北黃海－渤海表層沉積物中浮游植物生物標志物的分布特征及指示意義＊

王星辰，邢 磊＊＊，張海龍，李 莉

（中國海洋大學1.海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室2.海洋有機地球化學研究所，山東 青島266100）

近幾十年來由于工業、農業和生活污水的注入，渤海環境和營養鹽水平發生了很大變化。在1960—1996年期間，渤海總無機氮濃度和N∶P升高，而活性磷酸鹽濃度、硅酸鹽濃度和Si∶N降低[1]。浮游植物群落中甲藻數量增加，成為渤海海域的優勢藻種[2]。在北黃海由于Si、P營養鹽限制，導致甲藻成為了該海域的優勢藻種[3]。與此同時，在1960—1997年期間，渤海海水表層溫度以0.01℃·a－1的速度上升[4]。1982—2006年期間，黃海海水表層溫度上升了0.67℃[5]。因此，北黃海和渤海的水文及化學環境正在發生急劇變化，而這種變化對浮游植物生產力和群落結構造成了影響。

前人對渤海和北黃海生態系統的變化進行了初步研究。結果表明，在1959—1998年期間，渤海初級生產力水平呈現下降趨勢[6]。1992—1993年與1982—1983年相比，渤海的硅藻和甲藻生物量都降低了，但硅藻生物量降低的幅度明顯高于甲藻[1]。對北黃海36°N斷面的調查結果顯示，在1983—1986年期間，黃海的優勢藻種是硅藻，在1996—1998年期間，黃海的優勢藻種變成了甲藻[3]。以上研究為了解渤海和北黃海生態結構的變化提供了基礎數據，但這些數據的時間尺度短，且調查區域有限，不足以揭示渤海和北黃海生態結構的變化規律。由于觀測資料時空尺度的限制，生態系統變化記錄重建成為研究生態環境變化的必需手段。已有研究者利用多種指標重建了渤海－北黃海的古生產力，包括有機碳通量[7]、底棲有孔蟲屬種及組合分布[8]等。但這些指標都存在著一定的缺陷，例如總有機碳含量（Total organic carbon，TOC）包括陸源和海源有機質，用其重建海洋古生產力信號可能存在偏差，在陸源物質輸入高的邊緣海的應用尤其受到限制。因此要獲得生態系統重建的準確結果，應該采用多種不同的指標來進行研究。

生物標志物方法作為一種較新的研究手段，其含量與比值的變化被廣泛用于總生產力或者某一種浮游植物生產力與群落結構變化的重建。已有研究者利用這一方法在我國東海[9－10]和南海[11]重建了浮游植物生產力變化。色素生物標志物記錄顯示近幾十年來長江入海口呈富營養化趨勢[9]。類脂類生物標志物的記錄揭示南海北部冰期時生產力高于間冰期[11]。對東海和南黃海表層浮游植物生物標志物的研究發現，硅藻、甲藻和顆石藻生物標志物可以指示海洋浮游植物生產量，是海源有機質的良好指標[12－13]。本文通過測定北黃海－渤海表層沉積物中幾種主要浮游植物生物標志物，得到浮游植物生物標志物含量分布特征及含量比值變化，并與現代海洋調查結果對比，為使用生物標志物來重建北黃海－渤海過去浮游植物生態結構提供基礎驗證數據。目前研究表明菜子甾醇主要來源于硅藻[14]，甲藻甾醇主要來源于甲藻[15]，并認為只有顆石藻屬能夠產生直鏈烯酮。本文選用的生物標志物包括：以菜子甾醇（B）指示硅藻；甲藻甾醇（D）指示甲藻；長鏈烯酮（A）指示顆石藻。

