夏季南極長(zhǎng)城灣海流變化特征及其對(duì)浮游植物生物量的影響

羅光富，何劍鋒，2*，張芳，蔡明紅，林凌，藍(lán)木盛

(1. 中國(guó)極地研究中心 國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200136；2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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夏季南極長(zhǎng)城灣海流變化特征及其對(duì)浮游植物生物量的影響

羅光富1，何劍鋒1，2*，張芳1，蔡明紅1，林凌1，藍(lán)木盛1

(1. 中國(guó)極地研究中心 國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200136；2. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

通過(guò)對(duì)2010/2011年夏季南極長(zhǎng)城灣葉綠素a濃度和海流等環(huán)境參數(shù)的傳感器連續(xù)觀測(cè)，研究其時(shí)空變化特征及海流對(duì)浮游植物生物量的影響。結(jié)果表明，12.9 m水層葉綠素a濃度從12月中旬開(kāi)始增長(zhǎng)，直至2月上旬開(kāi)始維持相對(duì)穩(wěn)定，期間出現(xiàn)兩個(gè)高值點(diǎn)(2.74 μg/L 和3.76 μg/L)。葉綠素a濃度表現(xiàn)出了24 h周期變化特征，每日葉綠素a濃度最高值出現(xiàn)在正午前后時(shí)段的概率要高于其他時(shí)段。表層海水受西北風(fēng)影響，流速較大，約為60～100 cm/s；中層和底層水體流速較小，約為10 cm/s。表層的風(fēng)海流使海水在長(zhǎng)城灣發(fā)生輻散，下層海水向上涌升，驅(qū)動(dòng)了水體的垂直交換。長(zhǎng)城灣與麥克斯韋爾灣存在水體交換，水體主要從中層進(jìn)入灣內(nèi)，從表層輸出。長(zhǎng)城灣的葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，表明低流速環(huán)境有利于長(zhǎng)城灣浮游植物的生長(zhǎng)。

葉綠素a濃度；海流；浮游植物；長(zhǎng)城灣；南極

1　引言

全球變暖引發(fā)了南大洋與南極大陸一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如中低緯度浮游植物種類(lèi)向極地海域入侵[1—2]、部分大型海洋生物數(shù)量下降[3]、冰蓋融化引起全球海平面上升[4—5]等。南極長(zhǎng)城站所在的南極半島地區(qū)是全球升溫最快的區(qū)域之一[6—7]，長(zhǎng)城灣是我國(guó)依托考察站的南極重點(diǎn)研究海域。浮游植物是海洋食物鏈的基礎(chǔ)，在海洋生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，其初級(jí)生產(chǎn)量約占整個(gè)生物圈凈初級(jí)生產(chǎn)量的一半[1，8—11]。1984年我國(guó)開(kāi)始南極科學(xué)考察以來(lái)，關(guān)于長(zhǎng)城灣浮游植物種類(lèi)組成[12]、葉綠素a濃度變化[13—15]等的研究已有眾多報(bào)道。相關(guān)研究結(jié)果表明長(zhǎng)城灣浮游植物主要以冷水性和近岸廣溫性種類(lèi)為主，優(yōu)勢(shì)種隨季節(jié)變化而出現(xiàn)演替[12]；葉綠素a濃度年際變化和次表層極大值現(xiàn)象顯著[13—15]。

對(duì)于相關(guān)環(huán)境因子的觀測(cè)則主要集中在溫度、鹽度[16]、營(yíng)養(yǎng)鹽[17]、潮汐[18]、光合有效輻射[19]等，然而有關(guān)重要環(huán)境因子之一海流的時(shí)空變化則一直缺少相對(duì)系統(tǒng)的研究。有研究表明，海流對(duì)水體中浮游生物幼體的播散和種群的維持起著重要作用[20]。浮游植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)鹽可以通過(guò)海流輸運(yùn)到特定區(qū)域或水層，如上升流可以將底層營(yíng)養(yǎng)鹽輸送到表層[21]。流速對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)[22—23]、生長(zhǎng)繁殖[24—26]及生物量[27]等均有影響。本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)城灣連續(xù)100 d(27次南極科學(xué)考察期間，2010年12月13日—2011年3月22日)的葉綠素a濃度和海流觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究它們的時(shí)空變化特征，探究長(zhǎng)城灣海流變化對(duì)浮游植物生物量的潛在影響。

