北部灣北部海域潛在低氧分布及影響研究

馬浩陽, 王麗莎, 吳敏蘭, 鄭愛榕

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門 361101)

水體中的溶解氧(DO)可以直接反映水體污染程度并評(píng)判海水水質(zhì)的優(yōu)劣[1]。DO 的垂直和水平分布反映了海氣界面的交換平衡、其參與的生物化學(xué)過程及物理運(yùn)輸過程[2]。DO 的來源主要是大氣交換和浮游植物的光合作用; 消耗則主要是呼吸作用和有機(jī)質(zhì)降解。另外, DO 含量還取決于海洋水動(dòng)力交換,海水穩(wěn)定程度越高, 水體層化作用越強(qiáng), 阻止DO 的垂直交換越明顯, 底層水體就更容易缺氧[3]。Schuble等[4]把低氧的標(biāo)準(zhǔn)定義為DO 含量低于3 mg/L。但是,一般, 當(dāng)水體中DO 的含量低于4～6 mg/L 時(shí), 便會(huì)對(duì)水生生物的生存產(chǎn)生不良影響[5-7], 本文重點(diǎn)關(guān)注DO 含量低于5 mg/L 的情況。低氧的形成一般需要具備兩個(gè)條件: 水體層化阻止表底層水體交換; 底層有機(jī)質(zhì)分解消耗氧氣[8]。國(guó)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)江口[9-10]、珠江口[11-12]、大遼河[6,13]等河口的低氧現(xiàn)象關(guān)注研究較多,但是對(duì)于北部灣這樣的半封閉性海灣的低氧現(xiàn)象研究較少。本文通過分析北部灣DO 的分布特征, 討論了其與環(huán)境因子的關(guān)系, 利用相關(guān)性分析及灰色關(guān)聯(lián)度分析等方法, 找出影響該半封閉海灣DO 的主要因子, 同時(shí)針對(duì)北部灣北部海域長(zhǎng)期存在的潛在低氧區(qū)(或低氧區(qū))成因進(jìn)行了分析, 從而為治理半封閉海灣水環(huán)境提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

北部灣位于我國(guó)南海西北部, 是一個(gè)典型的半封閉式亞熱帶海灣, 東臨雷州半島和海南島, 北臨廣西, 西臨越南, 與瓊州海峽和南海相連; 北部灣北部海域沿岸港灣眾多, 包括廉州灣、欽州灣、防城港和珍珠港等, 主要入海河流有南流江、大風(fēng)江、欽江和防城江, 受陸地徑流影響較大[14]。

本研究的數(shù)據(jù)為北部灣北部海域2011 年春夏兩個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)。研究區(qū)域如圖1 所示, 研究區(qū)域共布設(shè) 21個(gè)站位, 每個(gè)站位采集3～4 層水樣(表層、10 m、30 m及底層), 為對(duì)比表底層水體的差異, 文中重點(diǎn)展示表底層水體的數(shù)據(jù)。調(diào)查指標(biāo)包括溫度(T)、鹽度(S)、pH、溶解氧(DO)、溶解無機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(SRP)、葉綠素a(Chl-a)、浮游植物總豐度等, DO 樣品現(xiàn)場(chǎng)采集固定后用碘量法進(jìn)行測(cè)定, 其他各參數(shù)樣品的采集及測(cè)定均按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378—2007)進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 溫度及葉綠素a 的平面分布特征

2011 年北部灣北部海域溫度及Chl-a 平面分布圖如下圖2 和圖3 所示。從圖中可以看出, 春、夏兩季表層水體的溫度均明顯高于底層水體。表層水體溫度分布相對(duì)均勻, 而底層水體溫度呈現(xiàn)隨離岸距離增加而降低的趨勢(shì), 主要是由于隨著離岸距離的增加, 水深增加, 光照強(qiáng)度降低, 導(dǎo)致水溫降低。整體來看, 春季水溫(平均20.77 ℃)明顯低于夏季(平均29.60 ℃)。

圖1 采樣站位圖Fig. 1 Sampling stations

圖2 北部灣北部海域溫度平面分布圖Fig. 2 Spatial distributions of temperature in the northern Beibu Gulf

對(duì)于Chl-a 的平面分布, 春季表層Chl-a 含量平均1.90 mg/m3, 灣西部出現(xiàn)高值, 底層Chl-a 含量平均2.33 mg/m3, 含量由灣東北向西南隨著離岸距離的增加而遞減, 灣中部最低。春季時(shí), 底層(20～40 m層)Chl-a 含量高于表層, 與北部灣Chl-a 的歷史垂直分布特征相同[15-16], 除光照等因素影響外, 由于底層水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量高于表層(底層水體DIN 含量平均0.12 mg/L, 表層DIN 含量平均0.10 mg/L), 浮游植物在底層生長(zhǎng)更加旺盛。夏季Chl-a 的平面分布趨勢(shì)與春季基本相同, 整體來說, 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長(zhǎng)的特征。

