渤海和北黄海溶解氧与营养盐年际变化特征

李伯志，赵 亮，魏诗晏

(天津科技大学海洋与环境学院，天津 300457)

溶解氧作为海水水质指标之一，在海洋生态系统中扮演重要角色.海洋中生物生产和有机质分解都会影响海水中溶解氧含量，而溶解氧含量变化反过来又会影响海洋生物.海水中营养盐水平影响浮游植物初级生产水平，是浮游植物物质吸收和能量代谢的重要来源，也是量化海水富营养化的重要指标之一.

渤海和北黄海作为高生产力海区，其溶解氧与营养盐时空变化特征备受关注.崔毅等[1-2]分析1959—1992 年的现场观测数据，指出渤海溶解氧年际差异不大，基本稳定维持在6.0 mL/L 左右.俎婷婷等[3]根据1979—1999 年间渤海中部断面溶解氧和营养盐调查资料，指出这21 年间渤海夏季和冬季溶解氧质量浓度均呈现缓慢降低的趋势，夏季磷酸盐和硅酸盐浓度存在下降的趋势，而冬季则没有明显升高或降低趋势.王丽莎等[4]分析夏季黄渤海生源要素平面分布特征，指出营养盐呈现近岸高、外海低的特征，营养盐受到河口径流量影响.近些年来，学者们研究了海水营养盐的结构，指出渤海营养盐朝着磷酸盐和硅酸盐相对缺乏的趋势演变[5-8].总体而言，对于渤海营养盐和溶解氧的研究，以季节变化和平面分布特征研究为主，长时间时空变化特征分析较少.

对黄海的溶解氧和营养盐的研究则主要集中在南黄海，如36°N 断面.Lin 等[9]分析南黄海溶解氧的变化特征，指出在1976—2000 年间溶解氧、磷酸盐和硅酸盐呈现降低趋势.高磊等[10]也指出，在20 世纪50—90 年代期间，南黄海磷酸盐和硅酸盐均存在降低的趋势.Li 等[11]和Wei 等[12]发现在20 世纪90年代中期之前，磷酸盐和硅酸盐浓度存在降低趋势，此后逐渐升高.刘春利等[13]通过分析黄海表层溶解氧时空分布，指出表层溶解氧与温度、营养盐浓度存在负相关关系.还有学者通过分析特定季节的观测数据来讨论营养盐和溶解氧的空间分布特征[14-17]，但是对北黄海溶解氧与营养盐年际变化特征的研究较少.

本文基于收集的1975—1999 年间渤海和北黄海溶解氧、磷酸盐和硅酸盐现场观测数据，分析不同层次溶解氧和营养盐(下文中营养盐是指磷酸盐和硅酸盐，不包括硝酸盐)分布特征和变化规律，重点关注其年际变化，旨在了解该海域营养状况和浮游植物的群落结构变化，为当地生态环境保护和可持续发展提供基础数据支持.

1 数据来源及处理方法

1.1 研究海域的站点分布

本 文 研 究 海 域 范 围 为 37.0°N ～41.0°N，117.0°E～124.5°E，包括整个渤海和北黄海海域(图1).数据来自国家海洋局北海分局的常规断面观测，包括温度(T)、盐度(S)、溶解氧(DO)、磷酸盐(PO4-P)和硅酸盐(SiO3-Si)浓度，观测时间为1975—1999年，图1 给出各个站点观测总次数分布，各个站点观测总次数在10～275 次，其中渤海有3 个站点观测次数超过150 次，其余多数站点观测次数在50～100次.北黄海有4 个站点观测次数超过200 次，其余站点观测次数在100～150 次.在渤海和北黄海各选取观测次数较多的3 个站点(图1 黑色圆圈所示)，作为渤海和北黄海的代表.代表站点的观测数据包括其周边0.25°范围内全部数据，其观测次数统计结果见表1.根据研究海域气候特征，选取数据相对较多的8 月和2 月分别代表夏季和冬季，用以分析夏、冬季溶解氧和营养盐的变化特征.

图1 观测站点及各站点观测次数分布Fig.1 Distribution of observation points

表1 代表站点观测年份和次数Tab.1 The number and years at the observation points

1.2 数据处理

实测数据时间跨度较大，数据质量和格式存在差异，故在数据分析前，参考WOA(World Ocean Atlas)采用的质量控制方法对观测数据进行预处理[18]：

(1)剔除无效的站点.以ETOPO5(https：//www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo5.html)地形资料为参考，剔除超过研究海域范围和观测位置明显有误的站点数据.

