夏季長江口外赤潮海區葉綠素a分布特征與固碳能力

高 航，王 璇，朱雯喆，謝 麗

（1.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092）

在全球碳循環中，近百年的短時間尺度下，海洋碳循環影響著大氣CO2的收支平衡與氣候變化［1］。海洋作為巨大的碳庫，其儲量占全球活性有機碳庫的1/6［2］，其中生物泵作為海洋固碳的重要過程，盡管海洋浮游植物生物量不及全球光合自養生物量的1%，但貢獻的初級生產力占全球初級生產力總量的50%［3］，這為海洋碳循環、儲碳及海洋在氣候變化中的作用做出了巨大的貢獻。因此，海洋初級生產力（ocean primary productivity，OPP），即CO2固定生成有機碳的速率［4］是研究海洋固碳通量與機制的基礎。按照全年碳源匯總量估算，高生產力的陸架邊緣海被認為是海洋主要碳匯，其對大氣CO2的吸收占全球海洋CO2吸收總量50%［5-6］。而陸架邊緣海海域直接受到人類活動干擾，如近岸流域的農作施肥、廢氣排放及河流和地下水的輸入等，導致大量營養鹽輸入，使得近海富營養化、赤潮、缺氧等生態災害現象頻發。

東海（East China Sea，ECS），作為西太平洋最大的陸架邊緣海，陸架區面積可達5×105km2［7］。近幾十年，在東海海域范圍開展了初級生產力的大面走航采樣調查，通常采用14C直接測定法，基于以往現場實驗調查結果，因受河流輸入和外海海水交匯作用影響，東海近海水體異質化性質顯著，碳源匯性質及陸架區初級生產力都呈現明顯的區域與季節變化特征［8-9］。Chl a作為浮游植物生物量指標用于估算海區初級生產力。近年，基于水樣采集分析測定或海洋遙感觀測的海表2m Chl a質量濃度和光衰減數據的各種初級生產力估算模型逐漸發展并得到廣泛應用，如經驗模型（Empirical Model，EM）、時間積分模型（Time Integrated Model，TIM）及垂直歸一化生產力模型（Vertically Generalized Production Model，VGPM）［10］。各研究對東海初級生產力實驗調查與模型估算結果有所差別，但都表明“東海初級生產力在夏季最高”［10-15］。

受河流輸入等人類活動的直接影響，長江口外咸淡水交匯海域是春夏季赤潮頻發區，也是東海近海夏季高初級生產力區，且常引發水體局部缺氧事件。以該區域為模式區域，開展夏季水體的Chl a分布特征研究，對于我們更好地理解人類活動直接干擾下近岸水體的固碳能力變化有重要意義。因此，2018和2019年夏季在長江口外赤潮頻發海區開展全水柱環境要素特征調查，通過原位觀測與同步采樣測定的數據比對，著重研究水柱葉綠素垂直分布特征，并通過高深度分辨率的Chl a觀測數據，采用真光層內水體葉綠素濃度對深度積分的歸一化優化方法，為應用原位傳感器高分辨率觀測數據反演全水柱藻華水層的初級生產力即整體固碳能力提出了一種新估算模式。

1 材料與方法

1.1 研究區域

長江口外咸淡水交匯海域環境復雜，受控于不同水團作用，也受到人類活動的影響。該海域的水文條件受地形、長江徑流、黑潮水和上升流的影響［16-18］，春夏季水體溫鹽層化明顯；夏季，大量陸源營養鹽輸入該區，浮游植物在適宜的光照、水溫等條件下初級生產作用強烈，藻華頻發，浮游植物死亡沉降至底層，有機質礦化分解消耗大量O2，而穩定的水體結構使該海域的底層溶解氧消耗后不能得到有效補充［19］。常觀測到長江口外緣（30.8°N，122.5°E）底層水體存在局部低氧/缺氧現象［16］。自20世紀80年代以來，長江口鄰近海域（124°E以西，28°～34°N）春夏季赤潮頻發，尤其以122°～123°E、30°～32°N海域赤潮發生最為頻繁，因此該區域也被稱為“長江口及其鄰近海域的赤潮多發區”［14］。因而，以長江口外赤潮頻發的交匯海域為研究對象，開展葉綠素分布特征及初級生產力的空間異質性研究，可為近海生物固碳提供重要基礎信息。

