趙永芳，趙增霞，孫曉霞,4

1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，青島 266071

2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，青島266071

3.中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，青島 266071

4.中國科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

引 言

生源要素是初級生產(chǎn)者生長的營養(yǎng)元素。水體中氮、磷、硅是主要的生源要素，是海洋初級生產(chǎn)過程和食物鏈的基礎(chǔ)。水體營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的不均衡顯著影響浮游植物的生長和種類組成，根據(jù)營養(yǎng)鹽化學(xué)計(jì)量限制標(biāo)準(zhǔn)[1-2]形成的浮游植物生長限制因子數(shù)據(jù)也是研究和評估生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和演變的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

膠州灣位于山東半島南側(cè)的黃海之濱，被譽(yù)為青島市的“母親灣”，是一個(gè)典型的溫帶半封閉海域。伴隨周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污水被排入該灣，營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)受到周邊人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、大氣沉降、河流輸入、與黃海的水交換等因素控制，與東京灣、布雷斯特灣、切薩皮克灣等成為科學(xué)家研究人類頻繁影響下的生態(tài)模式海灣。

山東膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（簡稱膠州灣站），始建于1981年，是我國溫帶海域唯一集監(jiān)測、研究與示范為一體的綜合性生態(tài)系統(tǒng)研究站。1991年成為中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）的野外觀測基本站之一，按照CERN統(tǒng)一的觀測規(guī)范，對海灣生態(tài)系統(tǒng)的氣象、水文物理、海洋化學(xué)、海洋生物要素進(jìn)行長期、連續(xù)的觀測研究，積累了大量的監(jiān)測和研究數(shù)據(jù)。

本數(shù)據(jù)集基于1997-2010年對膠州灣內(nèi)8個(gè)定位站點(diǎn)的分層硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽五項(xiàng)營養(yǎng)鹽觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)后形成。為了挖掘基礎(chǔ)觀測指標(biāo)的科研價(jià)值，原始數(shù)據(jù)先經(jīng)過CERN統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系質(zhì)控，然后進(jìn)行時(shí)間序列3sigma檢驗(yàn)，結(jié)合臨近站點(diǎn)一致性對比進(jìn)行異常值剔除，經(jīng)統(tǒng)一插值后進(jìn)行比值計(jì)算，根據(jù)營養(yǎng)鹽化學(xué)計(jì)量限制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限制因子判定，最后篩選計(jì)算統(tǒng)計(jì)出“定位站表層營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”，“海灣季度月營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”，“海灣年際營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”3張數(shù)據(jù)表，以供不同空間和時(shí)間需求的人員下載使用，同時(shí)提供矢量圖形數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集主要為研究海灣生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及演化、生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域?qū)Ρ鹊热藛T提供數(shù)據(jù)支持和積累，也可以為生態(tài)評價(jià)模式、生態(tài)災(zāi)害、政府決策等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 采樣站點(diǎn)設(shè)置

膠州灣站對膠州灣及鄰近海域進(jìn)行連續(xù)長期定點(diǎn)采樣的營養(yǎng)鹽觀測已近30年，設(shè)置定點(diǎn)站位14個(gè)，以團(tuán)島頭與薛家島腳子石為界，選取其中灣內(nèi)監(jiān)測連續(xù)性好的8個(gè)定點(diǎn)站（圖1）數(shù)據(jù)為本數(shù)據(jù)集的原始數(shù)據(jù)。8個(gè)定位站涵蓋整個(gè)海灣，每個(gè)站點(diǎn)代表不同水文物理狀況、人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響的區(qū)域，定點(diǎn)站的代表性見表1。本數(shù)據(jù)集樣地編碼采用CERN長期生態(tài)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測中的編碼。

圖1 膠州灣生態(tài)站灣內(nèi)長期定位監(jiān)測采樣站位圖

表1 定點(diǎn)站的代表性

采樣頻率為每年4次（2月、5月、8月、11月），盡可能在月中旬組織航次，先后使用“創(chuàng)新二號”“創(chuàng)新號”科學(xué)考察船，使用GPS（TOPCON，HP5500）定位到定點(diǎn)站后使用Niskon采水器進(jìn)行分水層樣品采集，采樣水層按照水域生態(tài)系統(tǒng)觀測規(guī)范[3]進(jìn)行，即采集表層（0 m），底層（實(shí)測水深-2 m）以及10 m的整數(shù)倍層。<5 m的站位只采集0 m層。水樣即刻用醋酸纖維濾膜（0.45 μm，47 cm，預(yù)先用體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液浸泡12 h，用實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)達(dá)到18Ω的去離子水洗至中性并浸泡其中備用）在負(fù)壓<0.030 MPa條件下過濾。濾液分裝至2個(gè)100 ml聚乙烯瓶（預(yù)先用1∶5鹽酸溶液浸泡24 h以上，然后用去離子水洗至中性），一瓶4℃冷藏保存用于硅酸鹽分析，另一瓶-20℃冷凍保存，用于其他營養(yǎng)鹽分析。

1.2 樣品分析方法

營養(yǎng)鹽各項(xiàng)指標(biāo)分析方法如表2，所用儀器在2009年之前為SKALAR流動(dòng)分析儀（荷蘭），2009年之后為QuAAtro連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國）。營養(yǎng)鹽指標(biāo)的定量采用外標(biāo)法進(jìn)行，所用標(biāo)準(zhǔn)品均為國家海洋局標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心生產(chǎn)的營養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)系列。

