Spatio-temporal variability of chlorophyll a and its responses to sea surface temperature, winds and height anomaly in the western South China Sea

To understand the response of marine ecosystem to environmental factors, the oceanographic (physical and biochemical) data are analyzed to examine the spatio-temporal distributions of chlorophyll a (Chl a) associated with surface temperature, winds and height anomaly for long periods (1997-2008) in the western South China Sea (SCS). The results indicate that seasonal and spatial distributions of Chl a are primarily influenced by monsoon winds and hydrography. A preliminary Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis of remotely sensed data is used to assess basic characteristics of the response process of Chl a to physical changes, which reveals interannual variability of anomalous low Chl a values corresponding to strong El Ni o (1997-1998), high values corresponding to strong La Ni a (1999-2000), low Chl a corresponding to moderate El Ni o (2001-2003), upward Chl a after warm event in 2005 off the east coast of Vietnam. The variability of Chl a in nearshore and the Mekong River Estuary (MER) waters also suggests its response to these warm or cold processes. Considering the evidence for covariabilities between Chl a and sea surface temperature, winds, height anomaly (upwelling or downwelling), cold waters input and strong winds mixing may play important roles in the spatial and temporal variability of high Chl a. Such research activities could be very important to gain a mechanistic understanding of ecosystem responses to the climate change in the SCS.     

东海北部叶绿素a极大值的分布规律

本文利用《中日黑潮合作调查研究(1986-1992)》的资料着重研究东海北部叶绿素a极大值在水平方向上的分布和季节变化规律等.研究表明,东海北部水动力环境,诸如锋面涡、海洋锋和上升流等等是促成叶绿素a极大值分布变化的重要环境因素.文中特别指出叶绿素a密集区离锋面远近的位置与锋面流速的跃变程度呈现一元线性负相关,可以通过此相关式来估计叶绿素a密集区的位置.     

夏季南海北部浮游植物对上升流与羽状流的响应

文章建立了基于真实场驱动的三维物理—生态耦合模型, 利用模型定量分析了夏季南海北部上升流和羽状流过程对浮游植物生物量空间分布的影响程度及作用机制。首先, 利用2006—2008年卫星遥感数据及2006与2008年夏季观测数据对模型进行了验证, 结果表明, 模型能较好地再现夏季南海北部上升流和羽状流过程, 较好地反映出浮游植物的空间分布特征。模拟分析结果显示, 夏季南海北部浮游植物主要分布在50m等深线以内。琼州海峡东部海域和汕头海域浮游植物垂向分布较为均匀, 上升流的贡献均达到90%以上, 表层水平平流输送是浮游植物主要的汇, 生物过程是浮游植物的源。珠江口和汕尾海域浮游植物存在表层和次表层两个高值区, 羽状流贡献35%~40%, 主要促进表层浮游植物生长, 而上升流贡献60%~65%, 主要促进中底层浮游植物的生长。粤西海域上升流对浮游植物的贡献占92%, 主要促进中底层浮游植物生长, 而表层浮游植物浓度极低。整体上, 夏季南海北部上升流和羽状流主要是通过输送营养盐的方式影响浮游植物的生长。上升流对营养盐的输送作用是向岸方向的爬升输送和平行于等深线的沿岸流输送共同作用的结果。跃层的存在改变了营养盐的垂向输送过程, 是导致上升流和羽状流过程对不同水层浮游植物贡献差异的关键因素之一。整体而言, 夏季南海北部浮游植物空间分布差异是以上升流、羽状流主导, 环流—营养盐—生物过程共同作用的结果。     

南海中西部渔场上升流时空变化特征分析

南海中西部海域是我国外海渔业开发的潜在渔场之一,摸清该海域的物理环境特征可为我国开发中西部渔场提供参考。本文以遥感风场和海温数据为基础,分析了2003~2012年西南季风期起止时间的年变化、上升流中心位置时空变动以及风场对上升流中心位置变动的影响。结果表明:在南海中西部海域,西南季风期通常从5月份开始,到9月份结束,西南季风持续天数平均值为129.4 d,其中,风向角呈51°~60°的天数最多,占总季风天数的21.98%,西南季风期持续时间有增加的现象。上升流中心位置变动范围为11°~15°N,109°~112°E。西南季风期平均风速减小时,年平均上升流中心在经向上向近岸移动,在纬向上向高纬度移动;平均风速增加时,年平均上升流中心在经向上向离岸方向移动,在纬向上向低纬度移动;当西南季风期平均风向角减小时,年平均上升流中心向低纬度移动,平均风向角增大时,年平均上升流中心向高纬度移动。此外,发现厄尔尼诺年此上升流面积显著大于非厄尔尼诺年,而最低温度比2003~2012年平均最低温度低1.3℃。     