2　研究區(qū)域與方法

2.1研究區(qū)域概況

長(zhǎng)城灣位于菲爾德斯半島中國(guó)南極長(zhǎng)城站東南側(cè)，為一個(gè)半封閉型內(nèi)灣，面積約3 km2，距灣頂約200 m處有一深水區(qū)，最大水深約35 m[16]。灣內(nèi)存在許多明、暗礁石，在灣口的中部有一小島，通過(guò)麥克斯韋爾灣與布蘭斯菲爾德海峽相通。灣頂?shù)臇|北部，在漲潮時(shí)與阿德雷灣相連，落潮時(shí)形成一條礫石小堤，將兩灣隔斷(圖1)。長(zhǎng)城灣的潮汐屬于不規(guī)則半日潮，年平均潮差為1.243 m[18]。長(zhǎng)城站常年受到亞南極海洋性氣團(tuán)和極地氣旋的影響，具有陰天多、濕度大、大風(fēng)和暴風(fēng)雪多的氣候特點(diǎn)，夏季(12—2月)月平均溫度集中在-1.2～2.9℃之間，冬季(6—8月)在-13.4～-1.0℃之間變化。1985年至2008年長(zhǎng)城站站區(qū)的氣溫平均每10年升高0.27℃，呈明顯的升溫趨勢(shì)[28]。站區(qū)冬半年平均風(fēng)速9 m/s，夏半年7.7 m/s[18]。風(fēng)力大小對(duì)長(zhǎng)城灣平均水位有一定的影響，夏季長(zhǎng)城灣風(fēng)力相對(duì)較弱，只能引起短暫的增水或減水現(xiàn)象，平均水位的變幅較小[18]。長(zhǎng)城灣位于南極半島以北，與南極其他海域相比，由于緯度低，海水較淺，海冰具有獨(dú)特的特征。海冰覆蓋時(shí)間短，穩(wěn)定性差，灣內(nèi)海冰并非年年形成。文獻(xiàn)資料[29—30]表明長(zhǎng)城灣海冰一般形成于4—5月，7—10月冰情相對(duì)穩(wěn)定，11月海冰開(kāi)始慢慢融化，至12月海冰已經(jīng)基本消失殆盡。

圖1　長(zhǎng)城灣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)示意圖Fig.1　Location of the monitoring site in Great Wall Bay

2.2研究方法

中國(guó)第26次和27次南極考察期間，在長(zhǎng)城灣布放了一套“極地近岸海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”[31](圖2)。系統(tǒng)采用坐底式ADCP測(cè)量與剖面生態(tài)要素測(cè)量模式相結(jié)合，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)南極長(zhǎng)城灣海域海流特征及海洋生態(tài)要素的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)[19，32]。剖面上層(12.9 m)和中層(19.6 m)配備SEB16 CTD傳感器，可以測(cè)量溫度、鹽度、水深、pH、PAR及葉綠素?zé)晒獾葏?shù)；底層(29.7 m)配備SEB37 CTD傳感器，可以測(cè)量溫度、鹽度、水深等參數(shù)；坐底平臺(tái)配備TRDI Workhorse監(jiān)測(cè)型直讀式600 kHz ADCP，測(cè)量水體流速、流向，數(shù)據(jù)間隔1 m。系統(tǒng)每10 min采集1組數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)100 d(2010年12月13日—2011年3月22日)，共采集約1.4萬(wàn)組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)均包括：溫度、鹽度、葉綠素a、流速、流向等參數(shù))。

