2021, Vol. 45
文章信息
- 孙毅, 吕方辉, 陈钊, 刁新源, 姜金光, 魏传杰, 潘俊. 2021.
- SUN Yi, LÜ Fang-hui, CHEN Zhao, DIAO Xin-yuan, JIANG Jin-guang, WEI Chuan-jie, PAN Jun. 2021.
- 长江口邻近海域溶解氧的时空分布及影响因素研究
- Spatial-temporal distribution and dynamics of dissolved oxygen in an adjacent area of the Changjiang estuary
- 海洋科学, 45(12): 86-96
- Marina Sciences, 45(12): 86-96.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20201113002
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文章历史
- 收稿日期：2020-11-13
- 修回日期：2021-05-28
2. 中国科学院 海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071
2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071, China
海水中的溶解氧(DO)是重要的生源要素参数, 其分布变化与温度、盐度、生物化学作用和环流运动等关系密切, 是反映海洋生态环境一个重要指标[1]。通常将DO质量浓度低于2或3 mg·dm–3界定为缺氧[2]。长江口夏季缺氧可追溯到20世纪50年代[3], 且缺氧面积较过去有所扩大[4]。长江口缺氧区属于季节性缺氧, 研究长江口外海域季节性DO分布特征及其影响因素对于认识对区域生态系统以及生源物质的生物地球化学循环过程具有重要影响。
长江口邻近海域是我国近海低氧现象发生最为突出的海域, 低氧现象的频发对该海域生态系统造成了严重危害。长江口缺氧区形成于夏季, 在长江口和浙江近海两处呈现“南、北双核”结构[5]。先前的研究分析了长江口外缺氧区与温盐跃层[6-12]、水体富营养化[13]、有机物耗氧降解[14-16]、台湾暖流[4, 17]及地形[12]之间的关系, 以及从多种因素影响下开展长江口外缺氧区发育、持续和消失过程的系统性研究[18], 阐述了不同季节长江口外缺氧区位置和运动机制的不同。目前对长江口邻近海域3月份DO分布特征未见报道, 对夏季低氧区的报道大多集中在8月份[3, 9, 16, 19], 目前对7月份长江口邻近海域缺氧区的认识仍然是依据2006年“我国近海海洋综合调查与评价”专项之长江口区块的水体调查数据, 由于数据资料年代较早, 近几年由于各种物理驱动力改变以及人类活动的共同影响, 对长江口外海域7月份低氧区的位置和强度的变化未能实时了解。本研究利用2018年夏季(7月)和早春(3月)两个航次DO数据, 并结合温度、盐度、营养盐、叶绿素a(Chl-a)等数据, 对长江口邻近海域(28.5°N~32.5°N, 122.0°E~ 124.0°E)DO的时空分布特征和影响因素进行了探讨, 以期对长江口外低氧区分布规律有更深的了解和认识, 丰富、完善DO在不同季度间的生消过程, 为进一步了解DO在海洋中的生物地球化学循环过程提供了科学依据。
1 采样及分析方法 1.1 调查区域在2018年3月9日—3月24日(早春)与2018年7月11日—7月22日(夏季)期间, 搭载“科学三号”科学考察船对长江口附近海域(28.5°N~32.5°N, 122.0°E~ 124.0°E)进行了水文、生物和化学的综合调查, 调查海区共设计11个断面78个调查站位(见图 1)。
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| 图 1 长江口邻近海域调查站位分布示意图 Fig. 1 Locations of sampling stations in the adjacent area of the Changjiang Estuary 注: 圆形和矩形封闭区域为低氧区(DO < 3 mg·L–1) |
