2016年春季季风转换期的珠江冲淡水分布与生态特征分析*

帅义萍, 陈寅超, 刘子嘉, 葛在名, 马梦真, 张苑芳, 李芊,3

1. 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301;

2. 中国科学院大学, 北京 100049;

3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458

河口是陆源物质输入海洋的主要场所, 径流携带大量的悬浮泥沙和丰富的营养盐进入海洋, 形成河口独特的生态学特征(Meybeck, 1982; 宁修仁 等,2000)。珠江径流量居我国第二位, 有着极其复杂的河网系统, 3条主要支流(西江、北江和东江)经过八大口门汇入南海。珠江年径流量可达3.3×1011m3, 年输沙量可达8.7×1010kg (赵焕庭, 1990;Xia et al, 2004), 其中80%的径流量发生在4—9月。巨量径流汇入海洋, 与高盐的海水混合后, 形成珠江冲淡水。

冲淡水带来的大量营养盐和有机物质输入, 可引起浮游植物藻华, 形成较高的初级生产力, 对河口的生物地球化学要素产生重要影响(Dai et al,2008; Li et al, 2018)。同时径流带来的大量泥沙对珠江口的沉积过程也有着重要贡献(胡辉 等, 1995)。20世纪60年代初毛汉礼等(1963)提出冲淡水的概念,并定义冲淡水的盐度范围为4‰～32‰。胡辉等(1995)在研究长江口不同水系与锋面时, 将冲淡水定义为盐度为5‰～31‰的水团, 将盐度<5‰的水团称为河口水, 盐度>31‰的水团称为外海水。在本文中, 我们将冲淡水定义为盐度范围在5‰～30‰的海水, 以盐度对珠江口水系进行划分, 用来研究冲淡水及其锋面的影响因子及生态效应。

在春季季风转换期, 冬季盛行的东北季风逐渐转变为夏季盛行的西南季风, 伴随着珠江径流量不断增大。在径流和季风共同作用下, 冲淡水的扩散路径及形态不断发生变化, 整个水柱中的溶解氧、浊度的分布特征以及浮游植物的生长都随着冲淡水路径的改变而受到影响。为了了解在季风转换期,不同环境因子对冲淡水路径变化的响应, 以及各环境变量之间的相互作用及其时空变化规律, 我们对2016年4、5、6月期间3个航次的温盐深剖面仪(Conductivity, Temperature, Depth, CTD)数据进行了整理, 分析了珠江口在入夏期间的季风、径流、锋面、叶绿素、溶解氧和浊度的时空分布特征及变化规律, 分析和讨论了其中的调控机制。

1 材料与方法

1.1 站位设置

大面及断面数据来源于2016年4、5、6月期间进行的3个珠江冲淡水航次的调查中获取的CTD数据。采样时间分别为4月12—18日, 5月13—20日,6月17—23日。研究范围为20—23°30′N, 110—118°E (图1)。其中4月包含91个站位, CTD采样时间间隔为1s。5月有77个站位, 6月有154个站位,CTD采样时间间隔为0.042s。所获取数据包含温度、盐度、荧光叶绿素、溶解氧以及浊度等多个水文及生态环境因子。我们选取了河口下游至河口外的断面1和河口外平行于岸线, 平均水深约30m的断面2来观测各个环境因子的时空变化情况(图1)。断面1正好经过了伶仃洋内位于珠江河口南岸的浊度最大区的边缘, 以及磨刀门水域附近的低氧高发区(Shi et al, 2017)。在4、5月的断面1的观测点主要位于口门外, 6月观测点包含断面1中口门内外两个部分。断面2中4、5月观测点所在位置为21—22°N,111—114°30′E, 6月断面2观测点所在位置为21—22°30′N, 113—116°30′E。地形数据来源于整合了陆地地形和海洋深度的全球地表起伏模型 (1 arc-minute Earth Topography and Bathymetry dataset,ETOPO1), 分辨率为1/30°。

图1 2016年4—6月航次采样站位分布图。图中站位4月用圆圈表示, 5月用圆点表示, 6月用星号表示。两条黑色实线分别表示断面1和断面2。审图号: GS(2019)3266Fig. 1 Map of sampling stations in the northern South China Sea (NSCS) during April — June, 2016

