2021年春季北部灣北部近岸浮游植物葉綠素a分布特征及影響因子

史海藝，趙 輝,2，孫 東

（1.廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江 524088；2.南方海洋科學與工程廣東實驗室，廣東 湛江 524088）

浮游植物在海洋生物地球化學循環和全球碳動態中發揮著關鍵作用[1]，很大程度控制上沿海生態系統的生產力。因此海水中的葉綠素a(Chl-a)的含量常用于表征浮游植物生長狀況和水體富營養化程度[2]，有人通過浮游植物生物碳和葉綠素a濃度比值來定量反映海洋初級生產力[3]，高航等[4]利用長江口外赤潮海區真光層Chl-a 觀測數據積分優化方法的垂直歸一化模型來估算整個藻華水柱初級生產力。Chl-a濃度的變化受氣候和環境因素的影響，如季節性大氣循環、光照、當地風況、降雨、海流、河水流入、濁度、水柱分層和海表溫度波動等[5-6]。Chla濃度具有顯著的區域差異性[7]，眾多學者一般通過海域的動力過程、生物群落構成和水域環境變化，來探究特定海域的Chl-a 分布情況與環境因子之間的關系[8-9]。此外水體中營養物質的變化也會對近岸水域浮游植物群落分布帶來極大的影響[10]。

近幾十年，隨著沿海地區經濟的高速發展，人類活動對海洋環境的破壞亦日趨嚴重[11]。北部灣位于南海西北部，是亞熱帶典型的半封閉性海灣，其環流為不閉合逆時針環流，季風、入海河流、瓊州海峽、外海底層上升流等主要流系會影響北部灣海域水團的組成[12-14]。同時北部灣北部有多條河流輸入，包括南流江、大風江、欽江、茅嶺江、防城江等，年徑流量達3.0×1011m3[15]。

本研究利用2021年春季期間北部灣北部近岸8個站位的Chl-a及環境因子連續觀測數據，研究Chla 及其它環境因子在不同區域的時空分布特征，分析Chl-a 濃度與環境因子和水體營養鹽之間的相關性，探討Chl-a 時空變化可能的調控機制，旨在為北部灣近岸海域藻華暴發預報、環境保護政策制定和探明近海區域海洋初級生產力水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域和數據來源

本研究區域位于北部灣北部(108.25°—109.20°E,21.40°—22.05°N)，即廣西沿岸海域，該區域由防城港、欽州灣、三娘灣和廉州灣組成，主要的入海河流為南流江、大風江、欽江、和防城江。為展示Chl-a 的區域差異性，將站位根據所在海灣（防城港、欽州灣、三娘灣和廉州灣）分為四個區域，標記為區域A、B、C 和D。研究范圍與現場監測點位見圖1。

圖1 2021年北部灣北部近岸海域三月份平均Chl-a空間分布Fig.1 Spatial distribution of average Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in March 2021

本研究現場研究數據來自2021 年廣西壯族自治區海洋環境監測中心站水質自動在線監測的監測數據，研究海域投放的水質自動在線監測儀是美國YSI品牌的6600V2型多參數水質分析儀器,搭載的Chl-a 探頭型號為599103-02，量程0～400 μg/L。本研究選取Chl-a含量、溫度(SST)、鹽度(SAL)和濁度(TUR),于2021 年3 月進行全月的每天24 h 連續監測，每次監測的時間間隔為0.5 h。同時，利用型號為NPA-PRO 營養鹽自動分析儀（意大利SYSTEA）測定營養鹽成分[硝酸鹽(NO3-)、亞硝酸鹽(NO2-)、氨氮(NH4+)、活性磷酸鹽(SRP)]，其中，氨氮量程為0～1 mg/L，硝酸鹽和亞硝酸鹽的量程為0～5 mg/L，磷酸鹽的量程為0～0.5 mg/L，數據每4 h 采樣一次，三娘灣因未布設營養鹽探測裝置，故此海灣的水體氮磷營養鹽數據缺。為方便分析，本研究將硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮求和作為總溶解無機氮(TDIN)。

