秦皇島外海低氧區(qū)顆粒物吸收光譜特征*

于廉濤 張桂成 楊 偉 趙 亮 李夢(mèng)婷 宋貴生①

(1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津市海洋環(huán)境與安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072; 2. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457)

懸浮顆粒物(suspended particulate matter, SPM)是海水的重要組成部分, 也是海洋物質(zhì)循環(huán)的重要載體(Hongetal, 1999; Cheetal, 2003), 在調(diào)控海洋生物地球化學(xué)循環(huán)、生態(tài)過程以及碳埋藏過程中均起到重要作用(Reynoldsetal, 2021)。同時(shí), 海水中SPM是水柱、沉積物和食物鏈之間重要的物質(zhì)交換紐帶(Turneretal, 2002), 對(duì)海水中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化有重要意義。SPM 可分為有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分: 無(wú)機(jī)組分主要包括陸源輸入的各類無(wú)機(jī)礦物碎屑、生物過程產(chǎn)生的硅質(zhì)、鈣質(zhì)骨架碎屑等以及海水化學(xué)過程中產(chǎn)生的次生礦物; 有機(jī)組分主要包括浮游植物、浮游動(dòng)物、細(xì)菌、生物殘骸及其代謝產(chǎn)物(Goldberg, 1979)。

SPM 通過吸收和反射影響太陽(yáng)輻射在海水中的穿透深度, 其吸收光譜[ap(λ)]可分為浮游植物吸收光譜[aph(λ)]和碎屑顆粒物吸收光譜[ad(λ)]。aph(λ)在400～450 nm 和675 nm 處分別存在顯著的色素吸收峰(Bricaudetal, 1990)。aph(λ)主要受葉綠素a(chla)濃度影響, 二者存在一定的正相關(guān)關(guān)系(Sathyendranathetal, 1988; Bricaudetal, 1995)。然而, 其吸收光譜的形狀還取決于藻類細(xì)胞中光合色素的吸收特性以及一些其他因素, 如浮游植物種群結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)周期、光照以及包裹效應(yīng)等(Bricaudetal, 1995, 1998; Stramskietal, 2002)。另外, 浮游植物吸收光譜存在一定的時(shí)空變化(Babinetal, 2003)。其中, 包裹效應(yīng)與藻類細(xì)胞粒徑和色素濃度有關(guān), 色素濃度越高, 細(xì)胞粒徑越大, 包裹效應(yīng)越強(qiáng)(Moreletal, 1981; Bricaudetal,1990)。因此可將aph(λ)對(duì)chla濃度進(jìn)行歸一化, 得到浮游植物比吸收(Bricaudetal, 1995), 用以描述水體中浮游植物的吸收特性, 判別浮游植物大小及組成(周雯等, 2012; Sunetal, 2022)。研究發(fā)現(xiàn)輔助色素在(440)變化中扮演重要角色, 因此常采用440 nm波長(zhǎng)下的比吸收作為參考。

在開闊大洋, 碎屑顆粒物主要源自浮游植物產(chǎn)生的有機(jī)碎屑, 因此,ad(λ)往往小于aph(λ); 在河口和陸架海中, 陸源輸入有機(jī)顆粒物和無(wú)機(jī)礦物的影響導(dǎo)致ad(λ)波動(dòng)較大(Wo?niaketal, 1992)。ad(λ)與SPM濃度之間存在正相關(guān)關(guān)系(Bowersetal, 1996; Babinetal, 2003), 隨波長(zhǎng)呈指數(shù)衰減特征(Bricaudetal,1998):

其中λ0是參考波長(zhǎng),Sd是光譜斜率, 反映ad隨波長(zhǎng)降低的程度。Sd與無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)的比例有關(guān), 變化幅度較小(Babinetal, 2003), 且會(huì)受到有機(jī)碎屑組成的影響(Bricaudetal, 2010)。此外, 邢小罡等(2008)在渤海海域的研究發(fā)現(xiàn)ad與Sd存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