利用SBE 911 CTD温盐深剖面仪(温度℃, 精密度0.001, 分辨率0.000 1, 盐度, 精密度0.001, 分辨率0.000 1)现场测定温度和盐度等水文参数的同时, 用12个容积为12 L的翻盖式Niskin采水瓶采集溶解氧、Chl-a、五项营养盐、pH等样品, 其中表层水样采样深度为3 m, 底层水样控制在距离海底2~3 m。现场样品的采集以及分析测定按照《海洋调查规范》(GB 17378.3—2007)进行。
DO水样的分取、固定和滴定(Brand溶解氧滴定仪分辨率0.01 mL)均按照经典温克勒流程, 加入0.01%的NaN3以排除亚硝酸盐的干扰;
pH样品采用pH计(型号为梅特勒-托利多Seven Excellence, 精密度0.001, 分辨率0.000 1)现场测定;
营养盐样品采用0.45 μm的GF/F滤膜过滤, 过滤水样用洁净的Nalgene聚乙烯瓶封装, 加入1~2滴氯仿固定剂, 于–20 ℃冷冻保存后在实验室用英国Seal公司QUAATRO 39营养盐自动分析仪对营养盐样品进行分析测定, 测定NO3–-N, PO43–-P, SiO32–-Si检出限分别为0.3 μg/L, 0.3 μg/L, 0.7 μg/L, 标准曲线r值均为0.999;
Chl-a样品: 取300 mL水样用Whatman GF/F滤膜对水样进行低压抽滤, 用铝箔纸将滤膜包好并置于–20 ℃条件下冷冻保存, 之后在实验室将Chl-a样品置于5 mL 90%丙酮中, 低温避光萃取24 h, 采用荧光仪(型号为Turner Designs, 检出限0.01 μg/L, 精密度0.01 μg/L, 标准曲线r值为0.99)得到Chl-a浓度值。
1.3 数据处理和统计分析溶解氧饱和度通过实测DO除以大气平衡DO来计算得出, 大气平衡DO则通过文献公式Benson和Krause[20]以水温、盐度以及现场大气压来计算得出, 表观耗氧量(AOU)则通过大气平衡DO与实测DO差减计算得出。DO与环境因子相关性用Origin8.0软件进行Pearson相关性分析。水文、生化参数等值线图采用Ocean Data View软件进行绘制。
| $ \mathrm{AOU}=\mathrm{DO}_{\text {饱和值 }}-\mathrm{DO}_{\text {现场实测值 }}, $ | (1) |
| $ \mathrm{DO}_{\text {饱和度 }}=\mathrm{DO}_{\text {现场实测值 }} / \mathrm{DO} \text { 饱和值 } \times 100 \% \text {. } $ | (2) |
2018年早春、夏季调查海域的表、底层的温度与盐度平面分布如图 2、图 3所示。早春表、底层温度变化特征基本一致, 总体呈现近岸低, 外海高的特点, 变化分别为6.77~16.67 ℃和6.41~16.57 ℃, 长江口外北部海域温度明显低于长江口外南部调查海域, 长江口外北部海域表、底层均产生西北-东南走向的温度锋面。早春表、底层盐度变化分别为19.44~ 34.52和21.54~34.52, 表、底层长江口冲淡水主体流向为自口门外东南方向, 图 2(c、d)中30等盐度线位置变化清晰地显示了这一点, 表层近岸低盐海水往东扩展程度强于底层, 调查海域东南部表、底层均出现相对于近岸水的高温高盐水团, 且底层向近岸的入侵程度强于表层。
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| 图 2 早春表、底层研究海域海水温度和盐度的水平分布 Fig. 2 Horizontal distributions of temperature and salinity in the surface and bottom seawater in early spring |
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| 图 3 夏季表、底层研究海域海水温度和盐度的水平分布 Fig. 3 Horizontal distributions of temperature and salinity in the surface and bottom seawater in summer |
