2020年春季長(zhǎng)江口連續(xù)低氧特征及其影響機(jī)制

蘇 秦，陳 棟,2，胡雪梅,2，丁金強(qiáng)，翟方國(guó)，姜慶巖,2，顧艷鎮(zhèn),2，李培良,2

（1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 浙江大學(xué) 海南研究院，海南 三亞 572025；3. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；4. 山東省漁業(yè)發(fā)展和資源養(yǎng)護(hù)總站，山東 煙臺(tái) 264003）

當(dāng)水體中的溶解氧質(zhì)量濃度低于3.0 mg/L時(shí)，該水體稱為低氧水體（Rosenberg et al, 1991）。當(dāng)溶解氧質(zhì)量濃度低至2.0 mg/L時(shí)，多數(shù)海洋生物難以存活，該水體稱為缺氧水體（Rabalais et al, 1991），當(dāng)海域出現(xiàn)低溶解氧水體時(shí)也可以說對(duì)應(yīng)區(qū)域發(fā)生了低氧。低氧會(huì)對(duì)海洋生物尤其是底棲生物的生活造成巨大威脅，并通過影響食物供應(yīng)、改變捕食關(guān)系等途徑影響其他漁業(yè)品種，對(duì)海洋漁業(yè)產(chǎn)生威脅，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失（Rabalais et al, 2002）。例如發(fā)生在菲律賓波里納奧海域的低氧導(dǎo)致了大量魚類死亡，巴拿馬博卡斯德爾托羅的低氧災(zāi)害導(dǎo)致珊瑚及生活在珊瑚間的其他生物大量死亡（Breitburg et al, 2018）。

根據(jù)低氧受人類活動(dòng)影響的程度可將海洋中的低氧區(qū)劃分為大洋低氧區(qū)和近岸低氧區(qū)，其中近岸低氧區(qū)可按照形成機(jī)制分為由上升流作用引起的低氧區(qū)和有機(jī)物降解耗氧引起的低氧區(qū)（Zhao et al, 2020）。而長(zhǎng)江口及其鄰近海域的季節(jié)性缺氧區(qū)屬于由有機(jī)物降解耗氧引起的河口低氧區(qū)（Zhang et al, 2010），是我國(guó)近海的重要生態(tài)問題之一。一般認(rèn)為，該海域的低氧現(xiàn)象產(chǎn)生的主導(dǎo)因素是強(qiáng)烈的水體層化以及有機(jī)物的分解耗氧（Zhu et al, 2016），而徑流沖淡水、局地環(huán)流、地形、風(fēng)、潮汐等則能夠通過影響層化及耗氧來(lái)影響低氧的生消。一方面徑流沖淡水可以與近岸海水之間形成鹽度躍層，阻礙水交換，利于低氧的形成與維持（Wiseman et al, 1997）；另一方面徑流攜帶的大量有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入海中，促進(jìn)了浮游植物的繁衍，浮游植物在死亡后沉降到水底分解導(dǎo)致耗氧增加（Gooday et al, 2009）。局地的環(huán)流則會(huì)為低氧的產(chǎn)生提供背景場(chǎng)，例如Wang（2009）曾指出冬季臺(tái)灣暖流北上與其流經(jīng)海域的溶解氧低值區(qū)相互對(duì)應(yīng), 能夠提供較低的溶解氧質(zhì)量濃度背景值。局地的地形則會(huì)影響底層水周圍海水的交換，例如長(zhǎng)江口外的水下河谷有利于低氧水的保存，水下河谷一方面限制了河谷內(nèi)底層水與周圍富氧水體之間的交換, 使得河谷內(nèi)的缺氧現(xiàn)象得以保持；另一方面河谷地形也有利于沉降下來(lái)的有機(jī)物進(jìn)行匯聚，增加底層的分解耗氧（Wang, 2009）。潮汐和風(fēng)則主要通過影響層結(jié)的強(qiáng)度來(lái)影響低氧的生消過程（Wiseman et al, 1997）。

