夏季煙臺—威海北部近海溶解氧濃度垂向分布的最小值

孫利元, 劉子洲, 丁金強, 翟方國, 顧艷鎮

夏季煙臺—威海北部近海溶解氧濃度垂向分布的最小值

孫利元1, 劉子洲2, 丁金強1, 翟方國2, 顧艷鎮2

(1. 山東省漁業發展和資源養護總站, 山東 煙臺 264003; 2. 中國海洋大學 海洋與大氣學院, 山東 青島 266100)

基于2020年夏季的大面航次觀測數據, 分析了煙臺—威海北部海洋牧場及鄰近海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(氧最小值層)的空間分布特征, 并探討了影響因素。從6月至8月, 海水溶解氧濃度不斷減小, 垂向結構亦存在顯著變化。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要集中于7月的近岸海域, 最小值大致從外海向近岸方向減小, 其距離海底高度及與底層溶解氧濃度之差的絕對值均于雙島灣鄰近海域為最大。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值位于最強密度層結以下。但是海水溶解氧濃度垂向分布最小值的強度向北減小, 而密度層結向北增大, 兩者的空間分布基本相反, 說明密度層結抑制垂向湍流擴散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的必要條件, 但不是主導因素。在海水溶解氧濃度垂向分布的最小值層, 表觀耗氧量存在垂向分布的最大值, 大部分站點的pH存在垂向分布的最小值, 說明局地增強、持續的生物地球化學耗氧是控制海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間分布的一個重要過程。研究結果表明氧最小值層是夏季煙臺—威海北部近岸海水溶解氧垂向結構的典型特征之一。

煙臺—威海北部近海; 海水溶解氧濃度; 垂向分布的最小值; 表觀耗氧量; pH

隨著世界人口對水產品需求的不斷增長和海洋主要天然漁場的衰退甚至消失[1], 越來越多的沿海國家開始將海洋牧場作為漁業資源增殖和海洋生態環境修復與保護的重要手段[2-4]。近年來, 我國海洋牧場發展迅速[5-6], 尤其是在山東省近海海域[7]。山東近海海洋牧場無論是發展速度還是總體數量均位于全國前列[7]。隨著近海海洋牧場數量的不斷增多、面積的不斷擴大, 認識海洋牧場及周邊海域生態環境的時空變化規律及其影響因素已成為海洋牧場高質量發展的重要保障之一。

煙臺—威海北部(圖1)是山東省海洋牧場分布最為密集的區域之一, 該海域生態環境的一個顯著特點是在夏季底層海水溶解氧濃度偏低, 個別年份甚至出現低氧[7-8]。低氧是指海水溶解氧濃度低于2.0 mg/L的狀態[9]。因為海水溶解氧濃度較低, 低氧會導致生活在底層且活動能力較弱的海洋生物大量死亡, 嚴重破壞海洋生態系統, 從而引起海洋災害[10]。煙臺—威海北部是山東省重要的貝、藻生態園區, 其中主要經濟品種行動能力弱, 對海水溶解氧濃度的變化較為敏感。歷史上, 前人專門針對該海域海水溶解氧濃度時空變化特征及影響機制的研究較少。Zhang等[8]和Yang等[11]分別展示了2016年和2017年夏季海水溶解氧濃度的空間分布, 但并未分析影響機制。

為了更好地認識煙臺—威海北部近海水文-生態環境要素的變化動態, 理解夏季底層海水溶解氧虧損的時空分布及影響機理, 我們于2020年6月、7月和8月對該海域的水文、生態環境要素進行了大面航次觀測。觀測發現, 該海域海水溶解氧濃度垂向剖面中的最小值發生的深度存在顯著空間差異。在外海海域, 海水溶解氧濃度的最小值均發生在海洋表層或者底層。但是在近岸海域, 海水溶解氧濃度的垂向分布存在氧最小值層, 即溶解氧濃度最小值并非出現在表層或者底層, 而是出現在表層和底層之間的水體層, 與以往觀測不同[8]。本研究將基于2020年夏季的大面觀測數據, 分析該海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(氧最小值層)的變化特征, 并探討可能影響因素。

