中國部分河口及其近海水域缺氧現象研究

龔松柏,高愛國,倪冠韜,朱旭旭,張延頗,侯昱廷

(廈門大學海洋與地球學院,福建 廈門 361102)

中國部分河口及其近海水域缺氧現象研究

龔松柏,高愛國,倪冠韜,朱旭旭,張延頗,侯昱廷

(廈門大學海洋與地球學院,福建 廈門 361102)

對長江、珠江等河口及其近海水域缺氧現象與影響因素進行研究,結果表明，主要分布于長江與珠江河口及其鄰近海域的缺氧現象，夏季(6—8月)達到最盛,秋冬季消失；長江口的缺氧區域主要位于30.75°N～32°N,122.5°E～123.25°E附近海域,具有南北2個缺氧中心；珠江口缺氧程度相對較輕,缺氧區域主要在廣州黃埔區河段至虎門水域和伶仃洋；遼河、錢塘江、海河等河口區域也時而出現零星的缺氧現象；水體缺氧受控于多項環境要素,物理層化作用是缺氧產生的最初誘因之一,陸源污染物的分解則是重要的耗氧負荷；各河口區特征各異,潮汐、洋流、營養鹽、葉綠素a等要素對缺氧區的范圍、程度和持續時間影響程度不一。

河口;近海;水域缺氧;溶解氧

DO是水體生物地球化學循環的重要參與者,是維持生物生存繁殖和生態系統平衡發展的關鍵因素,是水環境質量的評價指標之一,也是衡量海氣相互作用、凈初級生產力和碳再礦化等過程的重要標志[1-4]。一般認為水體DO質量濃度低于2～3 mg/L即為缺氧(或低氧)[5-7]。水體缺氧常常導致海區生物量減少,魚類患病率增加,生物多樣性降低,生態系統結構改變,甚至對河流與海洋的生態系統造成整體性破壞[8-9],如某些魚類在DO質量濃度低于3 mg/L 就開始出現生理反應[10];當水體中DO質量濃度低于2 mg/L時,底層拖網的漁獲量就幾乎為零[11]。且由于表層沉積物的氧化還原環境遭到破壞,原先積聚在沉積物中的有毒、有害物質可能重新活化并釋放到水體中,造成嚴重的二次污染[12]。

河口區是河流與海洋相互作用的耦合地帶,具有獨特的地理環境,河流攜帶的大量物質在此區域堆積,同時又受到海洋潮汐、洋流和波浪等海洋營力的影響。河口區也是人類活動頻繁、工農業集中的區域[13],人類排放的工業污水和生活污水將大量還原性污染物攜帶入海,給河口和近海環境造成巨大壓力。在自然水體層化和人為富營養化雙重作用下,河口區及其鄰近海域時常發生缺氧現象[11]。在國外發現早、影響較大的河口及其鄰近海域缺氧現象當屬墨西哥灣[6]。中國河口和近岸區域的低氧現象早在20世紀50年代末被發現,低氧現象研究則始于20世紀80年代[14]。近年來,針對河口和近海DO的研究[15-17]逐漸增多,對河口和近海區DO的調查涉及空間范圍較廣,時間跨度較長,積累了大量的研究成果。筆者對長江、珠江、遼河、海河、黃河、錢塘江和閩江等河流河口區及其鄰近海域的缺氧現象進行了總結,歸納其河口和鄰近海域缺氧現象的時間和空間分布特征,分析影響DO分布變化的環境要素,并探討低氧區的形成機制,以期為今后缺氧現象的進一步研究、河口水質保護和環境管理等提供參考。

1 河口及其近海水域缺氧現象研究概況

早在1985年,Rosenberg[18]便在波羅的海近岸發現面積達84 000 km2的缺氧現象。著名的墨西哥灣北部“死亡水域”的DO質量濃度曾長期低于2 mg/L,2001年墨西哥灣內缺氧面積達20 700 km2[6]。Mee[19]曾于2005年報道黑海西北部缺氧面積約為40 000 km2。另外,在阿拉伯海、孟加拉灣以及太平洋東北部和東南部均有不同程度的缺氧現象[20]。據不完全統計,缺氧現象在歐洲、美國東部以及日本等國家和地區的近岸海域總面積超過245 000 km2[21]。總體上,中國河口及其鄰近海域DO質量濃度,在空間分布上呈現河口區較低,近海區域較高;在季節上體現冬季>春季>秋季>夏季的變化規律[14-17]。從具體區域來看,缺氧現象以長江口和珠江口及其近海水域最為嚴重[16,22];從缺氧現象的生消過程來看,缺氧現象自夏初5—6月形成,始于河口局部底層水;7—8月發育到最盛,至秋季9—10月有微弱殘余,11月基本消失,其中長江口缺氧面積大且持續時間久[22]。

