浙江近岸海域溶解氧的時(shí)空分布特征

劉瑞娟　陳思楊　余駿等

關(guān)鍵詞：浙江近岸海域;溶解氧;時(shí)空分布;低氧

中圖分類號：P734.2;P76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0013-08

0 引言

溶解氧是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要生源要素參數(shù)，是海洋生命活動必不可少的物質(zhì)[1]，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。海水中溶解氧的變化是各種物理、化學(xué)和生物共同作用的結(jié)果[2]，其飽和度的變化可以表征水體生態(tài)環(huán)境的變化。在近岸海域，溶解氧及其飽和度的變化受到多種因素的共同影響，包括入海徑流、外海洋流、浮游生物光合呼吸作用、有機(jī)質(zhì)的降解等，但在某個(gè)區(qū)域的主要控制因素可能略有差異，因此分析特定海域溶解氧及其飽和度的影響因素，對于掌握該區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境的變化與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

低氧現(xiàn)象是目前全球海洋領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)問題，現(xiàn)在被認(rèn)為是海洋生態(tài)災(zāi)害現(xiàn)象，其可以導(dǎo)致海洋生物生境消失、生物死亡、物種組成和群落結(jié)構(gòu)改變、生物多樣性降低以及生物競爭加劇等[3]，嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)安全。通常水體中溶解氧含量低于3mg/L時(shí)稱為低氧，低于2mg/L時(shí)稱為缺氧，這種現(xiàn)象目前多出現(xiàn)在近岸河口區(qū)域。國外如墨西哥灣等存在很嚴(yán)重的缺氧現(xiàn)象。國內(nèi)目前研究較多的是長江口和珠江口外側(cè)海域存在季節(jié)性底層低氧現(xiàn)象[3-4]。其中，長江口附近低氧主要是由長江入海徑流形成溫鹽躍層阻礙上下層水體交換和底層有機(jī)質(zhì)降解耗氧所導(dǎo)致的[5-6]。

浙江是海洋大省，海域面積遼闊，受長江入海徑流影響較大，對于浙江近岸海域溶解氧的調(diào)查研究可以追溯到20世紀(jì)80年代。樊安德[7]對浙江近岸水深淺于20m 區(qū)域的四季溶解氧分布狀況進(jìn)行報(bào)道;王玉衡等[8]研究浙南區(qū)域春季溶解氧分布狀況，并探討與其他要素的相互關(guān)系;楊慶霄等[9]和胡小猛等[10]在對黃東海溶解氧的時(shí)空分布特征研究中涉及部分浙江海域;盧勇等[11]對長江口及鄰近海域表層水體溶解氧飽和度的季節(jié)變化研究中涉及浙北部分海域;柴小平等[12]分析浙江近岸海域春季溶解氧飽和度分布狀況及影響因素。而針對浙江近岸全部管轄海域多年多季節(jié)的海水溶解氧及其飽和度的變化研究還未見報(bào)道。已有研究表明，浙江近岸海域底層也存在低氧區(qū)[13，5]，并存在明顯的季節(jié)變化，春末夏初形成，8月最為嚴(yán)重，秋季減弱，冬季消失[14-15]，但對于低氧的多年連續(xù)監(jiān)測報(bào)道還較缺乏。本研究基于2014—2018年多年多季節(jié)的浙江近岸海域溶解氧和相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析浙江近岸海域溶解氧的時(shí)空分布特征及其影響因素，并結(jié)合資料分析研究區(qū)域低氧的年際發(fā)生情況及可能原因，對于深入了解浙江近岸海域溶解氧的變化及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義，同時(shí)為預(yù)警海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化提供數(shù)據(jù)資料支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)檎憬逗Ｓ?，北界從浙滬交界的金絲娘橋起向海延伸至領(lǐng)海外部界線，南界從浙閩交界的虎頭鼻經(jīng)七星島（星仔島）南端至27°N 往東延伸至領(lǐng)海外部界線，面積約4.4萬km²[16]。分析數(shù)據(jù)來源于浙江近岸海域海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，2014—2018年分別有299個(gè)、312個(gè)、315個(gè)、344個(gè)和344個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站位。選用2018年3月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和10月（秋季）的表底層監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)變化和空間變化的分析，選用2014—2018年8月（夏季）表層監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行年際變化的分析，選用2014—2018年8月（夏季）底層監(jiān)測數(shù)據(jù)初步探討低氧現(xiàn)象出現(xiàn)的情況。