2012年夏季南海西北部网采浮游植物群落结构

根据2012年8—9月在南海西北部海区的采样调查,对网采浮游植物的群落结构进行了研究。本次调查共检出浮游植物206种(包括变种及变形),隶属于4门55属,其中硅藻门40属114种,占总种数的55.3%;甲藻门10属86种,占总种数的41.7%。浮游植物平均细胞丰度为66.67×10⁴cells·m^-3,硅藻平均细胞丰度为65.79×10⁴cells·m^-3,甲藻平均细胞丰度为0.88×10⁴cells·m^-3。优势种为伏氏海线藻 Thalassionema franenfeldii、翼根管藻 Rhizosolenia alata和菱形海线藻 Halassionema nizschioides。调查海区的Shannon-Weiner多样性指数(H′)平均值为2.67,高值区位于西沙群岛和调查区东部。对比分析浮游植物细胞丰度与环境因子可知,浮游植物细胞丰度高和种类多的区域,其水体营养盐含量也高,说明营养物质与该区浮游植物细胞丰度分布和群落结构密切相关。     

南海中部海域铵浓度及其与浮游植物的关系

本文根据１９８３年９月至１９８５年１月南海中部海域调查的资料，分析了该海区海水中铵浓度的频率分布，垂直分布特征和次表层铵最大值的形成及其与环境因子的关系。结果表明，铵浓度变化范围在０－２．７１μｍｏｌ／ｄｍ＾３之间，铵含量小于０．５μｍｏｌ／ｄｍ＾３的样品数约为样品总数的７８％，铵最大值出现在表层和次表层机率较大。文中还对该海域表层的铵含量与浮游植物的关系进行了初步探讨。     

南海南部表层沉积物中生物硅的分布及其环境意义

对南海南部25个表层沉积样进行了生物硅的测定分析,试图揭示南海南部表层沉积生物硅的分布及其对现代海洋环境的指示意义,以便为古海洋学研究提供进一步的科学依据。研究发现,表层沉积物中生物硅含量与其所处水深呈显著正相关关系,相关系数达到0.782。陆架浅水区表层沉积物中生物硅含量非常低,不能反映表层水体中硅质生物生产力情况,这可能与沉积类型和陆源物质输入影响有关。深水区表层沉积物中生物硅的含量分布表明,其不仅能反映表层水体中硅质生物的古生产力水平,而且还能指示上升流的强弱,从而进一步证实了利用沉积物中生物硅含量来追踪上升流发育和变化的有效性与可信度。研究结果还显示,在研究区域中北部表层沉积生物硅中放射虫和海绵骨针较硅藻占有更大的比重,这可能是由于硅藻易被溶解并易被其他生物体摄食的缘故。在有上升流发育的海域,放射虫、硅藻和海绵骨针基本上表现出较高的丰度,这与高的生物硅含量相一致。     

南海北部浮游植物生物量的研究特点及影响因素

介绍了浮游植物生物量变化的研究方法。综述了南海北部浮游植物生物量在营养盐、光照、季风等理化因子影响下出现的变化特点。该海域生态环境复杂,由富营养的珠江口、沿岸带、北部湾和广阔的陆架及贫营养的开阔海区等不同生态区组成,因此浮游植物群落和生物量有其自身复杂的空间和时间变化特点。     

