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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 1: 45 - 56

DOI: https://doi.org/10.11978/2017020

Orginal Article

Subsurface chlorophyll a maximum and its possible causes in the southern South China Sea*

  • LIAO Xiuli ,
  • DAI Ming ,
  • GONG Xiuyu ,
  • LIU Huaxue ,
  • HUANG Honghui
Expand
  • South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences;Guangdong Provincial Key Laboratory of Fishery Ecology and Environment;Key Laboratory of Open-sea Fishery Development, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510301, China
Corresponding author: HUANG Honghui. E-mail:

Received date: 2017-02-23

  Request revised date: 2017-04-24

  Online published: 2018-02-02

Supported by

National Key Research and Development Program of China (2016YFC1401604)

Open Program of Key Laboratory of South China Sea Fishery Resources Development and Utilization, Ministry of Agriculture (LSF2012-03)

Financial Fund of Ministry of Agriculture (NFZX2013)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

The four-season environment ecological comprehensive surveys were carried out at 34 stations in the southern South China Sea by the research vessel “NanFeng” from March to December in 2013. Results show that the average chlorophyll a (Chl a) concentration of shallow water at 150 m in early spring (0.14 mg•m-3) and early summer (0.12 mg•m-3) were lower than that in early autumn (0.18 mg•m-3) and early winter (0.16 mg•m-3). This was mainly due to the smallest spring wind speed in early spring and the highest water temperature in early summer, which were not conducive to vertical mixing, limiting deep nutrients being brought up. The subsurface Chl a maximum in the four seasons all appeared at both 50 m (0.24~0.26 mg•m-3) or 75 m (0.22~0.26 mg•m-3), and the difference of Chl a concentration at these two depths was small, with little season change. The 50 m and 75 m layers were located in the middle part and near the bottom of the euphotic seawater, and the light received by the two layers can meet the growth need of phytoplankton. With the combined impact of mixed layer depth and the upper bound of the thermocline, the Chl a concentration in the 50 m layer was mainly controlled by the supply of nutrients, and that in the 75 m layer, by ocean temperature, both being important factors affecting phytoplankton growth.

Key words： Southern South China Sea; chlorophyll a maximum; temporal and spatial distribution; nutrient

Cite this article

LIAO Xiuli , DAI Ming , GONG Xiuyu , LIU Huaxue , HUANG Honghui . Subsurface chlorophyll a maximum and its possible causes in the southern South China Sea*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(1) : 45 -56 . DOI: 10.11978/2017020

海洋叶绿素a (Chl a)质量浓度的高低可用于反映海洋光能自养生物的多寡, 其时空分布受光照、温度、盐度、风、海流等因素的影响(宫响, 2012)。海洋中叶绿素的垂直分布极不均匀, 在多数海区都存在次表层叶绿素最大值现象, 30%~70%的水体初级生产力是由这个最大值层贡献的(Takahashi et al, 1984; Siswanto et al, 2005; Hanson et al, 2007)。研究其时空分布特征及影响因素, 有利于提高真光层内叶绿素含量的计算精度, 可以为评估海洋渔场提供理论依据(沈新强 等, 2004; Hold et al, 2013; 唐峰华 等, 2014), 并加深对全球海洋碳循环的认识(李纯厚 等, 2010)。
南海是热带边缘海, 南海南部一般是指12°N以南的南海海域。目前对南海Chl a的研究较多, 如台风、热带气旋引起次表层Chl a质量浓度急剧升高(Ye et al, 2013; Lin et al, 2014); 春季季风转换期风应力旋度引起的Ekman抽吸导致南海西南沿岸海域出现Chl a高值区(Wang et al, 2014); 夏季西南季风引起的沿岸上升流、边界流以及河流输入的影响, 使南海北部沿岸海域浮游植物生物量较高(Liu et al, 2011; Song et al, 2012), 南海中部部分海域亦存在类似的现象(于杰 等, 2016); 南海北部海域Chl a质量浓度夏、冬季高于春、秋季, 且冬季高值出现在外海(Liu et al, 2014)。这些研究主要集中在南海中部、北部或沿岸海域, 而涉及南海南部海域的研究大多出现在对整个南海的相关研究中, 如李敏(2009)对1993年—2004年南沙海域实测数据的研究显示, 冬、夏季表层Chl a质量浓度高于春、秋季, 高值区主要集中在越南东南海域和加里曼丹岛西北部海域, Chl a最大值出现在50~75m水深处(黄良民, 1992; 陈楚群 等, 2001; 赵辉 等, 2005a、2015b; 高姗 等, 2010; 高姗, 2011; 陈小燕, 2013); 林丽茹等(2012)利用1998年—2007年SeaWiFS三级4.1版月平均遥感资料研究发现, 南海南部叶绿素质量浓度较低(0.1~0.3mg•m-3), 且与海表温度呈极显著负相关, 冬季叶绿素质量浓度较高。本文分析了南海南部海域的Chl a质量浓度在垂直方向上的最大值的时空分布特征, 并探讨了Chl a最大值与营养盐、水温、盐度、混合层、真光层、温跃层等理化环境因子的关系, 可以加深对南海南部海域Chl a最大值垂直和水平分布特征的了解, 深化对其形成及变动机制的认识。

