乳山灣鄰近海域低氧現(xiàn)象及成因淺析＊

冉祥濱，臧家業(yè)＊，韋欽勝，郭景松，尹曉斐，劉 瑋，劉 軍

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與工程國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061；3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

乳山灣鄰近海域低氧現(xiàn)象及成因淺析＊

冉祥濱1，2，臧家業(yè)1，2＊，韋欽勝1，2，郭景松1，3，尹曉斐1，2，劉 瑋1，2，劉 軍1，2

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與工程國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061；3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

根據(jù)2009－06－2009－09及2010－05－2010－06在乳山灣及其毗鄰海域的綜合調(diào)查，分析了該海域溶解氧的變化，初步探討了影響溶解氧變化及底層低氧形成的原因。結(jié)果表明，夏季乳山灣鄰近海域存在季節(jié)性低溶解氧區(qū)，溶解氧在6，7月份相對(duì)較高，而在8，9月份相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在8月份，為3.21mg／L（飽和度為35.5%），表觀耗氧量為5.82mg／L。乳山灣外鄰近水域溶解氧略高于灣口和灣內(nèi)。底層溶解氧水平受到潮汐的影響，具有較大的周日波動(dòng)性，變化范圍介于3.74～8.26mg／L；在落潮時(shí)質(zhì)量濃度降低而在漲潮時(shí)質(zhì)量濃度升高。在這一區(qū)域存在較為強(qiáng)烈的溫、鹽躍層，從而限制了表、底層溶解氧的交換，而COD質(zhì)量濃度的升高為這一區(qū)域的耗氧過程提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。潮汐、黃海冷水團(tuán)的頂托作用、有機(jī)物質(zhì)在底層水域的氧化作用以及底泥耗氧過程導(dǎo)致底層溶解氧的虧損。

溶解氧；低氧區(qū)；表觀耗氧量；乳山灣

乳山灣擁有較為廣闊的灘涂，是十分重要的海水養(yǎng)殖區(qū)。乳山灣養(yǎng)殖業(yè)及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致排海的有機(jī)物量顯著增加［1］，這極大地影響了該海域海洋環(huán)境質(zhì)量狀況［1］，也對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境產(chǎn)生了較大的沖擊［2］，致使貝類大面積死亡。乳山灣養(yǎng)殖區(qū)氮、磷含量明顯高于非養(yǎng)殖區(qū)［3－4］，底質(zhì)環(huán)境也呈現(xiàn)弱還原性狀態(tài)［5］。大量有機(jī)質(zhì)和還原性物質(zhì)在一系列生物、化學(xué)過程后消耗了底層的大量氧氣，這也使得乳山灣及近海水體溶解氧濃度顯著較低［6］。

乳山灣及近海低氧區(qū)域的存在顯然與該水域的物理過程及生物地球化學(xué)過程有關(guān)。在潮水的作用下，灣內(nèi)物質(zhì)被排入到灣口及近海［7］，并在近海積累。乳山灣與近海的物質(zhì)交換過程可能對(duì)近海海洋環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，致使近海底層溶解氧濃度降低［8］。另外，黃海冷水團(tuán)生消過程也可能顯著影響該海域的海洋環(huán)境，如在夏季黃海冷水團(tuán)鼎盛期，其外圍與潮混合所形成的海洋鋒往往與高的初級(jí)生產(chǎn)力和漁獲量有關(guān)［9］。目前，我國對(duì)黃海溶解氧最大值成因的研究較為深入［10－12］，而對(duì)近岸溶解氧低值現(xiàn)象一直未有進(jìn)行深入的分析和研究［13］，特別是無大河影響下的近岸低氧現(xiàn)象的研究更少。本研究根據(jù)2009－06－2009－09及2010－05－2010－06在乳山灣及其毗鄰海域的綜合調(diào)查資料分析乳山灣近岸海域低氧特征及控制因素，旨在豐富和加深對(duì)低氧水域生物地球化學(xué)過程的認(rèn)識(shí)，以期為探討近海環(huán)境保護(hù)問題提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站點(diǎn)布設(shè)