(2)溶解氧及营养盐数据异常处理.依据前人研究结果[19-21]，预设实测数据的可信范围，这里设置溶解氧浓度范围为0～15.0 mL/L、磷酸盐浓度范围为0～1.5µmol/L、硅酸盐浓度范围为0～40.0µmol/L，研究海域内超出设定范围的数据视为异常数据，予以剔除.

(3)数据插值.将预处理数据插值到标准层，即2 m、5 m、10 m、30 m 和底层.由于文章篇幅有限，本文主要讨论表层(2 m)和底层.

(4)在对数据进行年际变化分析时，首先计算其标准差，若实测数值与年平均值的差超过3 倍标准差，则视为异常数据，予以剔除.

在整个研究期(1975—1999 年)，利用月平均数据分析溶解氧和营养盐年际变化特征时，采用最小二乘法[22-23]进行线性趋势分析.为分析溶解氧和营养盐空间分布的年代间差异，将研究期划分为3 个时间段：以1975—1979 年平均为20 世纪70 年代，站点总数为59 个；1980—1989 年平均为20 世纪80 年代，站点总数为64 个；1990—1999 年平均为20 世纪90 年代，站点总数为25 个.每个站点都包括周边0.25°范围内的全部数据.

2 分析与讨论

2.1 溶解氧和温度的年际变化

渤海和北黄海夏季和冬季溶解氧浓度和温度年际变化分别如图2、图3 所示，图中直线代表相应颜色的站点数据线性拟合曲线，红线代表海域内3 个站点的平均值的拟合结果.

图2 渤海和北黄海夏季溶解氧浓度和温度年际变化Fig.2 Inter-annual variations of DO and temperature in summer in the Bohai Sea(BS)and the North Yellow Sea(NYS)

1975—1999 年这25 年来，研究海域在冬季垂向混合均匀，表层和底层温盐变化一致，渤海和北黄海温度的均值分别为 0.40 ℃和 3.13 ℃；盐度分别是31.20 和31.99.夏季，渤海和北黄海的海水温度存在垂向差异，明显高于冬季.渤海的表层和底层变化范围分别为20.10～27.87 ℃、12.49～27.03 ℃，表层和底层盐度的变化范围为22.13～32.49；北黄海的表层和底层变化范围是18.35～27.79 ℃、4.44～24.17 ℃，表层和底层盐度的变化范围为19.85～33.09.1975—1999 年间，夏季渤海表层和底层的溶解氧浓度变化不大，除1988 年外，整体在4.50～5.50 mL/L 范围内波动性降低；夏季北黄海表层溶解氧浓度略有降低，而底层则呈现显著降低的趋势，3 个站位平均浓度从1976 年的6.40 mL/L 下降到1999 年的5.54 mL/L，北黄海整体下降率为0.037 mL/(L·a).相比于夏季，渤海和北黄海冬季表、底层的溶解氧浓度均显著降低.渤海和北黄海的表层溶解氧下降率分别为0.032 mL/(L·a)和0.025 mL/(L·a)，由于冬季海水混合作用较强，底层与表层的溶解氧浓度几乎相同，其年际变化趋势也基本一致.俎婷婷等[3]分析1979—1999 年间渤海溶解氧的长期变化，指出无论冬、夏季，溶解氧浓度总体都呈现降低趋势，这与本文的结果基本一致.

图3 渤海与北黄海冬季溶解氧浓度和温度年际变化Fig.3 Inter-annual variations of DO and temperature in winter in BS and NYS

北黄海夏季底层温度、冬季表层和底层温度都表现为增加趋势(图2(h)，图3(f)、(h))，渤海冬季表层和底层温度也表现出明显增加趋势(图3(e)、(g)).气体在海水中溶解度受温度影响显著，结合溶解氧和海水温度变化曲线，可以看到溶解氧和温度存在负相关关系(表2).除渤海夏季溶解氧与温度的相关性较低外，渤海冬季溶解氧和北黄海全年溶解氧与海水温度相关性较高，绝对值均超过0.60，说明温度是影响渤海和黄海溶解氧浓度的重要因素.对比不同季节温度与溶解氧的相关性，发现在研究海域冬季相关性比夏季的更高，表明冬季海水温度对溶解氧浓度的影响要强于夏季海水温度对溶解氧浓度的影响，原因是冬季浮游植物大量减少，海水温度成为影响溶解氧浓度的主要因素[24].当然，温度并非是影响海水中溶解氧浓度的唯一因素，比如在辽东湾南部(站点3)，夏季底层温度明显比渤海其他站位低，但其溶解氧浓度与渤海其他海区相当.浮游植物的光合作用、有机质的分解、氨氮硝化作用和底泥耗氧同样影响水体中溶解氧浓度[25-27].夏季较高的生产力为底层带来丰富的有机物，增加溶解氧的消耗，同时低氧区表层水体温度较高，形成高温水团，造成较强的水体温度层结[28]，层化限制了表层富氧水向下补充，造成渤海夏季底层溶解氧低，也是底层溶解氧与温度相关性差的原因之一.

