1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集

1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集
作者：趙永芳　鄭珊　孫曉霞　孫松
2019年9月26日

本作品收錄於《中國科學數據》

趙永芳, 鄭珊, 孫曉霞, 孫松. 1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-09-04). DOI: 10.11922/csdata.2019.0039.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：葉綠素a是植物光合作用中的重要光合色素。海水中的葉綠素a濃度是浮游植物現存量的重要指標，可以表徵水域初級生產者的聚碳能力。海水中的葉綠素a濃度數據一直是海洋生態系統研究的基礎數據，也是海域生物資源評估的重要依據。膠州灣是我國海洋生態系統研究的重點模式海灣，其生物區繫結構具有南黃海的特徵。山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱膠州灣站）在膠州灣內定位監測站長期進行氣象、物理、化學、生物等多項指標。本數據集基於膠州灣站12個定位監測站長期葉綠素a測定數據整理形成。整理過程採用中國國家生態系統觀測研究網絡（CERN）統一規範的數據處理方法和質量控制體系對原始數據進行質量控制和整理、加工。同時對時間序列數據進行3sigma檢驗結合臨近站點時間序列對比進行異常值剔除，統一插補後形成數據表格，同時提供長時間序列圖共享下載，滿足不同用戶的需求。本數據可以用於海灣生態健康評估、初級生產力長期變化、海灣生態系統演變、水色遙感等科學研究，也為政府有效制定環境質量限值和防治措施提供數據支撐。

關鍵詞：膠州灣；葉綠素a；1997–2010年；長期監測

Abstract & Keywords

Abstract: Chlorophyll a is an important photosynthetic pigment in plant photosynthesis. Concentration of chlorophyll a in seawater is an important indicator of phytoplankton stocks, which can represent the carbon accumulation capacity of primary producers. The data of chlorophyll a concentration in seawater is always the basic data for the study of marine ecosystem research and important for the assessment of marine biological resources. The Jiaozhou bay is the model bay in the focus of marine ecological environment research in China. The phytoplankton structure of Jiaozhou bay is similar to that of the south yellow sea. The meteorological, physical, chemical, biological and other indicators in Jiaozhou bay have been monitoring for a long time by the Jiaozhou Bay National Marine Ecosystem Research Station, Shandong (the Jiaozhou Bay Station). The dataset is based on the long-term chlorophyll a observation data of 12 fixed station in the Jiaozhou bay from 1997 to 2010 by the Jiaozhou Bay Station. The original data of dataset adopts the Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences (CERN) standardized quality control system and data processing method. Data were removed which failed by 3sigma test combined with the time series comparison of adjacent sites. To meet the needs of different users, the dataset is processed after interpolation and long-time sequence diagrams are made for sharing service on line. The dataset can be used for scientific research on gulf ecological health assessment, long-term change of primary productivity, evolution of gulf ecosystem, remote sensing of water color, etc., and also provide data support for the government to set environmental quality limits effectively and prevention and control measures.

Keywords: Jiaozhou bay; chlorophyll a; 1997–2010; long-term monitoring

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集
數據作者	趙永芳、鄭珊、孫曉霞、孫松
數據通信作者	孫曉霞（xsun@qdio.ac.cn）；孫松（sunsong@qdio.ac.cn）
數據時間範圍	1997–2010年
地理區域	膠州灣（120°04′–120°23′E, 35°55′–36°18′N）位於山東半島南側的黃海之濱，被譽為青島市的「母親灣」，面積約370 km2，南北寬32 km，東西寬28 km，平均水深約7m，海岸線長30多公里，灘涂面積5.6萬畝，淺海面積近87萬畝。
數據量	956條記錄，圖形2.6 MB
數據格式	*.xlsx, *.zip
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/839
基金項目	國家科技部（CNERN）山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站運行服務項目；中國國家生態系統觀測研究網絡（CERN）膠州灣海洋生態系統定位研究站項目。
數據庫（集）組成	本數據集由2部分組成，其一為表格型數據，其二是數據圖形。表格型數據集名為「1997-2010膠州灣葉綠素水平數據集.xlsx」共包括3個數據表，它們分別為：「定位站表層葉綠素a濃度」表、「海灣分區葉綠素a濃度」表和「海灣葉綠素a濃度」表。數據圖形為「1997-2010膠州灣葉綠素a長期時間序列圖.zip」，包括30張葉綠素a濃度長期時間序列圖，圖形的格式為.svg矢量圖。