研究區(qū)域主要受到浙閩沿岸流和臺灣暖流的影響。浙閩沿岸流主要分布在長江口以南的浙閩沿岸區(qū)域，由長江和錢塘江的入海徑流與海水混合而成，具有低溫、低鹽、高營養(yǎng)鹽的特征。春秋冬季，浙閩沿岸流受東北季風(fēng)的影響向西南方向流動，影響研究海域，其中冬季影響程度和范圍最廣，可至50m 等深線的近海一側(cè)，表層最多可達(dá)60m等深線;夏季浙閩沿岸流受東南季風(fēng)的影響而轉(zhuǎn)為東北流向，只影響浙北海域[17-18]。臺灣暖流是黑潮的分支，來源于北赤道暖流，自西南流向東北，冬季影響范圍有限，位于50m 等深線的外海一側(cè)，在底層最多可達(dá)30m 等深線;夏季較強(qiáng)勁，進(jìn)一步向陸延伸，對浙江近岸海域的影響較大[17-19]。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

海水樣品的采集和分析均嚴(yán)格按照海洋監(jiān)測規(guī)范[20]和海洋調(diào)查規(guī)范[21]的相關(guān)要求進(jìn)行。現(xiàn)場使用采水器采集水樣，溶解氧水樣采集后立即加入氯化錳和堿性碘化鉀進(jìn)行現(xiàn)場固定，待樣品瓶內(nèi)沉淀完全后加酸溶解，再用硫代硫酸鈉滴定，根據(jù)滴定用量換算溶解氧的含量。溫度、鹽度和pH 值根據(jù)現(xiàn)場攜帶的溫度計(jì)、鹽度計(jì)和pH 計(jì)測定獲取?；钚粤姿猁}、活性硅酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨鹽等營養(yǎng)鹽的水樣通過0.45μm 醋酸纖維濾膜過濾后帶回實(shí)驗(yàn)室，通過分光光度法測定。所有樣品的分析測定過程均通過質(zhì)量控制，符合質(zhì)量控制要求。

1.2.2 計(jì)算方法

溶解氧飽和度的計(jì)算參考海洋調(diào)查規(guī)范[21]，其計(jì)算公式為：

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本研究利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用ArcGIS進(jìn)行反距離插值擬合繪制平面分布圖，利用R語言進(jìn)行多要素相關(guān)性分析繪圖，利用Origin繪制相關(guān)圖件。

2 結(jié)果與討論

2.1 空間分布

2.1.1 水平分布

根據(jù)浙江近岸海域表層海水溶解氧含量及飽和度的四季平面分布，各季節(jié)呈現(xiàn)不同的分布特征。

冬季，溶解氧含量在浙北和浙南海域存在明顯的分界，浙南海域略高，基本在9mg/L以上，浙北海域略低，基本在8～9mg/L范圍內(nèi)，小部分外側(cè)海域處于7～8mg/L區(qū)間內(nèi)。飽和度分布與溶解氧類似，也存在明顯的區(qū)域差異，浙南海域基本處于100%～110%的飽和狀態(tài)，而浙北海域均處于未飽和狀態(tài)，大部分處于80%～90%范圍內(nèi)，杭州灣部分海域甚至低于80%。冬季生物活動較弱，溶解氧含量及飽和度主要受到溫度、鹽度等物理過程的控制，此時(shí)由東北流向西南的浙閩沿岸流影響最為顯著，其攜帶的低溫低鹽海水控制浙江近岸海域，使浙北海域水溫低于浙南海域。另外，杭州灣及附近海域是強(qiáng)潮汐河口區(qū)域，強(qiáng)烈的混合作用使溶解氧難以達(dá)到平衡狀態(tài)[22]，從而浙南海域溶解氧含量和飽和度高于浙北海域。

春季，杭州灣和舟山以外海域以及溫臺外側(cè)海域溶解氧含量較高，基本在8mg/L以上;浙江中部部分近岸海域溶解氧含量較低，整體呈現(xiàn)外側(cè)海域高于近岸的趨勢。飽和度分布與溶解氧含量類似，總體上外側(cè)海域高于近岸，大多處于90%～110%范圍內(nèi)，整體呈現(xiàn)近飽和狀態(tài)，部分外側(cè)海域飽和度高于110%。總體上，外側(cè)海域溶解氧含量和飽和度高于近岸，這可能與外側(cè)海域浮游植物先開始生長繁殖進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣有關(guān)。進(jìn)入春季，浙閩沿岸流逐步退縮，臺灣暖流逐漸增強(qiáng)并向北向岸擴(kuò)展，外側(cè)海域受其影響水溫和透明度均較高，海水環(huán)境逐漸適宜藻類的生長繁殖，光合作用逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生氧氣提高溶解氧含量和飽和度。