夏季调查海域表、底层温度变化分别为21.46~ 28.79 ℃和18.23~24.79 ℃, 表、底层盐度变化分别为20.73~34.04和22.07~34.56, 由图 3a表层温度分布显示, 长江口外至浙江近岸沿岸条状带表层温度相对较低, 26盐度等值线位置变化可以看出长江口冲淡水主体向东北海域扩展(图 3c), 在长江口外东北部形成特征鲜明的羽状锋面, 图 3(b、d)底层温度和盐度分布可以看出高盐、低温水团从南部海域向北部入侵前缘锋面可抵达32°N附近, 且在底层外缘形成了“S”状分布的温度和盐度锋面。
2.2 DO的水平分布特征及春、夏季变化早春、夏季表、底层DO质量浓度(简称DO浓度)的水平分布如图 4所示。图 4(a、b)早春表、底层DO浓度分布可看出长江口北部海域高于南部海域, 近岸高于外海, 表、底层DO浓度范围分别为7.99~10.1 mg/L和7.90~10.1 mg/L, 均值为9.24 mg/L和8.94 mg/L, DO饱和度范围分别94.83~108.6%和96.22%~103.0%, 饱和均值分别101.9%和99.66%(表 1)。早春表、底层DO浓度基本上呈饱和状态, 在长江口外北部海域表、底层DO浓度分布相同, 有西北-东南走向的锋面特征, 这也与图 2温度锋面走向一致, 长江口南部海域受低DO本底值水团影响, 底层DO浓度最小值7.9 mg/L, 表层DO浓度最小值8.0 mg/L。早春调查海域表层Chl-a质量浓度(简称Chl-a浓度)均较低(图 4e), 仅在调查海域东部和南部个别站位浓度超过1 μg/L。
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| 图 4 早春、夏季研究海域表、底层DO和Chl-a质量浓度的水平分布 Fig. 4 Horizontal distributions of DO in the study area in the surface and bottom seawater in early spring and summer |
夏季表、底层DO浓度范围变化较大, DO浓度变化范围分别为3.49~9.37 mg/L和1.58~6.68 mg/L, 且表层DO浓度均值高于底层, 表、底层DO平均饱和度分别为99.3%和56.2%, 底层DO浓度整体上呈现不饱和状态(表 1)。图 4(c、d)夏季表、底层DO浓度分布可以看出, 调查海域近岸表层DO相对于外海浓度偏低, 长江口外和浙江近海底层通过DO < 4 mg/L弧形缺氧区相连, 长江口外东北部海域、长江口东南部水下峡谷顶端和浙江近岸海域底层水体均出现DO < 3 mg/L低氧区, 三处低氧区底层DO浓度低值分别为1.58 mg/L、2.93 mg/L和1.92 mg/L。夏季水体DO达到过饱和的有48个站位, 其水层分布均位于表层, 表层DO > 8 mg/L分布位置与Chl-a浓度高区位置基本一致, 例A10-2站位表层DO饱和度142%时, Chl-a浓度高达28 μg/L图(4e、4f)。通过对27个站的底层水体(S > 34)对比发现, 其中5个站中层水AOU大于底层水体AOU, 其中层水体硝酸盐和磷酸盐的含量也大于底层水体, 其他22个站底层AOU大于中层水体, 底层水体硝酸盐和磷酸盐的含量液大于中层水体。
| 研究海域 | 夏季 | 早春 | |||
| DO浓度/(mg·L–1) | DO饱和度/% | DO浓度/(mg·L–1) | DO饱和度/% | ||
| 表层 | 3.49~9.37(6.75) | 47.75~142.1(99.29) | 7.99~10.1(9.24) | 94.83~108.6(101.9) | |
| 底层 | 1.58~6.68(4.13) | 21.81~90.33(56.19) | 7.90~10.1(8.94) | 96.22~103.0(99.66) | |
| 注: 括号中的数值为均值 | |||||
