長江口鄰近海域溶解氧的時空分布及影響因素研究

孫 毅, 呂方輝, 陳 釗, 刁新源, 姜金光, 魏傳杰, 潘 俊

長江口鄰近海域溶解氧的時空分布及影響因素研究

孫 毅1, 2, 呂方輝1, 2, 陳 釗1, 2, 刁新源1, 2, 姜金光1, 2, 魏傳杰1, 2, 潘 俊1, 2

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071)

基于2018年早春和夏季長江口鄰近海域的調查數據, 分析溶解氧(DO)的時空分布, 并討論其影響因素。結果表明, 夏季DO濃度變化范圍為1.58～9.37 mg/L, 浮游生物光合作用產生的DO是夏季表層水體過飽和的主要因素; 夏季調查海域受臺灣暖流北上引起海水層化加強, 同時水體富營養化導致表層生物大量繁殖所引起有機碎屑的沉降和耗氧分解作用是底層低氧區存在的主要因素。夏季在臺灣暖流影響下底層水體表觀耗氧量(AOU)與營養鹽成正相關關系, 底層有機物耗氧降解過程與營養鹽的再生密切相關。早春DO濃度變化范圍為7.90～10.1 mg/L, 長江口外北部海域和浙江近岸海域海水混合均勻, DO濃度主要受溫度控制, 而臺灣暖流影響區海水出現層化現象, 其低DO含量也為低氧區的形成奠定了基礎。

溶解氧; 長江口; 表觀耗氧量; 低氧區

海水中的溶解氧(DO)是重要的生源要素參數, 其分布變化與溫度、鹽度、生物化學作用和環流運動等關系密切, 是反映海洋生態環境一個重要指標[1]。通常將DO質量濃度低于2或3 mg·dm–3界定為缺氧[2]。長江口夏季缺氧可追溯到20世紀50年代[3], 且缺氧面積較過去有所擴大[4]。長江口缺氧區屬于季節性缺氧, 研究長江口外海域季節性DO分布特征及其影響因素對于認識對區域生態系統以及生源物質的生物地球化學循環過程具有重要影響。

長江口鄰近海域是我國近海低氧現象發生最為突出的海域, 低氧現象的頻發對該海域生態系統造成了嚴重危害。長江口缺氧區形成于夏季, 在長江口和浙江近海兩處呈現“南、北雙核”結構[5]。先前的研究分析了長江口外缺氧區與溫鹽躍層[6-12]、水體富營養化[13]、有機物耗氧降解[14-16]、臺灣暖流[4, 17]及地形[12]之間的關系, 以及從多種因素影響下開展長江口外缺氧區發育、持續和消失過程的系統性研究[18], 闡述了不同季節長江口外缺氧區位置和運動機制的不同。目前對長江口鄰近海域3月份DO分布特征未見報道, 對夏季低氧區的報道大多集中在8月份[3, 9, 16, 19], 目前對7月份長江口鄰近海域缺氧區的認識仍然是依據2006年“我國近海海洋綜合調查與評價”專項之長江口區塊的水體調查數據, 由于數據資料年代較早, 近幾年由于各種物理驅動力改變以及人類活動的共同影響, 對長江口外海域7月份低氧區的位置和強度的變化未能實時了解。本研究利用2018年夏季(7月)和早春(3月)兩個航次DO數據, 并結合溫度、鹽度、營養鹽、葉綠素(Chl-)等數據, 對長江口鄰近海域(28.5°N～32.5°N, 122.0°E～ 124.0°E)DO的時空分布特征和影響因素進行了探討, 以期對長江口外低氧區分布規律有更深的了解和認識, 豐富、完善DO在不同季度間的生消過程, 為進一步了解DO在海洋中的生物地球化學循環過程提供了科學依據。

1 采樣及分析方法

1.1 調查區域

在2018年3月9日—3月24日(早春)與2018年7月11日—7月22日(夏季)期間, 搭載“科學三號”科學考察船對長江口附近海域(28.5°N～32.5°N, 122.0°E～ 124.0°E)進行了水文、生物和化學的綜合調查, 調查海區共設計11個斷面78個調查站位(見圖1)。

