深圳湾叶绿素a时空分布及其与环境因子的关系

深圳湾叶绿素a时空分布及其与环境因子的关系

深圳湾（香港简称后湾）是香港和深圳之间的湾。它位于香港新媒体西北部，中国广东省深圳市西部的对岸。安静平原以西，蛇湖以东。这是一个从西南开始的半封闭性湾。东海湾222418，西海湾3212，北海湾113306140230，面积约100公里2。流入深圳湾的河流有深圳河、大沙河、元朗河。深圳湾中央是浅水通道,湾顶水深1~2m,至蛇口水深超过4m,主要靠潮流量维持其生态,生态环境比较脆弱,是赤潮的多发区。在这一海域,已经有学者研究了浮游生物、底栖动物、重金属和硫化物,但对深圳湾叶绿素a的研究尚未见报道。叶绿素a质量浓度的高低与该水体藻类的种类、数量等密切相关,也与水环境质量有关,是水体理化性质动态变化的综合反映指标之一。叶绿素a质量浓度的分布变化受光辐射、温度、透明度和营养盐等因素的影响,因此,通过测定叶绿素a质量浓度能够在一定程度上反映水质状况。有关海湾叶绿素的分布及其与理化因子相关性研究已有相关报道,但由于各海湾所处地理位置和特定生境条件的差异,影响叶绿素a分布的主导因子不尽相同,对特定海湾叶绿素的分布及其影响因素的研究,有助于阐明该海湾生境条件下表征浮游植物生物量和水质状况的叶绿素a的分布特征及其形成机制。在深圳湾,水体叶绿素a的分布特征及其与主要影响因素迄今尚无报道,笔者及其研究小组于2008年2月至11月,在深圳湾海域设立了10个调查站位,分4个季度对该海域的物理、化学和生物因子实施了一周年的综合调查。本文根据4个航次的调查数据,研究深圳湾叶绿素a的时空分布特征及其主要影响因素,旨在深入了解该湾的生态环境状况,为该海湾的环境治理和生态恢复提供科学依据。1材料和方法1.1采样站位设置和采样过程根据深圳湾的自然环境特点,本次调查共设10个站位,站位分布如图1所示。1、2、4、6、7、8、9站由湾内向湾外分布设置,10站设置在大沙河河口,3站设置在2站和10站间约中间的位置,5站设置在蛇口渔港港口右侧。站位定点采用Garmin公司生产的GPS76定位。为方便对比分析,本文将研究海域所设站位分为三个部分,分别为湾内的1站、2站、3站和10站,湾中的4站、5站、6站和7站,湾口的8站和9站。4个航次的采样分别在2008年2月(冬季)、2008年5月(春季)、2008年8月(夏季)和2008年11月(秋季)。每次采样在高潮前后2h内完成。采样时用HQM-1型有机玻璃采水器平行双样采表层水样(离水面0.5m),采集的水样装于事先用蒸馏水冲洗干净的聚乙烯瓶内,现场加适量饱和碳酸镁溶液固定防止酸化,立即带回实验室分析。1.2测定叶绿素a质量浓度的方法根据《海洋监测规范》(GB17378-1998),叶绿素a质量浓度的测定采用丙酮萃取分光光度法,使用的测试仪器为岛津UV-2450紫外可见分光光度计。1.3监测指标测定方法为探讨叶绿素a分布的影响因素,在测定叶绿素a的同时,也测定了主要相关环境因子。水温用温度计、盐度采用Orion130A盐度计、pH采用Orion3starpH计现场测定。其它指标测试水样带回实验分析,参照《海洋监测规范》中的测定方法,溶解氧(DO)采用碘量法,总有机碳(TOC)用非色散红外线吸收法,化学需氧量(COD)用碱性高锰酸钾法,NO3--N采用锌镉还原比色法、NO2--N采用盐酸萘乙二胺分光光度法、NH4+-N采用次溴酸盐氧化法、PO43--P采用磷钼蓝分光光度法、SiO32--Si采用硅钼黄分光光度法在实验室中测定;浮游植物密度采用显微镜下计数框计数法测定。1.4统计过程及分析叶绿素a与主要环境因子间的相关关系采用Pearson相关分析,统计过程使用SPSS11.0完成。叶绿素a等值线分布图采用GoldenSoftwareSurfer8.0软件生成。2结果与分析2.1深莞湾叶绿素a的区域分布由图2可知,深圳湾水域叶绿素a质量浓度范围为3.07~309.94mg·m-3,年平均值为42.29mg·m-3,最低值2.87mg·m-3出现在冬季8站位,最高值309.94mg·m-3出现在春季1站位。冬季叶绿素a质量浓度除1站位较高(40.21mg·m-3)外其它站位普遍较低,季节均值为8.96mg·m-3。