受各种控制因素影响, 研究海域内DO分布具有明显时空差异, 本文选取A9断面为例, 研究DO浓度分布与水文特征的内在联系。早春A9断面温度、盐度、Chl-a浓度与DO浓度垂直分布如图 5所示, 早春温度和盐度等值线开始趋向水平, 水体出现层化现象(图 5a、5b), 断面表、底层最大温盐差为1.3℃和1.7。从温盐点聚图(图 7b)可以看出, A9断面受高温、高盐、低DO的台湾暖流影响, 其底层水体温度、盐度和DO浓度等值线均有趋岸上翘的迹象, 在靠近浙江沿岸水深较浅、水温较低的A9-1站位, 水体DO混合较为均匀, 底层DO达到饱和, 而受台湾暖流影响的断面其他站位DO开始出现层化现象(图 5d), 底层DO不饱和度为98%左右。此外, 近岸表层DO产生局部过饱和现象, 饱和度为105%, 这与表层浮游生物量(Chl-a浓度达1.2 μg/L)增加有关(图 5c)。
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| 图 5 早春研究海域A9断面温度、盐度、Chl-a浓度与DO浓度垂直分布 Fig. 5 Vertical distribution of temperature, salinity, Chl-a, and DO at the transect of A9 in early spring |
7月, 温度和盐度在垂向分布上产生明显分层(图 6a、6b), 断面低氧区(DO < 3 mg/L)位于A9-2站位底层的陡坡上, 同时, 底层坡面上33~34盐度等值线、19~24 ℃等温线、5 mg/L DO等值线均出现明显的上翘, 这是受高位势密度的低温、高盐、低DO台湾暖流趋岸抬升的结果(图 7a), 近岸底层涌升的水体仅在水浅的A9-1站位可以到达表层, 使表层温度降低, 从DO垂向分布也可以看出这一点(图 6d), 此外, 夏季表层温度较高, 近岸水体10 m以浅受富营养盐的陆源径流影响, 加快了浮游生物旺盛繁殖, 尤其是低氧区(DO < 3 mg/L)正上方表层水体Chl-a浓度已达20 μg/L(图 6c)。
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| 图 6 夏季A9断面温度、盐度、Chl-a与DO垂直分布 Fig. 6 Vertical distribution of temperature, salinity, Chl-a, and DO at the transect of A9 in summer |
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| 图 7 研究海域温度-盐度点聚图 Fig. 7 Temperature-salinity diagram of the study area 注: 带有颜色圆点代表DO浓度(mg·L–1) |
早春调查海域水体DO浓度变化范围为7.90~ 10.1 mg/L, 水体温度与DO呈显著负相关(n=218, R= –0.92, P < 0.01), 盐度与DO也呈负相关关系(n=218, R=–0.41, P < 0.01), 因此, 当海水温度较低时, 水体中DO的浓度会随着其在海水中溶解度的增大而升高[21]。早春含低DO本底值的台湾暖流从调查海域东南侧向近岸入侵, 底层水体(DO < 8.5 mg/L)沿123°E北向入侵程度可越过31°N, 其中水体(DO < 8.0 mg/L)也已越过30°N, 导致长江口东南部海域底层出现大面积DO低值区, 另外调查海域存在两个DO高值区, 一个位于长江口北部海域, DO浓度由西北至东南逐渐降低, 这与低温、高氧的黄海沿岸流南侵相一致(图 7b), 从温度等值线也能说明这一点(图 2a), 另一个高值区位于浙江近海一带, 这是近岸水温较低所致。早春长江口北部海域和浙江近海一带表、底层水体混合均匀, 水体未出现DO层化现象, 而长江口外南部海域受高温、高盐台湾暖流影响, 表、底层温盐跃层开始形成, DO饱和的表层水不能及时到达底层, 产生DO层化现象。早春调查海域东南部出现表层DO过饱和现象, 其原因是受台湾暖流入侵影响, 表层温度升高, 营养盐含量增加, Chl-a浓度也超过1 μg/L(图 4e), 浮游生物光合作用引起表层水体DO出现过饱和现象。