圖1 長江口鄰近海域調查站位分布示意圖

注: 圓形和矩形封閉區域為低氧區(DO<3 mg·L–1)

1.2 樣品采集和方法

利用SBE 911 CTD溫鹽深剖面儀(溫度℃, 精密度0.001, 分辨率0.000 1, 鹽度, 精密度0.001, 分辨率0.000 1)現場測定溫度和鹽度等水文參數的同時, 用12個容積為12 L的翻蓋式Niskin采水瓶采集溶解氧、Chl-、五項營養鹽、pH等樣品, 其中表層水樣采樣深度為3 m, 底層水樣控制在距離海底2～3 m。現場樣品的采集以及分析測定按照《海洋調查規范》(GB 17378.3—2007)進行。

DO水樣的分取、固定和滴定(Brand溶解氧滴定儀分辨率0.01 mL)均按照經典溫克勒流程, 加入0.01%的NaN3以排除亞硝酸鹽的干擾;

pH 樣品采用pH計(型號為梅特勒-托利多Seven Excellence, 精密度0.001, 分辨率0.000 1)現場測定;

營養鹽樣品采用0.45 μm的GF/F濾膜過濾, 過濾水樣用潔凈的Nalgene聚乙烯瓶封裝, 加入1～2滴氯仿固定劑, 于–20 ℃冷凍保存后在實驗室用英國Seal公司QUAATRO 39 營養鹽自動分析儀對營養鹽樣品進行分析測定, 測定NO3–-N, PO43–-P, SiO32–-Si檢出限分別為0.3 μg/L, 0.3 μg/L, 0.7 μg/L, 標準曲線值均為0.999;

Chl-樣品: 取300 mL水樣用Whatman GF/F濾膜對水樣進行低壓抽濾, 用鋁箔紙將濾膜包好并置于–20 ℃條件下冷凍保存, 之后在實驗室將Chl-樣品置于5 mL 90%丙酮中, 低溫避光萃取24 h, 采用熒光儀(型號為Turner Designs, 檢出限0.01 μg/L, 精密度0.01 μg/L, 標準曲線值為0.99)得到Chl-濃度值。

1.3 數據處理和統計分析

溶解氧飽和度通過實測DO除以大氣平衡DO來計算得出, 大氣平衡DO則通過文獻公式Benson 和Krause[20]以水溫、鹽度以及現場大氣壓來計算得出, 表觀耗氧量(AOU)則通過大氣平衡DO與實測DO差減計算得出。DO與環境因子相關性用Origin8.0軟件進行Pearson相關性分析。水文、生化參數等值線圖采用Ocean Data View軟件進行繪制。

AOU=DO飽和值–DO現場實測值,(1)

DO飽和度=DO現場實測值/DO飽和值×100%. (2)

2 結果

2.1 表、底層海水溫度與鹽度的水平分布特征和季節變化特點

2018 年早春、夏季調查海域的表、底層的溫度與鹽度平面分布如圖2、圖3所示。早春表、底層溫度變化特征基本一致, 總體呈現近岸低, 外海高的特點, 變化分別為6.77～16.67 ℃和6.41～16.57 ℃, 長江口外北部海域溫度明顯低于長江口外南部調查海域, 長江口外北部海域表、底層均產生西北-東南走向的溫度鋒面。早春表、底層鹽度變化分別為19.44～ 34.52和21.54～34.52, 表、底層長江口沖淡水主體流向為自口門外東南方向, 圖2(c、d)中30等鹽度線位置變化清晰地顯示了這一點, 表層近岸低鹽海水往東擴展程度強于底層, 調查海域東南部表、底層均出現相對于近岸水的高溫高鹽水團, 且底層向近岸的入侵程度強于表層。

夏季調查海域表、底層溫度變化分別為21.46～ 28.79 ℃和18.23～24.79 ℃, 表、底層鹽度變化分別為20.73～34.04和22.07～34.56, 由圖3a表層溫度分布顯示, 長江口外至浙江近岸沿岸條狀帶表層溫度相對較低, 26鹽度等值線位置變化可以看出長江口沖淡水主體向東北海域擴展(圖3c), 在長江口外東北部形成特征鮮明的羽狀鋒面, 圖3(b、d)底層溫度和鹽度分布可以看出高鹽、低溫水團從南部海域向北部入侵前緣鋒面可抵達32°N附近, 且在底層外緣形成了“S”狀分布的溫度和鹽度鋒面。

