黄海纵断面的化学水文特征＊

2013-11-21 08:23王保栋马德毅

海洋科学进展 2013年3期

辛明，王保栋＊，马德毅

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061；2.海洋生态环境科学与工程国家海洋局重点实验室，山东青岛266061）

由于黄海存在一个重要的海洋学现象——黄海冷水团，吸引了不少海洋学者对其开展考察和研究。其中，对于水文要素分布的研究多集中于黄海冷水团的形成及其环流结构［1-2］。对于生源要素垂直分布的研究，最早的报道应该是顾宏堪利用1958-1960年全国海洋综合调查资料，提出“黄海夏季溶解氧垂直分布中的最大值是由冬季保持而来”的观点［3］。此后，刁焕祥等指出水温作为主导因素影响水化学要素的垂直分布［4］。王保栋等根据1976-1986年的标准断面溶解氧资料，得出溶解氧最大值是温跃层与光合作用共同作用的结果［5］。接着他又得出密跃层以下水体是“黄海一个重要的营养盐贮库”这一结论［6］。近年来，对于黄海东西横向断面生源要素分布特征和变化趋势的研究逐渐展开和深入［7］，包括37°N 断面［8］、32°N 断面［9］、35°N 断面［10］和36°N 断面［11-12］。

学者们针对东西横向断面和北黄海斜断面的研究较多，但对南北纵向断面生源要素的分布规律，尤其是贯穿整个黄海冷水团的纵断面研究则较少，且迄今尚无清楚的认识。本文选取纵贯整个黄海冷水团的一个断面（图1），包括贯穿北黄海冷水团的A 段（7个站位）和纵贯南黄海冷水团的B段（15个站位）。一方面，此断面贯穿南、北黄海，跨度较大，且该断面在夏、冬季分别受黄海冷水团和黄海暖流的影响较为显著，其特殊的水文状况势必对环境因子的分布及其季节变化造成一定的影响。另一方面，以往的研究［13-14］显示夏季该断面上南、北黄海冷水团中心的位置较为稳定，由于此断面更靠近外海且贯穿了整个黄海的中部（主要是深水域），南、北黄海冷水团可以更好的连成一个整体，对于分析环境因子受黄海冷水团形成、发展与演化的影响较为直观和准确。因此，本文以此断面为研究对象，系统分析其水文、化学要素的季节变化特征，并在此基础上论述黄海冷水团、黄海暖流以及混合和层化等主要物理现象和过程对相关要素垂向分布的影响。

1 调查与方法

调查分别于夏季（2006-07-08）、冬季（2007-01-02）、春季（2007-04-05）、秋季（2007-10-11）进行，在北黄海的A 断面布设7个站位（A1～A7），南黄海B断面布设15个站位（B1～B15），站位图见图1。其中北黄海部分由中国海洋大学组织完成，南黄海部分由国家海洋局第一海洋研究所组织完成。

图1 断面站位分布Fig.1 Stations along the vertical section

4个航次均使用Sea-Bird 32CTD 仪测定温度、盐度和深度，同时使用Niskin采水器采集水样（根据站位水深情况，取表层、10m 层、30m 层、50m 层和底层），分别测定DO、pH 和营养盐等参数。其中DO 质量浓度依据Winkler碘量法［15］在现场进行测定；pH 测定使用pH 电位法；营养盐样品现场经过0.45μm 的醋酸纤维素滤膜（稀盐酸浸洗后，用去离子水洗到中性）过滤后使用营养盐自动分析仪（BRAN+LUEBBE）测定。DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N。

2 结果与讨论

2.1 各要素断面分布

2.1.1 温度和盐度

冬季，水体垂向混合均匀，整个海区由表及底温度、盐度分布较为一致（图2a、图3a），这是冬季强劲北风影响而使上下水体对流混合加剧的结果。在B5站（34°N）附近海域，出现明显的高温、高盐带，其核心温、盐度分别大于13℃、33.5，这表明此处为黄海暖流流轴所在位置。由此向两边，断面上温、盐度值逐渐降低，这是因为冬季黄海暖流北上带来的高温高盐外海水，对南黄海造成的增温增盐效应明显强于北黄海，而其在绕过山东半岛向北继续进入北黄海后势力变弱。断面中部偏南陆架海域盐度分布出现很微弱的层化现象，表明冬季水体垂直对流作用在深水域未完全到达海底。断面最北部海域（A3站以北）低温（＜7 ℃）、低盐（＜32.0）区域的出现则是受辽南沿岸流影响的结果。