表层10m风场及风应力数据来源于美国气象卫星先进散射计观测的数据产品(The Advanced Scatterometer Data Products, ASCAT, https://coastwatch.pfeg.noaa.gov), 分辨率为0.25°, 8d平均。2016年4—6月逐日径流量数据来源于珠江水利委员会(http://www.pearlwater.gov.cn/)。径流量随时间的变化如图2所示, 其中虚线框分别为与3个航次对应的期间。

图2 珠江口2016年4—6月径流量Fig. 2 Temporal variation of Pearl-River discharge during April — June, 2016

1.2 数据处理

本文中表层及断面数据采用海洋数据视图软件(Ocean data view, ODV)的数据插值变分分析方法(Data-Interpolating Variational Analysis, DIVA)和加权平均插值方法(Weight-average gridding)。CTD数据中个别异常值被赋为空值。

2 结果

2.1 表层风场分布特征

由表层风场分布特征(图3)和风场玫瑰图(图4)统计结果可知, 在航次调查期间, 4月海面上南风和东南风占90%以上, 风速较小, 最大风速不超过6m·s–1, 其中在粤东外海主要为南风; 近岸为风速较大的东北风, 最大风速可达8～10m·s–1。粤西近岸和外海以东南风为主。5月该海域被强劲的东北风控制, 以6～10m·s–1的风速为主, 最大风速为10～12m·s–1。6月海面上主要为风速较小的南风, 整个海面上的风速小于6m·s–1。

图3 珠江口2016年4—6月采样期间表层风场分布特征及变化情况a. 2016年4月; b. 2016年5月; c. 2016年6月Fig. 3 Distribution of surface wind stress during our investigation period in 2016. (a) April; (b) May; (c) June

图4 珠江口2016年4—6月采样期间风场玫瑰图a. 2016年4月; b. 2016年5月; c. 2016年6月Fig. 4 Maps of wind rose during our investigation period in 2016. (a) April; (b) May; (c) June

2.2 季风转换期冲淡水分布特征

由表层盐度分布(图5d～5f)可知, 4月和5月份珠江冲淡水的扩散路径均为西向。4月的流幅较窄, 靠岸流动, 冲淡水边缘离岸约35km。在风场作用下,5月冲淡水扩散范围比4月广, 可扩散至离岸约70km处。在现场调查期间, 5月珠江径流量比4月小(图2), 冲淡水表层盐度比4月高。冲淡水在6月向东西方向都有扩散, 在河口附近冲淡水与外海水的交汇处形成了一个盐度锋和浊度锋。在锋面的外侧, 向西的冲淡水受到表层南风和背景流场的抑制, 水体之间发生剧烈的混合作用, 冲淡水盐度快速变大。向东离岸扩散的冲淡水,在粤东外海形成了大片羽状流, 最远扩散至离岸约130km, 向东可达118°E附近海域, 羽状流所流经的海域具有较高的初级生产力(图5i)。垂向上, 我们选择了近似垂直的两个断面来观察冲淡水的分布特征。断面1从河口上游近似平行于河口走向, 经过河口南岸浊度最大区的边缘和河口外海岸过渡带的低氧高发区。根据盐度的垂向分布可知(图6d～6f), 冲淡水在这3个月的覆盖厚度相差不大, 最深可达10m。在现场调查期间, 4月、5月、6月的平均径流量分别为2.22×104m3·s–1、1.59×104m3·s–1、3.05×104m3·s–1。受径流的影响, 断面1中的冲淡水在6月的盐度最低, 4月次之, 5月最大。由于风向的作用, 冲淡水在4月时最远扩散至距离断面起点约125km处, 在5月和6月可扩散至距离起点约140km处。温度的断面分布显示(图6a～6c),在入夏过程中, 海水表层温度变化较大, 4月海表温度约为22℃, 5月约为26℃, 6月时海表温度可达30℃以上。由于海水底部温度变化不大, 导致表底温差在珠江口入夏的过程中不断加剧。4月时表底温差很小不到4℃, 5月表底温差约为5℃, 6月时,表底温差达到10℃以上, 表层海水在温度和盐度共同作用下, 密度不断降低, 海水层化也随之不断增强。

