北極斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水水質(zhì)研究

李海源

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué)，上海 200433)

0 引言

斯瓦爾巴德群島位于74°～81°N，10°～35°E，處于巴倫支海和格陵蘭海之間，靠近北極，是地球上有人居住的最北地區(qū)之一。它由斯匹茨卑爾根群島、東北地島、埃季島等島嶼組成，總面積62 700 km2[1]。1925年，多個(gè)國(guó)家共同簽署了北極地區(qū)唯一具有國(guó)際色彩的政府間條約——《斯瓦爾巴德條約》，我國(guó)是首批締約國(guó)之一。根據(jù)這一條約，締約國(guó)可以在斯瓦爾巴德群島及其領(lǐng)海開(kāi)展科考活動(dòng)。正因?yàn)榇耍@一地區(qū)的極地科考活動(dòng)異?；钴S[2]。由于各種原因，我國(guó)在該地區(qū)的科考活動(dòng)開(kāi)展較晚，直到2004年才在新奧爾松建立了我國(guó)第一個(gè)北極地區(qū)科考站——黃河站,之后以此為基地，逐步開(kāi)展了對(duì)北極地區(qū)海洋、大氣、微生物等科考研究。北極科考是影響我國(guó)北極戰(zhàn)略決策和實(shí)施的關(guān)鍵變量[3]。有專(zhuān)家指出：“作為生態(tài)環(huán)境脆弱、資源蘊(yùn)藏豐富、地緣環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，北極需要通過(guò)多維度的方法加以綜合研究”[4]。盡管我國(guó)學(xué)術(shù)界越來(lái)越重視對(duì)斯瓦爾巴德群島及北極地區(qū)的研究，但畢竟起步較晚，且從地緣上來(lái)說(shuō)，我國(guó)是非北極國(guó)家，要獲取該地區(qū)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)有諸多不便，因此我國(guó)關(guān)于該地區(qū)的第一手科考數(shù)據(jù)一直較少，這一情況亟待改變。

2017年7—8月，筆者有幸參加了中國(guó)青少年北極科考活動(dòng)，前往斯瓦爾巴德群島進(jìn)行科學(xué)考察。在此期間，對(duì)該群島周邊的海洋環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查研究，獲得了大量關(guān)于海水水質(zhì)、北極生態(tài)等的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)對(duì)斯瓦爾巴德群島中部海域的水質(zhì)進(jìn)行了分析，闡述了該區(qū)域的海水水質(zhì)總體特征，并探討了其控制影響因素。目前我國(guó)海洋探測(cè)以我國(guó)海域?yàn)橹鱗5-6]，鮮有北極地區(qū)海水水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)表。本次科考數(shù)據(jù)為全面了解該區(qū)域海洋特征提供了參考，也豐富了我國(guó)北極海洋科考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。后續(xù)可以利用這些寶貴數(shù)據(jù)針對(duì)全球溫度變化對(duì)海水水質(zhì)、北極生態(tài)及微生物的影響做進(jìn)一步研究，以提升北極科考的深度和廣度，為我國(guó)北極地區(qū)全方位研究、維護(hù)我國(guó)北極權(quán)益貢獻(xiàn)力量。

1 海水水質(zhì)采樣地點(diǎn)及數(shù)據(jù)分析

1.1 采樣區(qū)域及采樣點(diǎn)選擇

采樣區(qū)域?yàn)樗雇郀柊偷氯簫u中部海域，北起80.782 7°N，南至76.509 4°N。在該區(qū)域共設(shè)置了40個(gè)采樣地點(diǎn)，位置信息如表1所示。根據(jù)這些地點(diǎn)的地理位置，可以將其劃分為6個(gè)不同的區(qū)域：北部冰區(qū)、西北部海灣、中部海峽、東部沿海、東部水道和南部海域(圖1)。

表1 采樣地點(diǎn)經(jīng)緯度信息

1.北部冰區(qū)； 2.西北部海灣； 3.中部海峽； 4.東部沿海；5.東部水道； 6.南部海域

圖1 斯瓦爾巴德群島表層海水采樣區(qū)域

Fig.1SamplingareasofsurfaceseawaterinSvalbardIslands

1.2 樣品采集與測(cè)量參數(shù)

本次研究使用聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)采樣瓶，采集時(shí)先用原地原水潤(rùn)洗采樣瓶，然后裝滿(mǎn)水樣。每個(gè)地點(diǎn)采集海水樣品3份，每份約為1 L。采樣同時(shí)，用GPS記錄采樣時(shí)間與采樣地點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息。

采樣使用意大利哈納(HANNA)HI 98194便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析測(cè)定儀(圖2)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。每次使用設(shè)備前，首先使用緩沖溶液對(duì)檢測(cè)探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，然后用少量海水樣品沖洗探頭，再將探頭全部浸入海水樣品中。