圖2 早春表、底層研究海域海水溫度和鹽度的水平分布

2.2 DO的水平分布特征及春、夏季變化

早春、夏季表、底層DO質量濃度(簡稱DO濃度)的水平分布如圖4所示。圖4(a、b)早春表、底層DO濃度分布可看出長江口北部海域高于南部海域, 近岸高于外海, 表、底層DO濃度范圍分別為7.99～10.1 mg/L和7.90～10.1 mg/L, 均值為9.24 mg/L和8.94 mg/L, DO飽和度范圍分別94.83～108.6%和96.22%～103.0%, 飽和均值分別101.9%和99.66%(表1)。早春表、底層DO濃度基本上呈飽和狀態, 在長江口外北部海域表、底層DO濃度分布相同, 有西北-東南走向的鋒面特征, 這也與圖2溫度鋒面走向一致, 長江口南部海域受低DO本底值水團影響, 底層DO濃度最小值7.9 mg/L, 表層DO濃度最小值8.0 mg/L。早春調查海域表層Chl-質量濃度(簡稱Chl-濃度)均較低(圖4e), 僅在調查海域東部和南部個別站位濃度超過1 μg/L。

夏季表、底層DO濃度范圍變化較大, DO濃度變化范圍分別為3.49～9.37 mg/L和1.58～6.68 mg/L, 且表層DO濃度均值高于底層, 表、底層DO平均飽和度分別為 99.3%和56.2%, 底層DO濃度整體上呈現不飽和狀態(表1)。圖4(c、d)夏季表、底層DO濃度分布可以看出, 調查海域近岸表層DO相對于外海濃度偏低, 長江口外和浙江近海底層通過DO< 4 mg/L弧形缺氧區相連, 長江口外東北部海域、長江口東南部水下峽谷頂端和浙江近岸海域底層水體均出現DO<3 mg/L低氧區, 三處低氧區底層DO濃度低值分別為1.58 mg/L、2.93 mg/L和1.92 mg/L。夏季水體DO達到過飽和的有48個站位, 其水層分布均位于表層, 表層DO>8 mg/L分布位置與Chl-濃度高區位置基本一致, 例A10-2站位表層DO飽和度142%時, Chl-濃度高達28 μg/L圖(4e、4f)。通過對27個站的底層水體(>34)對比發現, 其中5個站中層水AOU大于底層水體AOU, 其中層水體硝酸鹽和磷酸鹽的含量也大于底層水體, 其他22個站底層AOU大于中層水體, 底層水體硝酸鹽和磷酸鹽的含量液大于中層水體。

圖3 夏季表、底層研究海域海水溫度和鹽度的水平分布

2.3 典型斷面DO時空分布特征

受各種控制因素影響, 研究海域內DO分布具有明顯時空差異, 本文選取A9斷面為例, 研究DO濃度分布與水文特征的內在聯系。早春A9斷面溫度、鹽度、Chl-濃度與DO濃度垂直分布如圖5所示, 早春溫度和鹽度等值線開始趨向水平, 水體出現層化現象(圖5a、5b), 斷面表、底層最大溫鹽差為1.3℃和1.7。從溫鹽點聚圖(圖7b)可以看出, A9斷面受高溫、高鹽、低DO的臺灣暖流影響, 其底層水體溫度、鹽度和DO濃度等值線均有趨岸上翹的跡象, 在靠近浙江沿岸水深較淺、水溫較低的A9-1站位, 水體DO混合較為均勻, 底層DO達到飽和, 而受臺灣暖流影響的斷面其他站位DO開始出現層化現象(圖5d), 底層DO不飽和度為98%左右。此外, 近岸表層DO產生局部過飽和現象, 飽和度為105%, 這與表層浮游生物量(Chl-濃度達1.2 μg/L)增加有關(圖5c)。

