山東半島東部近海海水溶解氧時(shí)空變化

劉鵬霞,劉子洲,翟方國(guó),顧艷鎮(zhèn),何健龍,靳 洋,何 鑫,陳愛華

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100; 2.山東省海洋資源與環(huán)境研究院,山東 煙臺(tái)264006; 3.乳山市海洋監(jiān)測(cè)中心,山東 威海 264500)

海水中的溶解氧(dissolved oxygen,DO)能夠指示海洋生物生長(zhǎng)和海洋環(huán)境質(zhì)量狀況,其含量和變化趨勢(shì)已經(jīng)成為全球性的研究課題。在氣溫和海表面溫度升高的趨勢(shì)下,近岸和深海大洋的溶解氧濃度逐年降低[1-3],其中,河口、沿岸和灣流區(qū)出現(xiàn)的低氧現(xiàn)象(溶解氧濃度小于2 mg/L)[4]更受人關(guān)注。

黃海作為典型的半封閉型陸架淺海,大氣、海洋和陸地相互作用強(qiáng)烈,被稱為黃海大海洋生態(tài)系[5]。山東半島呈楔狀深入黃海,海岸線變化曲折[6],其近岸海域是我國(guó)重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)和漁業(yè)捕撈場(chǎng)所[7],截至2019年,山東省共建成44個(gè)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)。山東沿岸海域在我國(guó)現(xiàn)代化漁業(yè)建設(shè)中占據(jù)了重要地位,其生態(tài)環(huán)境狀況受到關(guān)注,李先超等人對(duì)山東半島沿岸及海灣內(nèi)的溶解氧進(jìn)行了較深入研究[8-14]。但是,受限于時(shí)空尺度,目前關(guān)于黃海溶解氧的監(jiān)測(cè)主要集中在南黃海,且采樣站點(diǎn)也多離岸較遠(yuǎn)[15-17],而近岸海域溶解氧的研究則多基于少數(shù)海灣或單一季節(jié),本文根據(jù)2015—2017年的溶解氧資料,探究山東半島東部近海溶解氧的時(shí)空分布特征和影響因素。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所用數(shù)據(jù)來自山東省海洋資源與環(huán)境研究院及山東省周邊的地方海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站(如威海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、乳山市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站等),監(jiān)測(cè)參量包括溶解氧體積濃度(以下簡(jiǎn)稱溶解氧濃度,mg/L)、水溫(℃)、鹽度和pH,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)按照海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB 17378.4—2007)執(zhí)行,其中溶解氧采用碘量法測(cè)得,水溫和鹽度由CTD測(cè)得,pH由pH計(jì)測(cè)得,表層采樣深度均為0.5 m,底層采樣深度視站位水深而定。資料時(shí)間長(zhǎng)度為2015—2017年這3年的3月、5月、8 月、10 月,空間范圍為 120.9°E～122.8°E,36.0°N～37.4°N。每個(gè)月的監(jiān)測(cè)站位大致相同,僅個(gè)別站位有出入,各變量的具體監(jiān)測(cè)站位數(shù)量如表1所示。因此統(tǒng)一監(jiān)測(cè)站位,共得到表層149個(gè)站位,底層35個(gè)站位,并以此作為下文溶解氧分析結(jié)果的依據(jù)。研究區(qū)域的地形如圖1所示,可以看出,山東半島東部近海包含眾多海灣,自北至南分別有榮成灣、桑溝灣、靖海灣、五壘島灣、乳山灣和丁字灣,水深均在20 m以淺,而成山頭和石島海域,水深較深,可達(dá)30 m。

表1 研究海域監(jiān)測(cè)站位分布數(shù)量表Tab.1 Distribution of monitoring stations in the study sea area

圖1 山東半島東部近海地形Fig.1 Coastal sea area topography of the eastern Shandong Peninsula

1.2 計(jì)算方法

海水的飽和溶解氧濃度計(jì)算過程參見文獻(xiàn)[18],表觀耗氧量(apparent oxygen utilization,AOU)的計(jì)算公式如下:

其中,DOsat為根據(jù)實(shí)測(cè)溫鹽數(shù)據(jù)計(jì)算的飽和溶解氧濃度,DOobs為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的海水溶解氧濃度。

2 結(jié)果分析

山東半島東部近海海域DO體積濃度(以下簡(jiǎn)稱DO濃度)的區(qū)域平均值和變化范圍如表2所示,可以看出,DO濃度的季節(jié)變化為3月＞5月＞10月＞8月。根據(jù)《中華人民共和國(guó)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)》,可知研究海域的 DO整體符合一類海水水質(zhì)(DO＞6 mg/L)標(biāo)準(zhǔn),但在夏季某些監(jiān)測(cè)站位的海水水質(zhì)較差,僅為三類海水(DO＞4 mg/L)。此外,在監(jiān)測(cè)期間,表底層均未出現(xiàn)DO濃度低于2 mg/L的低氧現(xiàn)象。

表2 山東半島東部近海溶解氧濃度及變化范圍/(mg·L-1)Tab.2 Concentration and variation range of DO in the eastern coastal area of the Shandong Peninsula (mg·L-1)

表層(圖2)和底層(圖3)的DO濃度在空間上均呈不連續(xù)的塊狀分布,且表現(xiàn)出多尺度的時(shí)間變化特征。下文將以此為依據(jù),分析和探究山東半島東部近海DO濃度的時(shí)空變化特征和影響機(jī)制。

圖2 表層原始溶解氧體積濃度空間分布散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of the spatial distribution of surface DO volume concentration

圖3 底層原始溶解氧體積濃度空間分布散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of the spatial distribution of bottom DO volume concentration

2.1 多年平均分布

DO濃度多年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布如圖4所示。根據(jù)DO濃度的平面分布特征和波動(dòng)特征,并結(jié)合山東半島近海海域的區(qū)位條件和海域功能(如成山頭海域?yàn)槌毕?、潮流等海洋能利用區(qū),乳山灣海域?yàn)樵鲳B(yǎng)殖漁業(yè)資源利用區(qū)等),本文將研究區(qū)域分為4塊小區(qū),分別是成山頭至桑溝灣近海區(qū)域(下文記為Ⅰ區(qū))、石島至五壘島灣近海區(qū)域(下文記為Ⅱ區(qū))、乳山灣及至丁字灣近海區(qū)域(下文記為Ⅲ區(qū))和丁字灣外海區(qū)域(下文記為Ⅳ區(qū))(圖4a)。多年平均值能夠清晰地表明DO的空間分布形態(tài),由圖4a可以看出,表層DO濃度的區(qū)域平均值為8.58 mg/L,變化范圍為7.70～9.44 mg/L,在空間上呈現(xiàn)出北高南低、外海高于近岸、灣內(nèi)低于灣外的分布特點(diǎn); 由圖4c可以看出,底層監(jiān)測(cè)站位主要分布在成山頭至石島近海和丁字灣外海等水深較深的站位,底層DO濃度的區(qū)域平均值為 8.63 mg/L,變化范圍為 7.93～9.36 mg/L,其平面分布特征與表層基本一致,僅石島近海海域的DO濃度較表層略低。表底層DO濃度的一致性反映出上下層水體的均一性較強(qiáng),這主要是由于研究海域水深較淺,水體混合較均勻所致。

標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映 DO濃度隨月份的波動(dòng)情況,由圖4b和4d可以看出,DO濃度的標(biāo)準(zhǔn)差也呈塊狀分布,且表底層標(biāo)準(zhǔn)差的量值大小和分布形態(tài)基本一致。其中,Ⅱ區(qū)站位的標(biāo)準(zhǔn)差基本小于1 mg/L,為標(biāo)準(zhǔn)差低值區(qū),尤其以石島近海的標(biāo)準(zhǔn)差最小,說明當(dāng)?shù)氐腄O濃度比較穩(wěn)定,波動(dòng)幅度較小。Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)站位的標(biāo)準(zhǔn)差量值相當(dāng),基本處于 1.5～2.5 mg/L的范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)在Ⅲ區(qū)的乳山灣內(nèi),為2.68 mg/L。DO波動(dòng)較大的區(qū)域,其影響因素不同,Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)的 DO主要受黃海潮波系統(tǒng)的影響,而Ⅲ區(qū)DO則受人類活動(dòng)的影響更大。