圖3 北部灣北部海域Chl-a 平面分布圖Fig. 3 Spatial distributions of Chl-a in the northern Beibu Gulf

2.2 海水穩(wěn)定度分布特征

從圖4 中可以看出, 春季海水的穩(wěn)定度(平均11.94×10–5m–1)稍高于夏季(平均10.43×10–5m–1),整體差異不大, 兩個(gè)季節(jié)海水的穩(wěn)定度均表現(xiàn)出隨離岸距離的增加而增加的趨勢(shì), 表明河流和沿岸流對(duì)海水穩(wěn)定度的影響較大, 離岸較遠(yuǎn)的海域水體層化作用較強(qiáng), 不利于表底層水體的垂直交換。

2.3 DO 的平面分布特征

北部灣北部海域2011 年春季DO 的平均值為8.11 mg/L(范圍為7.10～8.96 mg/L), 其中表層DO平均值為7.65 mg/L, 飽和度平均為1.15; 底層DO 平均值為7.99 mg/L, 飽和度平均為1.09, 春季表層及底層DO均處于過飽和狀態(tài)(飽和度>1)。夏季DO 平均值為6.05 mg/L(范圍為3.68～6.90 mg/L), 其中表層水體DO 平均值為5.92 mg/L, 飽和度平均為1.04; 底層DO 平均值為5.67 mg/L, 飽和度平均0.90, 為不飽和狀態(tài)。從圖5 可以看出, 整體上春季水體的DO 明顯高于夏季, 一方面是由于春季溫度低于夏季(圖2), 氧氣在春季時(shí)的溶解度相對(duì)更高; 另一方面, 春季Chl-a 含量明顯高于夏季(圖3),浮游植物光合作用產(chǎn)氧較強(qiáng)。從DO 的垂直分布來看(圖5), 春季表底層差異較小; 而夏季表底層差異較大, 其中表層DO含量較高, 且分布均勻, 而底層DO含量較低,并且在中西部海域出現(xiàn)了DO 的低值區(qū)(DO<5.0 mg/L)。

3 討論

3.1 DO 及AOU 與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

3.1.1 DO 與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

圖4 北部灣北部海域春夏兩季穩(wěn)定度分布圖Fig. 4 Spatial distributions of stability in the northern Beibu Gulf

圖5 北部灣北部海域DO 平面分布圖Fig. 5 Spatial distributions of DO in the northern Beibu Gulf

為分析北部灣北部海域影響DO 含量的主要環(huán)境因素, 將DO 與其他環(huán)境因子(T、S、pH、COD、Chl-a、浮游植物總豐度、營(yíng)養(yǎng)鹽等)做Pearson 相關(guān)性分析(表1), 可以看出: 春季表層水體DO 與浮游植物總豐度呈顯著正相關(guān), DO 含量隨浮游植物總豐度的增加而增加, 表明春季表層浮游植物的光合作用(產(chǎn)氧過程)占主導(dǎo)地位; 而夏季表層水體DO 與Chl-a 和SRP含量均呈顯著負(fù)相關(guān), 說明夏季表層海水中營(yíng)養(yǎng)鹽過剩導(dǎo)致浮游植物大量生長(zhǎng), 使得表層海水中浮游植物的消亡分解作用(耗氧過程)占主導(dǎo)地位[8]。春夏兩季表層水體的浮游植物豐度和Chl-a 之間并無顯著相關(guān)性,主要是因?yàn)槭芨∮沃参锛?xì)胞大小[19]、優(yōu)勢(shì)種[20-21]等因素的影響, 兩者并不總是顯著相關(guān)。春夏兩季底層水體DO 均與pH 呈顯著正相關(guān), 可能是因?yàn)楦∮沃参锕夂献饔梦誄O2, 導(dǎo)致水體pH升高, 同時(shí)產(chǎn)生O2, 使DO含量升高。從DO 隨pH 變化的斜率來看, 底層水體的變化斜率(春季斜率為8.20, 夏季為10.62)明顯高于表層(平均3.04), 表明底層水體的光合作用明顯弱于表層, 并且夏季底層的光合作用相對(duì)春季底層更弱一些。

表1 DO 與環(huán)境因子的Pearson 相關(guān)系數(shù)Tab. 1 Pearson’s correlation coefficient between DO and other environment parameters

通過分析DO 表底層的變化量(ΔDO)與環(huán)境因子變化量之間的關(guān)系, 可以更加直觀清楚地了解DO 在垂向水體中消耗的主要影響因素, 將ΔDO 與環(huán)境因子變化量(水體穩(wěn)定度、營(yíng)養(yǎng)鹽及Chl-a 含量變化)做Pearson 相關(guān)性, 分析結(jié)果如表2 所示。

