山东半岛东部近海海水溶解氧时空变化

刘鹏霞,刘子洲,翟方国,顾艳镇,何健龙,靳 洋,何 鑫,陈爱华

(1.中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛 266100; 2.山东省海洋资源与环境研究院,山东 烟台264006; 3.乳山市海洋监测中心,山东 威海 264500)

海水中的溶解氧(dissolved oxygen,DO)能够指示海洋生物生长和海洋环境质量状况,其含量和变化趋势已经成为全球性的研究课题。在气温和海表面温度升高的趋势下,近岸和深海大洋的溶解氧浓度逐年降低[1-3],其中,河口、沿岸和湾流区出现的低氧现象(溶解氧浓度小于2 mg/L)[4]更受人关注。

黄海作为典型的半封闭型陆架浅海,大气、海洋和陆地相互作用强烈,被称为黄海大海洋生态系[5]。山东半岛呈楔状深入黄海,海岸线变化曲折[6],其近岸海域是我国重要的水产养殖区和渔业捕捞场所[7],截至2019年,山东省共建成44个国家级海洋牧场示范区。山东沿岸海域在我国现代化渔业建设中占据了重要地位,其生态环境状况受到关注,李先超等人对山东半岛沿岸及海湾内的溶解氧进行了较深入研究[8-14]。但是,受限于时空尺度,目前关于黄海溶解氧的监测主要集中在南黄海,且采样站点也多离岸较远[15-17],而近岸海域溶解氧的研究则多基于少数海湾或单一季节,本文根据2015—2017年的溶解氧资料,探究山东半岛东部近海溶解氧的时空分布特征和影响因素。

1 数据和方法

1.1 数据

本文所用数据来自山东省海洋资源与环境研究院及山东省周边的地方海洋环境监测站(如威海市海洋环境监测中心、乳山市海洋环境监测站等),监测参量包括溶解氧体积浓度(以下简称溶解氧浓度,mg/L)、水温(℃)、盐度和pH,数据监测按照海洋环境监测规范(GB 17378.4—2007)执行,其中溶解氧采用碘量法测得,水温和盐度由CTD测得,pH由pH计测得,表层采样深度均为0.5 m,底层采样深度视站位水深而定。资料时间长度为2015—2017年这3年的3月、5月、8 月、10 月,空间范围为 120.9°E～122.8°E,36.0°N～37.4°N。每个月的监测站位大致相同,仅个别站位有出入,各变量的具体监测站位数量如表1所示。因此统一监测站位,共得到表层149个站位,底层35个站位,并以此作为下文溶解氧分析结果的依据。研究区域的地形如图1所示,可以看出,山东半岛东部近海包含众多海湾,自北至南分别有荣成湾、桑沟湾、靖海湾、五垒岛湾、乳山湾和丁字湾,水深均在20 m以浅,而成山头和石岛海域,水深较深,可达30 m。

表1 研究海域监测站位分布数量表Tab.1 Distribution of monitoring stations in the study sea area

图1 山东半岛东部近海地形Fig.1 Coastal sea area topography of the eastern Shandong Peninsula

1.2 计算方法

海水的饱和溶解氧浓度计算过程参见文献[18],表观耗氧量(apparent oxygen utilization,AOU)的计算公式如下:

其中,DOsat为根据实测温盐数据计算的饱和溶解氧浓度,DOobs为现场实测的海水溶解氧浓度。

2 结果分析

山东半岛东部近海海域DO体积浓度(以下简称DO浓度)的区域平均值和变化范围如表2所示,可以看出,DO浓度的季节变化为3月＞5月＞10月＞8月。根据《中华人民共和国海水水质标准(GB 3097—1997)》,可知研究海域的 DO整体符合一类海水水质(DO＞6 mg/L)标准,但在夏季某些监测站位的海水水质较差,仅为三类海水(DO＞4 mg/L)。此外,在监测期间,表底层均未出现DO浓度低于2 mg/L的低氧现象。

表2 山东半岛东部近海溶解氧浓度及变化范围/(mg·L-1)Tab.2 Concentration and variation range of DO in the eastern coastal area of the Shandong Peninsula (mg·L-1)