1 數據及方法

1.1 觀測數據

在2020年夏季, 我們搭乘威海市瑜泰海洋牧場的工作船只分別于6月13號、7月15號和16號、8月17號和18號對煙臺—威海北部近海的水文、生態環境要素進行了大面觀測, 觀測站點分布如圖1所示。其中, 6月航次僅包含雙島灣外海的經向斷面, 而7月和8月航次則包含了雙島灣外海的經向斷面和雙島灣西側的沿岸斷面和金山港外海的經向斷面。本文中, 雙島灣外海的經向斷面稱為東斷面, 雙島灣西側的沿岸斷面與金山港外海的經向斷面相連并統稱為西斷面。所有航次均使用日本亞力克公司生產的多參數水質儀(型號: AAQ171)對海水溫度、電導率、壓強、溶解氧濃度、pH和葉綠素(以下簡稱葉綠素)濃度等的垂向剖面進行觀測, 儀器采樣頻率為4 Hz。本文中, 葉綠素和海水溶解氧濃度為質量濃度。觀測深度和鹽度由儀器自帶軟件根據觀測的壓強、電導率、溫度等計算得到。

圖1 2020年夏季煙臺—威海北部航次觀測站位分布圖

1.2 方法

本文根據Garcia等[12]得到的公式、利用觀測資料計算了海水的飽和溶解氧濃度和表觀耗氧量(apparent oxygen utilization, AOU)。表觀耗氧量等于飽和溶解氧濃度與實測海水溶解氧濃度之差, 量化了生物地球化學過程耗氧導致的海水溶解氧濃度的變化[13]。

2 觀測結果

2.1 海水溶解氧濃度的典型垂向剖面

觀測結果顯示, 從6月至8月海水溶解氧濃度不斷減小, 其垂向結構亦存在顯著變化。圖2展示了威海北部近海(37°34′N, 121°57′E)海水溶解氧濃度垂向剖面的時間變化。6月, 所有站點處海水溶解氧濃度的垂向結構基本一致, 如圖2中紅色線所示, 在表層和底層之間存在濃度最大值, 而在表層或底層出現最小值。海水溶解氧濃度在最大值之上存在較為顯著的躍層。關于溶解氧濃度垂向分布中的最大值, 前人在黃海海域已有較多觀測, 并認為是夏季海水溶解氧濃度垂向結構中一個較為常見的現象[14-17]。7月, 部分站點海水溶解氧濃度存在氧最小值層, 即溶解氧濃度最小值并非出現在表層或者底層, 而是出現在表層和底層之間的水體層, 如圖2中綠色線所示。在該站點, 海水溶解氧濃度最小值約為6.4 mg/L, 其深度約為11.7 m, 距離海底高度約為10.0 m。在8月份,海水溶解氧濃度的分層現象更為明顯, 如圖2中藍色線所示。海水溶解氧濃度在深層隨深度增大而迅速減小, 并于底層達到最小值。根據上述分析可以看出, 觀測期間海水溶解氧濃度僅在7月份存在氧最小值層。

2.2 海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間分布

圖3展示了2020年7月海水溶解氧濃度沿東斷面和西斷面的空間分布。沿東斷面, 海水溶解氧濃度約為5.29～8.54 mg/L; 而沿西斷面, 海水溶解氧濃度約為4.81～9.04 mg/L。在兩個斷面的表層, 海水溶解氧濃度大致從外海向近岸區域減小, 與以往觀測一致[8]。而在兩個斷面的底層, 海水溶解氧濃度的空間分布較為復雜, 于外海和37°35′N處存在極大值。底層海水溶解氧濃度的空間分布與以往觀測稍有不同, 可能存在年際等不同時間尺度的變化[18]。海水溶解氧濃度垂向結構的最顯著特征是在外海區域存在氧最大值層, 而在近岸區域存在氧最小值層。觀測期間海水溶解氧濃度的最大值和最小值亦均出現在表層和底層之間的深度層, 其中最大值出現在西斷面外海站位約6 m深度處, 最小值出現在離岸最近站位約12 m深度處。