圖4 溶解氧體積濃度多年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差空間分布Fig.4 Spatial distribution of multiyear average (a: surface layer; c: bottom layer) and standard deviation (b: surface layer;d: bottom layer) of DO

2.2 季節(jié)和年際變化

區(qū)域平均的DO濃度時(shí)間序列如圖5a所示?？梢钥闯?在監(jiān)測(cè)期間 DO濃度呈現(xiàn)出顯著的月際變化特征,表現(xiàn)為一年內(nèi)3月最高,8月最低。全部站位與表層站位的 DO濃度變化趨勢(shì)幾乎完全一致,而底層 DO濃度與之有明顯差異,具體表現(xiàn)為除2015年3月、10月和2017年8月、10月外,其他月份底層的 DO濃度均高于表層。鑒于底層的監(jiān)測(cè)站位多位于水深較深的近外海區(qū)域,因此側(cè)面反映出外海的DO濃度高于近岸。

為更好地探究 DO濃度的季節(jié)變化特征,畫出逐月平均的 DO濃度空間分布如圖5b—i所示。由圖5b—e可以看出,表層DO濃度的季節(jié)變化特征為3 月(10.2 mg/L)＞5 月(8.63 mg/L)＞10 月(8.10 mg/L)＞8月(7.44 mg/L),即觀測(cè)期間內(nèi)春季DO濃度最高、夏季最低。海水溫度對(duì)氧氣的溶解度起主要作用,海水溫度越高,溶解度越低,反之亦然,因此DO濃度的季節(jié)變化趨勢(shì)與溫度相反。水平分布上,表層DO濃度具有明顯的塊狀特征,且不同月份的空間分布形態(tài)不同,具體表現(xiàn)為: 3月,除Ⅱ區(qū)為DO濃度低值區(qū)外,其他區(qū)域均為相對(duì)的 DO濃度高值區(qū),尤其以成山頭和乳山灣鄰近海域的 DO濃度最高,可達(dá)12 mg/L; 5月,研究區(qū)域的DO濃度自北向南逐漸降低,Ⅰ區(qū)為DO濃度高值區(qū),Ⅱ區(qū)為過渡區(qū),Ⅲ區(qū)為低值區(qū),而位于相對(duì)外海的Ⅳ區(qū),其DO濃度不同于相鄰的近海站位,表現(xiàn)為高DO濃度(約為10.5 mg/L);8月和 10月 DO濃度的空間分布形態(tài)基本一致,均與 3月呈相反態(tài)勢(shì),即除Ⅱ區(qū)為 DO濃度高值區(qū)外,其他區(qū)域均為相對(duì)的DO濃度低值區(qū),其中DO濃度最低值出現(xiàn)在乳山灣內(nèi)(＜5 mg/L),10月的DO濃度分布較 8月更為均勻、空間變化幅度更小。對(duì)于不同小區(qū),其季節(jié)變化特征不完全相同,Ⅱ區(qū)變化較小,Ⅰ區(qū)成山頭和Ⅲ區(qū)乳山灣近岸海域的 DO濃度變化較為劇烈。底層DO濃度的季節(jié)變化特征與表層基本一致,表現(xiàn)為 3 月(10.1 mg/L)＞5 月(8.97 mg/L)＞10月(7.90 mg/L)＞8月(7.52 mg/L),空間分布形態(tài)也基本相同,此處不再贅述(圖5f—i)。