圖2 意大利哈納(HANNA)HI 98194便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析測(cè)定儀

測(cè)量中選取了海水水質(zhì)分析中常用的6個(gè)參數(shù)：海水溫度(T)、酸堿度(pH)、電導(dǎo)率(EC)、溶解性總固體量(TDS)、實(shí)際鹽度(PSU)和溶解氧(DO)飽和度。

海水溫度是反映海水熱狀況的物理量，是海水其他物理和化學(xué)要素測(cè)定的根本和前提[7]。

海水酸堿度(pH)對(duì)研究開(kāi)發(fā)利用海洋資源具有十分重要的意義。借助pH值的分布，可以認(rèn)識(shí)海洋動(dòng)植物的生活環(huán)境，進(jìn)而掌握海洋動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁殖規(guī)律。

海水電導(dǎo)率(Electrical Conductivity，EC)是含鹽濃度的指標(biāo)，海水電導(dǎo)率的分布和變化是影響海水電性質(zhì)和海洋電場(chǎng)的重要因素。它對(duì)電磁波在海洋中傳輸?shù)乃p特性和相位特征都有重大的影響，從而直接影響著海洋中的通信和導(dǎo)航效果。通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率，可以研究海水中的離子、分子間的平衡過(guò)程，進(jìn)而研究海水的微觀結(jié)構(gòu)[8]。

實(shí)際鹽度(Practical Salinity Units，PSU)是海水中含鹽量的一個(gè)標(biāo)度，單位為g/kg或‰。海水含鹽量是研究海水的物理、化學(xué)過(guò)程的基本參數(shù)之一。

溶解性總固體量(Total Dissolved Solids，TDS)是指單位質(zhì)量海水中含有的溶解性固體的總質(zhì)量，包括無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩部分。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。

海水溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是指溶解在海水中的氧，用每升水里氧氣的毫克數(shù)表示[9]。海水中溶解氧的含量是海洋化學(xué)的重要參數(shù)之一，也是海水水質(zhì)的重要指標(biāo)。它的含量變化與海水中生物過(guò)程及水文條件等有密切關(guān)系[10]。溶解氧飽和度是指溶解氧實(shí)測(cè)濃度與相同測(cè)試條件下溶解氧飽和濃度之比，通常用百分比表示。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水水質(zhì)總體特征

斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水水質(zhì)的描述性統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水水質(zhì)描述統(tǒng)計(jì)表

注：分析樣品數(shù)為40個(gè)。

從表2可以看出，斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水夏季平均水溫為4.3 ℃，但各個(gè)采樣點(diǎn)之間的差別較大，有的采樣點(diǎn)溫度已接近冰點(diǎn)，有的采樣點(diǎn)則達(dá)到了10 ℃以上。

該海域pH值平均值為8.37，呈弱堿性，且各個(gè)采樣點(diǎn)之間酸堿度變化不大，較為穩(wěn)定。世界大洋表層海水的pH值通常穩(wěn)定在7.9～8.3之間，夏季由于白天海水光照時(shí)間較長(zhǎng)，浮游植物光合作用強(qiáng)度大于生物呼吸強(qiáng)度，海水中會(huì)出現(xiàn)CO2的凈消耗，因此pH值比冬季高。該海域酸堿度與全球大洋相比，基本差異不大。

該海域電導(dǎo)率平均值為43.92 mS/cm，高于海水的電導(dǎo)率常見(jiàn)值30 mS/cm[6]，但最小值僅為0.55 mS/cm，各采樣點(diǎn)之間的差異較大。

該海域?qū)嶋H鹽度均值為33.22 g/kg，而世界大洋平均鹽度為35 g/kg左右，可見(jiàn)該海域的實(shí)際鹽度相對(duì)較低，單個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際鹽度甚至低至0.30 g/kg。

溶解性總固體量均值為53.46×10-9, 但最小值僅為21.90×10-9，最大值卻達(dá)到526×10-9，說(shuō)明各采樣點(diǎn)之間差別非常大。

溶解氧飽和度平均值為93.21%，因此該海域的表面海水平均溶解氧含量接近飽和。有些采樣點(diǎn)則處于超飽和狀態(tài)(最大值為112%)。溶解氧處于超飽和狀態(tài)的采樣點(diǎn)會(huì)從海水向空氣中釋放氧氣，使該地區(qū)形成一個(gè)“天然氧吧”。