1 材料与方法

于2013年使用“南锋号”科考船对南海南部海域进行现场调查, 共布设站位34个(图1)。其中, 早春(3月15日至4月8日) 26个站位, 初夏(6月15日至7月12日) 32个站位, 初秋(9月9日至27日) 24个站位, 初冬(11月18日至12月3日) 18个站位, 4个季节共同站位有16个。除海域西南部陆架区站位(A39、A47、A49、A53、A55、A56)水深小于200m外, 其他站位水深均超过200m。
Fig. 1 Sampling sites in the southern South China Sea. The dots, stars, circles, and squares represent sampling sites in spring, summer, autumn, and winter, respectively

图1 南海南部采样站位图

1.1 样品采集与分析

水体的温度、盐度由温盐深剖面仪(CTD, SBE 911 plus)现场测定, 所获数据经热通量订正、低通滤波、平逆压订正、异常值剔除、数据平均后得到垂向间隔1m的温、盐资料。
用CTD配备的采水器采集各个水层(5、10、25、50、75、100、150m)的水样。海水的营养盐浓度用分光光度计测定, 硅酸盐(SiO3-Si)测定采用硅钼蓝法, 氨氮(NH4-N)测定用次溴酸钠氧化法, 亚硝氮(NO2-N)、硝氮(NO3-N)测定均用重氮-偶氮法(硝氮是先用锌片还原为亚硝氮再测定), 无机氮(TIN)为前面3个氮营养盐之和, 溶解无机磷(DIP)用磷钼蓝法测定。Chl a质量浓度用萃取荧光法测定, 用孔径为0.7μm的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜过滤现取水样1000mL, 然后将滤膜放入-20℃冰箱冷冻保存, 分析时将滤膜浸泡于5mL体积分数为90%的丙酮中低温避光萃取24h, 在台式离心机上以3000r·min-1的转速低温离心10min, 取上清液于Turner-Designs 10型荧光光度计下测定。

1.2 数据分析

水表5m至深度150m的水柱Chl a质量浓度平均值用以下公式计算(柯志新 等, 2013):
$P=\left\{ \sum\limits_{i=1}^{n-1}{\frac{{{P}_{i}}+{{P}_{i+1}}}{2}\left( {{D}_{i+1}}-{{D}_{i}} \right)} \right\}/D$
式中: P为水柱Chl a质量浓度均值(单位: mg•m-3); Pi为第i层Chl a质量浓度(单位: mg•m-3); D为最大取样深度(单位: m); Di为第i层的深度(单位: m); n为取样层次。
Dandonneau Y于1979年提出硬度(hardness)的概念, 即剖面Chl a质量浓度最大值与水柱Chl a质量浓度均值的比率, 可用于区分剖面的异质性(Dandonneau, 1979)。本文计算硬度时采用站位采水层Chl a质量浓度最大值与水柱Chl a质量浓度均值的比率。
真光层深度使用曹文熙等(2002)提出的反演公式:
${{D}_{\text{eu}}}=35{{\rho }_{\text{Chl}}}$
式中: Deu表示真光层底部深度(单位: m); ρChl表示海表层叶绿素质量浓度(单位: mg•m-3), 本文用5m和10m采水层的Chl a质量浓度均值代替。
同期的海面高度异常(SLA)和地转流数据取自TOPEX/Poseidon、Jason-1和ERS-1/2的网格化资料(http://www.aviso.oceanobs.com), 空间分辨率为(1/3)°×(1/3)°。

