乳山湾邻近海域低氧现象及成因浅析＊

冉祥滨，臧家业＊，韦钦胜，郭景松，尹晓斐，刘 玮，刘 军

（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；3.海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

乳山湾邻近海域低氧现象及成因浅析＊

冉祥滨1，2，臧家业1，2＊，韦钦胜1，2，郭景松1，3，尹晓斐1，2，刘 玮1，2，刘 军1，2

（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；3.海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061）

根据2009－06－2009－09及2010－05－2010－06在乳山湾及其毗邻海域的综合调查，分析了该海域溶解氧的变化，初步探讨了影响溶解氧变化及底层低氧形成的原因。结果表明，夏季乳山湾邻近海域存在季节性低溶解氧区，溶解氧在6，7月份相对较高，而在8，9月份相对较低，最低值出现在8月份，为3.21mg／L（饱和度为35.5%），表观耗氧量为5.82mg／L。乳山湾外邻近水域溶解氧略高于湾口和湾内。底层溶解氧水平受到潮汐的影响，具有较大的周日波动性，变化范围介于3.74～8.26mg／L；在落潮时质量浓度降低而在涨潮时质量浓度升高。在这一区域存在较为强烈的温、盐跃层，从而限制了表、底层溶解氧的交换，而COD质量浓度的升高为这一区域的耗氧过程提供了一定的物质基础。潮汐、黄海冷水团的顶托作用、有机物质在底层水域的氧化作用以及底泥耗氧过程导致底层溶解氧的亏损。

溶解氧；低氧区；表观耗氧量；乳山湾

乳山湾拥有较为广阔的滩涂，是十分重要的海水养殖区。乳山湾养殖业及工农业的快速发展导致排海的有机物量显著增加［1］，这极大地影响了该海域海洋环境质量状况［1］，也对养殖环境产生了较大的冲击［2］，致使贝类大面积死亡。乳山湾养殖区氮、磷含量明显高于非养殖区［3－4］，底质环境也呈现弱还原性状态［5］。大量有机质和还原性物质在一系列生物、化学过程后消耗了底层的大量氧气，这也使得乳山湾及近海水体溶解氧浓度显著较低［6］。

乳山湾及近海低氧区域的存在显然与该水域的物理过程及生物地球化学过程有关。在潮水的作用下，湾内物质被排入到湾口及近海［7］，并在近海积累。乳山湾与近海的物质交换过程可能对近海海洋环境产生显著影响，致使近海底层溶解氧浓度降低［8］。另外，黄海冷水团生消过程也可能显著影响该海域的海洋环境，如在夏季黄海冷水团鼎盛期，其外围与潮混合所形成的海洋锋往往与高的初级生产力和渔获量有关［9］。目前，我国对黄海溶解氧最大值成因的研究较为深入［10－12］，而对近岸溶解氧低值现象一直未有进行深入的分析和研究［13］，特别是无大河影响下的近岸低氧现象的研究更少。本研究根据2009－06－2009－09及2010－05－2010－06在乳山湾及其毗邻海域的综合调查资料分析乳山湾近岸海域低氧特征及控制因素，旨在丰富和加深对低氧水域生物地球化学过程的认识，以期为探讨近海环境保护问题提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 站点布设

2009－06－2009－09在山东烟台乳山湾口及其邻近海域（36°12′～37°00′N，120°54′～122°15′E）进行了逐月共4个航次的综合调查。调查水域的平均水深约为15m。采样层次为表层、5m、10m、近底层，并根据水深增加或减少层次。其中，8月份在C2站位进行了一个25h潮周期的综合调查。此外，2010－05底至2010－06初，在乳山湾、湾口及邻近海域分别采集水样，进行补充调查，采样层次为：表层和近底层。采样站位见图1。调查海域附近用海状况见图2。

1.2 样品储存及分析方法

现场用多参数水质分析仪（YSI6600）观测温度、盐度等水质参数，用ADCP观测流速和流向，并用Niskin采水器采取不同深度的水样。水样采集后，溶解氧（DO）和化学耗氧量（COD）按照《海洋监测规范》（GB17378.4－2007）操作；叶绿素A（Chl a）水样采集后，立即用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤（滤膜预先用1∶1 000的盐酸溶液浸泡24h，然后用Milli－Q水洗至中性），将过滤水样所得滤膜对折，吸干水分，放入铝箔中，然后将铝箔放入封口塑料袋中，加入硅胶干燥，－20℃冷冻保存，用于测定Chl a；过滤后所得水样用于营养盐测定。

DO在现场用 Winkler法测定GB 17378.4－2007《海洋监测规范》，COD，BOD按照GB 17378.4－2007规定的方法测定，Chl a采用荧光分析仪测定（Turner Designs 10－AU）。营养盐用营养盐自动分析仪（荷兰，Skalar San＋＋）测定。