2.2 不同區(qū)域間表層海水水質(zhì)特征差異分析

從以上分析可以看出，盡管斯瓦爾巴德中部海域維度跨度不算太大，但不同采樣點(diǎn)之間的6大參數(shù)測(cè)量值除酸堿度外差異比較大。下面將對(duì)其差異開(kāi)展進(jìn)一步分析，并探討引起這些差異的原因。由于采樣點(diǎn)較多，將按照前文所劃分的6個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件采用SPSS 23.0。鑒于各個(gè)區(qū)域的采樣點(diǎn)數(shù)量不一，且均不超過(guò)30個(gè)，將采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的獨(dú)立樣本克-瓦氏檢驗(yàn)分析不同區(qū)域間的差異顯著性。

2.2.1 海水溫度

不同區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，6個(gè)區(qū)域之間海水溫度的差異顯著性為0.000，表明不同區(qū)域間的海水溫度差異非常顯著。水溫最高的區(qū)域是南部海域(平均溫度M=7.86 ℃)； 水溫最低的區(qū)域是北部冰區(qū)(M=1.33 ℃)(圖3)。這跟2個(gè)區(qū)域的地理位置有關(guān)，北部冰區(qū)在6個(gè)區(qū)域中處于最北端，南部海域位于6個(gè)區(qū)域的最南端。一般情況下，緯度越高，海水溫度越低。

圖3 不同區(qū)域海水溫度均值圖

從圖3可以看出，西北部海灣相對(duì)于其高緯度溫度偏高，這主要是受大西洋暖流的影響。東部沿海的海水溫度偏低，甚至低于緯度高于這一區(qū)域的西北部海灣和中部海峽，推測(cè)這是由于該區(qū)域受北冰洋寒流影響。源于北冰洋的東斯匹茨卑爾根寒流正好流經(jīng)該區(qū)域。東部水道雖然也處于東部，但緯度稍低而且處于峽灣保護(hù)之中，因此水溫受到的影響稍小，溫度相比東部沿海高一些。

2.2.2 酸堿度

不同區(qū)域的pH值均值如圖4所示。6個(gè)區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，它們的酸堿度沒(méi)有顯著差異(p=0.083，p是SPSS數(shù)據(jù)分析中的可能性(possibility),p<0.05時(shí)說(shuō)明分析結(jié)果可信)。天然海水的pH值經(jīng)常穩(wěn)定在7.9～8.4之間，呈弱堿性。pH值變化小，有利于該海域海洋生物的生長(zhǎng)。整體來(lái)看，斯瓦爾巴德群島中部海域的海水pH值與其他地區(qū)相比偏高，這可能由2個(gè)原因造成：一方面，海水取樣時(shí)正值夏季，由于溫度增高及光合作用加強(qiáng)，使上層海水中二氧化碳含量和氫離子濃度下降，pH值升高； 另一方面，該地區(qū)溶解氧高，而通常情況下，溶解氧高的地區(qū)pH值也會(huì)高。進(jìn)一步檢驗(yàn)了溶解氧與pH值之間的相關(guān)性，二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(r=0.559；p=0.000)。

圖4 不同區(qū)域海水酸堿度均值圖

2.2.3 電導(dǎo)率

6個(gè)區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，不同區(qū)域的電導(dǎo)率顯著不同(p=0.049)。從圖5可以看出，中部海峽電導(dǎo)率顯著低于其他5個(gè)區(qū)域。通常認(rèn)為海水電導(dǎo)率與海水中的含鹽量密切相關(guān)，鹽度低則電導(dǎo)率也低。

圖5 不同區(qū)域電導(dǎo)率均值圖

2.2.4 實(shí)際鹽度

6個(gè)區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)域不同，其鹽度有顯著不同(p=0.012)。中部海峽的鹽度均值最低(27‰，圖6)。中部海峽鹽度最低，推測(cè)可能是由于該海域周邊地貌較多內(nèi)陸冰川，而夏季該區(qū)域的水溫較高，有可能導(dǎo)致冰川部分融化，有淡水流入中部海峽，降低了該海域的海水鹽度。

圖6 不同區(qū)域鹽度均值圖

中部海峽海水鹽度低于其他地區(qū)，這一趨勢(shì)與電導(dǎo)率基本一致(圖7)。進(jìn)一步檢測(cè)兩者之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示兩者之間顯著相關(guān)(r=0.974;p=0.000)，可以從電導(dǎo)率的高低直接推測(cè)實(shí)際鹽度的高低，反之亦然。這也驗(yàn)證了前文中我們提到的實(shí)際鹽度低是該海域電導(dǎo)率低的直接原因。

