浙江近岸海域溶解氧的时空分布特征

刘瑞娟　陈思杨　余骏等

关键词：浙江近岸海域;溶解氧;时空分布;低氧

中图分类号：P734.2;P76 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）04-0013-08

0 引言

溶解氧是海洋生态系统中的重要生源要素参数，是海洋生命活动必不可少的物质[1]，对海洋生态系统的稳定具有至关重要的作用。海水中溶解氧的變化是各种物理、化学和生物共同作用的结果[2]，其饱和度的变化可以表征水体生态环境的变化。在近岸海域，溶解氧及其饱和度的变化受到多种因素的共同影响，包括入海径流、外海洋流、浮游生物光合呼吸作用、有机质的降解等，但在某个区域的主要控制因素可能略有差异，因此分析特定海域溶解氧及其饱和度的影响因素，对于掌握该区域海洋生态环境的变化与生态系统的稳定性具有重要意义。

低氧现象是目前全球海洋领域关注的焦点问题，现在被认为是海洋生态灾害现象，其可以导致海洋生物生境消失、生物死亡、物种组成和群落结构改变、生物多样性降低以及生物竞争加剧等[3]，严重威胁海洋生态系统安全。通常水体中溶解氧含量低于3mg/L时称为低氧，低于2mg/L时称为缺氧，这种现象目前多出现在近岸河口区域。国外如墨西哥湾等存在很严重的缺氧现象。国内目前研究较多的是长江口和珠江口外侧海域存在季节性底层低氧现象[3-4]。其中，长江口附近低氧主要是由长江入海径流形成温盐跃层阻碍上下层水体交换和底层有机质降解耗氧所导致的[5-6]。

浙江是海洋大省，海域面积辽阔，受长江入海径流影响较大，对于浙江近岸海域溶解氧的调查研究可以追溯到20世纪80年代。樊安德[7]对浙江近岸水深浅于20m 区域的四季溶解氧分布状况进行报道;王玉衡等[8]研究浙南区域春季溶解氧分布状况，并探讨与其他要素的相互关系;杨庆霄等[9]和胡小猛等[10]在对黄东海溶解氧的时空分布特征研究中涉及部分浙江海域;卢勇等[11]对长江口及邻近海域表层水体溶解氧饱和度的季节变化研究中涉及浙北部分海域;柴小平等[12]分析浙江近岸海域春季溶解氧饱和度分布状况及影响因素。而针对浙江近岸全部管辖海域多年多季节的海水溶解氧及其饱和度的变化研究还未见报道。已有研究表明，浙江近岸海域底层也存在低氧区[13，5]，并存在明显的季节变化，春末夏初形成，8月最为严重，秋季减弱，冬季消失[14-15]，但对于低氧的多年连续监测报道还较缺乏。本研究基于2014—2018年多年多季节的浙江近岸海域溶解氧和相关参数的监测数据，分析浙江近岸海域溶解氧的时空分布特征及其影响因素，并结合资料分析研究区域低氧的年际发生情况及可能原因，对于深入了解浙江近岸海域溶解氧的变化及其对生态系统的影响具有重要意义，同时为预警海洋生态系统的变化提供数据资料支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域为浙江近岸海域，北界从浙沪交界的金丝娘桥起向海延伸至领海外部界线，南界从浙闽交界的虎头鼻经七星岛（星仔岛）南端至27°N 往东延伸至领海外部界线，面积约4.4万km²[16]。分析数据来源于浙江近岸海域海洋生态环境监测任务，2014—2018年分别有299个、312个、315个、344个和344个水质监测站位。选用2018年3月（冬季）、5月（春季）、8月（夏季）和10月（秋季）的表底层监测数据进行季节变化和空间变化的分析，选用2014—2018年8月（夏季）表层监测数据进行年际变化的分析，选用2014—2018年8月（夏季）底层监测数据初步探讨低氧现象出现的情况。