圖2 2020年夏季威海北部近海觀測站點(37°34′N, 121°57′E)海水溶解氧濃度垂向剖面的時間變化

沿東、西兩斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間變化稍有不同。在東斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值在空間上較為集中, 存在于37°37′N以南的近岸站位。而在西斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值在空間上較為分散, 存在于近岸的4個站位、37°35′N附近的3個站位和外海的1個站位。圖3(c)和圖3(d)分別比較了海水溶解氧濃度垂向分布最小值及其與底層海水溶解氧濃度之差沿東斷面和西斷面的空間變化。在夏季, 由于密度層結和生物地球化學耗氧等過程的影響, 深層海水溶解氧濃度一般隨深度增大而減小, 如圖2所示。因此, 可以使用底層海水溶解氧濃度減去海水溶解氧濃度最小值的差表征氧最小值層的強度。在東斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值大致向近岸方向單調減小, 而其強度大致向近岸增大, 強度最大值(0.91 mg/L)出現在從岸邊至外海第2個觀測站點。在西斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布最小值在37°37′N以南亦向近岸方向減小, 其強度的空間變化較為復雜, 強度最大值(0.47 mg/L)出現在37°34′N附近。

圖3 2020年7月海水溶解氧濃度觀測

注: a和b中, 黑色三角形表示觀測站點, 紅色星號標注海水溶解氧濃度垂向分布的最小值

總體而言, 在2020年7月觀測期間, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要集中于近岸海域, 且最小值從外海向近岸方向減小。底層海水溶解氧濃度與溶解氧濃度最小值的差于雙島灣鄰近海域最大。

3 影響因素分析與討論

海水溶解氧濃度的空間分布和時間變化受各種海洋動力過程和生物地球化學過程的共同影響[13, 19]。動力因素和過程主要包括海水層結、垂向湍流擴散、潮流或者海流引起的平流輸運等, 生物地球化學過程則主要包括浮游植物等光合作用生成氧氣、魚類等呼吸作用消耗氧氣、有機物分解消耗氧氣等[19]。對于海水溶解氧濃度在不同區域、不同時間尺度上的變化, 主要影響因素和過程亦不相同。下面將基于觀測資料分析討論海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的影響因素。

3.1 各觀測要素的垂向結構

首先以位于威海北部近海(37°34′N, 121°57′E)的觀測站點為例, 分析2020年夏季各觀測要素垂向結構的時間變化。如圖4(a)和(b)所示, 海水溫度和鹽度呈現相反的時間變化和垂向結構。從6月至8月, 溫度升高、鹽度降低; 從表層至底層, 溫度減小、鹽度增大。溫度和鹽度的垂向結構存在較為顯著的躍層, 均于7月最強, 最大值和最小值均出現在表層或者底層。受溫度和鹽度的影響, 海水密度從6月至8月隨時間減小、從表層至底層隨深度增大, 垂向結構存在較為顯著的密度躍層, 并于7月最強[圖4(c)]。溫度和鹽度可以影響海水的飽和溶解氧濃度。根據觀測資料計算表明, 海水密度和飽和溶解氧濃度的時空變化主要由溫度控制[18]。受溫度的影響, 海水飽和溶解氧濃度從6月至8月隨時間減小、從表層至底層隨深度增大, 最小值出現在表層, 與7月溶解氧濃度的垂向分布不一致。

相比于溫度和鹽度, 葉綠素濃度的垂向結構存在顯著的時間變化, 在6月隨深度增大, 而在7月和8月則在水體內部存在最大值層[圖4(d)]。在7月的觀測中, 葉綠素濃度垂向分布最大值的深度和溶解氧濃度垂向分布最小值的深度較為接近。

