中国生态系统研究网络(CERN)专题 II 区论文(已发表) 版本 ZH3 Vol 5 (2) 2020
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1997–2010年胶州湾叶绿素a浓度数据集
A dataset of chlorophyll-a concentration in the Jiaozhou Bay from 1997 to 2010
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: 2019 - 08 - 17
: 2020 - 02 - 25
: 2019 - 09 - 26
: 2020 - 06 - 15
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摘要&关键词
摘要:叶绿素a是植物光合作用中的重要光合色素。海水中的叶绿素a浓度是浮游植物现存量的重要指标,可以表征水域初级生产者的固碳能力。海水中的叶绿素a浓度数据一直是海洋生态系统研究的基础数据,也是海域生物资源评估的重要依据。胶州湾是我国海洋生态系统研究的典型模式海湾,其生物区系结构具有南黄海的特征。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)在胶州湾及邻近海域系统地开展气象、物理、化学、生物等多项指标的长期定位监测。本数据集基于胶州湾站在12个定位监测站获取的长期叶绿素a浓度数据整理形成。整理过程采用中国生态系统研究网络(CERN)统一规范的数据处理方法和质量控制体系对原始数据进行质量控制、整理和加工。同时对时间序列数据进行3sigma检验结合临近站点时间序列对比进行异常值剔除,统一插补后形成数据表格,同时提供长时间序列图共享下载,满足不同用户的需求。本数据可以用于海湾生态健康评估、初级生产力长期变化、海湾生态系统演变、水色遥感等科学研究,也为政府有效制定环境质量限值和防治措施提供数据支撑。
关键词:胶州湾;叶绿素a;1997–2010年;长期监测
Abstract & Keywords
Abstract: Chlorophyll-a is an important photosynthetic pigment in plant photosynthesis. The concentration of chlorophyll-a in seawater is an important indicator of phytoplankton population, which can represent the carbon accumulation capacity of primary producers. The data on chlorophyll-a concentration in seawater are the basic information for studying marine ecosystem and assessing marine biological resources. The Jiaozhou Bay is a typical bay for the research of China’s marine ecological environment. Its phytoplankton structure is similar to that in the South Yellow Sea. The Jiaozhou Bay National Marine Ecosystem Research Station, Shandong (also known as the Jiaozhou Bay Station) conducted long-term monitoring of meteorological, physical, chemical, and biological indicators in the area of the Bay. The dataset was based on long-term chlorophyll-a observation from 12 fixed stations in the Jiaozhou Bay from 1997 to 2010 by the Jiaozhou Bay Station. The original data of the dataset were sorting out and processed by means of the data processing method and standardized quality control system specified by the Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences (CERN). The outliers of the time series data that failed the 3sigma test combined with the time series comparison of adjacent sites have been removed. To meet the needs of different users, the dataset is processed after interpolation, and long-time sequence diagrams are created for online download sharing. The dataset can be used for scientific research on gulf ecological health assessment, long-term changes in primary productivity, evolution of gulf ecosystem, water color remote sensing, etc., and provide data support for the government to effectively set environmental quality limits and take prevention and control measures.