2009－06－2009－09在山東煙臺(tái)乳山灣口及其鄰近海域（36°12′～37°00′N，120°54′～122°15′E）進(jìn)行了逐月共4個(gè)航次的綜合調(diào)查。調(diào)查水域的平均水深約為15m。采樣層次為表層、5m、10m、近底層，并根據(jù)水深增加或減少層次。其中，8月份在C2站位進(jìn)行了一個(gè)25h潮周期的綜合調(diào)查。此外，2010－05底至2010－06初，在乳山灣、灣口及鄰近海域分別采集水樣，進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查，采樣層次為：表層和近底層。采樣站位見圖1。調(diào)查海域附近用海狀況見圖2。

1.2 樣品儲(chǔ)存及分析方法

現(xiàn)場用多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSI6600）觀測溫度、鹽度等水質(zhì)參數(shù)，用ADCP觀測流速和流向，并用Niskin采水器采取不同深度的水樣。水樣采集后，溶解氧（DO）和化學(xué)耗氧量（COD）按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.4－2007）操作；葉綠素A（Chl a）水樣采集后，立即用0.45μm醋酸纖維濾膜過濾（濾膜預(yù)先用1∶1 000的鹽酸溶液浸泡24h，然后用Milli－Q水洗至中性），將過濾水樣所得濾膜對(duì)折，吸干水分，放入鋁箔中，然后將鋁箔放入封口塑料袋中，加入硅膠干燥，－20℃冷凍保存，用于測定Chl a；過濾后所得水樣用于營養(yǎng)鹽測定。

DO在現(xiàn)場用 Winkler法測定GB 17378.4－2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》，COD，BOD按照GB 17378.4－2007規(guī)定的方法測定，Chl a采用熒光分析儀測定（Turner Designs 10－AU）。營養(yǎng)鹽用營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀（荷蘭，Skalar San＋＋）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳山灣鄰近海域溶解氧、溫度、鹽度分布特征

2.1.1 調(diào)查海域2009年溶解氧、溫度、鹽度分布特征

表1為2009年乳山灣鄰近海域溶解氧質(zhì)量濃度及變化范圍。由表1可知，在6，7月份，乳山灣鄰近海域水體溶解氧質(zhì)量濃度較高，而8，9月份，溶解氧質(zhì)量濃度相對(duì)較低。在6月份，表、底層之間溶解氧質(zhì)量濃度差異不大；而7－9月份，表、底層之間差異較大，底層質(zhì)量濃度顯著低于表層（P＜0.01），其中，8月份溶解氧最低，質(zhì)量濃度僅為3.21mg／L（飽和度：35.5%）。

一般而言，天然水體中溶解氧飽和度較高［14］，然而該區(qū)域溶解氧飽和度普遍低于100%（表1），質(zhì)量濃度也低于同時(shí)期南黃海水體①臧家業(yè)，等.908專項(xiàng)ST03區(qū)塊水體環(huán)境調(diào)查與研究海洋化學(xué)研究報(bào)告.國家海洋局第一海洋研究所，2009.。相對(duì)于馬紹賽等［1，15］調(diào)查數(shù)據(jù)而言，乳山灣口COD質(zhì)量濃度升高了2～4倍。這主要是由于人類活動(dòng)的增加（諸如沿海污水排放，養(yǎng)殖業(yè)急劇發(fā)展等）導(dǎo)致近海有機(jī)物含量升高，而增加的有機(jī)物在水體和底質(zhì)的耗氧降解過程超出了水體的復(fù)氧能力，從而導(dǎo)致底層水體缺氧。

表1 乳山灣鄰近海域溶解氧濃度及變化范圍Table 1 Dissolved oxygen concentration and its range of variation in the waters off the Rushan Bay