夏季，水溫最高，受水溫影響的溶解氧含量下降，大多海域處于7～8mg/L范圍內(nèi)，只有小部分海域處于8mg/L以上，沿岸海灣河口區(qū)域如象山港、三門灣和樂清灣處于6～7mg/L的區(qū)間內(nèi)。除浙北個(gè)別站位外，全省大部分海域處于過飽和狀態(tài)，其中浙南海域飽和度基本高于110%，部分海域甚至高于130%，明顯高于浙北海域。夏季溶解氧含量降低，是因?yàn)榇藭r(shí)季節(jié)升溫和強(qiáng)勁臺灣暖流的影響使水溫升高;而飽和度明顯升高，是因?yàn)橄募靖∮沃参锕夂献饔米顝?qiáng)，持續(xù)不斷產(chǎn)生氧氣。浙南海域水溫和透明度高于浙北海域，浮游植物生長更為旺盛，因而浙南海域飽和度普遍高于浙北海域。

秋季，溶解氧含量整體呈現(xiàn)為7～8mg/L的狀態(tài)，杭州灣區(qū)域整體偏高，處于8～9mg/L的范圍內(nèi)。此外，部分象山港和三門灣等沿岸海灣河口區(qū)域的溶解氧含量也較高，只有舟山外側(cè)個(gè)別站位處于6～7mg/L的范圍內(nèi)，研究海域表層溶解氧分布較均勻。絕大部分海域溶解氧飽和度處于100%～110%范圍內(nèi)，總體呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，只有小部分海域處于90%～100%的未飽和狀態(tài)?？傮w上，溶解氧含量和飽和度分布相對均勻，可能與秋季影響溶解氧含量分布的因素較單純有關(guān)。此時(shí)生物活動減弱，對溶解氧含量影響不顯著，同時(shí)臺灣暖流逐步減弱，浙閩沿岸流開始增強(qiáng)，整個(gè)海域溫差減小，使溶解氧含量分布較均勻。

2.1.2 垂直分布

浙江近岸海域海水溶解氧和飽和度的垂直分布特征如圖1所示。不論季節(jié)變化，溶解氧平均含量和平均飽和度均是表層高于底層。冬、春、夏、秋季表底層平均溶解氧含量差值分別為0.30mg/L、0.83mg/L、1.06mg/L、0.35mg/L，平均飽和度的差值分別為4%、12%、19%、1%，可見春夏季表底層溶解氧含量和飽和度差異較大，秋冬季差異相對較小。春季至夏季表層海水中浮游植物光合作用強(qiáng)烈并產(chǎn)生大量氧氣，同時(shí)上層海水溫度較高，形成溫鹽躍層，限制水體的垂直交換，影響表層溶解氧向底層傳輸;此外，上層產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)不斷沉降至底層進(jìn)行降解耗氧，使得表底層溶解氧和飽和度差值變大。秋冬季水體層化減弱，垂直混合作用增強(qiáng)，表層溶解氧可以被攜帶至底層，使表底層溶解氧和飽和度趨于均衡。

2.2 時(shí)間分布

2.2.1 季節(jié)變化

浙江近岸海域表層溶解氧含量、飽和度、溫度和鹽度的季節(jié)變化如圖2所示。

表層溶解氧含量在冬季最高，春秋季次之，夏季最低，與溫度、鹽度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，飽和度卻與之相反。冬季，生物活動較弱，溶解氧主要受溫度、鹽度等物理因素的控制，此時(shí)受低溫低鹽的浙閩沿岸流影響，近岸海域溫度和鹽度均較低，氧氣在海水中的溶解度較大，同時(shí)由于風(fēng)力較大，海氣交換作用強(qiáng)烈，大氣中的氧氣可以更多地被寒冷的海水所吸收，溶解氧含量達(dá)到全年最高值，表層平均值為8.82mg/L，同時(shí)由于溫鹽較低，理論飽和溶解氧含量較高，飽和度較低，平均約為97%，處于未飽和狀態(tài);春季，受溫度和生物活動的共同影響，雖然浮游植物開始繁殖進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣，但海水溫度逐漸上升，氧氣溶解度降低，因此相較于冬季，溶解氧含量有所降低，表層平均值為7.95mg/L，但飽和度明顯升高，表層平均約為103%，整體處于飽和狀態(tài);夏季，海水溫度明顯升高，浮游植物光合作用達(dá)一年中最強(qiáng)，產(chǎn)生大量氧氣，但過高的海水溫度使氧氣溶解度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致過多的氧氣自海水中逸出，表層溶解氧含量進(jìn)一步降低，平均約為7.41 mg/L，但處于過飽和狀態(tài)，平均約為113%;秋季，海水溫度逐漸降低，氧氣溶解度增大，溶解氧含量進(jìn)一步升高，表層平均值為7.62 mg/L，浮游植物產(chǎn)氧減少，飽和度逐步降低，平均約為101%，處于飽和狀態(tài)。

