浙江近岸海域春季表层溶解氧饱和度分布及影响因素

2015-04-26柴小平母清林王益鸣任世军何松琴

中国环境监测 2015年5期

柴小平，魏娜，母清林，王益鸣，任世军，何松琴

浙江省舟山海洋生态环境监测站，浙江舟山 316021

溶解氧是表征水环境健康的重要指标，也是水体中生物生存繁殖的基本条件。海水中的溶解氧受到物理、生物、化学等多种因素共同控制［1-5］。天然清洁海水中的表层溶解氧一般处于近饱和状态。近岸海域是受陆源污染物影响大、多界面相互作用强烈的敏感区域，其溶解氧饱和度往往有不同特点。如大量营养物质的输入，给藻类生长繁殖提供条件，光合作用增强，可能导致水体溶解氧饱和度大于100%;李妍等研究表明，芝罘湾夏季表层溶解氧饱和度最高达到207.8%［6］;而大量有机污染物质的输入，将使水体氧化分解作用增强，可能导致水体溶解氧饱和度小于100%，如石晓勇等研究发现，长江口底层溶解氧饱和度最低值仅为45.2%［7］。此前已有不少关于海洋中溶解氧的研究，但大都集中在其浓度的分布特征上［8-12］，关于其饱和度的研究还较少。将溶解氧浓度换算成溶解氧饱和度进行分析和讨论，能更直观地反映海域水体的健康环境状况，也更能显示物理、生物、化学过程与溶解氧之间的关系，对海域水质评价和生物地球化学过程研究等都有重要意义。

1 实验部分

1.1 样品采集与分析

研究区域选择浙江省近岸海域，现有55个近岸海域水质国控监测点位(1#、2#，5#～57#)，考虑到长江径流对研究区域的影响，另外在上海市近岸海域布设了2个监测点位(3#、4#)，共选取57个点位进行研究，研究区地理坐标为120°00'～123°18'E，27°06'～31°00'N，具体点位布设如图1 所示。

图1 浙江省近岸海域调查点位

研究数据来源于“入海河口区水质标准和水环境质量评价方法研究”2014年春季调查和“浙江省近岸海域生态环境质量”2014年春季调查，样品的采集和现场测定时间为2014年4月17日—5月8日。

表层水样的采集采用有机玻璃采水器(表层系指海面以下0.1～1 m)。溶解氧采用碘量法进行测定，样品经氯化锰和碱性碘化钾现场固定后，将瓶缓慢地上下颠倒20次以上，待样品瓶内沉淀降至瓶体三分之二以下时加酸溶解，用硫代硫酸钠进行滴定分析;水温和盐度采用YSI-30测定仪现场测定;化学需氧量样品于－20℃冷冻保存后带回实验室采用碱性高锰酸钾法测定;浮游植物每升水样加入6～8 mL鲁哥氏液固定后带回实验室采用浓缩计数法测定。水样的采集和分析均严格参照《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)［13］和《海洋调查规范》(GB 12763.4—2007)［14］的有关规定执行。

1.2 质量管理与控制

采用样品瓶空白、试剂空白、现场空白、运输空白、全程序空白、采集现场平行样、室内平行样品分析、标准样品或质控样品分析等质控措施及手段，对样品采集、贮存、运输和分析等过程进行质量控制。所有空白样品均未检出，现场平行和平行样分析结果RSD为0.5% ～3.0%，标准样品和质控样品分析结果均处于样品置信范围以内，所用分析仪器及设备使用前均经过计量部门检定合格。

结果显示，所有质控数据均符合《近岸海域环境监测规范》(HJ 442—2008)要求，表明研究中质量控制与质量保证措施充分，分析数据准确可靠。

1.3 溶解氧饱和度的计算方法

溶解氧饱和度按式(1)计算［5］:

式中:r(O)为海水中溶解氧的饱和度，%;ρO2为测得的氧含量，mg/L;ρO'2为在现场水温、盐度下氧在海水中的饱和浓度，mg/L。研究采用的溶解氧饱和浓度的计算公式只是温度和盐度的函数，适用于表层水体。

海水在不同温度和盐度下的溶解氧饱和浓度采用 Weiss方程计算［14-16］:

式中:c(O')为氧在海水中的饱和浓度，即在总的压力为一个大气压，相对湿度为100%，氧体积比例为20.95%时，大气中的氧在海水中的溶解度，μmol/dm3;T为现场的海水热力学温度，K;S为现场的海水盐度;常数A和B的量值分别为A1= －173.429 2，A2=249.633 9，A3=143.348 3，A4= －21.849 2，B1= －0.033 096，B2=0.014 259，B3= －0.001 700

进行单位转换计算后得到:

2 结果与讨论

2.1 溶解氧饱和度的含量及分布

2014年春季浙江北部海域(包括杭州湾和舟山海域)表层水体溶解氧饱和度范围为92.1% ～110%，平均值为96.8%(表1)，总体处于不饱和状态。其中杭州湾表层溶解氧饱和度范围为92.1% ～95.6%，平均含量为93.5%，所有点位测值均低于100%，是浙江省近岸海域表层溶解氧饱和度的相对低值区。由图2可以看到，杭州湾北岸的溶解氧饱和度低于南岸，其中北岸低于93%，南岸甬江口附近高于95%。这可能是长江径流沿岸南下给杭州湾北岸带来的影响。有文献统计表明，春季长江口表层水体溶解氧饱和度平均值为89%，范围为73% ～97%［15］，总体低于杭州湾海域。受杭州湾和长江径流的影响，舟山群岛的本岛附近和北侧海域，溶解氧饱和度也低于100%。浙江北部海域是嘉兴、杭州、绍兴、舟山及宁波北部等浙江5个城市入海污染物的受纳海域。大量的陆源污染物，尤其是有机质进入该海域后被氧化分解，大量消耗水体中的溶解氧。同时该海域水体浑浊，悬浮物含量高，透明度低，这些因素又限制了海水中浮游植物的光合作用，从而导致该区域溶解氧的消耗量大于补给量，总体处于不饱和状态。但在舟山海域东侧，溶解氧饱和度由西向东逐渐升高，在122°30'E以东，30°00'～30°30'N 之间的海域，饱和度超过了105%，是浙江北部海域溶解氧饱和度的相对高值区。卢勇等［7］研究表明，夏季 7、8 月杭州湾外(122°30'E)附近，存在大范围的溶解氧大幅度过饱和区域，其溶解氧饱和度≥120%。研究调查季节是早春，水温逐渐升高，海水环境已变得适合藻类生长，但其繁殖程度还远不如夏季。因此春季舟山海域东侧溶解氧虽已出现过饱和现象，但过饱和程度和分布范围还较小。

表1 溶解氧饱和度、温度及盐度的范围和平均值

图2 溶解氧饱和度、温度和盐度表层平面分布

浙江中部海域表层水体的溶解氧饱和度范围为94.6% ～120%，平均值为102%(表1)，总体高于浙江北部海域。由图2可见，该区域溶解氧饱和度等值线总体呈现西部近岸较低、东部外海较高的趋势，水平梯度均匀。不饱和区域主要分布在象山港、三门湾、椒江口这3个港湾和离岸较近的海域。这些海域受陆源径流影响大，水体有机质和悬浮物含量高，透明度相对较低，氧化分解作用强于光合作用。随着离岸距离的加大，溶解氧饱和度逐渐升高并趋于饱和。在浙江中部的外侧海域，存在大范围的溶解氧过饱和区域，其溶解氧饱和度高于115%，如32#点位饱和度为118%，33#点位为117%，39#为 119%。在 122°30'E以东、29°00'N附近海域，溶解氧饱和度甚至达到了120%，是浙江省近岸海域的强光合作用区域。这可能是因为东部外侧海域水体透明度较高，同时春季海水温度开始升高，藻类光合作用逐渐加强，氧由光合作用生成的量大于其消耗和逸出的量，从而使该区域溶解氧处于过饱和状态。

浙江南部海域表层水体的溶解氧饱和度范围为94.6% ～120%，平均值为105%，明显高于浙江北部海域，与浙江中部海域基本持平。由图2可见，浙江南部海域溶解氧饱和度等值线与浙江中部比较相似，总体呈现近岸低、离岸高的趋势。溶解氧不饱和区域分布范围较小，仅出现在受陆源污染影响较大的乐清湾海域。乐清湾外东部、南部、平阳县和苍南县的沿岸海域，溶解氧饱和度均大于100%。东部外海存在一个溶解氧过饱和区域，其溶解氧饱和度高于110%，中心区域超过115%，如51#点位饱和度为118%，54#饱和度为116%。总体上看，浙江南部海域水体溶解氧饱和度较高，显示出较强的光合作用特征。

2.2 影响因素初探

水体中的溶解氧由物理作用和生化作用共同控制，潮汐、风力、径流等物理作用控制溶解氧在水体中水平及垂向的输送，生化过程控制溶解氧的产生(光合作用及大气复氧)与消耗(有机物氧化反应、氨氮硝化反应、浮游植物呼吸作用、底泥耗氧)［17］。这些物理、生化过程在不同的季节或不同的海域各有强弱。如，长江口及其邻近海域溶解氧含量在春季受物理、化学及生物作用共同控制［11］，而在秋季该海域表层溶解氧含量主要受陆源径流控制，底层则受外海水影响，生物过程影响并不显著［4］;黄海春季外海海域溶解氧分布的主要因素为温度和盐度，近岸分布主要受温度控制，与盐度无关［18］;东海冬季溶解氧主要受水系控制，生物活动、环流及有机物氧化作用只在部分区域内产生有限的影响［19］。