水體層化和底層水體中有機(jī)物大量分解耗氧是陸架海低氧形成的基本條件(Rabalaisetal, 2007), 而有機(jī)物分解耗氧又分為水柱耗氧和沉積物耗氧兩部分(Dortchetal, 1994; Songetal, 2020)。水柱耗氧的貢獻(xiàn)主要受控于水體中顆粒有機(jī)物的逗留時(shí)間。如在密西西比河口、長(zhǎng)江口等淺水區(qū), 通常由沉積物耗氧主導(dǎo)(Morseetal, 2007; Hetlandetal, 2008; Zhangetal,2017), 在圣勞倫斯河口等深水區(qū)(Bourgaultetal,2012), 由于顆粒有機(jī)物(particulate organic matter,POM)在水柱中停留時(shí)間較長(zhǎng), 以水柱耗氧為主; 然而, 在切薩皮克灣(Lietal, 2015)和路易斯安娜灣(Corbettetal, 2004; Greenetal, 2006; Hetlandetal,2008)等淺水區(qū), 由于水平流通量較大, 阻礙了POM的沉降, 導(dǎo)致其以水柱耗氧為主。

渤海是我國(guó)典型的半封閉型淺海, 三面環(huán)陸, 水體交換能力較弱(魏皓等, 2002)。受人為活動(dòng)的顯著影響, 渤海SPM 濃度較高(Qiuetal, 2016)。近年來(lái),渤海洼地底層水體在夏季存在明顯的酸化和低氧(Zhaietal, 2012; 張華等, 2016; Zhaoetal, 2017; 李志成等, 2021)。Song 等(2020)研究發(fā)現(xiàn)秦皇島外海水柱耗氧主導(dǎo)了該區(qū)域底層水低氧的形成, 這與以往對(duì)淺水區(qū)以沉積物耗氧為主的認(rèn)識(shí)不同(Morseetal,2007; Hetlandetal, 2008; Zhangetal, 2017)。在全球氣候變化背景下, 渤海甲、硅藻比逐漸升高, 且浮游植物粒徑向微型和微微型過渡(楊陽(yáng)等, 2016; 趙相偉等, 2020), 因此, 浮游植物小型化導(dǎo)致POM 沉降速率減小是引起渤海水柱耗氧主導(dǎo)的主要原因(Weiet al, 2021)。然而, 目前對(duì)該區(qū)域有機(jī)物來(lái)源、組成和特性的認(rèn)識(shí)還不足。因此, 本文研究了夏季秦皇島外海海域顆粒物吸收光譜的時(shí)空變化特征, 量化了aph(λ)與chla濃度和組成的關(guān)系, 探討了影響顆粒物吸收光譜的主要環(huán)境因子。本研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)顆粒物來(lái)源和組成對(duì)低氧形成的潛在影響。

1 樣品采集與測(cè)定

1.1 樣品采集

海水樣品分別于2021 年6 月20 日、7 月20 日、8 月30 日沿秦皇島海域一個(gè)近岸-外海斷面采集(圖1,表1)。每個(gè)站位分別采集表層、中層和底層海水樣品,其中, 表層水取3 m 水深; 中層依據(jù)站位水深設(shè)定,一般為8～12 m 之間; 底層以離底約2 m 深度處采集。海水樣品由Seabird CTD rosette(SBE19 plus)系統(tǒng)攜帶的4 L Niskin 采樣器采集后, 立即轉(zhuǎn)移至4 L 潔凈塑料桶中, 避光保存, 并盡快過濾。海水溫、鹽和溶解氧(DO)剖面由溫鹽深剖面儀(CTD)測(cè)定。