時間變化方面, 表觀耗氧量與觀測溶解氧濃度和飽和溶解氧濃度呈完全相反的趨勢。從6月至8月, 表觀耗氧量隨時間增大, 且在底層增大速度最快。在6月, 表觀耗氧量約為0, 隨深度增大略有增加。而在8月, 整層水體的表觀耗氧量均大于0, 且隨深度增大而顯著增加, 最大可達3.20 mg/L。該結果說明從6月開始, 生物地球化學耗氧過程對觀測海域深層海水溶解氧濃度變化的影響顯著增強。在7月, 表觀耗氧量的垂向結構與觀測溶解氧濃度的垂向結構相反, 在深度約11.7 m處存在垂向分布的最大值(1.37 mg/L)。

海水pH呈現與海水溶解氧濃度相似的時間變化和垂向結構, 從6月至8月隨時間減小、且減小速度在底層最大。在6月, pH約為8.47～8.48, 垂向變化較小。在8月, 表層pH減小至8.41, 而底層pH減小至8.18。深層海水pH的減小間接說明生物地球化學耗氧過程對深層海水溶解氧濃度的變化具有重要影響。在7月, pH的垂向結構與溶解氧濃度的垂向結構類似, 在深度約12.3 m處存在最小值(8.34)。

上述分析說明, 觀測站點處海水密度層結和生物地球化學耗氧過程對海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成有重要影響。下面將繼續結合7月各要素的斷面分布探討海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的影響因素。

3.2 影響要素的斷面分布

圖5(a)和(b)展示了2020年7月浮力頻率平方沿東、西斷面的分布。沿東斷面從近岸向外海方向, 密度躍層加深、強度增大。而沿西斷面從近岸向外海方向, 密度躍層先加深后變淺、強度先增大后減小。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值均出現在浮力頻率平方最大值、即最強密度層結以下。這說明夏季密度層結抑制溶解氧的垂向湍流擴散是影響海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的重要因素。但是在近岸海域, 密度層結從外海向近岸方向減弱, 與海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間變化基本相反, 與后者強度的空間變化亦無顯著相關關系(圖3)。因此, 密度層結抑制垂向湍流擴散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值發生的必要條件, 但不是主導因素。

圖4 2020年夏季煙臺—威海北部近海觀測站點(37°34′N, 121°57′E)各觀測要素垂向剖面的時間變化

圖5(c)和(d)展示了2020年7月葉綠素濃度沿東、西斷面的空間分布。水平上, 海水葉綠素濃度大致從近岸向外海減小, 與衛星觀測結果一致[20]。垂向上, 各站點處葉綠素濃度的垂向結構均存在最大值層, 與夏季黃海其他海域的觀測結果一致[17, 21-22]。海水溶解氧濃度垂向分布最小值的深度基本位于葉綠素濃度垂向分布最大值的深度之下, 且兩者較為接近。海水葉綠素濃度越高, 浮游植物光合作用生成的氧氣就越多, 可導致海水溶解氧濃度越高。因此, 觀測結果表明海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成和空間變化并不是由浮游植物等光合作用生成氧氣過程的減弱引起的, 與葉綠素濃度的時空變化無關。

為了了解生物地球化學耗氧過程的影響, 本文首先分析了2020年7月觀測期間海水表觀耗氧量的空間分布。如圖5(e)和(f)所示, 在外海海域上層, 海水表觀耗氧量為負值, 說明海水溶解氧處于過飽和狀態; 而在外海海域深層和近岸海域, 海水表觀耗氧量為正值, 說明生物地球化學耗氧過程強烈、海水溶解氧存在顯著虧損。總體而言, 海水表觀耗氧量的空間分布和溶解氧濃度的空間分布呈顯著負相關, 兩者沿東、西斷面的空間相關系數分別為–0.92、–0.97。對應于海水溶解氧濃度垂向分布的最小值, 表觀耗氧量垂向分布存在最大值。此外, 表觀耗氧量的最小值(–1.58 mg/L)和最大值(2.82 mg/L)分別出現在西斷面的外海觀測站位和離岸最近的觀測站位。根據表觀耗氧量的空間分布, 初步推測夏季近海深層生物地球化學耗氧過程的增強和持續是該海域深層海水溶解氧顯著虧損和溶解氧濃度垂向分布最小值形成的重要原因。