2008年夏季南海北部海区生物光学特性的垂向变化特征

Vertical variability in the bio-optical properties of seawater in the northern South China Sea(NSCS) including inherent optical properties(IOPs) and chlorophyll a concentration(Chl) were studied on the basis of in situ data collected in summer 2008 using an absorption/attenuation spectrophotometer. An empirical model was developed to estimate Chl profiles based on the absorption line height at long wavelengths, with a relative root mean square error of 37.03%. Bio-optical properties exhibited large horizontal and vertical spatial variability. As influenced by coastal upwelling and the Zhujiang River(Pearl River) discharge, both IOPs and Chl exhibited high values in the surface waters of the inner shelf, which tended to decrease with distance offshore. Subsurface maximum layers of IOPs and Chl were observed in the middle and outer shelf regions, along with significantly higher values of attenuation coefficients beneath this layer that rapidly increased towards the bottom. In the open ocean, both IOPs and Chl exhibited consistent variability, with the subsurface maximum layer typically located at34–84 m. Phytoplankton were found to be one of the major components in determining the vertical variability of bio-optical properties, with their vertical dynamics influenced by both physical forcing and light attenuation effects. The depth of the subsurface maximum layer was found to be closely related to the fluctuation of the oceanic thermocline and the depth of the euphotic zone, which also affected the total integrated biomass of the upper ocean. Typically high values of attenuation coefficients observed in the bottom waters of the continental shelf reflected the transport of particulate matter over the bottom boundary layer. Our results reveal large spatial differences in bio-optical profiles in response to complex marine ecodynamics in the NSCS. From the perspective of marine research, high-resolution optical measurements are clearly advantageous over conventional bottle sampling.     

南海北部微微型光合浮游生物的丰度及环境调控

1999年夏季首次在南海北部海域进行了微微型光合浮游生物(photosynthetic picoplankton)的观测研究,发现了聚球藻(Synechococcus,Syn)、原绿球藻(Prochlorococcus,Pro)和真核球藻(Eukaryotes,Euk)3类微微型光合浮游生物存在,并对其丰度与分布及其环境调控机制进行了研究.结果表明,研究海区Syn,Pro和Euk丰度的总平均值分别为(5.0±7.6)×104,(4.6±4.2)×104和(1.8±1.1)×103个/cm3,Syn种群丰度的高值大多出现在营养盐丰富的雷州半岛及海南岛东部海域的河口、沿岸带与陆架,北部湾次之,是陆坡和开阔海的数十分之一;其水层分布主要在跃层以上,跃层以下其值迅速降低,发现Pro存在两个不同种群:表层种群和深层种群,前者分布型式与Syn相似,后者的分布型式迥然不同,其丰度向营养盐贫瘠的外海、陆坡和开阔海显著增高;同时发现Pro水层分布的高值主要出现在真光层的底部,并往往出现在硝酸盐跃层之上,Euk在不同海域的分布差异不如Syn和Pro来得大,但仍以沿岸带与陆架为高,陆坡与开阔海较低,水层分布的高值大多出现在真光层的底部,而且它是对次表层叶绿素a极大值的主要贡献者,这些分布型式的差异,取决于环境的调控和3类生物生态生理适应的差异.研究海区Syn,Pro和Euk 3类微微型光合浮游生物对微微型光合浮游生物生态生理适应的差异.研究海区Syn,Pro和Euk3类微微型光合浮游生物对微微型光合浮游生物群落总丰度的贡献分别为50.996,47.3%和1.8%.     

南海北部冬、夏季海表浮游植物光合作用速率对光强的响应特征

本文通过南海北部冬、夏季航次的现场观测,研究了海表浮游植物光合作用速率对光强的响应特征(P-E曲线)。结果表明南海北部浮游植物P-E曲线存在明显的季节变化。在冬季,P-E曲线呈现高P_mB、高α、高β的特征,这表明冬季浮游植物在低光照环境中光合作用速率增加迅速,其最大光合作用速率较高但容易受到光抑制。与冬季相反,夏季P-E曲线呈现低P_mB、低α、低β的特征,浮游植物受光抑制影响小,但最大光合作用速率低于冬季。水温和粒级结构等指标与P-E参数存在显著相关,这意味着环境和群落的季节变化可能对光合作用特性有一定影响。通过P-E参数模拟得到真光层内光合作用速率,模拟值与现场结果之间呈明显的线性相关但存在高估。此研究有助于认识南海浮游植物光合作用特征,并为初级生产力模型研究提供依据。     

南海中西部叶绿素时空变化特征分析

本文使用2003年1月—2019年12月MODIS遥感数据,结合海表温度、风速分析南海中西部叶绿素质量浓度分布特征和影响因素。结果显示南海中西部叶绿素质量浓度分布存在时空变化。EOF分解表明,EOF1可能反映台风等极端天气对叶绿素的影响;而EOF2 和EOF3均反映了夏季沿岸上升流对叶绿素分布的影响。相关分析表明南海中西部叶绿素质量浓度与海面风场呈正相关(r=0.87,p<0.01),与海表温度呈负相关(r=-0.59,p<0.05)。夏季在西南季风影响下越南东南沿海形成上升流,导致该区浮游植物旺发、叶绿素质量浓度升高;冬季受强东北季风影响,研究区海洋上层混合作用强烈,营养盐供应增加,促进了浮游植物生长,叶绿素质量浓度高于其他季节。     

