色素是浮游植物进行光合作用的基础，主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类，其中叶绿素a(chlorophyll-a，Chl-a)普遍存在于几乎所有的浮游植物中，常被用来指示海洋初级生产力或浮游植物生物量，而具有明显分类学意义的不同类型类胡萝卜素的含量变化则被广泛用来研究浮游植物的群落组成和相对丰度，例如多甲藻黄色素(peridinin，Perid)、岩藻黄素(fucoxanthin，Fuco)、玉米黄素(zeaxanthin，Zea)和别黄素(alloxanthin，Allo)等分别用来表征甲藻、硅藻、蓝藻和隐藻的存在及相对比例^[1]. 这些浮游植物色素在由表层水体中浮游植物合成直到在沉积物中埋藏的过程中会经历光氧化降解、浮游动物摄食以及微生物分解等一系列过程而发生不同程度分解^[2]，这些在沉积物中保存下来的色素虽然仅占原来水体中总量的一小部分，但是由于河口与近海较高的初级生产力和沉积速率，沉积下来的量依然相当可观，并仍然保存了水体环境中浮游植物生物量和群落组成的丰富信息，对研究沉积物中有机碳的来源和分布、沉积环境对海源有机碳的保存的影响等具有重要意义^{[2, 3, 4, 5]}.

长江是中国第一大河，其输运而来的大量营养盐和有机物对长江口和东海生态系统产生了重要影响^[6]. 自20世纪60年代以来，长江径流激增的溶解态无机氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)、无机磷(dissolved inorganic phosphorus，DIP)等营养盐输入已经造成长江河口区域显著地富营养化，以甲藻为优势种的有害藻华以及底层水缺氧事件的发生^[7]. 在长江口及其邻近海域，已经开展了许多针对水体中浮游植物Chl-a空间分布以及浮游植物群落结构的研究工作^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}. 近年来，已有研究使用沉积色素作为生物标志物来反演长江口及其邻近海域的富营养化历史趋势以及气候变化对该海域浮游植物生物量的影响^{[4, 5, 16, 17]}. 但诸如表层水体初级生产力、沉积速率、外界溶解氧浓度、微生物降解、浮游和底栖生物摄食、沉积物类型以及沉积水动力条件等因素均会对沉积色素的分布、降解和保存等产生影响^{[2, 18, 19]}，因此如何在合适的区域选取有代表性的样品是进行浮游植物初级生产力历史重建的首要问题. 在一个比较大的区域范围内，了解沉积色素的组成、分布及其影响因素和指示意义是解决这一问题的一个思路，然而目前类似的研究还鲜见报道.

本研究的主要目的即通过对长江口-浙闽沿岸表层沉积物中浮游植物色素组成、丰度和空间分布特征的分析，探讨人类活动(主要指人类活动引起的富营养化)以及自然环境(例如浮游动物摄食和沉积水动力环境)对长江口及其邻近海域浮游植物生物量、群落功能类群及以色素为代表的海源有机碳的沉积和埋藏的影响，以期为选取适宜研究区域开展浮游植物生物量、群落结构变化及人类活动和气候变化的影响的历史重建提供基础.

1 材料与方法

于2011年7月29日至8月3日，利用“润江1号”海洋科研调查船，在长江口-浙闽沿岸使用箱式采泥器采集了20个站位的表层沉积物(约0~3 cm)，采样站位如图 1所示，水深10~72 m. 表层沉积物样品装入预先在450℃下灼烧过的铝盒中，并在-20℃条件下保存至岸上实验室进行下一步分析. 根据研究区域内约0.5~6.0 cm ·a^-1(长江口区域约为3.0 cm ·a^-1，浙闽沿岸约为1.5 cm ·a^-1)的沉积速率^[20]，本实验中采集样品约代表过去1~2 a内上层水体浮游植物空间分布的综合结果.