測(cè)得的海流數(shù)據(jù)中含有3種成分：(1)潮流，由引潮力引起的確定周期性運(yùn)動(dòng)；(2)余流，由海面風(fēng)及海上密度場(chǎng)的變化等非引潮力引起的海水運(yùn)動(dòng)；(3)湍流等隨機(jī)擾動(dòng)有關(guān)的隨機(jī)波動(dòng)[33]。ADCP獲取的數(shù)據(jù)中包括了東西u(t)、南北v(t)、垂直w(t)3個(gè)方向的分量，對(duì)任一分量，如u(t)可表示成以下形式：

(1)

式中，a(t)為潮流成分，b(t)表示余流，c(t)為隨機(jī)擾動(dòng)，通常將c(t)視為噪聲項(xiàng)。

由于觀測(cè)期間存在一定的不穩(wěn)定因素，需要在尊重實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行海流數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。首先，對(duì)原始聲學(xué)信號(hào)特征分析，辨別出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并剔除；然后，通過(guò)正態(tài)分布規(guī)律，剔除均方相對(duì)誤差超過(guò)3倍的測(cè)量值，因質(zhì)量控制缺失的數(shù)據(jù)，采用線(xiàn)性插值的方法替代；最后，將東西矢量流速u(mài)(t)和南北矢量流速v(t)合成，得到水平流速大小和流向。

圖2　極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2　The schematic diagram of the polar coastal marine environment monitoring system

3　研究結(jié)果

3.1溫度、鹽度時(shí)空變化特征

整個(gè)觀測(cè)期間，隨著南半球夏季光照加強(qiáng)、氣溫升高，3個(gè)水層水溫均平緩上升(圖3)。其中12.9 m水層由開(kāi)始的0.48℃上升至2011年1月18日的2.52℃，之后在1.5～2.0℃之間波動(dòng)。19.6 m和29.7 m水層的變化趨勢(shì)與表層一致，均在2011年1月18日有最大值，分別為2.15℃和2.05℃。3個(gè)水層的鹽度變化趨勢(shì)也較為一致，呈現(xiàn)波動(dòng)遞減的趨勢(shì)，主要集中在33.86～34.19之間(圖3)，鹽度的波動(dòng)可能與降雨、陸源淡水輸入有關(guān)。在垂直分布上，溫度和鹽度均表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象。

圖3　觀測(cè)期間不同水層水體溫度和鹽度隨時(shí)間的變化Fig.3　Seasonal variation of water temperature and salinity in Great Wall Bay 24 h平滑數(shù)據(jù) With the data of daily average

3.2葉綠素a濃度變化特征

葉綠素a是海洋浮游植物光合作用的主要色素，其濃度通常被用于表征水體中浮游植物的生物量。在上層水體(水深12.9 m)中，葉綠素a濃度介于0.15～3.76 μg/L之間(圖4A)，平均為2.25 μg/L。葉綠素a濃度從12月中旬開(kāi)始增長(zhǎng)，直至2月上旬開(kāi)始維持相對(duì)穩(wěn)定，期間出現(xiàn)兩個(gè)高值點(diǎn)，分別為2.74 μg/L (2010年12月27日)和3.76 μg/L(2011年1月14日)。中層水體(水深19.6 m)葉綠素a濃度相對(duì)較小，介于0.1～1.57 μg/L之間，平均為0.59 μg/L，大部分時(shí)段維持在1 μg/L以下，峰值出現(xiàn)在2011年1月16日。

圖4　夏季長(zhǎng)城灣葉綠素a濃度隨時(shí)間變化Fig.4　Seasonal and diurnal variations of chlorophyll a concentrations in Great Wall Bay A.24 h平滑數(shù)據(jù)；B. 2011/2/15至2011/3/3期間1 h間隔數(shù)據(jù)A.With the data of daily average；B. with the data of hour average from 2011/2/15 to 2011/3/3

圖5　夏季長(zhǎng)城灣12.9 m水層葉綠素a濃度頻譜分析Fig.5　Power spectra for chlorophyll a concentrations in Great Wall Bay (12.9 m depth)