圖3為乳山灣鄰近海域溶解氧分布圖。6，7月份，表層溶解氧質(zhì)量濃度隨著離岸距離的增加而逐漸降低；而底層溶解氧質(zhì)量濃度隨離岸距離的增加而逐漸升高。8月份，表、底層溶解氧質(zhì)量濃度表現(xiàn)為近岸質(zhì)量濃度較低，而外海質(zhì)量濃度略高的特征；所不同的是，在A斷面中部及C斷面近岸位置底層溶解氧質(zhì)量濃度偏低，最低值分別為3.81mg／L和3.21mg／L。9月份表層溶解氧差異不大，外海水體溶解氧質(zhì)量濃度稍高于近岸；底層溶解氧質(zhì)量濃度表現(xiàn)為調(diào)查區(qū)域東、西兩側(cè)的外緣質(zhì)量濃度較高，而近岸質(zhì)量濃度較低，最低值出現(xiàn)在C7站位的底層（3.72mg／L）。

8，9月份乳山灣鄰近水域底層溶解氧質(zhì)量濃度較低，明顯低于其理論氧飽和質(zhì)量濃度，其低值區(qū)位于C斷面及其以西的水域，這很大程度上是由于乳山灣養(yǎng)殖業(yè)急劇發(fā)展等因素（圖2），導(dǎo)致近海有機(jī)物含量升高并在底沉積物中累積，增加的有機(jī)物在水體中的耗氧降解以及底泥的耗氧過程可能導(dǎo)致水體底層缺氧［8］。不過，從調(diào)查情況來看，低值區(qū)域相對(duì)較小，且彼此并不連通（圖3）。除了受黃海冷水團(tuán)外圍的頂托外，調(diào)查區(qū)域還受到潮汐作用的影響［7－8，16］，從而使這個(gè)區(qū)域內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度塊狀分布非常明顯。潮汐運(yùn)動(dòng)可能使得底層較低質(zhì)量濃度的溶解氧存在一定的位移，而由其所引起的垂向混合作用也在一定程度上阻止了溶解氧低值現(xiàn)象的大面積發(fā)展；另外，潮汐作用還可能導(dǎo)致表層高質(zhì)量濃度溶解氧水體的下沉，從而使其呈現(xiàn)塊狀分布的特征。從溫度、鹽度（圖4）的變化來看，底層可見低溫、高鹽的黃海冷水團(tuán)水的入侵，尤其是6－8月份具有明顯的溫、鹽梯度；9月份，溫度、鹽度區(qū)域性差異明顯小于其它月份。黃海冷水團(tuán)的侵入造成近岸附近海水的上涌，從一定程度上限制了表層水與底層水的交換，進(jìn)而阻止了氧的垂直交換，從而使底層海水呈現(xiàn)低氧狀態(tài)；從水溫的垂直分布來看，上層水與底層水的溫度差可達(dá)10℃，這形成了一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度躍層，因此夏季水溫的垂直分層也是形成底部低溶解氧現(xiàn)象的一個(gè)重要的物理因素。黃海冷水團(tuán)的影響在7，8月份尤為明顯，一方面其影響區(qū)域內(nèi)底層溶解氧質(zhì)量濃度較高；另一方面黃海冷水團(tuán)減緩了近岸水體與外海的交換。如7月份冷水團(tuán)外圍水體自調(diào)查區(qū)域南端的中部進(jìn)入乳山灣近海水域，這種來自外海的頂托作用致使近岸表、底層溶解氧差異明顯大于冷水團(tuán)影響的區(qū)域。同樣在8月份，冷水團(tuán)外圍水體自調(diào)查區(qū)域南端的東西兩側(cè)影響該區(qū)域，在兩股水團(tuán)的共同影響下，減緩了C2站位附近水體的運(yùn)動(dòng)，致使該區(qū)域出現(xiàn)局部低氧的現(xiàn)象。9月份，黃海冷水團(tuán)對(duì)本區(qū)域的影響漸弱［16］，海水層狀結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯變化，穩(wěn)定性下降造成上、下水層的垂直混合作用加劇，溫、密躍層逐漸消失。在上述動(dòng)力條件下，近岸水體難以形成低溶解氧區(qū)，而外海由于水體普遍深于近岸，因此容易形成低氧現(xiàn)象，如C7站位。黃海冷水團(tuán)的另外一個(gè)影響還表現(xiàn)在其外圍水體與該區(qū)域沿岸線分布的潮峰［17］相遇，使之向左轉(zhuǎn)向，如圖5所示。這種影響可在一定程度上致使潮水?dāng)y帶的灣內(nèi)物質(zhì)在調(diào)查區(qū)域的中、西部淤積，從而致使C斷面及其以西的水域更容易形成低氧水體，調(diào)查區(qū)域中西部底層水體中相對(duì)較高的COD（圖6）質(zhì)量濃度更有力的說明了這一點(diǎn)。

