶绿素Chl a平均含量较高，各营养盐含量较冬季均明显降低。受浮游植物“过度消费”吸收储存影响，表层PO3－4-P平均含量仅（0.03±0.03）μmol·L－1，N／P和Si／P平均值分别达到274.19±328.06和202.18±182.07，P限制明显。在海峡口表层和莱州湾外部分站位DIN和Si含量低于阈值，限制浮游植物尤其是硅藻的生长繁殖。

对比长时间尺度下渤海各海区营养盐浓度及组成、叶绿素水平以及浮游植物群落结构（表2～表5）发现，受人类活动影响，氮、磷、硅输入量差异较大［30］，各海区中辽东湾和莱州湾营养盐来源丰富，含量较高，其次为渤海湾和渤海中部海域［28－40］。近几十年来建坝截流等人类活动使得渤海中部海域硅、磷输入量相对减少，营养盐比例失衡（偏离Redfield比值），虽然水体中Chl a含量没有明显的变化，但群落结构由硅藻占绝对优势向硅藻-甲藻共存的趋势发展，这种变化趋势也是对近岸氮元素超标引起甲藻赤潮发展特征的一个佐证［41－48］。比较发现，春、夏季生产力水平高，各营养盐被快速吸收、储存、利用，尤其是对磷的“奢侈吸收”，致使N／P和Si／P比值明显高于秋、冬季节。秋、冬季节细胞丰度减少，浮游植物对营养盐吸收利用减少，同时受有机物矿化分解以及沉积物扰动释放的影响，各营养盐含量较春、夏季明显升高，营养盐组成结构更趋近于Redfield比值。

表3 渤海内不同海域营养盐状况比较Tab.3 Comparison of nutrient structure in different areas of the Bohai Sea

表4 不同时间渤海中部浮游植物群落结构比较Tab.4 Comparison of phytoplankton community structure in the central Bohai Sea in different time

表5 不同时间渤海中部叶绿素a影响因素比较Tab.5 Comparison of chlorophyll-a and main influence factor in the central Bohai Sea in different time

3 小结

冬季营养盐含量高，DIN以NO－3-N为主。N／P和Si／P值较高，呈现明显的P潜在限制。浮游植物主要受低温限制，Chl a平均含量为（0.99±0.25）mg·m－3。

夏季Chl a平均含量为（4.58±5.51）mg·m－3，明显高于冬季，且高值区集中在黄河口及莱州湾外高DIN和SiO2－3-Si海域。受吸收利用影响，各营养盐含量较冬季明显降低，且在中西部海域呈现明显的P限制。