渤海和北黃海溶解氧與營養鹽年際變化特征

李伯志，趙 亮，魏詩晏

(天津科技大學海洋與環境學院，天津 300457)

溶解氧作為海水水質指標之一，在海洋生態系統中扮演重要角色.海洋中生物生產和有機質分解都會影響海水中溶解氧含量，而溶解氧含量變化反過來又會影響海洋生物.海水中營養鹽水平影響浮游植物初級生產水平，是浮游植物物質吸收和能量代謝的重要來源，也是量化海水富營養化的重要指標之一.

渤海和北黃海作為高生產力海區，其溶解氧與營養鹽時空變化特征備受關注.崔毅等[1-2]分析1959—1992 年的現場觀測數據，指出渤海溶解氧年際差異不大，基本穩定維持在6.0 mL/L 左右.俎婷婷等[3]根據1979—1999 年間渤海中部斷面溶解氧和營養鹽調查資料，指出這21 年間渤海夏季和冬季溶解氧質量濃度均呈現緩慢降低的趨勢，夏季磷酸鹽和硅酸鹽濃度存在下降的趨勢，而冬季則沒有明顯升高或降低趨勢.王麗莎等[4]分析夏季黃渤海生源要素平面分布特征，指出營養鹽呈現近岸高、外海低的特征，營養鹽受到河口徑流量影響.近些年來，學者們研究了海水營養鹽的結構，指出渤海營養鹽朝著磷酸鹽和硅酸鹽相對缺乏的趨勢演變[5-8].總體而言，對于渤海營養鹽和溶解氧的研究，以季節變化和平面分布特征研究為主，長時間時空變化特征分析較少.

對黃海的溶解氧和營養鹽的研究則主要集中在南黃海，如36°N 斷面.Lin 等[9]分析南黃海溶解氧的變化特征，指出在1976—2000 年間溶解氧、磷酸鹽和硅酸鹽呈現降低趨勢.高磊等[10]也指出，在20 世紀50—90 年代期間，南黃海磷酸鹽和硅酸鹽均存在降低的趨勢.Li 等[11]和Wei 等[12]發現在20 世紀90年代中期之前，磷酸鹽和硅酸鹽濃度存在降低趨勢，此后逐漸升高.劉春利等[13]通過分析黃海表層溶解氧時空分布，指出表層溶解氧與溫度、營養鹽濃度存在負相關關系.還有學者通過分析特定季節的觀測數據來討論營養鹽和溶解氧的空間分布特征[14-17]，但是對北黃海溶解氧與營養鹽年際變化特征的研究較少.

本文基于收集的1975—1999 年間渤海和北黃海溶解氧、磷酸鹽和硅酸鹽現場觀測數據，分析不同層次溶解氧和營養鹽(下文中營養鹽是指磷酸鹽和硅酸鹽，不包括硝酸鹽)分布特征和變化規律，重點關注其年際變化，旨在了解該海域營養狀況和浮游植物的群落結構變化，為當地生態環境保護和可持續發展提供基礎數據支持.

1 數據來源及處理方法

1.1 研究海域的站點分布

本 文 研 究 海 域 范 圍 為 37.0°N ～41.0°N，117.0°E～124.5°E，包括整個渤海和北黃海海域(圖1).數據來自國家海洋局北海分局的常規斷面觀測，包括溫度(T)、鹽度(S)、溶解氧(DO)、磷酸鹽(PO4-P)和硅酸鹽(SiO3-Si)濃度，觀測時間為1975—1999年，圖1 給出各個站點觀測總次數分布，各個站點觀測總次數在10～275 次，其中渤海有3 個站點觀測次數超過150 次，其余多數站點觀測次數在50～100次.北黃海有4 個站點觀測次數超過200 次，其余站點觀測次數在100～150 次.在渤海和北黃海各選取觀測次數較多的3 個站點(圖1 黑色圓圈所示)，作為渤海和北黃海的代表.代表站點的觀測數據包括其周邊0.25°范圍內全部數據，其觀測次數統計結果見表1.根據研究海域氣候特征，選取數據相對較多的8 月和2 月分別代表夏季和冬季，用以分析夏、冬季溶解氧和營養鹽的變化特征.