图2 各季节温度（℃）的断面分布Fig.2 The vertical distributions of temperature（℃）along the vertical section in the four seasons

入春后，断面上温、盐度的分布秉承了冬季南高北低的特征（图2b、图3b）。在南黄海存在一高温（＞11℃）、高盐区（＞33.5），而在北黄海的下层水体则开始出现一低温水团（＜7 ℃）。这是因为南黄海受到黄海暖流残留水的影响［16］，而北黄海下层水体中低温水团的形成则与以下原因有关：表层海水受热增温，涡动混合作用减弱，温跃层开始初步形成，使得冬季存留下来的黄海暖流水在温跃层之下逐渐变性并呈现出冷水特性，此即为北黄海冷水团的雏形。由此可知，北黄海冷水团早于南黄海冷水团而形成。总而言之，春季，温、盐度垂直结构处于由冬季向夏季转型的过渡时期［17］。另外，存在于断面北部海域的低温、低盐带已不如冬季时明显，这与辽南沿岸流在冬季流幅宽有关［18］，该低温区域似乎具有与处于北黄海部分的冷水融为一体的趋势。

图3 各季节盐度的断面分布Fig.3 The vertical distributions of salinity along the vertical section in the four seasons

夏季，由图2c和图3c可知，断面上温、盐度垂直结构层化清晰，呈现出较为明显的上混合层-跃层-下混合层3层水体结构。跃层以上水温高、盐度低且分布相对均匀，跃层以下大部分海域已被黄海冷水团所覆盖，南、北黄海冷水团连成整体，表现为温度低（＜10 ℃）、盐度高（＞32）。处于该断面上的南黄海冷水团面积明显大于北黄海冷水团面积，且断面上北黄海冷水团冷中心温度（＜7 ℃）、盐度（＞32）明显小于南黄海海域冷水团。断面南端出现高温（＞22 ℃）、低盐（＜30.5）区域，这显然是受长江冲淡水的影响［19］。另外，温跃层下界水温等值线出现起伏或呈马鞍形形态，说明黄海冷水团内部存在垂直环流，但并未穿透温跃层。

秋季，整条断面30m 以浅水体已经呈现出垂直混匀的状态，断面中部温、盐度跃层强度较夏季明显减弱并逐渐下沉，黄海冷水团龟缩在低洼海域的底部，其强度和范围也显著减小。这表明秋季垂直混合作用尚不强烈，下层水体等值线的梯度分布逐渐向冬季过渡，尤其是北黄海区域。另外，入秋后，随辽南沿岸流的逐渐增强［18］，断面北部出现的低盐海域范围有所扩大。

2.1.2 溶解氧（DO）和pH 值

pH 虽然不是生源要素，但其与生源要素的分布变化密切相关，尤其是DO。刁焕祥等［20］、王保栋等［21］的研究指出，在氧最大值层往往伴随着pH 最大值现象，所以在此一并讨论。

图4 各季节溶解氧（mg·dm-3）的断面分布Fig.4 The vertical distributions of dissolved oxygen（mg·dm-3）along the vertical section in the four seasons

冬季，断面上50m 以浅水体DO 垂向混合均匀，DO 的分布呈现出南低北高的分布特征，pH 的分布趋势与其相反（图4a、图5a）。对比DO、pH 与温度的分布趋势，不难发现上述DO 和pH 的分布与水温基本相对应，并分别呈负相关和正相关关系。南黄海50m 以深水体DO 浓度和pH 随深度增加而降低，DO 质量浓度低于7.8mg·dm-3，pH＜8.06。DO 质量浓度在该断面南黄海中部海域呈现出上层高、下层低的分布特征，且在B9至B13站位（35°～36°N）海域的底层存在一溶解氧低值区，这主要是由于南黄海中部海域水深较大，垂向混合作用未到达海底，底层水体有机质氧化分解耗氧的结果，同时形成pH 低值区。

图5 各季节pH 的断面分布Fig.5 The vertical distributions of pH along the vertical section in the four seasons