從葉綠素a濃度隨時(shí)間分布圖(圖4B)中可以看出，12.9 m水層的葉綠素a濃度存在明顯的周期性變化，而在19.6 m水層中這一現(xiàn)象不明顯(本數(shù)據(jù)記錄為北京時(shí)間，長(zhǎng)城站地區(qū)與北京時(shí)間相差12 h，標(biāo)尺刻度為當(dāng)?shù)貢r(shí)間正午12點(diǎn)位置)。對(duì)12.9 m水層的葉綠素a濃度進(jìn)行頻譜分析(圖5)，結(jié)果表明該水層的葉綠素a濃度存在顯著的24 h變化周期(通過(guò)95%置信度檢驗(yàn))。進(jìn)一步對(duì)觀測(cè)期間(100 h)葉綠素a濃度每天的最大值和最小值出現(xiàn)的時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖6)，結(jié)果表明每天的葉綠素a濃度最高值出現(xiàn)在中午11：00—12：59(當(dāng)?shù)貢r(shí)間)時(shí)間段內(nèi)的百分比最高，共有24 d，占總觀測(cè)天數(shù)的24%；其次是15：00—16：59時(shí)間段，包含13 d，占總觀測(cè)天數(shù)的13%；在9：00—16：59時(shí)間段的8 h中，出現(xiàn)葉綠素a濃度最高值的天數(shù)占總觀測(cè)天數(shù)的61%。由此可見(jiàn)，葉綠素a濃度存在24 h周期變化，但是每天變化規(guī)律各不相同。每日葉綠素a濃度峰值出現(xiàn)在白天的概率高于夜晚，且出現(xiàn)在正午前后時(shí)段的概率要高于其他時(shí)段，說(shuō)明浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖對(duì)光照強(qiáng)度敏感，白天光照強(qiáng)浮游植物的生物量也相對(duì)較高；反之，夜晚的生物量相對(duì)較低。

圖6　觀測(cè)期間每日葉綠素a濃度最大值(A)和最小值(B)在各時(shí)間段出現(xiàn)的百分比Fig.6　The percentage of daily chlorophyll a maximum (A) and minimum (B) value during different time period

3.3長(zhǎng)城灣海流變化特征

觀測(cè)期間，表層水體的流速相對(duì)較大，多數(shù)集中在60～100 cm/s之間(圖7)；底層水體的流速相對(duì)較小，約為10 cm/s。時(shí)間序列流速剖面分布呈明顯的分層特征，其中2010年12月的分界線(xiàn)處在離底15 m處(圖7A)； 2011年1月的分界線(xiàn)有兩段，1月上旬在離底15 m處， 1月中下旬在離底26 m處(圖7B) ；2月的分界線(xiàn)也有兩段，2月上旬位于離底25 m處，2月中下旬在離底20 m處(圖7C)；3月的分界線(xiàn)則主要在離底26 m處(圖7D)。

圖7　不同月份長(zhǎng)城灣水平流速大小隨時(shí)間的變化Fig.7　Time series of current velocity in Great Wall Bay

對(duì)12.9 m水層的流速進(jìn)行頻譜分析(圖8)，結(jié)果表明該水層的流速存在顯著的12 h和24 h變化周期(通過(guò)95%置信度檢驗(yàn))。實(shí)測(cè)的海流數(shù)據(jù)中主要包括潮流、余流和湍流等成分，在近岸海域，潮流是實(shí)測(cè)海流最重要的成分之一，長(zhǎng)城灣的潮汐屬于不規(guī)則半日潮[18]，因此流速存在12 h和24 h變化周期。由于長(zhǎng)城灣的風(fēng)速較大[28]，水深較淺，海流受風(fēng)的影響顯著，因此在流速的時(shí)間序列圖中(圖7)周期變化不明顯。

圖8　夏季長(zhǎng)城灣12.9 m水層流速頻譜分析Fig.8　Power spectra for current velocity in Great Wall Bay (12.9 m depth)

