浙江近岸海域溶解氧的時空分布特征

劉瑞娟　陳思楊　余駿等

關鍵詞：浙江近岸海域;溶解氧;時空分布;低氧

中圖分類號：P734.2;P76 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0013-08

0 引言

溶解氧是海洋生態系統中的重要生源要素參數，是海洋生命活動必不可少的物質[1]，對海洋生態系統的穩定具有至關重要的作用。海水中溶解氧的變化是各種物理、化學和生物共同作用的結果[2]，其飽和度的變化可以表征水體生態環境的變化。在近岸海域，溶解氧及其飽和度的變化受到多種因素的共同影響，包括入海徑流、外海洋流、浮游生物光合呼吸作用、有機質的降解等，但在某個區域的主要控制因素可能略有差異，因此分析特定海域溶解氧及其飽和度的影響因素，對于掌握該區域海洋生態環境的變化與生態系統的穩定性具有重要意義。

低氧現象是目前全球海洋領域關注的焦點問題，現在被認為是海洋生態災害現象，其可以導致海洋生物生境消失、生物死亡、物種組成和群落結構改變、生物多樣性降低以及生物競爭加劇等[3]，嚴重威脅海洋生態系統安全。通常水體中溶解氧含量低于3mg/L時稱為低氧，低于2mg/L時稱為缺氧，這種現象目前多出現在近岸河口區域。國外如墨西哥灣等存在很嚴重的缺氧現象。國內目前研究較多的是長江口和珠江口外側海域存在季節性底層低氧現象[3-4]。其中，長江口附近低氧主要是由長江入海徑流形成溫鹽躍層阻礙上下層水體交換和底層有機質降解耗氧所導致的[5-6]。

浙江是海洋大省，海域面積遼闊，受長江入海徑流影響較大，對于浙江近岸海域溶解氧的調查研究可以追溯到20世紀80年代。樊安德[7]對浙江近岸水深淺于20m 區域的四季溶解氧分布狀況進行報道;王玉衡等[8]研究浙南區域春季溶解氧分布狀況，并探討與其他要素的相互關系;楊慶霄等[9]和胡小猛等[10]在對黃東海溶解氧的時空分布特征研究中涉及部分浙江海域;盧勇等[11]對長江口及鄰近海域表層水體溶解氧飽和度的季節變化研究中涉及浙北部分海域;柴小平等[12]分析浙江近岸海域春季溶解氧飽和度分布狀況及影響因素。而針對浙江近岸全部管轄海域多年多季節的海水溶解氧及其飽和度的變化研究還未見報道。已有研究表明，浙江近岸海域底層也存在低氧區[13，5]，并存在明顯的季節變化，春末夏初形成，8月最為嚴重，秋季減弱，冬季消失[14-15]，但對于低氧的多年連續監測報道還較缺乏。本研究基于2014—2018年多年多季節的浙江近岸海域溶解氧和相關參數的監測數據，分析浙江近岸海域溶解氧的時空分布特征及其影響因素，并結合資料分析研究區域低氧的年際發生情況及可能原因，對于深入了解浙江近岸海域溶解氧的變化及其對生態系統的影響具有重要意義，同時為預警海洋生態系統的變化提供數據資料支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域

研究區域為浙江近岸海域，北界從浙滬交界的金絲娘橋起向海延伸至領海外部界線，南界從浙閩交界的虎頭鼻經七星島（星仔島）南端至27°N 往東延伸至領海外部界線，面積約4.4萬km²[16]。分析數據來源于浙江近岸海域海洋生態環境監測任務，2014—2018年分別有299個、312個、315個、344個和344個水質監測站位。選用2018年3月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和10月（秋季）的表底層監測數據進行季節變化和空間變化的分析，選用2014—2018年8月（夏季）表層監測數據進行年際變化的分析，選用2014—2018年8月（夏季）底層監測數據初步探討低氧現象出現的情況。

