2020, Vol. 44
文章信息
- 马浩阳, 王丽莎, 吴敏兰, 郑爱榕. 2020.
- MA Hao-yang, WANG Li-sha, WU Min-lan, ZHENG Ai-rong. 2020.
- 北部湾北部海域潜在低氧分布及影响研究
- Characteristics of potential hypoxic zone and its influencing factors in the northern Beibu Gulf
- 海洋科学, 44(9): 29-37
- Marine Sciences, 44(9): 29-37.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200117002
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文章历史
- 收稿日期：2020-01-17
- 修回日期：2020-04-30
2. 厦门大学 海洋与地球学院, 福建 厦门 361101
2. College of Oceanic and Earth, Xiamen University, Xiamen 361101, China
水体中的溶解氧(DO)可以直接反映水体污染程度并评判海水水质的优劣[1]。DO的垂直和水平分布反映了海气界面的交换平衡、其参与的生物化学过程及物理运输过程[2]。DO的来源主要是大气交换和浮游植物的光合作用; 消耗则主要是呼吸作用和有机质降解。另外, DO含量还取决于海洋水动力交换, 海水稳定程度越高, 水体层化作用越强, 阻止DO的垂直交换越明显, 底层水体就更容易缺氧[3]。Schuble等[4]把低氧的标准定义为DO含量低于3 mg/L。但是, 一般, 当水体中DO的含量低于4~6 mg/L时, 便会对水生生物的生存产生不良影响[5-7], 本文重点关注DO含量低于5 mg/L的情况。低氧的形成一般需要具备两个条件:水体层化阻止表底层水体交换; 底层有机质分解消耗氧气[8]。国内对长江口[9-10]、珠江口[11-12]、大辽河[6, 13]等河口的低氧现象关注研究较多, 但是对于北部湾这样的半封闭性海湾的低氧现象研究较少。本文通过分析北部湾DO的分布特征, 讨论了其与环境因子的关系, 利用相关性分析及灰色关联度分析等方法, 找出影响该半封闭海湾DO的主要因子, 同时针对北部湾北部海域长期存在的潜在低氧区(或低氧区)成因进行了分析, 从而为治理半封闭海湾水环境提供一定的科学依据。
1 研究区域和方法北部湾位于我国南海西北部, 是一个典型的半封闭式亚热带海湾, 东临雷州半岛和海南岛, 北临广西, 西临越南, 与琼州海峡和南海相连; 北部湾北部海域沿岸港湾众多, 包括廉州湾、钦州湾、防城港和珍珠港等, 主要入海河流有南流江、大风江、钦江和防城江, 受陆地径流影响较大[14]。
本研究的数据为北部湾北部海域2011年春夏两个季节的数据。研究区域如图 1所示, 研究区域共布设21个站位, 每个站位采集3~4层水样(表层、10 m、30 m及底层), 为对比表底层水体的差异, 文中重点展示表底层水体的数据。调查指标包括温度(T)、盐度(S)、pH、溶解氧(DO)、溶解无机氮(DIN)、活性磷酸盐(SRP)、叶绿素a(Chl-a)、浮游植物总丰度等, DO样品现场采集固定后用碘量法进行测定, 其他各参数样品的采集及测定均按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)进行。
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| 图 1 采样站位图 Fig. 1 Sampling stations |
2011年北部湾北部海域温度及Chl-a平面分布图如下图 2和图 3所示。从图中可以看出, 春、夏两季表层水体的温度均明显高于底层水体。表层水体温度分布相对均匀, 而底层水体温度呈现随离岸距离增加而降低的趋势, 主要是由于随着离岸距离的增加, 水深增加, 光照强度降低, 导致水温降低。整体来看, 春季水温(平均20.77 ℃)明显低于夏季(平均29.60 ℃)。
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| 图 2 北部湾北部海域温度平面分布图 Fig. 2 Spatial distributions of temperature in the northern Beibu Gulf |