圖5 2020年7月海水浮力頻率平方、葉綠素濃度、表觀耗氧量和pH的空間分布

注: 黑色三角形為觀測站點, 星號為海水溶解氧濃度垂向分布最小值的深度; e和f中, 黑色實線為表觀耗氧量為0的等值線

為了進一步證實上述觀點, 圖5(g)和(h)展示了海水pH沿東、西斷面的空間分布。深層海水的pH明顯小于上層海水的pH, 且在近岸海域向岸邊減小。海水表觀耗氧量的空間分布與pH的空間分布呈顯著負相關, 兩者沿東、西斷面的空間相關系數分別為–0.96、–0.97。表觀耗氧量與pH空間分布的負相關關系在深層尤為顯著, 如圖6(a)和(b)所示。基于最小二乘法可得兩者之間的線性關系式: 東斷面為AOU= –18.5·pH+155.8, 西斷面為AOU= –17.4·pH+ 146.2, 其中AOU和pH分別為海水的表觀耗氧量和pH。

圖6 2020年7月密度躍層以下海水表觀耗氧量與pH的比較[(a)和(b)]; 溶解氧濃度垂向分布最小值對應的pH及其與底層pH之差的空間變化[(c)和(d)]

圖6(c)和(d)比較了海水溶解氧濃度垂向分布最小值對應的pH及其與底層海水pH之差沿東、西斷面的空間分布。利用底層海水pH減去海水溶解氧濃度最小值深度處的pH表征氧最小值層pH的強度。可以看出, 在氧最小值層中, pH及其強度與溶解氧質量濃度及其強度的空間分布基本一致。在海洋中, pH的變化主要受CO2含量的影響。海洋-大氣界面的氣體交換和海洋生物呼吸、有機物分解等過程是海洋CO2的主要來源[23]。在觀測期間, 研究海域存在顯著的密度層結, 可同步抑制溶解氧和CO2的垂向湍流擴散, 減弱海洋-大氣界面氣體交換對深層溶解氧和CO2含量的影響。因此對于深層水體而言, 表觀耗氧量與pH之間顯著的負相關關系進一步證明局地生物呼吸和有機物分解等生物地球化學過程是影響海水溶解氧和CO2含量同步變化的重要過程。

根據上述結果, 溶解氧濃度垂向分布最小值的形成機制可能為: 一方面, 觀測海域存在密度層結, 可極大抑制溶解氧的垂向湍流擴散, 從而減少密度躍層以下海水溶解氧的來源; 另一方面, 密度躍層以下水體中生物地球化學過程持續耗氧, 且耗氧過程在海底之上的水體層最強, 從而形成溶解氧濃度垂向分布的最小值。

此外, 在部分海水溶解氧濃度存在最小值層的站位, pH垂向分布中的最小值出現在底層。這說明海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成還受其他過程或者因素的影響。在觀測海域, 底層海水溶解氧濃度和pH從外海向近岸方向減小。Zhai等[18]根據定點連續觀測數據指出, 該海域流場主要受海面風的控制[24]。在夏季, 離岸南風可引起底層向岸流。因此, 底層流的向岸平流輸運也可能導致近岸海域海水溶解氧濃度的最小值出現在海底之上的水體層而非底層[18]。由于研究區域岸線復雜、缺少高分辨率的流場觀測數據或數值模擬結果, 本文無法量化底層流對海水溶解氧濃度最小值層的形成和時空變化的貢獻, 未來還需要進一步研究。

4 結論與展望

作為海洋生態環境的重要參數, 海水溶解氧濃度的時空變化對海洋牧場的可持續健康發展極為重要。基于2020年夏季的大面航次觀測數據, 本文首次分析了煙臺—威海北部海洋牧場及鄰近海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(即氧最小值層)的空間變化特征, 并探討了影響因素。主要結論如下:

