煙臺四十里灣葉綠素a濃度的時空分布特征及其影響機制

沈春燕 , 施 平 趙 輝

(1. 中國科學院 南海海洋研究所 熱帶海洋環境國家重點實驗室, 廣東 廣州 510301; 2. 廣東海洋大學, 廣東 湛江 524088; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

近年來, 快速增長的人口和工業化的發展給海洋環境帶來巨大的壓力, 一個最顯著的現象就是水體富營養化和赤潮的發生。水體葉綠素 a濃度是衡量浮游生物分布、水體初級生產力和富營養化狀況的一個基本指標[1], 監測和分析葉綠素a濃度的時空分布特征對于海洋生物資源的評估和海洋環境監測非常重要。

煙臺四十里灣位于煙臺市萊山區北部海域(圖 1),三面鄰陸, 一面向海, 為耳狀半封閉海灣, 海岸線長約20 km, 平均水深8～10 m, 是中國北方一個重要的淺海養殖區, 也是煙臺的重要水產養殖場所。近年來,隨著人口的增長和沿岸經濟的迅速發展, 特別是水產養殖和旅游觀光等人類活動加劇, 大量污染物進入海灣, 對該海域的生態環境破壞嚴重, 赤潮時有發生。根據山東省海洋環境監測中心監測記錄, 四十里灣在1998～2010年, 除2000、2003和2006年外, 每年都有赤潮發生, 富營養化程度比較嚴重[2]。2003～2008年, 四十里灣海水中氮、磷、硅營養鹽濃度均增加3倍以上[3]。2007～2010年, 四十里灣氮磷呈現歷年增加的趨勢, 表明該海域有污染加重的趨勢[2]。營養物質的增加和赤潮的發生對該區域整個生態系統造成很大的危害, 嚴重影響了濱海旅游業和漁業經濟的可持續發展。四十里灣的富營養化現象引起不少學者的重視。但是以往的研究主要是集中于水質[4]和營養鹽[2,5-8], 特別是赤潮[9-11]等方面的分析。對于葉綠素 a方面的研究, 只有喻龍[12]和 Hao等[3]分析過2003～2008年5～9月份赤潮高發期葉綠素a濃度的變化, 李斌等[13]研究了2006～2010年5、8、10月葉綠素a的分布特征。但是以往的研究僅限于短時間段和有限站點的采樣研究, 對于整個四十里灣水域和長時間序列的葉綠素a的研究還沒見報道。本文在已有研究的基礎上, 利用2003～2012年MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer)衛星遙感數據, 在初步分析四十里灣葉綠素 a濃度的時空分布特征的基礎上, 對葉綠素 a時空變化的可能機制進行了探討, 為四十里灣的海洋生態環境保護和可持續發展提供參考。

1 資料與方法

本文使用的葉綠素a數據及海表溫度是MODIS遙感資料。MODIS是搭載在土星 EOS-Terra(Earth Observation System-Terra)和水星 EOS-Aqua(Earth Observation System-Aqua)上的中分辨率成像光譜儀。MODIS有36個波段, 其中8～16波段用于海洋水色觀測, 中心波長 412、443、488、531、551、667、678、748、867 nm, 星下點分辨率是1 km。本文使用美國宇航局(NASA)網站(http: //oceancolor.gsfc.nasa.gov/)提供的EOS-Aqua獲取的MODIS逐日葉綠素a濃度, 資料的空間分辨率是1 km, 時間是2003年1月～2012年12月。本文共挑選了2 730幅圖像, 其中725幅是無云或者云覆蓋很少的。下載的資料在ENVI(The Environment for Visualizing Images)進行簡單的坐標投影轉換才能應用。坐標投影轉換時, 所有的圖像都采樣同樣的投影參數。經過投影后進行區域裁剪, 多時相合成, 算術平均分別獲得研究區域內的月平均和年平均葉綠素a濃度數據。海表面溫度數據與葉綠素a數據同步, 處理方法類似, 最終獲取 2003～2012年海表面月平均溫度數據。將單日MODIS葉綠素濃度大于100 mg/m3的極高值當做異常值予以剔除, 由于葉綠素濃度異常值較少, 該剔除方法對統計的結果影響不大。