可以看出, 春夏季水體ΔDO 均與海水穩(wěn)定度呈顯著正相關(guān), 說明水體穩(wěn)定度越高, 水體層化作用強(qiáng), 不利于表底層水體的交換, 導(dǎo)致表底層水體之間DO 的差值較大, 體現(xiàn)了海水層化作用(物理過程)對(duì)DO 的影響; 與變化量呈顯著負(fù)相關(guān), 說明從表層到底層隨著DO 的降低,含量增加, 即由于DO 含量的降低,逐漸被還原為, 反映了DO 相對(duì)較低的情況下細(xì)菌反硝化作用的影響。

因?yàn)樯鲜霏h(huán)境因子與DO 之間的關(guān)系是復(fù)雜、模糊、不確定的, 屬于灰色系統(tǒng), 無法用一般的相關(guān)性分析和回歸分析計(jì)算每個(gè)環(huán)境因子對(duì)DO 的影響程度大小[22], 因此采用灰色關(guān)聯(lián)度分析進(jìn)行各因子對(duì)DO 影響程度大小的研究。將與DO 顯著相關(guān)的環(huán)境因子作為關(guān)聯(lián)因子, 做灰色關(guān)聯(lián)度分析, 得到關(guān)聯(lián)系數(shù), 發(fā)現(xiàn)春夏兩季表底層DO 與pH 值均呈顯著正相關(guān)(表1), 且DO 與pH 的關(guān)聯(lián)系數(shù)(0.96 以上)明顯高于其他環(huán)境因子(0.7～0.8), 關(guān)聯(lián)度系數(shù)達(dá)到, 說明相比物理過程(穩(wěn)定度), 生物化學(xué)作用(光合作用與生物氧化分解作用)對(duì)DO 含量的影響更大。

表2 ΔDO 與環(huán)境因子的Pearson 相關(guān)系數(shù)Tab. 2 Pearson’s correlation coefficient between ΔDO and other environment parameters

3.1.2 表觀耗氧量(AOU)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

一般認(rèn)為, AOU 是由浮游植物的光合作用和有機(jī)物的分解作用影響的, 而浮游植物的生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān), 因此, AOU 與營(yíng)養(yǎng)鹽之間存在一定的關(guān)系,根據(jù)Redfield[23]提出的計(jì)算公式, 理論上每生成1 個(gè)磷原子和1 個(gè)氮原子分別需要消耗276 個(gè)和17.2 個(gè)氧原子。

通過分析AOU 與營(yíng)養(yǎng)鹽之間的線性關(guān)系及比值關(guān)系(表3), 可了解該海域是光合作用還是氧化分解作用占主導(dǎo)[24]。

由表3 結(jié)果可知: 春夏兩季ΔSRP/ΔO2或ΔDIN/ΔO2值(營(yíng)養(yǎng)鹽與AOU 斜率值)均小于理論上的Redfield比值(ΔSRP/ΔO2=1︰138; ΔDIN/ΔO2=1︰8.6), 說明春夏兩季均出現(xiàn)了有機(jī)物降解耗氧多, 而營(yíng)養(yǎng)鹽吸收相對(duì)較少的現(xiàn)象: 春、夏季正是生物生長(zhǎng)繁殖的旺盛季節(jié), 藻類豐富, 浮游植物吸收海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽, 而魚蝦貝類又?jǐn)z食浮游植物及消耗水體中氧氣, 釋放的有機(jī)物量增大, 導(dǎo)致表觀耗氧量大[25], 因而氧氣的消耗量相對(duì)大于營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收量, 即說明該海域相對(duì)于浮游植物的產(chǎn)氧過程, 浮游動(dòng)物和有機(jī)體氧化分解的耗氧過程占主導(dǎo)地位。

表3 表觀耗氧量(AOU)與營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性Tab. 3 Relationship between AOU and nutrients

3.2 北部灣北部海域夏季潛在低氧區(qū)形成機(jī)制

由以上分析結(jié)果可知, 北部灣北部海域夏季DO含量整體平均為6.05 mg/L(3.68～6.90 mg/L), 其中部分區(qū)域的底層水體DO 含量低于5 mg/L, 這些站位主要位于研究海域中西部區(qū)域(自北部灣中部向東北方向延伸至潿洲島), 從DO 含量來看, 該區(qū)域水體尚未達(dá)到絕對(duì)低氧(<3 mg/L)的水平, 但已經(jīng)達(dá)到危害生物的水平(<5 mg/L), 同時(shí)相關(guān)性分析結(jié)果顯示該海域DO 的消耗過程強(qiáng)于產(chǎn)生過程, 有發(fā)展成為低氧區(qū)的趨勢(shì), 因此, 將該區(qū)域稱為“潛在低氧區(qū)”, 同時(shí)從地形圖(圖1)可以看出北部灣中西部區(qū)域海底處于相對(duì)封閉的“低洼區(qū)”, 底層水與南海水之間交換較弱,潛在低氧區(qū)一旦形成, 狀況較難得到緩解。