1) 從6月至8月, 觀測海域海水溶解氧濃度不斷減小, 垂向結構亦存在顯著變化。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值僅出現在7月。沿觀測斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要出現在近岸海域, 最小值大致從外海向近岸方向減小, 其距離海底高度和與底層溶解氧濃度之差的絕對值均于雙島灣鄰近海域為最大。

2) 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值位于最強密度層結以下, 但兩者的空間分布基本相反, 說明密度層結抑制垂向湍流擴散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的必要條件, 但不是主導因素。

3) 葉綠素濃度的垂向結構在表層和底層之間存在最大值層, 其深度與海水溶解氧濃度最小值的深度相近, 表明葉綠素濃度的時空變化并不是海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成原因。

4) 從6月至8月, 密度層結以下海水表觀耗氧量為正值且顯著增大, pH顯著減小。在大部分站點處, 對應于溶解氧濃度垂向分布的最小值, 表觀耗氧量存在垂向分布的最大值, pH存在垂向分布的最小值, 說明局地增強、持續的生物地球化學耗氧過程是控制海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的一個重要過程。

煙臺—威海北部近海海水溶解氧濃度的最小值層與大洋中常見的次表層氧最小值層(oxygen minimum zone)[25-26]在時空變化方面不同。大洋中的次表層氧最小值層存在于太平洋、大西洋和印度洋, 且常年存在。但是兩者在形成機制方面是類似的, 其中一個重要機制是在密度層結抑制溶解氧垂向擴散的同時, 生物地球化學過程持續耗氧導致溶解氧濃度不斷降低。未來工作將繼續結合高分辨率觀測或者水動力-生物地球化學耦合數值模擬結果研究該海域生物地球化學耗氧過程的時空變化和影響機制, 同時利用溶解氧的收支方程探討水動力導致的平流輸運等不同過程對海水溶解氧濃度最小值層形成和時空變化的貢獻。

[1] 劉子飛. 中國近海漁場荒漠化: 評價、原因與治理[J]. 農業經濟問題, 2019(6): 105-116.

LIU Zifei. Research on the status, causes and governance of marine fishing ground desertification[J]. Issue in Agricultural Economy, 2019(6): 105-116.

[2] MUSTAFA S. Stock enhancement and sea ranching: objectives and potential[J]. Reviews in Fish Biology and Fisheries, 2003, 13: 141-149.

[3] BELL J. A new era for restocking, stock enhancement and sea ranching of coastal fisheries resources[J]. Reviews in Fisheries Science, 2008, 16: 1-9.

[4] 陳丕茂, 舒黎明, 袁華榮, 等. 國內外海洋牧場發展歷程與定義分類概述[J]. 水產學報, 2019, 43(9): 1851- 1869.

CHEN Pimao, SHU Liming, YUAN Huarong, et al. Review on development, definition and classification of marine ranching in domestic and overseas[J]. Journal of Fisheries of China, 2019, 43(9): 1851-1869.

[5] 楊紅生. 我國海洋牧場建設回顧與展望[J]. 水產學報, 2016, 40(7): 1133-1140.

YANG Hongsheng. Construction of marine ranching in China: reviews and prospects[J]. Journal of Fisheries of China, 2016, 40(7): 1133-1140.

[6] YU Jinkai, ZHANG Linlin. Evolution of marine ranching policies in China: Review, performance and prospects[J]. Science of the Total Environment, 2020, 737: 139782.

[7] 翟方國, 顧艷鎮, 李培良, 等. 山東省海洋牧場觀測網的建設與發展[J]. 海洋科學, 2020, 44(12): 93-106.

ZHAI Fangguo, GU Yanzhen, LI Peiliang, et al. Construction and development of marine ranch observation network in Shandong Province[J]. Marine Sciences, 2020, 44(12): 93-106.

[8] ZHANG Yong, GAO Xuelu, GUO Weidong, et al. Origin and dynamics of dissolved organic matter in mari-cultured area suffering from summertime hypoxia and acidification[J]. Frontiers in Marine Science, 2018, 5(325): 1-14.

