1997–2010年胶州湾水体营养盐结构及浮游植物生长限制因子数据集 中华文库

摘要：水体中的氮、磷、硅是主要的生源要素，是海洋初级生产过程和食物链的基础。氮、磷、硅在水体中的比例可以影响浮游植物的生长，进而影响初级生产力水平。胶州湾是一个典型的温带半封闭海域，是我国海洋生态环境研究的重点模式海湾。本数据集基于山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站（简称胶州湾站）在1997–2010年的对胶州湾8个定位站点的分层营养盐要素长期观测数据计算统计形成。为挖掘数据价值，原始数据通过中国生态系统研究网络（CERN）统一规范数据质量控制体系和时间序列3sigma检验结合临近站点一致性对比方法两级的质量控制，经统一插值后进行比值计算，根据营养盐化学计量限制标准进行限制因子判定，按季度和年际对指标分别进行计算和统计形成数据集，并提供矢量图形满足不同用户的需求。本数据集主要为研究海湾生态系统结构及演化、生态系统区域对比等人员提供数据支持和积累，也可以为生态模式、生态灾害、政府决策等提供数据支撑。

关键词：胶州湾；氮磷比；硅磷比；硅氮比；长期监测；浮游植物生长限制因子

Abstract: Nitrogen, phosphorus and silicon are the main biogenic elements and the basis of primary production processes and food chains in the ocean. The ratio of nitrogen, phosphorus and silicon in water can affect the growth of phytoplankton and the primary productivity. The Jiaozhou bay is a typical semi-closed gulf in the north temperate zone, which is the model bay in focus of marine ecological environment research in China. The dataset is based on the long-term stratified nutrient observation data of 8 fixed station in Jiaozhou bay from 1997 to 2010 by Jiaozhou Bay National Marine Ecosystem Research Station, Shandong (Jiaozhou Bay Station). The original data of dataset adopts the CERN standardized quality control system and 3sigma test combined with the time series comparison of adjacent sites. For mining the data value, nutrient ratio is calculated and the limiting factor is determined according to the nutrient stoichiometric limit standard. The dataset is formed by calculating and statistics of indicators on quarterly and annual. Vector graphics are available for users. The dataset is mainly providing data support and accumulation for researchers who study on the structure and evolution of the gulf ecosystem and the regional comparison of the ecosystem. It also provides data support for ecological pattern, ecological disasters and government policy.

Keywords: Jiaozhou bay; phosphorus-nitrogen ratio; silicon-phosphorus ratio; silicon-nitrogen ratio; long-term monitoring; limiting factors of phytoplankton growth

生源要素是初级生产者生长的营养元素。水体中，氮、磷、硅是主要的生源要素，是海洋初级生产过程和食物链的基础。水体营养盐结构的不均衡显著影响浮游植物的生长和种类组成，根据营养盐化学计量限制标准^[1][2]形成的浮游植物生长限制因子数据也是研究和评估生态系统结构和演变的必要基础数据。

胶州湾位于山东半岛南侧的黄海之滨，被誉为青岛市的“母亲湾”，是一个典型的温带半封闭海域。伴随周边经济发展，大量工农业生产和生活污水被排入该湾，营养盐结构受到周边人类经济活动、大气沉降、河流输入、与黄海的水交换等因素控制，与东京湾、布雷斯特湾、切萨皮克湾等成为科学家研究人类频繁影响下的生态模式海湾。

山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站（简称胶州湾站），始建于1981年，是我国温带海域唯一集监测、研究与示范为一体的综合性生态系统研究站。1991年成为中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）的野外观测基本站之一，按照CERN统一的观测规范，对海湾生态系统的气象、水文物理、海洋化学、海洋生物要素进行长期、连续的观测研究，积累了大量的监测和研究数据。