2 结果与分析

2.1 环境因子和Chl a质量浓度垂直分布特征

图2为4个季节各采水层温、盐散点图。早春时, 50m以浅的温、盐空间差异较大; 初夏时, 50m、75m温、盐空间变化明显; 初秋、初冬则主要是75m的温、盐空间差异较显著。从早春到初冬, 水温、盐度在水平方向上的差异逐渐从表层或近表层向下转移。
Fig. 2 Scatter diagrams of vertical distributions of water temperature and salinity of the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively

图2 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d)温盐垂直分布散点图

图3是4个季节150m水柱硬度的空间分布图。比较而言, 早春的硬度相对较大, 初夏次之, 初冬的硬度相对最小。硬度低于2的区域, 早春时仅出现在纳土纳岛东南部的小长条区域, 初夏时该硬度低值区域往北扩展, 初秋时海域东北角、中部及西南部均出现斑块状硬度低值区, 初冬时硬度低值区主要出现在海域东南部即加里曼丹岛西南部海域。
Fig. 3 Spatial distributions of the hardness of water column in the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively

图3 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d)水柱硬度的空间分布
图中黑点表示站位; 虚线表示调查范围

图4为4个季节各采水层Chl a质量浓度散点图。4个季节均以50m和75m水层的Chl a质量浓度均值最高。早春、初夏的Chl a垂直分布特征相似, 均以50m层的变化幅度最大, 75m层变化幅度次之, 5、25、50、100m层变化幅度相近, 而150m的变化幅度最小; 同时, 从75m至100m的Chl a质量浓度均值下降幅度超过50%, 呈急剧下降的趋势, 100m以深下降趋势减缓。初秋, 100m层变化幅度最大, 50m、75m层变化幅度次之, 其他层变化幅度相近。初冬, 50m层以深变化幅度相近且幅度大, 5m、10m、25m变化幅度均较小。与早春、初夏相比, 初秋、初冬100m、150m层的变化幅度相对较大, 且从75m至100m Chl a质量浓度均值下降速度明显较早春、初夏缓慢, 结果显示, 100m以深水层的Chl a质量浓度分布特征在初秋、初冬类似, 但不同于早春、初夏。
Fig. 4 Scatter diagrams of vertical distributions of Chl a in the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively. Units: mg•m-3

