秋季雷州半島近海營養鹽和葉綠素a濃度空間分布及其相互關系

馮鈺婷，趙 輝，施玉珍

（廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江，524088）

營養鹽是海洋生態系統中最基礎的物質和能量來源，浮游植物是海洋生態系統中最重要的初級生產者，既受環境因子影響，也能靈敏地反映水質、營養條件等環境的變化特征[1]。海水中的營養鹽分布、結構狀況以及營養鹽的可獲取性對海洋生物的生產力發揮著重要作用，一般來說，營養鹽的含量高，浮游植物生長才豐富，Chl-a含量才越高[2-3]。從而研究營養鹽與Chl-a之間的關系成為海洋科學研究的熱點[4]。近年來，隨著沿海經濟的迅猛發展和人民生活水平的日益提高，大量富含營養鹽類物質的廢水被排放入海以及近海水產養殖導致沿海近岸海域營養鹽含量發生變化，營養鹽含量的變化一定程度上會影響近海浮游植物的初級生產力乃至海洋生態系統，因此研究營養鹽的空間分布變化及其對浮游植物初級生產力的影響具有重要意義。

雷州半島地處中國大陸最南端，位于南海西北部，處于北緯 21.15°－21.20°、東經 109.22°－110.27°，西接北部灣東北部，東瀕南海北部，南與海南島和瓊州海峽相望，其岸線曲折，港灣和島嶼眾多，擁有紅樹林、海草床等獨特的生態系統和豐富的海洋生物資源[1]。雷州半島沿海地區位于陸海過渡區的海岸帶，人類活動頻繁進而對其周圍生態環境造成一定的干擾。但由于工農業布局分布不均和發展不平衡，且受控于不同水體以及受海域、沿海徑流和南海高溫高鹽水的影響，雷州半島海岸帶的水質狀況、生態環境、海洋生物資源以及生態環境因素顯得復雜多變。因此，雷州半島東西部的營養鹽結構和Chl-a空間分布存在很大差異。有關雷州半島東西部葉綠素和營養鹽濃度的空間分布特征以及它們之間相關性研究極少。2010年夏季對雷州半島浮游植物的結構特征以及與環境因子的關系進行研究[1]，雖然研究范圍與本研究一致，但是其研究內容主要是浮游植物群落的結構特征與環境因子的關系，并沒有對雷州半島東西部營養鹽和葉綠素濃度的空間分布特征以及它們之間的相關性進行分析，未反映雷州半島東西部營養鹽、葉綠素分布狀況以及兩者之間的聯系。

本研究利用2017年9月30日－2017年10月5日期間雷州半島海域的現場調查資料，分析調查海域營養鹽和Chl-a的空間分布特征，初步探討該海域Chl-a濃度分布對營養鹽的響應機制，為雷州半島生態系統的恢復及健康發展提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 采樣站位

2017年9月30日－10月5日對雷州半島海域進行了1個航次的調查，該航次布設了19個斷面，共49個站位，研究區域水深最深47 m，通常秋季混合層厚度達20 m，因此該航次調查僅取深度0.5 ～1.0 m水樣作為表層水樣。具體采樣站位見圖1。

圖1 研究區域位置和采樣站位分布Fig.1 Study area location and Sampling station location

1.2 樣品的采集與分析方法

海水的溫度用Orion 3 star pH 進行現場測定和讀取，鹽度用Orion 130 A進行測量。營養鹽樣品現場用預潔凈的玻璃纖維膜（孔徑0.70 μm）過濾后冷藏保存（0.4 ℃），采約250 mL過濾水樣帶回實驗室使用Skalar營養鹽自動分析儀測定，根據《海洋調查規范-海水化學要素觀測》[5]和《SKALAR SAN++營養鹽自動分析儀操作手冊》進行水樣分析，其中分別采用鎘銅柱還原-重氮偶氮法、重氮偶氮法和硅鉬藍法測定硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽。DIN（NO3-+NO2-+NH4+）的檢測限為 0.1 μmol/L，PO43-的檢測限為 0.03 μmol/L，SiO32-的檢測限為0.1 μmol/L。Chl-a樣品現場采集250 mL水樣經玻璃纖維膜（孔徑0.7 μm）過濾，濾膜用錫箔紙包裹起來在-80 ℃ 冷凍保存。在實驗室用體積分數90%的丙酮在低溫（-20 ℃）冰箱中萃取濾膜，取萃取液在唐納熒光儀 10AU型（Turner, Model 10AU）上進行測定，Chl-a的測定在1周內完成[6]。

2 結果與分析

2.1 溫度和鹽度含量的空間變化

由圖2-a 可見，調查海域海表溫度通常具有較高溫度，雷州半島在調查期間水溫較高，29 ℃甚至溫度更高的暖水幾乎覆蓋了雷州半島東西部，這是因為這個季節是南海暖水最強盛的季節[5]。然而在湛江灣口東部存在一個顯著的低溫中心，最低溫度在27 ℃左右。