本数据集基于1997–2010年对胶州湾内8个定位站点的水体硅酸盐、磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐五项营养盐观测数据计算统计后形成。为了挖掘基础观测指标的科研价值，原始数据通过CERN统一规范数据质量控制体系和时间序列3sigma检验，结合临近站点一致性对比方法两级的质量控制，经统一插值后进行比值计算，根据营养盐化学计量限制标准进行限制因子判定，最后筛选统计出“定位站表层营养要素结构及限制因子”，“海湾季度月营养要素结构及限制因子”，“海湾年际营养要素结构及限制因子”3张数据表，以供不同空间和时间需求的人员下载使用，同时提供矢量图形数据。本数据集主要为研究海湾生态系统结构及演化、生态系统区域对比等人员提供数据支持和积累，也可以为生态评价模式、生态灾害、政府决策等提供数据支撑。

1.1 采样站点设置

胶州湾站对胶州湾及邻近海域进行连续长期定点采样的叶绿素a观测已近30年，设置定点站位14个，以团岛头与薛家岛脚子石为界选取湾内监测连续性好的8个定点站（图1）为本研究对象。8个定位站涵盖整个海湾，每个站点代表不同水文物理状况、人类经济活动影响的区域，定点站的代表性见表1。本数据集样地编码采用CERN长期生态联网监测中的编码。

图1 胶州湾生态站湾内长期定位监测采样站位图

表1 定点站的代表性

采样频率为每年4次（2月、5月、8月、11月），尽可能在月中旬组织航次，先后使用“创新二号”“创新号”科学考察船，使用GPS（TOPCON，HP5500）定位到定点站后使用Niskon采水器进行分水层样品采集，采样水层按照水域生态系统观测规范^[3]进行，即采集表层（0 m），底层（实测水深−2 m）以及10 m的整数倍层。<5 m的站位只采集0 m层。水样即刻用醋酸纤维滤膜（0.45 μm，47 cm，预先用体积分数为1%的盐酸溶液浸泡12 h，用实验室超纯水机达到18Ω的去离子水洗至中性并浸泡其中备用）在负压<0.030 MPa条件下过滤。滤液分装至2个100 ml聚乙烯瓶（预先用1∶5盐酸溶液浸泡24 h以上，然后用去离子水洗至中性），一瓶4℃冷藏保存用于硅酸盐分析，另一瓶−20℃冷冻保存，用于其他营养盐分析。

1.2 样品分析方法

营养盐各项指标分析方法如表2，所用仪器在2009年之前为SKALAR流动分析仪（荷兰），2009年之后为QuAAtro连续流动分析仪（德国）。营养盐指标的定量采用外标法进行，所用标准品均为国家海洋局标准物质中心生产的营养盐标准系列。

表2 营养盐指标分析方法

1.3 数据处理与统计

样品测定后得到5项营养盐指标，对每个站位每项指标采用3sigma检验结合临近站点时间序列对比进行异常值剔除，单站位时间序列缺失率小于10%并且缺失值不连续时统一进行缺失值插补。缺失值插补采用R语言基础包中imputation函数（method="linearInterpol.bisector",lowerBound="min",upperBound="max"）。营养元素结构的比值采用摩尔浓度比，计算公式如下：

\(\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{P}}=\frac{{NO}_{2}^{-}+{NO}_{3}^{-}+{NH}_{4}^{+}}{{PO}_{4}^{3-}}\) （1）

\(\frac{\mathrm{S}\mathrm{i}}{\mathrm{P}}=\frac{{SiO}_{3}^{2-}}{{PO}_{4}^{3-}}\) （2）

\(\frac{\mathrm{S}\mathrm{i}}{\mathrm{N}}=\frac{{SiO}_{3}^{2-}}{{NO}_{2}^{-}+{NO}_{3}^{-}+{NH}_{4}^{+}}\) （3）

\(\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{P}}:\) 氮磷比; \(\frac{\mathrm{S}\mathrm{i}}{\mathrm{P}}:\)硅磷比; \(\frac{\mathrm{S}\mathrm{i}}{\mathrm{N}}:\)硅氮比 （4）