研究区域主要受到浙闽沿岸流和台湾暖流的影响。浙闽沿岸流主要分布在长江口以南的浙闽沿岸区域，由长江和钱塘江的入海径流与海水混合而成，具有低温、低盐、高营养盐的特征。春秋冬季，浙闽沿岸流受东北季风的影响向西南方向流动，影响研究海域，其中冬季影响程度和范围最广，可至50m 等深线的近海一侧，表层最多可达60m等深线;夏季浙闽沿岸流受东南季风的影响而转为东北流向，只影响浙北海域[17-18]。台湾暖流是黑潮的分支，来源于北赤道暖流，自西南流向东北，冬季影响范围有限，位于50m 等深线的外海一侧，在底层最多可达30m 等深线;夏季较强劲，进一步向陆延伸，对浙江近岸海域的影响较大[17-19]。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

海水样品的采集和分析均严格按照海洋监测规范[20]和海洋调查规范[21]的相关要求进行。现场使用采水器采集水样，溶解氧水样采集后立即加入氯化锰和碱性碘化钾进行现场固定，待样品瓶内沉淀完全后加酸溶解，再用硫代硫酸钠滴定，根据滴定用量换算溶解氧的含量。温度、盐度和pH 值根据现场携带的温度计、盐度计和pH 计测定获取。活性磷酸盐、活性硅酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐和氨盐等营养盐的水样通过0.45μm 醋酸纤维滤膜过滤后带回实验室，通过分光光度法测定。所有样品的分析测定过程均通过质量控制，符合质量控制要求。

1.2.2 计算方法

溶解氧饱和度的计算参考海洋调查规范[21]，其计算公式为：

1.2.3 数据统计分析

本研究利用Excel进行数据统计分析，利用ArcGIS进行反距离插值拟合绘制平面分布图，利用R语言进行多要素相关性分析绘图，利用Origin绘制相关图件。

2 结果与讨论

2.1 空间分布

2.1.1 水平分布

根据浙江近岸海域表层海水溶解氧含量及饱和度的四季平面分布，各季节呈现不同的分布特征。

冬季，溶解氧含量在浙北和浙南海域存在明显的分界，浙南海域略高，基本在9mg/L以上，浙北海域略低，基本在8～9mg/L范围内，小部分外侧海域处于7～8mg/L区间内。饱和度分布与溶解氧类似，也存在明显的区域差异，浙南海域基本处于100%～110%的饱和状态，而浙北海域均处于未饱和状态，大部分处于80%～90%范围内，杭州湾部分海域甚至低于80%。冬季生物活动较弱，溶解氧含量及饱和度主要受到温度、盐度等物理过程的控制，此时由东北流向西南的浙闽沿岸流影响最为显著，其携带的低温低盐海水控制浙江近岸海域，使浙北海域水温低于浙南海域。另外，杭州湾及附近海域是强潮汐河口区域，强烈的混合作用使溶解氧难以达到平衡状态[22]，从而浙南海域溶解氧含量和饱和度高于浙北海域。

春季，杭州湾和舟山以外海域以及温台外侧海域溶解氧含量较高，基本在8mg/L以上;浙江中部部分近岸海域溶解氧含量较低，整体呈现外侧海域高于近岸的趋势。饱和度分布与溶解氧含量类似，总体上外侧海域高于近岸，大多处于90%～110%范围内，整体呈现近饱和状态，部分外侧海域饱和度高于110%。总体上，外侧海域溶解氧含量和饱和度高于近岸，这可能与外侧海域浮游植物先开始生长繁殖进行光合作用产生氧气有关。进入春季，浙闽沿岸流逐步退缩，台湾暖流逐渐增强并向北向岸扩展，外侧海域受其影响水温和透明度均较高，海水环境逐渐适宜藻类的生长繁殖，光合作用逐渐增强，产生氧气提高溶解氧含量和饱和度。