圖4 早春、夏季研究海域表、底層DO和Chl-a質量濃度的水平分布

表1 早春、夏季研究海域表、底層DO質量濃度及DO飽和值

注: 括號中的數值為均值

圖5 早春研究海域A9斷面溫度、鹽度、Chl-a濃度與DO濃度垂直分布

7月, 溫度和鹽度在垂向分布上產生明顯分層(圖6a、6b), 斷面低氧區(DO<3 mg/L)位于A9-2站位底層的陡坡上, 同時, 底層坡面上33～34鹽度等值線、19～24 ℃等溫線、5 mg/L DO等值線均出現明顯的上翹, 這是受高位勢密度的低溫、高鹽、低DO臺灣暖流趨岸抬升的結果(圖7a), 近岸底層涌升的水體僅在水淺的A9-1站位可以到達表層, 使表層溫度降低, 從DO垂向分布也可以看出這一點(圖6d), 此外, 夏季表層溫度較高, 近岸水體10 m以淺受富營養鹽的陸源徑流影響, 加快了浮游生物旺盛繁殖, 尤其是低氧區(DO<3 mg/L)正上方表層水體Chl-濃度已達20 μg/L(圖6c)。

3 討論

3.1 DO時空分布特征及其影響因素

早春調查海域水體DO濃度變化范圍為7.90～ 10.1 mg/L, 水體溫度與DO呈顯著負相關(=218,= –0.92,<0.01), 鹽度與DO也呈負相關關系(=218,=–0.41,<0.01), 因此, 當海水溫度較低時, 水體中DO的濃度會隨著其在海水中溶解度的增大而升高[21]。早春含低DO本底值的臺灣暖流從調查海域東南側向近岸入侵, 底層水體(DO<8.5 mg/L)沿123°E北向入侵程度可越過31°N, 其中水體(DO<8.0 mg/L)也已越過30°N, 導致長江口東南部海域底層出現大面積DO低值區, 另外調查海域存在兩個DO高值區, 一個位于長江口北部海域, DO濃度由西北至東南逐漸降低, 這與低溫、高氧的黃海沿岸流南侵相一致(圖7b), 從溫度等值線也能說明這一點(圖2a), 另一個高值區位于浙江近海一帶, 這是近岸水溫較低所致。早春長江口北部海域和浙江近海一帶表、底層水體混合均勻, 水體未出現DO層化現象, 而長江口外南部海域受高溫、高鹽臺灣暖流影響, 表、底層溫鹽躍層開始形成, DO飽和的表層水不能及時到達底層, 產生DO層化現象。早春調查海域東南部出現表層DO過飽和現象, 其原因是受臺灣暖流入侵影響, 表層溫度升高, 營養鹽含量增加, Chl-濃度也超過1 μg/L(圖4e), 浮游生物光合作用引起表層水體DO出現過飽和現象。

圖6 夏季A9斷面溫度、鹽度、Chl-a與DO垂直分布

圖7 研究海域溫度-鹽度點聚圖

注: 帶有顏色圓點代表DO濃度(mg·L–1)

夏季調查海域DO濃度變化范圍較大, 變化范圍為1.58～9.37 mg/L, DO飽和度變化范圍為21.8%～ 142.1%, 夏季水體溫度與DO濃度呈顯著正相關關系[22](=218,=0.78,<0.01)。長江口外至浙江近岸海域表層DO濃度異常較低(圖4c), 夏季表層溫度分布也可以看出近岸海域表層溫度異常較低(圖3a), 其原因是底層臺灣暖流趨岸抬升形成上升流[23], 使近岸海域底層低溫、低DO濃度海水涌升至表層, 導致長江口外至浙江近岸海域表層DO產生不飽和現象。表層DO 出現過飽和的海域與Chl-濃度高值區位置一致[13], 因此表層DO過飽和分布主要受浮游生物光合作用影響, 夏季浮游生物光合作用是表層水體DO過飽和的主要原因[24]。夏季長江口外底層海水受臺灣暖流入侵影響, 表、底層水體溫鹽層化加強, 海水穩定度增加[6], 同時, 陸源徑流攜帶大量營養鹽, 促進了表層浮游生物的旺盛繁殖, 高豐度的浮游生物產生大量有機物的沉降和消亡腐爛為底層缺氧區的形成提供了物質基礎[25], A9斷面DO濃度分布發現(圖6d), 底層低氧區(DO<3 mg/L)形成于近岸半坡處[26], 可能是底層受臺灣暖流影響易于在半坡處形成上升流, 上升流涌升擴大了低氧水體的體積, 但低氧水體未到達表層, 受陸源徑流影響高溫、低鹽的表層水和底層涌升的低溫、高鹽水增強了水體的溫鹽層化強度, 上升流上方穩定溫鹽躍層阻止了上層富氧水體向底層缺氧水體垂直輸運, 導致了底層低氧區(DO<3 mg/L)的形成。

