北部湾北部海域潜在低氧分布及影响研究

马浩阳, 王丽莎, 吴敏兰, 郑爱榕

(1. 中国海洋大学 化学化工学院, 山东 青岛 266100; 2. 厦门大学 海洋与地球学院, 福建 厦门 361101)

水体中的溶解氧(DO)可以直接反映水体污染程度并评判海水水质的优劣[1]。DO 的垂直和水平分布反映了海气界面的交换平衡、其参与的生物化学过程及物理运输过程[2]。DO 的来源主要是大气交换和浮游植物的光合作用; 消耗则主要是呼吸作用和有机质降解。另外, DO 含量还取决于海洋水动力交换,海水稳定程度越高, 水体层化作用越强, 阻止DO 的垂直交换越明显, 底层水体就更容易缺氧[3]。Schuble等[4]把低氧的标准定义为DO 含量低于3 mg/L。但是,一般, 当水体中DO 的含量低于4～6 mg/L 时, 便会对水生生物的生存产生不良影响[5-7], 本文重点关注DO 含量低于5 mg/L 的情况。低氧的形成一般需要具备两个条件: 水体层化阻止表底层水体交换; 底层有机质分解消耗氧气[8]。国内对长江口[9-10]、珠江口[11-12]、大辽河[6,13]等河口的低氧现象关注研究较多,但是对于北部湾这样的半封闭性海湾的低氧现象研究较少。本文通过分析北部湾DO 的分布特征, 讨论了其与环境因子的关系, 利用相关性分析及灰色关联度分析等方法, 找出影响该半封闭海湾DO 的主要因子, 同时针对北部湾北部海域长期存在的潜在低氧区(或低氧区)成因进行了分析, 从而为治理半封闭海湾水环境提供一定的科学依据。

1 研究区域和方法

北部湾位于我国南海西北部, 是一个典型的半封闭式亚热带海湾, 东临雷州半岛和海南岛, 北临广西, 西临越南, 与琼州海峡和南海相连; 北部湾北部海域沿岸港湾众多, 包括廉州湾、钦州湾、防城港和珍珠港等, 主要入海河流有南流江、大风江、钦江和防城江, 受陆地径流影响较大[14]。

本研究的数据为北部湾北部海域2011 年春夏两个季节的数据。研究区域如图1 所示, 研究区域共布设 21个站位, 每个站位采集3～4 层水样(表层、10 m、30 m及底层), 为对比表底层水体的差异, 文中重点展示表底层水体的数据。调查指标包括温度(T)、盐度(S)、pH、溶解氧(DO)、溶解无机氮(DIN)、活性磷酸盐(SRP)、叶绿素a(Chl-a)、浮游植物总丰度等, DO 样品现场采集固定后用碘量法进行测定, 其他各参数样品的采集及测定均按照《海洋监测规范》(GB 17378—2007)进行。

2 结果

2.1 温度及叶绿素a 的平面分布特征

2011 年北部湾北部海域温度及Chl-a 平面分布图如下图2 和图3 所示。从图中可以看出, 春、夏两季表层水体的温度均明显高于底层水体。表层水体温度分布相对均匀, 而底层水体温度呈现随离岸距离增加而降低的趋势, 主要是由于随着离岸距离的增加, 水深增加, 光照强度降低, 导致水温降低。整体来看, 春季水温(平均20.77 ℃)明显低于夏季(平均29.60 ℃)。

图1 采样站位图Fig. 1 Sampling stations

图2 北部湾北部海域温度平面分布图Fig. 2 Spatial distributions of temperature in the northern Beibu Gulf