Keywords: the Jiaozhou Bay; chlorophyll a; 1997–2010; long-term monitoring
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称1997–2010年胶州湾叶绿素a浓度数据集
数据作者赵永芳、郑珊、孙晓霞、孙松
数据通信作者孙晓霞(xsun@qdio.ac.cn);孙松(sunsong@qdio.ac.cn)
数据时间范围19972010年
地理区域胶州湾(120°04′–120°23′E,35°55′–36°18′N)位于山东半岛南侧的黄海之滨,被誉为青岛市的“母亲湾”,面积约370 km2,南北宽32 km,东西宽28 km,平均水深约7m,海岸线长30多公里,滩涂面积5.6万亩,浅海面积近87万亩。
数据量956条记录,图形2.6 MB
数据格式*.xlsx, *.zip
数据服务系统网址http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/839
基金项目国家科技部(CNERN)山东胶州湾海洋生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目;中国生态系统研究网络(CERN)胶州湾海洋生态系统定位研究站项目。
数据库(集)组成本数据集由2部分组成,其一为表格型数据,其二是数据图形。表格型数据集名为“1997-2010胶州湾叶绿素数据集.xlsx”共包括3个数据表,它们分别为:“定位站表层叶绿素a浓度”表、“海湾分区叶绿素a浓度”表和“海湾叶绿素a浓度”表。数据图形为“1997-2010胶州湾叶绿素a长期时间序列图.zip”,包括30张叶绿素a浓度长期时间序列图,图形的格式为.svg矢量图。
Dataset Profile
TitleA dataset of chlorophyll-a concentration in the Jiaozhou Bay from 1997 to 2010
Data corresponding authorSun Xiaoxia (xsun@qdio.ac.cn), Sun Song(sunsong@qdio.ac.cn)
Data authorsZhao Yongfang, Zheng Shan, Sun Xiaoxia, Sun Song
Time range1997 – 2010
Geographical scopeLocated in the south of Shandong Peninsula and along the coast of the Yellow Sea, the Jiaozhou Bay (120°04'–120°23'E, 35°55'–36°18'N) is known as the “Mother Bay” of Qingdao City. The Jiaozhou Bay covers an area of about 370 km2, extending 32km from north to south, and 28km from east to west, with an average water depth of 7m, a coastline of over 30km, a coastal wetland area of 37.4 km2 and a neritic zone area of nearly 58.0 km2.
Data volume956 entries,2.6 MB
Data format*.xlsx, *.zip
Data service system<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/839>
Sources of fundingSupported by National Ecosystem Research Network of China, Ministry of Science and Technology and Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences.
Dataset compositionThe dataset consists of 2 subsets: the table data and the image data. The former named “Dataset of chlorophyll-a concentration in the Jiaozhou Bay from1997 to 2010.xlsx” is made up of three tables, namely “surface chlorophyll a concentration of station”, “surface chlorophyll a concentration of bay subarea”, and “surface chlorophyll a concentration of bay”; the latter named “Long-term time series diagram of chlorophyll a in the Jiaozhou Bay from 1997 to 2010.zip” is made up of 30 long-term time series images of chlorophyll-a concentration.
引 言
叶绿素a是植物光合作用中的重要光合色素,其含量是浮游植物现存生物量的指标之一[1-2]。海水中的叶绿素a浓度是浮游植物现存量的重要指标,其浓度能够反映水体中浮游植物的丰度[3],表征水域初级生产者通过光合作用生产有机碳的能力,是海洋生态系统研究的重要内容,也是海域生物资源评估的重要依据。