[9] DIAZ R. Overview of hypoxia around the world[J]. Journal of Environmental Quality, 30(2): 275-281.

[10] BREITBURG D, HONDORP D, DAVIAS L et al. Hypoxia, nitrogen, and fisheries: Integrating effects across local and global landscapes[J]. Annual Review of Marine Science, 2009, 1: 329-349.

[11] YANG Bo, GAO Xuelu. Chromophoric dissolved organic matter in summer in a coastal mariculture region of northern Shandong Peninsula, North Yellow Sea[J]. Continental Shelf Research, 2019, 176: 19-35.

[12] GARCIA H, Gordon I. Oxygen solubility in seawater: Better fitting equations[J]. Limnology and Oceanology, 1992, 37(6): 1307-1312.

[13] FENNEL K, TESTA J. Biogeochemical controls on coastal hypoxia[J]. Annual Review of Marine Science, 2019, 11: 105-130.

[14] 顧宏堪. 海水溶解氧夏季垂直分布中的最大值[J]. 海洋與湖沼, 1966, 8(2): 85-91.

GU Hongkan. On the maximum value of dissolved oxygen in its vertical distribution in the sea[J]. Oceano-logia et Limnologia Sinica, 1966, 8(2): 85-91.

[15] 藍淑芳. 南黃海斜斷面溶解氧分布特征及其微細結構[J]. 海洋科學, 1988, 12(3): 1-5.

LAN Shufang. Distribution characteristics and microstructure of dissolved oxygen along an oblique section in the south Huanghai Sea[J]. Marine Sciences, 1988, 12(3): 1-5.

[16] 王保棟, 王桂云, 鄭昌洙, 等. 南黃海溶解氧的垂直分布特性[J]. 海洋學報, 1999, 21(5): 72-77.

WANG Baodong, WANG Guiyun, ZHENG Changzhu, et al. Features in vertical profiles of dissolved oxygen in the southern Huanghai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1999, 21(5): 72-77.

[17] 韋欽勝, 傅明珠, 李艷, 等. 南黃海冷水團海域溶解氧和葉綠素最大值現象及營養鹽累積的季節演變[J]. 海洋學報, 2013, 35(4): 142-154.

WEI Qinsheng, FU Mingzhu, LI Yan, et al. Observation of the seasonal evolution of DO, Chlorophyll a maximum phenomena and nutrient accumulating in the southern Huanghai (Yellow) Sea Cold Water Mass area[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2013, 35(4): 142-154.

[18] ZHAI Fangguo, LIU Zizhou, LI Peiliang, et al. Physical controls of summer variations in bottom layer oxygen concentrations in the coastal hypoxic region off the northeastern Shandong Peninsula in the Yellow Sea[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2021, 126(5): e2021JC017299.

[19] TESTA J, KEMP W. Oxygen – Dynamics and biogeochemical consequences[M]//WOLANSKI E, MCLUSKY D. Treatise on estuarine and coastal science. Waltham: Academic Press, 2011: 163-199.

[20] SONG Xiukai, GU Yanzhen, ZHAI Fangguo, et al. Climatology and seasonal variability of satellite-derived chlorophyllaround the Shandong Peninsula[J]. Journal of Oceanology and Limnology, 2021, 39(4): 1222-1244.

[21] 傅明珠, 王宗靈, 孫萍, 等. 2006年夏季南黃海浮游植物葉綠素a分布特征及其環境調控機制[J]. 生態學報, 2009, 29(10): 5366-5375.

FU Mingzhu, WANG Zongling, SUN Ping, et al. Spatial distribution characteristics and the environmental regulation mechanisms of phytoplankton chlorophyll a in the Southern Yellow Sea during summer 2006[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5366-5375.

[22] FU Mingzhu, SUN Ping, WANG Zongling, et al. Structure, characteristics and possible formation me-chanisms of the subsurface chlorophyll maximum in the Yellow Sea Cold Water Mass[J]. Continental Shelf Research, 2018, 165: 93-105.