2 结果与讨论

2.1 乳山湾邻近海域溶解氧、温度、盐度分布特征

2.1.1 调查海域2009年溶解氧、温度、盐度分布特征

表1为2009年乳山湾邻近海域溶解氧质量浓度及变化范围。由表1可知，在6，7月份，乳山湾邻近海域水体溶解氧质量浓度较高，而8，9月份，溶解氧质量浓度相对较低。在6月份，表、底层之间溶解氧质量浓度差异不大；而7－9月份，表、底层之间差异较大，底层质量浓度显著低于表层（P＜0.01），其中，8月份溶解氧最低，质量浓度仅为3.21mg／L（饱和度：35.5%）。

一般而言，天然水体中溶解氧饱和度较高［14］，然而该区域溶解氧饱和度普遍低于100%（表1），质量浓度也低于同时期南黄海水体①臧家业，等.908专项ST03区块水体环境调查与研究海洋化学研究报告.国家海洋局第一海洋研究所，2009.。相对于马绍赛等［1，15］调查数据而言，乳山湾口COD质量浓度升高了2～4倍。这主要是由于人类活动的增加（诸如沿海污水排放，养殖业急剧发展等）导致近海有机物含量升高，而增加的有机物在水体和底质的耗氧降解过程超出了水体的复氧能力，从而导致底层水体缺氧。

表1 乳山湾邻近海域溶解氧浓度及变化范围Table 1 Dissolved oxygen concentration and its range of variation in the waters off the Rushan Bay

图3为乳山湾邻近海域溶解氧分布图。6，7月份，表层溶解氧质量浓度随着离岸距离的增加而逐渐降低；而底层溶解氧质量浓度随离岸距离的增加而逐渐升高。8月份，表、底层溶解氧质量浓度表现为近岸质量浓度较低，而外海质量浓度略高的特征；所不同的是，在A断面中部及C断面近岸位置底层溶解氧质量浓度偏低，最低值分别为3.81mg／L和3.21mg／L。9月份表层溶解氧差异不大，外海水体溶解氧质量浓度稍高于近岸；底层溶解氧质量浓度表现为调查区域东、西两侧的外缘质量浓度较高，而近岸质量浓度较低，最低值出现在C7站位的底层（3.72mg／L）。

8，9月份乳山湾邻近水域底层溶解氧质量浓度较低，明显低于其理论氧饱和质量浓度，其低值区位于C断面及其以西的水域，这很大程度上是由于乳山湾养殖业急剧发展等因素（图2），导致近海有机物含量升高并在底沉积物中累积，增加的有机物在水体中的耗氧降解以及底泥的耗氧过程可能导致水体底层缺氧［8］。不过，从调查情况来看，低值区域相对较小，且彼此并不连通（图3）。除了受黄海冷水团外围的顶托外，调查区域还受到潮汐作用的影响［7－8，16］，从而使这个区域内溶解氧质量浓度块状分布非常明显。潮汐运动可能使得底层较低质量浓度的溶解氧存在一定的位移，而由其所引起的垂向混合作用也在一定程度上阻止了溶解氧低值现象的大面积发展；另外，潮汐作用还可能导致表层高质量浓度溶解氧水体的下沉，从而使其呈现块状分布的特征。从温度、盐度（图4）的变化来看，底层可见低温、高盐的黄海冷水团水的入侵，尤其是6－8月份具有明显的温、盐梯度；9月份，温度、盐度区域性差异明显小于其它月份。黄海冷水团的侵入造成近岸附近海水的上涌，从一定程度上限制了表层水与底层水的交换，进而阻止了氧的垂直交换，从而使底层海水呈现低氧状态；从水温的垂直分布来看，上层水与底层水的温度差可达10℃，这形成了一个较为稳定的温度跃层，因此夏季水温的垂直分层也是形成底部低溶解氧现象的一个重要的物理因素。黄海冷水团的影响在7，8月份尤为明显，一方面其影响区域内底层溶解氧质量浓度较高；另一方面黄海冷水团减缓了近岸水体与外海的交换。如7月份冷水团外围水体自调查区域南端的中部进入乳山湾近海水域，这种来自外海的顶托作用致使近岸表、底层溶解氧差异明显大于冷水团影响的区域。同样在8月份，冷水团外围水体自调查区域南端的东西两侧影响该区域，在两股水团的共同影响下，减缓了C2站位附近水体的运动，致使该区域出现局部低氧的现象。9月份，黄海冷水团对本区域的影响渐弱［16］，海水层状结构也发生明显变化，稳定性下降造成上、下水层的垂直混合作用加剧，温、密跃层逐渐消失。在上述动力条件下，近岸水体难以形成低溶解氧区，而外海由于水体普遍深于近岸，因此容易形成低氧现象，如C7站位。黄海冷水团的另外一个影响还表现在其外围水体与该区域沿岸线分布的潮峰［17］相遇，使之向左转向，如图5所示。这种影响可在一定程度上致使潮水携带的湾内物质在调查区域的中、西部淤积，从而致使C断面及其以西的水域更容易形成低氧水体，调查区域中西部底层水体中相对较高的COD（图6）质量浓度更有力的说明了这一点。