2.1.2 調(diào)查海域2010年溶解氧、生化需氧量、化學(xué)耗氧量分布特征

由2010年乳山灣、灣口及近海溶解氧、BOD和COD數(shù)據(jù)可知，調(diào)查區(qū)域內(nèi)溶解氧變化不大，介于6.83～8.13mg／L，接近于2009年6月調(diào)查結(jié)果。BOD和COD質(zhì)量濃度變化較大，前者介于0.63～1.51mg／L，后者介于0.96～2.26mg／L。調(diào)查區(qū)域內(nèi)表觀耗氧量（AOU）［18］介于1.80～2.60mg／L，且與BOD和COD具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均不高（r＜0.39），這說明水柱內(nèi)存在較為微弱的耗氧過程。

圖7 乳山灣、灣口及鄰近海域溶解氧、生物耗氧量和化學(xué)耗氧量沿程濃度變化Fig.7 Concentration variations of dissolved oxygen，biological oxygen demand and chemical oxygen demand in Rushan Bay and its adjacent areas

由圖7可知，乳山灣內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度最低，自乳山灣、灣口及鄰近海溶解氧質(zhì)量濃度沿程呈上升的趨勢；COD質(zhì)量濃度在1號(hào)站位較高，COD自乳山灣至近海呈一定的降低的趨勢；BOD在乳山灣內(nèi)及灣口差異不大，相對(duì)而言近海質(zhì)量濃度較高。在潮汐作用下，乳山灣及其鄰近海域物質(zhì)交換（水體、泥沙）［7］以及乳山灣內(nèi)相對(duì)較高的COD質(zhì)量濃度進(jìn)一步說明養(yǎng)殖業(yè)對(duì)該海域海洋環(huán)境的影響。

2.2 乳山灣近海溶解氧周日變化特征

在周日變化中，表層溶解氧質(zhì)量濃度介于6.71～7.99mg／L（平均值為7.21mg／L），底層溶解氧質(zhì)量濃度介于3.74～8.26mg／L（平均值為5.72mg／L）。由此可見，表、底層之間質(zhì)量濃度差異較大，底層質(zhì)量濃度較低且具有明顯的低氧特征。

圖8為乳山灣鄰近海域溶解氧周日變化分布圖，由圖可知，表層溶解氧質(zhì)量濃度較高，且變化幅度不大；而底層質(zhì)量濃度較低，變化幅度明顯大于表層。總體而言，C2站溶解氧質(zhì)量濃度隨潮汐變化呈較為規(guī)則的變化，在落潮時(shí)溶解氧質(zhì)量濃度降低，而在漲潮時(shí)質(zhì)量濃度升高。研究表明，該海域底泥的化學(xué)耗氧作用較大，且耗氧過程較快［8］，可在短時(shí)間內(nèi)使底層溶解氧降低。相關(guān)分析表明，表、底層水體周日的△DO與COD無顯著的相關(guān)關(guān)系，這也從一個(gè)側(cè)面表明水柱內(nèi)化學(xué)氧化作用有限，其并不是導(dǎo)致該海域底層低氧的重要原因。由此可判斷，底泥快速的耗氧過程以及潮汐的混合作用使得該海域底層溶解氧水平波動(dòng)較大。

