夏、冬季黄东海溶解氧的分布特征研究*

池连宝 宋秀贤① 袁涌铨 周 鹏 曹西华 俞志明

(1. 中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室 青岛 266071; 2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室 青岛 266237; 3. 中国科学院大学 北京 100049)

海洋中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)是一项重要的生源要素参数, DO含量变化对海洋生物的生存与分布以及海洋中的生物地球化学过程均会产生重要影响(Diazet al, 2008; Middelburget al, 2009)。受物理、生物与化学过程等因素的综合作用, DO分布呈现出明显的时空差异特征(Rabouilleet al, 2008;Zhanget al, 2010; Liet al, 2011)。我国黄东海是西太平洋的陆架边缘海, 陆架面积广阔且拥有丰富的海洋资源。受黄海冷水团(YSCW)、长江冲淡水(CDW)、沿岸径流、台湾暖流(TWC)与黑潮(Kuroshio)等不同水系的影响, 生态环境十分复杂。前期针对长江口及其邻近水域、浙江近岸、南黄海等黄东海典型海域DO分布特征已开展了诸多研究, 并取得了一定成果(蒋国昌等, 1991; 王保栋等, 1999; 杨庆霄等, 2001;宋国栋等, 2007; 张莹莹等, 2007; 韦钦胜等, 2010a, b;Wanget al, 2012; 柴小平等, 2015)。但受限于航次调查时间和调查区域等因素, 目前对我国黄东海广阔水域DO分布特征的研究相对较少, 对黄东海DO的分布特征及季节变化规律尚缺乏系统的了解与认识。

本文基于2015年8月与12月黄东海两个航次的调查资料, 较系统的分析了我国黄、东海海域的 DO分布特征与季节变化规律, 并结合温度、盐度与营养盐等同步资料, 对研究海域的DO分布特征及季节变化的影响因素进行了初步探讨。

1　材料与方法

1.1　调查区域

在2015年8月 27日—9月 14日(夏季)与 2015年12月17日—2016年1月3日(冬季)期间, 分别搭载“北斗号”和“科学三号”科学考察船对我国黄海和东海海域(25°—37°N、119°—126°E)进行了水文、化学和生物的多学科综合调查, 共设置采样断面15条、采样站位86个(图1)。以长江口-济州岛连线为界, 将研究海域分为黄海海域和东海海域两个区域。

图1　2015年夏、冬季我国黄东海调查海域及站位分布示意图Fig.1 The study area and sampling sites in the Yellow Sea and East China Sea in summer and winter of 2015

1.2　样品采集与分析

利用Sea-Bird Equipment 917 CTD仪测定现场的温度、盐度和深度等水文参数, 并利用 Niskin 12采水器采集水样; 根据水深情况采集各个站位的标准层水样, 包括表层、5、10、20、30、50m和底层(离底3m)水样。现场样品的采集、保存及部分环境参数的测定按照《海洋调查规范》(GB 17378.3-2007)进行。

DO的测定采用 Winkler碘量法完成现场滴定,并据此对 CTD探头数据进行校正获取 1m/层精度的DO数据; 营养盐水样按照《海洋监测规范》的规定方法, 经Whatman GF/F滤膜过滤后, 水样用洁净的聚乙烯瓶封装, 加入1—2滴氯仿固定, 并在-20°C环境中冷冻保存, 之后在实验室通过 SKALAR营养盐自动分析仪(SKALAR San++, 荷兰)测定。

1.3　数据处理与统计分析

利用Weiss方程计算夏季与冬季各站位采样点的饱和DO含量, 并据此计算各个采样点的DO饱和度与表观耗氧量(apparent oxygen utilization, AOU)(Pytkowicx, 1971)。DO与主要环境因子间的相关关系利用 OriginPro8.6软件的 Pearson进行相关性分析,相关参数的等值线分布图采用 Golden Software Surfer 11.0软件进行绘制。

2　结果

2.1　水文参数的平面分布特征及季节变化特点

2015年夏、冬季调查海域表、底层温度与盐度平面分布如图2所示。夏季研究海域表、底层温度与盐度差别较大, CDW对研究海域的温度、盐度分布具有重要影响, 且对表层水体影响更为显著。其中, 黄海海域表层水体温度与盐度的变化范围分别为23.21—27.13°C 和 28.88—32.08; 整体上而言, 随着纬度升高, 黄海海域表层水体温度逐渐降低而盐度则逐渐升高。黄海海域底层水体温度与盐度的变化范围分别是7.11—27.12°C与28.90—33.22, 温度呈现近岸高、外海低的分布特征, 盐度的变化则呈现出相反的趋势。在黄海海域的东北部(33.74°—37.00°N,122°—124°E)底层存在低温水体(T＜10°C), 呈 YSCW特征。东海海域表层水体温度与盐度的变化范围分别是24.99—28.04°C与24.00—34.13, 表层水体温度与盐度的变化趋势相同, 呈现近岸低、外海高的分布特征。东海底层水体温度与盐度的变化范围分别为14.26—26.45°C 与 27.14—34.66, 随着离岸距离的增加, 温度逐渐降低而盐度逐渐升高, 受黑潮影响, 东南部海域(25.90°—30.06°N, 121.91°—123.09°E)底层水体呈现低温(T＜20°C)、高盐(S＞34.4)的特征。

