北极斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水水质研究

李海源

(复旦大学附属中学，上海 200433)

0 引言

斯瓦尔巴德群岛位于74°～81°N，10°～35°E，处于巴伦支海和格陵兰海之间，靠近北极，是地球上有人居住的最北地区之一。它由斯匹茨卑尔根群岛、东北地岛、埃季岛等岛屿组成，总面积62 700 km2[1]。1925年，多个国家共同签署了北极地区唯一具有国际色彩的政府间条约——《斯瓦尔巴德条约》，我国是首批缔约国之一。根据这一条约，缔约国可以在斯瓦尔巴德群岛及其领海开展科考活动。正因为此，这一地区的极地科考活动异常活跃[2]。由于各种原因，我国在该地区的科考活动开展较晚，直到2004年才在新奥尔松建立了我国第一个北极地区科考站——黄河站,之后以此为基地，逐步开展了对北极地区海洋、大气、微生物等科考研究。北极科考是影响我国北极战略决策和实施的关键变量[3]。有专家指出：“作为生态环境脆弱、资源蕴藏丰富、地缘环境复杂的区域，北极需要通过多维度的方法加以综合研究”[4]。尽管我国学术界越来越重视对斯瓦尔巴德群岛及北极地区的研究，但毕竟起步较晚，且从地缘上来说，我国是非北极国家，要获取该地区的第一手数据有诸多不便，因此我国关于该地区的第一手科考数据一直较少，这一情况亟待改变。

2017年7—8月，笔者有幸参加了中国青少年北极科考活动，前往斯瓦尔巴德群岛进行科学考察。在此期间，对该群岛周边的海洋环境进行了调查研究，获得了大量关于海水水质、北极生态等的第一手数据。以此为基础对斯瓦尔巴德群岛中部海域的水质进行了分析，阐述了该区域的海水水质总体特征，并探讨了其控制影响因素。目前我国海洋探测以我国海域为主[5-6]，鲜有北极地区海水水质调查数据发表。本次科考数据为全面了解该区域海洋特征提供了参考，也丰富了我国北极海洋科考的基础数据。后续可以利用这些宝贵数据针对全球温度变化对海水水质、北极生态及微生物的影响做进一步研究，以提升北极科考的深度和广度，为我国北极地区全方位研究、维护我国北极权益贡献力量。

1 海水水质采样地点及数据分析

1.1 采样区域及采样点选择

采样区域为斯瓦尔巴德群岛中部海域，北起80.782 7°N，南至76.509 4°N。在该区域共设置了40个采样地点，位置信息如表1所示。根据这些地点的地理位置，可以将其划分为6个不同的区域：北部冰区、西北部海湾、中部海峡、东部沿海、东部水道和南部海域(图1)。

表1 采样地点经纬度信息

1.北部冰区； 2.西北部海湾； 3.中部海峡； 4.东部沿海；5.东部水道； 6.南部海域

图1 斯瓦尔巴德群岛表层海水采样区域

Fig.1SamplingareasofsurfaceseawaterinSvalbardIslands

1.2 样品采集与测量参数

本次研究使用聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)采样瓶，采集时先用原地原水润洗采样瓶，然后装满水样。每个地点采集海水样品3份，每份约为1 L。采样同时，用GPS记录采样时间与采样地点的经纬度位置信息。

采样使用意大利哈纳(HANNA)HI 98194便携式多参数水质分析测定仪(图2)进行数据测量。每次使用设备前，首先使用缓冲溶液对检测探头进行校准，然后用少量海水样品冲洗探头，再将探头全部浸入海水样品中。

图2 意大利哈纳(HANNA)HI 98194便携式多参数水质分析测定仪

测量中选取了海水水质分析中常用的6个参数：海水温度(T)、酸碱度(pH)、电导率(EC)、溶解性总固体量(TDS)、实际盐度(PSU)和溶解氧(DO)饱和度。

海水温度是反映海水热状况的物理量，是海水其他物理和化学要素测定的根本和前提[7]。

海水酸碱度(pH)对研究开发利用海洋资源具有十分重要的意义。借助pH值的分布，可以认识海洋动植物的生活环境，进而掌握海洋动植物的生长繁殖规律。

海水电导率(Electrical Conductivity，EC)是含盐浓度的指标，海水电导率的分布和变化是影响海水电性质和海洋电场的重要因素。它对电磁波在海洋中传输的衰减特性和相位特征都有重大的影响，从而直接影响着海洋中的通信和导航效果。通过测量电导率，可以研究海水中的离子、分子间的平衡过程，进而研究海水的微观结构[8]。

实际盐度(Practical Salinity Units，PSU)是海水中含盐量的一个标度，单位为g/kg或‰。海水含盐量是研究海水的物理、化学过程的基本参数之一。

溶解性总固体量(Total Dissolved Solids，TDS)是指单位质量海水中含有的溶解性固体的总质量，包括无机物和有机物两部分。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多。