1 調查海區及分析方法

1.1 調查海域

渤海是一個半封閉的陸架淺海，總面積77 000km2，是中國4個邊緣海中坡度最小的海區，平均水深約18m[16]。黃河是流入渤海河流中的最大的河流，輸水量為420×108m3·a－1，輸沙量為10×108t·a－1[17]。北黃海是被遼東半島東岸至朝鮮半島西北海岸所環抱的海灣。沿岸島嶼較多，海底起伏不平，并由北向南（向北黃海中部）緩傾斜，水深在50m以內[18]。北黃海流系主要包括黃海暖流余脈和沿岸流系，基本流向終年比較穩定，流速皆有夏弱冬強的變化。黃海暖流及其余脈北上，而黃海沿岸流南下，形成氣旋式的流動[19]。北黃海水團主要是沿岸水團和黃海中央水團，沿岸水團特征是鹽度終年較低、海水混濁、溫度鹽度的季節變化大；黃海中央水團由進入大陸架淺海的外海水與沿岸水混合后形成的混合水團，夏半年會明顯地分為上下兩層，上層為高溫、低鹽水；下層為低溫、高鹽水，稱為黃海冷水團，兩者之間出現明顯的躍層。北黃海冷水團中心位置較穩定，約位于北黃海中部偏西，水深大于50m范圍內[20]。通過2011年6月國家基金委開放航次，在東方紅2號調查船上用箱式采樣器采得沉積物樣品，其中0～3cm為表層沉積物樣品。渤海中部泥質區和北黃海中部泥質區的沉積速率較小，沉積速率在0.1～0.4cm/a之間，靠近黃河口的站位沉積速率最高，在1cm/a左右[21]。因此，表層沉積物樣品時間尺度大概在3～30a之間。

1.2 分析方法

TOC的測定過程是將冷凍干燥后的沉積物樣品研磨后裝入玻璃瓶，向樣品中逐滴添加4mol·L－1的HCl，至最后一次加入HCl無氣泡冒出，靜置小許后，震蕩、超聲、離心、去除上清液，加入超純水，震蕩、離心，去除上清液，重復數次直到用pH試紙檢測上清液呈中性。將樣品放入烘箱中，55℃烘干，烘干后放入干燥器中平衡24h后研磨使其均質化。稱取適量樣品，用CHN元素分析儀（Thermo Flash 2000）測定其TOC和TN的含量，其比值為C/N。TOC和TN的測定標準偏差分別為±0.02%（n＝6）和±0.002%（n＝6）。

生物標志物的測定分為樣品預處理和上機分析2個過程。將表層沉積物樣品經冷凍干燥后進行研磨，準確稱取5g左右，裝入50mL teflon樣品瓶中，加入40μL 由 19－醇、24－氘烷組成的內標和50μL C46－GDGTs內標，用二氯甲烷－甲醇（3：1）混合溶劑超聲萃取4次，提取液經6%的氫氧化鉀－甲醇（質量比）溶液堿水解，室溫放置過夜；然后用正己烷萃取4次得總有機質，過硅膠柱分離，正己烷洗脫得到烷烴組分，5%的甲醇－二氯甲烷混合溶劑洗脫得到正構醇、甾醇和烯酮組分。含有浮游植物生物標志物的中性組分經氮吹富集、衍生化處理后上機分析。對處理好的樣品用氣相色譜（Agilent 6890N）定量分析。所用色譜柱為 HP－1（50m），GC的初始爐溫設為80℃，其程序升溫過程為：以25℃·min－1升至200℃，4℃·min－1升至250℃，1.8℃·min－1升至300℃，5℃·min－1升至310℃并保持5min。氫氣為載氣，流速1.3mL·min–1。生物標志物的含量，由其峰面積與內標峰面積對比計算得到。

2 結果與討論

2.1 生物標志物含量分布

北黃海－渤海表層沉積物中TOC的分布如圖2A所示。樣品中TOC的變化范圍在0.04%～1.34%之間，在北黃海中部與黃海中部泥質區北部存在高值區。將實驗結果與北黃海－渤海地區的表層沉積物的粒度[22－23]比較，發現TOC含量分布與粒度分布存在著密切的相關關系。在渤海中部、北黃海中部和黃海中部泥質區北部表層沉積物粒度小的區域TOC含量高；在渤海東部和北黃海東北部表層沉積物粒度相對較大的區域TOC含量低。北黃海－渤海表層沉積物中的TOC與表層沉積物的粒度相關，說明了水動力影響北黃海－渤海表層沉積物中的沉積有機質分布，這與前人在渤海區域做的TOC分布結果相符[24]。

菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮的含量分布如圖2B、C、D所示，菜子甾醇的含量變化范圍為48～1 658 ng/g，甲藻甾醇的含量變化范圍為45～2 647ng/g，長鏈烯酮的含量變化范圍為0～1 360ng/g。從這3種生物標志物的分布圖上可以看出，表層沉積物中浮游植物生物標志物的含量分布與TOC含量分布有大致相同的趨勢。在渤海中部泥質區、北黃海中部泥質區和黃海中部泥質區北部區域，這3種生物標志物的含量明顯高于渤海東部和北黃海東北部砂質區。這一結果表明粒度效應對該海域沉積物中浮游植物生物標志物的含量分布的影響。

圖2 北黃海－渤海表層沉積物中總有機碳和浮游植物生物標志物含量分布Fig.2 Distribution of TOC and Phytoplankton biomarkers content in surface sediments ofthe North Yellow Sea and the Bohai Sea

為了消除沉積物粒度和沉積速率對菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮這3種生物標志物含量分布的影響，將3種生物標志物分別與TOC做比值（見圖3）。菜子甾醇/TOC的含量變化范圍為586～5 606ng·g－1，甲藻甾醇/TOC的含量變化范圍為186～4 178ng·g－1，長鏈烯酮/TOC的含量變化范圍為0～1 087ng·g－1。圖3顯示菜子甾醇/TOC、甲藻甾醇/TOC、長鏈烯酮/TOC的分布與菜子甾醇、甲藻甾醇、長鏈烯酮的含量分布有明顯的差異。將菜子甾醇/TOC的分布與現代北黃海浮游硅藻豐度的研究結果[25]進行了比較，發現菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度有著大致相同的分布趨勢。在遼東半島南岸海域，菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度都存在高值區；而在北黃海其他海域，菜子甾醇/TOC與浮游硅藻豐度值都相對較低。將甲藻甾醇/TOC的分布與現代北黃海浮游甲藻豐度的研究結果[25]進行了比較，發現甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度有著大致相同的分布趨勢。在北黃海北部，甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度都存在高值區；在北黃海其他海域，甲藻甾醇/TOC與浮游甲藻豐度值都相對較低。這一結果表明，研究海域表層沉積物中的菜子甾醇和甲藻甾醇這兩種生物標志物的相對含量基本可以用來指示上層水體中浮游硅藻和甲藻這兩種藻類的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影響不能直接用來指示硅藻和甲藻的分布。

圖3 北黃海－渤海表層沉積物中浮游植物生物標志物含量與TOC比值分布Fig.3 Distribution of TOC－based proxies in surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

2.2 浮游植物生物標志物比值的變化

圖4A、B、C分別是菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮在北黃海－渤海的相對比例變化分布圖。這3種生物標志物的相對比例可分別指示硅藻、甲藻和顆石藻在北黃海－渤海的相對貢獻變化。從圖4A可以看出，在整個研究海域內硅藻在渤海的相對貢獻明顯高于北黃海，在渤海海域內硅藻在黃河口及山東半島沿岸區域的相對貢獻明顯高于渤海中部海域。以往的研究表明，由于河流的輸入，渤海沿岸海域的硅酸鹽濃度比渤海中部海域的高[26－27]。研究也表明渤海硅酸鹽濃度高于北黃海[27]。高濃度硅有利于硅藻的生長[28]，所以在山東半島沿岸附近及黃河口附近硅藻的相對貢獻明顯高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相對貢獻明顯高于北黃海。從圖4B可以看出，甲藻的相對貢獻分布與硅藻的相對貢獻分布正好相反，在北黃海甲藻的相對貢獻明顯高于渤海，在渤海中部海域甲藻的相對貢獻明顯高于山東半島沿岸附近及黃河口附近。這與同一海域內甲藻與硅藻對營養鹽的競爭有關，在硅藻相對貢獻較高的渤海區域甲藻相對貢獻較低，而在硅藻相對貢獻較低的北黃海區域甲藻相對貢獻較高。高的顆石藻相對貢獻出現在北黃海中部，與黃海暖流入侵路徑對應。前人對南黃海表沉積物中鈣質超微化石的研究表明，顆石藻的分布與黃海暖流有密切的關系，黃海暖流流經區域，顆石藻豐度高[29]。研究表明北黃海的顆石藻的優勢藻種為赫氏艾密里藻和大洋橋石藻[30]，這2種顆石藻為大洋種。黃海暖流由黃海東南部進入黃海，沿著黃海槽北上，繞過山東半島進入北黃海，然后轉向西從渤海海峽的北側進入渤海[31]。起源于外陸架的黃海暖流對北黃海－渤海海域的入侵將帶來溫暖高鹽的大洋海水及高豐度的顆石藻。因此，在北黃海－渤海海域高的顆石藻相對比例與黃海暖流入侵路徑相對應。