表层(图2)和底层(图3)的DO浓度在空间上均呈不连续的块状分布,且表现出多尺度的时间变化特征。下文将以此为依据,分析和探究山东半岛东部近海DO浓度的时空变化特征和影响机制。

图2 表层原始溶解氧体积浓度空间分布散点图Fig.2 Scatter diagram of the spatial distribution of surface DO volume concentration

图3 底层原始溶解氧体积浓度空间分布散点图Fig.3 Scatter diagram of the spatial distribution of bottom DO volume concentration

2.1 多年平均分布

DO浓度多年平均值和标准差的空间分布如图4所示。根据DO浓度的平面分布特征和波动特征,并结合山东半岛近海海域的区位条件和海域功能(如成山头海域为潮汐、潮流等海洋能利用区,乳山湾海域为增养殖渔业资源利用区等),本文将研究区域分为4块小区,分别是成山头至桑沟湾近海区域(下文记为Ⅰ区)、石岛至五垒岛湾近海区域(下文记为Ⅱ区)、乳山湾及至丁字湾近海区域(下文记为Ⅲ区)和丁字湾外海区域(下文记为Ⅳ区)(图4a)。多年平均值能够清晰地表明DO的空间分布形态,由图4a可以看出,表层DO浓度的区域平均值为8.58 mg/L,变化范围为7.70～9.44 mg/L,在空间上呈现出北高南低、外海高于近岸、湾内低于湾外的分布特点; 由图4c可以看出,底层监测站位主要分布在成山头至石岛近海和丁字湾外海等水深较深的站位,底层DO浓度的区域平均值为 8.63 mg/L,变化范围为 7.93～9.36 mg/L,其平面分布特征与表层基本一致,仅石岛近海海域的DO浓度较表层略低。表底层DO浓度的一致性反映出上下层水体的均一性较强,这主要是由于研究海域水深较浅,水体混合较均匀所致。

标准差能够反映 DO浓度随月份的波动情况,由图4b和4d可以看出,DO浓度的标准差也呈块状分布,且表底层标准差的量值大小和分布形态基本一致。其中,Ⅱ区站位的标准差基本小于1 mg/L,为标准差低值区,尤其以石岛近海的标准差最小,说明当地的DO浓度比较稳定,波动幅度较小。Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区站位的标准差量值相当,基本处于 1.5～2.5 mg/L的范围内,标准差最大值出现在Ⅲ区的乳山湾内,为2.68 mg/L。DO波动较大的区域,其影响因素不同,Ⅰ区和Ⅳ区的 DO主要受黄海潮波系统的影响,而Ⅲ区DO则受人类活动的影响更大。

图4 溶解氧体积浓度多年平均值和标准差空间分布Fig.4 Spatial distribution of multiyear average (a: surface layer; c: bottom layer) and standard deviation (b: surface layer;d: bottom layer) of DO

2.2 季节和年际变化

区域平均的DO浓度时间序列如图5a所示。可以看出,在监测期间 DO浓度呈现出显著的月际变化特征,表现为一年内3月最高,8月最低。全部站位与表层站位的 DO浓度变化趋势几乎完全一致,而底层 DO浓度与之有明显差异,具体表现为除2015年3月、10月和2017年8月、10月外,其他月份底层的 DO浓度均高于表层。鉴于底层的监测站位多位于水深较深的近外海区域,因此侧面反映出外海的DO浓度高于近岸。