图4 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d) Chl a质量浓度垂直分布散点图

2.2 水柱Chl a质量浓度均值时空变化特征

4个季节水柱Chl a质量浓度均值见图5。早春、初夏、初冬的大部分区域水柱Chl a质量浓度均值介于0.10~0.20mg•m-3, 小于0.10mg•m-3的区域局限于海域西北部, 0.20~0.30mg•m-3的区域呈斑块状零星出现; 初秋, 整个海区的水柱Chl a质量浓度均值差异较大, 其中6°N—8°N区域普遍低于0.10mg•m-3, 而在9°30ʹN—11°N, 112°E—115°E的区域出现大于0.30mg•m-3的区域, 北部区域的水柱Chl a质量浓度均值高于南部。4个季节各海域水柱Chl a质量浓度平均值分别为早春为0.14±0.04mg•m-3 (n=26)、初夏为0.12±0.04mg•m-3 (n=32)、初秋为0.18±0.09mg•m-3 (n=24)、初冬为0.16±0.05mg•m-3 (n=18)。初秋、初冬海域150m层以浅的浮游植物生物量均值略高于早春、初夏; 主要是由于春季风速全年最小, 夏季水温全年最高, 不利于水体的垂直混合, 水体层化较秋、冬季严重(陈小燕, 2013), 限制深层营养盐向上输运, 因而Chl a质量浓度较低。在加里曼丹岛西南部的海域4个季节的水柱Chl a质量浓度均值普遍高于0.10mg•m-3。有研究发现, 由于受地形及河流冲淡水的影响, 加里曼丹岛沿岸海域常年为叶绿素高值区(李敏, 2009; 刘昕 等, 2012), 本文的研究结果与之较为相似。
Fig. 5 Spatial distribution of average Chl a of water column in the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively. Units: mg•m-3

图5 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d)水柱Chl a质量浓度均值的空间分布
图中黑点表示站位; 虚线表示调查范围

2.3 Chl a质量浓度最大值层时空分布特征

由2.1的分析可知, 50m和75m是Chl a质量浓度最大值出现水层, 本研究结果与其他学者在不同时期对南沙群岛海域开展的研究结果(黄良民, 1991; 张清凌 等, 2003)一致, 表明在南海南部海域, 50m和75m层的Chl a质量浓度一直都是最高的。图6为4个季节50m层Chl a质量浓度的空间分布图。由图6可知, 4个季节中大部分海域在50m深处的Chl a质量浓度均介于0.10~0.30mg•m-3。早春, 10°N以北的部分海域Chl a质量浓度低于0.10mg•m-3, 而在巴拉旺岛和加里曼丹岛西北部海域Chl a质量浓度均超过0.30mg•m-3, 甚至出现大于0.50mg•m-3的情况; 在纳土纳岛东北部亦出现长条形的大于0.30mg•m-3的区域。初夏, Chl a质量浓度小于0.10mg•m-3的区域往中南半岛方向压缩, 而大于0.30mg•m-3的区域在巴拉旺岛西北部海域继续向西扩张。初秋, 海域西北角出现大于0.30mg•m-3甚至大于0.50mg•m-3的高浓度区, 实现从夏季到秋季的飞跃式转变, 而调查海域东南角残存一小块大于0.30mg•m-3的区域。初冬, Chl a质量浓度大于0.30mg•m-3的区域均呈条块状, 分布于海域西南角、北部、巴拉旺岛西南部, 其中西南角的一个站位出现略高于0.50mg•m-3的浓度。总体上, 4个季节在调查时50m层Chl a质量浓度以0.10~0.30mg•m-3为主, 0.30~0.50mg•m-3出现频率及面积均居第二位, 低于0.10mg•m-3和高于0.50mg•m-3的区域均较小; 4个季节50m层Chl a质量浓度的海域均值分别为早春0.26± 0.16mg•m-3 (n=26)、初夏0.24±0.11mg•m-3 (n=31)、初秋0.24±0.11mg•m-3 (n=24)、初冬0.26±0.10mg•m-3 (n=18), 季节间差异很小。
Fig. 6 Spatial distributions of Chl a at 50 m in the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively. Units: mg•m-3

图6 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d) 50m层Chl a质量浓度的空间分布
图中黑点表示站位; 虚线表示调查范围