在長(zhǎng)江口除了有機(jī)物分解耗氧之外，沉積物耗氧（Sediment Oxygen Demand，SOD）也是溶解氧消耗的重要過程，Cai等（2014）在利用同位素分析沉積物與水的物質(zhì)交換時(shí)估算的SOD可占底層耗氧的6%～61%。Zhang等（2017）通過對(duì)夏季長(zhǎng)江口鄰近海域多個(gè)站點(diǎn)的沉積物采樣及現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)計(jì)算出的SOD對(duì)總體耗氧的貢獻(xiàn)率可達(dá)80%～148%，這表明在密度躍層之下，SOD占主要作用。

就低氧的季節(jié)變化而言，層化強(qiáng)、分解旺盛的夏季低氧較為強(qiáng)烈。有研究基于全年的觀測(cè)數(shù)據(jù)指出，長(zhǎng)江口及其鄰近海域的低氧現(xiàn)象一般出現(xiàn)于春末夏初，到冬季消失（韋欽勝等, 2015）。因此此前大多數(shù)對(duì)低氧的觀測(cè)都集中于低氧現(xiàn)象最強(qiáng)的夏季，對(duì)于其他季節(jié)的調(diào)查相對(duì)較少。

雖然迄今為止已有基于遙感、船測(cè)以及數(shù)值模擬的大量關(guān)于長(zhǎng)江口及鄰近海域低氧現(xiàn)象的研究，但研究過程中采用的觀測(cè)方式或是局限于海表，或是在時(shí)間上較為離散，對(duì)整個(gè)低氧過程的連續(xù)監(jiān)測(cè)仍然較少，對(duì)于低氧的生消過程以及主導(dǎo)因素難以有直觀的判斷。除此以外，目前許多針對(duì)長(zhǎng)江口低氧的研究在時(shí)間上存在一定的局限性，例如目前的研究和觀測(cè)大多針對(duì)低氧現(xiàn)象明顯的夏季，而對(duì)于春季低氧現(xiàn)象的研究和觀測(cè)較為缺乏。本文基于布放于長(zhǎng)江口外大戢山附近的坐底觀測(cè)站觀測(cè)到的2020年4月及5月2個(gè)連續(xù)的低氧過程的生消過程，結(jié)合這2個(gè)低氧現(xiàn)象生消過程中觀測(cè)到的底層葉綠素a（Chlorophyll-a, Chl-a）質(zhì)量濃度、溫度、鹽度和pH等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化，分析低氧發(fā)展過程中不同因素的作用。并結(jié)合海表的葉綠素遙感數(shù)據(jù)及風(fēng)場(chǎng)再分析數(shù)據(jù)，分析低氧的形成過程，探究其形成機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 坐底觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)

2019年9月上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心在大戢山附近海底布置了一套生態(tài)環(huán)境在線觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為（122°10′18.12″E，30°48′35.64″N）（圖1），位于長(zhǎng)江口東南、舟山群島西北側(cè)海域。觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括海水溫度、電導(dǎo)率、溶解氧質(zhì)量濃度、葉綠素a質(zhì)量濃度和水深等，本文使用了2020年1月1日至5月31日期間的海水溫度、鹽度、水深、溶解氧濃度、pH、葉綠素a質(zhì)量濃度、濁度數(shù)據(jù)。其中，濁度數(shù)據(jù)由英國(guó)Aquatec公司的AQUAlogger 310TY濁度傳感器測(cè)得，其余數(shù)據(jù)均由加拿大AML公司的Metrec-X多參數(shù)水質(zhì)儀測(cè)得。除去缺測(cè)天數(shù)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度共144 d，主要用于分析溶解氧以及底層各海洋環(huán)境要素的時(shí)間變化。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置和周圍地形Fig. 1 Locations of observation stations and surrounding topography

1.1.2 海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)

海表氨氮和硝氮質(zhì)量濃度可以輔助驗(yàn)證局地的有機(jī)物分解情況，數(shù)據(jù)由上海市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心的預(yù)警4號(hào)浮標(biāo)觀測(cè)獲得，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為2020年全年，布放坐標(biāo)為（122°17′59.14″E，30°57′53.00″N），具體位置見圖1。

1.1.3 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

風(fēng)場(chǎng)采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）（https://cds.climate.copernicus.eu/）提供的ERA5再分析資料，主要使用海面10 m高度風(fēng)速，數(shù)據(jù)分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間間隔為1 h，時(shí)間為2020年1月至5月，通過雙線性插值得到觀測(cè)系統(tǒng)布放處的海表風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間序列。

1.1.4 海表葉綠素a質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)