表1 航次具體信息Tab.1 Latitude, longitude and water depth of sampling stations

圖1 研究區(qū)域及采樣站位Fig.1 The study area and sampling station

一部分海水樣品經(jīng)焙燒過(450 °C, 4 h)的25 mm GF/F (Whatman)濾膜過濾并記錄過濾體積。濾膜置于塑料培養(yǎng)皿內(nèi), 并采用鋁箔紙包裹, 用于測(cè)定顆粒物吸收光譜。濾液轉(zhuǎn)移至250 mL 聚丙烯(PP)樣品瓶, 用于測(cè)定營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。剩余樣品分別經(jīng)孔徑為20 μm 篩絹、2 μm 尼龍濾膜(Pall Life Science)和GF/F(Whatman)濾膜過濾一定體積后, 濾膜采用鋁箔紙包裹, 用于分析不同粒級(jí)chla濃度。所有顆粒物和溶解態(tài)樣品采集后, 立即置于-20 °C 冰箱中冷凍保存。

1.2 樣品分析

1.2.1 顆粒物吸收光譜 顆粒物吸收光譜采用紫外可見分光光度計(jì)(PerkinElmer, LAMBDA850)測(cè)定。儀器搭配150 mm 積分球, 掃描范圍750～300 nm, 步長(zhǎng)1 nm。樣品測(cè)定前, 為防止細(xì)胞破裂, 滴加1～2 滴經(jīng)0.2 μm 孔徑濾膜過濾的對(duì)應(yīng)站位海水, 在室溫下避光解凍、升至室溫。每個(gè)樣品測(cè)定一次吸收光譜后,將濾膜旋轉(zhuǎn)120°后繼續(xù)測(cè)定, 共平行測(cè)定三次, 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的平均吸光度值記為樣品的吸光度[ODsample(λ)]。以同批次, 未過濾樣品的 GF/F 濾膜滴加 1～2 滴MilliQ 水, 測(cè)定其吸光度為濾膜空白[ODblank(λ)]。

三次測(cè)定后, 濾膜經(jīng)10 mL 甲醇(Merck)于暗處萃取18～24 h, 以除去浮游植物色素。萃取后, 再次過濾并采用MilliQ 水沖洗去除甲醇, 以上述相同步驟三次測(cè)定的平均結(jié)果為碎屑顆粒物吸光度?？傤w粒物和碎屑吸收光譜依據(jù)下式計(jì)算(R?ttgersetal, 2012):

其中a(λ)為總顆粒物或碎屑在波長(zhǎng)λ處吸收系數(shù)(單位: m-1),A為濾膜有效面積(單位: m2),V為過濾樣品體積(單位: m3),β(λ)為波長(zhǎng)λ處的放大系數(shù)(無(wú)量綱)。

浮游植物的吸收系數(shù)由二者相減得到:

1.2.2 其他參數(shù)測(cè)定 Chla樣品經(jīng)90%的丙酮溶液萃取24 h 后采用熒光計(jì)(Trilogy)測(cè)定(Parsonsetal,1984), 20 μm 篩絹、2 μm 尼龍和GF/F 濾膜截流樣品分別代表小型(Micro, ＞20 μm)、微型(Nano, 2～20 μm)、微微型(Pico, 0.7～2 μm)浮游植物的chla。營(yíng)養(yǎng)鹽依據(jù)Hansen(1999)的方法, 使用AA3 營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀(Seal, 英國(guó))測(cè)定。

2 結(jié)果

2.1 水文、生物和化學(xué)特征

夏季, 秦皇島外海水體呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象,水柱分為上、下混合層和中層躍層(圖2), 與以往觀測(cè)一致(Songetal, 2020)。6、7 月躍層較淺, 8 月加深,且8 月份在距離中央淺灘較近區(qū)域(A6 和A7 站位)無(wú)明顯分層現(xiàn)象(圖2c, 2f, 2i), 反映水體層化將逐漸破壞。在整個(gè)夏季海水溫度逐月升高, 鹽度逐月下降,6～8 月上混合層平均溫度從(20.79±0.54) °C 上升至(25.54±0.20) °C, 鹽度從31.74±0.05 降至30.78±0.20;下混合層平均溫度從(13.16±1.67) °C 上升至(21.37±2.10) °C, 鹽度從32.06±0.21 下降至31.16±0.30。溫鹽均在上下混合層均呈現(xiàn)顯著的差異, 7 月份差異最為顯著, 表底溫度差范圍在7.35～12.59 °C, 鹽度差范圍在0.34～1.22。