为更好地探究 DO浓度的季节变化特征,画出逐月平均的 DO浓度空间分布如图5b—i所示。由图5b—e可以看出,表层DO浓度的季节变化特征为3 月(10.2 mg/L)＞5 月(8.63 mg/L)＞10 月(8.10 mg/L)＞8月(7.44 mg/L),即观测期间内春季DO浓度最高、夏季最低。海水温度对氧气的溶解度起主要作用,海水温度越高,溶解度越低,反之亦然,因此DO浓度的季节变化趋势与温度相反。水平分布上,表层DO浓度具有明显的块状特征,且不同月份的空间分布形态不同,具体表现为: 3月,除Ⅱ区为DO浓度低值区外,其他区域均为相对的 DO浓度高值区,尤其以成山头和乳山湾邻近海域的 DO浓度最高,可达12 mg/L; 5月,研究区域的DO浓度自北向南逐渐降低,Ⅰ区为DO浓度高值区,Ⅱ区为过渡区,Ⅲ区为低值区,而位于相对外海的Ⅳ区,其DO浓度不同于相邻的近海站位,表现为高DO浓度(约为10.5 mg/L);8月和 10月 DO浓度的空间分布形态基本一致,均与 3月呈相反态势,即除Ⅱ区为 DO浓度高值区外,其他区域均为相对的DO浓度低值区,其中DO浓度最低值出现在乳山湾内(＜5 mg/L),10月的DO浓度分布较 8月更为均匀、空间变化幅度更小。对于不同小区,其季节变化特征不完全相同,Ⅱ区变化较小,Ⅰ区成山头和Ⅲ区乳山湾近岸海域的 DO浓度变化较为剧烈。底层DO浓度的季节变化特征与表层基本一致,表现为 3 月(10.1 mg/L)＞5 月(8.97 mg/L)＞10月(7.90 mg/L)＞8月(7.52 mg/L),空间分布形态也基本相同,此处不再赘述(图5f—i)。

图5 DO浓度区域平均时间序列(a)和逐月平均值(b—e: 表层; f—i: 底层)、年平均值(j—l: 表层; m—o: 底层)平面分布Fig.5 Regional mean time series (a) and spatial distribution of monthly (b-e,surface layer; f-i,bottom layer) and annual average (j-l,surface layer; m-o,bottom layer) of DO

DO浓度年平均值能够反映DO在一年内的整体分布情况(图5j—o),由图5j—l可以看出,表层DO浓度的年际变化趋于稳定,随年份仅有轻微波动,表现为 2015 年(8.75 mg/L)＞2017 年(8.62 mg/L)＞2016 年(8.39 mg/L)。在不同年份,表层DO均呈现北高南低的分布趋势,但不同小区的年际变化不同,具体表现为: Ⅰ区为 DO 浓度高值区,随年份无明显变化; Ⅱ区尤其是靖海湾和五垒岛湾近海的DO年际变化显著,2015年为DO浓度高值区(＞9 mg/L),2016年DO浓度显著降低(＜8 mg/L),而 2017年又有升高(～8 mg/L),但仍处于中等浓度水平; Ⅲ区为 DO浓度低值区,尤其在2016年出现DO浓度极低值(＜7.5 mg/L); Ⅳ区的DO浓度随年份有升高趋势,自8.5 mg/L升高至9 mg/L左右。底层的 DO浓度表现为 2017年(8.65 mg/L)＞2015年(8.63 mg/L)＞2016年(8.61 mg/L),其年际变化与表层不完全相同,主要是Ⅱ区和Ⅳ区的 DO浓度在 2015年与表层相差较大,其他年份则基本一致(图5m—o)。

2.3 垂向分布

为探究不同月份的 DO浓度垂向分布特征,画出DO体积浓度-深度的散点图(图6a—d)。其中,各站位的表层监测深度均为 0.5 m,水深较深(一般大于 20 m)的站位有中层和底层监测数据,中层监测深度一般为10 m,底层监测深度视站位具体水深而定,因此,该散点图主要展示近外海区域的 DO垂向分布特征。可以看出,3月和5月的DO浓度在垂向上基本呈均匀分布,到了8月和10月,DO浓度随深度有明显下降趋势。对于不同的垂向分布情况,猜测是由于春季受到较强东北季风的作用,导致上下层的水体混合较均匀,垂向上的 DO浓度相差不大; 而到了8月和10月,在强烈的太阳辐射和较弱的偏南季风作用下,研究海域上下层水体交换不通畅,表层高氧水不能及时被带到底层,再加上底层DO被沉积物消耗,故出现水深越深、DO浓度越低的现象。

图6 DO-深度散点图(a—d)和相关站位DO浓度剖面图(e—h)Fig.6 DO-depth scatter diagram (a-d) and DO concentration profile (e-h) of related stations

选取同时具有表、中、底层监测数据的站位(位于成山头、石岛和丁字湾外海的少数站位)画出其DO浓度剖面图(图6e—h),该图能够更直观地展示 DO的垂向分布情况。可以看出,3月多数站位的垂向分布均匀,表、中、底层的DO浓度基本相同,少数站位的DO浓度在垂向上有显著变化,或自表层至底层逐渐增加(或减小),或随深度先减小后增大。在5月、8月和10月,DO的垂向分布与上述DO-深度散点图反映的特征一致,此处不再赘述。