冬季, CDW对研究海域的影响减弱。黄海海域表层水体温度与盐度的变化范围分别是 9.05—13.86°C与 29.85—32.18, 总体上呈现近岸低、外海高的分布特征。受黄海暖流(YSWC)影响, 在南黄海南部存在一支自东南向西北方向延伸的高盐(S＞32)暖水(T＞12°C), 水温与盐度明显高于两侧。黄海海域底层水体温度与盐度分布特征与表层基本一致。东海海域水体温度与盐度整体上高于黄海海域, 表层水体温度与盐度的变化范围分别为 12.06—23.58°C 与 24.32—34.77, 随着离岸距离的增加, 温度与盐度逐渐增加。底层温度与盐度的变化范围分别是 13.38—20.68°C与27.06—34.69, 其分布特征与表层基本一致。

2.2　DO平面分布特征及季节变化特点

2015年夏、冬季我国黄东海表层与底层 DO浓度及饱和度变化如表1所示。研究海域表层水体DO含量高于底层, 基本上处于饱和状态且季节变化不显著(n=173,P＞0.05)。底层水体DO含量具有显著的季节变化特点(n=178,P＜0.01), 夏季底层水体DO含量较低, 整体上处于不饱和状态, 且东海海域底层水体DO含量低于黄海海域。冬季黄东海表、底层水体DO质量浓度与饱和度较夏季均有提高, 且底层水体的变化更为显著。与夏季不同, 冬季东海海域底层水体DO饱和度高于黄海海域。

图2　2015年夏、冬季我国黄东海表、底层温度与盐度平面分布Fig.2 The surface and bottom distribution of temperature (°C) and salinity in the study area in summer and winter of 2015

表1　2015年夏、冬季研究海域表、底层DO质量浓度及DO饱和度值Tab.1 DO concentration and saturation of the study area in summer and winter of 2015

在夏季, 研究海域表层DO整体上处于饱和状态且分布较为均匀(图3a)。黄海海域底层水体DO整体上呈现不饱和状态, 平均饱和度为84.53%。DO质量浓度低且随着纬度减小而逐渐降低(图3b)。东海海域底层水体DO平均含量仅为4.62mg/L, DO饱和度平均为63.34%, 明显低于黄海海域的同期水平。东海海域底层水体 DO含量随离岸距离的增加而逐渐升高,在 长 江 口 附 近 海 域 (30.73°—32.30°N, 122.96°—124.60°E)与 浙 江 近 海 (28.43°—29.40°N, 121.97°—122.63°E)存在 DO＜3mg/L 的低氧区, 两处低氧区均位于50m等深线以内, 面积分别为9900与4900km2,DO质量浓度最低可达1.92mg/L(图3b)。在东海海域接近100m等深线的海域(28.88°—29.70°N, 124.08°—124.90°E), 底层水体 DO质量浓度低于 4mg/L, 覆盖面积可达6000km2。

在冬季, 研究海域DO平均含量较夏季高。黄海海域表层水体DO分布呈现近岸高、外海低的梯度变化特征。在南黄海的中南部海域, 受黄海暖流影响,DO质量浓度较低, 且呈自东南向西北方向延伸的水舌状分布特征(图4a)。黄海海域底层水体总体上处于不饱和状态, DO平均饱和度为90.92%; 底层水体的分布特征与表层存在较大差别, 低DO水舌在底层不明显且在南黄海中(33.80°—34.66°N, 123.52°—124.23°E)、北部(35.50°—36.36°N, 122.96°—123.82°E)海域底层存在DO低值区(DO＜6mg/L); DO质量浓度最低可达4.81mg/L, 低于该海域夏季底层水体DO最低值(图3b)。冬季东海海域表、底层水体DO分布特征基本一致, 均呈现近岸高、外海低的分布趋势, 且表、底层水体DO质量浓度差异不大(图4a, b)。东海海域表、底层DO均处于饱和状态, DO饱和度高于同期黄海海域; 其中底层水体 DO平均饱和度为104.03%。