2.1.2 调查海域2010年溶解氧、生化需氧量、化学耗氧量分布特征

由2010年乳山湾、湾口及近海溶解氧、BOD和COD数据可知，调查区域内溶解氧变化不大，介于6.83～8.13mg／L，接近于2009年6月调查结果。BOD和COD质量浓度变化较大，前者介于0.63～1.51mg／L，后者介于0.96～2.26mg／L。调查区域内表观耗氧量（AOU）［18］介于1.80～2.60mg／L，且与BOD和COD具有一定的负相关关系，但相关系数均不高（r＜0.39），这说明水柱内存在较为微弱的耗氧过程。

图7 乳山湾、湾口及邻近海域溶解氧、生物耗氧量和化学耗氧量沿程浓度变化Fig.7 Concentration variations of dissolved oxygen，biological oxygen demand and chemical oxygen demand in Rushan Bay and its adjacent areas

由图7可知，乳山湾内溶解氧质量浓度最低，自乳山湾、湾口及邻近海溶解氧质量浓度沿程呈上升的趋势；COD质量浓度在1号站位较高，COD自乳山湾至近海呈一定的降低的趋势；BOD在乳山湾内及湾口差异不大，相对而言近海质量浓度较高。在潮汐作用下，乳山湾及其邻近海域物质交换（水体、泥沙）［7］以及乳山湾内相对较高的COD质量浓度进一步说明养殖业对该海域海洋环境的影响。

2.2 乳山湾近海溶解氧周日变化特征

在周日变化中，表层溶解氧质量浓度介于6.71～7.99mg／L（平均值为7.21mg／L），底层溶解氧质量浓度介于3.74～8.26mg／L（平均值为5.72mg／L）。由此可见，表、底层之间质量浓度差异较大，底层质量浓度较低且具有明显的低氧特征。

图8为乳山湾邻近海域溶解氧周日变化分布图，由图可知，表层溶解氧质量浓度较高，且变化幅度不大；而底层质量浓度较低，变化幅度明显大于表层。总体而言，C2站溶解氧质量浓度随潮汐变化呈较为规则的变化，在落潮时溶解氧质量浓度降低，而在涨潮时质量浓度升高。研究表明，该海域底泥的化学耗氧作用较大，且耗氧过程较快［8］，可在短时间内使底层溶解氧降低。相关分析表明，表、底层水体周日的△DO与COD无显著的相关关系，这也从一个侧面表明水柱内化学氧化作用有限，其并不是导致该海域底层低氧的重要原因。由此可判断，底泥快速的耗氧过程以及潮汐的混合作用使得该海域底层溶解氧水平波动较大。

2.4 表观耗氧量与相关的地球化学过程

结合盐度、盐度数据，应用韦斯方程计算溶解氧饱和度和表观耗氧量（AOU）。结果表明，调查海区溶解氧饱和度分布与溶解氧分布有相似的规律，表层水的饱和度高于底层水，这是由于水－气界面氧交换及浮游植物光合作用复氧所致。由于表层水体不存在光限制，因此浮游植物的光合作用相对较高。然而，4个航次表层溶解氧饱和度普遍低于100%，仅7月份离岸较近站位的溶解氧饱和度大于100%，这与该水域较高地Chl a质量浓度（A1～F1∶12.4～36.1μg／L）相一致。底层AOU一般为正值，6月份AOU均值为3.24 mg／L，最高达4.47mg／L；7月份少数站位 AOU为负值，均值为2.85mg／L，最高值为4.86mg／L；8，9月份AOU平均值分别为2.79mg／L和2.56mg／L，但最高值急剧增大，分别为5.82mg／L和5.25mg／L。这说明该水域普遍存在有机物（水体和底质）耗氧过程，特别是8，9月份该过程逐渐增强使底层的含氧量降至最低，形成低氧环境，而7月份该过程似乎有所减弱，这主要是光合作用复氧相关。