圖1 觀測站點及各站點觀測次數分布Fig.1 Distribution of observation points

表1 代表站點觀測年份和次數Tab.1 The number and years at the observation points

1.2 數據處理

實測數據時間跨度較大，數據質量和格式存在差異，故在數據分析前，參考WOA(World Ocean Atlas)采用的質量控制方法對觀測數據進行預處理[18]：

(1)剔除無效的站點.以ETOPO5(https：//www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo5.html)地形資料為參考，剔除超過研究海域范圍和觀測位置明顯有誤的站點數據.

(2)溶解氧及營養鹽數據異常處理.依據前人研究結果[19-21]，預設實測數據的可信范圍，這里設置溶解氧濃度范圍為0～15.0 mL/L、磷酸鹽濃度范圍為0～1.5μmol/L、硅酸鹽濃度范圍為0～40.0μmol/L，研究海域內超出設定范圍的數據視為異常數據，予以剔除.

(3)數據插值.將預處理數據插值到標準層，即2 m、5 m、10 m、30 m 和底層.由于文章篇幅有限，本文主要討論表層(2 m)和底層.

(4)在對數據進行年際變化分析時，首先計算其標準差，若實測數值與年平均值的差超過3 倍標準差，則視為異常數據，予以剔除.

在整個研究期(1975—1999 年)，利用月平均數據分析溶解氧和營養鹽年際變化特征時，采用最小二乘法[22-23]進行線性趨勢分析.為分析溶解氧和營養鹽空間分布的年代間差異，將研究期劃分為3 個時間段：以1975—1979 年平均為20 世紀70 年代，站點總數為59 個；1980—1989 年平均為20 世紀80 年代，站點總數為64 個；1990—1999 年平均為20 世紀90 年代，站點總數為25 個.每個站點都包括周邊0.25°范圍內的全部數據.

2 分析與討論

2.1 溶解氧和溫度的年際變化

渤海和北黃海夏季和冬季溶解氧濃度和溫度年際變化分別如圖2、圖3 所示，圖中直線代表相應顏色的站點數據線性擬合曲線，紅線代表海域內3 個站點的平均值的擬合結果.

圖2 渤海和北黃海夏季溶解氧濃度和溫度年際變化Fig.2 Inter-annual variations of DO and temperature in summer in the Bohai Sea(BS)and the North Yellow Sea(NYS)

1975—1999 年這25 年來，研究海域在冬季垂向混合均勻，表層和底層溫鹽變化一致，渤海和北黃海溫度的均值分別為 0.40 ℃和 3.13 ℃；鹽度分別是31.20 和31.99.夏季，渤海和北黃海的海水溫度存在垂向差異，明顯高于冬季.渤海的表層和底層變化范圍分別為20.10～27.87 ℃、12.49～27.03 ℃，表層和底層鹽度的變化范圍為22.13～32.49；北黃海的表層和底層變化范圍是18.35～27.79 ℃、4.44～24.17 ℃，表層和底層鹽度的變化范圍為19.85～33.09.1975—1999 年間，夏季渤海表層和底層的溶解氧濃度變化不大，除1988 年外，整體在4.50～5.50 mL/L 范圍內波動性降低；夏季北黃海表層溶解氧濃度略有降低，而底層則呈現顯著降低的趨勢，3 個站位平均濃度從1976 年的6.40 mL/L 下降到1999 年的5.54 mL/L，北黃海整體下降率為0.037 mL/(L·a).相比于夏季，渤海和北黃海冬季表、底層的溶解氧濃度均顯著降低.渤海和北黃海的表層溶解氧下降率分別為0.032 mL/(L·a)和0.025 mL/(L·a)，由于冬季海水混合作用較強，底層與表層的溶解氧濃度幾乎相同，其年際變化趨勢也基本一致.俎婷婷等[3]分析1979—1999 年間渤海溶解氧的長期變化，指出無論冬、夏季，溶解氧濃度總體都呈現降低趨勢，這與本文的結果基本一致.