使用由遙感系統(www.remss.com/) 提供的結合交叉校準的衛星微波風和使用變分分析方法(VAM) 的儀器觀測的6 h 海面風數據，空間分辨率為(0.25° × 0.25°)。本研究采用2015—2021 年風速數據，將2015—2020 年3 月數據進行多年平均得到氣候態風速，將2021 年3 月風速數據處理為研究區域的月平均風速(WS)。

1.2 數據處理與繪圖

選取區域包含所有站位各個參數的日平均值，利用Origin 2021 繪制時間序列圖。本研究對調查區域的每日平均環境監測數據進行正態分布檢驗，并在0.05（雙尾檢驗）水平上采用Pearson 指數分析。進行不同區域Chl-a 與環境因子的相關性分析，篩選具有顯著性影響的環境因子，探討環境因子對Chl-a的影響機制。本研究Chl-a和各環境因子的等值線剖面圖均采用Ocean Data View 軟件繪制、折線圖和相關性分析圖采用Origin 2021繪制、風速圖采用MATLAB 2021b繪制。

2 結果與分析

2.1 Chl-a的空間分布

觀測期間平均Chl-a 質量濃度空間分布見圖1，顯示研究海域整體的Chl-a 質量濃度大致范圍在2.95～8.15 mg/m3（表1），平均質量濃度為4.25 mg/m3，其中廣西沿岸的中部海域存在一個顯著的Chl-a 質量濃度高值區，即區域C的5號站位，質量濃度高達8.15 mg/m3；位于區域A、區域B 和區域D 的1、3 和6號站位Chl-a 質量濃度較低，最低值出現于區域B灣內的3號站位，質量濃度為2.95 mg/m3。

表1 2021年春季研究區域Chl-a和環境參數的月均現場數據情況Table 1 The Chl-a and environmental parameters of on-site monitoring stations in the study area during the spring of 2021

2.2 環境因子的空間分布

SST 大體呈現中部高東部西部低的趨勢（圖2(a)），波動范圍為17.80～29.21 ℃（表1）。區域B 的平均水溫不超過21.2 ℃，明顯低于其他區域，其中，位于區域B 北部茅尾海的3 號站位最低，溫度為20.99 ℃；區域C 的平均水溫超過23 ℃，最高可達29.21 ℃。

SAL 梯度變化趨勢由北向南遞增（圖2(b)），變化范圍是20.46～32.25（表1）。區域B 的SAL 低于其他三個區域，其中位于內灣的3號站位SAL最低；區域D 附近海域SAL 較高，所含站位SAL 均超過30；四個區域均呈現灣內低，灣外高的分布。

TUR 在2.06～40.21 NTU 之間變化（圖2(c)），各區域的水體TUR 均值依次表現為區域D ＞區域A ＞區域C ＞區域B。位于灣內的1、3、7和8號站位的平均TUR 較高，均超過10 NTU，其中7 號站位高達13.28 NTU，表明區域D 海域懸浮物較多；其余站位的平均TUR 波動在5.75～10.27 NTU，其中4 號站位最低。

TDIN 和SRP的分布情況大體相似（圖2(d,e)），均由北向南遞減，呈現灣內高于灣外、近岸高于離岸的趨勢，其中區域B 營養鹽濃度最高（表2），其余區域營養鹽濃度相對較低；此外，根據Redfield 比值可知，在區域A、B和D的N/P ＜16∶1，因此三個區域大致為氮限制。

表2 2021年春季調查海域四個區域的環境參數Table 2 Environmental parameters of four areas in the surveyed sea area in spring 2021

圖2 2021年北部灣北部近岸海域三月份平均環境因子空間分布Fig.2 Spatial distribution of average environmental factors in the northern coastal waters of Beibu Gulf in March 2021