1.1 長江口及其近海

長江口及其近海缺氧現象發現于1959年8月,觀測到的DO質量濃度最小值為0.49 mg/L,缺氧面積約為1 800 km2;20世紀80年代也偶有低氧現象發生,但程度較輕[14](圖1)。1999年8月觀察到的缺氧現象處于水深10 m以下,其長度可達250 km,平均厚度約20 m,估測面積達13 700 km2,約是1959年8月的7.6倍[23]。2006年夏季缺氧水域分布在鹽度為3.28%～3.36%之間的水域,是一次程度較重的缺氧現象;從南北方向上看,北端缺氧區域幅度較寬闊,尤其是32°N緯線以北更為嚴重,DO質量濃度低于2 mg/L;南端較狹窄,并有延伸至浙江北部沿岸的趨勢;DO質量濃度小于3 mg/L的面積約為85 200 km2,DO質量濃度最低為1.10 mg/L[24-25]。

圖1 長江口夏季缺氧范圍的年際變化

近年來,發現長江口底層缺氧中心區因時間不同而略有變動,但主要位于122.5°E,東西橫跨120 km,南北向延伸約100 km,南部界限估計可達29°N,即能延伸至浙江北部沿岸;北界因受黃海富氧冷水團阻擋,維持在32°N左右[26-27]。韋欽勝等[22]曾研究長江口缺氧現象的年內生消過程,發現長江口缺氧現象于6月始發,7—8月達到強盛,入秋后開始消退,至冬季完全消失。

需要指出的是,1999年以來長江口及其近海夏季缺氧現象空間形態的顯著特征具有“雙核分布”趨勢。“雙核”是指在長江口以北以及浙江北部沿岸各存在1個缺氧中心(圖1),其中浙江沿岸缺氧中心主要位于象山港外20 m等深線29°N～30°N水域;長江口附近缺氧中心主要位于122.5°E,31°N～32°N水域。與浙江沿岸缺氧中心相比,長江口附近的缺氧范圍更大,DO質量濃度更低;而浙江沿岸缺氧面積相對較小,DO質量濃度相對較高。這顯示缺氧中心與江河入海口位置、水動力狀況及耗氧物質入海通量密切相關。從年際變化角度來看,“雙核”均有向北移動的趨勢,且缺氧面積不斷擴大,而南部水域的缺氧范圍卻有縮小的趨勢[22,25]。由于不同航次所設站位和覆蓋面積不同,不同年份耗氧物質入海通量不同,以及研究海域動力環境時空變化較大,“雙核分布”特征并非每個航次都能觀測到,這也體現出缺氧現象形成及其變異的復雜多變性[25]。

1.2 珠江口及其近海

早在1981年7月,珠江口鄰近水域便觀測到底層DO質量濃度小于2 mg/L的缺氧現象,但缺氧范圍較小;1990年7月,甚至觀測到DO質量濃度為0.93 mg/L的低值[4]。1999年缺氧現象出現在伶仃洋中西部水域,其中伶仃洋中部DO質量濃度較高,DO虧損程度較低[28-29](圖2)。2003年夏季底層缺氧現象在廣州黃埔至東莞河段均十分明顯,DO質量濃度為1.98～2.25 mg/L[30]。2009年底層缺氧現象向伶仃洋東南部移動,DO質量濃度呈現由口門內向口門外遞減的變化趨勢,在口外萬山群島北側出現大片缺氧區域[29]。2011年夏季缺氧現象在河口灣水深大于20 m的水域發育,在萬山群島北部底層DO質量濃度僅為1.38 mg/L,實際缺氧范圍可能向東南外海延伸至更廣闊的海域[4]。總體上,珠江口的缺氧范圍局限于伶仃洋中西部淺灘和磨刀門水域[16]。