图3　2015年夏季我国黄东海表(a)、底层(b) DO质量浓度(mg/L)平面分布Fig.3 The surface (a) and bottom (b) distribution of DO (mg/L) in the study area in summer of 2015

图4　2015年冬季我国黄东海表(a)、底层(b)DO质量浓度(mg/L)平面分布Fig.4 The surface (a) and bottom (b) distribution of DO (mg/L) in the study area in winter of 2015

2.3　典型断面DO分布特征及季节变化特点

受不同控制因素影响, 研究海域内DO分布具有明显的时空差异。根据研究海域内不同性质水团的特征, 分别在黄海和东海海域选取3600和DH4为典型断面, 研究其DO的垂向分布特征, 结果如图5、图6所示。

图5　2015年夏季3600断面与DH4断面温度、盐度与DO分布Fig.5 The vertical distribution of temperature (°C), salinity, and DO (mg/L) along Transects 3600 and DH4 in summer of 2015

夏季, 黄海海域 3600断面水体存在明显的层化现象, 温度垂向梯度变化明显而盐度垂向梯度变化较小; 在 122.50°E以西, 受 YSCW 影响, 底层存在T＜10°C 的低温水团, 温度梯度变化更为显著。受温度层化影响, DO在垂向分布上具有明显的分层现象。3600断面 DO质量浓度的变化范围为 6.23—11.35mg/L, 近岸海域 DO浓度随水深增加而逐渐降低; 在YSCW影响海域, 中层水体(20—35m)存在DO最大值现象, DO含量高于9mg/L, 底层水体DO含量较中层水体有所降低, 但仍处于较高水平, 均高于7mg/L。

东海海域 DH4断面存在强烈的温盐跃层, 温度随着水深的增加而逐渐降低, 盐度则逐渐升高。在123.00°—123.38°E 及 124.21°E 以东海域, 底层存在两个低温(T＜21°C)、高盐(S＞34.3)水团。DH4 断面 DO质量浓度的变化范围为2.96—9.11mg/L; 受水体层化影响, 该断面DO在垂向分布上具有明显的分层现象,从表层到底层DO含量逐渐降低。DO＜4mg/L的低氧水团位置与两个低温、高盐水团位置较为吻合。

在冬季, 黄海海域3600断面122.47°E以西的近岸区域水体混合均匀, 温度、盐度表底层差异较小;受地形变化影响, 122.47°E以东的外海区域的垂直混合未达到海底, 底层水体仍存在较弱的层化作用。DO质量浓度的垂向变化与温度、盐度的变化吻合,在 122.47°E以西混合较好的近岸区域 DO垂向分布均匀; 在 122.47°E以东的外海区域近底层水体存在分层现象; DO质量浓度较低, 最低可达4.81mg/L。

东海海域 DH4断面整体水体混合作用强烈, 温度与盐度在垂直方向上分布均匀且随着离岸距离的增加而逐渐升高。同期 DO在垂直方向上分布均匀,呈现近岸高、外海低的分布特征, 且底层DO低值区完全消失。

3　讨论

海水中DO含量变化与其水文条件密切相关, 不同海域的水文特征及其季节变化对DO分布具有重要的影响, 使DO分布呈现出明显的时空差异(图7)。夏季, 黄东海典型海域水体具有明显的层化特征; 南黄海南部与东海海域底层DO含量较低, 存在DO低值区甚至在长江口与浙江近海附近存在低氧区, 低氧区位于50m等深线以内, 同时在外海靠近100m等深线的海域, 底层存在DO＜4mg/L的水体。而南黄海中北部受黄海冷水团影响海域具有明显的低温特征,存在中层DO最大值现象, 底层DO整体含量显著高于同期其他研究海域(n=178,P＜0.01)。冬季, 水体在垂向上混合均匀, 表、底层水体 DO含量较高, 整体上处于饱和状态。调查期间, 南黄海冷水团消失, 南黄海中北部海域底层 DO含量较夏季有所降低, DO最低值为4.81mg/L。

图6　2015年冬季3600断面、DH4断面温度、盐度与DO分布Fig.6 The vertical distribution of temperature (°C), salinity, and DO(mg/L) along Transects 3600 and DH4 in winter of 2015

图7　研究海域的温度-盐度与DO点聚图Fig.7 The temperature-salinity diagram with DO data of the study area