2.3 區域間Chl-a與環境因子的時間變化

2.3.1 Chl-a的時間序列 三月份葉綠素日平均時間序列顯示研究海域Chl-a 濃度變化范圍為1.07～15.7 mg/m3（圖3）。區域A 的Chl-a 濃度變化整體上呈現先升后降的趨勢，其中1號和2號站位均于3月8 日出現極大值，并分別在16 日和25 日達到最高值；區域B 的3 號站位變化較為平緩，而4 號站位的濃度變化區間波動最大，22—29 日有顯著波動，于25 日出現整個海域的Chl-a 最高值，在1 d 內又降至極小值；區域C 的5 號站位濃度多數時間遠高于其它站位，在15日前，存在多處極大值，15—29日期間波動十分強烈，19 日升至最高值，23 日下降至極小值；區域D 的6、7 和8 號站位存在較明顯的周期性波動，在大多數時間內，3 個站位的變化趨勢一致，但在15 日后濃度波動趨勢存在明顯反向變化的情況，其中6 號站最為明顯，17 日只有6 號站出現極大值，25—29日期間則相反。

圖3 2021年春季北部灣北部近岸海域Chl-a時間分布Fig.3 Time distribution of Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in spring 2021

為直觀觀察到Chl-a 的日變化程度，用每日數據的標準差除以平均值得到每日變化率。根據每日變化率發現調查海域每個區域的Chl-a 濃周日波動不規則；多數區域在3 月6—9 日、16—19 日、22—29 日三個時間段日波動較大，只有區域C 的日變化率相對平穩，其中區域D 的6 號站位在3 月27—29日的變化十分顯著（圖4）。

圖4 2021年春季北部灣北部近岸海域Chl-a每日變化率Fig.4 The daily change rate of Chl-a in the northern coastal waters of the Beibu Gulf in spring 2021

2.3.2 SST 和SAL 的時間變化 區域A、B、D 的SST，最低溫出現在3 月5 日，3 月20 日升至最高，而區域C的SST在3月1—12日期間，與其他區域相比波動劇烈，11日達到最高溫29.21 ℃（圖5）。SAL 方面，區域A 的變化較平穩；區域B 和D 在3 月20—22 日期間出現最低值；區域C 的SAL 與SST 變化趨勢相反（圖5）。

2.3.3 TUR的時間變化 區域A的TUR在3月19日前維持在較低水平，但在3 月21 日出現突增，4 d 后回到該區域平均水平；區域B TUR 在3 月12 日突增至21 NUT，且于22 日到達極大值；在研究期間，區域C 的的TUR 呈現不規則且劇烈的變化，波動區間小于其它三個區域；區域D 的TUR 明顯高于其他三個區域，且濃度變化劇烈，于3 月21 日突增至最高，接近30 NUT（圖5）。

圖5 不同海灣Chl-a與環境因子的時間變化特征Fig.5 Temporal variation characteristics of Chl-a and environmental factors in different bays

2.3.4 TDIN 和SRP 的時間變化 圖6為不同海灣區域的水體氮、磷營養鹽狀況，區域C因未布設營養鹽探測裝置，故此海灣的水體TDIN 和SRP 數據缺測。三個區域間的氮和磷營養鹽濃度變化情況存在差異，但每個海灣內的TDIN 與SRP 變化趨勢大體相同，且Chl-a 與營養鹽的濃度高值存在一定的滯后性（圖3，圖6）。在整個研究期間，營養鹽濃度從大到小排序為：B ＞D ＞A，但在3 月6—7 日期間，區域D 的氮營養鹽最高。因為兩種營養鹽分布大致相似，且三個區域均為氮限制，故僅保留TDIN 用于分析。

圖6 不同海灣總溶解無機氮TDIN和活性磷酸鹽SRP的時間變化特征Fig.6 Time variation characteristics of TDIN and SRP in different bays