南海北部表层沉积物中黏土和碎屑矿物组成及其地质意义

以X-射线衍射仪和偏光显微镜为主要手段,对南海调查区表层底质沉积物中黏土和碎屑矿物组分进行分析和研究,结果表明黏土矿物主要有伊利石、蒙皂石、高岭石和绿泥石,其组合特征在不同区域表现出明显的差异。碎屑成分主要由生物壳(钙质和硅质)、轻矿物(石英、长石为主)和含量低但种类多的重矿物组成。一般认为物质来源是调查区沿岸风化岩石遭受进一步剥蚀后细小组分通过水动力搬运沉积而成的。钙质和硅质生物壳分布受南海碳酸盐补偿深度(CCD)的控制。     

南海中北部表层沉积物的矿物沉积

本文研究了南海中北部500多个样品的矿物学。认为,本区表层沉积物中矿物种类繁多,分布较为普遍,碎屑矿物(含火山物质)、粘土矿物、自生矿物常有出现。以前者为最显著(共60多种,其中重矿物50多种,轻矿物近10种),主要分布于陆架区及深海盆;粘土矿物次之,多分布于陆坡～深海盆;自生矿物较少,陆架～深海盆均有分布。文中根据矿物沉积特征和环境差异,把它划分为6个矿物区。     

南海岛礁周边海域表面叶绿素浓度的时空特征

南海海域内岛礁众多, 渔业资源丰富, 而目前针对岛礁周边海区生态要素开展的研究仍较少。本文利用近20年多卫星融合水色遥感数据, 分析了南海38个主要岛礁周边区域海面叶绿素浓度的空间分布、季节变化和年际变化特征。结果表明, 岛礁周边普遍存在叶绿素浓度高值区, 其浓度约在离岛礁5个等效半径外降至海区背景水平。岛礁周边海域的叶绿素(相对于背景值的)浓度异常受海区背景值影响, 两者在南海的空间分布格局与背景值基本一致: 在平均温度较低、季风强度较大的东沙、西沙海区, 叶绿素浓度异常高于温度较高、季风强度相对较弱的中沙、南沙海区。叶绿素浓度呈现出明显的季节变化和年际变化特征, 一般在冬季风期间升高, 而在夏季风爆发前降至最低; 在El Ni?o次年随海温升高和季风减弱而下降, 在La Ni?a次年则相反。岛礁周边的叶绿素浓度异常受到温度变化的影响, 随着近年来海温变化幅度加大, 其年均水平呈显著下降趋势(P=5.05×10 ^-5)。这些结果可为我国岛礁区域渔业资源的开发和管理提供信息支持。     

南海北部冬、夏季浮游群落呼吸率

Plankton respiration is an important part of the carbon cycle and significantly affects the balance of autotrophic assimilation and heterotrophic production in oceanic ecosystems. In the present study, respiration rates of the euphotic zone plankton community(CR_(eu)), size fractionated chlorophyll a concentration(Chl a), bacterial abundance(BAC), and dissolved oxygen concentration(DO) were investigated during winter and summer in the northern South China Sea(n SCS). The results show that there were obvious spatial and temporal variations in CR_(eu) in the n SCS(ranging from 0.03 to 1.10 μmol/(L·h)), CR_(eu) in winter((0.53±0.27) μmol/(L·h)) was two times higher than that in summer((0.26±0.20) μmol/(L·h)), and decreased gradually from the coastal zone to the open sea. The distribution of CR_(eu) was affected by coupled physical-chemical-biological processes, driven by monsoon events. The results also show that CR_(eu) was positively correlated with Chl a, BAC, and DO, and that BAC contributed the highest CR_(eu) variability. Furthermore, the results of the stepwise multiple linear regression suggest that bacteria and phytoplankton were the dominant factors in determining CR_(eu)(R~2 = 0.82, p0.05) in the n SCS. Based on this relationship, we estimated the integrated water column respiration rate(CRint) within 100 m of the investigated area, and found that the relationship between the biomass of the plankton community and respiration may be nonlinear in the water column.     