海表葉綠素a質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的水色網(wǎng)站（https://oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/）上的GOCI葉綠素a質(zhì)量濃度的L2遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m，時(shí)間間隔為1 h，時(shí)間為2020年4月和5月。當(dāng)海表葉綠素a質(zhì)量濃度迅速升高時(shí)意味著局地可能出現(xiàn)赤潮。

1.1.5 熱流率數(shù)據(jù)

熱流率數(shù)據(jù)來(lái)自于夏威夷大學(xué)亞太數(shù)據(jù)研究中心（Asia-Pacific Data-Research Center, APDRC,http://apdrc.soest.hawaii.edu/），為月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，由于缺乏1、2月的數(shù)據(jù)因此僅下載了2020年3月至5月的數(shù)據(jù)，用于計(jì)算風(fēng)混合強(qiáng)度。

1.2 研究方法

1.2.1 研究區(qū)域介紹

本文研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江口鄰近海域，坐底觀測(cè)系統(tǒng)和浮標(biāo)均布放在長(zhǎng)江口門附近，水深都在20 m以淺。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域受長(zhǎng)江沖淡水、外海水和潮汐過程等的影響，水文環(huán)境復(fù)雜，低氧現(xiàn)象顯著。

1.2.2 溶解氧相關(guān)參數(shù)計(jì)算

海水飽和溶解氧質(zhì)量濃度（Od，單位為mg/L）定義為海水與大氣中的氧交換達(dá)到平衡時(shí)海水中溶解氧的濃度。海水飽和溶解氧質(zhì)量濃度受海水的溫度、鹽度和壓強(qiáng)的影響（Weiss, 1970）。本文采用Garcia等（1993）提出的飽和溶解氧計(jì)算式：

式中：C0為氧在海水中的飽和濃度（mL/L）；S為實(shí)測(cè)海水鹽度；ts為溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，ts=ln[(298.15?t)/(273.15+t)]，其中t為實(shí)測(cè)海水溫度, 單位為℃；A、B、C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù), 其數(shù)值分別為：A0=2.008 56；A1=3.224 00；A2=3.990 63；A3=4.802 99； A4=0.978 188；A5=1.710 69； B0=?6.240 97×10?3；B1=?6.934 98×10?3； B2=?6.903 58×10?3；B3=?4.291 55×10?3； C=?3.116 8×10?7。

之后，進(jìn)行單位換算就可得到不考慮壓力影響下的飽和溶解氧質(zhì)量濃度Osat（mg/L），計(jì)算式為：

在計(jì)算實(shí)際海水的飽和溶解氧質(zhì)量濃度Od時(shí)還需要考慮壓力的影響，因此需要對(duì)Osat進(jìn)行壓力訂正，訂正關(guān)系式（李兆欽等, 2019）如下：

其中co_factor為訂正系數(shù)，計(jì)算時(shí)需要用到水深Z，計(jì)算式為：

海水溶解氧飽和度（Saturation Percentage，p）計(jì)算式為:

式中DO為實(shí)測(cè)溶解氧質(zhì)量濃度。p不僅可以幫助預(yù)測(cè)低氧的發(fā)生, 而且對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖有重要的參考價(jià)值，p過低時(shí)海水易發(fā)生低氧現(xiàn)象，魚類和海洋生物會(huì)主動(dòng)回避氧飽和度低的水域（Wannamaker et al, 2000）。

表觀耗氧量（Apparent Oxygen Utilization，AOU）由飽和溶解氧質(zhì)量濃度減去實(shí)測(cè)溶解氧質(zhì)量濃度算得，計(jì)算式為：

AOU用于描述生物耗氧過程：當(dāng) AOU＜0 時(shí), 表示海水中的溶解氧處于過飽和狀態(tài)；當(dāng)AOU=0時(shí)，表示海水中的溶解氧處于飽和狀態(tài)；當(dāng)AOU＞0時(shí)，表示海水中的溶解氧處于不飽和狀態(tài)。底層AOU 的變化可以反映有機(jī)物的分解耗氧情況以及呼吸作用耗氧情況（Zhu et al, 2016），AOU越大，耗氧越多。