相关性分析显示，表、底层的溶解氧差值（△DO）与溶解无机氮、磷差值（△DIN，△DIP）均未达到显著性水平，这与张莹莹等［19］在长江口的调查规律并不一致。这可能是由于：一方面近岸海域受陆地影响较大，陆地输送的氮、磷营养盐负荷较高［20］，显著影响了近岸海域营养盐的生物地球化学过程；其二，该海域底沉积物氮、磷浓度较高［3－4］，底泥耗氧过程是影响该海域溶解氧分布的重要因素，底泥耗氧过程中释放的氮、磷营养盐在一定程度上提高了底层水体营养盐浓度。相对于表层（总氮：9.97μmol／L，亚硝酸盐氮：0.32μmol／L，硝酸盐氮：1.26μmol／L；总磷：0.64μmol／L，磷酸盐：0.32μmol／L，以8月份为例）而言，底层（总氮：11.6 μmol／L，亚硝酸盐氮：0.65μmol／L，硝酸盐氮：1.90μmol／L；总磷：0.71μmol／L，磷酸盐：0.36μmol／L，以8月份为例）较高的氮、磷浓度也从一个侧面说明营养盐在底层再生消耗了一定量的氧气。另外，调查区域内较高的硫化物的含量［8］也表明该水域存在一定强度的无机物耗氧等，但这一过程并不产生氮、磷营养盐，这也可能是导致△DO与△DIN、△DIP相关性不显著的原因之一。

2.5 低氧区氧亏损量

AOU值并不能精确地反映真正的氧亏损量，但可以对其进行大概估算，故用来简单地估算氧的亏损。以8月份为例，其各层AOU值已列于表2。根据该区域平均水深约15m计，水面面积约1 470km2，估算出此区域氧亏损量达29 100t。这个数值与水柱内现存COD耗氧总量（由COD平均质量浓度与调查水域水体积求得）近乎相当，由此不难推断该海域底质中高浓度的有机物［5］、硫化物［5，21］等耗氧物质大量消耗了水体中的溶解氧，这值得进一步关注。

表2 乳山湾8月份邻近海域表观耗氧量值Table 2 Apparent oxygen utilization in the waters off the Rushan Bay in August

3 结 论

夏季乳山湾邻近海域存在季节性低溶解氧区，溶解氧最低值出现在8月份，为3.21mg／L（饱和度为35.5%），表观耗氧量最高为5.82mg／L。溶解氧水平存在一定的区域性差异，表现为乳山湾口外邻近水域溶解氧略高于湾口和湾内；同时，溶解氧存在一定的月份间差异，在6，7月份相对较高，而在8，9月份相对较低。底层低溶解氧受到潮汐的影响，具有较大的周日波动性，变化范围介于3.74～8.26mg／L；在落潮时质量浓度降低而在涨潮时质量浓度升高。在这一区域存在较为强烈的温、盐跃层，从而限制了表、底层溶解氧的交换。COD质量浓度的升高为这一区域的耗氧过程提供了一定的物质基础，耗氧过程除降低底层溶解氧质量浓度外，还可能释放一定量的营养盐。潮汐、黄海冷水团的顶托作用、有机物质在底层水域的氧化作用以及底泥耗氧过程导致了底层溶解氧的亏损。

致谢：谢琳萍、王帅、王宗兴、汪鲁、孙涛等为本研究的现场及实验室工作提供了支持。

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（张 骞 编辑）

Hyposia and Its Cause of Formation in the Adjacent Waters of Rushan Bay

RAN Xiang－bin1，2，ZANG Jia－ye1，2，WEI Qin－sheng1，2，GUO Jing－song1，3，YIN Xiao－fei1，2，LIU Wei1，2，LIU Jun1，2
（1.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China；2.Key Lab of Science and Engineering for Marine Ecological Environment，SOA，Qingdao 266061，China；3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling，SOA，Qingdao 266061，China）

The cruises on hypoxia investigation were carried out in the mouth of Rushan Bay and its adjacent area in both June to September，2009and May to June，2010.Dissolved oxygen and cause of hyposia formation were analyzed.The result indicated that there was a low－oxygen area in Rushan Bay mouth and its adjacent waters.The DO was higher in surface water but lower in bottom.The minimum value of DO（3.21mg／L）was found at the bottom in August，oxygen saturation was 35.5%and apparent oxygen utilization（AOU）was 5.82mg／L.The DO was lower in high tide level and higher in low tide，with distinct diurnal variations（3.74～8.26mg／L）.Yellow Sea Cold Water Mass，tide，water stratification，high concentration of organic substance，and sediment oxygen demand were the major factors causing the formation of the hypoxia.

dissolved oxygen；low－oxygen；apparent oxygen utilization；Rushan Bay

March 2，2011

X834

A

1671－6647（2012）03－0347－10

2011－03－02

乳山湾外海低氧区调查与研究——中国近海海洋综合调查与评价专项课题（908－01－BC14）

冉祥滨（1980－），男，山东夏津人，助理研究员，博士，主要从事水环境化学方面研究.E－mail：rxb@fio.org.cn

＊通讯作者，E－mail：zjy@fio.org.cn