海洋科学  2020, Vol. 44 Issue (9): 29-37   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200117002

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
Marina Sciences, 44(9): 29-37.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200117002

文章历史

收稿日期:2020-01-17
修回日期:2020-04-30
北部湾北部海域潜在低氧分布及影响研究
马浩阳1, 王丽莎1, 吴敏兰2, 郑爱榕2     
1. 中国海洋大学化学化工学院, 山东 青岛 266100;
2. 厦门大学 海洋与地球学院, 福建 厦门 361101
摘要:通过对2011年北部湾北部海域春季和夏季溶解氧(DO)及其他环境要素进行分析讨论,发现DO的季节性差异较大,春季DO含量(平均8.11 mg/L)明显高于夏季(平均6.05 mg/L)。夏季北部湾底层部分区域存在DO低值,该低值区常年存在,并且DO最低值逐渐降低、低值区范围逐渐扩大。利用相关性分析和灰色关联度分析的方法,对夏季底层DO低值的成因进行分析发现:夏季底层水体浮游植物产氧作用较弱,海水层化作用强,阻碍了表底层DO的交换;另外底层有机质分解的耗氧作用明显,出现了氧气的净消耗,由此导致夏季底层水体出现DO的低值。同时,由于2011年之后北部湾北部海域陆源污染排放和赤潮的频发使得该海域低氧状况加剧,潜在低氧区逐渐发展为低氧区。
关键词北部湾    溶解氧    相关性    潜在低氧    
Characteristics of potential hypoxic zone and its influencing factors in the northern Beibu Gulf
MA Hao-yang1, WANG Li-sha1, WU Min-lan2, ZHENG Ai-rong2     
1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
2. College of Oceanic and Earth, Xiamen University, Xiamen 361101, China
Abstract: In this study, the dissolved oxygen (DO) content and other environmental factors in the northern Beibu Gulf in the spring and summer of 2011 were analyzed. The results showed that the seasonal differences in DO are large, and the DO in spring (ave=8.11 mg/L) was significantly higher than that in summer (ave=6.05 mg/L). In summer, there was a low-DO area in the northern Beibu Gulf; the low DO remained all year round and became lower year by year. Correlation analysis and gray correlation analysis were performed to analyze the cause of the low DO in summer. It was found that oxygen production was weak in the bottom water during summer and that the stratification was strong, which prevented the exchange of DO between the surface and bottom. In addition, the oxygen consumption by organic matter was greater than the oxygen amount produced by phytoplankton, which led to a low DO in the bottom water in summer. Moreover, owing to the occurrence of terrestrial pollution and red tide in the Beibu Gulf since 2011, the hypoxic conditions have intensified, and the potential hypoxic zone has become hypoxic.
Key words: Beibu Gulf    dissolved oxygen    correlation analysis    potential hypoxic zone    

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。

图 1 采样站位图 Fig. 1 Sampling stations
2 结果 2.1 温度及叶绿素a的平面分布特征

2011年北部湾北部海域温度及Chl-a平面分布图如下图 2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 ℃)。

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

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$ E = \frac{{\Delta \rho /\Delta z}}{\rho } $ 来表示[17], 其中Δρ指密度差值, 通过海水状态方程[18]得到, Δz是温跃层的厚度, ρ指温跃层的平均密度。

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。

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
2.3 DO的平面分布特征

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)。

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
3 讨论 3.1 DO及AOU与环境因子的相关性分析 3.1.1 DO与环境因子的相关性分析

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(TS、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。

表 1 DO与环境因子的Pearson相关系数 Tab. 1 Pearson's correlation coefficient between DO and other environment parameters
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。

表 2 ΔDO与环境因子的Pearson相关系数 Tab. 2 Pearson's correlation coefficient between ΔDO and other environment parameters
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]

表 3 表观耗氧量(AOU)与营养盐的相关性 Tab. 3 Relationship between AOU and nutrients
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

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。

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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