圖1 四十里灣研究區域Fig.1 Study area of the Sishili Bay

2 結果分析

2.1 四十里灣葉綠素a濃度的空間分布特征

圖2為煙臺四十里灣海域2003～2012年月平均海表面葉綠素a的空間分布。四十里灣葉綠素a濃度具有顯著的水平分布特征, 全年均是南部的近岸高,從西南的灣內向東北的灣外逐漸降低。

冬季(12～2月), 四十里灣葉綠素 a濃度范圍是2～17 mg/m3。12月份, 最高值(>12 mg/m3)出現在四十里灣最西側與芝罘灣交界的一帶沿岸海域。南部離岸約4 km寬以內的海域分布值大概是5 mg/m3。最低值(2.5 mg/m3)出現在崆峒島北部, 呈條帶狀一直延伸到北黃海。1、2月份葉綠素 a濃度的平面分布基本一致, 高值區(>4 mg/m3)出現在辛安河入海口, 葉綠素 a濃度總體從近岸向外灣逐步降低, 但是變化梯度不大, 最低值(<2 mg/m3)分布在崆峒島附近海域。

春季(3～5月), 四十里灣葉綠素 a濃度范圍是1.8～18 mg/m3, 明顯比冬季高。3～5月份葉綠素 a濃度的水平分布趨勢基本一致, 都是近岸高, 逐漸向外海降低, 但是同一個地點的葉綠素 a濃度逐月升高。從4月份開始, 在逛蕩河入海口正北方大約6 km左右有一個高值羽分2支向北流去, 從該區域一直延伸至崆峒島附近海域, 5月份該高值羽的強度繼續加強。

夏季(6～8月), 四十里灣灣內的葉綠素 a濃度達到年高峰, 最高值達到36 mg/m3。6月份, 高值區(>15 mg/m3)出現在辛安河入海口正北方大約5 km的海域, 大于10 mg/m3的區域向西延伸至逛蕩河入海口一帶海域, 然后沿著海岸線向東延伸至辛安河入海口。另外還有2個較高值(>10 mg/m3)區域出現在養馬島西邊部和崆峒島西南海域。7月份, 葉綠素 a濃度值相比6月份有所降低, 灣內葉綠素 a分布沒有規律, 高值區出現在辛安河入海口, 有2個低值區, 一個出現在逛蕩河口, 另一個在養馬島西北側。6、7月份, 以崆峒島為界, 灣內外葉綠素a濃度的變化梯度比較大。而且, 原來出現在春季的高值羽在6月份基本消失, 在7月份有一點痕跡, 直到8月份, 高值羽合并為一支, 并擴大增強。大于15 mg/m3的區域在8月份占據了整個內灣的差不多三分之一的區域, 是全年葉綠素a濃度最高的月份。

秋季(9～11月), 葉綠素 a濃度逐月下降。9月份,葉綠素 a濃度比8月份有所下降, 高值區的范圍也縮小。9月份葉綠素高值羽的寬度比8月份的小, 而且向東偏移, 在10月份消失。

2.2 四十里灣葉綠素a濃度的時間分布特征

2003～2012年四十里灣葉綠素a月平均變化濃度是 4.2～13.9 mg/m3, 標準偏差的變化范圍是0.5～7.8 mg/m3。葉綠素a中值的分布趨勢與均值基本一致, 而且在同一個月份兩者的值差別不大。在春季5月份(10.3 mg/m3)和夏季8月(13.9 mg/m3)出現2個高峰, 呈現溫帶海域特有的葉綠素a“雙峰”現象。從季節變化來看, 夏季葉綠素a濃度最高, 平均值是10.1 mg/m3, 春秋季差別不大, 平均值都約7.3 mg/m3,位于其次, 冬季最低, 平均值是4.7 mg/m3。

圖2 四十里灣2003～2012年月平均葉綠素a濃度的平面分布Fig.2 Monthly averaged MODIS Chl-a in the Sishili Bay from 2003 to 2012

從年際變化來看(圖3b), 四十里灣葉綠素a年平均值有波動性, 最低值出現在 2003年, 整個海灣平均值是6.7 mg/m3, 最高值出現在2011年, 平均值是12.0 mg/m3。標準偏差的變化范圍是1.2～5.6 mg/m3。中值的分布趨勢與均值一致, 而且每年的中值和均值比較相近。