胶州湾是我国集港口、旅游和水产养殖功能于一体的温带半封闭海湾,既具有半封闭系统特点,也与南黄海保持一定强度的生物和水交换,一直是我国海洋生态系统研究的典型模式海湾。湾内叶绿素a的浓度受到营养盐、浮游植物结构、浮游动物的变动等多种因素的影响,因而是开展胶州湾生态系统动态变化研究的基础数据。
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。
本数据集基于胶州湾站在12个定位监测站获取的长期叶绿素a浓度数据整理形成。整理过程采用CERN统一规范的数据处理方法和质量控制体系对原始数据进行质量控制和整理、加工,之后对时间序列数据进行3sigma检验,结合临近站点时间序列对比进行异常值剔除。缺失值统一插补后整理出“定位站表层叶绿素a浓度”“海湾分区叶绿素a浓度”和“海湾叶绿素a浓度”3张数据表,绘制出长时间序列图并提供共享下载。这些长期定点观测数据是评价海湾生态健康、研究生产力长期变化、揭示海湾生态系统演变规律的基础数据,也为水色遥感获取叶绿素a浓度提供基准参数,为政府部门有效制定环境质量限值和防治措施提供数据支撑。
1   数据采集和处理方法
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,选择其中连续性好的12个站位(图1)数据进行整理。站位的设定原则为涵盖整个海湾,在不同的水文物理状况、人类经济活动影响的区域设定代表站位。本数据集样地编码采用CERN长期生态联网监测中的编码,依据站点空间位置及代表性将调查区域分为5个区域,具体分区及代表性见表1。


图1   胶州湾生态站长期定位监测采样站位图
表1   胶州湾分区及其代表定点站位
区域区域代表性观测站编码经纬度
湾内,湾西区胶州湾最大河流–大沽河影响区,是主要贝类、藻类养殖区。JZB01120°11′12.0″E
36°08′00.0″N
JZB04120°10′36.9″E
36°06′16.4″N
湾内,湾东区工业排水污染区。富营养化重点监测区,赤潮多发区。本区大面积贝藻混养,周边河流众多,多为季节性河流,多数成为排污河道。JZB03120°19′48.0″E
36°09′18.0″N
JZB06120°17′30.0″E
36°06′00.0″N
湾内,湾中区浅水区为主要贝类养殖区,深水区为青岛港内锚地,水交换峰面区。JZB02120°15′00.0″E
36°09′30.0″N
JZB05120°15′00.0″E
36°06′00.0″N
湾内,湾口区湾口深水主航道,周边存在电厂和港口,水交换频繁,物理生物变化剧烈,对湾内和湾外比较研究很重要。JZB07120°14′00.0″E
36°04′00.0″N
JZB08120°14′00.0″E
36°02′12.0″N
JZB09120°17′12.0″E
36°01′48.0″N
湾外区黄海的近海区,可代表外海及其邻近海域情况。JZB10120°25′30.0″E
35°59′00.0″N
JZB12120°21′16.0″E
36°00′09.0″N
JZB13120°22′48.0″E
36°02′01.0″N
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“科交2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[4]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(如10 m、20 m等),<5 m的站位只采集0 m层。新采水样立刻使用0.2 mm孔径的筛绢去除浮游动物,之后使用醋酸纤维滤膜(0.45 μm,47 mm)过滤(负压<0.030 MPa),所获滤膜样锡箔纸包好后避光、−20℃冷冻保存,于1个月内完成叶绿素a的含量测定。
1.2   样品分析方法
1997–2002样品按照联合国教科文推荐的分光光度法进行测定[5],90%丙酮萃取色素,使用751G型分光光度计测定混合提取液在750,664,647,630,50,480 nm波长处的消光值,应用Jefery-Humphrey等[6]建立的公式计算叶绿素a的含量。2003–2010年按海洋监测规范[7]规定的萃取荧光法,使用Turner Designs Model-10荧光光度计进行测定,计算叶绿素a含量。荧光光度计每半年标定一次,采用Sigma-Aldrich Chlorophyll a标准品(C-5753≥85.0%,HPLC级,1 mg)。
1.3   数据处理与成图
样品测定后得到各站位叶绿素a的含量,对每个站位采用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后结合采样时间,整理出“定位站表层叶绿素a浓度”数据表。再根据海湾分区统计出“海湾分区叶绿素a浓度”数据表。最后选择湾内及湾口9个定位站统计出“海湾叶绿素a浓度”数据表。海湾分区及全湾指标统计均取平均值。插补后的数据在备注中说明,不符合插补的缺失值用“-”表示,定位站水柱平均值按照如下方式计算:
1) 采水水层数n=1,即仅采集表层时,\({Lave}_{i}={L}_{i1}\)
2) 采水水层数n>1时,\({Lave}_{i}=\frac{\sum _{j}^{n}\left({L}_{ij}+{L}_{i\left(j+1\right)}\right)*\left({D}_{i\left(j+1\right)}-{D}_{ij}\right)}{2{D}_{in}}\)
其中:\({Lave}_{i}\)为定位站i水柱平均浓度;\({L}_{i1}\)为定位站i表层样品浓度;\({L}_{ij}\)为定位站ij采水层的样品浓度;\({D}_{ij}\)为定位站ij采水层的水深。