圖4 北黃海－渤海表層沉積物中各浮游植物生物標志物含量與總含量比值分布Fig.4 Distribution of biomarkers－based proxiesin surface sediments of the North Yellow Sea and the Bohai Sea

3 結論

（1）北黃海－渤海表層沉積物的TOC及菜子甾醇、甲藻甾醇和長鏈烯酮含量與表層沉積物的粒度有密切的相關關系，在表層沉積物粒度小的區域，TOC和生物標志物含量高；在表層沉積物粒度大的區域，TOC和生物標志物含量低，顯示水動力環境對北黃海－渤海表層沉積物中的有機質分布有著控制性的影響。

（2）北黃海表層沉積物中菜子甾醇和甲藻甾醇對TOC相對含量分布與北黃海現代海洋浮游硅藻和甲藻的豐度調查結果相似，相對含量高值主要出現在高生產力區，這表明研究海域表層沉積物中的菜子甾醇和甲藻甾醇這2種生物標志物的相對含量基本可以用來指示上層水體中硅藻和甲藻這2種藻類的分布，而菜子甾醇和甲藻甾醇的含量因受粒度的影響而不能直接用來指示硅藻和甲藻的分布。

（3）生物標志物比值結果顯示山東半島沿岸附近及黃河口附近硅藻的相對貢獻明顯高于渤海中部海域，在渤海海域硅藻的相對貢獻明顯高于北黃海，與水體中硅酸鹽的濃度分布相關。甲藻與硅藻有明顯的競爭關系，硅藻相對貢獻高的區域，甲藻相對貢獻低。黃海暖流對北黃海－渤海海域的入侵帶來溫暖高鹽的外海海水，并控制著顆石藻在北黃海和渤海的分布，高的顆石藻相對貢獻與黃海暖流入侵路徑相對應。

[1]Ning X，Lin C，Su J，et al.Long－term environmental changes and the responses of the ecosystems in the Bohai Sea during 1960—1996[J].Deep Sea Research Part II：Topical Studies in Oceanography，2010，57（11）：1079－1091.

[2]Wei H，Sun J，Moll A，et al.Phytoplankton dynamics in the Bohai Sea—observations and modelling [J].Journal of Marine Systems，2004，44（3）：233－251.

[3]Lin C，Ning X，Su J，et al.Environmental changes and the responses of the ecosystems of the Yellow Sea during 1976—2000[J].Journal of Marine Systems，2005，55（3）：223－234.

[4]Lin C，Su J，Xu B，et al.Long－term variations of temperature and salinity of the Bohai Sea and their influence on its ecosystem [J].Progress in Oceanography，2001，49（1）：7－19.

[5]Belkin I M.Rapid warming of large marine ecosystems[J].Progress in Oceanography，2009，81（1）：207－213.

[6]Tang Q，Jin X，Wang J，et al.Decadal－scale variations of ecosystem productivity and control mechanisms in the Bohai Sea [J].Fisheries Oceanography，2003，12（4－5）：223－233.

[7]Hu L，Guo Z，Shi X，et al.Temporal trends of aliphatic and polyaromatic hydrocarbons in the Bohai Sea，China：Evidence from the sedimentary record[J].Organic Geochemistry，2011，42（10）：1181－1193.

[8]李建芬，商志文，王宏，等.渤海灣西部現代有孔蟲群垂直分帶的特征及其對全新世海面，地質環境變化的指示[J].地質通報，2010，29（005）：650－659.