由圖2-b可見，鹽度在雷州半島西部區域明顯高于東部區域，在西部區域鹽度比較高且分布均勻，而在東部鹽度相對較低且在湛江灣口東部存在一個顯著的低鹽中心，最低鹽度在24左右。

圖2 2017年雷州半島海域溫度鹽度的空間變化Fig.2 Spatial variation of temperature salinity in the Leizhou Peninsula in 2017

2.2 Chl-a的空間分布

圖3描述了本航次所測得雷州半島表層海水Chl-a的分布情況。表層海水中Chl-a的變化范圍是0.09 ～ 7.35 μg/L，從空間分布上來看呈現塊狀分布和近岸高離岸低的分布特征。表層Chl-a濃度的最大值出現在近岸，尤其是湛江灣口東部區域、外羅港附近、龍斗港附近以及鐵山港附區域。

圖3 2017年雷州半島海域Chl-a含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of Chl-a content in the waters of Leizhou Peninsula in 2017

2.3 營養鹽和透明度的空間分布

為分析營養鹽結構的空間分布特征，本研究將2017年9月30日－10月5日現場數據繪制成如圖4。圖4為本航次雷州半島各個采樣站位表層水體的營養鹽（DIN、PO43-、SiO32-）以及透明度空間分布圖。由圖4可知，DIN、PO43-和SiO32-的濃度范圍分別是 0.27～127.78 μmol/L（最大值出現在湛江灣口附近區域，此圖已將其中3個站位的異常高值點移除），0.11～2.47 μmol/L、2.09～60.6 μmol/L（最大值出現在湛江灣口附近區域，此圖已將其中3個站位的異常高值點移除），透明度的變化范圍是0.9～11.4 m。從空間分布上來看，雷州半島表層海水DIN，PO43-和SiO32-呈現塊狀分布，并呈現近岸高離岸低的分布特征。在總體趨勢上，DIN、SiO32-均表現為東側海水略高于西側海水，而PO43-表現為西側海水略高于東側海水。

圖4 2017年雷州半島海域DIN、Phosphate、Silicate和透明度的空間變化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

由圖5可以看出，nDIN/nP、nSi/nDIN的變化范圍為 1.48～58.29和 0.47～32.54。總體上，nDIN/nP比值東部海域大于西部海域且大于Redfield比值，只有在雷州半島東北部比值略低于Redfield氮磷比值。該調查海域的nSi/nDIN比值在西部海域略大于東部海域，基本上均大于Redfield硅氮比值，且在雷州半島東北部出現明顯的低值區，在西北部出現明顯的高值區。

圖5 雷州半島海域 nDIN/nP，nSi/nDIN含量的空間變化

2.5 Chl-a與主要環境因子的關系

海洋中的浮游植物組成 Chl-a，即海洋初級生產力。大量研究表明，海水中藻類生長和無機營養鹽具有很高的相關性，且在浮游植物生長的過程中營養鹽是主要調控因子[7]。海水中營養鹽在海洋浮游植物自身生長繁殖中具有非常重要的作用，因此當缺少生長所需的某一種元素時，這種元素就會成為限制浮游植物生長的限制因素。本研究將表層Chl-a與溫度、鹽度以及同層營養鹽的各組分通過逐步回歸建立回歸模型，分析發現雷州半島水域的亞硝酸鹽與鹽度是影響Chl-a濃度變化的最主要因子。回歸模型如下：

式中：ρChl-a為葉綠素 a 的濃度 (μg/L )。ρNO2表示海水中亞硝酸鹽的濃度，S為海水的鹽度。

有相關研究表明南海北部浮游植物的生長繁殖與亞硝酸鹽有更高的相關性[5]，也有研究表明藻類生長與珠江口水域中的活性磷酸鹽、硝酸鹽則呈負相關關系[7]。因此為探明雷州半島東西部 Chl-a與營養鹽的相關性，將雷州半島西部和東北部表層Chl-a與溫度、鹽度以及同層營養鹽的各組分進行相關分析。由表1可知，雷州半島西部海域的Chl-a與亞硝酸鹽呈現明顯線性關系，這與陳紹勇等[8]研究結果一致。另外 Chl-a與硝酸鹽、磷酸鹽、DIN也呈現顯著性相關，說明本研究海域西部浮游植物的生長與亞硝酸鹽、硝酸鹽 、磷酸鹽、DIN有比其他因子更為密切的關系。然而雷州半島東北部營養鹽以及營養鹽比值均與 Chl-a沒有很好的相關性。這很可能是因為在東北部浮游植物數量較多，且在采樣期間該區域浮游植物的數量恰好增長到最大值，此時對營養鹽的消耗更大，會導致此時現場營養鹽濃度極低，故Chl-a與現場營養鹽濃度沒有呈現出很好的相關性。