圖3 渤海與北黃海冬季溶解氧濃度和溫度年際變化Fig.3 Inter-annual variations of DO and temperature in winter in BS and NYS

北黃海夏季底層溫度、冬季表層和底層溫度都表現為增加趨勢(圖2(h)，圖3(f)、(h))，渤海冬季表層和底層溫度也表現出明顯增加趨勢(圖3(e)、(g)).氣體在海水中溶解度受溫度影響顯著，結合溶解氧和海水溫度變化曲線，可以看到溶解氧和溫度存在負相關關系(表2).除渤海夏季溶解氧與溫度的相關性較低外，渤海冬季溶解氧和北黃海全年溶解氧與海水溫度相關性較高，絕對值均超過0.60，說明溫度是影響渤海和黃海溶解氧濃度的重要因素.對比不同季節溫度與溶解氧的相關性，發現在研究海域冬季相關性比夏季的更高，表明冬季海水溫度對溶解氧濃度的影響要強于夏季海水溫度對溶解氧濃度的影響，原因是冬季浮游植物大量減少，海水溫度成為影響溶解氧濃度的主要因素[24].當然，溫度并非是影響海水中溶解氧濃度的唯一因素，比如在遼東灣南部(站點3)，夏季底層溫度明顯比渤海其他站位低，但其溶解氧濃度與渤海其他海區相當.浮游植物的光合作用、有機質的分解、氨氮硝化作用和底泥耗氧同樣影響水體中溶解氧濃度[25-27].夏季較高的生產力為底層帶來豐富的有機物，增加溶解氧的消耗，同時低氧區表層水體溫度較高，形成高溫水團，造成較強的水體溫度層結[28]，層化限制了表層富氧水向下補充，造成渤海夏季底層溶解氧低，也是底層溶解氧與溫度相關性差的原因之一.

總之，造成溶解氧濃度的降低的原因：一方面是海水溫度的升高[29-31]，另一方面是浮游植物數量的降低和浮游動物數量的增加[32].

表2 溶解氧與海水溫度的相關系數Tab.2 Correlation coefficient between DO and temperature

2.2 營養鹽的年際變化

渤海和北黃海夏季和冬季磷酸鹽和硅酸鹽濃度年際變化分別如圖4、圖5 所示，圖中直線代表相應顏色的站點數據線性擬合曲線，紅線代表海域內3 個站點的平均值的擬合結果.

圖4 渤海和北黃海夏季磷酸鹽和硅酸鹽濃度年際變化Fig.4 Inter-annual variations of PO4-P and SiO3-Si concentration in summer in BS and NYS