夏季调查海域DO浓度变化范围较大, 变化范围为1.58~9.37 mg/L, DO饱和度变化范围为21.8%~ 142.1%, 夏季水体温度与DO浓度呈显著正相关关系[22] (n=218, R=0.78, P < 0.01)。长江口外至浙江近岸海域表层DO浓度异常较低(图 4c), 夏季表层温度分布也可以看出近岸海域表层温度异常较低(图 3a), 其原因是底层台湾暖流趋岸抬升形成上升流[23], 使近岸海域底层低温、低DO浓度海水涌升至表层, 导致长江口外至浙江近岸海域表层DO产生不饱和现象。表层DO出现过饱和的海域与Chl-a浓度高值区位置一致[13], 因此表层DO过饱和分布主要受浮游生物光合作用影响, 夏季浮游生物光合作用是表层水体DO过饱和的主要原因[24]。夏季长江口外底层海水受台湾暖流入侵影响, 表、底层水体温盐层化加强, 海水稳定度增加[6], 同时, 陆源径流携带大量营养盐, 促进了表层浮游生物的旺盛繁殖, 高丰度的浮游生物产生大量有机物的沉降和消亡腐烂为底层缺氧区的形成提供了物质基础[25], A9断面DO浓度分布发现(图 6d), 底层低氧区(DO < 3 mg/L)形成于近岸半坡处[26], 可能是底层受台湾暖流影响易于在半坡处形成上升流, 上升流涌升扩大了低氧水体的体积, 但低氧水体未到达表层, 受陆源径流影响高温、低盐的表层水和底层涌升的低温、高盐水增强了水体的温盐层化强度, 上升流上方稳定温盐跃层阻止了上层富氧水体向底层缺氧水体垂直输运, 导致了底层低氧区(DO < 3 mg/L)的形成。
为了探究AOU与营养盐释放之间的关系, 本文选取了中底层海水(S > 34)67个数据点进行相关性分析(图 8b、8c), 发现AOU与硝酸盐(R=0.91, P < 0.01)、磷酸盐(R=0.86, P < 0.01)成正相关关系, 根据有机物有氧呼吸方程[27], 即(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2= 106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O, AOU与NO3–-N和PO43–-P理论比值分别为8.6和138, 但是本文所得实际比值均小于理论值, 其值分别为7.0±0.4和100±7, 表明水体中存在其它的耗氧行为, 氧气的消耗并没有引起营养盐的释放, 比如底层沉积物中还原物质的氧化等化学耗氧行为, 耗氧水体NO3–-N和PO43–-P呈正相关(r=0.90, P < 0.01), 其N/P比值为14±0.8, 接近Redfield理论值16(图 8d), 由于有机物耗氧分解会引起水体呈酸性、pH降低, 而DO与pH(n=218, R=0.88, P < 0.01)存在正相关关系(图 8a), 可以看出pH低值与低氧区同步性[28], 因此夏季台湾暖流影响下温跃层的强化、富营养化水体浮游生物高值区的分布及底层微生物耗氧降解是导致底层缺氧的重要因素[3]。
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| 图 8 夏季研究海域DO与pH相关性及AOU与营养盐(NO3–-N、PO43–-P)相关性分析 Fig. 8 Correlation analysis between DO and pH and the relationship between AOU and nutrients (NO3–-N, PO43–-P) in summer |