2.4 AOU时空分布

研究区域位于山东半岛近岸,存在多条径流输入(如靖海湾有青龙河入海,五垒岛湾有母猪河及昌阳河入海,乳山湾有乳山河、锯河入海等),营养盐含量高,生物化学活动剧烈。AOU能表征水体中 DO的贫富状态,当 AOU＜0时,说明海水中DO 处于饱和或过饱和的富氧状态,而当 AOU＞0时,则表明水体处于氧亏损的贫氧状态。AOU能够过滤海水的温、盐等物理特性,凸显生化过程,表层AOU的空间分布和区域平均的时间序列如图7所示。

图7 表层AOU空间分布(a—l)和区域平均时间序列(m)Fig.7 Spatial distribution of surface AOU (a-l) and regional mean time series (m)

AOU的区域平均时间序列(图7m)表明,在监测期间,研究海域整体处于 DO饱和或过饱和状态(AOU =-0.33 mg/L),仅在少数月份,区域平均的 AOU大于0,分别是 2016年 3月(0.06 mg/L)、2016年 10月(0.04 mg/L)和2017年3月(0.16 mg/L),这表明在研究区域内,浮游植物的光合作用过程基本强于有机物的耗氧过程。同时,山东半岛东部近海的AOU也表现出明显的时空变化(图10a—l),具体表现为:在监测期间,Ⅰ区海域基本处于富氧状态,即AOU为明显负值,仅在少数时间出现了贫氧现象(2015年8月和2016年3月),这说明Ⅰ区基本为富氧海水区;Ⅱ区与Ⅰ区类似,但在 3月出现贫氧现象(AOU＞0),其他时间该海域的AOU则均为负值,这说明Ⅱ区海域的生物供氧活动也较强,但在 3月水温较低的情况下,该海域的浮游植物光合作用较弱; Ⅲ区海域普遍存在贫氧状况,除2015年10月外,该区域均出现贫氧(AOU＞0)站位,尤其以2015年5月、2016年8月和 10月的贫氧范围大、程度严重,猜测这主要是由于当地密集的水产养殖导致有机物聚集并大量耗氧; Ⅳ区海域在春季为富氧状态(AOU＜0),而在夏秋季常出现 DO浓度不饱和现象,与此对应的是当地叶绿素浓度较低[19]。

3 影响因素

3.1 温度和盐度

利用同期监测的海水温度和盐度资料,来探究温盐要素对DO分布的影响,得到表层实测温盐数据的区域平均值及变化范围如表3所示。可以看出,表层海水温度具有显著的季节变化特征,表现为 8月＞10月＞5月＞3月,监测期间的最低温出现在2016年3月,为 2.6 ℃,最高温出现在 2016年 8月,为 31.4 ℃,这与表层 DO的季节变化恰好相反。与海水温度不同,盐度的年际变化较季节变化特征更显著,监测期间的盐度最低值出现在2017年 8月,为 21.7,最高值出现在2017年5月,为34.6,此外,可以看出区域平均的盐度值均小于 33,明显低于外海海水盐度,说明研究区域主要受到由入海江河淡水和高盐海水混合形成的沿岸水系影响。

表3 山东半岛东部近海表层温度、盐度Tal.3 Average value and variation range of surface temperature (℃) and salinity in the eastern coastal area of the Shandong Peninsula