海水溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是指溶解在海水中的氧，用每升水里氧气的毫克数表示[9]。海水中溶解氧的含量是海洋化学的重要参数之一，也是海水水质的重要指标。它的含量变化与海水中生物过程及水文条件等有密切关系[10]。溶解氧饱和度是指溶解氧实测浓度与相同测试条件下溶解氧饱和浓度之比，通常用百分比表示。

2 测量结果与分析

2.1 斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水水质总体特征

斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水水质的描述性统计如表2所示。

表2 斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水水质描述统计表

注：分析样品数为40个。

从表2可以看出，斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水夏季平均水温为4.3 ℃，但各个采样点之间的差别较大，有的采样点温度已接近冰点，有的采样点则达到了10 ℃以上。

该海域pH值平均值为8.37，呈弱碱性，且各个采样点之间酸碱度变化不大，较为稳定。世界大洋表层海水的pH值通常稳定在7.9～8.3之间，夏季由于白天海水光照时间较长，浮游植物光合作用强度大于生物呼吸强度，海水中会出现CO2的净消耗，因此pH值比冬季高。该海域酸碱度与全球大洋相比，基本差异不大。

该海域电导率平均值为43.92 mS/cm，高于海水的电导率常见值30 mS/cm[6]，但最小值仅为0.55 mS/cm，各采样点之间的差异较大。

该海域实际盐度均值为33.22 g/kg，而世界大洋平均盐度为35 g/kg左右，可见该海域的实际盐度相对较低，单个采样点的实际盐度甚至低至0.30 g/kg。

溶解性总固体量均值为53.46×10-9, 但最小值仅为21.90×10-9，最大值却达到526×10-9，说明各采样点之间差别非常大。

溶解氧饱和度平均值为93.21%，因此该海域的表面海水平均溶解氧含量接近饱和。有些采样点则处于超饱和状态(最大值为112%)。溶解氧处于超饱和状态的采样点会从海水向空气中释放氧气，使该地区形成一个“天然氧吧”。

2.2 不同区域间表层海水水质特征差异分析

从以上分析可以看出，尽管斯瓦尔巴德中部海域维度跨度不算太大，但不同采样点之间的6大参数测量值除酸碱度外差异比较大。下面将对其差异开展进一步分析，并探讨引起这些差异的原因。由于采样点较多，将按照前文所划分的6个不同区域进行分析。数据统计分析软件采用SPSS 23.0。鉴于各个区域的采样点数量不一，且均不超过30个，将采用非参数检验中的独立样本克-瓦氏检验分析不同区域间的差异显著性。

2.2.1 海水温度

不同区域间的克-瓦氏检验结果显示，6个区域之间海水温度的差异显著性为0.000，表明不同区域间的海水温度差异非常显著。水温最高的区域是南部海域(平均温度M=7.86 ℃)； 水温最低的区域是北部冰区(M=1.33 ℃)(图3)。这跟2个区域的地理位置有关，北部冰区在6个区域中处于最北端，南部海域位于6个区域的最南端。一般情况下，纬度越高，海水温度越低。

图3 不同区域海水温度均值图

从图3可以看出，西北部海湾相对于其高纬度温度偏高，这主要是受大西洋暖流的影响。东部沿海的海水温度偏低，甚至低于纬度高于这一区域的西北部海湾和中部海峡，推测这是由于该区域受北冰洋寒流影响。源于北冰洋的东斯匹茨卑尔根寒流正好流经该区域。东部水道虽然也处于东部，但纬度稍低而且处于峡湾保护之中，因此水温受到的影响稍小，温度相比东部沿海高一些。

2.2.2 酸碱度

不同区域的pH值均值如图4所示。6个区域间的克-瓦氏检验结果显示，它们的酸碱度没有显著差异(p=0.083，p是SPSS数据分析中的可能性(possibility),p<0.05时说明分析结果可信)。天然海水的pH值经常稳定在7.9～8.4之间，呈弱碱性。pH值变化小，有利于该海域海洋生物的生长。整体来看，斯瓦尔巴德群岛中部海域的海水pH值与其他地区相比偏高，这可能由2个原因造成：一方面，海水取样时正值夏季，由于温度增高及光合作用加强，使上层海水中二氧化碳含量和氢离子浓度下降，pH值升高； 另一方面，该地区溶解氧高，而通常情况下，溶解氧高的地区pH值也会高。进一步检验了溶解氧与pH值之间的相关性，二者呈现正相关关系(r=0.559；p=0.000)。

图4 不同区域海水酸碱度均值图

2.2.3 电导率

6个区域间的克-瓦氏检验结果显示，不同区域的电导率显著不同(p=0.049)。从图5可以看出，中部海峡电导率显著低于其他5个区域。通常认为海水电导率与海水中的含盐量密切相关，盐度低则电导率也低。