春季叶绿素a质量浓度除9站位外其它站位普遍较高,1站位、3站位和10站位分别高达309.94、240.85、172.96mg·m-3。夏季叶绿素a质量浓度在6站位(104.00mg·m-3)最高,4站位、5站位和10站位也比较高,分别为45.77、72.48和53.56mg·m-3。秋季叶绿素a质量浓度在10站位最高,为34.85mg·m-3,随后为3站位、6站位和5站位。总的来说深圳湾四季叶绿素a平均质量浓度由高到低排列分别为:春季(108.33mg·m-3)>夏季(35.2mg·m-3)>秋季(16.68mg·m-3)>冬季(8.96mg·m-3)。调查海区叶绿素a质量浓度年均值的平面分布,整体显现由湾内向湾口递减的分布特征(图2)。湾内叶绿素a的实测值年变化为4.04~309.94mg·m-3,均值为65.43mg·m-3。湾中叶绿素a的实测值年变化为3.07~76.28mg·m-3,均值为35.22mg·m-3。湾口叶绿素a的实测值变化为2.87~43.05mg·m-3,均值为10.17mg·m-3。调查海区叶绿素a质量浓度最高值出现在湾内的1站位,站位实测值年变化为14.19~309.94mg·m-3,均值为95.03mg·m-3;最低值在8站位,站位实测值年变化为2.87~43.05mg·m-3,均值为15.51mg·m-3,与最高值相差6倍多。叶绿素a在深圳湾湾内的分布存在明显的局部差异,表现为湾内水域明显高于湾中和湾外水域的趋势。位于湾口的8站和9站位的叶绿素a质量浓度年均值只有10.17mg·m-3,远低于其他8个站位的年均值。不同季节调查海区叶绿素a质量浓度的平面分布有所不同(图2)。冬季(2月)叶绿素a质量浓度整体较低,分布比较均匀,由湾内向湾口递减的趋势与全年的趋势相同,最高值出现在湾内1站(40.21mg·m-3),最低值则位于湾口8站(2.87mg·m-3)。春季(5月)调查海区的叶绿素a质量浓度整体明显上升,上升幅度非常显著,由湾内向湾口递减的趋势与全年的趋势相同,最高值出现在湾中1站(309.94mg·m-3),最低值则位于湾口9站(5.73mg·m-3)。夏季(8月)调查海区的叶绿素a质量浓度整体明显下降,但湾中的4站和6站出现了上升,最高值出现在湾中6站(104.00mg·m-3),最低值出现在湾口9站(3.96mg·m-3),有由西岸向东岸递减的趋势。秋季(11月)调查海区的叶绿素a质量浓度整体明显下降,分布比较均匀,最高值出现在湾内10站(34.85mg·m-3),最低值也出现在湾内2站(3.89mg·m-3),3站位略微的上升,由西岸向东岸递减的趋势与夏季相同。总的来说,在研究海区叶绿素a的季节平面分布特征,冬季和夏季叶绿素a质量浓度显现由湾内向外逐渐递减的分布特征,而夏季和秋季显现由西岸向东岸逐渐递减的分布特征。2.2浮游植物密度与温、cod、toc、po33-p的关系相关分析表明(表1),深圳湾叶绿素a质量浓度与水温、COD、TOC、PO43--P、浮游植物密度呈显著的正相关(P<0.05);与DIN呈极显著正相关(P<0.01),与其他因子的相关性不显著。2.3深莞湾海域富营养化评价结果叶绿素a质量浓度的高低是藻类生物量大小的重要标志,同时可作为判断水体富营养化程度的指标。一般认为,未受污染的外海水域,叶绿素a质量浓度低于2mg·m-3,而平均水平在10mg·m-3以上则标示着较高的富营养化水平。本文结合调查海域的实际情况参考美国环保总署(USEPA)有关标准,以叶绿素a质量浓度为单一评价标准对海区进行富营养化评价,评价标准如下:Chl.a>10mg·m-3,富营养化;4mg·m-3<Chl.a<10mg·m-3,中营养化;Chl.a<4mg·m-3,贫营养化。以上述为标准的深圳湾海域富营养化评价结果见表2:冬季,湾内处于富营养化状态,湾中处于中营养化状态,湾口处于贫营养化状态;春季,湾内、湾中和湾口均处于富营养化状态;夏季,湾内和湾中处于富营养化状态,湾口处于贫营养化状态;秋季,湾内和湾中都处于富营养化状态,湾口处于中营养化状态;全年,湾内、湾中和湾口均处于富营养化状态。3陆源输入与浮游植物生存的关系深圳湾是一个较封闭的内湾(见图1),与外界水体的交换完全取决于湾内的深圳河、大沙河、元朗河和西南面的湾口潮流交换过程。