图7为4个季节75m层Chl a质量浓度的空间分布图。与图6相比, 75m层亦是以0.10~0.30mg•m-3为主, 区别在于0.30~0.50mg•m-3的区域更大更集中, 但大于0.50mg•m-3的区域只在初秋出现且面积很小。早春时海域西南东北方向出现S形的0.30~ 0.50mg•m-3的区域, 几乎占据调查区域的一半。初夏, 0.30~0.50mg•m-3的区域萎缩在海域中部偏东北的块状区域, 其他大部分区域介于0.10~0.30mg•m-3之间, 巴拉旺岛西南部出现一小块Chl a质量浓度低于0.10mg•m-3的区域。初秋, 0.30~0.50mg•m-3的区域横向发展, 占据了9°N以北约一半的海域, 在10°30ʹN, 114°30ʹE的区域甚至出现高于0.50mg•m-3的区域, 加里曼丹岛西北部、中南半岛东南部亦出现零星的0.30~0.50mg•m-3的区域, 尽管如此, 初秋调查时Chl a质量浓度依然是0.10~0.30mg•m-3占主导地位。初冬, 0.30~0.50mg•m-3的区域略微缩小并分离, 大部分海域Chl a质量浓度为0.10~0.30mg•m-3。4个季节75m层Chl a质量浓度均值分别为早春0.26± 0.10mg•m-3 (n=26)、初夏0.22±0.11mg•m-3 (n=31)、初秋0.24±0.12mg•m-3 (n=24)、初冬0.23±0.09mg•m-3 (n=18), 与相应季节的50m层海域质量浓度均值差异不明显。
Fig. 7 Spatial distributions of Chl a at 75 m in the four seasons. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively. Units: mg•m-3

图7 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d) 75m层Chl a质量浓度的空间分布
图中黑点表示站位; 虚线表示调查范围

3 讨论

3.1 Chl a质量浓度最大值层环境因子分布特征

1998年—2006年南海北部次表层Chl a质量浓度最大值层(SCML)的资料分析显示, SCML一般出现在营养盐跃层之内(宫响, 2012)。4个季节的调查结果显示: 从50m水层开始营养盐质量浓度略有升高, 到75m时质量浓度增幅很大, 我们推测50m可能为营养盐跃层的起始处, 75m则位于营养盐跃层内, 并在这两个深度处出现Chl a质量浓度最大值, 本研究结果基本与其他学者的结论一致(林学举, 2001; 宫响, 2012)。
表1显示50m层Chl a质量浓度与NO2-N、NO3-N和DIP显著或极显著正相关, 而75m层Chl a质量浓度与NO3-N、DIN和DIP显著或极显著负相关。有研究表明, SCML的形成是水体稳定性、营养盐通量、光可利用性三者动态平衡的结果, 而营养盐浓度只是影响因素之一, 因而在Chl a质量浓度最大值层, 浮游植物生物量与营养盐浓度的相关性不强也是合理的(宫响, 2012)。在南海北部海域, SCML强度与海表温度呈显著的负相关关系(宫响, 2012), 但本文研究结果显示, 南海南部海域50m和75m的Chl a质量浓度与海表5m层的水温几乎没有相关性(相关系数r均小于0.1), 但与自身水层的水温、盐度存在明显的相关关系(表1)。
Tab. 1 Correlation analysis between nutrients and Chl a in the subsurface chlorophyll maximum layer

表1 次表层叶绿素最大值层的Chl a质量浓度与营养盐质量浓度的相关分析

水层 水温 盐度 NO2-N NO3-N NH4-N DIN DIP DIN/DIP SiO3-N 样本数
50m -0.463** 0.414** 0.502** 0.214* -0.145 -0.01 0.372** -0.139 0.195 99
75m 0.248* -0.245* 0.121 -0.27* -0.125 -0.306** -0.264* -0.014 -0.148 99