圖2 2021 年夏季溫度(a～c)、鹽度(d～f)、DO (g～i)斷面分布Fig.2 Temperature (a～c), salinity (d～f), and DO (g～i) cross-sectional distribution in summer 2021

整個(gè)夏季chla在中層最高, 且月際間無(wú)顯著變化[(3.48±0.58)～(3.92±2.52) μg/L]。表層從(1.76±0.56) μg/L上升到(3.16±1.23) μg/L; 底層趨勢(shì)與表層相反, 從(3.94±0.60) μg/L 下降至(1.79±0.99) μg/L。研究期間微型浮游植物主導(dǎo)chla, 占總chla濃度的78.3%±14.1%, 小型和微微型比例相當(dāng), 分別為10.1%±10.5%和11.7%±8.9% (圖3)。微微型浮游植物在研究期間并無(wú)明顯的時(shí)間變化, 但存在較為顯著的空間變化, 小型浮游植物在8 月占比顯著增加(圖3), 在A3 站位達(dá)到約40%, 與微型浮游植物貢獻(xiàn)相當(dāng)。垂向上小型浮游植物占比在底層顯著升高, 其中7 月最高, 平均為表層的4 倍; 8 月份最低, 平均為表層1.7 倍。微型、微微型無(wú)明顯垂向差異。由于光合作用, 表層和中層海水中DO 始終處于飽和或過飽和狀態(tài)。底層海水中DO 平均濃度自6 月[(7.6±0.2) mg/L]開始逐漸降低[8月: (5.0±0.2) mg/L](圖 2g, 2h, 2i), 其飽和度則由88.9%±2.0%降低至66.5%±7.7%。8 月底DO 濃度和飽和度均顯著高于以往年份(Zhaietal, 2012; Songet al, 2020), 表明該年份水體凈耗氧速率較低。

圖3 各月份表、中、底層分級(jí)葉綠素占比Fig.3 The proportion of chl a in the surface, middle, and bottom waters

2.2 顆粒物吸收光譜

圖4 給出了三個(gè)月份表、中、底層總顆粒物、浮游植物和碎屑顆粒物的吸收光譜。aph(λ)在 435～445 nm 具有一個(gè)吸收肩, 且在675 nm 呈現(xiàn)chla特征吸收峰, 與以往研究結(jié)果一致(Bricaudetal, 1990;Tassanetal, 1995; 劉洋洋等, 2015)。ad(λ)隨波長(zhǎng)增加而逐漸降低。ap(λ)在不同水層存在顯著的差異, 在表層與aph(λ)相似, 而在底層與ad(λ)相近, 表明上層水體中, 活體浮游植物在總顆粒物中占主導(dǎo), 而中、底層水體中則是碎屑顆粒物為主。(λ)光譜特征(圖5)與aph(λ)(圖4)類似, 但在8 月A3 站位表、中層(圖5a, 5b 紅色點(diǎn)劃線)(λ)與其他站位呈現(xiàn)顯著差異, 在藍(lán)光波段吸收峰左移, 且肩峰消失, 呈現(xiàn)較為平滑的曲線, 整體與Sun 等(2022)研究中硅藻的(λ)吸收特征較為相似。

圖4 秦皇島外海表層(a, d, g)、中層(b, e, h)和底層(c, f, i)海水中總顆粒物、碎屑與浮游植物吸收光譜Fig.4 Absorption spectras of SPM, nonalgal particles and phytoplankton for surface (a, d, g), middle (b, e, h), and bottom (c, f, i)waters off Qinhuangdao