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| 图 3 北部湾北部海域Chl-a平面分布图 Fig. 3 Spatial distributions of Chl-a in the northern Beibu Gulf |
对于Chl-a的平面分布, 春季表层Chl-a含量平均1.90 mg/m3, 湾西部出现高值, 底层Chl-a含量平均2.33 mg/m3, 含量由湾东北向西南随着离岸距离的增加而递减, 湾中部最低。春季时, 底层(20~40 m层)Chl-a含量高于表层, 与北部湾Chl-a的历史垂直分布特征相同[15-16], 除光照等因素影响外, 由于底层水体中营养盐含量高于表层(底层水体DIN含量平均0.12 mg/L, 表层DIN含量平均0.10 mg/L), 浮游植物在底层生长更加旺盛。夏季Chl-a的平面分布趋势与春季基本相同, 整体来说, 春季Chl-a含量(平均1.99 mg/m3)高于夏季(平均1.22 mg/m3), 反映了春季浮游植物快速生长的特征。
2.2 海水稳定度分布特征海水稳定程度用稳定度
从图 4中可以看出, 春季海水的稳定度(平均11.94×10–5 m–1)稍高于夏季(平均10.43×10–5 m–1), 整体差异不大, 两个季节海水的稳定度均表现出随离岸距离的增加而增加的趋势, 表明河流和沿岸流对海水稳定度的影响较大, 离岸较远的海域水体层化作用较强, 不利于表底层水体的垂直交换。
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| 图 4 北部湾北部海域春夏两季稳定度分布图 Fig. 4 Spatial distributions of stability in the northern Beibu Gulf |
北部湾北部海域2011年春季DO的平均值为8.11 mg/L(范围为7.10~8.96 mg/L), 其中表层DO平均值为7.65 mg/L, 饱和度平均为1.15;底层DO平均值为7.99 mg/L, 饱和度平均为1.09, 春季表层及底层DO均处于过饱和状态(饱和度 > 1)。夏季DO平均值为6.05 mg/L (范围为3.68~6.90 mg/L), 其中表层水体DO平均值为5.92 mg/L, 饱和度平均为1.04;底层DO平均值为5.67 mg/L, 饱和度平均0.90, 为不饱和状态。从图 5可以看出, 整体上春季水体的DO明显高于夏季, 一方面是由于春季温度低于夏季(图 2), 氧气在春季时的溶解度相对更高; 另一方面, 春季Chl-a含量明显高于夏季(图 3), 浮游植物光合作用产氧较强。从DO的垂直分布来看(图 5), 春季表底层差异较小; 而夏季表底层差异较大, 其中表层DO含量较高, 且分布均匀, 而底层DO含量较低, 并且在中西部海域出现了DO的低值区(DO < 5.0 mg/L)。
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| 图 5 北部湾北部海域DO平面分布图 Fig. 5 Spatial distributions of DO in the northern Beibu Gulf |
为分析北部湾北部海域影响DO含量的主要环境因素, 将DO与其他环境因子(T、S、pH、COD、Chl-a、浮游植物总丰度、营养盐等)做Pearson相关性分析(表 1), 可以看出:春季表层水体DO与浮游植物总丰度呈显著正相关, DO含量随浮游植物总丰度的增加而增加, 表明春季表层浮游植物的光合作用(产氧过程)占主导地位; 而夏季表层水体DO与Chl-a和SRP含量均呈显著负相关, 说明夏季表层海水中营养盐过剩导致浮游植物大量生长, 使得表层海水中浮游植物的消亡分解作用(耗氧过程)占主导地位[8]。春夏两季表层水体的浮游植物丰度和Chl-a之间并无显著相关性, 主要是因为受浮游植物细胞大小[19]、优势种[20-21]等因素的影响, 两者并不总是显著相关。春夏两季底层水体DO均与pH呈显著正相关, 可能是因为浮游植物光合作用吸收CO2, 导致水体pH升高, 同时产生O2, 使DO含量升高。从DO随pH变化的斜率来看, 底层水体的变化斜率(春季斜率为8.20, 夏季为10.62)明显高于表层(平均3.04), 表明底层水体的光合作用明显弱于表层, 并且夏季底层的光合作用相对春季底层更弱一些。
| 季节 | 相关系数 | ||||||||