表2 營養(yǎng)鹽指標(biāo)分析方法

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

樣品測定后得到5項(xiàng)營養(yǎng)鹽指標(biāo)，對每個(gè)站位每項(xiàng)指標(biāo)采用3sigma檢驗(yàn)結(jié)合臨近站點(diǎn)時(shí)間序列對比進(jìn)行異常值剔除，單站位時(shí)間序列缺失率小于10%并且缺失值不連續(xù)時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行缺失值插補(bǔ)。缺失值插補(bǔ)采用R語言基礎(chǔ)包中imputation函數(shù)（method="linearInterpol.bisector",lowerBound="min",upperBound="max"）。營養(yǎng)元素結(jié)構(gòu)的比值采用摩爾濃度比，計(jì)算公式如下：

營養(yǎng)鹽化學(xué)計(jì)量限制標(biāo)準(zhǔn)采用 Justic等（1995）[1]和 Dortch等（1992）[2]提出的評估營養(yǎng)鹽限制，條件如下：

選取表層指標(biāo)結(jié)合采樣時(shí)間，整理出“定位站表層營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”數(shù)據(jù)表，根據(jù)季度月和年際統(tǒng)計(jì)計(jì)算出“海灣季度月營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”和“海灣年際營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”數(shù)據(jù)表，營養(yǎng)元素水平和結(jié)構(gòu)比例指標(biāo)采用時(shí)期內(nèi)的平均值，限制因子采用時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)的概率。所有統(tǒng)計(jì)計(jì)算過程均采用R語言完成，具有可重復(fù)和一致性，具體數(shù)據(jù)處理流程見圖2，繪圖采用R語言ggplot2包，直觀展示數(shù)據(jù)集。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集為Excel表格型數(shù)據(jù)和zip圖形壓縮文件。表格型數(shù)據(jù)文件包含3個(gè)數(shù)據(jù)表：“定位站表層營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”表存放8個(gè)定位站表層營養(yǎng)結(jié)構(gòu)比值和限制因子的數(shù)據(jù)，共計(jì) 448條數(shù)據(jù)；“海灣季度月營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”表存放季度月計(jì)算和統(tǒng)計(jì)的營養(yǎng)鹽水平、結(jié)構(gòu)比值及限制因子比例的數(shù)據(jù)，共計(jì)56條數(shù)據(jù)；“海灣年際營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子”表存放年際計(jì)算和統(tǒng)計(jì)的營養(yǎng)鹽水平、結(jié)構(gòu)比值及限制因子比例的數(shù)據(jù)，共計(jì)14條數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表單所包含的具體字段名稱、類型和示例見表3-5。

圖2 數(shù)據(jù)集處理流程

表3 定位站表層營養(yǎng)要素結(jié)構(gòu)及限制因子表內(nèi)容

zip圖形壓縮文件包含按照定位站和季度月統(tǒng)計(jì)的營養(yǎng)鹽衍生指標(biāo)長時(shí)間序列圖形，共計(jì)33張，圖形為矢量化格式，可以滿足出版和各類顯示需求，示例如圖3。

圖3 膠州灣季度月氮磷比長期變化圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

在水體營養(yǎng)鹽樣品的采集、室內(nèi)分析以及數(shù)據(jù)處理過程中，嚴(yán)格按照CERN統(tǒng)一的水域生態(tài)系統(tǒng)觀測規(guī)范[3]和國家海洋調(diào)查規(guī)范[4]來開展相關(guān)工作。

膠州灣站設(shè)有專門的營養(yǎng)鹽監(jiān)測技術(shù)和質(zhì)量負(fù)責(zé)人，每次樣品分析測試前都要對樣品測試人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，以保證分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量。紙質(zhì)資料錄入完成后進(jìn)行核對，保證資料無誤、不重、不漏，樣品損失無法獲取的數(shù)據(jù)確定為缺失值。

對每個(gè)監(jiān)測指標(biāo)編寫R程序?qū)握疚稽c(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列和空間鄰近點(diǎn)的對比檢查，對同一定位站的要素進(jìn)行 3sigma檢驗(yàn)遴選出超出范圍的點(diǎn)（概率≤3%），繪制本定位站及鄰近定位站長期時(shí)間序列圖，遴選出的點(diǎn)如與鄰近定位站趨勢不一致則確定為異常值并進(jìn)行剔除。數(shù)據(jù)整體缺失率小于0.5%，相鄰定位站趨勢一致性好。各年份營養(yǎng)元素插補(bǔ)率見表6。

表6 每年?duì)I養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)插補(bǔ)率

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集為1997-2010年膠州灣14年的水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，也統(tǒng)計(jì)出季度及年際限制因子概率數(shù)據(jù)，為研究膠州灣浮游生物與營養(yǎng)水平相互關(guān)系、生態(tài)系統(tǒng)演變等提供了可靠的數(shù)據(jù)，也可以為生態(tài)模式、健康評估等研究及政府決策提供參考。

為方便使用，我們提供數(shù)據(jù)集xlsx格式資料，用戶可直接使用Microsoft Excel 2007以上軟件版本打開瀏覽和使用。在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提供定位站及各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)間序列矢量圖以供下載使用，滿足出版和屏幕顯示的多種需求。原始數(shù)據(jù)可在膠州灣生態(tài)站數(shù)據(jù)共享平臺（http://jzb.cern.ac.cn）申請。

致 謝

感謝參加膠州灣站長期監(jiān)測采樣工作的工作人員、畢業(yè)研究生以及“創(chuàng)新二號”“創(chuàng)新號”科考船的所有成員的支持。