注: *: p<0.05; **: p<0.01

混合层的上下混合作用会显著影响海洋上层水温的分布特征, 水温、盐度的垂直变化能反映局部区域海流状况, 而海流携带营养盐的高低则会影响浮游植物的生长繁殖, 从而使Chl a质量浓度发生变化。图8为50m和75m层的温盐散点图。其中50m层的水温在早春、初夏的海域变化幅度均为4℃左右, 盐度变化幅度约为1‰; 初秋时该层水温、盐度的变化幅度小(约为1℃和1.5‰, A2站例外); 初冬时50m层的水温分布呈现两个阵营, 多数站位水温在28℃附近而盐度介于32.5‰~33.5‰, 少数站位(A4、A32、A41、A47、A49)水温低于25℃同时伴随34.0‰左右的较高盐度, 很可能是受低温高盐上升流的影响, 这些站位的水柱Chl a均值或50m层Chl a数值均较高。总体上, 50m层盐度的4个季节差异不大。春季时调查海域风力最小, 在逐渐增强的太阳辐射影响下, 海洋上层形成稳定的层化结构, 而混合层的搅拌作用是传递海表热量往下的主要途径; 春季时混合层深度(MLD)空间分布差异很大(廖秀丽 等, 2015), 从21m到66m不等, 同时调查海域南北纬度差异达7°也会使海表温度存在南北差异, 在这些因素的共同作用下, 春季50m层水温的空间差异达4.9℃。夏季, 整个海域MLD变化范围为36~60m, 同时西南季风引起的控制整个调查海域的南沙上层反气旋式环流(方文东 等, 1997)促使海表水体下压, 加上夏季太阳辐射导致海表温度升高, 因而50m层水温普遍高于春季, 介于25.6~29.6℃之间。秋季, 海域MLD介于45~92m, 绝大部分站位50m层位于混合层内, 因而该层水温的区域差异很小(仅1℃), 盐度差异亦不大; 同时A2站采样当天(2013-09-26)的海面高度异常和地转流分布图(图9a)显示, A2刚好位于一个很强的气旋式环流中心, 而A2的MLD为48m, 混合层未能影响50m层, 因而受深层上升流影响, 50m层出现25.0℃的相对低温和33.9‰的较高盐度, 使该站在温盐散点图上明显偏离其他站位, 刘昕等(2012)利用1997年—2010年SeaWiFS资料开展研究也发现, 海面高度是影响南海叶绿素质量浓度的动力指标之一。冬季, 方文东等(1997)的研究显示, A32、A41、A47、A49 4个站在冬季均位于南沙气旋范围内, 气旋式环流使深层高盐冷水上涌, 因而该区域50m层出现低温高盐的水体, 在温盐散点图上表现为明显远离其他站位; A4站在温盐点聚图上亦明显偏低, 根据A4站冬季调查当天(2013-11-18)的海面高度异常和地转流分布图(图9b)可以发现, A4位于一个不太强的气旋式环流之中, 因而其水温亦较低(24.8℃); 调查时A4、A32、A41、A47、A49的MLD分别为43、28、24、24、29m, 而其他站位MLD介于54~77m, 显示这5个在50m层出现低温高盐水的站位明显是受到了上升流的影响, 而其他站位的50m层均位于混合层内, 因而水温较高。4个季节在调查时50m层Chl a质量浓度与水温呈极显著负相关(r=-0.463, n=98, p=0.000), 与盐度呈极显著正相关(r=0.414, n=98, p=0.000), 显示在50m层低温高盐的条件对促进浮游植物的生长更为有利; 同时该层Chl a质量浓度与氮、磷营养盐呈显著或极显著正相关关系, 即营养盐浓度的升高对应较高的Chl a质量浓度; 并且4个季节调查时MLD变化幅度很大, 当50m层位于混合层底部或之下时, 其受到深层上升流的温、盐、营养盐的影响就较大, 以上3个方面均显示, 50m层高Chl a质量浓度与上升流的营养供应关系密切。
Fig. 8 Scatter plots of temperature and salinity at 50 and 75 m. (a), (b), (c), and (d) are early spring, early summer, early autumn, and early winter, respectively

图8 南海南部海域早春(a)、初夏(b)、初秋(c)和初冬(d) 50m和75m层的温度、盐度散点图

Fig. 9 Sea level anomalies and geostrophic circulation distribution maps. (a) 20130926; (b) 20131118; (c) 20130627