為了探究AOU與營養鹽釋放之間的關系, 本文選取了中底層海水(>34)67個數據點進行相關性分析(圖8b、8c), 發現AOU與硝酸鹽(=0.91,<0.01)、磷酸鹽(=0.86,<0.01)成正相關關系, 根據有機物有氧呼吸方程[27], 即(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2= 106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O, AOU與NO3–-N和PO43–-P理論比值分別為8.6和138, 但是本文所得實際比值均小于理論值, 其值分別為7.0±0.4和100±7, 表明水體中存在其它的耗氧行為, 氧氣的消耗并沒有引起營養鹽的釋放, 比如底層沉積物中還原物質的氧化等化學耗氧行為, 耗氧水體NO3–-N和PO43–-P呈正相關(=0.90,<0.01), 其N/P比值為14±0.8, 接近Redfield理論值16(圖8d), 由于有機物耗氧分解會引起水體呈酸性、pH降低, 而DO與pH(=218,=0.88,<0.01)存在正相關關系(圖8a), 可以看出pH低值與低氧區同步性[28], 因此夏季臺灣暖流影響下溫躍層的強化、富營養化水體浮游生物高值區的分布及底層微生物耗氧降解是導致底層缺氧的重要因素[3]。

圖8 夏季研究海域DO與pH相關性及AOU與營養鹽(NO3–-N、PO43–-P )相關性分析

3.2 夏季低氧區的位置變化及影響因素

本航次調查海域底層有三處低氧區(DO<3 mg/L),分別位于長江口外東北部海域(122.00°E～122.75°E, 32.00°N～32.25°N)、長江口東南部水下峽谷附近(122.50°E～122.70°E, 31.25°N～31.35°N)及浙江近岸海域(122.25°E～122.75°E, 29.00°N～29.95°N)(圖1), 三處低氧區底層DO濃度低值分別為1.58 mg/L、2.93 mg/L和1.92 mg/L, 其中長江口東南部水下峽谷附近低氧區范圍最小, 缺氧程度最弱。2006年6月浙江近岸海域最先出現低氧區(DO<3 mg/L), 此時低氧區范圍不大, 底層缺氧程度不嚴重(DO最低值為2.52 mg/L), 2006年7月調查中僅在長江口東南部水下峽谷附近和長江口外東北部海域兩處位置出現低氧區(DO<3 mg/L),浙江近岸低氧區(DO<3 mg/L)消失, 僅出現小范圍缺氧區(DO>3 mg/L), 2006年8月和2015年8月底層缺氧程度最嚴重, 長江口東南部水下峽谷附近和長江口外東北部海域低氧區(DO< 3 mg/L)融為一體, 形成長江口北部缺氧區, 浙江近岸海域形成南部缺氧區, 而2006年7月份浙江近岸海域小范圍缺氧區(DO>3 mg/L)也形成了覆蓋浙江近岸海域的南部低氧區(DO<3 mg/L), 本次調查長江口外東北部海域低氧區(DO<3 mg/L)與2006年7月相比范圍更大, 2018年7月長江口外東北部海域和長江口東南部水下峽谷低氧區(DO<3 mg/L)還未融為一體, 南部浙江近岸海域形成了沿海岸線的狹長低氧區(DO<3 mg/L), 本次調查形成了異于以往7月和8月獨特的“南一核、北兩核”的空間分布。表2為多年來長江口外低氧區DO最小值所在位置, 本次觀測的DO最小值位于長江口外東北部海域(1.58 mg/L), 與2006年7月均位于32.00°N以北海域, 先前研究中指出DO最小值的緯向變化和夏季臺灣暖流的北向強弱有關[18], 我們利用33鹽度等值線追蹤臺灣暖流的向北延伸(圖3d), 我們發現其前緣水已達32.00°N附近, 8月臺灣暖流北向強度最強[4], 低氧區北向拓展已越過33.00°N, 秋季低氧區最小值開始南移[5], 這與臺灣暖流北向前緣水位置基本一致, 根據本文之前的討論, 溫鹽躍層和陸源徑流影響下浮游生物高值區分布也會對夏季低氧區的位置分布產生影響, 同時我們注意到, 2018年7月比2006年7月相比, 長江口外東北部低氧區(DO<3 mg/L)范圍變大, 但DO最小值卻沒有變小(表2)。