夏季，水温最高，受水温影响的溶解氧含量下降，大多海域处于7～8mg/L范围内，只有小部分海域处于8mg/L以上，沿岸海湾河口区域如象山港、三门湾和乐清湾处于6～7mg/L的区间内。除浙北个别站位外，全省大部分海域处于过饱和状态，其中浙南海域饱和度基本高于110%，部分海域甚至高于130%，明显高于浙北海域。夏季溶解氧含量降低，是因为此时季节升温和强劲台湾暖流的影响使水温升高;而饱和度明显升高，是因为夏季浮游植物光合作用最强，持续不断产生氧气。浙南海域水温和透明度高于浙北海域，浮游植物生长更为旺盛，因而浙南海域饱和度普遍高于浙北海域。

秋季，溶解氧含量整体呈现为7～8mg/L的状态，杭州湾区域整体偏高，处于8～9mg/L的范围内。此外，部分象山港和三门湾等沿岸海湾河口区域的溶解氧含量也较高，只有舟山外侧个别站位处于6～7mg/L的范围内，研究海域表层溶解氧分布较均匀。绝大部分海域溶解氧饱和度处于100%～110%范围内，总体呈现饱和状态，只有小部分海域处于90%～100%的未饱和状态。总体上，溶解氧含量和饱和度分布相对均匀，可能与秋季影响溶解氧含量分布的因素较单纯有关。此时生物活动减弱，对溶解氧含量影响不显著，同时台湾暖流逐步减弱，浙闽沿岸流开始增强，整个海域温差减小，使溶解氧含量分布较均匀。

2.1.2 垂直分布

浙江近岸海域海水溶解氧和饱和度的垂直分布特征如图1所示。不论季节变化，溶解氧平均含量和平均饱和度均是表层高于底层。冬、春、夏、秋季表底层平均溶解氧含量差值分别为0.30mg/L、0.83mg/L、1.06mg/L、0.35mg/L，平均饱和度的差值分别为4%、12%、19%、1%，可见春夏季表底层溶解氧含量和饱和度差异较大，秋冬季差异相对较小。春季至夏季表层海水中浮游植物光合作用强烈并产生大量氧气，同时上层海水温度较高，形成温盐跃层，限制水体的垂直交换，影响表层溶解氧向底层传输;此外，上层产生的有机质不断沉降至底层进行降解耗氧，使得表底层溶解氧和饱和度差值变大。秋冬季水体层化减弱，垂直混合作用增强，表层溶解氧可以被携带至底层，使表底层溶解氧和饱和度趋于均衡。

2.2 时间分布

2.2.1 季节变化

浙江近岸海域表层溶解氧含量、饱和度、温度和盐度的季节变化如图2所示。

表层溶解氧含量在冬季最高，春秋季次之，夏季最低，与温度、盐度呈现相反的变化规律，饱和度却与之相反。冬季，生物活动较弱，溶解氧主要受温度、盐度等物理因素的控制，此时受低温低盐的浙闽沿岸流影响，近岸海域温度和盐度均较低，氧气在海水中的溶解度较大，同时由于风力较大，海气交换作用强烈，大气中的氧气可以更多地被寒冷的海水所吸收，溶解氧含量达到全年最高值，表层平均值为8.82mg/L，同时由于温盐较低，理论饱和溶解氧含量较高，饱和度较低，平均约为97%，处于未饱和状态;春季，受温度和生物活动的共同影响，虽然浮游植物开始繁殖进行光合作用产生氧气，但海水温度逐渐上升，氧气溶解度降低，因此相较于冬季，溶解氧含量有所降低，表层平均值为7.95mg/L，但饱和度明显升高，表层平均约为103%，整体处于饱和状态;夏季，海水温度明显升高，浮游植物光合作用达一年中最强，产生大量氧气，但过高的海水温度使氧气溶解度进一步降低，导致过多的氧气自海水中逸出，表层溶解氧含量进一步降低，平均约为7.41 mg/L，但处于过饱和状态，平均约为113%;秋季，海水温度逐渐降低，氧气溶解度增大，溶解氧含量进一步升高，表层平均值为7.62 mg/L，浮游植物产氧减少，饱和度逐步降低，平均约为101%，处于饱和状态。