图5 不同区域电导率均值图

2.2.4 实际盐度

6个区域间的克-瓦氏检验结果显示，区域不同，其盐度有显著不同(p=0.012)。中部海峡的盐度均值最低(27‰，图6)。中部海峡盐度最低，推测可能是由于该海域周边地貌较多内陆冰川，而夏季该区域的水温较高，有可能导致冰川部分融化，有淡水流入中部海峡，降低了该海域的海水盐度。

图6 不同区域盐度均值图

中部海峡海水盐度低于其他地区，这一趋势与电导率基本一致(图7)。进一步检测两者之间的相关性，结果显示两者之间显著相关(r=0.974;p=0.000)，可以从电导率的高低直接推测实际盐度的高低，反之亦然。这也验证了前文中我们提到的实际盐度低是该海域电导率低的直接原因。

图7 不同区域电导率与盐度均值散点图

2.2.5 溶解性总固体量

6个区域间的克-瓦氏检验结果显示，区域不同，溶解性总固体量有显著不同(p=0.046)。从图8可以看出，区域间的显著差异主要表现为中部海峡溶解性总固体量远高于其他区域。溶解性总固体既包含溶解盐类，也包含其他有机物质。一般情况下，如果海水中浮游生物少，水质较清时，溶解性总固体量应该与溶解盐度成正相关关系。但中部海峡的电导率和盐度都是6个区域中最低的，说明该海域的溶解性总固体量主要受到有机物质的影响。跟群岛外围的海水相比，中部海峡有机物质含量丰富，可能的原因是周边有较多的苔原和岩石滩。苔原的生物活动较活跃，会给海水带来丰富的有机物与微生物； 岩石中的沉积岩较松软，硅氧化物含量高，在冰川融化时，容易被冰川融水冲蚀，携带进入海水中，进而增加海水的溶解性固体含量。

图8 不同区域溶解性总固体量均值图

2.2.6 溶解氧饱和度

6个区域间的克-瓦氏检验结果显示，区域不同，溶解氧饱和度有显著不同(p=0.009)。其中南部海域溶解氧饱和度最低(M=79.35%)，西北部海湾溶解氧饱和度最高(M=105.86%)。通常认为溶解氧含量与海水的温度、盐度等都有密切关系。我们对溶解氧饱和度与海水温度和实际盐度的相关性进行了检验，发现在采样数据中，它们之间并没有显著的相关关系； 但通过对溶解氧饱和度与纬度之间的相关性进行检验，却发现两者相关(r=0.358;p=0.023)，也就是说，整体来看，纬度越高，溶解氧饱和度越大。

尽管整体来看，斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水符合纬度越高，溶解氧饱和度越大的规律，但从图9可以看出，北部冰区与西北部海湾相比纬度更高，但溶解氧饱和度更高的却是西北部海湾。什么原因导致了西北部海湾溶解氧明显高于其他各个区域呢？相关研究表明，除水温、海水盐度之外，水体中的溶解氧也受浮游生物、悬浮物浓度等多种因素相互制约[9-10]。我们推测，西北部海湾的溶解氧饱和度高，可能是由于该海域有大西洋暖流汇入，使其形成与同纬度其他区域相比处于高温高盐环境，浮游植物相对较多，初级生产力高，所以含氧量高，同时细菌丰度及多样性也都较其他地区高[11]。

图9 不同区域溶解氧饱和度均值图

3 结论

(1)斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水总体水质特征为：水温低，平均水温只有4.3 °C； 盐度偏低，均值约为33.22‰； 电导率均值约为43.92 mS/cm； 溶解氧饱和度较高，均值约为93%； 该海域海水呈弱碱性，与世界大洋差异不大； 溶解性总固体量均值为156.38×10-9，内部差异非常大，主要是中部海峡某些采样点异常偏高。

(2)斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水各区域间水质特征在海水温度、电导率、实际盐度、溶解性总固体量及溶解氧饱和度等方面均有较大差异，但酸碱度较为稳定且区域间差异不大。在6个区域中，北部冰区水温最低，溶解性总固体量也最低，但溶解氧含量较高，接近饱和； 西北部海湾溶解氧饱和度最高； 中部海峡溶解性总固体量最高，但盐度和电导率最低； 南部海域水温最高，实际盐度和电导率最高，溶解氧饱和度最低； 东部沿海水温偏低。

(3)地理位置、洋流和地形地貌对斯瓦尔巴德群岛中部海域表层海水均有影响。地理位置越往北，气温越低，阳光辐射强度越小，海水温度越低。东斯匹茨卑尔根寒流降低了东部沿海水温； 北大西洋暖流则拉高了西北部海湾的水温，丰富的微生物提高了该海域的溶解氧含量。中部海峡峡湾两旁的冰川融化带来了淡水，降低了海水盐度和电导率； 同时融水也带来了陆地微生物，岩石溶解进入海水造成固体溶解物含量增加。同样处于峡湾位置的东部水道，由于两侧基本只有裸露的岩石和少量的苔原，没有冰川融水的影响，水质特征与中部海峡有很大不同。