表2 夏季長江口外鄰近海域DO最低值結果比較

研究長江口低氧區的動態分布特征具有重要科學意義, 近些年來, 由于人為活動的影響, 尤其是近海水域, 水體富營養化程度不斷加劇, 導致浮游生物過量繁殖并引發赤潮等自然災害, 其對浙江近海和長江口東北部海域底層低氧區(DO<3 mg/L)的擴張產生直接影響。長江口鄰近海域水體缺氧和酸化二者產生連鎖效應, 削弱了海洋抵御氣候變化影響的能力。

4 結論

根據2018年3月和7月現場調查資料, 分析探討了長江口鄰近海域DO的分布特征及影響因素, 結果表明:

1) 3月份長江口外北部海域和浙江近岸海域海水混合均勻, DO濃度主要受溫度控制, 而臺灣暖流影響區海水出現層化現象, 其低DO背景值為夏季低氧區的形成提供了基礎。

2) 7月份長江口外低氧區有不斷擴大的趨勢, 在長江口外東北部海域、浙江近岸海域和長江口東南部水下峽谷附近三處存在低氧區(DO<3 mg/L), 臺灣暖流北上入侵引起海水層化加強, 及陸源徑流影響下浮游生物高值分布和底層有機物耗氧降解過程是低氧區形成的主要因素。夏季底層水體AOU與硝酸鹽、磷酸鹽成顯著正相關關系以及氮磷比與Redfield比值契合度較好。

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Spatial–temporal distribution and dynamics of dissolved oxygen in an adjacent area of the Changjiang estuary

SUN Yi1, 2, Lü Fang-hui1, 2, CHEN Zhao1, 2, DIAO Xin-yuan1, 2, JIANG Jin-guang1, 2,WEI Chuan-jie1, 2, PAN Jun1, 2

(1. Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega- Science, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071, China)

Using the direct survey data from early spring and summer in 2018, the spatial–temporal distribution and dynamics of dissolved oxygen (DO) in the Changjiang estuary were studied. In summer, the concentration of DO varied from 1.58 to 9.37 mg/L, and the DO produced by plankton photosynthesis played a dominant role in the supersaturation of the surface seawater. The low oxygen zone in the bottom layer was mainly attributed to the stratification generated by the northward movement of the Taiwan Warm Current (TWC), deposition of organic debris, and oxygen consumption caused by the mass proliferation of sea surface organisms due to eutrophication. There were positive correlations between apparent oxygen consumptions in the bottom seawater and nutrients under the influence of TWC. The degradation process of oxygen of bottom organic matter was closely related to nutrient regeneration. In early spring, DO was limited from 7.90 to 10.1 mg/L, and it was mainly controlled by temperature due to the vertical mixing of seawater in the northern area outside the Changjiang Estuary and the coastal area near Zhejiang province. However, stratification occurred in the area affected by TWC, and its low DO laid a foundation for the formation of a hypoxic zone.

dissolved oxygen; Changjiang estuary; apparent oxygen consumption; hypoxia zone

Nov. 13, 2020

X55

A

1000-3096(2021)12-0086-11

10.11759/hykx20201113002

2020-11-13;

2021-05-28

國家自然科學基金項目(41806164)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41806164]

孫毅(1990—), 男, 山東萊陽人, 工程師, 主要從事海洋生物地球化學研究工作, 電話: 0532-87072025, E-mail: sunyi@qdio. ac.cn; 魏傳杰(1984—),通信作者, 山東萊蕪人, 高級工程師, 主要從事海洋調查工作, E-mail: weicj@qdio.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)