2.4 表觀耗氧量與相關(guān)的地球化學(xué)過程

結(jié)合鹽度、鹽度數(shù)據(jù)，應(yīng)用韋斯方程計(jì)算溶解氧飽和度和表觀耗氧量（AOU）。結(jié)果表明，調(diào)查海區(qū)溶解氧飽和度分布與溶解氧分布有相似的規(guī)律，表層水的飽和度高于底層水，這是由于水－氣界面氧交換及浮游植物光合作用復(fù)氧所致。由于表層水體不存在光限制，因此浮游植物的光合作用相對(duì)較高。然而，4個(gè)航次表層溶解氧飽和度普遍低于100%，僅7月份離岸較近站位的溶解氧飽和度大于100%，這與該水域較高地Chl a質(zhì)量濃度（A1～F1∶12.4～36.1μg／L）相一致。底層AOU一般為正值，6月份AOU均值為3.24 mg／L，最高達(dá)4.47mg／L；7月份少數(shù)站位 AOU為負(fù)值，均值為2.85mg／L，最高值為4.86mg／L；8，9月份AOU平均值分別為2.79mg／L和2.56mg／L，但最高值急劇增大，分別為5.82mg／L和5.25mg／L。這說明該水域普遍存在有機(jī)物（水體和底質(zhì)）耗氧過程，特別是8，9月份該過程逐漸增強(qiáng)使底層的含氧量降至最低，形成低氧環(huán)境，而7月份該過程似乎有所減弱，這主要是光合作用復(fù)氧相關(guān)。

相關(guān)性分析顯示，表、底層的溶解氧差值（△DO）與溶解無機(jī)氮、磷差值（△DIN，△DIP）均未達(dá)到顯著性水平，這與張瑩瑩等［19］在長江口的調(diào)查規(guī)律并不一致。這可能是由于：一方面近岸海域受陸地影響較大，陸地輸送的氮、磷營養(yǎng)鹽負(fù)荷較高［20］，顯著影響了近岸海域營養(yǎng)鹽的生物地球化學(xué)過程；其二，該海域底沉積物氮、磷濃度較高［3－4］，底泥耗氧過程是影響該海域溶解氧分布的重要因素，底泥耗氧過程中釋放的氮、磷營養(yǎng)鹽在一定程度上提高了底層水體營養(yǎng)鹽濃度。相對(duì)于表層（總氮：9.97μmol／L，亞硝酸鹽氮：0.32μmol／L，硝酸鹽氮：1.26μmol／L；總磷：0.64μmol／L，磷酸鹽：0.32μmol／L，以8月份為例）而言，底層（總氮：11.6 μmol／L，亞硝酸鹽氮：0.65μmol／L，硝酸鹽氮：1.90μmol／L；總磷：0.71μmol／L，磷酸鹽：0.36μmol／L，以8月份為例）較高的氮、磷濃度也從一個(gè)側(cè)面說明營養(yǎng)鹽在底層再生消耗了一定量的氧氣。另外，調(diào)查區(qū)域內(nèi)較高的硫化物的含量［8］也表明該水域存在一定強(qiáng)度的無機(jī)物耗氧等，但這一過程并不產(chǎn)生氮、磷營養(yǎng)鹽，這也可能是導(dǎo)致△DO與△DIN、△DIP相關(guān)性不顯著的原因之一。