在20 世紀70—80 年代中期，夏季渤海的磷酸鹽濃度出現波動性降低，表層和底層濃度分別降至0.1μmol/L 和0.2μmol/L 以下，硅酸鹽同樣表現為波動性降低，在20 世紀80 年代中期降低到接近零水平.此后，直到20 世紀90 年代末，渤海的磷酸鹽和硅 酸 鹽 濃 度 分 別 在 0.2 ～0.4μmol/L、8.0 ～12.0μmol/L 的范圍內波動(圖 5(a)、(c)、(e)、(g)).在1975—1999 年間，線性擬合結果顯示：渤海硅酸鹽表現為一致的降低趨勢，較磷酸鹽的變化趨勢明顯，兩者表層的降低率分別為 0.410、0.006μmol/(L·a).然而，遼東灣南部(站點3)底層磷酸鹽濃度卻呈現上升趨勢，尤其在20 世紀90 年代，磷酸鹽濃度達到0.65μmol/L(圖4(c))，這與該站點處于渤海中部洼地有關，石強[33]指出“凹”地形有利于濃度較高的磷酸鹽水體儲存.在北黃海，夏季表層和底層的磷酸鹽呈現不同變化特征：在這25 年間，表層磷酸鹽濃度在0.2～0.3μmol/L 范圍內波動，整體穩定，但底層卻表現為升高的趨勢，尤其在遼東半島南部(站點4)和北黃海中部海域(站點5)，其磷酸鹽濃度在 20 世紀 90 年代較高，平均濃度超過0.6μmol/L(圖4(d)).北黃海硅酸鹽濃度整體表現為弱的降低趨勢，特別在20 世紀80 年代中期有顯著降低，降到這25 年來的最低水平，低于2.0μmol/L；20世紀90 年代后，略有增加，硅酸鹽濃度在2.0～8.0μmol/L 內波動.

圖5 渤海和北黃海冬季磷酸鹽和硅酸鹽濃度年際變化Fig.5 Inter-annual variations of PO4-P and SiO3-Si concentration in winter in BS and NYS

冬季，在20 世紀70—80 年代渤海磷酸鹽濃度呈現波動性下降，在20 世紀80 年代中期(1987 年)下降到最低水平，表層的下降率為0.029μmol/(L·a)；而在20 世紀80 年代中期以后，磷酸鹽濃度出現波動性上升，到20 世紀90 年代末升高到0.7μmol/L，表層濃度升高率0.054μmol/(L·a)，而硅酸鹽濃度表現為弱的減小趨勢，年際間波動較大(圖5(e)、(g)).冬季北黃海磷酸鹽濃度表現為波動性變化，整體相對穩定，沒有明顯變化趨勢(圖5(b)、(d))；但硅酸鹽卻呈現出明顯降低趨勢，特別是在20 世紀80 年代中期(1984—1987 年)，研究海域內硅酸鹽濃度顯著降低.在20 世紀80 年代中期以后，硅酸鹽濃度年際變化幅度明顯，在20 世紀90 年代，海域內營養鹽雖然存在波動，但整體濃度比20 世紀70 年代的低(圖5(f)、(h)).造成研究海域營養鹽濃度年際變化的原因錯綜復雜，沿岸入海徑流變化、浮游生物群落結構變化、人類活動等均可能對研究海域營養鹽變化產生影響.結合所查閱資料和文獻，本文認為：一方面，20世紀80 年代以來沿海經濟迅速發展，研究海域沿岸大型工廠、養殖業興起，以及大量含氮化肥隨徑流入海而造成海水中無機氮的增加，使得浮游植物對磷酸鹽和硅酸鹽的消耗增加，營養鹽結構發生變化，N/P比值幾乎呈直線大幅上升[6,34].另一方面，馬柱國[35]和孔巖等[36]研究指出，從20 世紀80 年代開始黃河徑流量出現降低趨勢.在20 世紀80—90 年代中國北方河流發生嚴重斷流，尤其在20 世紀90 年代黃河斷流天數高達119 d(1995 年)，徑流量減少帶來的營養鹽輸入降低，可以部分解釋20 世紀90 年代渤海和北黃海營養鹽要比20 世紀70 年代偏低[37-38].此外，20 世紀80 年代以來，入海的硝酸鹽濃度增加直接提高了浮游植物初級生產力，大量沉降的有機碎屑發生氧化分解反應，造成底層溶解氧濃度的降低，這與以往研究結果[26,39]一致.

2.3 溶解氧的空間分布年代間差異

渤海和北黃海溶解氧空間分布年代間差異如圖6 所示.