图 1

Fig. 1

棕色箭头代表长江冲淡水，蓝色实线和虚线箭头代表浙闽沿岸流，黑色箭头代表台湾暖流图 1 表层沉积物采样站位 Fig. 1 Sampling stations of surface sediments

在实验室内将沉积物用冷冻干燥机进行干燥处理，并研磨混匀. 沉积色素的提取采用文献^[5]中的方法. 简单来讲，约2 g预先研磨过的沉积物转移到装有6 mL色谱纯丙酮的离心管中，涡旋振荡混合均匀，将混合物在冰水浴条件下超声1 min，-20℃条件下静置保存12 h. 离心(5 000 r ·min^-1，4℃)混合物，将上清液转入玻璃离心管中. 重复提取，直至上清液无色. 将多次提取的上清液混合，氮吹至干. 再使用100 μL色谱纯丙酮定容，用针头滤器(4 mm，0.45 μm PTFE，Whatman)过滤后手动注射上机测定. 色素的分析采用文献^[21]中的高效液相色谱方法，使用配有反相C₁₈色谱柱(5 μm，250 mm×4.6 mm i.d.，Alltech Adsorbsphere)，996型二极管阵列检测器和岛津-RF535型荧光检测器(激发波长440 nm和发射波长660 nm)的高效液相色谱仪. 沉积物样品中色素的定性和定量基于与权威色素标准品的保留时间、最大特征吸收波长以及积分面积对比完成，色素标准品[包括Chl-a、脱镁叶绿素a(pheophytin-a，PHtin-a)、脱镁叶绿酸a(pheophorbide-a，PHide-a)、Perid、 Fuco、19′-丁酰 氧基岩藻黄素(19′-butanoyloxyfucoxanthin，19′-But)、青绿藻黄素(prasinoxanthin，Prasino)、紫黄素(violaxanthin，Viola)、Allo，叶黄素(Lutein)、Zea，β-胡萝卜素(β-carotene，β-Car)、硅甲藻黄素(diadinoxanthin，Diadino)、百合黄素(antheraxanthin，Anthera)和硅藻黄素(diatoxanthin，Diato)]从丹麦DHI Water & Environment购买得到. 对于没有标准的焦脱镁叶绿素a(pPheophytin-a，pPHtin-a)、胡萝卜醇绿素酯(carotenol chlorin esters，CCEs)和甾醇绿素酯(sterol chlorin esters，SCEs)，使用与PHtin-a相同的响应因子来进行定量^[5,22]. 该方法所得沉积色素含量单位为ng ·g^-1(单位质量冻干沉积物中含有的沉积色素的质量). 该方法对目标色素含量测定的相对标准偏差<3%，检出限约为1 ng ·g^{-1[3, 5]}.

2 结果与分析 2.1 沉积物中Chl-a及其降解产物的空间分布

沉积物中Chl-a及其5种主要降解产物(pheopigments，Pheo-a；包括PHtin-a、PHide-a、pPHtin-a、CCEs和SCEs)的含量和空间变化如表 1和图 2所示. 除PHide-a外，大部分沉积绿素(Chlorins，包括Chl-a及Pheo-a)在浙闽沿岸海域以及长江口海域均有高值区分布(图 2)，其中pPHtin-a、SCEs和CCEs的含量存在一定程度自北向南逐渐增加的变化趋势[图 2(d)、2(e)和2(f)]. PHide-a含量则具有明显的离岸增加趋势[图 2(c)]. 叶绿素类色素较类胡萝卜素具有更高的含量，是沉积物中的优势色素.

表 1(Table 1)

表 1 本研究中沉积绿素的含量变化范围与平均值/ng ·g-1 Table 1 Ranges and averages of sedimentary chloropigments contents in this study/ng ·g-1 色素名称 Chl-a PHtin-a PHide-a pPHtin-a CCEs SCEs Chlorins 变化范围 0~1 871 86~6 061 49~1 480 61~1 344 70~1 579 61~2 822 393~9 240 平均值 304±435 1 211±1 285 515±399 539±368 505±337 855±685 4 028±2 453

表 1 本研究中沉积绿素的含量变化范围与平均值/ng ·g-1 Table 1 Ranges and averages of sedimentary chloropigments contents in this study/ng ·g-1

图 2

Fig. 2

图 2 研究区域表层沉积物中Chl-a、Pheo-a、Chlorins含量以及Chl-a/Pheo-a比值的空间分布 Fig. 2 Spatial distributions of Chl-a,Pheo-a,chlorins contents and Chl-a/Pheo-a ratios in the surface sediments of the study area

本研究中共检测出12种类胡萝卜素，其含量变化及空间分布分别见表 2和图 3. 其中，共有6种具有分类学意义的特征类胡萝卜素，分别为Fuco、Perid、19′-But、Prasino、Allo和Zea. Fuco是沉积物中平均含量最高的一种类胡萝卜素，在长江口12号站位区域以及浙江沿岸1号站位有较高含量[图 3(a)]. Perid、Prasino、Allo、Zea以及19′-But没有明显的趋势性变化，但具有较为一致的空间分布；同时，这些特征色素的高值区域较Fuco高值区离岸更远(图 3). Viola、Diadino、Anthera、Lutein和Diato这些在多种浮游植物中均有存在的非特征类胡萝卜素也有检出，均具有与特征类胡萝卜素(Fuco除外)相似的分布趋势(图 3). 此外，β-Car的含量与Chl-a含量具有一致的分布趋势[图 3(l)和图 2(a)].