3 討論

3.1 不同區域的Chl-a對環境因子的響應差異

營養鹽通常是影響浮游植物生長的主要因子，其分布變化能夠較為客觀的反映該海域的浮游植物生長情況。當水體中TDIN ＞0.1 mg/L，SRP ＞0.02 mg/L 時，會極大增加發生藻華的可能[16]。營養物質在水體中會受到潮汐、徑流、上升流、季風、降水等動力過程引起的水體結構改變和作用于其上物理力的影響[17-18]。根據李少朗等[19]研究，北部灣北部沿岸為不規則全日潮。根據調查期間潮汐變化圖（圖7）和Chl-a 每日變化率圖（圖4），發現由于受到不規則全日潮的影響，調查海域的營養鹽和Chl-a濃度的周日波動并不規律，使得個別站位Chla濃度一天內變化幅度很大，如位于區域D 灣外的6號站位日變化劇烈時段剛好與潮汐的不規則波動一致。北部灣北部近岸海域的水團主要為瓊州海峽流和外海高鹽水組成的混合水團，12 月至次年3月的影響范圍最大[20]。研究發現SAL 并不直接對Chl-a分布產生作用，其變化主要體現淡水輸入的影響[21]。低鹽高營養的河流沖淡水漂浮在較高鹽度的低營養鹽外海水體上，水平擴散入海，為海域浮游植物生長提供營養，對周圍海域的水文、生化特征和泥沙運動產生巨大的影響[22]。

圖7 研究海域3月潮汐變化Fig.7 Variation of tides in the study area in March

根據北部灣海域多年的3 月平均風速圖（圖8(a)）和2021 年3 月風場圖（圖8(b)）對比可知，3 月北部灣為東偏北風向，兩者一致，而近岸區域在2021年風向有所改變，主要為東南風（圖8(b)黑框內）。研究期間近岸海域多數為陰雨天氣，風雨及淡水輸入使得該區表層水體混合作用活躍，從而加速了海-氣界面的氣體交換，為浮游植物生長提供了充足的氧氣。浮游植物通常需到水體穩定、TUR 下降后才能大量吸收營養物質用于生長。

圖8 北部灣海域與研究區域3月平均海面風Fig.8 The average sea surface wind of Beibu Bay and the study area in March

微藻生長一般在吸收營養鹽的9 d左右進入生長衰減期[23]。并且，有研究發現最大風速會引起Chl-a濃度最大值滯后營養鹽濃度最大值約7～10 d[24]。在本研究中，滯后相關分析（圖9）也表明區域A 的Chl-a 濃度與營養鹽存在9 d 的最大滯后正相關（圖9(a)），這說明該區域營養鹽明顯調控著浮游植物生長。此外，A 區域附近存在上升流[25]，風引起的上升流將底層低溫高營養水帶至表層，使得該區域原本較少的氮、磷營養鹽得到一定程度的補充，待吸收9 d后藻類數量達到峰值。

區域B 最大相關系數不存在顯著滯后性（圖9(b)），Chl-a 與營養鹽有較好的同步相關。該區域所處欽州灣，灣口狹小且被陸地包圍面積大，受淡水輸入影響最為顯著，大量營養物質輸入海中；潮水經過狹窄的灣口時，會加速水體向灣內的流動。兩種水體的混合加速海-氣界面氧氣的交換，使得水體擁有充足的氧氣和營養物質，且潮汐的波動有利于浮游植物在灣內聚集，浮游植物在此大量生存繁殖，Chl-a 濃度隨之增加[18]。灣內水體TUR 較低（圖2(c)），表層浮游植物也可以得到充足的光照進行光合作用。

圖9 研究海域3月日均Chl-a和TDIN 的滯后相關分析Fig.9 The lag correlation analysis of the daily average Chl-a and TDIN in the study area in March

區域C雖然營養鹽缺測，但有研究發現，在近岸海域SAL 與營養鹽存在較顯著的負相關[26]，加之有大風江的淡水匯入使SAL 不高，由此推測該區域的營養濃度并不低。充足的營養鹽和適宜的生長溫度、光照，讓該區域藻類大量繁殖，Chl-a濃度隨之升高，成為研究海域初級生產力豐富的區域。