圖6 渤海和北黃海溶解氧空間分布年代間差異Fig.6 Inter-decadal variations of horizontal distribution of DO in BS and NYS

從空間分布來看：25 年間夏季整個渤海表層的溶解氧濃度呈現輕度降低趨勢，從20 世紀70 年代5.5 mL/L 降低到20 世紀90 年代的5.0 mL/L，三大海灣間(渤海灣、萊州灣和遼東灣)沒有明顯差異；北黃海北部海域表層溶解氧濃度在20 世紀80 和90 年代相比20 世紀70 年代高，20 世紀80 年代平均濃度超過6.0 mL/L，而北黃海其他海區表層溶解氧濃度在20 世紀70—90 年代則基本維持在4.8～5.5 mL/L 范圍(圖6(a)、(e)、(i)).夏季渤海中部底層溶解氧濃度20 世紀90 年代相比20 世紀80 年代降低明顯，從5.0 mL/L 降到4.4 mL/L；20 世紀70—80 年代北黃海北部底層溶解氧低值范圍增大，在中部和南部變化不明顯，到20 世紀90 年代整體顯著降低，北黃海底層平均濃度從20 世紀80 年代的6.40 mL/L 降低到20世紀90 年代的5.54 mL/L(圖6(b)、(f)、(j)).

冬季渤海和北黃海溶解氧濃度整體表現為降低的趨勢，特別是20 世紀80—90 年代降低明顯，渤海南部海域(渤海灣和萊州灣)降低程度要比渤海北部海區(遼東灣)的明顯，從20 世紀70—90 年代的表層降幅分別為0.6 mL/L、0.2 mL/L，而北黃海表層的降幅為0.4 mL/L.除20 世紀80 年代渤海灣底層溶解氧出現高值外，研究海域內底層與表層的溶解氧濃度變化趨勢基本一致(圖6(c)—(d)、(g)—(h)、(k)—(l)).在1975—1999 年間，研究海域中溶解氧最顯著的變化是夏季北黃海中部海域底層高值區(濃度超過6.5 mL/L)逐漸縮小，直至20 世紀90 年代完全消失.

2.4 營養鹽的空間分布年代間差異

渤海和北黃海磷酸鹽空間分布年代間差異如圖7 所示.夏季渤海灣和遼東灣表層的磷酸鹽濃度在20 世紀 70—80 年代降低較為明顯，降幅約為0.2μmol/L，在20 世紀80—90 年代濃度基本維持穩定，而渤海其他海區磷酸鹽濃度在這25 年間相對穩定，維持在0.2μmol/L 左右；夏季北黃海表層的磷酸鹽濃度較低，20 世紀70—90 年代都保持在0.2～0.3μmol/L(圖7(a)、(e)、(i)).對于底層，夏季渤海灣底層的磷酸鹽濃度顯著下降，從20 世紀70 年代的0.6μmol/L 降低到20 世紀90 年代的0.2μmol/L 左右，且在20 世紀70—80 年代的降低最明顯；而渤海中部磷酸鹽濃度基本不變，維持在0.2～0.4μmol/L范圍內；在北黃海中部、南部海區夏季底層的磷酸鹽濃度呈現升高趨勢，從20 世紀70 年代的0.5μmol/L逐漸增加到20 世紀90 年代末的0.9μmol/L，而在北黃海北部底層磷酸鹽濃度基本保持在0.3μmol/L(圖7(b)、(f)、(j)).

圖7 渤海和北黃海磷酸鹽空間分布年代間差異Fig.7 Inter-decadal variations of horizontal distribution of PO4-P in BS and NYS