表 2(Table 2)

表 2 沉积物中类胡萝卜素的含量变化范围与平均值/ng ·g-1Table 2 Ranges and averages of sedimentary carotenoids contents/ng ·g-1 色素名称 Fuco Perid 19′-But Prasino Allo Zea Viola Diadino Anthera Lutein Diato β-Car 变化范围 65~1 791 0~779 0~298 4~588 8~280 0~106 0~441 6~230 8~204 0~141 2~141 0~178 平均值 529±441 157±215 97±90 199±142 90±78 42±31 94±101 91±65 72±64 50±38 48±38 30±45

表 2 沉积物中类胡萝卜素的含量变化范围与平均值/ng ·g-1 Table 2 Ranges and averages of sedimentary carotenoids contents/ng ·g-1

图 3

Fig. 3

图 3 研究区域表层沉积物中类胡萝卜素含量空间分布 Fig. 3 Spatial distributions of carotenoid contents in the surface sediments of the study area

水动力条件以及沉积环境差异也会影响沉积物中浮游植物色素的空间分布. 虽然，杭州湾外海水域表层水体中浮游植物生物量处于较高水平(细胞丰度约200×10⁶ cells ·m^-3或者Chl-a质量浓度约为10 μg ·L^-1)^[15,36]，但杭州湾外海海域沉积物中Chl-a和Chlorins含量较低[图 2(a)和2(g)]，这可能是由于杭州湾水体通过舟山群岛与外部海水进行水体交换时产生的“峡道效应”和“蚀余堆积”现象，导致了海域海底沉积物的严重冲刷^{[37, 38, 39]}以及沉积物中较低的黏土颗粒物贡献[图 4(c)]，而这种沉积环境可能不利于上层水体产生的含有色素的浮游植物碎屑在这一区域的沉积. 此外，浙闽沿岸的上升流往往会带来较高的浮游植物初级生产^[28,29]，以及上升流对细粒级颗粒物的富集作用也促进了这一海域泥质区的形成^[40,41]，最终导致上升流区较高的chlorins含量和较多的泥质沉积[图 2(g)和图 4(c)]. 整体而言，chlorins含量高值区往往对应着沉积物中细粒级颗粒物的高值区(特别是黏土组份)[图 4(b)和4(c)]，河口砂质沉积区以及外海残余砂区较低chlorins含量进一步证明了此结论[图 2(g)和图 4(a)].

图 4

Fig. 4

改自文献[42]图 4 研究区域表层沉积物粒度组成空间分布 Fig. 4 Spatial distributions of sediment compositions in the surface sediments of the study area

根据不同特征类胡萝卜素对特定种类海洋浮游植物的化学分类特性^[1,43]，本研究使用沉积物中Fuco、19′-But、Perid、Prasino、Allo和Zea 这6种长江口及邻近海域常见特征色素各自含量与6种特征色素总含量的比值，来简单估算沉积物中硅藻、定鞭藻、甲藻、青绿藻、隐藻以及蓝藻共6种浮游植物功能类群的相对贡献^{[13, 15, 44, 45]}，结果见表 3. 浮游植物功能类群具有明显空间分布差异，整体上表现为：硅藻与甲藻比例在近岸海域较高且离岸降低[图 5(a)和5(b)]；定鞭藻比例在34号站位区域有高值区，在长江口门9号站位及杭州湾4号站位有低值区，在其它研究区域内分布较为均匀，且没有明显变化趋势；而青绿藻、隐藻以及蓝藻的相对丰度在外海区域较高且离岸逐渐增加[图 5(c)、5(d)和5(e)].