对于Chl-a 的平面分布, 春季表层Chl-a 含量平均1.90 mg/m3, 湾西部出现高值, 底层Chl-a 含量平均2.33 mg/m3, 含量由湾东北向西南随着离岸距离的增加而递减, 湾中部最低。春季时, 底层(20～40 m层)Chl-a 含量高于表层, 与北部湾Chl-a 的历史垂直分布特征相同[15-16], 除光照等因素影响外, 由于底层水体中营养盐含量高于表层(底层水体DIN 含量平均0.12 mg/L, 表层DIN 含量平均0.10 mg/L), 浮游植物在底层生长更加旺盛。夏季Chl-a 的平面分布趋势与春季基本相同, 整体来说, 春季Chl-a 含量(平均1.99 mg/m3)高于夏季(平均1.22 mg/m3), 反映了春季浮游植物快速生长的特征。

图3 北部湾北部海域Chl-a 平面分布图Fig. 3 Spatial distributions of Chl-a in the northern Beibu Gulf

2.2 海水稳定度分布特征

从图4 中可以看出, 春季海水的稳定度(平均11.94×10–5m–1)稍高于夏季(平均10.43×10–5m–1),整体差异不大, 两个季节海水的稳定度均表现出随离岸距离的增加而增加的趋势, 表明河流和沿岸流对海水稳定度的影响较大, 离岸较远的海域水体层化作用较强, 不利于表底层水体的垂直交换。

2.3 DO 的平面分布特征

北部湾北部海域2011 年春季DO 的平均值为8.11 mg/L(范围为7.10～8.96 mg/L), 其中表层DO平均值为7.65 mg/L, 饱和度平均为1.15; 底层DO 平均值为7.99 mg/L, 饱和度平均为1.09, 春季表层及底层DO均处于过饱和状态(饱和度>1)。夏季DO 平均值为6.05 mg/L(范围为3.68～6.90 mg/L), 其中表层水体DO 平均值为5.92 mg/L, 饱和度平均为1.04; 底层DO 平均值为5.67 mg/L, 饱和度平均0.90, 为不饱和状态。从图5 可以看出, 整体上春季水体的DO 明显高于夏季, 一方面是由于春季温度低于夏季(图2), 氧气在春季时的溶解度相对更高; 另一方面, 春季Chl-a 含量明显高于夏季(图3),浮游植物光合作用产氧较强。从DO 的垂直分布来看(图5), 春季表底层差异较小; 而夏季表底层差异较大, 其中表层DO含量较高, 且分布均匀, 而底层DO含量较低,并且在中西部海域出现了DO 的低值区(DO<5.0 mg/L)。

3 讨论

3.1 DO 及AOU 与环境因子的相关性分析

3.1.1 DO 与环境因子的相关性分析

图4 北部湾北部海域春夏两季稳定度分布图Fig. 4 Spatial distributions of stability in the northern Beibu Gulf

图5 北部湾北部海域DO 平面分布图Fig. 5 Spatial distributions of DO in the northern Beibu Gulf

为分析北部湾北部海域影响DO 含量的主要环境因素, 将DO 与其他环境因子(T、S、pH、COD、Chl-a、浮游植物总丰度、营养盐等)做Pearson 相关性分析(表1), 可以看出: 春季表层水体DO 与浮游植物总丰度呈显著正相关, DO 含量随浮游植物总丰度的增加而增加, 表明春季表层浮游植物的光合作用(产氧过程)占主导地位; 而夏季表层水体DO 与Chl-a 和SRP含量均呈显著负相关, 说明夏季表层海水中营养盐过剩导致浮游植物大量生长, 使得表层海水中浮游植物的消亡分解作用(耗氧过程)占主导地位[8]。春夏两季表层水体的浮游植物丰度和Chl-a 之间并无显著相关性,主要是因为受浮游植物细胞大小[19]、优势种[20-21]等因素的影响, 两者并不总是显著相关。春夏两季底层水体DO 均与pH 呈显著正相关, 可能是因为浮游植物光合作用吸收CO2, 导致水体pH升高, 同时产生O2, 使DO含量升高。从DO 随pH 变化的斜率来看, 底层水体的变化斜率(春季斜率为8.20, 夏季为10.62)明显高于表层(平均3.04), 表明底层水体的光合作用明显弱于表层, 并且夏季底层的光合作用相对春季底层更弱一些。