图9 海面高度异常和地转流矢量分布图
a. 2013-09-26; b. 2013-11-18; c. 2013-06-27

75m层的水温在春季大约20~24℃, 盐度介于33.5‰~34.5‰之间, 各站的温盐点聚图几乎可以连成一条直线, 水温(T)与盐度(S)呈线性关系(T= -6.0631S+228.87, r=0.96); 夏季, 该层的水温明显较春季升高, 绝大部分站位介于22~26℃ (A38升温更明显, 为27.5℃), 盐度变化幅度小, 约为0.5‰, 温盐点聚图的分布较为分散(T=-6.3067S+238.04, r=0.64); 秋、冬季, 该层水温、盐度均较为分散, 盐度变化幅度均较大, 而水温在多数站位均介于20~28℃, 秋季甚至有部分站位高于28℃, 这两次调查的水温与盐度的关系均可用二次多项式拟合(秋: T=-3.6125S2+238.07S-3893.6, r=0.86; 冬: T=-5.4752S2+364.34S-6034.1, r=0.78)。从MLD在4个季节的变化幅度可以发现, 春、夏季海域各站的MLD均不超过66m, 因而75m层水温几乎不受混合层影响; 同时, 从调查当天(2013-06-27)海面高度异常和地转流分布图(图9c)可以看出, 夏季调查时A38正好位于一个反气旋式环流的中心, 温度较高的表层水被挟带着往下, 使该站75m层水温明显高于其他站位, 而A38所处的位置, 亦可能受东部苏禄海海水入侵的影响, 致夏季水温高。秋季, 海域MLD变化幅度很大, 部分站位MLD明显超过75m, 其中A11、A19 (MLD分别为84、92m)水温高于28.5℃, 盐度在32.5‰附近, 在温盐点聚图中明显偏离其他站位, 显示混合层对其影响显著。冬季, 部分站位MLD接近或超过75m, 同时MLD变化幅度相当大, 因而温盐点聚图亦较分散。从表1看出, 与50m层相比, 75m层Chl a质量浓度与水温、盐度的相关性一般, 分别呈显著正相关、负相关, 同时该层Chl a质量浓度与氮、磷营养盐呈显著或极显著负相关, 表明在75m深度营养盐供应充足, 水温成为影响浮游植物生长的重要因子, 且75m层Chl a质量浓度与水温呈正相关(r=0.248, n=97, p=0.014), 在一定程度上可反映水体层化加强后叶绿素最大值层的下移。