图3显示了化学需氧量、透明度和浮游植物丰度表层平面分布。

图3 化学需氧量、透明度和浮游植物丰度表层平面分布

有机物含量、透明度及藻类光合作用对研究区域春季溶解氧饱和度有重要影响。化学需氧量反映了水体中有机物的相对含量，由图3可以看出，化学需氧量由沿岸向离岸逐渐递减，与溶解氧饱和度总体呈相反趋势，化学需氧量含量高于1 mg/L的区域，溶解氧基本处于不饱和状态，表明这些区域有机物质耗氧分解作用占据主导地位。透明度是影响藻类光合作用的重要因素，由图3可以看出，透明度与浮游植物丰度的平面分布趋势非常相似，透明度大的区域浮游植物丰度较高，透明度小的区域浮游植物丰度较低。而浮游植物丰度的高低反映光合作用的强弱，浮游植物丰度在浙中海域39#点位附近、浙南海域51#点位附近均存在明显的高值区，与溶解氧饱和度的高值区保持一致，表明这些区域光合产氧作用占据主导地位。

结合浙江省近岸海域溶解氧饱和度的分布特征，将数据分成低饱和度(小于100%，A区)和高饱和度(大于100%，B区)2组，选取了水温、盐度、化学需氧量、浮游植物丰度等4个因子进行讨论。图4为各影响因子与溶解氧饱和度之间的关系。

图4 溶解氧饱和度与影响因子关系

由图4可以看出，温度和饱和度在A区呈显著负相关，在B区关系不显著，盐度与饱和度在A区和B区均呈显著正相关，但在A区饱和度随盐度变化的幅度明显大于B区，表明A、B 2区受到来自2种不同水系的影响，其中A区主要受陆源冲淡水的影响，而B区主要受外海水的影响。另外，化学需氧量与饱和度在A区呈显著负相关，在B区呈一定程度的正相关，这可能是因为A区COD主要来源于陆源径流输入，而B区COD径流输入少于A区，且海源自身也产生一定贡献(如死亡的浮游植物)，因此A区有机物质分解耗氧对饱和度影响较大，而B区有机物质耗氧作用在一定程度上被光合作用平衡了。浮游植物丰度与饱和度在A区和B区均显著相关，且A区浮游植物丰度明显低于B区，B区变化梯度明显大于A区，这表明浮游植物的光合产氧作用对A、B区均有一定贡献，但对B区的贡献大于A区。另外还发现，化学需氧量和浮游植物丰度、盐度之间也呈一定的相关性(r1= －0.808＊＊，r2=0.342*)，表明径流和外海水对有机物质和浮游植物的分布有调控作用。

综上所述，浙江省近岸海域溶解氧饱和度受陆源径流、外海水、有机物质耗氧分解作用及浮游植物光合产氧作用多重因素的综合影响。在沿岸低饱和区域，陆源径流和有机物质分解耗氧作用是主要控制因素，在离岸高饱和区域，外海水和浮游植物光合产氧作用是主要控制因素。径流和外海水同时对有机物质分解和浮游植物光合作用有一定的调控作用。

3 结论

1)浙江省近岸海域溶解氧饱和度测值范围为92.1%～120%，均值为100%。总体呈西部沿岸低，东部外海高的平面分布趋势。杭州湾、象山港、三门湾、椒江口、乐清湾溶解氧饱和度小于100%，是调查海域的低值区，浙江中部外侧(122°30'E以东，29°00'N 附近)，浙江南部外侧(121°30'E，27°30'N 附近)，海域饱和度大于115%，是调查海域的高值区。

2)溶解氧饱和度高值区与浮游植物丰度的高值区一致。溶解氧低饱和区域化学需氧量含量基本高于1 mg/L。

3)在沿岸低饱和区域，陆源径流和有机物质分解作用是主要控制因素，在离岸高饱和区域，外海水和浮游植物光合作用是主要控制因素。径流和外海水同时对有机物质分解和浮游植物光合作用有一定的调控作用。总体上，浙江省近岸海域溶解氧饱和度受陆源径流、外海水、有机物质耗氧分解作用及浮游植物光合作用多重因素的综合影响。

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［13］GB 17378.4—2007 海洋监测规范［S］.

［14］GB 12763.4—2007 海洋调查规范［S］．