表1 雷州半島東西部chl-a與環境因子相關性系數Table 1 Correlation coefficient between chl-a and environmental factors in the east and west parts of Leizhou Peninsula

3 討論

3.1 溫度、鹽度對浮游植物Chl-a的影響

本研究結果，雷州半島東部海域溫度和鹽度均小于西部海域，這可能是因為雷州半島西部水體受北部灣影響較大，而在秋季，北部灣沿岸河流徑流量普遍減小，海面蒸發量逐漸增大，因此導致西部鹽度也普遍增高[9]。而雷州半島東北部則可能受近岸河流沖淡水的作用較大，這也可能同粵西近岸尤其是靠近湛江灣一帶存在尺度為100 km的氣旋渦有關[6]，氣旋渦可以將下層冷水帶到表層水體，再加上沖淡水的稀釋作用可能導致該區域溫度和鹽度較低。同時氣旋渦和沖淡水也帶來了豐富的營養鹽，因此這可能是導致該海域Chl-a高值的原因之一。由回歸模型可知，鹽度是影響Chl-a濃度的重要因子。這可能是因為海區海水鹽度的變化主要體現了陸源淡水輸入的影響，主要反映的是近岸與外海生態環境差異尤其是營養鹽來源對浮游植物的影響[10]，因此鹽度較高的西部海域營養鹽及 Chl-a濃度相對較低。

3.2 Chl-a與營養鹽的空間分布特征

由圖3和圖4(a，b，c)可知，雷州半島東部Chl-a和海域營養鹽（DIN、SiO32-）含量大于西部海域，尤其以東北部海域最明顯，且呈現近岸高離岸低的分布趨勢。這可能是與經濟發達的東北部相比，雷州半島西北部和廣西南部沿海地區屬于經濟欠發達地區，由人類產生的污染（營養鹽）影響較小[1]，因此浮游植物豐度低，進而Chl-a含量也較低。由圖4-d可以看出，在雷州半島東北部水深較淺，透明度較低。這可能是因為在雷州半島東北部，由港口、鑒江(上游茂名市工農業生產和生活污水)、塘尾分洪河和南三河帶來的工農業生產、生活污水以及大面積的水產養殖給該海域帶來豐富的營養物質。且有研究表明，湛江灣地區氮素輸入主要以化肥氮（49.00%）、排泄氮（31.04%）和大氣沉降氮（12.92%）為主[11]。而在采樣期間降雨較多，故可能會攜帶大量的氮素到海水中，可能也會為浮游植物的生長繁殖提供營養物質，從而形成浮游植物的高值區[6]。

值得一提的是外羅港以及附近S19號站位營養鹽含量并不高，但其Chl-a含量較高（圖3、4）。這與龔玉艷等[1]所提到的在該區域 Chl-a 含量低、營養鹽含量低結果不一致。這可能因為雖然在該區域大面積網箱養殖帶來了豐富營養物質，但由于雷州半島東南部受到多種海流、潮流等的綜合作用，加上該區域不規則半日潮的特征，使得該海岸帶水體與南海水交換更加頻繁[12]，因此浮游植物增殖消耗大量營養鹽后，營養鹽沒有得到及時補充，使得海岸帶水體形成高Chl-a低營養鹽的分布特征。

流沙灣位于雷州半島西南部，東經 109.78°～110.01°，北緯 20.35°～20.52°，在圖1 中 S37、S38、S39站位為流沙灣區域。該區域是半封閉型的一個口小腹大呈葫蘆形的港灣，流沙灣水產養殖種類主要是珍珠貝、扇貝和魚類養殖等，是中國“南珠”的主要養殖區[13]。由圖3、4可知在調查流沙灣海區內，營養鹽和Chl-a含量都偏低，且在灣內灣外無明顯差異，這與前人研究結果一致[14]。 這可能是因為：（1）在流沙灣沒有工業區和大的生活區，因此人類對環境的干擾較小，這使得營養鹽的輸入較低，因此低外部輸入也可能是流沙灣低營養鹽的原因[15]；（2）據報道[15]，過濾貝類通過養分沉積將養分從水體輸送到海底沉積物，減少了水體的養分負荷，阻礙了物質循環，因此使得營養鹽含量得不到及時補充；（3）流沙灣內外有豐富的大型海藻和海藻資源，其生長需要消耗大量的養分，它可以抑制浮游植物對營養鹽的吸收，從而降低水中Chl-a的含量[13]；（4）相關研究表明[14]，流沙灣水體交換較強，因此水體可以帶走大量的有機質和無機鹽[2]，另外浮游植物的光合作用也會受到強烈的湍流影響[16]。與流沙灣不同，圖1中龍斗港（ S43，S44，S45站）Chl-a含量相對較高，但DIN含量相對較低。這可能是由于該區域水體交換較弱，消耗的營養鹽得不到及時補充。因此，該區域表現為Chl-a含量高、營養鹽含量相對低的特征。而在雷州半島西部鐵山港附近（S56，S57站）Chl-a含量比較高、DIN含量較低的原因可能是這2個站位離鐵山港比較近。而鐵山港是珍珠貝類等重要海產品的養殖場所，同時也分布著紅樹林、海草床等重要生態系統，因此可能導致該區域Chl-a濃度高[17]。但由于雷州半島西北部緊挨著北部灣，其海流環境復雜，且根據鹽度分布（圖2-b）表明，雷州半島西部主要受寡營養鹽的外海水控制，導致該區域大部分海域低營養鹽濃度高葉綠素濃度的分布特征。