2009 年冬季南海北部网采浮游植物群落结构

根据2010年1月6～30日对南海北部的调查取样,作者对该海域网采浮游植物的分布和群落结构特征等进行了分析。共鉴定浮游植物4门52属155种（包括变形及变种）,主要以温带近岸和广布性种为主,其中硅藻有38属94种,占总种数的60．6％;甲藻有12属58种,占总种数的37．4％;浮游植物平均细胞丰度为36．46×10^4个／m^3,硅藻平均细胞丰度为13．77×10^4个／m^3,甲藻平均细胞丰度为1．39×10^4个／m^3,铁氏束毛藻（Trichodesmium thiebautii）平均细胞丰度为21．30×10^4个／m^3。粤东近岸区域是浮游植物高密集区,珠江口及其西南沿岸其次,而浮游植物稀疏区主要在调查区的中部海域,呈现出沿远岸区域逐渐降低的平面分布格局。除铁氏束毛藻为绝对优势种外,主要优势种有：菱形海线藻（Thalassionema nitzschioides）、短刺角毛藻（Chaetoceros messanensis）、圆筛藻（Coscinodiscus spp．）、粗根管藻（Rhizosolenia robusta）及角毛藻（Chaetoceros spp．）等。浮游植物群落香农．威纳物种多样性指数（H’）平均值为4．50,Peilou均匀度指数（J）平均值为0．81。浮游植物多样性程度较高,与细胞丰度平面分布基本呈相嵌分布,仅在近岸出现低值。     

南海表层沉积物生物标志物的分布特征及古生产力重建意义

作为一种新的地球化学指标方法,多参数生物标志物法已被广泛应用于重建浮游植物生产力。这个方法假设沉积物中生物标志物含量基本可以反映光合层浮游植物的生产力。但对于这个假设还缺乏现场的证据验证,尤其是西太平洋边缘海地区现场证据。本文对南海表层沉积物中的浮游植物生物标志物含量分布进行了研究。通过对南海77个站位的调查,发现硅藻、甲藻和颗石藻3种主要浮游植物生物标志物的总含量变化范围为551147ng&#183;g^-1,陆源生物标志物C27＋C29＋C21正构烷烃总含量变化范围为57—732ng&#183;g^-1。浮游植物生物标志物高值主要分布在近岸区、越南外部及巽他陆架北部的2个上升流区等高生产力区。研究表明,生物标志物的含量分布与现代海洋调查和其他古生产力指标对比显示生物标志物法基本可以用来重建生产力。相对于总有机碳含量（Total organic carbon,TOC）和蛋白石,生物标志物指标可以更准确地重建南海生产力。同时我们也发现,由于氧化降解和陆源冲淡效应的影响,在南海北部陆坡区和吕宋西北上升流区表层沉积物中生物标志物的含量与表层生产力的变化出现偏差,因此,在南海利用沉积物中生物标志物含量重建生产力存在区域性限制。     

Comparison among four kinds of data of sea surface wind stress in the South China Sea

By using remote sensing (ERS) data, FSU data, COADS data and Hellerman & Rosen-stein objective analysis data to analyze the sea surface wind stress in the South China Sea, it is found that the remote sensing data have higher resolution and more reasonable values. Therefore we suggest that remote sensing data be chosen in the study of climatological features of sea surface wind stress and its seasonal variability in the South China Sea, especially in the study of small and middle scale eddies.     

Seasonal and spatial distributions of phytoplankton biomass associated with monsoon and oceanic environments in the South China Sea

Seasonal variations of phytoplankton/chlorophyll-a （Chl-a） distribution, sea surface wind, sea height anomaly, sea surface temperature and other oceanic environments for long periods are analyzed in the South China Sea （SCS）, especially in the two typical regions off the east coast of Vietnam and off the northwest coast of Luzon, using remote sensing data and other oceanographic data. The results show that seasonal and spatial distributions of phytoplankton biomass in the SCS are primarily influenced by the monsoon winds and oceanic environments. Off the east coast of Vietnam, Chl-a concentration is a peak in August, a jet shape extending into the interior SCS, which is associated with strong southwesterly monsoon winds, the coastal upwetling induced by offshore Ekman transport and the strong offshore current in the western SCS. In December, high Chl-a concentration appears in the upwelling region off the northwest coast of Luzon and spreads southwestward. Strong mixing by the strong northeasterly monsoon winds, the cyclonic circulation, southwestward coastal currents and river discharge have impacts on distribution of phytoplankton, so that the high phytoplankton biomass extends from the coastal areas over the northern SCS to the entire SCS in winter. These research activities could be important for revealing spatial and temporal patterns of phytoplankton and their interactions with physical environments in the SCS.