表 3(Table 3)

表 3 长江口及其邻近海域水体和沉积物中浮游植物功能类群相对比例比较/% Table 3 Relative contributions of phytoplankton functional types in the Changjiang Estuary and adjacent region/% 藻种名称 硅藻 甲藻 定鞭藻 青绿藻 隐藻 蓝藻 水体中CHEMTAX方法1) 24.0~87.1 (43.3±12.6) 0~41.3 (12.8±12.3) 0.4~12.3 (6.3±6.4) 1.5~8.4 (4.7±3.5) 0.3~21.3 (10.0±7.8) 1.1~25.6 (5.4±4.8) 本研究表层沉积物特 征色素相对比值方法 7.0~87.2 (48.8±17.4) 0~48 (10.7±11.5) 0~29.5 (8.1±7.2) 3.5~36.7 (18.6±8.2) 1.1~26.2 (9.4±6.4) 0~11.2 (4.3±3.2) 1)该行数据由文献[9, 13, 14, 15, 44, 46]中原始数据粗略计算得到

表 3 长江口及其邻近海域水体和沉积物中浮游植物功能类群相对比例比较/% Table 3 Relative contributions of phytoplankton functional types in the Changjiang Estuary and adjacent region/%

图 5

Fig. 5

图 5 基于沉积物中特征色素比例的研究区域浮游植物功能类群空间分布 Fig. 5 Spatial distributions of phytoplankton functional types based on the relative proportions of sedimentary diagnostic carotenoids in the study area

为了说明使用沉积物中特征类胡萝卜素相对比值来研究浮游植物功能类群分布和变化的可行性，将其与以往在长江口及邻近海域水体中利用CHEMTAX方法计算浮游植物群落结构的研究结果进行了比较. 表 3汇总计算了相似研究区域内不同季节调查的相关研究结果^{[9, 13, 14, 15, 44, 46]}. 虽然类胡萝卜素由于分子结构不同因而在海洋环境中具有不同的稳定性^[6]，可能对利用沉积物中特征类胡萝卜素所占比例来表征浮游植物群落组成产生一定影响，但两种方法计算结果较为一致，可能原因是沉积色素在沉积物中的降解半衰期为年或者更长时间，相对于水体中浮游植物色素以天为半衰期的降解非常缓慢^[18]，因而每种特征色素在表层沉积物中的相对比例可能较水体中还未发生明显改变. 从图 5也可以看出，该方法所得分布趋势与前人在该海域水体中浮游植物群落结构分布的研究结果较为一致^{[9, 15, 44]}，同样证明了沉积物中特征色素比值方法对上层水体浮游植物的空间分布趋势具有较好的指示作用.

上层水体浮游植物对外界营养盐水平、盐度等的偏好和耐受性可能是决定沉积物中不同种类浮游植物空间分布的主要原因. 研究表明，硅藻能够在富营养水体中快速繁殖成为优势种^[47]，而长江冲淡水区富含的硅酸盐(dissolved silicate，DSi)更为硅藻合成硅质介壳提供了充足的物质基础^[48]. 过剩的DIN、DIP浓度可能是决定长江口及其邻近海域甲藻空间分布的主要因素^{[15, 49, 50]}. 因此，离岸逐渐降低的营养盐浓度(特别是DSi和DIP)可能是决定本研究中硅藻和甲藻在近岸具有较高比例并且离岸降低的主要原因[图 5(a)和5(b)]. 浮游植物粒径大小及其对营养盐吸收效率高低、营养盐代谢快慢也会通过浮游植物对外界营养盐水平的偏好和耐受性而决定浮游植物比例的空间分布^[51,52]. 隐藻(6~20 μm)、蓝藻(1~2 μm)以及青绿藻(0.1~5 μm)等粒径较小(<20 μm)的微微型和微型浮游植物往往具有较高的营养盐吸收效率和较快的代谢速率^{[14, 53, 54]}，因而在寡营养盐的长江口外混合水区占优势^[8]，而对于粒径较大的硅藻(20~200 μm)和甲藻(2~200 μm)则往往在富营养的长江口冲淡水区具有更大的竞争力和比例^[11]，与本研究结果一致[图 5]. 由于束毛藻等蓝藻以及青绿藻对水体高盐度、高透明度的偏好以及低营养盐水平的耐受性高，其在东海被用作黑潮水体的指示藻种^{[9, 46, 55]}，因此蓝藻以及青绿藻比例由外海123°E海域向近岸的舌状延伸可能在一定程度上受控于黑潮水向东海近岸的入侵[图 5(d)和5(f)]. 3.3 长江口及其邻近海域沉积色素的降解和保存

凭借不同的稳定性，易降解的Chl-a与更稳定的Pheo-a含量之间的比值(Chl-a/Pheo-a)被用来指示沉积物中叶绿素的新鲜程度以及保存程度^[5]. 本研究中，Chl-a/Pheo-a比值在离岸较近的长江口最大浑浊带外缘(13号站位)、杭州湾湾口(4号站位)以及浙闽沿岸中北部(32号站位)有高值区[图 2(h)]，指示这些区域具有较为新鲜的Chl-a输入以及较好的沉积色素保存效率，更适合作为进行海洋生态环境历史演化的研究区域.