圖5 DO濃度區(qū)域平均時(shí)間序列(a)和逐月平均值(b—e: 表層; f—i: 底層)、年平均值(j—l: 表層; m—o: 底層)平面分布Fig.5 Regional mean time series (a) and spatial distribution of monthly (b-e,surface layer; f-i,bottom layer) and annual average (j-l,surface layer; m-o,bottom layer) of DO

DO濃度年平均值能夠反映DO在一年內(nèi)的整體分布情況(圖5j—o),由圖5j—l可以看出,表層DO濃度的年際變化趨于穩(wěn)定,隨年份僅有輕微波動(dòng),表現(xiàn)為 2015 年(8.75 mg/L)＞2017 年(8.62 mg/L)＞2016 年(8.39 mg/L)。在不同年份,表層DO均呈現(xiàn)北高南低的分布趨勢(shì),但不同小區(qū)的年際變化不同,具體表現(xiàn)為: Ⅰ區(qū)為 DO 濃度高值區(qū),隨年份無明顯變化; Ⅱ區(qū)尤其是靖海灣和五壘島灣近海的DO年際變化顯著,2015年為DO濃度高值區(qū)(＞9 mg/L),2016年DO濃度顯著降低(＜8 mg/L),而 2017年又有升高(～8 mg/L),但仍處于中等濃度水平; Ⅲ區(qū)為 DO濃度低值區(qū),尤其在2016年出現(xiàn)DO濃度極低值(＜7.5 mg/L); Ⅳ區(qū)的DO濃度隨年份有升高趨勢(shì),自8.5 mg/L升高至9 mg/L左右。底層的 DO濃度表現(xiàn)為 2017年(8.65 mg/L)＞2015年(8.63 mg/L)＞2016年(8.61 mg/L),其年際變化與表層不完全相同,主要是Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)的 DO濃度在 2015年與表層相差較大,其他年份則基本一致(圖5m—o)。

2.3 垂向分布

為探究不同月份的 DO濃度垂向分布特征,畫出DO體積濃度-深度的散點(diǎn)圖(圖6a—d)。其中,各站位的表層監(jiān)測(cè)深度均為 0.5 m,水深較深(一般大于 20 m)的站位有中層和底層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),中層監(jiān)測(cè)深度一般為10 m,底層監(jiān)測(cè)深度視站位具體水深而定,因此,該散點(diǎn)圖主要展示近外海區(qū)域的 DO垂向分布特征?？梢钥闯?3月和5月的DO濃度在垂向上基本呈均勻分布,到了8月和10月,DO濃度隨深度有明顯下降趨勢(shì)。對(duì)于不同的垂向分布情況,猜測(cè)是由于春季受到較強(qiáng)東北季風(fēng)的作用,導(dǎo)致上下層的水體混合較均勻,垂向上的 DO濃度相差不大; 而到了8月和10月,在強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和較弱的偏南季風(fēng)作用下,研究海域上下層水體交換不通暢,表層高氧水不能及時(shí)被帶到底層,再加上底層DO被沉積物消耗,故出現(xiàn)水深越深、DO濃度越低的現(xiàn)象。

圖6 DO-深度散點(diǎn)圖(a—d)和相關(guān)站位DO濃度剖面圖(e—h)Fig.6 DO-depth scatter diagram (a-d) and DO concentration profile (e-h) of related stations

選取同時(shí)具有表、中、底層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的站位(位于成山頭、石島和丁字灣外海的少數(shù)站位)畫出其DO濃度剖面圖(圖6e—h),該圖能夠更直觀地展示 DO的垂向分布情況?？梢钥闯?3月多數(shù)站位的垂向分布均勻,表、中、底層的DO濃度基本相同,少數(shù)站位的DO濃度在垂向上有顯著變化,或自表層至底層逐漸增加(或減小),或隨深度先減小后增大。在5月、8月和10月,DO的垂向分布與上述DO-深度散點(diǎn)圖反映的特征一致,此處不再贅述。