1.2.3 風(fēng)混合強(qiáng)度計(jì)算

為了綜合衡量風(fēng)和潮的混合作用，Xuan等（2012）提出了一個(gè)綜合考慮風(fēng)和潮混合的層化與混合模型：

式中：DM為衡量風(fēng)混合強(qiáng)度的指標(biāo)；Z為局地水深；W為海表風(fēng)速；TM為海表能量輸入與潮混合之差；ks為海表的拖曳系數(shù)；ρs為海表的空氣密度；δ為風(fēng)能耗散率；c為海水的比熱；ρ為海水密度；k和ε分別為2種潮混合率；α為體積擴(kuò)散系數(shù)；uT為垂向平均的潮流流速；Q為熱流率。除H和uT外，其余參數(shù)均由Xuan等（2012）給出，由于研究區(qū)域基本重合，均為長(zhǎng)江口鄰近海域，因此本文中除隨季節(jié)變化的參數(shù)Q之外，其余參數(shù)采用該作者的設(shè)定。本文研究的2次低氧出現(xiàn)的季節(jié)與該作者的研究不同，故本文中的Q下載自APDRC。由于缺乏1、2月的數(shù)據(jù)，因此僅計(jì)算3月至5月的DM值。DM越小，風(fēng)的混合越強(qiáng)，當(dāng)DM＜0時(shí)，海水被完全混合。由于DM＜0的情況較少，因此本文選取DM＜0.02的時(shí)間段作為風(fēng)混合較強(qiáng)時(shí)間段。

2 觀測(cè)結(jié)果

2.1 溶解氧的變化特征

圖2為大戢山站點(diǎn)處底層溶解氧質(zhì)量濃度時(shí)間序列，由圖2可見，觀測(cè)期間溶解氧質(zhì)量濃度呈現(xiàn)多種尺度的變化特征，既包含高頻的日變化又包含較為低頻的月變化和季變化。2020年1月，溶解氧質(zhì)量濃度存在波動(dòng)但始終保持較高水平，2020年2月和3月溶解氧質(zhì)量濃度波動(dòng)下降，2020年4月大多數(shù)時(shí)間溶解氧質(zhì)量濃度小于2 mg/L，出現(xiàn)第一次低氧，2020年5月初溶解氧質(zhì)量濃度迅速上升，第一次低氧結(jié)束，溶解氧恢復(fù)至較高水平，經(jīng)過短暫維持后溶解氧質(zhì)量濃度從5月中旬開始迅速降低，從2020年5月17日至5月26日，經(jīng)過9 d溶解氧質(zhì)量濃度從7.56 mg/L降低至1.27 mg/L，出現(xiàn)了第二次低氧。

圖2 大戢山站點(diǎn)底層溶解氧質(zhì)量濃度、AOU、溫度、鹽度、葉綠素a質(zhì)量濃度時(shí)間序列Fig. 2 Time series of DO, AOU, temperature, salinity and chlorophyll-a at the Daji Mount station

整體上看，AOU波動(dòng)在2020年1月至4月上升，5月迅速下降后又迅速回升。由于2020年1月海水溫度較低且風(fēng)混合較強(qiáng)，大多數(shù)時(shí)間AOU小于0，說明此時(shí)海水混合充分，底層溶解氧基本處于飽和狀態(tài)。從2020年2月開始，AOU波動(dòng)上升，直至4月達(dá)到最大，而4月也是低氧最為嚴(yán)重的時(shí)間。

2.2 海底主要環(huán)境要素時(shí)間變化特征

坐底觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)時(shí)間經(jīng)歷了由冬季向春季的轉(zhuǎn)變，海溫的日變化情況如圖2所示，從2020年1月至2月初，海溫逐漸降低，在2月1日達(dá)到最低值8.43 ℃，之后逐漸回升。隨著海溫的升高，溶解氧質(zhì)量濃度也逐漸降低，但4月之后，溶解氧質(zhì)量濃度與溫度的變化沒有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，隨著長(zhǎng)江徑流量增大，大量長(zhǎng)江沖淡水?dāng)U展至站點(diǎn)處，導(dǎo)致大戢山站點(diǎn)處的鹽度逐漸降低。由海底鹽度以及葉綠素a質(zhì)量濃度與溶解氧濃度關(guān)系（圖2）可見，鹽度與溶解氧質(zhì)量濃度的變化較為一致，特別是在2月至4月第一次低氧過程的發(fā)展形成到結(jié)束的整個(gè)過程中，鹽度變化與溶解氧變化高度一致，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74，p＜0.01；葉綠素a質(zhì)量濃度與溶解氧質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的反向變化，二者相關(guān)系數(shù)為?0.76，p＜0.01。