总之，造成溶解氧浓度的降低的原因：一方面是海水温度的升高[29-31]，另一方面是浮游植物数量的降低和浮游动物数量的增加[32].

表2 溶解氧与海水温度的相关系数Tab.2 Correlation coefficient between DO and temperature

2.2 营养盐的年际变化

渤海和北黄海夏季和冬季磷酸盐和硅酸盐浓度年际变化分别如图4、图5 所示，图中直线代表相应颜色的站点数据线性拟合曲线，红线代表海域内3 个站点的平均值的拟合结果.

图4 渤海和北黄海夏季磷酸盐和硅酸盐浓度年际变化Fig.4 Inter-annual variations of PO4-P and SiO3-Si concentration in summer in BS and NYS

在20 世纪70—80 年代中期，夏季渤海的磷酸盐浓度出现波动性降低，表层和底层浓度分别降至0.1µmol/L 和0.2µmol/L 以下，硅酸盐同样表现为波动性降低，在20 世纪80 年代中期降低到接近零水平.此后，直到20 世纪90 年代末，渤海的磷酸盐和硅 酸 盐 浓 度 分 别 在 0.2 ～0.4µmol/L、8.0 ～12.0µmol/L 的范围内波动(图 5(a)、(c)、(e)、(g)).在1975—1999 年间，线性拟合结果显示：渤海硅酸盐表现为一致的降低趋势，较磷酸盐的变化趋势明显，两者表层的降低率分别为 0.410、0.006µmol/(L·a).然而，辽东湾南部(站点3)底层磷酸盐浓度却呈现上升趋势，尤其在20 世纪90 年代，磷酸盐浓度达到0.65µmol/L(图4(c))，这与该站点处于渤海中部洼地有关，石强[33]指出“凹”地形有利于浓度较高的磷酸盐水体储存.在北黄海，夏季表层和底层的磷酸盐呈现不同变化特征：在这25 年间，表层磷酸盐浓度在0.2～0.3µmol/L 范围内波动，整体稳定，但底层却表现为升高的趋势，尤其在辽东半岛南部(站点4)和北黄海中部海域(站点5)，其磷酸盐浓度在 20 世纪 90 年代较高，平均浓度超过0.6µmol/L(图4(d)).北黄海硅酸盐浓度整体表现为弱的降低趋势，特别在20 世纪80 年代中期有显著降低，降到这25 年来的最低水平，低于2.0µmol/L；20世纪90 年代后，略有增加，硅酸盐浓度在2.0～8.0µmol/L 内波动.

图5 渤海和北黄海冬季磷酸盐和硅酸盐浓度年际变化Fig.5 Inter-annual variations of PO4-P and SiO3-Si concentration in winter in BS and NYS

冬季，在20 世纪70—80 年代渤海磷酸盐浓度呈现波动性下降，在20 世纪80 年代中期(1987 年)下降到最低水平，表层的下降率为0.029µmol/(L·a)；而在20 世纪80 年代中期以后，磷酸盐浓度出现波动性上升，到20 世纪90 年代末升高到0.7µmol/L，表层浓度升高率0.054µmol/(L·a)，而硅酸盐浓度表现为弱的减小趋势，年际间波动较大(图5(e)、(g)).冬季北黄海磷酸盐浓度表现为波动性变化，整体相对稳定，没有明显变化趋势(图5(b)、(d))；但硅酸盐却呈现出明显降低趋势，特别是在20 世纪80 年代中期(1984—1987 年)，研究海域内硅酸盐浓度显著降低.在20 世纪80 年代中期以后，硅酸盐浓度年际变化幅度明显，在20 世纪90 年代，海域内营养盐虽然存在波动，但整体浓度比20 世纪70 年代的低(图5(f)、(h)).造成研究海域营养盐浓度年际变化的原因错综复杂，沿岸入海径流变化、浮游生物群落结构变化、人类活动等均可能对研究海域营养盐变化产生影响.结合所查阅资料和文献，本文认为：一方面，20世纪80 年代以来沿海经济迅速发展，研究海域沿岸大型工厂、养殖业兴起，以及大量含氮化肥随径流入海而造成海水中无机氮的增加，使得浮游植物对磷酸盐和硅酸盐的消耗增加，营养盐结构发生变化，N/P比值几乎呈直线大幅上升[6,34].另一方面，马柱国[35]和孔岩等[36]研究指出，从20 世纪80 年代开始黄河径流量出现降低趋势.在20 世纪80—90 年代中国北方河流发生严重断流，尤其在20 世纪90 年代黄河断流天数高达119 d(1995 年)，径流量减少带来的营养盐输入降低，可以部分解释20 世纪90 年代渤海和北黄海营养盐要比20 世纪70 年代偏低[37-38].此外，20 世纪80 年代以来，入海的硝酸盐浓度增加直接提高了浮游植物初级生产力，大量沉降的有机碎屑发生氧化分解反应，造成底层溶解氧浓度的降低，这与以往研究结果[26,39]一致.