圖2 珠江口夏季缺氧范圍的年際變化

珠江口及其鄰近海域缺氧現象的形成和演變與長江口既有共性又有特殊性。共性在于兩者缺氧現象均集中發生于夏季(6—8月),為季節性缺氧,這與該季節水體層化作用較強有密切關系;差異在于珠江口缺氧現象并非連續發生,在20世紀90年代發生頻率較高,總體變化趨勢不明顯;此外,珠江口缺氧的程度和范圍較長江口輕、小,且最低DO質量濃度變化幅度也不大[29-30]。

1.3 其他河口及其近海

遼河、錢塘江等河口及其鄰近海域缺氧程度相對較輕。2003年,遼河入海段缺氧區域于營口市、遼河公園等河段發育,DO質量濃度小于4 mg/L的面積為60～80 km2[31];也曾于2009年夏季觀測到1.36 mg/L的極低值,局部河段甚至低于1 mg/L[2]。這主要是由于初級生產力對遼河口DO的貢獻很小,不足以抵消有機污染物等物質對DO的消耗[31-32];其次營口河段存在微弱的垂向分層現象,河流輸送的有機污染物是該段的主要耗氧因素;而在河口區域,由于河水與潮汐帶來的富氧海水相互混合,因此缺氧現象并不明顯[33]。

錢塘江下游富陽段曾出現缺氧現象,缺氧區位于距離富春江水電站50～60 km處,從河道深槽到邊灘均出現缺氧現象,且缺氧程度相差不大[39];發生時間集中在夏季和冬季,2008年5月底層DO質量濃度曾一度低于1 mg/L[40-41]。調查顯示,TN和TP質量濃度在相同水域也達到最高值。該河段兩岸為富陽城區及其工業區,工業分布十分密集,工廠排放的污水特別是造紙廠排放的污水,是造成該河段DO質量濃度降低和水質惡化的主要原因[41],但杭州灣暫未有缺氧現象的報道。

黃河口DO研究則以渤海控制斷面為主。夏季在斷面中部底層出現DO質量濃度較低的水體,但沒有達到缺氧的程度,其DO質量濃度較低與黃河口接受的陸源和人類生產生活污染物有關[42]。雖然環渤海的海河與遼河均有不同程度的缺氧現象出現,但渤海大部分水域暫未發生缺氧現象,推斷其原因主要在2方面:一是雖然海河與遼河對渤海缺氧都有一定程度貢獻,但遠小于黃河的影響;二是黃河本身輸送的有機物和污染物質量濃度相對較低,且有下降的趨勢,因此對河口和近海水體造成的耗氧負荷較小[43-44]。

閩江是中國大陸東南沿海最大的河流,下游河口段流經福州市匯入臺灣海峽,但有關閩江口DO的研究較少。2008年1—12月,閩江口DO質量濃度介于5.46～8.03 mg/L間,飽和度在77%～111%間變化,未出現缺氧現象[45]。歷史資料也反映出閩江下游與河口水域未曾出現缺氧的跡象,年均DO質量濃度最低值也都高于4 mg/L[46]。

2 影響缺氧現象消長的因素分析

2.1 水動力

水體垂直運動減弱是導致低氧現象出現的重要誘因。河口及其近海水域之所以會形成典型的層化水體,其原因是低密度的淡水覆蓋于高密度的咸水之上。具體來說,中國東部、南部河流均在夏季6—8月達到汛期,河流徑流量顯著增加,大量相對高溫低鹽的淡水進入河口區及其近海[16],在外海洋流的影響下,上下層水文差異可能進一步擴大[25]。水體上層高溫低鹽低密度,下層低溫高鹽高密度,鹽度-密度鋒面發育,因此易在鋒面內形成穩定的層化結構。表層富氧水是底層DO的主要來源,但層化結構阻礙了上下層水體DO的交換過程。因此水體層化作用越強,底層缺氧程度越嚴重。對長江、珠江河口和鄰近海域缺氧現象的眾多研究均表明,缺氧水域存在明顯的鹽度和密度躍層,表層、底層的DO質量濃度差值與表層、底層鹽度差和溫度差密切相關,且水體層化穩定程度與DO表層底層差異達到顯著相關水平[24]。