2.5 低氧區(qū)氧虧損量

AOU值并不能精確地反映真正的氧虧損量，但可以對(duì)其進(jìn)行大概估算，故用來簡單地估算氧的虧損。以8月份為例，其各層AOU值已列于表2。根據(jù)該區(qū)域平均水深約15m計(jì)，水面面積約1 470km2，估算出此區(qū)域氧虧損量達(dá)29 100t。這個(gè)數(shù)值與水柱內(nèi)現(xiàn)存COD耗氧總量（由COD平均質(zhì)量濃度與調(diào)查水域水體積求得）近乎相當(dāng)，由此不難推斷該海域底質(zhì)中高濃度的有機(jī)物［5］、硫化物［5，21］等耗氧物質(zhì)大量消耗了水體中的溶解氧，這值得進(jìn)一步關(guān)注。

表2 乳山灣8月份鄰近海域表觀耗氧量值Table 2 Apparent oxygen utilization in the waters off the Rushan Bay in August

3 結(jié) 論

夏季乳山灣鄰近海域存在季節(jié)性低溶解氧區(qū)，溶解氧最低值出現(xiàn)在8月份，為3.21mg／L（飽和度為35.5%），表觀耗氧量最高為5.82mg／L。溶解氧水平存在一定的區(qū)域性差異，表現(xiàn)為乳山灣口外鄰近水域溶解氧略高于灣口和灣內(nèi)；同時(shí)，溶解氧存在一定的月份間差異，在6，7月份相對(duì)較高，而在8，9月份相對(duì)較低。底層低溶解氧受到潮汐的影響，具有較大的周日波動(dòng)性，變化范圍介于3.74～8.26mg／L；在落潮時(shí)質(zhì)量濃度降低而在漲潮時(shí)質(zhì)量濃度升高。在這一區(qū)域存在較為強(qiáng)烈的溫、鹽躍層，從而限制了表、底層溶解氧的交換。COD質(zhì)量濃度的升高為這一區(qū)域的耗氧過程提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，耗氧過程除降低底層溶解氧質(zhì)量濃度外，還可能釋放一定量的營養(yǎng)鹽。潮汐、黃海冷水團(tuán)的頂托作用、有機(jī)物質(zhì)在底層水域的氧化作用以及底泥耗氧過程導(dǎo)致了底層溶解氧的虧損。

致謝：謝琳萍、王帥、王宗興、汪魯、孫濤等為本研究的現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室工作提供了支持。

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（張 騫 編輯）

Hyposia and Its Cause of Formation in the Adjacent Waters of Rushan Bay

RAN Xiang－bin1，2，ZANG Jia－ye1，2，WEI Qin－sheng1，2，GUO Jing－song1，3，YIN Xiao－fei1，2，LIU Wei1，2，LIU Jun1，2
（1.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；2.Key Lab of Science and Engineering for Marine Ecological Environment，SOA，Qingdao 266061，China；3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling，SOA，Qingdao 266061，China）

The cruises on hypoxia investigation were carried out in the mouth of Rushan Bay and its adjacent area in both June to September，2009and May to June，2010.Dissolved oxygen and cause of hyposia formation were analyzed.The result indicated that there was a low－oxygen area in Rushan Bay mouth and its adjacent waters.The DO was higher in surface water but lower in bottom.The minimum value of DO（3.21mg／L）was found at the bottom in August，oxygen saturation was 35.5%and apparent oxygen utilization（AOU）was 5.82mg／L.The DO was lower in high tide level and higher in low tide，with distinct diurnal variations（3.74～8.26mg／L）.Yellow Sea Cold Water Mass，tide，water stratification，high concentration of organic substance，and sediment oxygen demand were the major factors causing the formation of the hypoxia.

dissolved oxygen；low－oxygen；apparent oxygen utilization；Rushan Bay

March 2，2011

X834

A

1671－6647（2012）03－0347－10

2011－03－02

乳山灣外海低氧區(qū)調(diào)查與研究——中國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)課題（908－01－BC14）

冉祥濱（1980－），男，山東夏津人，助理研究員，博士，主要從事水環(huán)境化學(xué)方面研究.E－mail：rxb@fio.org.cn

＊通訊作者，E－mail：zjy@fio.org.cn