表1 DO 与环境因子的Pearson 相关系数Tab. 1 Pearson’s correlation coefficient between DO and other environment parameters

通过分析DO 表底层的变化量(ΔDO)与环境因子变化量之间的关系, 可以更加直观清楚地了解DO 在垂向水体中消耗的主要影响因素, 将ΔDO 与环境因子变化量(水体稳定度、营养盐及Chl-a 含量变化)做Pearson 相关性, 分析结果如表2 所示。

可以看出, 春夏季水体ΔDO 均与海水稳定度呈显著正相关, 说明水体稳定度越高, 水体层化作用强, 不利于表底层水体的交换, 导致表底层水体之间DO 的差值较大, 体现了海水层化作用(物理过程)对DO 的影响; 与变化量呈显著负相关, 说明从表层到底层随着DO 的降低,含量增加, 即由于DO 含量的降低,逐渐被还原为, 反映了DO 相对较低的情况下细菌反硝化作用的影响。

因为上述环境因子与DO 之间的关系是复杂、模糊、不确定的, 属于灰色系统, 无法用一般的相关性分析和回归分析计算每个环境因子对DO 的影响程度大小[22], 因此采用灰色关联度分析进行各因子对DO 影响程度大小的研究。将与DO 显著相关的环境因子作为关联因子, 做灰色关联度分析, 得到关联系数, 发现春夏两季表底层DO 与pH 值均呈显著正相关(表1), 且DO 与pH 的关联系数(0.96 以上)明显高于其他环境因子(0.7～0.8), 关联度系数达到, 说明相比物理过程(稳定度), 生物化学作用(光合作用与生物氧化分解作用)对DO 含量的影响更大。

表2 ΔDO 与环境因子的Pearson 相关系数Tab. 2 Pearson’s correlation coefficient between ΔDO and other environment parameters

3.1.2 表观耗氧量(AOU)与环境因子的相关性分析

一般认为, AOU 是由浮游植物的光合作用和有机物的分解作用影响的, 而浮游植物的生长与营养盐有关, 因此, AOU 与营养盐之间存在一定的关系,根据Redfield[23]提出的计算公式, 理论上每生成1 个磷原子和1 个氮原子分别需要消耗276 个和17.2 个氧原子。

通过分析AOU 与营养盐之间的线性关系及比值关系(表3), 可了解该海域是光合作用还是氧化分解作用占主导[24]。

由表3 结果可知: 春夏两季ΔSRP/ΔO2或ΔDIN/ΔO2值(营养盐与AOU 斜率值)均小于理论上的Redfield比值(ΔSRP/ΔO2=1︰138; ΔDIN/ΔO2=1︰8.6), 说明春夏两季均出现了有机物降解耗氧多, 而营养盐吸收相对较少的现象: 春、夏季正是生物生长繁殖的旺盛季节, 藻类丰富, 浮游植物吸收海水中的营养盐, 而鱼虾贝类又摄食浮游植物及消耗水体中氧气, 释放的有机物量增大, 导致表观耗氧量大[25], 因而氧气的消耗量相对大于营养盐的吸收量, 即说明该海域相对于浮游植物的产氧过程, 浮游动物和有机体氧化分解的耗氧过程占主导地位。

表3 表观耗氧量(AOU)与营养盐的相关性Tab. 3 Relationship between AOU and nutrients

3.2 北部湾北部海域夏季潜在低氧区形成机制

由以上分析结果可知, 北部湾北部海域夏季DO含量整体平均为6.05 mg/L(3.68～6.90 mg/L), 其中部分区域的底层水体DO 含量低于5 mg/L, 这些站位主要位于研究海域中西部区域(自北部湾中部向东北方向延伸至涠洲岛), 从DO 含量来看, 该区域水体尚未达到绝对低氧(<3 mg/L)的水平, 但已经达到危害生物的水平(<5 mg/L), 同时相关性分析结果显示该海域DO 的消耗过程强于产生过程, 有发展成为低氧区的趋势, 因此, 将该区域称为“潜在低氧区”, 同时从地形图(图1)可以看出北部湾中西部区域海底处于相对封闭的“低洼区”, 底层水与南海水之间交换较弱,潜在低氧区一旦形成, 状况较难得到缓解。