3.3 研究區域氮磷硅對浮游植物的限制影響

海洋中DIN、PO43-和SiO32-是浮游植物生長必不可少的的營養成分，也是最常見的限制性營養元素[18]。 然而，沿海水域的比例變化很大，往往過高或過低，這與生化、水動力因素和不同海灣對大陸徑流的影響程度有關[19]。由Redfield等[20]提出各種營養鹽的原子比為nDIN∶nSi∶nP=16∶16∶1。通常認為nN/nP是判斷營養鹽結構的重要指標[21]，并將他們的比值作為判斷氮磷限制的重要依據。nN/nP＞22 為磷限制，nN/nP＜10 為氮限制，nSi/nDIN＞1為氮限制，nSi/nDIN＜1為硅限制[22-23]。由實驗數據可得在雷州半島東部nDIN/nP范圍為 4.74～58.29 μmol/L ,nSi/nDIN范圍為 0.47～3.52 μmol/L。西部nDIN/nP范圍為 1.47～17.00 μmol/L，nSi/nDIN范圍為2.37～32.54 μmol/L。由此可知在雷州半島東部海域相對于氮表現為磷限制，在雷州半島西部相對于磷表現為氮限制。在雷州半島大多數海域相對于硅表現為氮限制，而只有在雷州半島東北部海域相對于氮表現為硅限制。這可能是因為雷州半島東部DIN含量變化范圍為4.74～58.29 μmol/L，東北部含量變化范圍為29.95～54.46 μmol/L, 西部DIN含量變化范圍為1.48～17.00 μmol/L。在雷州半島東部Si含量變化范圍為6.02～60.6 μmol/L，東北部Si含量變化范圍為6.02～60.6 μmol/L，西部Si含量變化范圍為2.09～14.9 μmol/L。由此可知在東北部DIN含量明顯高于其他區域，而在東北部Si含量相比較其他區域并沒有明顯的高值，故而在東北部會存在Si/DIN＜1的情況。也可能是因為東北部浮游植物豐度很高，且硅藻的生理特征相比較甲藻有很大的優越性，在東北部硅藻為該區域浮游植物的優勢種，即暗示了硅在浮游植物群落扮演重要角色[24]，因此在該區域浮游植物的生長將會消耗大量硅酸鹽，而硅酸鹽的生物地球化學過程也通過生物吸收和死亡不斷把Si逐漸轉移到海底，進而Si處在不斷消耗的過程中，這可能成為該區域相對于氮表現為硅限制的原因。總的來說，在調查海域東部表現為磷限制，西部表現為氮限制。

4 結論

對營養鹽和Chl-a結構的空間分布特征分析表明，秋季調查海域營養鹽和Chl-a結構變化主要是受海域水文情況（河流徑流、潮汐類型）和人類活動的影響。在調查海域東部由于受到河流徑流和不規則半日潮的影響，營養鹽、Chl-a濃度以及營養鹽比值（PO43-和nSi/nDIN除外）都比較高，而西部海域由于河流徑流量小、人類活動較少以及受到規則的全日潮的影響，沒有得到過多營養鹽的補充，因此在調查海域西部營養鹽、Chl-a濃度以及營養鹽比值含量較低且分布較均勻。逐步回歸分析表明，亞硝酸鹽和鹽度是影響Chl-a濃度的重要因子。相關性分析表明，在雷州半島東北部Chl-a與環境因子均沒有顯著相關性，這可能是由于采樣時期恰好處于浮游植物豐度的最大值。而在雷州半島西部Chl-a與DIN呈極顯著負相關(P＜0.01)。與TP，NO3-和NO2-呈顯著負相關關系（P＜0.05）。通過對浮游植物生長的限制因素分析得出，在雷州半島東部主要為磷限制，雷州半島西部主要為氮限制。該結果為雷州半島生態系統的進一步恢復及健康發展提供參考。