春季，断面上DO 质量浓度呈现出较为显著的上层高、下层低的分布趋势（图4），pH 与其分布相似（图5），尤其在B6站位34°N 以北海域。南黄海DO 质量浓度普遍低于9.0mg·dm-3，小于北黄海DO 质量浓度，一方面由于黄海4月是春季藻华期（spring bloom），真光层中含有大量的叶绿素a［22］，强烈的光合作用使水体中的DO 质量浓度增高，同时浮游植物大量吸收CO2，从而使上层水体pH 值升高；另一方面是由于低氧特性的黄海暖流残留水影响。与冬季相比，此时断面上出现较为明显的层化现象，DO 和pH 的等值线走势趋于水平方向，北黄海30m 以深水体出现DO 低值封闭区，且DO 质量浓度较冬季有所降低，而南黄海的这种现象存在于40m 以深水体，且DO 质量浓度较冬季有所升高。这也表明北黄海跃层先于南黄海形成。

夏季，断面上DO 分布最显著的特征是：南黄海B6至B15站位（34°06′～37°00′N）30m 层出现DO 垂直分布最大值现象（CDO＞8.0mg·dm-3），最高值达到10.3mg·dm-3，同时在温跃层附近出现pH 最大值现象，这是由于浮游植物强烈的光合作用吸收大量的CO2所致，在北黄海及南黄海南部海域却没有出现此现象（图4c）。由图5c可知，跃层以上水体DO 质量浓度较春季下降，这显然是上层水体温度升高所致。30m 以深水体完全在黄海冷水团的控制下，北黄海下层水体DO 质量浓度（CDO＞8.5mg·dm-3）较上层水体高，这可能是由于冷水域水温低，氧溶解度大的缘故。南黄海与此相反，主要是下层水体有机质分解耗氧以及层化引起的水体交换不畅所致。另外，由图4a，b，c三图可以看出，南黄海30m 层DO 由冬季到春季再到夏季的过程中，其质量浓度一直升高，这表明南黄海DO 垂直分布中的最大值并非由冬季保持而来。此外，断面上DO、pH 在冷水团下界的等值线表现出与等温线相似的起伏趋势或马鞍形形态，这说明底层冷水存在上涌趋势，与王保栋的研究结果一致［6］。

秋季，DO、pH 在断面上层化现象依然存在（图4d、图5d），与夏季相比，上、下层水体的差距变小。断面上中央海域上层水体DO 质量浓度（CDO＞7.6mg·dm-3）、pH 值（＞8.14）都大于下层水体。40m 以深水体DO 质量浓度与pH 值之间表现出良好的正相关（r=0.884 6，n=22），表明下层水体有机质的分解耗氧，同时pH 值降低。另外，断面上北黄海海域DO、pH 在温跃层下界的等值线起伏形态与夏季类似，且其程度明显较南黄海强，这可以间接说明北黄海上下层水体的混合早于南黄海，即北黄海冷水团有可能先于南黄海冷水团消失。

2.1.3 营养盐

冬季，断面上各项营养盐呈现出南低北高的分布特点（图6a、图7a和图8a）。强烈的垂直混合作用将下层水体丰富的营养盐带到上层，使断面上PO4-P、SiO3-Si和DIN 垂直分布较均匀，以北黄海海域最为明显。南黄海在B6至B15站位（34°～37°N）50m 以深海域出现营养盐的高值封闭区，PO4-P、SiO3-Si、DIN 浓度分别大于0.55，10.0，7.0μmol·dm-3，且随深度的增加而增加。进一步分析得出，DO质量浓度与三者表现出很好的负相关关系，这是因为此区域水深较深（＞70m），垂直混合作用未到达海底，伴随着有机质分解耗氧，营养盐再生。另外，在断面最南部出现营养盐的高值，且愈往南其浓度愈高，这应该是台湾暖流的影响［23］。

图6 各季节磷酸盐（μmol·dm-3）的断面分布Fig.6 The vertical distributions of phosphate（μmol·dm-3）along the vertical section in the four seasons

