1997–2010年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集

1997–2010年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集
作者：趙永芳　趙增霞　孫曉霞
2019年10月17日

本作品收錄於《中國科學數據》

趙永芳, 趙增霞, 孫曉霞. 1997–2010年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-10-17). DOI: 10.11922/csdata.2019.0056.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：水體中的氮、磷、硅是主要的生源要素，是海洋初級生產過程和食物鏈的基礎。氮、磷、硅在水體中的比例可以影響浮游植物的生長，進而影響初級生產力水平。膠州灣是一個典型的溫帶半封閉海域，是我國海洋生態環境研究的重點模式海灣。本數據集基於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1997–2010年的對膠州灣8個定位站點的分層營養鹽要素長期觀測數據計算統計形成。為挖掘數據價值，原始數據通過中國生態系統研究網絡（CERN）統一規範數據質量控制體系和時間序列3sigma檢驗結合臨近站點一致性對比方法兩級的質量控制，經統一插值後進行比值計算，根據營養鹽化學計量限制標準進行限制因子判定，按季度和年際對指標分別進行計算和統計形成數據集，並提供矢量圖形滿足不同用戶的需求。本數據集主要為研究海灣生態系統結構及演化、生態系統區域對比等人員提供數據支持和積累，也可以為生態模式、生態災害、政府決策等提供數據支撐。

關鍵詞：膠州灣；氮磷比；硅磷比；硅氮比；長期監測；浮游植物生長限制因子

Abstract & Keywords

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

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	1997–2010年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集
數據作者	趙永芳、趙增霞、孫曉霞
數據通信作者	孫曉霞（xsun@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。
數據量	518條記錄，圖形522 KB
數據格式	*.xlsx，*.zip
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/837
基金項目	中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19060204）；鰲山科技創新計劃（2016ASKJ02-4）；政府間國際科技創新合作重點專項（2016YFE0101500）。
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年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集.xlsx」共包括3個數據表，它們分別為：「定位站表層營養要素結構及限制因子」表、「海灣季度月營養要素結構及限制因子」表和「海灣年際營養要素結構及限制因子」表，共計518條記錄。數據圖形為「1997–2010年膠州灣水體營養鹽衍化指標圖形數據集.zip」，包括33張營養鹽衍生指標長期時間序列圖，圖形的格式為svg矢量圖，數據量522 KB。

Dataset Profile

Title	A dataset of nutrient structure and the limiting factors of phytoplankton growth in Jiaozhou bay from 1997 to 2010
Data corresponding author	Sun Xiaoxia (xsun@qdio.ac.cn)
Data authors	Zhao Yongfang, Zhao Zengxia, Sun Xiaoxia
Time range	1997 – 2010
Geographical scope	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 Jiaozhou bay and The Yellow sea are bounded by line from Tuandaotou to Jiaozishi in Xuejiadao.
Data volume	518 entries，and 522 KB graphics
Data format	*.xlsx, *.zip
Data service system	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/837
Source(s) of funding	the 「Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (No. XDA19060204); Aoshan Science and Technology Innovation Program (No.2016ASKJ02-4); the Key Program for International S&T Cooperation Projects: Sino-Australian Center for Healthy Coasts (No.2016YFE0101500).
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 nutrient structure and the limiting factors of phytoplankton growth in Jiaozhou bay from 1997 to 2010.xlsx" and Image data sets of " Graph data set of nutrient derived index of Jiaozhou bay from 1997 to 2010.zip": (1) The data set is made up of three tables, namely "nutrient structure and limiting factors from surface water of station", "nutrient structure and limiting factors of bay by season" and "nutrient structure and limiting factors of bay by year", with a data volume of 518 entries; (2) Image data sets is made up of 33 vector images, which show long-term time series nutrient derived index change, with a data volume of 522 KB.

引 言

生源要素是初級生產者生長的營養元素。水體中，氮、磷、硅是主要的生源要素，是海洋初級生產過程和食物鏈的基礎。水體營養鹽結構的不均衡顯著影響浮游植物的生長和種類組成，根據營養鹽化學計量限制標準^[1][2]形成的浮游植物生長限制因子數據也是研究和評估生態系統結構和演變的必要基礎數據。

膠州灣位於山東半島南側的黃海之濱，被譽為青島市的「母親灣」，是一個典型的溫帶半封閉海域。伴隨周邊經濟發展，大量工農業生產和生活污水被排入該灣，營養鹽結構受到周邊人類經濟活動、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家研究人類頻繁影響下的生態模式海灣。