2.4 AOU時(shí)空分布

研究區(qū)域位于山東半島近岸,存在多條徑流輸入(如靖海灣有青龍河入海,五壘島灣有母豬河及昌陽(yáng)河入海,乳山灣有乳山河、鋸河入海等),營(yíng)養(yǎng)鹽含量高,生物化學(xué)活動(dòng)劇烈。AOU能表征水體中 DO的貧富狀態(tài),當(dāng) AOU＜0時(shí),說明海水中DO 處于飽和或過飽和的富氧狀態(tài),而當(dāng) AOU＞0時(shí),則表明水體處于氧虧損的貧氧狀態(tài)。AOU能夠過濾海水的溫、鹽等物理特性,凸顯生化過程,表層AOU的空間分布和區(qū)域平均的時(shí)間序列如圖7所示。

圖7 表層AOU空間分布(a—l)和區(qū)域平均時(shí)間序列(m)Fig.7 Spatial distribution of surface AOU (a-l) and regional mean time series (m)

AOU的區(qū)域平均時(shí)間序列(圖7m)表明,在監(jiān)測(cè)期間,研究海域整體處于 DO飽和或過飽和狀態(tài)(AOU =-0.33 mg/L),僅在少數(shù)月份,區(qū)域平均的 AOU大于0,分別是 2016年 3月(0.06 mg/L)、2016年 10月(0.04 mg/L)和2017年3月(0.16 mg/L),這表明在研究區(qū)域內(nèi),浮游植物的光合作用過程基本強(qiáng)于有機(jī)物的耗氧過程。同時(shí),山東半島東部近海的AOU也表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化(圖10a—l),具體表現(xiàn)為:在監(jiān)測(cè)期間,Ⅰ區(qū)海域基本處于富氧狀態(tài),即AOU為明顯負(fù)值,僅在少數(shù)時(shí)間出現(xiàn)了貧氧現(xiàn)象(2015年8月和2016年3月),這說明Ⅰ區(qū)基本為富氧海水區(qū);Ⅱ區(qū)與Ⅰ區(qū)類似,但在 3月出現(xiàn)貧氧現(xiàn)象(AOU＞0),其他時(shí)間該海域的AOU則均為負(fù)值,這說明Ⅱ區(qū)海域的生物供氧活動(dòng)也較強(qiáng),但在 3月水溫較低的情況下,該海域的浮游植物光合作用較弱; Ⅲ區(qū)海域普遍存在貧氧狀況,除2015年10月外,該區(qū)域均出現(xiàn)貧氧(AOU＞0)站位,尤其以2015年5月、2016年8月和 10月的貧氧范圍大、程度嚴(yán)重,猜測(cè)這主要是由于當(dāng)?shù)孛芗乃a(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致有機(jī)物聚集并大量耗氧; Ⅳ區(qū)海域在春季為富氧狀態(tài)(AOU＜0),而在夏秋季常出現(xiàn) DO濃度不飽和現(xiàn)象,與此對(duì)應(yīng)的是當(dāng)?shù)厝~綠素濃度較低[19]。

3 影響因素

3.1 溫度和鹽度

利用同期監(jiān)測(cè)的海水溫度和鹽度資料,來探究溫鹽要素對(duì)DO分布的影響,得到表層實(shí)測(cè)溫鹽數(shù)據(jù)的區(qū)域平均值及變化范圍如表3所示?？梢钥闯?表層海水溫度具有顯著的季節(jié)變化特征,表現(xiàn)為 8月＞10月＞5月＞3月,監(jiān)測(cè)期間的最低溫出現(xiàn)在2016年3月,為 2.6 ℃,最高溫出現(xiàn)在 2016年 8月,為 31.4 ℃,這與表層 DO的季節(jié)變化恰好相反。與海水溫度不同,鹽度的年際變化較季節(jié)變化特征更顯著,監(jiān)測(cè)期間的鹽度最低值出現(xiàn)在2017年 8月,為 21.7,最高值出現(xiàn)在2017年5月,為34.6,此外,可以看出區(qū)域平均的鹽度值均小于 33,明顯低于外海海水鹽度,說明研究區(qū)域主要受到由入海江河淡水和高鹽海水混合形成的沿岸水系影響。