3.4長(zhǎng)城灣葉綠素a濃度與流速的關(guān)系分析

根據(jù)觀測(cè)期間上層(12.9 m)葉綠素a濃度的變化情況，分解成10個(gè)階段(表1)，分別與水平流速做相關(guān)性分析。從表中可以看出，整個(gè)采樣期間葉綠素a濃度與水平流速(R2=-0.260，n=14 400，P<0.01)之間存在明顯的負(fù)相關(guān)，且前半個(gè)時(shí)段的相關(guān)性要強(qiáng)于后半個(gè)時(shí)段。進(jìn)一步細(xì)化分析可以發(fā)現(xiàn)，在葉綠素a濃度處于增加的時(shí)段相關(guān)性強(qiáng)于其他時(shí)段。如：2010年12月15—26日，葉綠素a濃度從最初的0.05 μg/L迅速增加至2.74 μg/L，達(dá)到第一個(gè)峰值，與水平流速表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.595，n=1 584，P<0.01)。這一階段隨著流速的增大，葉綠素a濃度由2.5 μg/L減小至約0.5 μg/L(此時(shí)流速約為1 m/s，圖9A)。同樣，2011年1月7日至1月14日，葉綠素a濃度從1.51 μg/L迅速增加至3.76 μg/L，達(dá)到第二個(gè)峰值，與水平流速表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.615，n=1 152，P<0.01)。這一階段水平流速小于0.1 m/s時(shí)，葉綠素a濃度集中在2～4 μg/L，且流速越小濃度越高；而水平流速大于0.2 m/s時(shí)，葉綠素a濃度維持在1.6 μg/L(圖9B)。由此可見(jiàn)，流速在一定程度上會(huì)影響長(zhǎng)城灣浮游植物的生物量。

表1不同采樣時(shí)段葉綠素a濃度與流速的相關(guān)性分析

Tab.1Correlation between chlorophyllaconcentrations and current velocities within upper water column during different timescales

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01); *表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

圖9　浮游植物增長(zhǎng)期葉綠素a濃度與水平流速相關(guān)性Fig.9　Fit of chlorophyll a in relation to current velocity藍(lán)色陰影部分為95%置信區(qū)間。A為2010年12月15—26日; B為2011年1月7—14日The shaded areas of blue represent 95% confidence bands. A. from 2010/12/15 to 12/26， B. from 2011/1/7 to 1/14

4　討論

4.1長(zhǎng)城灣的水交換特征

長(zhǎng)城灣所處區(qū)域盛行西風(fēng)[28]，表層海流受短時(shí)風(fēng)況的影響顯著(圖10)，在風(fēng)的作用下表層流向隨風(fēng)向而改變。從12月至次年3月，長(zhǎng)城站附近主要以西北風(fēng)為主，平均風(fēng)速達(dá)7 m/s，期間出現(xiàn)短暫幾天的東南風(fēng)(12月15、25和27日，1月13—20日，2月7、13和21日，3月9、20—22日)。表層流向與風(fēng)向表現(xiàn)出顯著的同步變化規(guī)律，西北風(fēng)出現(xiàn)時(shí)表層海水流向?yàn)惩?，東南風(fēng)出現(xiàn)時(shí)灣外海水涌入長(zhǎng)城灣。表層海水受風(fēng)的影響流速較大，而底層靠近海底，摩擦力作用會(huì)導(dǎo)致流速減緩[21]。