2.2.2 年際變化

夏季是浙江近岸海域表層海水溶解氧含量最低但飽和度最高的季節(jié)，2014—2018年浙江近岸海域夏季表層溶解氧含量及其飽和度的變化如圖3所示。

表層溶解氧含量的變化范圍為6.42～7.41mg/L，飽和度的變化范圍為95%～113%，二者的年際變化趨勢一致。2015年溶解氧含量最低，飽和度最低（95%），處于未飽和狀態(tài);2018年溶解氧含量最高，飽和度最高（113%），處于過飽和狀態(tài)。

溶解氧含量和飽和度呈顯著正相關(guān)，且二者與溫度呈正相關(guān)，與硝酸鹽和無機(jī)氮呈顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí)，溫度與硝酸鹽也呈顯著負(fù)相關(guān)，說明表層溶解氧含量及飽和度的年際變化主要與溫度和硝酸鹽等無機(jī)氮有關(guān)，溫度高時(shí)溶解氧含量和飽和度均高，此時(shí)硝酸鹽等無機(jī)氮含量卻低。2015 年和2018年夏季表層海水溫度平均分別約為28.1℃和29.7℃，硝酸鹽含量平均約為0.643 mg/L 和0.566mg/L。2018年較2015年海水溫度高，刺激浮游植物的光合作用，產(chǎn)生更多的氧氣，使溶解氧含量及飽和度升高，同時(shí)浮游植物強(qiáng)烈的光合作用消耗更多的硝酸鹽等無機(jī)氮，使無機(jī)氮含量降低。因此，表層海溫是影響5年來表層溶解氧含量及飽和度年際變化的主要因素。

2.3 低氧現(xiàn)象

夏季和底層是溶解氧含量最低的季節(jié)和層次。根據(jù)2014—2018年夏季底層溶解氧含量分布，浙江近岸海域底層溶解氧含量的低值區(qū)出現(xiàn)在舟山外側(cè)海域，浙南外側(cè)海域偶有分布。仔細(xì)觀察夏季底層溶解氧含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2014年舟山外側(cè)海域有4個(gè)站位處于2～3mg/L范圍內(nèi)，2018年浙南外側(cè)海域有2個(gè)站位處于2～3mg/L范圍內(nèi)，出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，其他年份和站位均大于3mg/L，未表現(xiàn)出低氧乃至缺氧現(xiàn)象。可見，浙江近岸外側(cè)海域底層目前出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的站位不多，但仍存在出現(xiàn)低氧現(xiàn)象的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

近岸海域底層低氧是多種物理與生物地球化學(xué)過程共同作用的結(jié)果。據(jù)以往研究[23]，浙江近海低氧較長江口外海域出現(xiàn)時(shí)間更早、持續(xù)時(shí)間更長。春季底層有機(jī)質(zhì)氧化分解耗氧，而后旺發(fā)的浮游植物碎屑分解進(jìn)一步加劇低氧;夏季水體出現(xiàn)層化，阻礙氧氣垂直交換，低氧程度最為嚴(yán)重;至秋季逐漸消失。同時(shí)，外海低氧水體即臺灣暖流底層水在浙江近海的上升提供較低的背景值也是重要因素之一。在全球氣候變暖的背景下，隨著大氣和海水溫度的升高，徑流量的改變、熱帶風(fēng)暴等極端氣候事件、生物代謝作用的改變等是否會進(jìn)一步加劇低氧現(xiàn)象仍不得而知[24]，因此浙江近岸海域底層低氧現(xiàn)象值得進(jìn)一步關(guān)注和研究，目前浙江也正在進(jìn)一步的跟蹤監(jiān)測。

3 結(jié)論

本研究基于2014—2018年浙江近岸海域海水溶解氧及相關(guān)理化因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究浙江近岸海域溶解氧含量及飽和度的時(shí)空分布及影響因素，并結(jié)合資料分析低氧現(xiàn)象，得出3項(xiàng)主要結(jié)論。

（1）表層溶解氧含量和飽和度在不同季節(jié)呈現(xiàn)不同的平面分布特征。四季溶解氧含量和飽和度均是表層高于底層，表底層的差異在春夏季表現(xiàn)較大，秋冬季較小，主要是受季節(jié)性溫鹽躍層和表層光合作用產(chǎn)氧的影響。

（2）表層溶解氧含量和飽和度存在明顯的季節(jié)變化，冬季表層溶解氧含量最高，夏季表層飽和度最高，這主要是受水溫和浮游植物光合作用的影響。表層溶解氧含量和飽和度也表現(xiàn)出年際差異，溫度是影響這種年際變化的主要因素。

（3）2014年和2018年夏季外側(cè)小部分海域底層出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，主要是受底層有機(jī)物降解耗氧、水體層化阻礙氧垂直交換和低氧臺灣暖流提供較低背景值影響，未來研究海域低氧現(xiàn)象的潛在風(fēng)險(xiǎn)值得進(jìn)一步關(guān)注。