表3 山東半島東部近海表層溫度、鹽度Tal.3 Average value and variation range of surface temperature (℃) and salinity in the eastern coastal area of the Shandong Peninsula

表層實(shí)測(cè)海水溫度的空間分布如圖8所示,結(jié)合表3可知,表層海水溫度具有顯著的季節(jié)變化特征: 8月＞10月＞5月＞3月,與研究海域表層DO的季節(jié)變化趨勢(shì)恰好相反。溫度是影響海水飽和溶解氧濃度的關(guān)鍵因素,溫度越低,飽和DO濃度越高,反之亦然?？傮w上,山東半島東部近海的溫度呈南高北低,近岸高外海低的塊狀分布特征,因此研究海域的海水溫度也可按照 DO的標(biāo)準(zhǔn)劃分成 4區(qū)。具體來看,Ⅰ區(qū)海域在春季和夏季(3月、5月、8月)均為顯著低溫區(qū),與該區(qū)域存在的 DO高值區(qū)相對(duì)應(yīng)(2015年 8月除外),而到了 10月,該區(qū)域的水溫呈現(xiàn)出顯著的年際變化(2015、2016年為高溫區(qū),可達(dá)20 ℃; 2017年有所降低,僅為18 ℃左右),并與表層DO濃度的變化呈相反態(tài)勢(shì)(2015、2016年較低,約為8 mg/L; 2017年有所升高,約為8.5 mg/L)(見圖2); Ⅱ區(qū)石島鄰近海域的溫度變化特征與Ⅰ區(qū)相似,但5月和8月該海域的水溫較Ⅰ區(qū)高2 ℃左右,對(duì)應(yīng)圖2中較高的DO濃度,而Ⅱ區(qū)的靖海灣和五壘島灣海域在2017年3月和10月表現(xiàn)出異常低溫現(xiàn)象,與DO的濃度對(duì)應(yīng)不完全一致,這說明海水溫度不是影響該海域 DO的唯一因素; Ⅲ區(qū)海域?yàn)槿旮邷貐^(qū),尤其以沿岸區(qū)域更加明顯(2017年10月除外),但對(duì)應(yīng)到表層DO,發(fā)現(xiàn)該海域并非全年的DO濃度低值區(qū),且DO濃度最低值多出現(xiàn)在乳山灣和丁字灣口,而不是溫度最高的沿岸海域,猜測(cè)陸源輸入對(duì)Ⅲ區(qū)海域DO的影響較海水溫度可能更大; Ⅳ區(qū)遠(yuǎn)離近岸,其海表溫度隨時(shí)間變化較小,且與DO的負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著。綜上所述,山東半島東部海域DO的時(shí)空分布受到海水溫度的影響顯著,其中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的石島海域主要受海水溫度影響,而其他區(qū)域的海水溫度不是影響 DO的唯一因素,沿岸海域尤其是灣口處的DO濃度在很大程度上受到陸源要素影響。

圖8 表層原始溫度空間分布散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter diagram of the spatial distribution of surface temperature

相較海水溫度而言,鹽度的時(shí)空變化特征更為復(fù)雜,表層實(shí)測(cè)鹽度的空間分布如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn),受徑流輸入和降水的影響,研究海域的鹽度在夏季(8月)達(dá)到最低,而在其他月份則相差不大。其中Ⅰ區(qū)海域?yàn)槿旮啕}區(qū),該區(qū)域水深較深,主要受到南黃海高鹽海水的影響; Ⅱ區(qū)石島海域的水深與Ⅰ區(qū)相差不多,但其鹽度卻顯著低于Ⅰ區(qū)的表層鹽度; Ⅲ區(qū)沿岸海域基本為全年的中高鹽度區(qū),包括有淡水輸入的 8月也不例外,可能是由于該海域?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),密集的養(yǎng)殖導(dǎo)致大量污水入海,顯著影響了該區(qū)域的鹽度; Ⅳ區(qū)海域位于近外海區(qū)域,但其海水鹽度卻低于鄰近的近岸海水,尤其是在2016年,該差異更為顯著。綜合來看,表層鹽度與DO呈輕微正相關(guān)趨勢(shì),但僅從月際的空間分布變化不能明確判斷兩者的相關(guān)關(guān)系。