圖5 秦皇島外海表層(a)、中層(b)和底層(c)浮游植物比吸收光譜Fig.5 Specific absorption coefficients of phytoplankton in surface (a), middle (b), and bottom (c) waters off Qinhuangdao

圖6 ap(440) (a)、ad(440) (b)、aph(440) (c)和(440) (d)在表、中和底層海水中的平均含量Fig.6 Average contents of ap(440) (a), ad(440) (b), aph(440) (c) and(440) (d) in surface, middle and bottom layers

夏季,ap(440)和ad(440)均表現(xiàn)為表層＜中層＜底層(圖5a, 5b)。在7、8 月,aph(440)在底層水體顯著低于表層和中層, 底層水體aph(440)僅占其上層平均值的25% (圖5c)?？傮w而言,ap(440)在表層和逐月增加, 中層逐月減少, 底層無(wú)顯著變化[平均值: (0.40±0.07) m-1],浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的沉降速率改變和躍層加深伴隨的顆粒物累積深度的下移可能是導(dǎo)致表中層水體中ap(440)月變化的主要因素。此外, 底層水體中ad(440)的增加表明碎屑顆粒物在底層水體中存在累積, 為該海區(qū)夏季底層水體脫氧(Zhaietal,2012; Songetal, 2020)提供了底物。(440)在7 月表、中層顯著高于6、8 月, 底層呈現(xiàn)相反情況, 而6、8 月間未見明顯的變化趨勢(shì), 表、中層維持在0.030 m2/mg 上下, 底層維持在0.020 m2/mg 上下, 7月份(440)與剩余月份的差異表明浮游植物群落構(gòu)成出現(xiàn)變動(dòng)。多數(shù)研究結(jié)果表明,浮游植物比吸收系數(shù)的分布具有明顯的區(qū)域特征, 在本次觀測(cè)期間(440)變化范圍在 0.010～0.060 m2/mg, 平均為0.032 m2/mg, 遠(yuǎn)低于南海北部海區(qū)測(cè)量結(jié)果(0.041～0.295 m2/mg, 均值0.137 m2/mg)(王桂芬等, 2005); 與加利福尼亞灣南部海區(qū)(0.008～0.102 m2/mg, 均值0.041 m2/mg)(Millán-Nú?ezetal, 2004)和長(zhǎng)江口臨近海域(春季0.016～0.123 m2/mg, 均值0.040 m2/mg; 夏季0.012～0.064 m2/mg, 均值0.029 m2/mg)(劉洋洋,2015)測(cè)量結(jié)果接近。

3 討論

3.1 浮游植物粒徑和chl a 對(duì)光吸收的影響

總體上,aph(440)隨chla升高而升高(P＜0.01)(圖7a)。在表、中層水體中,aph(440)與chla在6 月和7月分別呈現(xiàn)顯著相關(guān)性, 且當(dāng)chla濃度相同時(shí), 7 月整體呈現(xiàn)更高的aph(440)(圖7b), 表明7 月份浮游植物色素對(duì)光的吸收效率更高。以往研究表明, 顆粒物包裹效應(yīng)與色素構(gòu)成均能夠顯著影響aph(440)(Sathyendranathetal, 1987; Greg Mitchelletal, 1988;Bricaudetal, 1990; Babinetal, 1993)。其中, 包裹效應(yīng)會(huì)降低浮游植物光吸收能力(Stuartetal, 1998;Bricaudetal, 2004), 即活體浮游植物粒徑越小, 單位chla的光吸收越強(qiáng)。表、中層上、中層水體中, 7 月(440)顯著高于6、8 月, 分別達(dá)到(0.050±0.007)和(0.041±0.012) m2/mg (圖7), 且7 月小型浮游植物占比(2.5%±2.0%)顯著低于6 月(6.0%±3.0%)和8 月(15.1%±12.5%)(圖3)。此外, 8 月份各站位間浮游植物構(gòu)成差異顯著(圖3), 可能是導(dǎo)致aph(440)與chla無(wú)明顯關(guān)系(圖7b)的主要原因。夏季, 渤海浮游植物為甲藻和硅藻共同占優(yōu), 而秋季則以硅藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種(楊陽(yáng)等, 2016)。8 月小型浮游植物占比的大幅提升(圖3), 反映出夏末優(yōu)勢(shì)藻種從甲、硅藻共同占優(yōu)逐步向硅藻為優(yōu)勢(shì)種的轉(zhuǎn)變過程。綜合整個(gè)夏季表、中層樣品, 去除浮游植物構(gòu)成與其他樣品差異較大的樣品, 劃分為數(shù)量相近的兩組。發(fā)現(xiàn)在小型浮游植物(Micro)占總?cè)~綠素含量≤5%和5%～15%時(shí),aph(440)與chla分別呈顯著的線性相關(guān),aph(440)在小型浮游植物葉綠素占比更小時(shí)(≤5%)的平均值比高占比(5%～15%)時(shí)高6% (圖7c), 進(jìn)一步佐證浮游植物粒徑是影響該海區(qū)夏季浮游植物光吸收效率的主要因素。