表层实测海水温度的空间分布如图8所示,结合表3可知,表层海水温度具有显著的季节变化特征: 8月＞10月＞5月＞3月,与研究海域表层DO的季节变化趋势恰好相反。温度是影响海水饱和溶解氧浓度的关键因素,温度越低,饱和DO浓度越高,反之亦然。总体上,山东半岛东部近海的温度呈南高北低,近岸高外海低的块状分布特征,因此研究海域的海水温度也可按照 DO的标准划分成 4区。具体来看,Ⅰ区海域在春季和夏季(3月、5月、8月)均为显著低温区,与该区域存在的 DO高值区相对应(2015年 8月除外),而到了 10月,该区域的水温呈现出显著的年际变化(2015、2016年为高温区,可达20 ℃; 2017年有所降低,仅为18 ℃左右),并与表层DO浓度的变化呈相反态势(2015、2016年较低,约为8 mg/L; 2017年有所升高,约为8.5 mg/L)(见图2); Ⅱ区石岛邻近海域的温度变化特征与Ⅰ区相似,但5月和8月该海域的水温较Ⅰ区高2 ℃左右,对应图2中较高的DO浓度,而Ⅱ区的靖海湾和五垒岛湾海域在2017年3月和10月表现出异常低温现象,与DO的浓度对应不完全一致,这说明海水温度不是影响该海域 DO的唯一因素; Ⅲ区海域为全年高温区,尤其以沿岸区域更加明显(2017年10月除外),但对应到表层DO,发现该海域并非全年的DO浓度低值区,且DO浓度最低值多出现在乳山湾和丁字湾口,而不是温度最高的沿岸海域,猜测陆源输入对Ⅲ区海域DO的影响较海水温度可能更大; Ⅳ区远离近岸,其海表温度随时间变化较小,且与DO的负相关关系不显著。综上所述,山东半岛东部海域DO的时空分布受到海水温度的影响显著,其中Ⅰ区和Ⅱ区的石岛海域主要受海水温度影响,而其他区域的海水温度不是影响 DO的唯一因素,沿岸海域尤其是湾口处的DO浓度在很大程度上受到陆源要素影响。

图8 表层原始温度空间分布散点图Fig.8 Scatter diagram of the spatial distribution of surface temperature

相较海水温度而言,盐度的时空变化特征更为复杂,表层实测盐度的空间分布如图9所示。可以发现,受径流输入和降水的影响,研究海域的盐度在夏季(8月)达到最低,而在其他月份则相差不大。其中Ⅰ区海域为全年高盐区,该区域水深较深,主要受到南黄海高盐海水的影响; Ⅱ区石岛海域的水深与Ⅰ区相差不多,但其盐度却显著低于Ⅰ区的表层盐度; Ⅲ区沿岸海域基本为全年的中高盐度区,包括有淡水输入的 8月也不例外,可能是由于该海域为水产养殖区,密集的养殖导致大量污水入海,显著影响了该区域的盐度; Ⅳ区海域位于近外海区域,但其海水盐度却低于邻近的近岸海水,尤其是在2016年,该差异更为显著。综合来看,表层盐度与DO呈轻微正相关趋势,但仅从月际的空间分布变化不能明确判断两者的相关关系。

图9 表层原始盐度空间分布散点图Fig.9 Scatter diagram of the spatial distribution of surface salinity

为了更直观地探究海水温度和盐度对DO的影响,画出DO-温度和DO-盐度散点图如图10a—h所示。可以看出,除 10月外,其他月份的温度和 DO均呈显著负相关,而盐度与 DO呈较显著的正相关关系,这与上文得到的DO、温度和盐度的时空分布特征结论一致。对各个月份的监测资料进行区域平均,得到DO、海水温度和盐度的时间序列如图10i所示。区域平均的时间序列表明,海水温度和 DO均具有明显的季节变化特征,且随时间呈显著负相位变化趋势,即温度高,DO浓度反而低,两者的相关系数高达-0.95; 与海水温度和 DO相比,盐度的季节变化特征没有年际特征显著,此外,区域平均的时间序列显示在某些月份,盐度和 DO浓度呈正相位变化趋势,但相关系数较低,表明两者并不显著相关。

图10 表层DO-温度、DO-盐度散点图(a—h)和区域平均时间序列(i)Fig.10 Surface DO-temperature (a-d),DO-salinity scatter diagrams (e-h),and regional mean time series (i)