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1997–2010年對膠州灣內8個定位站點的水體硅酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽五項營養鹽觀測數據計算統計後形成。為了挖掘基礎觀測指標的科研價值，原始數據通過CERN統一規範數據質量控制體系和時間序列3sigma檢驗，結合臨近站點一致性對比方法兩級的質量控制，經統一插值後進行比值計算，根據營養鹽化學計量限制標準進行限制因子判定，最後篩選統計出「定位站表層營養要素結構及限制因子」，「海灣季度月營養要素結構及限制因子」，「海灣年際營養要素結構及限制因子」3張數據表，以供不同空間和時間需求的人員下載使用，同時提供矢量圖形數據。本數據集主要為研究海灣生態系統結構及演化、生態系統區域對比等人員提供數據支持和積累，也可以為生態評價模式、生態災害、政府決策等提供數據支撐。

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，以團島頭與薛家島腳子石為界選取灣內監測連續性好的8個定點站（圖1）為本研究對象。8個定位站涵蓋整個海灣，每個站點代表不同水文物理狀況、人類經濟活動影響的區域，定點站的代表性見表1。本數據集樣地編碼採用CERN長期生態聯網監測中的編碼。

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圖1 膠州灣生態站灣內長期定位監測採樣站位圖

表1 定點站的代表性

觀測站代碼	經度	緯度	定位站代表性
JZB01	E120°11′12.0″	N 36°08′00.0″	大沽河口區，貝類養殖區
JZB02	E120°15′00.0″	N 36°09′30.0″	貝類養殖區
JZB03	E120°19′48.0″	N 36°09′18.0″	工業排水，富營養化重點監測區
JZB04	E120°10′36.9″	N 36°06′16.4″	藻類和貝類養殖區
JZB05	E120°15′00.0″	N 36°06′00.0″	青島港內錨地
JZB06	E120°17′30.0″	N 36°06′00.0″	海泊河口，貝藻混養區
JZB07	E120°14′00.0″	N 36°04′00.0″	活化石文昌魚出產區
JZB08	E120°14′00.0″	N 36°02′12.0″	電廠降塵區

採樣頻率為每年4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^[3]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。<5 m的站位只採集0 m層。水樣即刻用醋酸纖維濾膜（0.45 μm，47 cm，預先用體積分數為1%的鹽酸溶液浸泡12 h，用實驗室超純水機達到18Ω的去離子水洗至中性並浸泡其中備用）在負壓<0.030 MPa條件下過濾。濾液分裝至2個100 ml聚乙烯瓶（預先用1∶5鹽酸溶液浸泡24 h以上，然後用去離子水洗至中性），一瓶4℃冷藏保存用於硅酸鹽分析，另一瓶−20℃冷凍保存，用於其他營養鹽分析。

1.2 樣品分析方法

營養鹽各項指標分析方法如表2，所用儀器在2009年之前為SKALAR流動分析儀（荷蘭），2009年之後為QuAAtro連續流動分析儀（德國）。營養鹽指標的定量採用外標法進行，所用標準品均為國家海洋局標準物質中心生產的營養鹽標準系列。

表2 營養鹽指標分析方法

指標	檢出限（µmol ·L'-1'）	分析方法	依據標準
氨氮（NH4+ ）	0.01	靛酚藍法	海洋監測規範 GB17378.4-1998
亞硝酸鹽（NO2- ）	0.01	重氮偶氮法	海洋監測規範 GB17378.4-1998
硝酸鹽（NO3- ）	0.02	鎘–銅還原法	海洋監測規範 GB17378.4-1998
磷酸鹽（PO43- ）	0.01	磷鉬藍法	海洋監測規範 GB17378.4-1998
硅酸鹽（SiO32- ）	0.01	硅鉬藍法	海洋監測規範 GB17378.4-1998

1.3 數據處理與統計

樣品測定後得到5項營養鹽指標，對每個站位每項指標採用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。缺失值插補採用R語言基礎包中imputation函數（method="linearInterpol.bisector",lowerBound="min",upperBound="max"）。營養元素結構的比值採用摩爾濃度比，計算公式如下：

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

營養鹽化學計量限制標準採用Justic等（1995）^[2]和Dortch等（1992）^[1]提出的評估營養鹽限制，條件如下：

（1）若\({NO}_{2}^{-}+{NO}_{3}^{-}+{NH}_{4}^{+}\)<1μmol·L-1或N:P<10且Si:N>1，溶解無機氮為限制因子；

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

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

選取表層指標結合採樣時間，整理出「定位站表層營養要素結構及限制因子」數據表，根據季度月和年際統計計算出「海灣季度月營養要素結構及限制因子」和「海灣年際營養要素結構及限制因子」數據表，營養元素水平和結構比例指標採用時期內的平均值，限制因子採用時期內出現的概率。所有統計計算過程均採用R語言完成，具有可重複和一致性，具體數據處理流程見圖2，繪圖採用R語言ggplot2包，直觀展示數據集。