圖7 所有樣品(a), 表、中層樣品(b)及小型浮游植物占比小于15%樣品(c)aph(440)與chl a 關(guān)系圖Fig.7 Affection plots between aph(440) and chl a of all samples (a), surface and middle samples (b) and Micro phytoplankton less than 15% samples

圖8 多元回歸模型aph(440)結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較Fig.8 Comparison of multiple regression model aph(440) results with the measured values

考慮到不同粒徑浮游植物對(duì)光吸收的影響, 僅靠單一粒徑藻類無(wú)法對(duì)aph(440)進(jìn)行量化, 因此, 本研究將三種浮游植物(Pico、Nano、Micro)葉綠素a濃度與aph(440)之間相關(guān)關(guān)系, 依據(jù)公式(6)進(jìn)行多元回歸模型求得三種浮游植物比吸收系數(shù):

3.2 碎屑顆粒物光譜特征與群落構(gòu)成的關(guān)系

6 至7 月, 研究海域水體中ad(440)與無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽無(wú)明顯相關(guān)性(P＞0.05), 然而,ad(440)與硅酸鹽(DSi)在8 月呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖9)。該結(jié)果表明, 8 月升高的小型浮游植物以硅藻為主, 且硅藻在光合作用過程中利用海水中DSi, 浮游植物死后其尸體在沉降過程中, 生物硅逐漸溶解提高水體中DSi 濃度。因此, 8 月底層水體富含生物硅的碎屑顆粒物(圖6b)是硅酸鹽的主要底物。以A3 站為例, 小型浮游植物葉綠素占總量的37%以上, 是該航次其他站位平均水平的2.5～5.7 倍。A3 站靠近秦皇島扇貝養(yǎng)殖區(qū), 貝類攝食能夠促使浮游植物群落結(jié)構(gòu)向生長(zhǎng)速率較快的硅藻轉(zhuǎn)變(Olssonetal, 1992), 且秦皇島近海養(yǎng)殖扇貝對(duì)甲藻的攝食選擇性顯著高于硅藻(丁任業(yè)等,2023)。以上結(jié)果表明在A3 站, 大量硅藻的生長(zhǎng)利用了水體中的DSi, 導(dǎo)致表、中層水體中DSi 濃度顯著降低(0.45 和 0.19 μmol/L), 且存在明顯的硅限制(Si:N＜0.7, Si:P＜7)(Justi?etal, 1995)。