從長(zhǎng)城灣海流的流向分布可以看出： 12月(圖10)表層(離底25～30 m層)流向約為135°，水流從長(zhǎng)城灣流向麥克斯韋爾灣；而中層(離底10～25 m層)流向分布在315°～360°，水流從麥克斯韋爾灣流進(jìn)長(zhǎng)城灣；底層(離底0～10 m層)水體的流向分布在135°～180°，長(zhǎng)城灣底層水體緩慢地從灣內(nèi)流向麥克斯韋爾灣。1月份(圖10)，由外部流向長(zhǎng)城灣的水流變得很薄(5～8 m)，隨著夏季溫度的升高，降雨、陸源水等輸入長(zhǎng)城灣，補(bǔ)給了灣內(nèi)的水量，加強(qiáng)了長(zhǎng)城灣的水體向外輸送。2月和3月(圖10)，外部流入水體由薄變厚，說(shuō)明夏末氣溫趨于平穩(wěn)，長(zhǎng)城灣的降雨、陸源水輸入減少，灣外海水又重新進(jìn)入長(zhǎng)城灣。將各月海流中的潮流成分剝離后得到各月的余流分布(圖11)。長(zhǎng)城灣表層余流與中、底層余流呈反向分布。其中表層余流方向?yàn)闁|南向(約為135°)，中層則為西北向(約為315°)。從12月至3月東南方向的表層余流逐漸變厚(5 m增加到10 m)，速度也增大，從12月的約20 cm/s增加至3月的約30 cm/s。中、底層余流的大小與方向在整個(gè)夏季的變化不大，以西北向?yàn)橹?，速度約為15 cm/s。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)城灣與麥克斯韋爾灣可以發(fā)生水體交換，水體主要從中層進(jìn)入灣內(nèi)，由表層流出。

圖10　不同月份長(zhǎng)城灣風(fēng)場(chǎng)及海流流向分布圖Fig.10　Time series of wind and current direction in Great Wall Bay

圖11　夏季長(zhǎng)城灣月平均余流分布Fig.11　Distributions of residual current in summer

此外，風(fēng)海流的體積運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致海水在海灣發(fā)生輻散或者輻聚，由于連續(xù)運(yùn)輸又引起海水產(chǎn)生上升或下沉運(yùn)動(dòng)[21]。24年的長(zhǎng)城站風(fēng)向資料顯示，長(zhǎng)城灣北到偏西方向(270°～360°)的風(fēng)向頻率在75%以上[28]，說(shuō)明大部分時(shí)間風(fēng)向與長(zhǎng)城灣的兩岸平行，使表層海水產(chǎn)生離岸的運(yùn)動(dòng)(即輻散)，因此下層海水涌升到上層，驅(qū)動(dòng)了長(zhǎng)城灣水體的垂直交換。

綜上所述，長(zhǎng)城灣水體的來(lái)源主要包括麥克斯韋爾灣輸入、陸地徑流輸入及少量浮冰融水和降雪降雨輸入，輸出途徑主要為表層輸出及少量的蒸發(fā)和下滲作用(圖12)。麥克斯韋爾灣水主要從灣口斷面的中層進(jìn)入長(zhǎng)城灣，由于輻散作用，水體在進(jìn)入過(guò)程中有較弱的上升運(yùn)動(dòng)，表層水體可以通過(guò)風(fēng)生海流作用向?yàn)惩廨斔?。因此，夏季長(zhǎng)城灣水體可以與灣外水體持續(xù)保持交換。

圖12　長(zhǎng)城灣水交換簡(jiǎn)易模式圖Fig.12　The simplified pattern of water exchange in Great Wall Bay