研究區域主要受到浙閩沿岸流和臺灣暖流的影響。浙閩沿岸流主要分布在長江口以南的浙閩沿岸區域，由長江和錢塘江的入海徑流與海水混合而成，具有低溫、低鹽、高營養鹽的特征。春秋冬季，浙閩沿岸流受東北季風的影響向西南方向流動，影響研究海域，其中冬季影響程度和范圍最廣，可至50m 等深線的近海一側，表層最多可達60m等深線;夏季浙閩沿岸流受東南季風的影響而轉為東北流向，只影響浙北海域[17-18]。臺灣暖流是黑潮的分支，來源于北赤道暖流，自西南流向東北，冬季影響范圍有限，位于50m 等深線的外海一側，在底層最多可達30m 等深線;夏季較強勁，進一步向陸延伸，對浙江近岸海域的影響較大[17-19]。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方法

海水樣品的采集和分析均嚴格按照海洋監測規范[20]和海洋調查規范[21]的相關要求進行。現場使用采水器采集水樣，溶解氧水樣采集后立即加入氯化錳和堿性碘化鉀進行現場固定，待樣品瓶內沉淀完全后加酸溶解，再用硫代硫酸鈉滴定，根據滴定用量換算溶解氧的含量。溫度、鹽度和pH 值根據現場攜帶的溫度計、鹽度計和pH 計測定獲取。活性磷酸鹽、活性硅酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨鹽等營養鹽的水樣通過0.45μm 醋酸纖維濾膜過濾后帶回實驗室，通過分光光度法測定。所有樣品的分析測定過程均通過質量控制，符合質量控制要求。

1.2.2 計算方法

溶解氧飽和度的計算參考海洋調查規范[21]，其計算公式為：

1.2.3 數據統計分析

本研究利用Excel進行數據統計分析，利用ArcGIS進行反距離插值擬合繪制平面分布圖，利用R語言進行多要素相關性分析繪圖，利用Origin繪制相關圖件。

2 結果與討論

2.1 空間分布

2.1.1 水平分布

根據浙江近岸海域表層海水溶解氧含量及飽和度的四季平面分布，各季節呈現不同的分布特征。

冬季，溶解氧含量在浙北和浙南海域存在明顯的分界，浙南海域略高，基本在9mg/L以上，浙北海域略低，基本在8～9mg/L范圍內，小部分外側海域處于7～8mg/L區間內。飽和度分布與溶解氧類似，也存在明顯的區域差異，浙南海域基本處于100%～110%的飽和狀態，而浙北海域均處于未飽和狀態，大部分處于80%～90%范圍內，杭州灣部分海域甚至低于80%。冬季生物活動較弱，溶解氧含量及飽和度主要受到溫度、鹽度等物理過程的控制，此時由東北流向西南的浙閩沿岸流影響最為顯著，其攜帶的低溫低鹽海水控制浙江近岸海域，使浙北海域水溫低于浙南海域。另外，杭州灣及附近海域是強潮汐河口區域，強烈的混合作用使溶解氧難以達到平衡狀態[22]，從而浙南海域溶解氧含量和飽和度高于浙北海域。

春季，杭州灣和舟山以外海域以及溫臺外側海域溶解氧含量較高，基本在8mg/L以上;浙江中部部分近岸海域溶解氧含量較低，整體呈現外側海域高于近岸的趨勢。飽和度分布與溶解氧含量類似，總體上外側海域高于近岸，大多處于90%～110%范圍內，整體呈現近飽和狀態，部分外側海域飽和度高于110%。總體上，外側海域溶解氧含量和飽和度高于近岸，這可能與外側海域浮游植物先開始生長繁殖進行光合作用產生氧氣有關。進入春季，浙閩沿岸流逐步退縮，臺灣暖流逐漸增強并向北向岸擴展，外側海域受其影響水溫和透明度均較高，海水環境逐漸適宜藻類的生長繁殖，光合作用逐漸增強，產生氧氣提高溶解氧含量和飽和度。