本调查结果显示,深圳湾湾内站位的叶绿素a年平均质量浓度明显比其它站位的高,特别是比湾口的站位。一般来说,营养盐质量浓度越高,浮游植物越丰富,叶绿素a的质量浓度也就越高。春季陆源径流增加,营养盐在陆源径流和潮流的作用力下在深圳湾由湾内向外呈递减分布,在大量营养盐、适宜的水温和光照的作用下,浮游植物大量繁殖,水体富营养化状况也基本由湾内向外递减,叶绿素a质量浓度在湾内出现全年最高值,出现了由湾内向外递减的分布趋势。夏季是深圳湾的丰水季节,大量营养盐随着雨水冲刷入海,由于地理原因,营养盐在陆源径流较强的作用力下,冲向西岸,出现了西岸营养盐比东岸丰富的现象,叶绿素a质量浓度分布也出现了由西向东递减的趋势。秋季是深圳湾的枯水季节,陆源径流补充的营养盐没春季和夏季多,加上春季和夏季浮游植物大量繁殖消耗了大量营养盐,所以秋季叶绿素a质量浓度比春季和夏季少。再由于深圳湾西岸是商业密集区,而东岸不是,比较多的营养盐通过大沙河和其它方式排放到靠近西岸的地方,所以叶绿素a质量浓度分布有由西岸向东岸递减的现象。冬季,是深圳湾的枯水季节,营养盐质量浓度较其它三季低,且水温是一年中最低的季节,叶绿素a质量浓度随水温增高而增高,水温有由湾内向外递减的趋势,所以叶绿素a质量浓度在冬季出现一年的最低值,有由湾内向湾外递减的现象。由此可见,陆源输入是影响深圳湾叶绿素a质量浓度分布格局的重要因素。叶绿素a质量浓度最高值和最低值分别出现在春季和冬季,这与童万平等对北海湾叶绿素a的研究相一致。春季,光照、营养充足,温度适宜,是浮游植物生长最旺盛的季节,所以最高值出现在春季。冬季,光照、营养、温度都处于一年中最低水平,浮游植物生长是一年中最慢的,所以最低值出现在冬季。冬季叶绿素a质量浓度最高在1站位,可能是与1站位靠近深圳河和元朗河河口,在枯水季节仍能获得丰富的营养补充有关。春季叶绿素a质量浓度除9站位外其它站位普遍较高,1站位、3站位和10站位更分别为309.94、240.85、172.96mg·m-3,可能是因为9站位远离河口,而1站位、3站位和10站位靠近河口或在河口,能获得丰富的营养补充有关。夏季叶绿素a质量浓度在6站位(104.00mg·m-3)最高,4站位、5站位和10站位的也比较高,可能是因为夏季陆源径流大,水动力强,营养物质较多地被冲刷到湾中部,在那里积累,4站位、5站位和6站位能获得更丰富的营养补充,而10站位因为设在大沙河河口,所以也能获得丰富的营养补充。秋季叶绿素a质量浓度在10站位最高,可能是大沙河带来大量营养物质,10站位获得丰富营养的原因。相关分析表明,深圳湾海域叶绿素a与水温、COD、TOC、PO43--P和浮游植物密度呈显著正相关,与DIN极显著正相关,说明叶绿素a与水温、COD、TOC、PO43--P、浮游植物密度和DIN有着比其它因子更为紧密的联系。在营养水平条件满足的情况下,在研究海域水体中叶绿素a质量浓度随水温增高而增高,水温是叶绿素a质量浓度增长的限制因子,这和黄良民,葛大兵,陈桥,赵新民等对水体中叶绿素a的研究相一致。氮、磷营养盐的陆源输入,可直接刺激浮游植物生长繁殖而种群数量增加,叶绿素a质量浓度相应增加;COD和TOC均可以表征水体中有机物的丰富程度,陆源输入的COD和TOC值越大,有机物越多,微生物分解产生的氮、磷营养盐则越多,浮游植物种群数量越多,即叶绿素a质量浓度越多。另一方面海水中叶绿素a质量浓度高,同时也就意味着浮游植物数量多,浮游动物数量增加,摄食量也加大,排泄物增多,反过来可以刺激浮游植物生长繁殖,种群数量增加。本次调查发现在调查海域无机氮与磷酸盐的比率(DIN/P)远高于利于浮游植物生长的Redfield比率(16∶1),说明该海区P是潜在的限制因素,PO43--P增加可以促进叶绿素a的增长;叶绿素a与DIN极显著正相关,表明在深圳湾,DIN的增加尤其是陆源输入能直接刺激浮游植物的生长繁殖,导致叶绿素a质量浓度的增加。赤潮生物的存在、水体富营养化、水温、盐度适中是形成赤潮的主要原因,当海水的温度为20~30℃时,适宜赤潮藻类孢囊的萌发,并大量繁殖;盐度在26~27均有可能发生赤潮,但是在盐度15~21.6时,易形成温跃层和盐跃层,温跃层和盐跃层的存在,为赤潮藻类