[23] CAI Weijun, FEELY R, TESTA J, et al. Natural and anthropogenic drivers of acidification in large estuaries[J]. Annual Review of Marine Science, 2021, 13: 23-55.

[24] 胡羅煜, 翟方國, 劉子洲, 等. 山東半島東北部海洋牧場海域冬季海水流動的時空分布特征[J]. 海洋科學, 2021, 45(4): 1-12.

HU Luoyu, ZHAI Fangguo, LIU Zizhou, et al. Spatial and temporal characteristics of sea current within the marine ranches in the northeast of Shandong Peninsula[J]. Marine Sciences, 2021, 45(4): 1-12.

[25] KARSTENSEN J, STRAMMA L, VISBECK M. Oxygen minimum zones in the eastern tropical Atlantic and Pacific Oceans[J]. Progress in Oceanography, 2008, 77: 331-350.

[26] PAULMIER A, RUIZ-PINO D. Oxygen minimum zones (OMZs) in the modern ocean[J]. Progress in Oceanography, 2009, 80: 113-128.

Minima in vertical distributions of dissolved oxygen concentration in the northern coastal oceans of Yantai-Weihai

SUN Li-yuan1, LIU Zi-zhou2, DING Jin-qiang1, ZHAI Fang-guo2, GU Yan-zhen2

(1. Shandong Fisheries Development and Resources Conservation Center, Yantai 264003, China; 2. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The present study investigates the spatial distribution of minima of dissolved oxygen (DO) concentration in vertical distributions (oxygen minimum layer) and the influencing factors in the northern coastal oceans of Yantai-Weihai based on cruise observations recorded in 2020’s summer. From June to August, the DO concentration decreased, and its vertical distribution changed significantly. In July, DO concentration minima in the vertical distributions were observed primarily in nearshore regions and decreased shoreward; its height above the sea bottom and difference from the bottom layer DO concentration were the largest in Shuangdao Bay. Besides, DO concentration minima in the vertical distributions were located below the strongest density stratification. However, the strength of DO concentration minima decreased northward, and this was opposite to density stratification, which increased northward. This finding indicated that density stratification could significantly restrict oxygen from entering the bottom layer of water by inhibiting turbulence-induced vertical diffusion. Thus, it was necessary but not a dominant factor for the formation of the oxygen minimum layer. Apparent oxygen utilization had maxima and pH had minima in the DO minimum layers at most observation sites. This high degree of correlation suggested that locally enhanced and continuous biogeochemical oxygen consumption were important in controlling the formation and spatial distribution of the oxygen minimum layer. The present study indicated that the oxygen minimum layer is one of the prominent features in vertical distributions of DO in nearshore waters of northern Yantai-Weihai.

northern coastal oceans of Yantai-Weihai; dissolved oxygen concentration; minimum in vertical distribution; apparent oxygen utilization; pH

Apr. 12, 2021

P715

A

1000-3096(2021)11-0020-10

10.11759/hykx20210412002

2021-04-12;

2021-05-25

山東省自然科學基金項目(ZR2020MD059); 國家自然科學基金項目(42176016); 浙江省重點研發計劃(2020C03012); 廣東省重點研發計劃(2020B1111030002); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項目(SKJC-KJ-2019KY03); 國家重點研發計劃(2019YFD0901305)

[Shandong Provincial Natural Science Foundation, No. ZR2020MD059; National Science Foundation of China, No. 42176016; Key Research and Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Key Research and Development Project of Guangdong Province, No. 2020B1111030002; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. SKJC-KJ-2019KY03; National Key Research and Development Program of China, No. 2019YFD0901305]

孫利元(1980—), 男, 山東招遠人, 高級工程師, 主要研究方向為海洋牧場、漁業資源增殖, E-mail: heroland80@ 163.com; 翟方國(1983—),通信作者, 男, 山東濰坊人, 副教授, 主要從事海洋動力、生態與氣候變化的研究, E-mail: gfzhai@ ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)