圖7 不同區(qū)域電導(dǎo)率與鹽度均值散點(diǎn)圖

2.2.5 溶解性總固體量

6個(gè)區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)域不同，溶解性總固體量有顯著不同(p=0.046)。從圖8可以看出，區(qū)域間的顯著差異主要表現(xiàn)為中部海峽溶解性總固體量遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。溶解性總固體既包含溶解鹽類(lèi)，也包含其他有機(jī)物質(zhì)。一般情況下，如果海水中浮游生物少，水質(zhì)較清時(shí)，溶解性總固體量應(yīng)該與溶解鹽度成正相關(guān)關(guān)系。但中部海峽的電導(dǎo)率和鹽度都是6個(gè)區(qū)域中最低的，說(shuō)明該海域的溶解性總固體量主要受到有機(jī)物質(zhì)的影響。跟群島外圍的海水相比，中部海峽有機(jī)物質(zhì)含量豐富，可能的原因是周邊有較多的苔原和巖石灘。苔原的生物活動(dòng)較活躍，會(huì)給海水帶來(lái)豐富的有機(jī)物與微生物； 巖石中的沉積巖較松軟，硅氧化物含量高，在冰川融化時(shí)，容易被冰川融水沖蝕，攜帶進(jìn)入海水中，進(jìn)而增加海水的溶解性固體含量。

圖8 不同區(qū)域溶解性總固體量均值圖

2.2.6 溶解氧飽和度

6個(gè)區(qū)域間的克-瓦氏檢驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)域不同，溶解氧飽和度有顯著不同(p=0.009)。其中南部海域溶解氧飽和度最低(M=79.35%)，西北部海灣溶解氧飽和度最高(M=105.86%)。通常認(rèn)為溶解氧含量與海水的溫度、鹽度等都有密切關(guān)系。我們對(duì)溶解氧飽和度與海水溫度和實(shí)際鹽度的相關(guān)性進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在采樣數(shù)據(jù)中，它們之間并沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系； 但通過(guò)對(duì)溶解氧飽和度與緯度之間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)(r=0.358;p=0.023)，也就是說(shuō)，整體來(lái)看，緯度越高，溶解氧飽和度越大。

盡管整體來(lái)看，斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水符合緯度越高，溶解氧飽和度越大的規(guī)律，但從圖9可以看出，北部冰區(qū)與西北部海灣相比緯度更高，但溶解氧飽和度更高的卻是西北部海灣。什么原因?qū)е铝宋鞅辈亢橙芙庋趺黠@高于其他各個(gè)區(qū)域呢？相關(guān)研究表明，除水溫、海水鹽度之外，水體中的溶解氧也受浮游生物、懸浮物濃度等多種因素相互制約[9-10]。我們推測(cè)，西北部海灣的溶解氧飽和度高，可能是由于該海域有大西洋暖流匯入，使其形成與同緯度其他區(qū)域相比處于高溫高鹽環(huán)境，浮游植物相對(duì)較多，初級(jí)生產(chǎn)力高，所以含氧量高，同時(shí)細(xì)菌豐度及多樣性也都較其他地區(qū)高[11]。

圖9 不同區(qū)域溶解氧飽和度均值圖

3 結(jié)論

(1)斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水總體水質(zhì)特征為：水溫低，平均水溫只有4.3 °C； 鹽度偏低，均值約為33.22‰； 電導(dǎo)率均值約為43.92 mS/cm； 溶解氧飽和度較高，均值約為93%； 該海域海水呈弱堿性，與世界大洋差異不大； 溶解性總固體量均值為156.38×10-9，內(nèi)部差異非常大，主要是中部海峽某些采樣點(diǎn)異常偏高。

(2)斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水各區(qū)域間水質(zhì)特征在海水溫度、電導(dǎo)率、實(shí)際鹽度、溶解性總固體量及溶解氧飽和度等方面均有較大差異，但酸堿度較為穩(wěn)定且區(qū)域間差異不大。在6個(gè)區(qū)域中，北部冰區(qū)水溫最低，溶解性總固體量也最低，但溶解氧含量較高，接近飽和； 西北部海灣溶解氧飽和度最高； 中部海峽溶解性總固體量最高，但鹽度和電導(dǎo)率最低； 南部海域水溫最高，實(shí)際鹽度和電導(dǎo)率最高，溶解氧飽和度最低； 東部沿海水溫偏低。

(3)地理位置、洋流和地形地貌對(duì)斯瓦爾巴德群島中部海域表層海水均有影響。地理位置越往北，氣溫越低，陽(yáng)光輻射強(qiáng)度越小，海水溫度越低。東斯匹茨卑爾根寒流降低了東部沿海水溫； 北大西洋暖流則拉高了西北部海灣的水溫，豐富的微生物提高了該海域的溶解氧含量。中部海峽峽灣兩旁的冰川融化帶來(lái)了淡水，降低了海水鹽度和電導(dǎo)率； 同時(shí)融水也帶來(lái)了陸地微生物，巖石溶解進(jìn)入海水造成固體溶解物含量增加。同樣處于峽灣位置的東部水道，由于兩側(cè)基本只有裸露的巖石和少量的苔原，沒(méi)有冰川融水的影響，水質(zhì)特征與中部海峽有很大不同。