圖9 8 月ad (440)與DSi 相關(guān)性Fig.9 Correlation between ad (440) and DSi in August

Sd在整個(gè)研究期間保持相對(duì)穩(wěn)定, 變化范圍為0.008 4～0.011 7 nm-1, 整體略低于2008 年邢小罡等(2008)測(cè)量結(jié)果。由于Sd與無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)的比例有關(guān), 有機(jī)質(zhì)占比更高的顆粒物通常具有更高的Sd(Babinetal, 2003), 各水層中, 6～7 月Sd高于8 月(表2),表明該期間內(nèi)水體中有機(jī)質(zhì)相對(duì)含量最高。該結(jié)果進(jìn)一步表明6～7 月上層水體高的初級(jí)生產(chǎn)向底層水體中輸送了大量顆粒有機(jī)碎屑, 且在水柱中不斷累積(見3.1 節(jié)), 為夏季該海區(qū)顯著的水柱耗氧(Songetal,2020)提供了底物。至8 月,Sd略有降低, 這與浮游植物群落向硅藻轉(zhuǎn)變有關(guān), 即硅藻體中生物硅含量較高, 降低了碎屑中有機(jī)質(zhì)含量。

表2 秦皇島外海6、7、8 月各水層碎屑光譜斜率Tab.2 Spectral slopes of nonalgal particles in each water layer of study area in June, July and August

3.3 顆粒物吸收光譜特征與環(huán)境因子的量化關(guān)系

為進(jìn)一步探究顆粒物對(duì)低氧形成的影響, 我們對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析(PCA), 包括吸收系數(shù)、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫鹽、葉綠素、DO 共11 項(xiàng)指標(biāo)(圖10)。PCA中各變量均按比例縮放到-1～1, 結(jié)果表明前兩個(gè)主成分解釋了76%的變異性。在PC1 下, DO 及其飽和度(DO%)與ap(440)、ad(440)間呈現(xiàn)強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)性,表明初級(jí)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機(jī)碎屑在底層水體中分解, 是DO 消耗的主控因子, 與Song 等(2020)估算結(jié)果一致; DO%與aph(440)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系,表明浮游植物光合作用對(duì)DO%的貢獻(xiàn)。在PC2 下,DO 及其DO%與營(yíng)養(yǎng)鹽呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān), 這與富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致浮游植物快速繁殖, 其死亡沉降產(chǎn)生大量有機(jī)物分解, 從而消耗DO 形成低氧的認(rèn)識(shí)一致(Rabalaisetal, 2010; McCarthyetal, 2013; Zhangetal, 2017)。

圖10 基于吸收系數(shù)、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫鹽、葉綠素、DO 等11項(xiàng)指標(biāo)主成分分析Fig.10 The principal component analysis (PCA) based on 11 indexes, include absorption coefficient, nutrient, temperature,salinity, chlorophyll and DO

4 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明, 夏季秦皇島外海水體呈現(xiàn)明顯的層化。Chla以微型浮游植物為主, 占chla總量的80%。8 月下旬, 尤其是近岸海域小型浮游植物(硅藻)占比升高。aph(λ)呈現(xiàn)明顯的色素吸收峰,而ad(λ)隨波長(zhǎng)呈指數(shù)遞減,ap(λ)在表層水體中的特征與aph(λ)相似, 在中層和底層水體中與ad(λ)相近,表明表層顆粒物以活體浮游植物為主, 在中層和底層則以碎屑顆粒物為主。ad(440)隨深度逐漸升高, 該結(jié)果主導(dǎo)了ap(440)的垂直分布特征: 表層＜中層＜底層。在底層,ad(440)逐月升高, 表明碎屑顆粒物在水柱中不斷積累, 為底層水體耗氧提供了豐富的底物。aph(440)與chla的線性相關(guān)性及三粒級(jí)模型的擬合結(jié)果表明浮游植物粒徑主導(dǎo)了秦皇島外海chla的光吸收效率, 同時(shí)浮游植物色素組成會(huì)調(diào)控二者的相關(guān)性。碎屑顆粒物的吸收光譜同樣受浮游植物群落、有機(jī)質(zhì)相對(duì)含量等因素的影響。研究結(jié)果還表明夏季該海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)產(chǎn)生的新鮮顆粒有機(jī)物是水體脫氧的主要底物。