3.2 特征水层与Chl a质量浓度最大值层的关系

已有研究显示, MLD对海盆区的SCML厚度有影响(宫响, 2012)。本研究中, MLD与50m层Chl a质量浓度呈极显著负相关(r=-0.325, n=98, p=0.001), MLD深的地方, 50m层Chl a质量浓度低。但MLD与75m层Chl a质量浓度不具有显著相关关系。调查时4个季节海域MLD均值分别为春37m、夏49m、秋65m、冬54m, 除春季较浅外, 其他3个季节MLD均接近或超过50m但小于75m, 而混合层由于普遍处于真光层内且上下混合均匀, 使营养盐消耗过快, 同时得不到下层营养盐的及时补充, 因而对于50m层的Chl a质量浓度而言, MLD对其影响显著。而75m层普遍处于混合层之下, 因而其Chl a质量浓度与MLD深度关系不明显。50m和75m层Chl a质量浓度与营养盐的相关关系进一步印证了这个分析, 从表1可知, 50m层Chl a与NO3-N、NO2-N、DIP均呈显著或极显著正相关关系, 表明在50m深度上, 营养盐的增加能促进浮游植物的生长; 而75m层的Chl a与TIN、DIP呈显著或极显著的负相关, 显示在75m时, 营养盐显得过剩, 对浮游植物生长不起促进作用。
真光层是浮游植物能够进行有效光合作用的水层, 南黄海的研究显示, Chl a质量浓度与水体透明度呈负相关关系(李宝华 等, 1999)。本研究中, 真光层深度以春、夏季最深(均为83m), 冬季次之(78m), 秋季最浅(73m)。出现Chl a质量浓度高值的75m水层基本位于真光层近底部, 光线虽弱但依然能到达, 不会成为浮游植物生长的限制因子, 75m层Chl a质量浓度与真光层深度几乎不具相关性(r=-0.063, n=99, p=0.534)亦能说明这点; 同时75m位于混合层下方, 深层上升流携带的营养盐能不受阻碍地扩散到该深度, 因而75m层会出现垂直方向上的Chl a质量浓度高值。50m层位于真光层中部, 该层Chl a质量浓度与真光层深度呈极显著负相关(r=-0.532, n=99, p=0.000), 说明此处光线充足或可能出现光抑制。但该处靠近混合层底部, 混合层中死亡的浮游生物或是再生的营养盐都容易堆积于此, 为浮游植物生长提供养分, 因而50m层亦会出现垂直方向上的Chl a高值。Morel等(1989)研究发现, 海洋中水柱Chl a质量浓度与真光层深度存在密切的关系, 本研究中, Chl a水柱均值与真光层深度呈极显著负相关关系(r=-0.592, n=100, p=0.000), 即真光层越深, 水柱浮游植物生物量均值越小。林学举(2001)对南海北部SCML的形成机制研究发现, 硬度在近岸测站和上升流测站的数值明显小于离岸测站。本研究中, 真光层深度与硬度呈显著正相关(r=0.248, n=100, p=0.013), 显示水深少于200m或存在上升流的站位硬度低, 真光层深度浅; Chl a质量浓度水柱均值与硬度呈极显著负相关(r=-0.490, n=100, p=0.000)。硬度与真光层深度以及硬度与Chl a质量浓度水柱均值的相关性, 进一步证实了真光层深度对Chl a质量浓度水柱均值的影响, 即真光层越深, 叶绿素a质量浓度水柱均值越小。
已有研究表明, 温跃层的深度和强度都会影响SCML的分布(宫响, 2012)。本研究中, 4个季节调查时各站位温跃层上界深度介于21~93m, 其中1/3的站次浅于50m, 而仅有A9站次深于75m。对数据进行相关性分析显示, 50m层Chl a质量浓度与温跃层上界深度呈极显著负相关关系(r=-0.387, n=97, p=0.000), 75m层Chl a质量浓度与温跃层上界深度显著正相关(r=0.247, n=97, p=0.015), 但这两个水层的Chl a质量浓度与温跃层下界深度、温跃层厚度、温跃层强度均不具有明显相关性。温跃层的存在显示水体在垂直方向上受深层上涌冷水的影响, 其上界深度在一定程度上表明深层冷水携带的营养盐向上能到达的深度, 由于本研究中2/3的站次其温跃层上界均位于50m水层的下方, 50m层得不到下方营养盐的补充, 因而温跃层上界深度越深, 50m层Chl a质量浓度越低; 同时, 本研究的绝大部分站次75m水层均位于温跃层内, 温跃层上界深度越深, 从这个上界到75m的水层越薄, 这个水层由于得到下层营养盐的补充而生长繁殖的浮游植物对75m处的遮蔽作用越弱, 同时被消耗的营养盐亦不会太多, 因而75m层不但能得到足够的营养盐补充, 且光线亦不会太差, 因而温跃层上界越深, 75m层Chl a质量浓度越高。本研究结果显示, 温跃层上界深度会影响Chl a质量浓度最大值层(50m、75m)的浓度, 但温跃层强度却对其没明显影响。

4 结论

南海南部海域4个季节Chl a质量浓度的垂直分布均在50m和75m处出现比较突出的最大值, 最大值的海域均值在4个季节介于0.22~0.26mg•m-3之间, 50m与75m的最大值差异不明显, 而季节间的差异亦小。在南海南部, 50m和75m分别位于真光层的中部和近底部, 光线不会成为该处浮游植物生长的限制因子。50m处的Chl a质量浓度最大值与营养盐含量呈显著正相关关系, 主要是由于该深度在多数站位均位于混合层内以及温跃层之上, 营养盐消耗过快且得不到及时补充导致; 而75m层多居于混合层之下同时在温跃层内, 深层冷水上涌携带的丰富营养盐能抵达该处, 在这种条件下, 水温成为影响该层浮游植物生长的重要因素。

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