2.2.2 年际变化

夏季是浙江近岸海域表层海水溶解氧含量最低但饱和度最高的季节，2014—2018年浙江近岸海域夏季表层溶解氧含量及其饱和度的变化如图3所示。

表层溶解氧含量的变化范围为6.42～7.41mg/L，饱和度的变化范围为95%～113%，二者的年际变化趋势一致。2015年溶解氧含量最低，饱和度最低（95%），处于未饱和状态;2018年溶解氧含量最高，饱和度最高（113%），处于过饱和状态。

溶解氧含量和饱和度呈显著正相关，且二者与温度呈正相关，与硝酸盐和无机氮呈显著负相关。同时，温度与硝酸盐也呈显著负相关，说明表层溶解氧含量及饱和度的年际变化主要与温度和硝酸盐等无机氮有关，温度高时溶解氧含量和饱和度均高，此时硝酸盐等无机氮含量却低。2015 年和2018年夏季表层海水温度平均分别约为28.1℃和29.7℃，硝酸盐含量平均约为0.643 mg/L 和0.566mg/L。2018年较2015年海水温度高，刺激浮游植物的光合作用，产生更多的氧气，使溶解氧含量及饱和度升高，同时浮游植物强烈的光合作用消耗更多的硝酸盐等无机氮，使无机氮含量降低。因此，表层海温是影响5年来表层溶解氧含量及饱和度年际變化的主要因素。

2.3 低氧现象

夏季和底层是溶解氧含量最低的季节和层次。根据2014—2018年夏季底层溶解氧含量分布，浙江近岸海域底层溶解氧含量的低值区出现在舟山外侧海域，浙南外侧海域偶有分布。仔细观察夏季底层溶解氧含量数据，发现2014年舟山外侧海域有4个站位处于2～3mg/L范围内，2018年浙南外侧海域有2个站位处于2～3mg/L范围内，出现低氧现象，其他年份和站位均大于3mg/L，未表现出低氧乃至缺氧现象。可见，浙江近岸外侧海域底层目前出现低氧现象的站位不多，但仍存在出现低氧现象的潜在风险。

近岸海域底层低氧是多种物理与生物地球化学过程共同作用的结果。据以往研究[23]，浙江近海低氧较长江口外海域出现时间更早、持续时间更长。春季底层有机质氧化分解耗氧，而后旺发的浮游植物碎屑分解进一步加剧低氧;夏季水体出现层化，阻碍氧气垂直交换，低氧程度最为严重;至秋季逐渐消失。同时，外海低氧水体即台湾暖流底层水在浙江近海的上升提供较低的背景值也是重要因素之一。在全球气候变暖的背景下，随着大气和海水温度的升高，径流量的改变、热带风暴等极端气候事件、生物代谢作用的改变等是否会进一步加剧低氧现象仍不得而知[24]，因此浙江近岸海域底层低氧现象值得进一步关注和研究，目前浙江也正在进一步的跟踪监测。

3 结论

本研究基于2014—2018年浙江近岸海域海水溶解氧及相关理化因子的监测数据，研究浙江近岸海域溶解氧含量及饱和度的时空分布及影响因素，并结合资料分析低氧现象，得出3项主要结论。

（1）表层溶解氧含量和饱和度在不同季节呈现不同的平面分布特征。四季溶解氧含量和饱和度均是表层高于底层，表底层的差异在春夏季表现较大，秋冬季较小，主要是受季节性温盐跃层和表层光合作用产氧的影响。

（2）表层溶解氧含量和饱和度存在明显的季节变化，冬季表层溶解氧含量最高，夏季表层饱和度最高，这主要是受水温和浮游植物光合作用的影响。表层溶解氧含量和饱和度也表现出年际差异，温度是影响这种年际变化的主要因素。

（3）2014年和2018年夏季外侧小部分海域底层出现低氧现象，主要是受底层有机物降解耗氧、水体层化阻碍氧垂直交换和低氧台湾暖流提供较低背景值影响，未来研究海域低氧现象的潜在风险值得进一步关注。