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圖2 數據集處理流程

2 數據樣本描述

本數據集為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：「定位站表層營養要素結構及限制因子」表存放8個定位站表層營養結構比值和限制因子的數據，共計448條數據；「海灣季度月營養要素結構及限制因子」表存放季度月計算和統計的營養鹽水平、結構比值及限制因子比例的數據，共計56條數據；「海灣年際營養要素結構及限制因子」表存放年際計算和統計的營養鹽水平、結構比值及限制因子比例的數據，共計14條數據。數據表單所包含的具體字段名稱、類型和示例見表3–5。

表3 定位站表層營養要素結構及限制因子表內容

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	氮磷比	-	數值型	14.84
5	硅磷比	-	數值型	7.20
6	硅氮比	-	數值型	0.49
7	限制因子	-	文本型	Si

表4 海灣季度月營養要素結構及限制因子表內容

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	磷酸鹽	μmol·L-1	數值型	0.37
4	硅酸鹽	μmol·L-1	數值型	2.69
5	溶解無機氮	μmol·L-1	數值型	5.71
6	氮磷比		數值型	17.51
7	硅磷比	-	數值型	9.65
8	硅氮比	-	數值型	0.66
9	氮限制	%	數值型	19
10	磷限制	%	數值型	6
11	硅限制	%	數值型	75
12	樣品數	個	數值型	16

表5 海灣年際營養要素結構及限制因子表內容

序號	字段名稱	量綱	數據類型	樣例數據
1	年份	-	文本型	1997
2	磷酸鹽	μmol·L-1	數值型	0.28
3	硅酸鹽	μmol·L-1	數值型	2.20
4	溶解無機氮	μmol·L-1	數值型	9.45
5	氮磷比		數值型	44.29
6	硅磷比	-	數值型	9.45
7	硅氮比	-	數值型	0.36
8	氮限制	%	數值型	7
9	磷限制	%	數值型	16
10	硅限制	%	數值型	76
11	樣品數	個	數值型	58

zip圖形壓縮文件包含按照定位站和季度月統計的營養鹽衍生指標長時間序列圖形，共計33張，圖形為矢量化格式，可以滿足出版和各類顯示需求，示例圖如圖3。

圖片

圖3 膠州灣季度月氮磷比長期變化圖

3 數據質量控制和評估

在水體營養鹽樣品的採集、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^[3]和國家海洋調查規範^[4]來開展相關工作。

膠州灣站設有專門的營養鹽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。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。

對每個監測指標編寫R程序對單站位點進行時間序列和空間鄰近點的對比檢查，對同一定位站的要素進行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。數據整體缺失率小於0.5%，相鄰定位站趨勢一致性好。各年份營養元素插補率見表6。

表6 每年營養鹽數據插補率

年份	樣品數	磷酸鹽插補率	硅酸鹽插補率	溶解無機氮插補率
1997	58	0	0	0
1998	58	0	0	0
1999	59	0	0	0
2000	62	1.6	1.6	1.6
2001	58	0	0	0
2002	54	0	0	0
2003	54	0	0	0
2004	54	1.9	1.9	1.9
2005	52	0	0	0
2006	57	0	0	0
2007	48	2.1	2.1	4.2
2008	50	0	0	0
2009	49	0	0	0
2010	46	0	0	0
合計	759	0.4	0.4	0.5

4 數據價值

本數據集為1997–2010年膠州灣14年的水體營養結構數據，也統計出季度及年際限制因子概率數據，為研究膠州灣浮游生物與營養水平相互關係、生態系統演變等提供了可靠的數據，也可以為生態模式、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，提供定位站及各項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。原始數據可在膠州灣生態站數據共享平台（http://jzb.cern.ac.cn）申请。

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

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2. ^ ^{2.0 2.1} JUSTIC D, RABALAIS N N, TURNER R E. Stoichiometric nutrient balance and origin of coastal eutrophication[J]. Marine Pollution Bulletin, 1995, 30(1): 41-46.
3. ^ ^{3.0 3.1} 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: 137-147.
4. 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. GB12763.4-2007 海洋調查規範 第4部分：海水化學要素調查[S]. 北京: 中國標準出版社, 2007: 13-23.

數據引用格式

趙永芳, 趙增霞, 孫曉霞. 1997–2010年膠州灣水體營養鹽結構及浮游植物生長限制因子數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-17). DOI: 10.11922/sciencedb.837.