Dataset Profile

Title	Dataset of chlorophyll a concentration in Jiaozhou bay from1997 to 2010
Data corresponding author	Sun Xiaoxia (xsun@qdio.ac.cn), Sun Song（sunsong@qdio.ac.cn）
Data authors	Zhao Yongfang, Zheng Shan, Sun Xiaoxia, Sun Song
Time range	1997 – 2010
Geographical scope	The Jiaozhou bay (120°04' – 120°23'E, 35°55' – 36°18'N) is located in the south of Shandong peninsula and the coast of the yellow sea, known as the "mother bay" of Qingdao. The area of Jiaozhou bay is about 370 km2, which 32 km wide from north to south, 28 km wide from east to west, and the average water depth is 7m. The coastline of Jiaozhou bay is more than 30 km2 long, with coastal wetland area of 37.4 km2 and a neritic zone area of nearly 58.0 km2.
Data volume	956 entries，2.6 MB
Data format	*.xlsx, *.zip
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/839>
Source(s) of funding	Supported by National Ecosystem Research Network of China, Ministry of Science and Technology and Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences
Dataset/Database composition	The dataset consists of 2 subsets in total. It comprises table data and image data. The subsets are recorded as "Dataset of chlorophyll a concentration in Jiaozhou bay from1997 to 2010.xlsx" and Image data sets of "Long-term time series diagram of chlorophyll a in Jiaozhou bay from 1997 to 2010.zip": (1) The data set is made up of three table, namely 「surface chlorophyll a concentration of station」, 「surface chlorophyll a concentration of bay subarea」, 「surface chlorophyll a concentration of bay」; (2) Image data sets is made up of 30 vector images, which show long-term time series chlorophyll a concentration change.

引 言

葉綠素a是植物光合作用中的重要光合色素，其含量是浮游植物現存生物量的指標之一^[1][2]，海水中的葉綠素a濃度是浮游植物現存量的重要指標，其濃度能夠反映水體中浮游植物的豐度^[3]，表徵水域初級生產者通過光合作用生產有機碳的能力，是海洋生物鏈的第一個環節，是海洋生態系統研究的重要內容，也是海域生物資源評估的重要依據。

膠州灣是我國集港口、旅遊和水產養殖功能於一體的典型的溫帶半封閉海灣，既具有半封閉系統特點，也與南黃海保持一定強度的生物和水交換。一直是我國海洋生態系統研究的重點模式海灣。灣內葉綠素a的水平受到營養鹽、浮游植物結構、浮游動物的變動等多種因素的影響，因而是開展膠州灣生態系統動態變化研究的基礎數據。

山東膠州灣海洋生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱膠州灣站）始建於1981年，是我國溫帶海域唯一集監測、研究與示範為一體的綜合性生態系統研究站。1991年成為中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）的野外觀測基本站之一，按照CERN統一的觀測規範，對海灣生態系統的氣象、水文物理、海洋化學、海洋生物要素進行長期、連續的觀測研究，積累了大量的監測和研究數據。

本數據集基於膠州灣站12個定位監測站長期葉綠素a測定數據整理形成。整理過程採用CERN統一規範的數據處理方法和質量控制體系對原始數據進行質量控制和整理、加工，之後對時間序列數據進行3sigma檢驗，結合臨近站點時間序列對比進行異常值剔除。缺失值統一插補後整理出3張數據表：「定位站表層葉綠素a濃度」、「海灣分區葉綠素a濃度」和「海灣葉綠素a濃度」，繪製出長時間序列圖並提供共享下載。這些長期定點觀測數據是進行評價海灣生態健康、研究生產力長期變化、揭示海灣生態系統演變規律的基礎數據，也為水色遙感獲取葉綠素a水平提供基準參數和政府部門有效制定環境質量限值和防治措施提供數據支撐。

1 數據採集和處理方法

1.1 採樣站點設置

膠州灣站對膠州灣及鄰近海域進行連續長期定點採樣的葉綠素a觀測已近30年，設置定點站位14個，選擇其中連續性好的12個站位（圖1）數據進行整理。站位的設定原則為涵蓋整個海灣，在不同的水文物理狀況、人類經濟活動影響的區域設定代表站位。本數據集樣地編碼CERN長期生態聯網監測中的編碼，具體分區及代表性見表1。