冬季渤海磷酸鹽濃度，除萊州灣和其北側海區外，其他海區呈現“先降低，后升高”的趨勢.在20世紀70 年代，冬季渤海表層磷酸鹽濃度整體高于0.5μmol/L，在20 世紀80 年代，降至約0.3μmol/L，而到 20 世紀 90 年代，磷酸鹽濃度普遍升至0.6μmol/L，甚至在遼東灣北部，高于1.0μmol/L(圖7(c)、(g)、(k)).渤海底層變化情況與表層基本一致.冬季北黃海的北部海域(123.5°E，39.0°N)磷酸鹽濃度從20 世紀70 年代中期的1.0μmol/L 降低到20世紀80 年代的0.5μmol/L，而北黃海其他海域年際變化不大，基本在0.5～0.6μmol/L 的范圍內波動(圖7(d)、(h)、(l)).在這25 年間，夏季渤海磷酸鹽變化在20 世紀70—80 年代最顯著，而北黃海表、底層磷酸鹽的顯著變化則發生在20 世紀80—90 年代.冬季表現為“先降低，后升高”，遼東灣變化最顯著.

渤海和北黃海硅酸鹽空間分布年代間差異如圖8 所示.

圖8 渤海和北黃海硅酸鹽空間分布年代間差異Fig.8 Inter-decadal variations of horizontal distribution of SiO3-Si in BS and NYS

由圖8 可知：在20 世紀70 年代，夏季渤海近岸海域，硅酸鹽濃度非常高，如海河附近海域硅酸鹽濃度高達25.0μmol/L，黃河口附近海域硅酸鹽濃度高達30.0μmol/L，遼河口附近海域硅酸鹽濃度也可達到20.0μmol/L(圖8(a))；到20 世紀80 年代，萊州灣和遼東灣硅酸鹽濃度降低到12.0～15.0μmol/L，而渤海灣內的海河口附近海域成為渤海硅酸鹽濃度最高的海區，硅酸鹽濃度為20.0μmol/L；到20 世紀90 年代，可以看到整個渤海中部硅酸鹽濃度不高，平均濃度僅為5.6μmol/L.對于北黃海來說，在20 世紀70年代夏季北部海域存在高值區，硅酸鹽濃度超過10.0μmol/L，20 世紀80 年代北黃海硅酸鹽濃度整體下降，平均濃度為4.0μmol/L，至20 世紀90 年代，進一步降低到2.1μmol/L(圖8(a)、(e)、(i)).底層硅酸鹽濃度高于表層，但變化規律與表層基本一致.

冬季硅酸鹽表、底分布和變化基本一致，渤海灣和渤海中部海區硅酸鹽濃度在20 世紀70 年代較高，平均濃度超過20.0μmol/L，到20 世紀80 年代快速降低至10.0～12.5μmol/L，而直到20 世紀90 年代，硅酸鹽濃度依然維持在10.0μmol/L 水平(圖8(c)、(g)、(k)).在北黃海，相比20 世紀70 年代，20 世紀80 年代硅酸鹽分布相似，濃度略有降低，20 世紀90年代顯著降低.在25 年間，渤海和北黃海硅酸鹽波動較大，表現出明顯的降低趨勢.

3 結 語

本文利用渤海和北黃海1975—1999 年溶解氧和營養鹽的歷史數據，分析溶解氧與營養鹽年際變化特征和空間分布年代間差異，研究結果表明：在25 年間，渤海和北黃海溶解氧整體上呈現降低趨勢，且冬季降低程度要比夏季明顯，冬季溶解氧受溫度影響比夏季更為顯著.海水溫度升高是造成研究海域內溶解氧濃度降低的主要因素之一.渤海和北黃海的夏季表層磷酸鹽和硅酸鹽濃度在這25 年間逐漸降低，且在20 世紀80 年代中期(1984—1987 年)出現顯著性降低，幾乎降至零水平；底層磷酸鹽濃度除渤海北部和北黃海出現升高趨勢外，其他海域表現為降低趨勢.冬季的營養鹽在20 世紀80 年代中期出現最低值，表、底層變化基本一致.入海徑流量的減少是硅酸鹽濃度降低的主要原因，而沿海人類活動加劇造成無機氮的增加.

目前，本文只是研究渤海與北黃海溶解氧與營養鹽年際變化特征和規律.今后，將對溶解氧和營養鹽影響機制進行深入研究.