北部湾潜在低氧区并非是偶然出现的现象, 早在1983—1984 年就观察到钦州湾外1 个站位在春夏两季底层出现潜在低氧区[26](春夏季DO 含量分别为3.90～4.80 mg/L 和3.87～4.39 mg/L); 2006 年夏季, 拜子龙群岛东侧海域、防城港与钦州湾附近海域约4 km2的底层水体出现潜在低氧(DO 含量为2.42～4.84 mg/L); 2011 年夏季底层同样海区水体的潜在低氧范围扩大到了39 km2, DO 最低值3.68 mg/L;2016 年9 月[27]在北部湾相同区域出现绝对低氧状况(最低值达到1.98 mg/L), 且面积达到119 km2, 到冬季后绝对低氧现象消失, 2017 年夏季潜在低氧又出现(最低值为3.00 mg/L 左右, 面积约为53 km2)。因此, 北部湾中西部海域季节性潜在低氧现象存在已久, 且呈季节性出现, 从图6 中可以看出, 随着时间推移DO 最低值逐渐降低, 且(潜在)低氧区范围(站位数)呈扩大趋势, 到2016 年夏季时出现大范围绝对低氧区, 因此该海域(潜在)低氧现象整体呈加剧的趋势。

图6 北部湾北部海域潜在低氧区(DO<5 mg/L)变化趋势图Fig. 6 The trend of potential hypoxic zone (DO<5 mg/L) in the northern Beibu Gulf

北部湾北部海域季节性潜在低氧状况逐年加剧的原因, 一方面可能是由于防城港及钦州湾存在多个生活及工业排污口, 钦州湾10 个排污口均位于湾外, 且10 个排污口均存在不同程度超标状况, 主要超标要素为总磷和CODCr, 使钦州湾轻度污染、防城港严重污染[28-29]; 另一方面也有文献[30]指出, 2008 年后钦州湾春夏季赤潮频发, 在2010 年北部湾发生了150 km2的大范围赤潮[31], 并且2011—2016 年基本上每年北部湾均会发生赤潮[32], 2017 年钦州湾海域附近球形棕囊藻暴发[33]。

由此发现, 2011 年以前北部湾海域(潜在)低氧范围较小, 且主要为潜在低氧区, 但由于北部湾海域经济结构及生活方式未做出相应的改变和调整, 陆源污染物的排放未得到控制、赤潮频发, 加剧了DO净消耗的情况, 使得潜在低氧区范围扩大、低氧程度加大, 演变为低氧区。

4 结论

2011 年北部湾北部海域DO 状况整体上春季明显好于夏季, 在夏季底层水体中出现了DO 含量低于5.0 mg/L 的区域, 该区域DO 含量主要受控于生物化学作用, 且浮游动物和有机体氧化分解的耗氧过程强于浮游植物的产氧过程, 使得夏季底层水体处于DO 的净消耗状态, 有发展成低氧区的趋势。该潜在低氧区是长期存在的, 同时由于陆源排污及夏季季节性赤潮的影响, 潜在低氧状况从2011 年开始呈逐年加剧的状况, 到2016 年夏季时出现了较大范围的绝对低氧区(DO<3 mg/L)。因此, 当类似于北部湾的半封闭性海湾发生潜在低氧现象时, 应引起充分关注, 及时调整经济产业结构, 控制陆源污染物的入海排放总量, 改善DO 净消耗增大的情况, 扭转低氧区的形成。