由于沖淡水會(huì)攜帶大量的陸源營(yíng)養(yǎng)鹽，有利于浮游植物的生長(zhǎng)繁殖，由圖2可見，大戢山站點(diǎn)處葉綠素a質(zhì)量濃度與鹽度呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)性，鹽度變化超前葉綠素a質(zhì)量濃度一天，相關(guān)系數(shù)為?0.76。1月至4月，擴(kuò)展到大戢山站點(diǎn)處的長(zhǎng)江沖淡水逐漸增多，帶來(lái)大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，同時(shí)溫度也逐漸升高到較適宜浮游植物生長(zhǎng)的溫度，浮游植物開始迅速繁殖，因而監(jiān)測(cè)到的海水葉綠素a質(zhì)量濃度逐漸鹽度升高。

由于鹽度和葉綠素a質(zhì)量濃度與溶解氧質(zhì)量濃度具有很高的相關(guān)性，因此可以用鹽度和葉綠素a質(zhì)量濃度來(lái)對(duì)溶解氧質(zhì)量濃度進(jìn)行擬合。由葉綠素a質(zhì)量濃度和鹽度與溶解氧質(zhì)量濃度的散點(diǎn)圖（圖3）可以看出，葉綠素a質(zhì)量濃度和鹽度與溶解氧質(zhì)量濃度均近乎線性相關(guān)，因此本文采用最小二乘法得到溶解氧與葉綠素a質(zhì)量濃度和鹽度的擬合關(guān)系式分別為：

圖3 海底鹽度以及葉綠素a質(zhì)量濃度與溶解氧質(zhì)量濃度散點(diǎn)分布Fig. 3 Scatter diagram of sea bottom salinity, chlorophyll-a concentration and DO

式中：DOs為通過鹽度擬合的溶解氧質(zhì)量濃度；DOc為通過葉綠素a質(zhì)量濃度擬合得到的溶解氧濃度；Chl-a為底層的葉綠素a質(zhì)量濃度。擬合結(jié)果如圖4所示，鹽度擬合的溶解氧質(zhì)量濃度與實(shí)測(cè)值的均方根誤差為2.42 mg/L，而葉綠素a質(zhì)量濃度擬合的均方根誤差為2.36 mg/L，因此，根據(jù)葉綠素a質(zhì)量濃度擬合的溶解氧質(zhì)量濃度更貼近觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖3中與擬合直線偏差較遠(yuǎn)的點(diǎn)均出現(xiàn)在低溶解氧區(qū)域，結(jié)合圖4可以看出，2種擬合溶解氧質(zhì)量濃度均未模擬出5月的第二次低氧，說明此次低氧過程的主導(dǎo)機(jī)制可能不同于第一次低氧。

圖4 實(shí)測(cè)溶解氧質(zhì)量濃度與擬合溶解氧質(zhì)量濃度時(shí)間序列Fig. 4 Time series of the observed and simulated DO

2.3 海表風(fēng)場(chǎng)、葉綠素a質(zhì)量濃度和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化特征

圖5 展示了海表風(fēng)場(chǎng)和底層溶解氧質(zhì)量濃度的時(shí)間變化，為了便于觀察，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取了當(dāng)?shù)貢r(shí)間00:00、06:00、12:00、18:00的小時(shí)平均數(shù)據(jù)來(lái)刻畫當(dāng)天的風(fēng)場(chǎng)變化。由陰影區(qū)域?qū)?yīng)DM＜0.02的大風(fēng)時(shí)期看出，在大風(fēng)情況下底層溶解氧能夠得到補(bǔ)充，尤其是4月28日至5月2日期間持續(xù)的強(qiáng)南風(fēng)混合了海水，使得底層溶解氧得到了補(bǔ)充，第一次低氧結(jié)束。雖然在之后的5月3日至5日海面的風(fēng)速較小，但在慣性的作用下海水的垂向運(yùn)動(dòng)仍未停止，底層的溶解氧持續(xù)得到補(bǔ)充。此外，5月初海表植物大量繁衍，在增殖過程中也會(huì)產(chǎn)生大量溶解氧，然后隨著海水的垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)底層的溶解氧進(jìn)行補(bǔ)充，因此底層溶解氧質(zhì)量濃度不斷上升，最終在5月7日達(dá)到峰值。在這之后底層溶解氧質(zhì)量濃度逐漸降低，雖然在5月14日出現(xiàn)大風(fēng)天氣短暫地補(bǔ)充了底層的溶解氧，但之后持續(xù)的弱風(fēng)天氣為低氧的發(fā)展提供了理想的條件，最終在5月26日再一次出現(xiàn)低氧，相較于第一次低氧過程，此次低氧形成要迅速得多，這可能是因?yàn)?次低氧發(fā)展過程中的主導(dǎo)因素不同。