圖9 表層原始鹽度空間分布散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter diagram of the spatial distribution of surface salinity

為了更直觀地探究海水溫度和鹽度對(duì)DO的影響,畫出DO-溫度和DO-鹽度散點(diǎn)圖如圖10a—h所示?？梢钥闯?除 10月外,其他月份的溫度和 DO均呈顯著負(fù)相關(guān),而鹽度與 DO呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系,這與上文得到的DO、溫度和鹽度的時(shí)空分布特征結(jié)論一致。對(duì)各個(gè)月份的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行區(qū)域平均,得到DO、海水溫度和鹽度的時(shí)間序列如圖10i所示。區(qū)域平均的時(shí)間序列表明,海水溫度和 DO均具有明顯的季節(jié)變化特征,且隨時(shí)間呈顯著負(fù)相位變化趨勢(shì),即溫度高,DO濃度反而低,兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.95; 與海水溫度和 DO相比,鹽度的季節(jié)變化特征沒有年際特征顯著,此外,區(qū)域平均的時(shí)間序列顯示在某些月份,鹽度和 DO濃度呈正相位變化趨勢(shì),但相關(guān)系數(shù)較低,表明兩者并不顯著相關(guān)。

圖10 表層DO-溫度、DO-鹽度散點(diǎn)圖(a—h)和區(qū)域平均時(shí)間序列(i)Fig.10 Surface DO-temperature (a-d),DO-salinity scatter diagrams (e-h),and regional mean time series (i)

3.2 生物與化學(xué)因素

分析表明,Ⅲ區(qū)海域在5月、8月和10月常為DO濃度低值區(qū),且DO濃度與海水溫度的負(fù)相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系不完全吻合,這說明溫度不是影響當(dāng)?shù)?DO的唯一因素,猜測(cè)陸源輸入也起到一定的調(diào)控作用。為此,下文用 pH來衡量海水受陸源污染物的影響程度,得到研究海域表層的 pH分布如圖11所示,并與Ⅲ區(qū)的DO濃度分布進(jìn)行對(duì)比。中華人民共和國(guó)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097—1997)規(guī)定,pH在 7.8～8.5的海水為一、二類水質(zhì),適用于海洋漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等對(duì)水質(zhì)要求較高的生產(chǎn)活動(dòng),而 pH在6.8～8.8范圍內(nèi)的海水則屬于第三、四類水質(zhì),這類海水只適用于工業(yè)用水和海洋港口建設(shè)。由圖11可以看出,Ⅲ區(qū)乳山灣內(nèi)的pH在5月、8月和10月均小于7.8,Ⅲ區(qū)沿岸海域的pH也常超過一、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍,其中2015年5月和8月均低于7.8,而2016年8月和2017年(3月除外)則高于8.5,這說明Ⅲ區(qū)海水水質(zhì)確實(shí)受到由陸源輸入和水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機(jī)物污染。而在灣口和沿岸海域大量聚集的有機(jī)物,其降解過程也會(huì)大量消耗海水中的DO,導(dǎo)致Ⅲ區(qū)海域?yàn)槌Ｄ甑腄O濃度低值區(qū),佐證了上文中關(guān)于研究海域低DO濃度和貧氧現(xiàn)象發(fā)生原因的猜測(cè)。

圖11 表層原始pH空間分布散點(diǎn)圖Fig.11 Scatter diagram of the spatial distribution of surface pH