[9]Zhao J，Bianchi T S，Li X，et al.Historical eutrophication in the Changjiang and Mississippi delta－front estuaries：Stable sedimentary chloropigments as biomarkers[J].Continental Shelf Research，2012，47：133－144.

[10]Xing L，Zhao M X，Zhang H L，et al.Biomarker reconstruction of phytoplankton productivity and community structure changes in the middle Okinawa Trough during the last 15ka[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（16）：2552－2559.

[11]He J，Zhao M X，Li L，et al.Biomarker evidence of relatively stable community structure in the northern South China Sea during the last glacial and Holocene[J].Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2008，19（4）：377－387.

[12]Xing L，Zhang H，Yuan Z，et al.Terrestrial and marine biomarker estimates of organic matter sources and distributions in surface sediments from the East China Sea shelf[J].Continental Shelf Research，2011，31（10）：1106－1115.

[13]Xing L，Tao S，Zhang H，et al.Distributions and origins of lipid biomarkers in surface sediments from the southern Yellow Sea[J].Applied Geochemistry，2011，26（8）：1584－1593.

[14]Barrett S M，Volkman J K，Dunstan G A，et al.Sterols of 14 species of marine diatoms（Bacillariophyta）[J].Journal of Phycology，1995，31（3）：360－369.

[15]Volkman J K，Barrett S M，Blackburn S I，et al.Microalgal biomarkers：a review of recent research developments[J].Organic Geochemistry，1998，29（5）：1163－1179.

[16]陳義蘭，吳永亭，劉曉瑜，等.渤海海底地形特征 [J].海洋科學進展，2013，31（1）：75－82.

[17]Zhang J，Huang W，Liu M.Geochemistry of major Chinese riverestuary systems[M].//Zhou D，Liang Y，Tseng C，ed.Oceanology of China Sea.Netherlands：Kluwer Academic Publishers，1994：179－188.

[18]林美華.黃海海底地貌分區及地貌類型 [J].海洋科學，1989，（6）：7－15.

[19]臧家業，湯毓祥，鄒娥梅，等.黃海環流的分析[J].科學通報，2001，46（增刊）：7－15.

[20]孫榮濤，李鐵剛，常鳳鳴.北黃海表層沉積物中的底棲有孔蟲分布與海洋環境[J].海洋地質與第四紀地質，2009，29（4）：21－28.

[21]李鳳業，高抒，賈建軍，等.黃，渤海泥質沉積區現代沉積速率[J].海洋與湖沼，2002，33（4）：364－369.

[22]王偉，李安春，徐方建，等.北黃海表層沉積物粒度分布特征及其沉積環境分析[J].海洋與湖沼，2009，40（5）：525－531.

[23]喬淑卿，石學法，王國慶，等.渤海底質沉積物粒度特征及輸運趨勢探討 [J].海洋學報，2010，32（4）：139－147.

[24]Hu L，Guo Z，Feng J，et al.Distributions and sources of bulk organic matter and aliphatic hydrocarbons in surface sediments of the Bohai Sea，China[J].Marine Chemistry，2009，113（3）：197－211.

[25]杜秀寧，劉光興.2006年冬季北黃海網采浮游植物群落結構[J].海洋學報，2009（5）：132－147.

[26]Zhang J，Yu Z G，Raabe T，et al.Dynamics of inorganic nutrient species in the Bohai seawaters[J].Journal of Marine Systems，2004，44（3）：189－212.

[27]王文濤，楊桂朋，于娟，等.夏季黃海和渤海微表層和次表層海水中營養鹽的分布特征 [J].環境科學，2013，34（8）：009.

[28]Falkowski P G，Oliver M J.Mix and match：how climate selects phytoplankton[J].Nature Reviews Microbiology，2007，5（10）：813－819.

[29]芮曉慶，劉傳聯，梁丹，等.南黃海表層沉積物中鈣質超微化石的分布 [J].海洋地質與第四紀地質，2011，31（5）：89－93.

[30]王俊，左濤，陳瑞盛.黃海球石藻的種類組成 [J].海洋水產研究，2008，29（5）：137－138.

[31]李文勤.黃、渤海表層沉積物中鈣質超微化石分布規律與黃海暖流流路 [J].海洋科學進展，1991，9（1）：7－11.