圖5 海表風(fēng)速和海底溶解氧質(zhì)量濃度的時(shí)間變化Fig. 5 Time series of sea surface wind and sea bottom DO

4月28日至5月2日的大風(fēng)在混合海水、補(bǔ)充溶解氧的過程中，也將底層富含營(yíng)養(yǎng)鹽的海水帶到了表層，使得表層的浮游植物大量繁衍。在利用遙感數(shù)據(jù)分析海表浮游植物的變化情況時(shí)，由于水色衛(wèi)星受天氣影響較大，在部分區(qū)域可能由于云層遮擋而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，因此本文選取大戢山觀測(cè)點(diǎn)附近（122°00′～122°30′E，30°30′～31°00′N）區(qū)域（圖1中矩形區(qū)域）平均的葉綠素a質(zhì)量濃度代表該站點(diǎn)的海表葉綠素a質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。圖6為4月至5月站點(diǎn)附近海域的區(qū)域平均海表葉綠素a質(zhì)量濃度的變化情況，考慮到河口的高濁度有可能導(dǎo)致衛(wèi)星遙感的葉綠素a質(zhì)量濃度與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的葉綠素a質(zhì)量濃度有一定的偏差，因此，需要結(jié)合大戢山站點(diǎn)實(shí)測(cè)的葉綠素a質(zhì)量濃度輔助驗(yàn)證?？梢钥闯鲈?月初遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)葉綠素a質(zhì)量濃度的極大值，說明此時(shí)大戢山站點(diǎn)附近海域出現(xiàn)了浮游植物大量增殖；而在之后的5月12日海表的葉綠素a質(zhì)量濃度降到了較低的水平，這意味著在5月2日至12日期間可能有大量的浮游植物死亡。

圖6 大戢山站點(diǎn)附近海域海表葉綠素a質(zhì)量濃度遙感數(shù)據(jù)變化、底層實(shí)測(cè)葉綠素a質(zhì)量濃度變化及預(yù)警4號(hào)浮標(biāo)觀測(cè)的海表NH+4質(zhì)量濃度和NO?3質(zhì)量濃度Fig. 6 Time series of remote sensing chlorophyll-a concentration, measured chlorophyll-a concentration at the Daji Mount station, NH+4 and NO?3 at the Yujing 4 station

圖6為預(yù)警4號(hào)浮標(biāo)觀測(cè)的海表的NH+4和NO?3質(zhì)量濃度變化，由圖6可見，從5月中旬開始，2種營(yíng)養(yǎng)鹽都有迅速升高，之后略有降低，5月21日之后2種營(yíng)養(yǎng)鹽的變化趨勢(shì)相反，NH+4逐漸升高，NO?3逐漸降低。

此外，在2月至4月溶解氧的逐漸降低的過程中，底層海水的pH（圖7）并沒有降低，反而逐漸升高，直至4月上旬之后才開始降低。隋永年（1986）總結(jié)大量觀測(cè)資料得出了長(zhǎng)江口海域pH與溫度和鹽度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即海水溫度每升高1 ℃，海水pH降低約0.0104，而鹽度每升高1，海水pH降低0.0112。結(jié)合溫鹽與pH的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出模擬的pH，結(jié)果如圖7所示，在2月至3月實(shí)測(cè)pH與模擬的pH變化趨勢(shì)大體一致，且二者之間的誤差基本小于儀器誤差。

圖7 大戢山站點(diǎn)實(shí)測(cè)pH和模擬pH的時(shí)間變化Fig. 7 Time series of daily average ovserved and simulated pH at the Daji Mount station