本航次调查海域底层有三处低氧区(DO < 3 mg/L), 分别位于长江口外东北部海域(122.00°E~122.75°E, 32.00°N~32.25°N)、长江口东南部水下峡谷附近(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)(图 1), 三处低氧区底层DO浓度低值分别为1.58 mg/L、2.93 mg/L和1.92 mg/L, 其中长江口东南部水下峡谷附近低氧区范围最小, 缺氧程度最弱。2006年6月浙江近岸海域最先出现低氧区(DO < 3 mg/L), 此时低氧区范围不大, 底层缺氧程度不严重(DO最低值为2.52 mg/L), 2006年7月调查中仅在长江口东南部水下峡谷附近和长江口外东北部海域两处位置出现低氧区(DO < 3 mg/L), 浙江近岸低氧区(DO < 3 mg/L)消失, 仅出现小范围缺氧区(DO > 3 mg/L), 2006年8月和2015年8月底层缺氧程度最严重, 长江口东南部水下峡谷附近和长江口外东北部海域低氧区(DO < 3 mg/L)融为一体, 形成长江口北部缺氧区, 浙江近岸海域形成南部缺氧区, 而2006年7月份浙江近岸海域小范围缺氧区(DO > 3 mg/L)也形成了覆盖浙江近岸海域的南部低氧区(DO < 3 mg/L), 本次调查长江口外东北部海域低氧区(DO < 3 mg/L)与2006年7月相比范围更大, 2018年7月长江口外东北部海域和长江口东南部水下峡谷低氧区(DO < 3 mg/L)还未融为一体, 南部浙江近岸海域形成了沿海岸线的狭长低氧区(DO < 3 mg/L), 本次调查形成了异于以往7月和8月独特的“南一核、北两核”的空间分布。表 2为多年来长江口外低氧区DO最小值所在位置, 本次观测的DO最小值位于长江口外东北部海域(1.58 mg/L), 与2006年7月均位于32.00°N以北海域, 先前研究中指出DO最小值的纬向变化和夏季台湾暖流的北向强弱有关[18], 我们利用33盐度等值线追踪台湾暖流的向北延伸(图 3d), 我们发现其前缘水已达32.00°N附近, 8月台湾暖流北向强度最强[4], 低氧区北向拓展已越过33.00°N, 秋季低氧区最小值开始南移[5], 这与台湾暖流北向前缘水位置基本一致, 根据本文之前的讨论, 温盐跃层和陆源径流影响下浮游生物高值区分布也会对夏季低氧区的位置分布产生影响, 同时我们注意到, 2018年7月比2006年7月相比, 长江口外东北部低氧区(DO < 3 mg/L)范围变大, 但DO最小值却没有变小(表 2)。
| 观测时间/(年-月) | 位置 | 最低值/(mg·L–1) | 资料来源 |
| 2006-06 | 29.20°N, 122.40°E | 2.52 | [15] |
| 2006-07 | 32.70°N, 122.39°E | 1.36 | [11] |
| 2006-08 | 33.05°N, 123.50°E | 0.87 | [15] |
| 2006-09 | 30.10°N, 122.95°E | 1.96 | [10] |
| 2006-10 | 29.10°N, 123.40°E | 1.91 | [15] |
| 2006-11 | 30.00°N, 123.25°E | 1.94 | [18] |
| 2015-08 | — | 1.92 | [16] |
| 2018-07 | 32.25°N, 122.25°E | 1.58 | 本研究 |
研究长江口低氧区的动态分布特征具有重要科学意义, 近些年来, 由于人为活动的影响, 尤其是近海水域, 水体富营养化程度不断加剧, 导致浮游生物过量繁殖并引发赤潮等自然灾害, 其对浙江近海和长江口东北部海域底层低氧区(DO < 3 mg/L)的扩张产生直接影响。长江口邻近海域水体缺氧和酸化二者产生连锁效应, 削弱了海洋抵御气候变化影响的能力。
4 结论根据2018年3月和7月现场调查资料, 分析探讨了长江口邻近海域DO的分布特征及影响因素, 结果表明:
1) 3月份长江口外北部海域和浙江近岸海域海水混合均匀, DO浓度主要受温度控制, 而台湾暖流影响区海水出现层化现象, 其低DO背景值为夏季低氧区的形成提供了基础。
2) 7月份长江口外低氧区有不断扩大的趋势, 在长江口外东北部海域、浙江近岸海域和长江口东南部水下峡谷附近三处存在低氧区(DO < 3 mg/L), 台湾暖流北上入侵引起海水层化加强, 及陆源径流影响下浮游生物高值分布和底层有机物耗氧降解过程是低氧区形成的主要因素。夏季底层水体AOU与硝酸盐、磷酸盐成显著正相关关系以及氮磷比与Redfield比值契合度较好。
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