海水DO的時(shí)空分布特征和影響因素非常復(fù)雜,涉及物理、生物、化學(xué)等多種過程。本文缺少營(yíng)養(yǎng)鹽等化學(xué)要素?cái)?shù)據(jù),因此對(duì)影響因素的探討不夠全面。因此,未來在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,可以借助三維生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型來全面地模擬近岸海域生態(tài)要素的時(shí)空分布情況,為漁業(yè)生產(chǎn)和海洋環(huán)境治理提供更加科學(xué)的理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文基于山東省海洋資源與環(huán)境研究院監(jiān)測(cè)的2015—2017年的DO資料,根據(jù)DO濃度的高低和波動(dòng)特征,將研究海域分為4個(gè)小區(qū)域,分別是成山頭至桑溝灣近海(Ⅰ區(qū))、石島至五壘島灣近海(Ⅱ區(qū))、乳山灣至丁字灣近海(Ⅲ區(qū))和丁字灣外海區(qū)域(Ⅳ區(qū)),全面分析了山東半島東部近海 DO的時(shí)空變化特征,并討論了海水溫度、鹽度等要素對(duì)它的影響機(jī)制,得到如下結(jié)論:

1) 研究海域的DO基本符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(DO＞6 mg/L),在水平上呈現(xiàn)出北高南低、外海高近岸低、灣內(nèi)低于灣外的塊狀分布特點(diǎn),垂向上表層高于底層。

2) 監(jiān)測(cè)期間,DO的季節(jié)變化特征為春季最高,夏季最低,具體表現(xiàn)為表層 3月(10.2 mg/L)＞5月(8.63 mg/L)＞10 月(8.10 mg/L)＞8 月(7.44 mg/L),底層3 月(10.1 mg/L)＞5 月(8.97 mg/L)＞10 月(7.90 mg/L)＞8月(7.52 mg/L),其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)海域尤其是榮成灣、桑溝灣和乳山灣灣口表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)波動(dòng)特征,猜測(cè)受到淡水徑流和陸源輸入影響較大。監(jiān)測(cè)期間,DO的年際變化趨于穩(wěn)定,表底層略有不同,具體表現(xiàn)為表層 2015 年(8.75 mg/L)＞2017 年(8.62 mg/L)＞2016年(8.39 mg/L),底層 2017年(8.65 mg/L)＞2015年(8.63 mg/L)＞2016年(8.61 mg/L),其中Ⅱ區(qū)尤其是靖海灣和五壘島灣近海的 DO濃度具有顯著的年際變化,其他區(qū)域的年際變化則較小。

3) 表層區(qū)域平均的AOU為-0.33 mg/L,說明監(jiān)測(cè)期間山東半島東部近海整體上處于 DO飽和或過飽和狀態(tài),其中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)海域?yàn)楦谎鹾^(qū),浮游植物的光合作用較強(qiáng); 而Ⅲ區(qū)海域受到陸源輸入和水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響,有機(jī)物的耗氧活動(dòng)強(qiáng)于浮游植物的產(chǎn)氧過程,導(dǎo)致乳山灣沿岸區(qū)域頻發(fā)貧氧狀況。

4) 監(jiān)測(cè)期間,海水溫度和 DO呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,溫度越高,DO濃度越低,兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.95,鹽度對(duì)DO的影響則相對(duì)較弱。其中,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)石島海域的 DO分布主要受海水溫度影響,當(dāng)?shù)剌^高的 DO濃度與常年存在的低溫水相對(duì)應(yīng); Ⅲ區(qū)尤其是乳山灣和沿岸區(qū)域常常為 DO濃度低值區(qū),這不僅受到較高海水溫度的影響,更受到陸源輸入和水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量有機(jī)物控制。乳山灣和沿岸海域的pH常超過一、二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍,當(dāng)?shù)鼐奂挠袡C(jī)物耗氧是造成Ⅲ區(qū)海域?yàn)?DO濃度低值區(qū)的重要原因。