| T | S | pH | COD | Chl-a | 浮游植物总丰度 | DIN | SRP | DSi | |
| 春季表层 | 0.264 | 0.263 | 0.516* | 0.064 | 0.259 | 0.487* | 0.037 | –0.365 | –0.398 |
| 春季底层 | 0.437* | –0.313 | 0.681** | 0.609* | 0.352 | / | –0.244 | –0.483* | –0.324 |
| 夏季表层 | –0.234 | –0.138 | 0.500* | 0.338 | –0.490* | –0.175 | –0.228 | –0.779** | 0.127 |
| 夏季底层 | 0.374 | –0.371 | 0.763** | –0.164 | 0.247 | / | –0.709** | –0.390 | –0.637** |
| 注: **:相关性在0.01水平显著(双侧检验); *:相关性在0.05水平显著(双侧检验); /:未采集底层水体的浮游植物丰度样品, 因此无相关性数据。下同 | |||||||||
通过分析DO表底层的变化量(ΔDO)与环境因子变化量之间的关系, 可以更加直观清楚地了解DO在垂向水体中消耗的主要影响因素, 将ΔDO与环境因子变化量(水体稳定度、营养盐及Chl-a含量变化)做Pearson相关性, 分析结果如表 2所示。
| 季节 | 相关系数 | ||||||
| 稳定度 | ΔSRP | ΔDSi | ΔNO2- | ΔNO3- | ΔNH4+ | ΔChl-a | |
| 春季 | 0.548* | –0.278 | –0.027 | –0.569** | –0.002 | –0.400 | 0.105 |
| 夏季 | 0.545* | –0.457* | –0.598** | –0.879** | –0.103 | –0.258 | –0.393 |
可以看出, 春夏季水体ΔDO均与海水稳定度呈显著正相关, 说明水体稳定度越高, 水体层化作用强, 不利于表底层水体的交换, 导致表底层水体之间DO的差值较大, 体现了海水层化作用(物理过程)对DO的影响; 与NO2-变化量呈显著负相关, 说明从表层到底层随着DO的降低, NO2-含量增加, 即由于DO含量的降低, NO3-逐渐被还原为NO2-, 反映了DO相对较低的情况下细菌反硝化作用的影响。
因为上述环境因子与DO之间的关系是复杂、模糊、不确定的, 属于灰色系统, 无法用一般的相关性分析和回归分析计算每个环境因子对DO的影响程度大小[22], 因此采用灰色关联度分析进行各因子对DO影响程度大小的研究。将与DO显著相关的环境因子作为关联因子, 做灰色关联度分析, 得到关联系数, 发现春夏两季表底层DO与pH值均呈显著正相关(表 1), 且DO与pH的关联系数(0.96以上)明显高于其他环境因子(0.7~0.8), 关联度系数达到, 说明相比物理过程(稳定度), 生物化学作用(光合作用与生物氧化分解作用)对DO含量的影响更大。
3.1.2 表观耗氧量(AOU)与环境因子的相关性分析一般认为, AOU是由浮游植物的光合作用和有机物的分解作用影响的, 而浮游植物的生长与营养盐有关, 因此, AOU与营养盐之间存在一定的关系, 根据Redfield[23]提出的计算公式, 理论上每生成1个磷原子和1个氮原子分别需要消耗276个和17.2个氧原子。
通过分析AOU与营养盐之间的线性关系及比值关系(表 3), 可了解该海域是光合作用还是氧化分解作用占主导[24]。
| 因子 | 春季表层 | 春季底层 | 夏季表层 | 夏季底层 | |||||||
| Pearson相关系数 | 斜率 | Pearson相关系数 | 斜率 | Pearson相关系数 | 斜率 | Pearson相关系数 | 斜率 | ||||
| DIN | 0.054 | - | 0.236 | - | 0.253 | - | 0.677** | 1/1 000 | |||
| SRP | 0.638** | 1/500 | 0.392 | - | 0.781** | 1/1 000 | 0.507* | 1/31.25 | |||
| 注: -表示AOU与营养盐间无显著相关性, 比值未列出 | |||||||||||