影響水體垂向運動的另一個重要因素是洋流。當河口徑流作用力有限時,其攜帶的陸源有機顆粒較少,耗氧過程就可能由上升流攜帶的物質控制。李宏亮等[47]認為長江口外缺氧范圍向外延伸至122.5°E就與上升流有關。另外,中國邊緣海又受黑潮、臺灣暖流等流系的影響,夏季臺灣暖流相對高鹽低溫,在河流沖淡水的共同作用下,可使缺氧水域的表層、底層溫差達到6℃[23, 25],會有效增強水體層化強度,加劇底層水體缺氧。

潮流帶來的外海水與徑流相互作用的程度,直接影響到底層水體DO質量濃度的分布和變化趨勢,甚至影響缺氧區的范圍和缺氧持續時間。潮汐作用的強度因河口地形地貌、水流特性等因素而不同。一般情況下,大潮時海水與淡水垂直混合劇烈,DO垂直交換作用也相應增強;而小潮時DO的垂直交換作用明顯減弱,底層水體中DO被各種生物作用消耗,上層富氧水又不能及時補充,更易造成底層缺氧。如珠江口內、外伶仃洋表層DO質量濃度等值線漲潮時呈東西走向,落潮時呈南北走向;在一個潮周期內,潮汐對伶仃洋西部淺灘的影響較小,水體混合程度微弱,為缺氧環境的形成創造了條件[48-49]。同時在枯水年份徑流量較小的情況下,可能使河口層化的程度較正常年份明顯降低,由于徑流作用較弱,從而延長了河流輸送物質在河口區域的停留時間,進而促進浮游植物的暴發,甚至造成赤潮現象,導致河口區生源有機物和非生源有機物得到有效沉降和降解,最終引發底層水體缺氧[4]。

2.2 營養鹽與葉綠素a

葉綠素質量濃度是衡量浮游植物現存量的指標之一,其中葉綠素a質量濃度還可以作為衡量浮游植物光合作用效率的指標。葉綠素a質量濃度升高意味著初級生產力增加以及浮游植物向水體釋放氧氣通量增加,因此葉綠素a質量濃度與DO質量濃度呈顯著的正相關關系[50]。但浮游植物暴發后,浮游動物和浮游細菌等也大量繁殖,尤其在赤潮暴發期間,浮游動物的呼吸作用會大量消耗DO,且表層浮游細菌快速生長繁殖也會迅速降解有機質并消耗DO;同時這些浮游生物死亡后部分殘體沉降進入底層水,在分解過程中消耗DO,繼而成為潛在的耗氧因素。在水體層化等因素的共同作用下,表層葉綠素a質量濃度較高的水域其底層也可能會出現缺氧現象[47]。另外在局部葉綠素a質量濃度較低的水域,初級生產力較低,光合作用對DO質量濃度增加的貢獻較小,不起決定性作用,且葉綠素a與營養鹽亦不相關[51]。葉綠素a與DO關系的不確定,表明浮游植物初級生產力的變化可能不是影響DO變化的主要過程。

營養鹽為浮游植物大量繁殖提供了物質基礎,刺激浮游植物的暴發和葉綠素a的升高,光合作用加強,可能使局部水域DO迅速升高,甚至達到190%的過飽和狀態[47]。從這一角度而言,營養鹽是刺激DO來源增強的要素,可能降低缺氧程度。

2.3 有機質耗氧

有機質分解的生化耗氧過程在底層水體缺氧現象中亦發揮著不可忽視的作用[37-38]。生源有機質的自然分解過程消耗了底層水體的大量DO。在夏季高溫強光的條件下,浮游植物利用河口區的營養鹽生長繁殖加速,其遷移出真光層的有機質在沉降過程中分解會大大增加底層水的耗氧量,進而造成底層水體缺氧[53]。

由河流攜帶入海的還原性有機質則是造成水體缺氧的重要外因[54-55]。在遼河口、珠江口等水域均發現DO與COD呈顯著負相關關系[56-57],且在珠江口缺氧區入海污染物耗氧占據主導地位[55],表明還原性有機質在水體中的分解是重要的耗氧過程。監測表明,長江、珠江入海的COD通量巨大，近年來均處于中國河流前列[58](表1)。這些巨量耗氧物質在河口區域停留并下沉,消耗底層水的DO;再加上物理層化作用的影響,深層水DO缺少足夠的補充,極易導致缺氧現象發生。