1.2 原位觀測與水樣采集分析

2018年7月28日至8月4日、2019年7月30日至8月3日通過同濟大學海洋與地球科學學院海洋技術專業實踐航次，搭載浙江海洋大學“浙漁科2號”，對長江口外交匯海域（122.2°～123.3°E，29.8°～31°N）共17個站位分別進行了兩個夏季航次的綜合調查（圖1），包括傳感器現場原位觀測和同步海水樣本采集。航次采用光合輻射儀、與配備水下熒光儀和水質多參數分析儀的CTD采水器，在現場進行垂直剖面調查，獲取水體垂直剖面上的溫度、鹽度、光照強度、葉綠素和溶解氧等參數的實時觀測環境數據（表1），并同步完成水樣采集工作。

表1 現場觀測主要儀器及其觀測要素Tab.1 Main instruments of field observation and the observed parameters

圖1 2018和2019年夏季長江口外交匯海域調查站位Fig.1 Investigated stations at HABs coast of the Yangtze River Estuary during summer cruises in 2018 and 2019

航次開展前，參照儀器使用手冊推薦方法，在實驗室內完成調查設備EXO2和C3校準。其葉綠素傳感探頭采用羅丹明WT標準溶液進行校正。CTD采水器與自身配備的溶解氧等傳感探頭，由浙江海洋大學“浙漁科2號”實驗人員提供技術保障。

海水葉綠素樣本采集與測定按照《海洋調查規范》（GB12763.4-2007）［20］進行。共采集海水樣本67個，現場立即采用玻璃纖維濾膜（0.7μm，Whatman GF/F，美國）過濾，樣本置于-20℃冰柜避光保存，返航后按照《海洋生物生態調查技術規程》［21］，以標準Chl a（S-C6114-1MG，Sigma，美國）試劑配制標準曲線，采用熒光光譜儀（F-2700，HITACHI，日本）通過熒光法完成Chl a測定分析工作。

1.3 數據分析與初級生產力模型

采用Ocean Data View 4.5軟件繪制采樣站點圖，采用SPSS 17.0統計軟件分析Chl a原位觀測和同步采樣測定數據間相關性，采用Origin 8.5繪制Chl a和初級生產力等數據圖。采用EM模型估算了表層水體初級生產力，并基于遙感常用VGPM模型，優化Ceu求值方法估算藻華水柱初級生產力。

EM模型通常采用表層Chl a質量濃度值估算表層水體初級生產力P如下：［22］

式中：P為初級生產力（mg·m-2·d-1）；P′為表層浮游植物潛在生產力（mg·m-2·d-1）；D為白晝時長（h）；z為真光層深度（m）；C為表層Chl a質量濃度（mg·m-3）；Q為同化指數（mgC·（mg Chl a·h）-1）；PAR（z）和PAR（0）分別為水深zm和0 m的有效光合輻射能（μmol photons·m-2·s-1）。

采用EM模型估算時，根據日出日落計算器將D記為12 h。表層Chl a濃度測定值采用2 m層水體Chl a分析測定結果，表層Chl a濃度觀測值采用1～3 m層水體Chl a原位觀測數據的平均值。通過式（4），將PAR（z）是PAR（0）的1%時的深度作為真光層深度z。關于同化指數Q，Ryther等［23］指出，各種浮游植物在光飽和條件下碳同化速率為3.7 mgC·（mg Chl a·h）-1，本文參照周偉華等人夏季在鄰近海區根據實際調查獲得的同化指數［14］，Q采用2.663 mgC·（mg Chl a·h）-1。

VGPM多基于遙感獲取葉綠素濃度數據反演真光層內水體初級生產力PPeu（式5～式7），其中，Ceu常采用表層水體Chl a濃度遙感測值［24］。本文則基于傳感器的高深度分辨率Chl a原位觀測值，通過對真光層內各Chl a濃度進行藻華水層深度上的整體積分求和方法，優化Ceu估算公式（式8），以表征真光層內整個藻華水柱的初級生產力（式5～式7）［4，12］：

式中：PPeu為真光層內水體初級生產力（mg·m-2·d-1）；為水體光合作用速率（mgC·（mg Chl a·h）-1）；E0為表層水體有效光合輻射能（μmol photons·m-2·s-1）；z為真光層深度（m）；Ceu為真光層內Chl a的積分濃度值；D為白晝時長（h）；T為表層水體溫度（℃）；ρvi（Chl a）為第i層海水Chl a質量濃度（mg·m-3）；Di為第i層水體深度（m）；Dmax為最大采樣深度（m）；n為取樣層數。

采用VGPM模型估算時，根據日出日落計算器將D記為12 h。同樣，通過式（4）獲得真光層深度z。真光層水柱內的Chl a質量濃度測定值和觀測值分別代入到式（8）中，得到各自Ceu，再由式（5）獲得各自PPeu。