叶绿素在水体中的降解速率较沉积物中的降解速率高2~4个数量级^[18]，因此，颗粒物在水体中的停留时间可能是决定色素降解程度的一个最为主要的因素. Chl-a/Pheo-a比值在沉积速率较高的泥质沉积区以及近岸海域具有高值[图 2(h)]^[20]，表明随着含有浮游植物色素的海源有机物在水体中保留时间的逐渐增加，更多的新鲜Chl-a转化成了Pheo-a. 但长江口门处最大浑浊带的存在抑制了口门区域(9号和11号站位海域)浮游植物初级生产^[56]，造成口门区较低的Chl-a/Pheo-a比值[图 2(h)].

长江口及邻近海域赤潮高发区底层水体的低氧和缺氧环境也可以促进叶绿素的保存. 长江口及邻近海域低氧区(<3 mg ·L^-1)主要位于28.5°~33.5°N、122.0°~124.0°E海域内，特别是在31.0°N、122.5°E附近区域内自20世纪50年代以来就多年均能观测到底层水体低氧现象^{[57, 58, 59]}. 在本研究中，13号站位正位于长江口缺氧区中心区域，具有次高的Chl-a/Pheo-a比值(~0.33)[图 2(h)]，表明这一季节性缺氧区域有较好的叶绿素保存效率，位于浙闽沿岸泥质区中北部区域的32站位同样具有较高的Chl-a/Pheo-a比值(~0.30)[图 2(h)]，该区域同样发生过多次缺氧事件^{[57, 58, 59]}. 可能的原因为缺氧的底层水体通过抑制Chl-a的光化学氧化降解以及减少底栖生物活动的途径来促进Chl-a的保存.

后生动物对新鲜浮游植物的摄食作用同样对沉积色素的新鲜程度也有一定影响. 自长江口门至外海(123°E区域)逐渐增加的浮游动物以及底栖生物生物量^{[60, 61, 62, 63]}有可能会通过对浮游植物更大的摄食压力从而导致沉积物中较低的Chl-a/Pheo-a比值[图 2(h)]，反之，研究区域内具有较高Chl-a/Pheo-a比值的区域浮游以及底栖生物生物量均较低[图 2(h)]^[62,64]. 此外，与长江口泥质区、浙闽沿岸泥质区沉积物相比，杭州湾外海由于较强水动力条件可能导致了这一区域沉积有机碳的埋藏效率较低^[65]，进而导致沉积色素较低的新鲜程度和保存效率[图 2(h)].

4 结论

(1) 长江冲淡水以及浙闽沿岸上升流的营养盐输送是造成长江口及邻近海域表层沉积物中Chlorins高值区呈南北两大斑块状分布的主要原因. 较差的沉积环境导致杭州湾外海Chlorins含量较低，而浙闽沿岸上升流区对应的泥质沉积区则是Chlorins的重要沉积场所.

(2) 使用沉积物中特征色素比值估算的沉积物中浮游植物功能类群结果表明：硅藻、甲藻、定鞭藻、青绿藻、隐藻和蓝藻的相对贡献分别为48.8%±17.4%、10.7%±11.5%、8.1%±7.2%、18.6%±8.2%、9.4%±6.4%和4.3%±3.2%，与以往在长江口及邻近海域水体中利用CHEMTAX软件方法计算的浮游植物群落结构结果及浮游植物的空间分布特征较为一致.

(3) 长江口最大浑浊带外缘、杭州湾湾口以及浙闽沿岸中北部区域具有较高的沉积色素保存效率，适合作为进行海洋生态环境历史演化的研究区域. 整体上，较高沉积速率以及较短的水体中颗粒物保留时间是导致近岸海域具有较高的沉积色素保存效率的主要原因. 长江口以及浙闽沿岸缺氧区季节性暴发的底层水体缺氧事件也会促进该水域沉积物中浮游植物色素的保存.

致谢： 感谢“润江1号”海洋科研调查船全体船员、赵美训、陈洪涛、张海龙以及赵宗山在调查采样期间给予的帮助！