3.1　黄海海域 DO的分布特征与季节变化的影响因素

海水中的DO含量与其溶解度有关, 而DO溶解度受到温度、盐度等环境因素的影响, 随着温度与盐度的升高而降低(张竹琦, 1990)。在冬季, 黄海海域表层水体DO处于饱和状态, DO质量浓度与温度、盐度具有显著的负相关关系(表 2); 夏季表层水体温度较冬季有所提高, 黄海表层水体DO饱和值与DO含量较冬季均有所降低, 表层水体 DO处于过饱和状态,这与水体增温导致DO溶解度降低以及浮游植物光合作用产生氧气有关(Middelburget al, 2009; 吴金浩等,2013), 表层DO与温度、盐度不再具有显著的负相关关系(表2)。另一方面, 温盐跃层的形成对DO的分布产生重要的影响。冬季由于垂直混合作用未达到海底,在黄海海域外侧近底层水体仍存在一定的层化作用,限制了底层水体与上覆水体的交换, 使得底层水体的DO的消耗未能得到及时补充(辛明等, 2013); 此外,入秋后有机物的分解消耗了水体中的 DO(韦钦胜等,2010a), 使得该海域底层水体 DO含量低于夏季并存在DO＜6mg/L的低值区。在夏季, YSCW影响海域存在中层水体(20—35m)DO最大值现象, DO最大值水层位于跃层下部。研究表明, 稳定的跃层是形成中层水体 DO最、大值现象的必要条件(王保栋等, 1999;韦钦胜等,2010c)。进一步分析发现, DO最大值水层水体具有低温特征, 为DO提供了较高的背景值。而跃层上覆水体温度较高, 降低了 DO的溶解度; 底层水体营养盐含量较高, DIN(溶解无机氮)、DIP(溶解无机磷)与 AOU具有显著的正相关关系(图 8), 表明底层水体中有机物的分解生成营养盐并进一步消耗了水体中的DO。跃层以上水体与跃层以下水体DO含量分别因增温与有机物分解有所下降, 而跃层的存在限制了DO在垂直方向上的输送, 导致了该海域中层水体DO最大值现象的产生。

3.2　东海海域 DO的分布特征、季节变化及其影响因素

在冬季, 东海海域表、底层水体DO质量浓度与温度、盐度均具有显著的负相关关系(表2)。在夏季,东海海域水体温度升高, DO饱和值与DO含量较冬季均有所降低。在长江口邻近海域和浙江近海底层均存在低氧区, 低氧区位于50m等深线以内, 低氧区面积为14800km2。同时在靠近100m等深线的东海外侧海域底层存在DO＜4mg/L的低氧现象。研究表明, 跃层的阻隔与底层水体中有机物的耗氧分解是导致底层低氧区形成的主要原因(Liet al, 2002; 张莹莹等,2007; 韦钦胜等, 2010b)。夏季, 东海海域底层水体具有较高的 AOU, 底层水体存在严重的氧亏损且营养盐含量丰富。进一步分析发现DIN、DIP与AOU具有显著的正相关关系, 表明底层水体中有机物分解作用强烈, 生成营养盐的同时消耗了水体中的 DO。同时东海海域强烈的跃层限制了表层水体与底层水体DO的交换, 使得底层水体DO的消耗得不到及时的补充, 促进了低氧区的形成。

表2　夏、冬季研究海域DO与温度、盐度的相关性分析Tab.2 Pearson correlation analysis between DO and temperature of the study area in summer and winter

图8　夏季研究海域底层水体DIN、DIP与AOU相关性分析Fig.8 Relationships among DIN, DIP, and AOU in summer in the study area

4　结论

根据2015年8月与12月现场大面调查资料, 分析探讨了我国黄东海的DO分布特征、季节变化特点,并对其影响因素进行了初步分析, 结果表明:

夏季南黄海中北部、YSCW影响海域存在中层水体DO最大值现象, 冬季南黄海中北部海域底层存在DO低值区, DO最低值为4.81mg/L。夏季在东海长江口海域与浙江近岸海域存在低氧区(DO＜3mg/L), DO最低值为 1.92mg/L; 低氧区影响范围广阔, 面积达14800km2, 在东海海域外侧 100m等深线位置存在DO＜4mg/L的低氧现象。我国黄东海表层水体DO总体上均处于饱和状态、季节变化幅度小。

黄东海 DO分布特征及其变化受物理过程与生物化学过程等多种因素的综合影响, 且不同海域、不同季节DO分布的影响因素存在差异。夏季, 跃层的形成与底层有机物的分解是 YSCW 影响海域中层水体DO最大值现象与东海低氧区形成的必要条件。冬季, 南黄海中北部海域由于垂直混合作用未达到海底, 底层水体的 DO亏损未得到及时的补充, 导致底层DO低值区的存在; 而东海水体垂直混合均匀, DO分布主要受温度与盐度的控制。

致谢中国科学院海洋研究所于非研究员提供了温盐等 CTD资料, 中国科学院海洋研究所张悦、邱丽霞同学协助完成现场采样, “北斗号”与“科学三号”调查船全体人员为调查工作提供了大量帮助和支持,谨致谢忱。

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