2 結果與討論

2.1 長江口-杭州灣外交匯海域夏季水體環境特征

在夏季長江沖淡水和外海水團的影響下，長江口-杭州灣外交匯海域各站位水環境參數全水柱均值（鹽度、濁度、溫度、溶解氧）分布呈現出因咸淡水混合導致的空間異質化特征（表2）。調查斷面水體水溫由近岸向離岸逐漸降低，鹽度則呈現從近岸到離岸逐漸增大的趨勢，2018年調查海域水體鹽度分布范圍為16.3～32.5 ppt，與2019年同期相比，鹽度變化幅度明顯，表明沖淡水作用顯著；2019年夏季水體表現出更為明顯的層化現象，與2018年同期相比，雖表層（2m）溶解氧含量水平高，但全水柱溶解氧濃度均值水平低，表明該年度浮游植物勃發導致水體表層溶氧含量升高，但因層化現象加劇有機質礦化耗氧，而使得水體底部（近底2m）發生局部低氧（表2），與前人認識結果一致［16］。

表2 各站位水體環境要素（全水柱均值）與真光層深度Tab 2 Environmental factors of seawater(average value of the whole water column)and the photic depth at each station

除此之外，調查斷面水體濁度與真光層深度的分布特征呈現相反趨勢。水體濁度均值水平由近岸向離岸逐漸降低，而真光層深度受濁度影響，呈現從近岸到離岸逐漸增大的趨勢，近岸真光層深度約在全水深的-20%以淺，離岸真光層深度則深至全水深50%（表2），A斷面離岸A1站位和長江口外B、C斷面離岸B4、C1站位的真光層深度均大于30m。以杭州灣外A斷面為例，各站位真光層深度在連續兩年夏季調查期間基本穩定（除近岸站位A5）。

2.2 長江口-杭州灣交匯海域夏季Chl a分布特征

連續兩年夏季調查區域水體Chl a原位觀測和采樣測定的數據分析結果顯示其濃度在全水柱中的表層分布和垂直分布特征均呈現一致性（圖2）。表層水體Chl a濃度隨離岸距離增加，呈現先升高再降低的分布趨勢，濃度核心高值基本集中在各斷面的中間站位表層或次表層，均高于5 mg·m-3，表明該區域夏季水體處于藻華期［25］；2019年夏季水體葉綠素濃度整體比2018年高近一倍水平，可能與2019年水體環境因素如溫鹽等條件有關［15］。

連續兩年夏季調查區域全水柱Chl a濃度均呈現從表層（次表層）到底層逐漸降低的垂直分布特征，盡管長江口和杭州灣外斷面水體Chl a核心濃度高值與所在水層深度因調查年份有所差別。2019年出現深層（次表層）水體Chl a極大值（deep chlorophyll a maximum，DCM）的藻華（Chl a質量濃度≥5 mg·m-3）水層可深達10～15m（圖2）。連續兩年夏季，A斷面A3和A4站位Chl a測定值和觀測值兩套數據顯示，質量濃度高值（11.7和20.0 mg·m-3；22.5和18.3mg·m-3）不僅出現在表層（2～3 m）水體，高濃度的藻華水層范圍可深達10m；同樣，長江口外斷面（B和C斷面）B3和C3站位Chl a測定和觀測質量濃度高值（7.8和3.1 mg·m-3；13.4和24.3 mg·m-3）除出現在表層2 m水體，高濃度的藻華水層均深至10～15m，尤其是2019年藻華水層覆蓋范圍較深，這可能與DCM經常出現在層化水體如湖泊和海洋中有關［26］（圖2）。

圖2 長江口外赤潮海域葉綠素a分布特征Fig.2 Distribution of Chl a along the section at HABs coast of the Yangtze Estuary based on two datasets.

連續兩年夏季水體Chl a原位觀測數據與同步采樣測定數據的線性回歸分析結果表明，除了個別層位水體濁度對原位觀測數據有影響，全水柱中二者線性擬合關系良好且呈正相關（r＞0.9），尤其是在Chl a質量濃度范圍0～5 mg·m—3內呈現顯著正相關（r＞0.8，p＜0.05）（圖3），表明現場同步原位觀測與采樣測定的兩套數據具一致性，Chl a原位觀測數據可真實、全面地表征浮游植物生物量的垂直分布變化特征。

圖3 Chl a原位觀測與同步采樣測定數據的線性回歸分析Fig.3 Linear regression analysis between the in situ observed and measured data of Chl a