圖片

圖1 膠州灣生態站長期定位監測採樣站位圖

表1 膠州灣分區及其代表定點站位

區域	區域代表性	觀測站編碼	經緯度
灣內，灣西區	膠州灣最大河流–大沽河影響區，是主要貝類、藻類養殖區。	JZB01	120°11′12.0″E36°08′00.0″N
		JZB04	120°10′36.9″E36°06′16.4″N
灣內，灣東區	工業排水污染區。富營養化重點監測區，赤潮多發區。本區大面積貝藻混養，周邊河流眾多，多為季節性河流，多數成為排污河道。	JZB03	120°19′48.0″E36°09′18.0″N
		JZB06	120°17′30.0″E36°06′00.0″N
灣內，灣中區	淺水區為主要貝類養殖區，深水區為青島港內錨地，水交換峰面區。	JZB02	120°15′00.0″E36°09′30.0″N
		JZB05	120°15′00.0″E36°06′00.0″N
灣內，灣口區	灣口深水主航道，周邊存在電廠和港口，水交換頻繁，物理生物變化劇烈，對灣內和灣外比較研究很重要。	JZB07	120°14′00.0″E36°04′00.0″N
		JZB08	120°14′00.0″E36°02′12.0″N
		JZB09	120°17′12.0″E36°01′48.0″N
灣外區	黃海的近海區，可代表外海及其鄰近海域情況。	JZB10	120°25′30.0″E35°59′00.0″N
		JZB12	120°21′16.0″E36°00′09.0″N
		JZB13	120°22′48.0″E36°02′01.0″N

採樣頻率為每年四次（2月、5月、8月、11月），儘可能在月中旬組織航次，先後使用「創新二號」「創新號」科學考察船，使用GPS（TOPCON，HP5500）定位到定點站後使用Niskon采水器進行分水層樣品採集，採樣水層按照水域生態系統觀測規範^[4]進行，即採集表層（0 m），底層（實測水深−2 m）以及10 m的整數倍層（如10 m、20 m等）（＜5 m的站位只採集0 m層）。水樣立刻使用0.2 mm孔徑的篩絹去除浮游動物，之後使用醋酸纖維濾膜（0.45 μm，47 cm）過濾（負壓＜0.030 MPa），所獲濾膜樣錫箔紙包好後避光、−20℃冷凍保存，於1個月內完成葉綠素a的含量的測定。

1.2 樣品分析方法

1997–2002樣品按照聯合國教科文推薦的分光光度法進行測定，應用Jefery-Humphrey 等^[5]的計算公式計算葉綠素a的含量。2003–2010年按海洋調查規範^[6]規定的萃取熒光法，使用Turner Designs Model-10熒光光度計進行測定，計算葉綠素a含量。熒光光度計每半年標定一次，所用標準品採用Sigma-Aldrich Chlorophyll a標準品（C-5753≥85.0%，HPLC級，1 mg）。

1.3 數據處理與成圖

樣品測定後得到各站位葉綠素a的含量，對每個站位採用3sigma檢驗結合臨近站點時間序列對比進行異常值剔除，單站位時間序列缺失率小於10%並且缺失值不連續時統一進行缺失值插補後結合採樣時間，整理出「定位站表層葉綠素a濃度」數據表，根據海灣分區統計計算出「海灣分區葉綠素a濃度」數據表，最後選擇灣內及灣口9個定位站統計計算出「海灣葉綠素a濃度」數據表。海灣分區及全灣指標取區內定位站指標的平均值。插補後的數據在備註中說明，不符合插補的缺失值用「-」表示，定位站水柱平均值按照如下方式計算：

1） 采水水層數n=1，即僅採集表層時，\({Lave}_{i}={L}_{i1}\)

2） 采水水層數n>1時，\({Lave}_{i}=\frac{\sum _{j}^{n}\left({L}_{ij}+{L}_{i\left(j+1\right)}\right)*\left({D}_{i\left(j+1\right)}-{D}_{ij}\right)}{2{D}_{in}}\)

其中：\({Lave}_{i}\)：定位站i水柱平均濃度；\({L}_{i1}\)：定位站i表層樣品濃度；\({L}_{ij}\)：定位站i第j采水層的樣品濃度；\({D}_{ij}\)：定位站i第j采水層的水深。

缺失值插補採用R語言基礎包中imputation函數（method="linearInterpol.bisector", lowerBound="min", upperBound="max"），繪圖採用R語言ggplot2包繪出葉綠素a時間序列變化圖，直觀展示數據集。具體數據處理流程見圖2。

圖片

圖2 葉綠素a濃度水平數據集構建流程圖

2 數據樣本描述

1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集為Excel表格型數據和zip圖形壓縮文件。表格型數據文件包含3個數據表：「定位站表層葉綠素a濃度」表存放12個定位站表層葉綠素a濃度的數據，共計620條數據；「海灣分區葉綠素a濃度」表存放分區統計後的表層、底層和水柱平均葉綠素a濃度的數據，共計280條數據；「海灣葉綠素a濃度」表存放海灣統計的表層、底層和水柱平均葉綠素a濃度數據，共計56條數據。數據表單所包含的具體字段名稱、類型和示例見表2–4。