表1 2010—2015年中國部分河流COD入海通量 萬t

另外,底泥中有機質的分解和再懸浮過程也是底層水體DO消耗的直接過程[59],沉積和懸浮狀態有機質殘體的降解需要消耗大量DO,如在加拿大圣勞倫斯河口沉積物耗氧比例約占底層DO虧損量的2/3[60],因此底泥耗氧也不容忽視。

綜上所述,溫度變化引起的水體層化阻礙了上下水層DO的交換,而物理過程(風)引起的水氣交換是水體DO的重要來源,并通過垂直對流把表層的富氧水帶到深部,降低底層缺氧程度;同時將底層的營養鹽帶到表層,促進表層浮游生物暴發;生物光合作用增強并向水體釋放氧氣,成為水體中DO的另一重要來源;但是生物活動會導致水體中有機物增加,生物通過呼吸作用又消耗水中的DO,但這一過程存在一定的時差或相位差。因此物理過程、生物作用和營養鹽等因素既是DO的來源，也可能造成DO的消耗,但是人類活動輸入的有機污染物則是不折不扣的耗氧因子。區分水體耗氧過程中這些因素的貢獻率存在一定的難度,但是不同生物地球化學過程引起的氧同位素分餾會反饋到DO同位素組成中[59],因此利用穩定氧同位素組成(δ18ODO)來辨析各過程對耗氧的貢獻率是新興的技術手段,也是未來的研究方向。而對于某一河口區或者海區而言,徑流荷載的大量營養物質和耗氧有機污染物是河口及鄰近海域缺氧現象形成的重要原因,水體層化等物理過程與上述生物、化學過程一起直接或間接決定了水體缺氧的規模、程度和持續時間。

3 結 語

中國近海近年來呈現污染物種類不斷增加、年通量居高不下、排污量嚴重超標等現象,陸源污染物始終是引發中國近海污染的主要人為原因。因此,首先要嚴格控制入海污染物的排放,嚴格控制污染物入海排放總量與標準;其次要加強研究,深入認識缺氧現象的生物地球化學過程,建立物理-化學-生態動力學耦合模式,揭示缺氧現象的演化規律;進一步掌握河口及其鄰近海域DO分布現狀,尤其在缺氧現象頻發的季節和區域要重點監測,提升缺氧區的災害預警能力;另外,要深入探討不同時空條件下各要素對缺氧現象的影響權重與缺氧現象形成的機制機理,以期針對性地改善缺氧狀況;最后要健全完善海洋保護法律法規,加強群眾的海洋環境保護意識,提高廣大群眾保護海洋環境和海洋資源的責任感和自覺性。

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Progress in research of hypoxia in estuaries and coastal areas in China

GONG Songbai, GAO Aiguo, NI Guantao, ZHU Xuxu, ZHANG Yanpo, HOU Yuting

(CollegeofOceanandEarthSciences,XiamenUniversity,Xiamen361102,China)

In order to study hypoxia in the main estuaries and adjacent coastal areas in China, we compared the hypoxia in the estuaries of the Yangtze River, the Pearl River, and other rivers, and analyzed the factors. We found that hypoxia mainly occurred in the estuaries of the Yangtze River, the Pearl River, and the adjacent coastal areas; it had the most significant increase in the summer (from June to August) and disappeared in the autumn and winter. The hypoxia zone in the Yangtze River Estuary was mainly located in the area with latitudes from 30.75°N to 32°N and longitudes from 122.5°E to 123.25°E, and there were two hypoxia centers in the south and north, respectively. The degree of hypoxia in the Pearl River Estuary was relatively moderate, and hypoxia mainly occurred from the Huangpu section to Humen waters in Guangzhou and in the Lingdingyang Channel. In addition, hypoxia occasionally occurred in the estuaries of the Liaohe River, Qiantang River, and Haihe River. We also found that hypoxia was subjected to many environmental factors, of which the stratification of water was one of the initial factors and the decomposition of terrigenous pollutants was a major factor of oxygen consumption. Tides, upwellings, nutrients, and chlorophyll-a had different influences on the scale, degree, and duration of hypoxia, due to the various characteristics of the estuaries.

estuary; coastal area; hypoxia in water body; dissolved oxygen

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.010

龔松柏(1993—),男,碩士研究生,研究方向為海洋地質研究。E-mail:gsongbai@stu.xmu.edu.cn

P734

A

1004-6933(2017)04-0062-08

2016-09-15 編輯：彭桃英)