2.3 水體表層初級生產力P

基于表層Chl a觀測和測定值的EM模型，2018和2019年調查區域夏季水體表層初級生產力P估算結果表明，二者呈現分布特征一致：隨離岸距離的增加呈現先升高再下降的趨勢，P高值出現在主要分布在調查區域的中部海域（A3、A4、B3和C3站位）（圖4）。基于Chl a測定值和觀測值估算結果，2018年調查海域表層初級生產力整體變化范圍分別為82.8～2 986.7 mgC·m—2·d—1和56.9～3 614.2 mgC·m—2·d—1，整個調查海區表層初級生產力平均值分別為944.6（±111%）和790.7（±143%）mgC·m—2·d—1；2019年調查海區整體表層初級生產力變化范圍分別為10.6～3 546.7 mgC·m—2·d—1和12.1～4 851.9 mgC·m—2·d—1，平均值分別為1 024.7（±123%）和1 346.5（±119%）mgC·m—2·d—1。調查區長江口和杭州灣外站位A3、B3和C3周邊水體，位于赤潮頻發海域（122.5°～123°E，30°～31°N附近），連續兩年夏季均為高生產力區域。

圖4 分別基于表層Chl a測定和觀測數據采用EM估算的表層水體初級生產力Fig.4 Surface primary productivities estimated respectively based on the in situ observed and measured data of Chl a by EM

在近岸海域，由于海水和沖淡水的混合強烈，長江懸浮泥沙的輸入和海底沉積物的再懸浮導致海水濁度較高，光是限制浮游植物生長的主要因子；隨著沖淡水向外海方向擴散，水體層化，懸浮泥沙迅速沉降，透明度增大，河口輸入的大量營養鹽能較好的滿足浮游植物快速增長，因此出現了初級生產力的高值區（122.5°～123°E，30°～31°N）；在遠岸海域，由于陸源營養鹽被稀釋，盡管水體透明度很高，初級生產力迅速下降，形成低值區［27］。

由EM模型估算的表層初級生產力結果更多取決于表層Chl a取值，主要由2m層位其觀測值與測定值的差異導致，二者的偏差范圍介于31.32%～122.22%，這可能是儀器回收過程中因水體濁度、或震蕩引起的氣泡等因素影響傳感器的原位觀測結果［28］所導致，表明基于表層Chl a觀測值的表層水體初級生產力估算易受到外界環境因素干擾，帶有一定的偶然因素，需要參考同步采樣測定值與相應EM模型估算的初級生產力數據進行可靠性評估。

綜上，由于連續兩年夏季調查區域內高生產力海區浮游植物藻華水層10～15 m處存在深層（次表層）水體Chl a極大值（deep chlorophyll a maximum，DCM）（圖2），通過局部表征的表層水體Chl a濃度來估算表層水體初級生產力，不能全面地認識整個水柱中浮游植物的固碳能力表現。調查海區夏季全水柱中Chl a觀測值和測定值呈現線性顯著正相關，表明觀測值可較為真實、全面地表征浮游植物生物量的垂直分布變化特征。為更好地表征整個藻華水層的固碳能力，本文將基于高分辨率觀測數據，采用真光層內Chl a質量濃度對深度積分方法的優化Ceu取值，估算真光層內藻華水柱初級生產力PPeu。

2.4 藻華水柱初級生產力P Peu

調查區域藻華水柱初級生產力PPeu基于優化取值Ceu的VGPM模型估算獲得。PPeu與P的海域分布情況類似，呈現由近岸到離岸先升高后降低的分布特征（圖5）。基于真光層Chl a測定值和觀測值的PPeu估算結果顯示，2018年水柱初級生產力分別為78.8～2 474.6 mgC·m—2·d—1和98.6～3 630.3 mgC·m—2·d—1，平均值分別為1 062.3（±77.3%）和1 479.1（±79.8%）mgC·m—2·d—1，2019年水柱初級生產力分別為15.0～2 801.0和40.0～3 883.6 mgC·m—2·d—1，平均值分別為1 559.2（±68.9%）和1 987.6（±72.4%）mgC·m—2·d—1，基于Chl a觀測值獲得的PPeu估算結果波動范圍，與基于測定值估算PPeu相比，有所收斂，降低了10%；兩年夏季PPeu高值區均在高Chl a濃度分布的A3、B3和C3藻華站位，都位于122.5°～123°E、30°～30.5°N的赤潮頻發區［14］，這與EM模型P的分布特征結果一致。

圖5 分別基于真光層Chl a測定和觀測數據采用積分優化VGPM估算的水柱初級生產力Fig.5 Euphotic primary productivity estimated respectively based on the in situ observed and measured data of Chl a by VGPM