夏季，水溫最高，受水溫影響的溶解氧含量下降，大多海域處于7～8mg/L范圍內，只有小部分海域處于8mg/L以上，沿岸海灣河口區域如象山港、三門灣和樂清灣處于6～7mg/L的區間內。除浙北個別站位外，全省大部分海域處于過飽和狀態，其中浙南海域飽和度基本高于110%，部分海域甚至高于130%，明顯高于浙北海域。夏季溶解氧含量降低，是因為此時季節升溫和強勁臺灣暖流的影響使水溫升高;而飽和度明顯升高，是因為夏季浮游植物光合作用最強，持續不斷產生氧氣。浙南海域水溫和透明度高于浙北海域，浮游植物生長更為旺盛，因而浙南海域飽和度普遍高于浙北海域。

秋季，溶解氧含量整體呈現為7～8mg/L的狀態，杭州灣區域整體偏高，處于8～9mg/L的范圍內。此外，部分象山港和三門灣等沿岸海灣河口區域的溶解氧含量也較高，只有舟山外側個別站位處于6～7mg/L的范圍內，研究海域表層溶解氧分布較均勻。絕大部分海域溶解氧飽和度處于100%～110%范圍內，總體呈現飽和狀態，只有小部分海域處于90%～100%的未飽和狀態。總體上，溶解氧含量和飽和度分布相對均勻，可能與秋季影響溶解氧含量分布的因素較單純有關。此時生物活動減弱，對溶解氧含量影響不顯著，同時臺灣暖流逐步減弱，浙閩沿岸流開始增強，整個海域溫差減小，使溶解氧含量分布較均勻。

2.1.2 垂直分布

浙江近岸海域海水溶解氧和飽和度的垂直分布特征如圖1所示。不論季節變化，溶解氧平均含量和平均飽和度均是表層高于底層。冬、春、夏、秋季表底層平均溶解氧含量差值分別為0.30mg/L、0.83mg/L、1.06mg/L、0.35mg/L，平均飽和度的差值分別為4%、12%、19%、1%，可見春夏季表底層溶解氧含量和飽和度差異較大，秋冬季差異相對較小。春季至夏季表層海水中浮游植物光合作用強烈并產生大量氧氣，同時上層海水溫度較高，形成溫鹽躍層，限制水體的垂直交換，影響表層溶解氧向底層傳輸;此外，上層產生的有機質不斷沉降至底層進行降解耗氧，使得表底層溶解氧和飽和度差值變大。秋冬季水體層化減弱，垂直混合作用增強，表層溶解氧可以被攜帶至底層，使表底層溶解氧和飽和度趨于均衡。

2.2 時間分布

2.2.1 季節變化

浙江近岸海域表層溶解氧含量、飽和度、溫度和鹽度的季節變化如圖2所示。

表層溶解氧含量在冬季最高，春秋季次之，夏季最低，與溫度、鹽度呈現相反的變化規律，飽和度卻與之相反。冬季，生物活動較弱，溶解氧主要受溫度、鹽度等物理因素的控制，此時受低溫低鹽的浙閩沿岸流影響，近岸海域溫度和鹽度均較低，氧氣在海水中的溶解度較大，同時由于風力較大，海氣交換作用強烈，大氣中的氧氣可以更多地被寒冷的海水所吸收，溶解氧含量達到全年最高值，表層平均值為8.82mg/L，同時由于溫鹽較低，理論飽和溶解氧含量較高，飽和度較低，平均約為97%，處于未飽和狀態;春季，受溫度和生物活動的共同影響，雖然浮游植物開始繁殖進行光合作用產生氧氣，但海水溫度逐漸上升，氧氣溶解度降低，因此相較于冬季，溶解氧含量有所降低，表層平均值為7.95mg/L，但飽和度明顯升高，表層平均約為103%，整體處于飽和狀態;夏季，海水溫度明顯升高，浮游植物光合作用達一年中最強，產生大量氧氣，但過高的海水溫度使氧氣溶解度進一步降低，導致過多的氧氣自海水中逸出，表層溶解氧含量進一步降低，平均約為7.41 mg/L，但處于過飽和狀態，平均約為113%;秋季，海水溫度逐漸降低，氧氣溶解度增大，溶解氧含量進一步升高，表層平均值為7.62 mg/L，浮游植物產氧減少，飽和度逐步降低，平均約為101%，處于飽和狀態。