3.2 生物与化学因素

分析表明,Ⅲ区海域在5月、8月和10月常为DO浓度低值区,且DO浓度与海水温度的负相关对应关系不完全吻合,这说明温度不是影响当地 DO的唯一因素,猜测陆源输入也起到一定的调控作用。为此,下文用 pH来衡量海水受陆源污染物的影响程度,得到研究海域表层的 pH分布如图11所示,并与Ⅲ区的DO浓度分布进行对比。中华人民共和国海水水质标准(GB 3097—1997)规定,pH在 7.8～8.5的海水为一、二类水质,适用于海洋渔业和水产养殖等对水质要求较高的生产活动,而 pH在6.8～8.8范围内的海水则属于第三、四类水质,这类海水只适用于工业用水和海洋港口建设。由图11可以看出,Ⅲ区乳山湾内的pH在5月、8月和10月均小于7.8,Ⅲ区沿岸海域的pH也常超过一、二类海水水质标准范围,其中2015年5月和8月均低于7.8,而2016年8月和2017年(3月除外)则高于8.5,这说明Ⅲ区海水水质确实受到由陆源输入和水产养殖产生的有机物污染。而在湾口和沿岸海域大量聚集的有机物,其降解过程也会大量消耗海水中的DO,导致Ⅲ区海域为常年的DO浓度低值区,佐证了上文中关于研究海域低DO浓度和贫氧现象发生原因的猜测。

图11 表层原始pH空间分布散点图Fig.11 Scatter diagram of the spatial distribution of surface pH

海水DO的时空分布特征和影响因素非常复杂,涉及物理、生物、化学等多种过程。本文缺少营养盐等化学要素数据,因此对影响因素的探讨不够全面。因此,未来在实测资料的基础上,可以借助三维生态动力学模型来全面地模拟近岸海域生态要素的时空分布情况,为渔业生产和海洋环境治理提供更加科学的理论指导。

4 结论

本文基于山东省海洋资源与环境研究院监测的2015—2017年的DO资料,根据DO浓度的高低和波动特征,将研究海域分为4个小区域,分别是成山头至桑沟湾近海(Ⅰ区)、石岛至五垒岛湾近海(Ⅱ区)、乳山湾至丁字湾近海(Ⅲ区)和丁字湾外海区域(Ⅳ区),全面分析了山东半岛东部近海 DO的时空变化特征,并讨论了海水温度、盐度等要素对它的影响机制,得到如下结论:

1) 研究海域的DO基本符合一类海水水质标准(DO＞6 mg/L),在水平上呈现出北高南低、外海高近岸低、湾内低于湾外的块状分布特点,垂向上表层高于底层。

2) 监测期间,DO的季节变化特征为春季最高,夏季最低,具体表现为表层 3月(10.2 mg/L)＞5月(8.63 mg/L)＞10 月(8.10 mg/L)＞8 月(7.44 mg/L),底层3 月(10.1 mg/L)＞5 月(8.97 mg/L)＞10 月(7.90 mg/L)＞8月(7.52 mg/L),其中Ⅰ区和Ⅲ区海域尤其是荣成湾、桑沟湾和乳山湾湾口表现出强烈的季节波动特征,猜测受到淡水径流和陆源输入影响较大。监测期间,DO的年际变化趋于稳定,表底层略有不同,具体表现为表层 2015 年(8.75 mg/L)＞2017 年(8.62 mg/L)＞2016年(8.39 mg/L),底层 2017年(8.65 mg/L)＞2015年(8.63 mg/L)＞2016年(8.61 mg/L),其中Ⅱ区尤其是靖海湾和五垒岛湾近海的 DO浓度具有显著的年际变化,其他区域的年际变化则较小。

3) 表层区域平均的AOU为-0.33 mg/L,说明监测期间山东半岛东部近海整体上处于 DO饱和或过饱和状态,其中Ⅰ区和Ⅱ区海域为富氧海区,浮游植物的光合作用较强; 而Ⅲ区海域受到陆源输入和水产养殖的影响,有机物的耗氧活动强于浮游植物的产氧过程,导致乳山湾沿岸区域频发贫氧状况。

4) 监测期间,海水温度和 DO呈显著负相关关系,温度越高,DO浓度越低,两者相关系数高达-0.95,盐度对DO的影响则相对较弱。其中,Ⅰ区和Ⅱ区石岛海域的 DO分布主要受海水温度影响,当地较高的 DO浓度与常年存在的低温水相对应; Ⅲ区尤其是乳山湾和沿岸区域常常为 DO浓度低值区,这不仅受到较高海水温度的影响,更受到陆源输入和水产养殖产生的大量有机物控制。乳山湾和沿岸海域的pH常超过一、二类海水水质标准范围,当地聚集的有机物耗氧是造成Ⅲ区海域为 DO浓度低值区的重要原因。