在近岸海域（如A5、B1、C4站位），水體濁度高達75 NTU，真光層深度較淺（1.8～3 m），水柱初級生產力水平較低。焦念志等人［29］調查東海初級生產力，結果也表明初級生產力與水團和海流運動相關，高生產力區位于鋒面和上升流海域，低生產力區位于河口和近岸高濁度海域。而高生產力區因濁度低，真光層深度較深，本文調查海域透光深度可大于30m，藻華水層深度不限于表層，可深達15m［30］。與EM模型P相比，采用真光層內積分優化取值Ceu的VGPM模型估算的PPeu估值高出30%，且區域誤差范圍收斂為69%～79%，降低了30%～45%。結果表明，各站位水體P可較好地表征表層2m水層浮游植物固碳能力，不適用于表征出現DCM藻華水層浮游植物的固碳能力，且無論基于Chl a測定或觀測值通過EM估算獲得的各站位P值差異較大，可能會對海區整個區域水體固碳能力均值估算引入較大的誤差；采用積分優化Ceu取值獲得的PPeu能更好地表征真光層藻華水層及其浮游植物固碳能力，可幫助我們重新認識和評價對藻華水層浮游植物固碳貢獻。

自1988年以來，東海近海海域已開展諸多在長江口及其鄰近海域的夏季走航初級生產力調查，前人結果表明，Chl a和初級生產力存在空間區域化分布特征，浮游植物生物量和初級生產力的鋒面主要分布在123°E附近［27］，本文通過連續兩年夏季航次調查，基于原位觀測和同步水樣測定，更為細致地刻畫出夏季122.5°～123°E，30°～30.5°N赤潮頻發區水體Chl a和初級生產固碳速率分布特征。與以往不同時期相近海域初級生產力水平相比（表3），本文2018年水柱初級生產力估算結果與前人夏季調查水平相當，2019年水柱初級生產力估算結果與1999—2002年初級生產力調查水平相近，為250～2 000 mgC·m—2·d—1［9］，高于2011年初級生產力調查均值結果1 274 mgC·m—2·d—1［11］。本文通過優化VGPM模型估算的區域水柱初級生產力水平略高于由遙感海表葉綠素濃度估算的VGPM結果（850～1 200 mgC·m—2·d—1）［24］。

表3 初級生產力估算值與前人結果比對Tab.3 Comparison of primary productivity estimates with previous results

3 結論與展望

通過對長江口外赤潮頻發海域水體環境要素調查，尤其Chl a采樣測定和同步原位觀測數據分析，闡釋在咸淡水混合影響下Chl a空間異質性分布特征，通過EM和基于深度積分優化的VGPM模型，對調查區域水體表層初級生產力和真光層內藻華水柱初級生產力進行估算，結果表明：

（1）連續兩年夏季調查海區溫鹽數據表明水體存在層化，根據Chl a原位觀測與采樣測定數據，122.5°E、30°～31°N海域呈現顯著藻華特征（≥5 mg·m—3），且藻華水層可深達10～15m。

（2）除近岸站位水層高濁度或表層氣泡影響，Chl a觀測與測定數據間線性擬合良好且呈顯著正相關（r＞0.8，p＜0.05），Chl a觀測數據可全面反映整個水柱中浮游植物生物量的垂直分布變化情況。

（3）基于Chl a測定值與觀測值，通過EM和VGPM優化模型估算的表層和藻華水柱初級生產力P和PPeu均表明122.5°E，30°～31°N為高生產力區；與P相比，PPeu均值范圍1 062.3～1 987.6 mgC·m—2·d—1，高出30%，站位間差別收斂10%，波動下降為69%～79%，該差異主要由浮游植物垂直分布特征決定。

通過Chl a觀測和測定數據的線性擬合分析，本文提出基于高深度分辨率觀測數據的VGPM優化估算模式，表明高深度分辨率觀測數據可精細刻畫赤潮海域葉綠素垂直分布特征，更為準確地評估其初級生產的固碳能力，闡釋了表層水體和真光層藻華水柱內固碳能力的差異，可彌補基于遙感獲取表層Chl a的EM和VGPM模型估算的不足，有助于深入理解受人類活動干擾嚴重的海岸帶赤潮頻發區其整個藻華水層的固碳貢獻及其在海洋碳中和與碳循環中的角色。

作者貢獻聲明：

高航：研究方案制定與航次組織實施，樣本采集與數據分析，論文撰寫與修改。

王璇：樣本采集測定，數據分析處理與繪圖，論文撰寫與修改。

朱雯喆：現場觀測設備調研與調試準備工作，論文修改。

謝麗：學術指導，論文審閱。

致謝：感謝國家海底科學觀測網支持。