营养盐化学计量限制标准采用Justic等（1995）^[2]和Dortch等（1992）^[1]提出的评估营养盐限制，条件如下：

（1）若\({NO}_{2}^{-}+{NO}_{3}^{-}+{NH}_{4}^{+}\)<1μmol·L-1或N:P<10且Si:N>1，溶解无机氮为限制因子；

（2）若\({SiO}_{3}^{2-}\)<2 μmol·L-1或Si:P<10且Si:N<1，溶解硅酸盐为限制因子；

（3）若\({PO}_{4}^{3-}\)<0.1 μmol·L-1或N:P>22且Si:P>22，溶解磷酸盐为限制因子。

选取表层指标结合采样时间，整理出“定位站表层营养要素结构及限制因子”数据表，根据季度月和年际统计计算出“海湾季度月营养要素结构及限制因子”和“海湾年际营养要素结构及限制因子”数据表，营养元素水平和结构比例指标采用时期内的平均值，限制因子采用时期内出现的概率。所有统计计算过程均采用R语言完成，具有可重复和一致性，具体数据处理流程见图2，绘图采用R语言ggplot2包，直观展示数据集。

图2 数据集处理流程

本数据集为Excel表格型数据和zip图形压缩文件。表格型数据文件包含3个数据表：“定位站表层营养要素结构及限制因子”表存放8个定位站表层营养结构比值和限制因子的数据，共计448条数据；“海湾季度月营养要素结构及限制因子”表存放季度月计算和统计的营养盐水平、结构比值及限制因子比例的数据，共计56条数据；“海湾年际营养要素结构及限制因子”表存放年际计算和统计的营养盐水平、结构比值及限制因子比例的数据，共计14条数据。数据表单所包含的具体字段名称、类型和示例见表3–5。

表3 定位站表层营养要素结构及限制因子表内容

表4 海湾季度月营养要素结构及限制因子表内容

表5 海湾年际营养要素结构及限制因子表内容

zip图形压缩文件包含按照定位站和季度月统计的营养盐衍生指标长时间序列图形，共计33张，图形为矢量化格式，可以满足出版和各类显示需求，示例图如图3。

图3 胶州湾季度月氮磷比长期变化图

在水体营养盐样品的采集、室内分析以及数据处理过程中，严格按照CERN统一的水域生态系统观测规范^[3]和国家海洋调查规范^[4]来开展相关工作。

胶州湾站设有专门的营养盐监测技术和质量负责人，每次样品分析测试前都要对样品测试人员进行技术培训，以保证分析数据的质量。纸质资料录入完成后进行核对，保证资料无误、不重、不漏，样品损失无法获取的数据确定为缺失值。

对每个监测指标编写R程序对单站位点进行时间序列和空间邻近点的对比检查，对同一定位站的要素进行3sigma检验遴选出超出范围的点（概率≤3%），绘制本定位站及邻近定位站长期时间序列图，遴选出的点如与邻近定位站趋势不一致则确定为异常值并进行剔除。数据整体缺失率小于0.5%，相邻定位站趋势一致性好。各年份营养元素插补率见表6。

表6 每年营养盐数据插补率

本数据集为1997–2010年胶州湾14年的水体营养结构数据，也统计出季度及年际限制因子概率数据，为研究胶州湾浮游生物与营养水平相互关系、生态系统演变等提供了可靠的数据，也可以为生态模式、健康评估等研究及政府决策提供参考。

为方便使用，我们提供数据集的xlsx电子资料，用户可以直接使用Microsoft Excel 2007以上软件版本打开浏览和使用。在此数据基础上，提供定位站及各项指标时间序列矢量图以供下载使用，满足出版和屏幕显示的多种需求。原始数据可在胶州湾生态站数据共享平台（http://jzb.cern.ac.cn）申请。

感谢参加胶州湾站长期监测采样工作的工作人员、毕业研究生以及“创新二号”“创新号”科考船的所有成员的支持。

赵永芳, 赵增霞, 孙晓霞. 1997–2010年胶州湾水体营养盐结构及浮游植物生长限制因子数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-17). DOI: 10.11922/sciencedb.837.