由表 3结果可知:春夏两季ΔSRP/ΔO2或ΔDIN/ΔO2值(营养盐与AOU斜率值)均小于理论上的Redfield比值(ΔSRP/ΔO2=1︰138; ΔDIN/ΔO2=1︰8.6), 说明春夏两季均出现了有机物降解耗氧多, 而营养盐吸收相对较少的现象:春、夏季正是生物生长繁殖的旺盛季节, 藻类丰富, 浮游植物吸收海水中的营养盐, 而鱼虾贝类又摄食浮游植物及消耗水体中氧气, 释放的有机物量增大, 导致表观耗氧量大[25], 因而氧气的消耗量相对大于营养盐的吸收量, 即说明该海域相对于浮游植物的产氧过程, 浮游动物和有机体氧化分解的耗氧过程占主导地位。
3.2 北部湾北部海域夏季潜在低氧区形成机制由以上分析结果可知, 北部湾北部海域夏季DO含量整体平均为6.05 mg/L(3.68~6.90 mg/L), 其中部分区域的底层水体DO含量低于5 mg/L, 这些站位主要位于研究海域中西部区域(自北部湾中部向东北方向延伸至涠洲岛), 从DO含量来看, 该区域水体尚未达到绝对低氧(< 3 mg/L)的水平, 但已经达到危害生物的水平(< 5 mg/L), 同时相关性分析结果显示该海域DO的消耗过程强于产生过程, 有发展成为低氧区的趋势, 因此, 将该区域称为“潜在低氧区”, 同时从地形图(图 1)可以看出北部湾中西部区域海底处于相对封闭的“低洼区”, 底层水与南海水之间交换较弱, 潜在低氧区一旦形成, 状况较难得到缓解。
北部湾潜在低氧区并非是偶然出现的现象, 早在1983—1984年就观察到钦州湾外1个站位在春夏两季底层出现潜在低氧区[26](春夏季DO含量分别为3.90~4.80 mg/L和3.87~4.39 mg/L); 2006年夏季, 拜子龙群岛东侧海域、防城港与钦州湾附近海域约4 km2的底层水体出现潜在低氧(DO含量为2.42~ 4.84 mg/L); 2011年夏季底层同样海区水体的潜在低氧范围扩大到了39 km2, DO最低值3.68 mg/L; 2016年9月[27]在北部湾相同区域出现绝对低氧状况(最低值达到1.98 mg/L), 且面积达到119 km2, 到冬季后绝对低氧现象消失, 2017年夏季潜在低氧又出现(最低值为3.00 mg/L左右, 面积约为53 km2)。因此, 北部湾中西部海域季节性潜在低氧现象存在已久, 且呈季节性出现, 从图 6中可以看出, 随着时间推移DO最低值逐渐降低, 且(潜在)低氧区范围(站位数)呈扩大趋势, 到2016年夏季时出现大范围绝对低氧区, 因此该海域(潜在)低氧现象整体呈加剧的趋势。
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| 图 6 北部湾北部海域潜在低氧区(DO < 5 mg/L)变化趋势图 Fig. 6 The trend of potential hypoxic zone (DO < 5 mg/L) in the northern Beibu Gulf |
北部湾北部海域季节性潜在低氧状况逐年加剧的原因, 一方面可能是由于防城港及钦州湾存在多个生活及工业排污口, 钦州湾10个排污口均位于湾外, 且10个排污口均存在不同程度超标状况, 主要超标要素为总磷和CODCr, 使钦州湾轻度污染、防城港严重污染[28-29]; 另一方面也有文献[30]指出, 2008年后钦州湾春夏季赤潮频发, 在2010年北部湾发生了150 km2的大范围赤潮[31], 并且2011—2016年基本上每年北部湾均会发生赤潮[32], 2017年钦州湾海域附近球形棕囊藻暴发[33]。
由此发现, 2011年以前北部湾海域(潜在)低氧范围较小, 且主要为潜在低氧区, 但由于北部湾海域经济结构及生活方式未做出相应的改变和调整, 陆源污染物的排放未得到控制、赤潮频发, 加剧了DO净消耗的情况, 使得潜在低氧区范围扩大、低氧程度加大, 演变为低氧区。
4 结论2011年北部湾北部海域DO状况整体上春季明显好于夏季, 在夏季底层水体中出现了DO含量低于5.0 mg/L的区域, 该区域DO含量主要受控于生物化学作用, 且浮游动物和有机体氧化分解的耗氧过程强于浮游植物的产氧过程, 使得夏季底层水体处于DO的净消耗状态, 有发展成低氧区的趋势。该潜在低氧区是长期存在的, 同时由于陆源排污及夏季季节性赤潮的影响, 潜在低氧状况从2011年开始呈逐年加剧的状况, 到2016年夏季时出现了较大范围的绝对低氧区(DO < 3 mg/L)。因此, 当类似于北部湾的半封闭性海湾发生潜在低氧现象时, 应引起充分关注, 及时调整经济产业结构, 控制陆源污染物的入海排放总量, 改善DO净消耗增大的情况, 扭转低氧区的形成。
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