大戢山站點(diǎn)處的溶解氧質(zhì)量濃度、濁度與水位的變化如圖8所示，大潮期間濁度升高，溶解氧質(zhì)量濃度降低；而小潮期間濁度降低，溶解氧質(zhì)量濃度升高。

圖8 大戢山站點(diǎn)溶解氧質(zhì)量濃度、濁度與水深的變化Fig. 8 Time series of hourly depth, daily turbidity and DO at the Daji Mount station

3 分析與討論

3.1 2月至4月緩慢形成的第一次低氧

2月至4月，底層溶解氧質(zhì)量濃度逐漸降低，并最終在4月出現(xiàn)低氧（圖2）。然而在此次低氧的發(fā)展過程中也出現(xiàn)了一些與常規(guī)認(rèn)知相反的現(xiàn)象。例如，通常在低氧的產(chǎn)生過程中也會(huì)伴隨著海水的酸化，這是由于呼吸作用分解有機(jī)物消耗溶解氧的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生CO2，這些呼吸作用產(chǎn)生的CO2溶于水會(huì)導(dǎo)致海水酸化。圖7展示了底層海水pH的變化，在2月至4月海水的pH并沒有降低，反而逐漸升高。這意味著在第一次低氧的發(fā)展過程中，呼吸作用可能不是主要的耗氧因素，因此需要考慮SOD的貢獻(xiàn)。周君（2021）研究了長(zhǎng)江口及鄰近海域SOD與水柱呼吸耗氧之間的動(dòng)態(tài)貢獻(xiàn)，結(jié)果表明在高溶解氧條件下SOD占主要貢獻(xiàn)，而在較低溶解氧情況下水柱呼吸耗氧是主要的耗氧途徑。此外，根據(jù)劉笑天等（2022）采集乳山灣沉積物在不同溶解氧質(zhì)量濃度的上覆水進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在溶解氧質(zhì)量濃度較高的上覆水培養(yǎng)過程中，pH出現(xiàn)波動(dòng)，但總體能維持穩(wěn)定，說明高溶解氧質(zhì)量濃度下SOD不會(huì)明顯降低海水的pH，而大戢山站點(diǎn)處的pH逐漸升高并且與溫鹽模擬的pH變化較為一致，說明在2月至4月有機(jī)物分解耗氧并非主要的耗氧過程，這一期間的主要耗氧過程可能是SOD。

由于水柱呼吸耗氧并不是耗氧的主要因素，在此期間溶解氧質(zhì)量濃度變化也呈現(xiàn)出一些特別的變化。通常來(lái)講，大潮期間水體層結(jié)減弱，底層溶解氧質(zhì)量濃度升高。而由圖8可以看出，在大潮期間底層溶解氧質(zhì)量濃度反而降低，小潮期間反而回升。這是因?yàn)榇蟪逼陂g底混合增強(qiáng)，導(dǎo)致沉積物再懸浮，濁度增加，而沉積物的再懸浮增大了沉積物與水的接觸面積，也就加強(qiáng)了SOD，從而使得溶解氧濃度降低。

2月和3月溶解氧質(zhì)量濃度逐漸降低表明水體中溶解氧的補(bǔ)充小于消耗，而溶解氧的補(bǔ)充方式主要有浮游植物的光合作用以及大氣復(fù)氧，但由圖8可以看出，大戢山站點(diǎn)處的觀測(cè)到的濁度較高，可能會(huì)對(duì)底層浮游植物光合作用產(chǎn)生限制。潘國(guó)權(quán)等（2007）用泥沙配置了濁度為90 NTU的水體，發(fā)現(xiàn)在50 cm水深處的光強(qiáng)就已經(jīng)衰減到表層的1%，而大戢山站點(diǎn)處的平均水深為11.97 m，近底層的濁度遠(yuǎn)超90 NTU，故而到達(dá)底層的光照強(qiáng)度十分微弱，浮游植物光合作用也受到極大限制，因此本文中主要考慮大氣復(fù)氧對(duì)底層溶解氧的補(bǔ)充。由圖5可以看出，在4月初低氧形成之后直至4月中旬，海表的風(fēng)速都較小，偶爾有短暫的強(qiáng)風(fēng)也無(wú)法徹底混合海水，因此低氧得以維持。而在4月底，海面出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間且持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)，這場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)混合了海水，使得第一次低氧結(jié)束。