區域D 的TDIN 與SAL 呈顯著負相關，說明此區域營養鹽主要來源于陸源徑流，盡管也受外海水的影響，但是Chl-a 與TDIN 的滯后性卻表現弱的負相關（圖9(c)），9 d 的相關尤為顯著，這可能與高營養鹽高TUR 有關。周邊淡水攜帶高營養鹽高TUR水體注入，與東南風驅動的瓊州海峽沿岸流在該區域交匯，使得水體混合劇烈，沉積物與有機質再懸浮，導致光強減弱影響了浮游植物光合作用吸收，從而影響Chl-a濃度。

3.2 水體情況對浮游植物生長的影響

光照強弱和水體溫度一定程度上調控著海洋生態系統，對近岸海域藻華暴發起到一定的驅動作用[27]。光照和溫度通過影響浮游植物光合活性、放氧速率、酶促反應和營養物質的分解等過程等方面，來直接或間接影響藻類生長[28]。當處在適宜的光照條件下，浮游植物可以快速有效的吸收營養物質用于自身繁殖，從而獲得競爭優勢，而當水中混合層和真光層比值變小時，會導致水體光照增強，從而加大藻華發生的機率[29]，且適宜的水溫（23～28 ℃）也有利于浮游植物的復蘇和大量生長[30]。

區域C 的SST（＞23 ℃）明顯高于其他區域（圖2(a)）。該區地形開闊[31]，WS 相較其它區域強（圖8(b)），外海水侵入量較大。宋國棟等[32]發現，春季近岸海水表面溫度低于離岸海水，因此在東南風的作用下溫度較高的外海水流向近岸與陸源淡水混合，從而導致該沿岸海域溫度升高，短時間內引起SST的強烈響應，溫度升高到適宜生長的水平，從而促進該海域的浮游植物大量生長，因此區域C 的Chl-a濃度較高。區域A、B、D溫度與Chl-a濃度顯著正相關（圖10），與先前研究結果一致[30]。區域C 溫度與Chl-a濃度并無顯著相關，推測是該區域SST整體維持在較高溫度，當浮游植物處在一個適宜的溫度、光照環境并有充足的營養鹽時，SST 并不能對其形成溫度限制，使得相關性并不顯著。由于多數時間廣西沿岸處于陰雨天氣，使得光照程度較晴天弱，且區域A 和D 受外海水和淡水混合作用強，由徑流輸入帶來的懸浮顆粒物與潮汐帶來的底層沉積物在水體中混合再懸浮會導致水體TUR 增大，水體中的有效光合輻射強度減弱，限制了浮游植物的光合作用，大大降低這兩個區域的浮游植物生物量[33-34]。當水體中營養鹽豐富時，光照是影響浮游植物生長的主要因素[35]，區域B 的TUR 不高，藻類可用光強充足，且該區域為半封閉性海灣，當高營養的淡水注入時，灣內藻類吸收大量營養用于生長，使得該區Chl-a濃度較高，為該區藻華暴發提供有利條件。

圖10 2021年春季期間北部灣北部沿岸海域Chl-a與環境因子的Pearson相關分析Fig.10 Pearson correlation analysis of Chl-a and environmental factors in the northern coastal waters of the Beibu Gulf during the spring of 2021

綜上，通過監測近岸水體中藻類Chl-a 的濃度（重點關注區域B 和C），了解整個北部灣北部近岸調控Chl-a 分布特征的影響因素，可以為藻華災害監測預警問題提供數據和理論支持。

4 結論

春季北部灣北部近岸水體大致呈現出氮限制，Chl-a時間變化主要受陸源輸運、光照和不規則全日潮影響。并且，Chl-a 濃度呈現顯著的空間變化，這種現象可能受不同區域環境因子的明顯變化調控：1）防城港的浮游植物生長主要受營養鹽調控；2）在富含營養鹽淡水輸入的欽州灣和三娘灣，且低TUR暗示光照充足，浮游植物的生長不受到光照和營養鹽限制，但由于三娘灣的SST 相對更適宜，使得該區的浮游植物Chl-a 明顯高于其他區域；3）在高營養鹽的廉州灣，由于高TUR 導致的透明度下降光照減弱，導致浮游植物生長受到光照限制，Chl-a 濃度最低。