春季，水温升高，上层水体由于浮游植物的消耗，营养盐较冬季其浓度明显降低，PO4-P、SiO3-Si、DIN 浓度分别小于0.2，4.0，3.0μmol·dm-3（图6b、图7b和图8b）。30m 以深水体的SiO3-Si、DIN 分布出现明显的分层现象，PO4-P在北黄海分布与前两者相似，而在南黄海其浓度整体较低，仅在最底层出现闭合的高值区，这也体现出我国大部分海域寡磷的特征。另外，断面上B5站位（33°40′12″N）以南海域出现营养盐高值，以SiO3-Si、DIN 最明显，两者浓度分别大于12.0，9.0μmol·dm-3，较冬季明显升高，这是由于台湾暖流春季较冬季强［22］，将富含营养盐的长江冲淡水携带至此的结果。

图7 各季节硅酸盐（μmol·dm-3）的断面分布Fig.7 The vertical distributions of silicate（μmol·dm-3）along the vertical section in the four seasons

进入夏季，由图6c、图7c和图8c可以看出，三类营养盐均呈上层低、下层高的分布趋势。表层营养盐几乎被浮游植物消耗殆尽，除断面南部海域外，其它海域30 m 以浅的上层水体营养盐质量浓度普遍较低（PO4-P、SiO3-Si、DIN 浓度分别小于0.2，2.0，2.0μmol·dm-3）。断面南部由于长江冲淡水北上带来丰富的营养盐，各项营养盐相对其它上层水体浓度较高。从垂直分布上看，断面下层黄海冷水团水域三类营养盐浓度随深度增加而增加。北黄海冷水团营养盐浓度明显小于南黄海冷水团，其PO4-P（0.4μmol·dm-3）平均浓度为南黄海冷水团的一半，SiO3-Si（5.0μmol·dm-3）与DIN（4.0μmol·dm-3）平均浓度是南黄海冷水团的三分之一。值得注意的是，夏季整个黄海的营养盐基本上集中于南北黄海冷水团区域，其成为营养盐的贮库，特别是PO4-P的贮库，这与王保栋［5］和石晓勇［7］的研究结果一致。另外，黄海冷水团上界各项营养盐等值线出现明显的起伏现象，这与其它化学要素的等值线分布相似，也说明了底层冷水存在上涌趋势，但并未穿透温、盐跃层。

图8 各季节溶解无机氮（μmol·dm-3）的断面分布Fig.8 The vertical distributions of dissolved DIN（μmol·dm-3）along the vertical section in the four seasons

秋季，断面上30m 以深水体营养盐的分层现象依然较为明显，冷水团范围明显减少，完全龟缩在黄海槽中（图6d、图7d和图8d）。底层水温较夏季有所升高，异养生物活动增强，随着有机质分解，营养盐再生，三类营养盐浓度较夏季有所升高，35m 以深的黄海槽水域，PO4-P、SiO3-Si、DIN 浓度分别大于0.2，9.0，8.0μmol·dm-3。进一步分析得出，在秋季，南、北黄海冷水域内三类营养盐等值线趋势非常相似。由于深度的增加，表现出南黄海的营养盐浓度高于北黄海。值得注意的是，在南、北黄海冷水团的边缘（B6、A7站位）营养盐等值线呈上凸趋势，且强度较夏季有所增强，这也在一定程度上表明黄海冷水团内部的垂直环流有将底层高营养盐浓度的水体向上层输送的趋势。同时，黄海冷水团即将分成南、北两部分。

2.1.4 叶绿素a

冬季，受光照和透明度影响，断面上叶绿素a 呈现出南高北低、真光层以上高于下层水体的特点（图9a）。

图9 各季节叶绿素a（mg·m-3）的断面分布Fig.9 The vertical distributions of chlorophyll a（mg·m-3）along the vertical section in the four seasons

春季，由于温度升高，上表层浮游植物活动增强，叶绿素a质量浓度较冬季明显升高，同时由于跃层初步形成，造成断面上次表层叶绿素a质量浓度高于表层的现象（图9b）。值得注意的是，北黄海底层亦出现叶绿素高值，这可能是由于春季浮游植物的水华来不及被浮游动物摄食而直接沉降到底层的缘故。

夏季，与DO 分布相似，其显著的分布特征是：断面上南黄海出现DO 垂直分布最大值的区域对应出现叶绿素a最大值现象（cchl-a＞0.25mg·m-3）（图9c），这也说明溶解氧最大值现象与次表层叶绿素最大值现象（Sub-surface Chlorophyll Maximum，SCM）相伴生。