3.2 5月迅速形成的第二次低氧

強(qiáng)風(fēng)混合海水結(jié)束低氧的過程中也會(huì)將底層高營(yíng)養(yǎng)鹽的海水帶到表層，使得表層的浮游植物大量繁衍，形成赤潮，在赤潮末期大量浮游植物死亡，這些死亡浮游植物的遺體沉降進(jìn)入底層后，在底層被分解者分解會(huì)消耗大量的溶解氧。Ni 等（2016）研究了風(fēng)混合對(duì)于長(zhǎng)江口夏季低氧的影響，發(fā)現(xiàn)2009年臺(tái)風(fēng)“莫拉克”過境使得長(zhǎng)江口外一觀測(cè)站點(diǎn)（123°E, 35°N）處的低氧結(jié)束，但在之后又迅速形成了第二次低氧，而第二次低氧的成因主要是大量死亡浮游植物的分解。結(jié)合圖5和圖6可以看出，在4月底持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)混合海水結(jié)束了第一次低氧后，5月初海表葉綠素a質(zhì)量濃度迅速升高，出現(xiàn)了赤潮。在5月2日至12日之間可能有大量的浮游植物死亡沉降到底層進(jìn)行分解消耗了大量的溶解氧，因此溶解氧質(zhì)量濃度從5月中旬開始迅速降低。

由圖6可以看出，5月中旬之后營(yíng)養(yǎng)鹽濃度也迅速升高，此時(shí)長(zhǎng)江沖淡水已經(jīng)由出口門向南的冬季型轉(zhuǎn)變?yōu)榇杭镜臇|北轉(zhuǎn)向型（趙玉喜 等, 2021），結(jié)合圖2中鹽度的變化也可以看出，5月擴(kuò)展到大戢山觀測(cè)站點(diǎn)處的長(zhǎng)江沖淡水少于4月，因此5月中旬之后營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高的主要原因是局地的有機(jī)物分解。旺盛的有機(jī)物分解加上5月中下旬持續(xù)的弱風(fēng)條件便促成了第二次低氧的迅速形成。

4 結(jié)論

本文基于2020年1月至5月大戢山附近底層海水溶解氧的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)江口濁度鋒內(nèi)春季也可能發(fā)生低氧現(xiàn)象，對(duì)長(zhǎng)江口低氧現(xiàn)象的時(shí)間和空間特征進(jìn)行了補(bǔ)充，并對(duì)春季長(zhǎng)江口低氧現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制做了探討。

觀測(cè)期間出現(xiàn)了2次低氧過程。第一個(gè)低氧過程為2月至4月，分為2個(gè)階段：第一階段為2、3月，海水呈現(xiàn)低溫高氧的特征，溶解氧質(zhì)量濃度在沉積物耗氧主導(dǎo)下逐漸降至較低水平；第二階段為4月，溫度的升高加上更多攜帶大量有機(jī)物的沖淡水?dāng)U展至大戢山站點(diǎn)，有機(jī)物分解占主導(dǎo)因素，消耗溶解氧的同時(shí)造成底層海水酸化，最終出現(xiàn)低氧。而4月上中旬海表風(fēng)力較弱，無(wú)法混合海水，因此低氧得以維持。4月底出現(xiàn)持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)充分混合海水，此次低氧結(jié)束。第二個(gè)低氧過程為5月，由于4月底5月初出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)在混合海水將底層豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽帶到表層，使得表層浮游植物大量繁衍，出現(xiàn)赤潮，赤潮末期大量藻類死亡沉降到底層進(jìn)行分解消耗大量溶解氧，在此期間海表風(fēng)力較弱，無(wú)法混合海水，因此底層溶解氧質(zhì)量濃度迅速降低，并最終出現(xiàn)低氧。

本文對(duì)于厘清長(zhǎng)江口低氧的產(chǎn)生機(jī)制及短期變化規(guī)律有較好的補(bǔ)充作用。但是，受限于觀測(cè)數(shù)據(jù)的種類，低氧對(duì)于海洋生物的影響沒有涉及；受限于觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量，對(duì)于低氧影響的面積及水團(tuán)的運(yùn)移也沒有涉及。在未來(lái)可以通過增加觀測(cè)儀器種類及增設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)春季低氧進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)和研究。