3 討論

3.1 四十里灣MODISA遙感葉綠素a濃度與已有研究的對比

衛星遙感數據在近海二類水體的應用是有爭議性的。為了驗證衛星遙感產品的可用性, 我們收集四十里灣已有的葉綠素 a濃度的研究資料與本研究結果進行對比分析。喻龍等[12]分析了2003～2008年赤潮高發期(5～9月)的營養鹽與葉綠素 a的年際變化, 發現四十里灣葉綠素a含量大體上呈上升趨勢, 2003年為2.7 mg/m3, 到2007年上升到了11.5 mg/m3, 2008年略有下降, 為7.26 mg/m3, 葉綠素a含量的升高也暗示該海域有富營養化的趨勢。李斌等[13]利用2006～2010年5、8、10月的四十里灣的調查資料, 分析了該海域的水質、浮游植物、葉綠素及水文氣象要素。結果顯示, 2006～2009年, 四十里灣表層葉綠素a年平均含量有逐年增加的趨勢。除了2009年, 其他年份的葉綠素a含量均為8月最高。從已有的研究來看, 對于葉綠素a濃度的時空變化, 喻龍等[12]和李斌等[13]的研究結果不盡相同。本研究的結果盡管與前人的研究也有所不同: MODIS衛星遙感葉綠素a的值普遍比前人采樣實測的值高, 空間分布的實際結果略有微小差異; 但本研究得到的四十里灣葉綠素a濃度值數量級、葉綠素a年波動以及最高峰所在的月份與已有的2個研究結果一致。造成本研究與已有的研究結果有差異的主要原因有: (1)實測數據是離散點采樣, 一些重要信息缺漏, 而遙感數據的數據點要密很多; (2)研究的具體時間不盡相同,因為面積較小的四十里灣被迅速發展的煙臺市包圍,水域環境因子嚴重受調查期間人類活動、氣象因素等影響, 所以結果也有偏差。

圖3 四十里灣2003～2012年葉綠素a濃度的時間分布Fig.3 Temporal distribution of MODIS Chl-a concentrations in the Sishili Bay from 2003 to 2012

通過與已有的研究結果的對比分析證明, 利用MODIS遙感資料反演四十里灣葉綠素a濃度具有可行性。同時, 本文主要關注該海域葉綠素a的時空變化特征, 有關定性研究 MODIS衛星遙感該海域葉綠素 a的精度和誤差方面的問題將在今后開展實施。

3.2 海表面溫度和異常天氣對葉綠素 a分布的影響

一般來說, 海水中葉綠素 a濃度的分布變化在一定程度上受到水域環境因子的影響, 其中, 溫度、透明度、營養鹽和風場是首要因子。以往的研究表明, 海水溫度是影響四十里灣葉綠素 a含量的重要因子, 葉綠素a和海水溫度呈顯著正相關[12-13]。圖4是四十里灣2003～2012年10年月平均海表面濃度分布。四十里灣夏季海水溫度最高, 平均值的 22.4℃,其次是秋季, 18.66℃, 春季和冬季分別是 8.41℃和3.56℃。對10 a 120個月平均的葉綠素a濃度和海表面溫度做相關分析顯示, 葉綠素 a和海表面溫度呈正相關(相關系數是0.41, P<0.05)。夏季陽光充足, 營養物質供應豐富, 浮游植物光合作用旺盛, 所以葉綠素 a濃度含量相對較高, 相反, 冬季就比較低(圖2、圖 3b)。

圖4 四十里灣多年月平均海表面溫度圖Fig.4 Monthly averaged sea surface temperature in the Sishili Bay

四十里灣歷來很少受到臺風的影響。2011年出現年平均值的高峰, 可能與罕見地出現在該年度的的2個臺風“米雷”和“梅花”有關。由于臺風所伴隨的強風、向上的埃克曼抽吸、降溫等對臺風路經海域的浮游植物有極其重要的影響, 圖3b顯示2011年的葉綠素a濃度平均值達到12 mg/m3, 浮游植物迅速增長。類似的現象也出現在2005年11月和2007年11月, 臺風導致南海相應的海域發生水華現象[14];2007年臺風海貝思期間, 南海相應的海域出現葉綠素濃度高值區[15]。