4.2海流對(duì)浮游植物的影響

海流對(duì)浮游生物最重要、最直接的影響在于海流播散和維持生物群的作用[20]。海流的運(yùn)輸作用可以將開(kāi)放海域或鄰近海域的浮游植物類(lèi)群引入長(zhǎng)城灣中，從而影響浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和生物量。李瑞香等[17]的研究表明，聚生角刺藻、無(wú)刺翼根管藻、脆桿藻等是長(zhǎng)城灣歷年夏季的優(yōu)勢(shì)種，但是在灣口也常出現(xiàn)扁面角刺藻等一些重現(xiàn)性較差的種類(lèi)，這可能與灣外海流有關(guān)。長(zhǎng)城灣的東南方向是麥克斯韋爾灣，而麥克斯韋爾灣與布蘭斯菲爾德海峽相連，受灣外水流的影響，長(zhǎng)城灣灣口的葉綠素a濃度低于灣內(nèi)水體[34]。在風(fēng)浪的作用下，表層海水很不穩(wěn)定，不利于浮游植物的生存和停留，造成長(zhǎng)城灣中層和底層水體中的葉綠素a含量高于表層[13]。各種海流交匯的海洋鋒引起海水的輻散、輻聚和混合，這些過(guò)程控制著初級(jí)生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)，進(jìn)而對(duì)海水中浮游植物的種類(lèi)組成和分布產(chǎn)生影響[20]。Elliott和Defew[22]發(fā)現(xiàn)，流速增加可以帶來(lái)更多的營(yíng)養(yǎng)鹽，促進(jìn)一些種類(lèi)浮游植物的增長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)其他一些種類(lèi)的浮游植物增長(zhǎng)有負(fù)面影響。海流帶來(lái)的水體擾動(dòng)和沉積物再懸浮也能使浮游植物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，例如在南極阿德默勒爾蒂灣(Admiralty Bay)，夏初水體混合引起沉積物再懸浮，使底棲羽紋硅藻成為優(yōu)勢(shì)種；夏末則受灣外水體的影響，中心硅藻變成優(yōu)勢(shì)種[35]。

流速會(huì)影響浮游植物的生物量。本研究中長(zhǎng)城灣葉綠素a濃度的第二個(gè)峰值期間(2011年1月7—14日)，水平流速小于0.1 m/s時(shí)，葉綠素a濃度集中在2～4 μg/L，且流速越小濃度越高；而水平流速大于0.2 m/s時(shí)，葉綠素a濃度維持在1.6 μg/L。由長(zhǎng)城灣葉綠素a濃度與流速的相關(guān)性分析可知(表1，圖9)，葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明低流速環(huán)境有利于長(zhǎng)城灣的浮游植物生長(zhǎng)，反之高流速環(huán)境則不利于浮游植物生長(zhǎng)。在加利福尼亞北部沿岸海域，Hood等[36]研究了20 m水深處的葉綠素a濃度與流速關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者顯著相關(guān)，流速急的海區(qū)葉綠素a濃度低，流速緩慢的海區(qū)葉綠素a濃度高。D’Amour和Scheibling[26]的水槽實(shí)驗(yàn)表明，不同水流作用(0.3～0.5 m/s)產(chǎn)生的拖拽力對(duì)綠藻的生長(zhǎng)有影響，0.5 m/s是其臨界流速。Long等[25]建立生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型分析流速對(duì)藻類(lèi)增長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示大約0.04 m/s流速是浮游藻類(lèi)生長(zhǎng)的最佳流速。由此可見(jiàn)，不同的浮游植物類(lèi)群對(duì)流速的耐受限度也不同，符合謝爾福德耐受性定律[20]，即當(dāng)流速處于某一范圍時(shí)，對(duì)有些種類(lèi)浮游植物生長(zhǎng)有利，而對(duì)另一些種類(lèi)浮游植物卻有抑制作用。對(duì)某一種浮游植物而言，流速太高或者太低都會(huì)影響其生存與繁殖。

5　結(jié)論

通過(guò)分析長(zhǎng)城灣夏季水體中葉綠素a濃度和海流變化數(shù)據(jù)，探討了長(zhǎng)城灣水交換特征及海流對(duì)浮游植物的影響，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)夏季長(zhǎng)城灣水體中葉綠素a濃度上層(12.9 m)高于下層(19.6 m)，二者濃度范圍分別為0.05～3.76 μg/L和0.13～1.57 μg/L。上層水體葉綠素a濃度從12月中旬開(kāi)始增長(zhǎng)，直至2月上旬開(kāi)始維持相對(duì)穩(wěn)定，期間出現(xiàn)兩個(gè)高值點(diǎn)(2.74 μg/L 和3.76 μg/L)；下層水體葉綠素a濃度也從12月中旬開(kāi)始增長(zhǎng)，峰值出現(xiàn)在1月中旬，為1.57 μg/L，隨后從2月初開(kāi)始維持相對(duì)穩(wěn)定，約為1 μg/L。葉綠素a濃度存在24 h周期變化，但是每天變化規(guī)律各不相同，正午前后時(shí)段出現(xiàn)葉綠素a峰值的概率高于其他時(shí)段，峰值出現(xiàn)在白天的概率高于夜晚。