2.3 溶解氧的空间分布年代间差异

渤海和北黄海溶解氧空间分布年代间差异如图6 所示.

图6 渤海和北黄海溶解氧空间分布年代间差异Fig.6 Inter-decadal variations of horizontal distribution of DO in BS and NYS

从空间分布来看：25 年间夏季整个渤海表层的溶解氧浓度呈现轻度降低趋势，从20 世纪70 年代5.5 mL/L 降低到20 世纪90 年代的5.0 mL/L，三大海湾间(渤海湾、莱州湾和辽东湾)没有明显差异；北黄海北部海域表层溶解氧浓度在20 世纪80 和90 年代相比20 世纪70 年代高，20 世纪80 年代平均浓度超过6.0 mL/L，而北黄海其他海区表层溶解氧浓度在20 世纪70—90 年代则基本维持在4.8～5.5 mL/L 范围(图6(a)、(e)、(i)).夏季渤海中部底层溶解氧浓度20 世纪90 年代相比20 世纪80 年代降低明显，从5.0 mL/L 降到4.4 mL/L；20 世纪70—80 年代北黄海北部底层溶解氧低值范围增大，在中部和南部变化不明显，到20 世纪90 年代整体显著降低，北黄海底层平均浓度从20 世纪80 年代的6.40 mL/L 降低到20世纪90 年代的5.54 mL/L(图6(b)、(f)、(j)).

冬季渤海和北黄海溶解氧浓度整体表现为降低的趋势，特别是20 世纪80—90 年代降低明显，渤海南部海域(渤海湾和莱州湾)降低程度要比渤海北部海区(辽东湾)的明显，从20 世纪70—90 年代的表层降幅分别为0.6 mL/L、0.2 mL/L，而北黄海表层的降幅为0.4 mL/L.除20 世纪80 年代渤海湾底层溶解氧出现高值外，研究海域内底层与表层的溶解氧浓度变化趋势基本一致(图6(c)—(d)、(g)—(h)、(k)—(l)).在1975—1999 年间，研究海域中溶解氧最显著的变化是夏季北黄海中部海域底层高值区(浓度超过6.5 mL/L)逐渐缩小，直至20 世纪90 年代完全消失.

2.4 营养盐的空间分布年代间差异

渤海和北黄海磷酸盐空间分布年代间差异如图7 所示.夏季渤海湾和辽东湾表层的磷酸盐浓度在20 世纪 70—80 年代降低较为明显，降幅约为0.2µmol/L，在20 世纪80—90 年代浓度基本维持稳定，而渤海其他海区磷酸盐浓度在这25 年间相对稳定，维持在0.2µmol/L 左右；夏季北黄海表层的磷酸盐浓度较低，20 世纪70—90 年代都保持在0.2～0.3µmol/L(图7(a)、(e)、(i)).对于底层，夏季渤海湾底层的磷酸盐浓度显著下降，从20 世纪70 年代的0.6µmol/L 降低到20 世纪90 年代的0.2µmol/L 左右，且在20 世纪70—80 年代的降低最明显；而渤海中部磷酸盐浓度基本不变，维持在0.2～0.4µmol/L范围内；在北黄海中部、南部海区夏季底层的磷酸盐浓度呈现升高趋势，从20 世纪70 年代的0.5µmol/L逐渐增加到20 世纪90 年代末的0.9µmol/L，而在北黄海北部底层磷酸盐浓度基本保持在0.3µmol/L(图7(b)、(f)、(j)).