3.3 人類活動對葉綠素a分布的可能影響

隨著四十里灣經濟發展和人口的增長, 該海域受到人類的影響也越來越大, 生活污水、工農業排放和水產養殖和海洋旅游業帶來的污染物質中富含的營養鹽是影響海水葉綠素 a濃度分布的重要因素。進入四十里灣的主要河流是東南角的辛安河、魚鳥河和西邊的逛蕩河。辛安河污水處理廠一期工程從2003年底開始, 日排污量從2萬噸增加到2012年的9萬噸[2], 近年來排污帶來的營養物質的增加可能是該海域葉綠素a濃度較高的一個因素。從2003年開始, 18個排污口和芝罘區南郊的工業廢水和生活污水4萬m3/d, 這些污水部分處理, 然后全部經逛蕩河入海, 牟平區的污水也是未經處理直接經魚鳥河注入該海域[11]。這些入海的污水富含豐富的有機物, 是沿岸出現高濃度葉綠素a的主要原因(圖2)。高濃度的葉綠素a向外海擴散, 濃度慢慢降低。孫珊等[7]也指出, 煙臺四十里灣海域營養鹽的分布整體趨勢是近岸高, 由近岸向外部海域遞減。圖 2中 4～5、7～9這幾個月在逛蕩河口正北出現的葉綠素 a高值羽,也有可能是逛蕩河富含有機物的污水入海后擴散流形成的。另外, 四十里灣營養鹽含量與降雨量顯著相關。煙臺屬于溫帶季風氣候, 雨季一般出現在 7～9月, 降雨引起徑流量增大, 其中豐富的營養物質導致這幾個月的葉綠素a濃度較高(圖2、圖3a), 這也是導致赤潮發生的主要原因[10]。李斌等[13]也證實,8、9月份煙臺進入雨季, 充足的降水攜帶著大量的陸源污染物經辛安河流入四十里灣, 該過程在改變了海水的營養狀態的同時也加強了海水上層的層結,為赤潮發生提供了物質和物理基礎。因此, 浮游植物在每年的8、9月快速增長, 葉綠素a濃度就相對較高, 這與本文的結果一致(圖3a)。

葉孟杰等[8]指出, 四十里灣赤潮形成的營養物質主要是養殖糞便及其廢棄物提供的。高昊東等[11]也指出, 四十里灣的各類污染物總量以貝類養殖排泄物居首, 赤潮發生的幾率及范圍與貝類養殖面積以及 N、P和 C排泄物年際變化有直接的關系。四十里灣海水養殖歷史悠久, 早在20世紀80年代就開展海帶和裙帶菜的養殖實驗, 養殖對象有貽貝、櫛孔扇貝、海灣扇貝和海帶, 養殖區遍布整個內灣, 過密的養殖, 阻礙了海流的暢通, 不利于污染物稀釋擴散[11], 這也是造成內灣葉綠素a濃度高(圖2)的原因,而且高濃度的葉綠素 a主要是集中在內灣, 無法擴散出去。

隨著四十里灣經濟的發展, 入海排污量日增,同時, 養殖業也迅速發展, 所以灣內的營養物質逐年增長, 這可能也是導致四十里灣葉綠素 a濃度較高的(圖3b)的重要原因。

4 結論

衛星遙感技術為海洋研究提供了大量、大面積的同步監測數據, 彌補了常規監測的不足。本文利用衛星遙感資料, 詳細分析了四十里灣海洋的葉綠素a時空分布及變化特征, 并分析其影響機制, 得到如下的幾點結論:

1) 四十里灣葉綠素 a濃度總體上是灣內高, 灣口低。逛蕩河口正北約6 km海域在4～5、7～9月出現葉綠素a高值羽。

2) 四十里灣葉綠素a濃度夏季最高, 冬季最低,每年的5、8月份出現高峰, 呈現溫帶海域特有的“雙峰”特性。年平均值呈現波動狀態, 2011年出現年平均值的高值峰, 可能與當年過境該海域的 2個臺風有關。

3) 四十里灣葉綠素a濃度的分布及變化與海表面溫度以及人類的影響密切相關。其中人類活動的影響, 特別是入海排污和海水養殖業是影響葉綠素a濃度分布的重要原因。

受當前觀測數據限制, 本文僅是我們初步的研究結果, 我們當前的目標是定性的研究以遙感葉綠素 a為指標該區域浮游植物分布及變化特征, 今后我們會增加大氣渾濁、水體光學性質的觀測研究,以期更準確地定量地評價該區域的葉綠素濃度分布特征。

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