(2)觀測(cè)期間，各月的表層水平流速總體較大，主要集中在60～100 cm/s之間；中層和底層水體的流速都較小，約為10 cm/s。表層海流受短時(shí)風(fēng)況的影響顯著，使長(zhǎng)城灣海水發(fā)生輻散，下層海水向上涌升，驅(qū)動(dòng)了長(zhǎng)城灣水體的垂直交換。長(zhǎng)城灣與麥克斯韋爾灣存在水體交換，水體主要從灣口斷面的中層進(jìn)入灣內(nèi)，由表層流出。

(3)長(zhǎng)城灣的葉綠素a濃度與流速呈顯著負(fù)相關(guān)，表明不同的浮游植物類(lèi)群對(duì)流速的耐受限度也不同，低流速環(huán)境有利于長(zhǎng)城灣浮游植物類(lèi)群的生長(zhǎng)。海流可以將其他海域的浮游植物種類(lèi)引入長(zhǎng)城灣，也可以將長(zhǎng)城灣的浮游植物往灣外搬運(yùn)，使浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在今后對(duì)長(zhǎng)城灣浮游植物群落的研究中需要考慮海流對(duì)其的潛在影響。

致謝：對(duì)所有參與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收與布放的極地考察隊(duì)員表示衷心感謝!同時(shí)感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn)!

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Effects of current velocity on phytoplankton biomass in Great Wall Bay， Antarctica during summer 2010/2011

Luo Guangfu1， He Jianfeng1，2， Zhang Fang1， Cai Minghong1， Lin Ling1， Lan Musheng1

(1. The Key Laboratory for Polar Science of State Ocean Administration， Polar Research Institute of China， Shanghai 200136， China；2. College of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

Understanding the mechanism by which environmental factors affects phytoplankton growth in summer is essential for determining polar marine ecosystem responses to global climate change. Here we deployed an online mooring system in Great Wall Bay to determine how current velocity and local physical forcing affect the temporal and spatial distribution of phytoplankton biomass in Antarctic coastal waters. The results show that chlorophylla(Chla)concentrations accumulated from mid-December and two significant blooms developed in January (2.74 μg/L and 3.76 μg/L) and were then maintained at a relatively high level. The diurnal variations of cholorophyllaconcentrations were observed in both upper and middle layers during the monitoring period. The surface current velocity reached approximately (60-100)cm/s， while the middle and bottom current velocity was limited to about 10 cm/s. We conclude that summer winds played an important role in the surface current velocity and direction. The monitoring site appears to exchange with adjacent oceanic waters， such an intrusion of water would bring in varied phytoplankton species. The results of Pearson correlation analysis showed the significant and positive influence of low current velocity on chlorophyllaconcentrations， especially during phytoplankton blooms， whereas the increased current velocity showed the significant and negative correlations with phytoplankton biomass.

chlorophyllaconcentrations; current; phytoplankton biomass; Great Wall Bay

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.10.012

2016-01-11；

2016-05-05。

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專(zhuān)項(xiàng)(CHINARE2016-01-05)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2007AA09Z121)。

羅光富(1989—)，男，福建省寧化縣人，從事極地海洋生態(tài)研究。E-mail:luoguangfu@pric.org.cn

何劍鋒，男，研究員，從事極地海洋生態(tài)研究。E-mail:hejianfeng@pric.org.cn

Q958.8

A

0253-4193(2016)10-0113-12

羅光富，何劍鋒，張芳，等. 夏季南極長(zhǎng)城灣海流變化特征及其對(duì)浮游植物生物量的影響[J].海洋學(xué)報(bào)，2016，38(10)：113-124，

Luo Guangfu， He Jianfeng， Zhang Fang， et al. Effects of current velocity on phytoplankton biomass in Great Wall Bay， Antarctica during summer 2010/2011[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(10)：113-124， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.10.012