图7 渤海和北黄海磷酸盐空间分布年代间差异Fig.7 Inter-decadal variations of horizontal distribution of PO4-P in BS and NYS

冬季渤海磷酸盐浓度，除莱州湾和其北侧海区外，其他海区呈现“先降低，后升高”的趋势.在20世纪70 年代，冬季渤海表层磷酸盐浓度整体高于0.5µmol/L，在20 世纪80 年代，降至约0.3µmol/L，而到 20 世纪 90 年代，磷酸盐浓度普遍升至0.6µmol/L，甚至在辽东湾北部，高于1.0µmol/L(图7(c)、(g)、(k)).渤海底层变化情况与表层基本一致.冬季北黄海的北部海域(123.5°E，39.0°N)磷酸盐浓度从20 世纪70 年代中期的1.0µmol/L 降低到20世纪80 年代的0.5µmol/L，而北黄海其他海域年际变化不大，基本在0.5～0.6µmol/L 的范围内波动(图7(d)、(h)、(l)).在这25 年间，夏季渤海磷酸盐变化在20 世纪70—80 年代最显著，而北黄海表、底层磷酸盐的显著变化则发生在20 世纪80—90 年代.冬季表现为“先降低，后升高”，辽东湾变化最显著.

渤海和北黄海硅酸盐空间分布年代间差异如图8 所示.

图8 渤海和北黄海硅酸盐空间分布年代间差异Fig.8 Inter-decadal variations of horizontal distribution of SiO3-Si in BS and NYS

由图8 可知：在20 世纪70 年代，夏季渤海近岸海域，硅酸盐浓度非常高，如海河附近海域硅酸盐浓度高达25.0µmol/L，黄河口附近海域硅酸盐浓度高达30.0µmol/L，辽河口附近海域硅酸盐浓度也可达到20.0µmol/L(图8(a))；到20 世纪80 年代，莱州湾和辽东湾硅酸盐浓度降低到12.0～15.0µmol/L，而渤海湾内的海河口附近海域成为渤海硅酸盐浓度最高的海区，硅酸盐浓度为20.0µmol/L；到20 世纪90 年代，可以看到整个渤海中部硅酸盐浓度不高，平均浓度仅为5.6µmol/L.对于北黄海来说，在20 世纪70年代夏季北部海域存在高值区，硅酸盐浓度超过10.0µmol/L，20 世纪80 年代北黄海硅酸盐浓度整体下降，平均浓度为4.0µmol/L，至20 世纪90 年代，进一步降低到2.1µmol/L(图8(a)、(e)、(i)).底层硅酸盐浓度高于表层，但变化规律与表层基本一致.

冬季硅酸盐表、底分布和变化基本一致，渤海湾和渤海中部海区硅酸盐浓度在20 世纪70 年代较高，平均浓度超过20.0µmol/L，到20 世纪80 年代快速降低至10.0～12.5µmol/L，而直到20 世纪90 年代，硅酸盐浓度依然维持在10.0µmol/L 水平(图8(c)、(g)、(k)).在北黄海，相比20 世纪70 年代，20 世纪80 年代硅酸盐分布相似，浓度略有降低，20 世纪90年代显著降低.在25 年间，渤海和北黄海硅酸盐波动较大，表现出明显的降低趋势.

3 结 语

本文利用渤海和北黄海1975—1999 年溶解氧和营养盐的历史数据，分析溶解氧与营养盐年际变化特征和空间分布年代间差异，研究结果表明：在25 年间，渤海和北黄海溶解氧整体上呈现降低趋势，且冬季降低程度要比夏季明显，冬季溶解氧受温度影响比夏季更为显著.海水温度升高是造成研究海域内溶解氧浓度降低的主要因素之一.渤海和北黄海的夏季表层磷酸盐和硅酸盐浓度在这25 年间逐渐降低，且在20 世纪80 年代中期(1984—1987 年)出现显著性降低，几乎降至零水平；底层磷酸盐浓度除渤海北部和北黄海出现升高趋势外，其他海域表现为降低趋势.冬季的营养盐在20 世纪80 年代中期出现最低值，表、底层变化基本一致.入海径流量的减少是硅酸盐浓度降低的主要原因，而沿海人类活动加剧造成无机氮的增加.

目前，本文只是研究渤海与北黄海溶解氧与营养盐年际变化特征和规律.今后，将对溶解氧和营养盐影响机制进行深入研究.