北部灣潛在低氧區(qū)并非是偶然出現(xiàn)的現(xiàn)象, 早在1983—1984 年就觀察到欽州灣外1 個(gè)站位在春夏兩季底層出現(xiàn)潛在低氧區(qū)[26](春夏季DO 含量分別為3.90～4.80 mg/L 和3.87～4.39 mg/L); 2006 年夏季, 拜子龍群島東側(cè)海域、防城港與欽州灣附近海域約4 km2的底層水體出現(xiàn)潛在低氧(DO 含量為2.42～4.84 mg/L); 2011 年夏季底層同樣海區(qū)水體的潛在低氧范圍擴(kuò)大到了39 km2, DO 最低值3.68 mg/L;2016 年9 月[27]在北部灣相同區(qū)域出現(xiàn)絕對(duì)低氧狀況(最低值達(dá)到1.98 mg/L), 且面積達(dá)到119 km2, 到冬季后絕對(duì)低氧現(xiàn)象消失, 2017 年夏季潛在低氧又出現(xiàn)(最低值為3.00 mg/L 左右, 面積約為53 km2)。因此, 北部灣中西部海域季節(jié)性潛在低氧現(xiàn)象存在已久, 且呈季節(jié)性出現(xiàn), 從圖6 中可以看出, 隨著時(shí)間推移DO 最低值逐漸降低, 且(潛在)低氧區(qū)范圍(站位數(shù))呈擴(kuò)大趨勢(shì), 到2016 年夏季時(shí)出現(xiàn)大范圍絕對(duì)低氧區(qū), 因此該海域(潛在)低氧現(xiàn)象整體呈加劇的趨勢(shì)。

圖6 北部灣北部海域潛在低氧區(qū)(DO<5 mg/L)變化趨勢(shì)圖Fig. 6 The trend of potential hypoxic zone (DO<5 mg/L) in the northern Beibu Gulf

北部灣北部海域季節(jié)性潛在低氧狀況逐年加劇的原因, 一方面可能是由于防城港及欽州灣存在多個(gè)生活及工業(yè)排污口, 欽州灣10 個(gè)排污口均位于灣外, 且10 個(gè)排污口均存在不同程度超標(biāo)狀況, 主要超標(biāo)要素為總磷和CODCr, 使欽州灣輕度污染、防城港嚴(yán)重污染[28-29]; 另一方面也有文獻(xiàn)[30]指出, 2008 年后欽州灣春夏季赤潮頻發(fā), 在2010 年北部灣發(fā)生了150 km2的大范圍赤潮[31], 并且2011—2016 年基本上每年北部灣均會(huì)發(fā)生赤潮[32], 2017 年欽州灣海域附近球形棕囊藻暴發(fā)[33]。

由此發(fā)現(xiàn), 2011 年以前北部灣海域(潛在)低氧范圍較小, 且主要為潛在低氧區(qū), 但由于北部灣海域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及生活方式未做出相應(yīng)的改變和調(diào)整, 陸源污染物的排放未得到控制、赤潮頻發(fā), 加劇了DO凈消耗的情況, 使得潛在低氧區(qū)范圍擴(kuò)大、低氧程度加大, 演變?yōu)榈脱鯀^(qū)。

4 結(jié)論

2011 年北部灣北部海域DO 狀況整體上春季明顯好于夏季, 在夏季底層水體中出現(xiàn)了DO 含量低于5.0 mg/L 的區(qū)域, 該區(qū)域DO 含量主要受控于生物化學(xué)作用, 且浮游動(dòng)物和有機(jī)體氧化分解的耗氧過程強(qiáng)于浮游植物的產(chǎn)氧過程, 使得夏季底層水體處于DO 的凈消耗狀態(tài), 有發(fā)展成低氧區(qū)的趨勢(shì)。該潛在低氧區(qū)是長(zhǎng)期存在的, 同時(shí)由于陸源排污及夏季季節(jié)性赤潮的影響, 潛在低氧狀況從2011 年開始呈逐年加劇的狀況, 到2016 年夏季時(shí)出現(xiàn)了較大范圍的絕對(duì)低氧區(qū)(DO<3 mg/L)。因此, 當(dāng)類似于北部灣的半封閉性海灣發(fā)生潛在低氧現(xiàn)象時(shí), 應(yīng)引起充分關(guān)注, 及時(shí)調(diào)整經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 控制陸源污染物的入海排放總量, 改善DO 凈消耗增大的情況, 扭轉(zhuǎn)低氧區(qū)的形成。