秋季，与夏季相比，该断面上叶绿素a在上层水体的分布更为均匀，与营养盐分布相似，这说明上层水体的叶绿素a质量浓度主要取决于光照，而在跃层以下其层化现象更为明显（图9d），随深度增加，叶绿素a质量浓度呈阶梯式减小。

2.2 季节变化

2.2.1 各要素平均值的季节变化

为反映各生源要素浓度在贯穿黄海冷水团断面上的季节变化情况，特分析各要素在表层、10m 层、30m层、底层和整条断面中的浓度范围、平均值及其季节变化，见图10。

图10 各水层和整条断面上生源要素的季节变化Fig.10 The seasonal changes of biogenic elements in all water layers and along the whole section

各水层和整条断面的DO 质量浓度平均值的季节变化顺序为：春季最高，冬季次之，夏、秋季为低值期。PO4-P浓度平均值的季节变化顺序为：自冬季至春季由于浮游植物活动的增强，其浓度大幅度下降，由春季至秋季，上层水体PO4-P继续被消耗，下层水体由于跃层的存在，其浓度有所升高。SiO3-Si、DIN 浓度平均值的季节变化趋势一致，表现为：由冬季至夏季，两者浓度不断降低，自夏季至秋季，两者浓度明显升高。另外，三类营养盐在底层的浓度一年四季均高于其它三层，而DO 质量浓度却恰恰相反，这主要与上层水体浮游植物的活动以及下层水体有机质的分解有关。

2.2.2 B12站位各要素的季节变化

图11为黄海纵断面上黄海冷水团区域B12站位水温和生源要素的季节变化，由统计结果得出，在大部分站位三类营养盐之间存在良好的相关性（r＞0.7），因此选择无机氮来说明此站位营养盐的季节变化。上层水体（表层和10m 层）DO 的季节变化顺序与整条断面相同，而其与表层水温的变化相反，这说明上层水体的DO 质量浓度主要受温度控制，30m 层水体以春季和夏季DO 最高，说明其质量浓度主要受控于浮游植物的光合作用，底层水体与整条断面变化一致。上层水体pH 的季节变化顺序为：秋季＞春季＞夏季＞冬季，体现出水温和光合作用的共同影响。下层水体由于有机质分解耗氧使pH 降低，表现出由春季到秋季pH 不断降低的趋势。上层水体无机氮在春、夏季表现出低值，但在下层水体则由春季至秋季不断积累，这与DO 和pH 的季节变化正好相反。

图11 断面上B12站水温（a）、溶解氧（b）、pH（c）、无机氮（d）的季节分布Fig.11 The seasonal changes of temperature（a），dissolved oxygen（b），pH （c）and inorganic nitrogen（d）at station B12in the section

3 结论

黄海冷水团纵贯断面水文、化学要素的垂直分布主要受黄海暖流、辽南沿岸流和黄海冷水团的影响，尤其是黄海暖流和黄海冷水团的季节性演替变化，使得生源要素表现出鲜明的季节变化特征。结果表明：

冬季，黄海暖流对南黄海造成的增温、增盐效应强于北黄海，且垂直混合作用在深水域未到达海底，各要素在北黄海垂直分布均匀，而南黄海深水域生源要素浓度随深度增加而升高；春季，北黄海出现层化现象，上层水体DO 质量浓度和pH 大于下层，营养盐则相反，南黄海部分层化程度较弱，在最底层出现DO 低值和营养盐高值封闭区；夏季，就水文要素而言，水体呈现出上混合层-跃层-下混合层的三层结构，上下水体的最大温差达14 ℃，最大盐差达到5.0。跃层以上水体营养盐被浮游植物消耗殆尽，跃层以下水体几乎被黄海冷水团覆盖，营养盐浓度随深度增加而增大，DO 则相反。南黄海跃层下界（30m 层）出现DO 和pH 垂直分布最大值现象，且与次表层叶绿素a最大值现象相伴生，而在北黄海则没有出现这种现象；秋季，跃层下沉，黄海冷水团龟缩在黄海槽中，冷水域的营养盐含量由于不断积累而出现最高值，DO 则达到最低值。

此外，自春季至秋季，温跃层附近各要素的等值线呈现出马鞍形或起伏趋势，表明在温跃层以下存在底层冷水上涌的现象。另外，冷水团的形成和消失均是北黄海先于南黄海。

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