2.2.2 年際變化

夏季是浙江近岸海域表層海水溶解氧含量最低但飽和度最高的季節，2014—2018年浙江近岸海域夏季表層溶解氧含量及其飽和度的變化如圖3所示。

表層溶解氧含量的變化范圍為6.42～7.41mg/L，飽和度的變化范圍為95%～113%，二者的年際變化趨勢一致。2015年溶解氧含量最低，飽和度最低（95%），處于未飽和狀態;2018年溶解氧含量最高，飽和度最高（113%），處于過飽和狀態。

溶解氧含量和飽和度呈顯著正相關，且二者與溫度呈正相關，與硝酸鹽和無機氮呈顯著負相關。同時，溫度與硝酸鹽也呈顯著負相關，說明表層溶解氧含量及飽和度的年際變化主要與溫度和硝酸鹽等無機氮有關，溫度高時溶解氧含量和飽和度均高，此時硝酸鹽等無機氮含量卻低。2015 年和2018年夏季表層海水溫度平均分別約為28.1℃和29.7℃，硝酸鹽含量平均約為0.643 mg/L 和0.566mg/L。2018年較2015年海水溫度高，刺激浮游植物的光合作用，產生更多的氧氣，使溶解氧含量及飽和度升高，同時浮游植物強烈的光合作用消耗更多的硝酸鹽等無機氮，使無機氮含量降低。因此，表層海溫是影響5年來表層溶解氧含量及飽和度年際變化的主要因素。

2.3 低氧現象

夏季和底層是溶解氧含量最低的季節和層次。根據2014—2018年夏季底層溶解氧含量分布，浙江近岸海域底層溶解氧含量的低值區出現在舟山外側海域，浙南外側海域偶有分布。仔細觀察夏季底層溶解氧含量數據，發現2014年舟山外側海域有4個站位處于2～3mg/L范圍內，2018年浙南外側海域有2個站位處于2～3mg/L范圍內，出現低氧現象，其他年份和站位均大于3mg/L，未表現出低氧乃至缺氧現象。可見，浙江近岸外側海域底層目前出現低氧現象的站位不多，但仍存在出現低氧現象的潛在風險。

近岸海域底層低氧是多種物理與生物地球化學過程共同作用的結果。據以往研究[23]，浙江近海低氧較長江口外海域出現時間更早、持續時間更長。春季底層有機質氧化分解耗氧，而后旺發的浮游植物碎屑分解進一步加劇低氧;夏季水體出現層化，阻礙氧氣垂直交換，低氧程度最為嚴重;至秋季逐漸消失。同時，外海低氧水體即臺灣暖流底層水在浙江近海的上升提供較低的背景值也是重要因素之一。在全球氣候變暖的背景下，隨著大氣和海水溫度的升高，徑流量的改變、熱帶風暴等極端氣候事件、生物代謝作用的改變等是否會進一步加劇低氧現象仍不得而知[24]，因此浙江近岸海域底層低氧現象值得進一步關注和研究，目前浙江也正在進一步的跟蹤監測。

3 結論

本研究基于2014—2018年浙江近岸海域海水溶解氧及相關理化因子的監測數據，研究浙江近岸海域溶解氧含量及飽和度的時空分布及影響因素，并結合資料分析低氧現象，得出3項主要結論。

（1）表層溶解氧含量和飽和度在不同季節呈現不同的平面分布特征。四季溶解氧含量和飽和度均是表層高于底層，表底層的差異在春夏季表現較大，秋冬季較小，主要是受季節性溫鹽躍層和表層光合作用產氧的影響。

（2）表層溶解氧含量和飽和度存在明顯的季節變化，冬季表層溶解氧含量最高，夏季表層飽和度最高，這主要是受水溫和浮游植物光合作用的影響。表層溶解氧含量和飽和度也表現出年際差異，溫度是影響這種年際變化的主要因素。

（3）2014年和2018年夏季外側小部分海域底層出現低氧現象，主要是受底層有機物降解耗氧、水體層化阻礙氧垂直交換和低氧臺灣暖流提供較低背景值影響，未來研究海域低氧現象的潛在風險值得進一步關注。