缺失值插补采用R语言“longitudinalData”包中imputation函数(method="linearInterpol.bisector", lowerBound="min", upperBound="max"),绘图采用R语言ggplot2包绘出叶绿素a时间序列变化图,直观展示数据集。具体数据处理流程见图2。


图2   叶绿素a浓度数据集构建流程图
2   数据样本描述
1997–2010年胶州湾叶绿素a浓度数据集为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:“定位站表层叶绿素a浓度”表存放12个定位站表层叶绿素a浓度的数据,共计620条数据;“海湾分区叶绿素a浓度”表存放分区统计后的表层、底层和水柱平均叶绿素a浓度的数据,共计280条数据;“海湾叶绿素a浓度”表存放海湾统计的表层、底层和水柱平均叶绿素a浓度数据,共计56条数据。数据表单所包含的具体字段名称、类型和示例见表2–4。
表2   定位站表层叶绿素a浓度表内容
序号字段名称量纲数据类型样例数据
1年份-文本型1997
2月份-文本型05
3站位编码-文本型JZB07
4表层叶绿素a浓度μg/L数值型3.43
5备注-文本型叶绿素a插值
表3   海湾分区叶绿素a浓度表内容
序号字段名称量纲数据类型样例数据
1年份-文本型1997
2月份-文本型03
3区域-文本型湾中区
4表层叶绿素a浓度μg/L数值型20.55
5底层叶绿素a的浓度μg/L数值型5.99
6水柱平均叶绿素a的浓度μg/L数值型21.30
表4   海湾叶绿素a浓度表内容
序号字段名称量纲数据类型样例数据
1年份-文本型1997
2月份-文本型05
3表层叶绿素a浓度μg/L数值型7.58
4底层叶绿素a的浓度μg/L数值型4.82
5水柱平均叶绿素a的浓度μg/L数值型7.42
zip图形压缩文件包含按照定位站和区域进行叶绿素a长时间序列绘制的图形30张,图形命名规律为“站位/区域+要素名.svg”,图形为矢量化格式,可以满足出版和各类显示需求,示例如图3。


图3   胶州湾JZB01长期定位站表层叶绿素a浓度长期变化图
3   数据质量控制和评估
在水体叶绿素a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[4]和国家海洋监测规范[7]来开展相关工作。
胶州湾站设有专门的叶绿素a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。荧光光度计每半年标定一次。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。
编写R程序对单个数据点进行时间序列和空间邻近点的对比检查,对同一定位站的叶绿素a浓度进行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。叶绿素a数据全部通过检验,相邻定位站趋势一致性好。仅对单个定位站缺失率小于10%并且缺失值不相邻的缺失值进行插补。2000年数据全年缺失,不符合插补条件,均以缺失值处理。
4   数据价值
本数据集为1997–2010年胶州湾14年的长期定位叶绿素a监测数据,为胶州湾环境状况、生态系统演变、海洋健康评估、海湾治理等科学研究和政府决策提供了可靠的数据,也可以用于典型海湾之间的对比研究。
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,提供定位站及分区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。
致 谢
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“科交2号”“创新号”科考船的所有成员的支持。
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数据引用格式
赵永芳, 郑珊, 孙晓霞, 孙松. 1997–2010年胶州湾叶绿素a浓度数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-09-04). DOI: 10.11922/sciencedb.839.
稿件与作者信息
论文引用格式
赵永芳, 郑珊, 孙晓霞, 孙松. 1997–2010年胶州湾叶绿素a浓度数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020, 5(2). (2020-06-12). DOI: 10.11922/csdata.2019.0039.zh.
赵永芳
Zhao Yongfang
主要承担工作:数据处理、数据集编制、数据质量控制和数据可视化。
(1981—),女,山东临沂人,硕士,工程师,研究方向为数据信息管理与数据产品开发。
郑珊
Zheng Shan
主要承担工作:野外样品采集、仪器标定与样品测定,原始数据质量控制。
(1976—)女,河北唐山人,博士,助理研究员,研究方向为浮游植物初级生产力。
孙晓霞
Sun Xiaoxia
主要承担工作:数据质量控制和数据质量评估。
xsun@qdio.ac.cn
(1974—),女,山东荣成人,博士,研究员,研究方向为海洋生态学和海洋微塑料研究。
孙松
Sun Song
主要承担工作:定位站设定及总体工作部署。
sunsong@qdio.ac.cn
(1959—),男,山东莱阳人,博士,研究员,研究方向为海洋生态学研究。
出版历史
I区发布时间:2019年9月26日 ( 版本ZH2
II区出版时间:2020年6月15日 ( 版本ZH3
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中国科学数据
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