表2 定位站表層葉綠素a濃度表內容

序號	字段名稱	量綱	數據類型	樣例數據
1	年份	-	文本型	1997
2	月份	-	文本型	05
3	站位編碼	-	文本型	JZB07
4	表層葉綠素a濃度	μg/L	數值型	3.43
5	備註	-	文本型	葉綠素a插值

表3 海灣分區葉綠素a濃度表內容

序號	字段名稱	量綱	數據類型	樣例數據
1	年份	-	文本型	1997
2	月份	-	文本型	03
3	區域	-	文本型	灣中區
4	表層葉綠素a濃度	μg/L	數值型	20.55
5	底層葉綠素a的濃度	μg/L	數值型	5.99
6	水柱平均葉綠素a的濃度	μg/L	數值型	21.30

表4 海灣葉綠素a濃度表內容

序號	字段名稱	量綱	數據類型	樣例數據
1	年份	-	文本型	1997
2	月份	-	文本型	05
3	表層葉綠素a濃度	μmol/L	數值型	7.58
4	底層葉綠素a的濃度	μmol/L	數值型	4.82
5	水柱平均葉綠素a的濃度	μmol/L	數值型	7.42

zip圖形壓縮文件包含按照定位站和區域進行葉綠素a長時間序列繪製的圖形30張，圖形命名規律為「站位/區域+要素名.svg」，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。

圖片

圖3 膠州灣JZB01長期定位站表層葉綠素a濃度長期變化圖

3 數據質量控制和評估

在水體葉綠素a樣品的採集、室內分析以及數據處理過程中，嚴格按照CERN統一的水域生態系統觀測規範^[4]和國家海洋監測規範^[6]來開展相關工作。

膠州灣站設有專門的葉綠素a監測技術和質量負責人，每次樣品分析測試前都要對樣品測試人員進行技術培訓，以保證分析數據的質量。熒光光度計每半年標定一次。紙質資料錄入完成後進行核對，保證資料無誤、不重、不漏，樣品損失無法獲取的數據確定為缺失值。

編寫R程序對單個數據點進行時間序列和空間鄰近點的對比檢查，對同一定位站的葉綠素a濃度進行3sigma檢驗遴選出超出範圍的點（概率≤3%），繪製本定位站及鄰近定位站長期時間序列圖，遴選出的點如與鄰近定位站趨勢不一致則確定為異常值並進行剔除。葉綠素a數據全部通過檢驗，相鄰定位站趨勢一致性好。僅對單個定位站缺失率小於10%並且缺失值不相鄰的缺失值進行插補。2000年數據全年缺失，不符合插補條件，均以缺失值處理。

4 數據價值

本數據集為1997–2010年膠州灣14年的長期定位葉綠素a監測數據，為膠州灣環境狀況、生態系統演變、海洋健康評估、海灣治理等科學研究和政府決策提供了可靠的數據。也可以用於典型海灣之間的對比研究。

為方便使用，我們提供數據集的xlsx電子資料，用戶可以直接使用Microsoft Excel 2007以上軟件版本打開瀏覽和使用。在此數據基礎上，提供定位站及分區指標時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。

致 謝

感謝參加膠州灣站長期監測採樣工作的工作人員、畢業研究生以及「創新二號」「創新號」科考船的所有成員的支持。

參考文獻

1. 孫曉霞, 孫松, 趙增霞, 等. 膠州灣葉綠素a及初級生產力的長期變化[J]. 海洋與湖沼, 2011, 42(5): 654-661.
2. 潘友聯, 郭玉潔. 膠州灣口內海水中葉綠素濃度的周年變化和垂直分布[J]. 海洋與湖沼, 1995, 26(1): 21-27.
3. 李超倫, 張芳, 申欣, 等. 膠州灣葉綠素的濃度、分布特徵及其周年變化[J]. 海洋與湖沼, 2005, 36(6): 499-506.
4. ^ ^{4.0 4.1} 中國生態系統研究網絡科學委員會. 水域生態系統觀測規範[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2007: 215-217.
5. JEFFREY S W, HUMPHREY G F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, c1 and c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton[J]. Biochemie und Physiologie der Pflanzen, 1975, 167(2): 191-194.
6. ^ ^{6.0 6.1} 中華人民共和國國家質量監督檢查檢疫總局. 中國國家標準化管理委員會. GB17378.7-1998 海洋監測規範 第7部分：近海污染生態調查和生物監測[S]. 北京: 中國標準出版社, 1998: 770-772.

數據引用格式

趙永芳, 鄭珊, 孫曉霞, 孫松. 1997–2010年膠州灣葉綠素a濃度水平數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-09-04). DOI: 10.11922/sciencedb.839.