图5 珠江口2016年4、5、6月温度(a～c)、盐度(d～f)、叶绿素质量浓度(g～i)、溶解氧(j～l)以及浊度(m～o)的表层分布a, d, g, j, m为2016年4月; b, e, h, k, n为2016年5月; c, f, i, l, o为2016年6月。图中数据为水下1m的CTD值, 白色圆点为实测值,插值方式采用了海洋数据视图软件的数据插值变分分析方法Fig. 5 Surface distributions of temperature (a～c), salinity (d～f), fluorescence (g～i), oxygen (j～l), and turbidity (m～o) during our investigation period of April — June 2016 in the Pearl River Estuary and its adjacent area. Here, the CTD data were 1 m below the surface. The white dots indicate sampling stations. Data-Interpolation variational analysis (DIVA) supplied by Ocean Data View (ODV) was adopted as our interpolating method

图6 2016年4、5、6月珠江口断面1的温度(a～c)、盐度(d～f)、叶绿素质量浓度(g～i)、溶解氧(j～l)以及浊度(m～o)分布a, d, g, j, m为2016年4月; b, e, h, k, n为2016年5月; c, f, i, l, o为2016年6月。图中黑色圆点为CTD采样数据, 采用了ODV的加权平均插值法Fig. 6 Vertical distributions of temperature (a～c), salinity (d～f), fluorescence (g～i), oxygen (j～l), and turbidity (m～o) in section 1 during our investigation period of April — June 2016. Section 1 was located along the Pearl River. The black dots are CTD sampling data. Weight-averaged gridding method was used for horizontal interpolation

断面2与岸线平行, 位于离岸约40km处。根据盐度断面分布(图7d～7f)可知, 4月珠江冲淡水的扩散范围大部分未超出断面2, 在112°—113°E之间存在冲淡水溢出断面2, 该处盐度较高约为25‰。向西的冲淡水在5月很强盛, 在东北风作用下, 冲淡水离岸扩散, 因此在断面2的海水上层覆盖着一层厚厚的冲淡水, 从114°E延伸至112°30′E, 距离约为150km。6月冲淡水在河口的东西方向都有扩散, 且盐度较高, 冲淡水向东扩散约50km后厚度迅速变小, 形成一层薄薄的羽状流。由温度断面分布(图7a～7c)可知, 整个断面中水体温度在4月都比较均匀, 水温均低于24℃。到5月时海水表层温度开始增大, 表底温差不断加剧, 水柱中最高温度约为28℃, 最低温度约为22℃。整个断面表层在6月都覆盖着温度大于30℃的暖水, 出现了显著的海水层化现象。

图7 2016年4、5、6月珠江口断面2的温度(a～c)、盐度(d～f)、叶绿素质量浓度(g～i)、溶解氧(j～l)以及浊度(m～o)分布a, d, g, j, m为2016年4月; b, e, h, k, n为2016年5月; c, f, i, l, o为2016年6月。图中黑色圆点为CTD采样数据, 采用了ODV的加权平均插值法Fig. 7 Vertical distributions of temperature (a～c), salinity (d～f), fluorescence (g～i), oxygen (j～l), and turbidity (m～o) in section 1 during our investigation period of April — June 2016. Section 2 was parallel to the coast. The black dots are CTD sampling data. Weight-averaged gridding method was used for horizontal interpolation

2.3 环境因子的分布特征及时空变化

在珠江口4—6月期间, 叶绿素质量浓度和溶解氧的表层分布(图5g～5l)均与冲淡水扩散范围较为相似, 冲淡水流经的地方常常伴随着较高的叶绿素质量浓度和溶解氧。叶绿素质量浓度在4—5月主要分布在粤西冲淡水流经的区域, 6月在河口附近的锋面外侧出现较高浓度的叶绿素和溶解氧, 同时在羽状流流经的粤东外海大片海域叶绿素质量浓度和溶解氧也比较高, 然而6月在河口内径流较强的区域叶绿素质量浓度却非常低。根据浊度分布可知(图5m～5o), 浊度与盐度具有很强的负相关关系, 盐度越低, 浊度值越大。在盐度较低的河口, 非常高的浊度值影响了浮游植物的光合作用, 导致初级生产力非常低。

垂向上, 浊度分布与径流携带的悬沙具有很强的相关性。断面1中(图6m～6o), 表层浊度5月最低,4月次之, 6月浊度值最高, 且扩散范围最远, 可达距离断面起点约130km。叶绿素的分布主要受光照和营养盐的影响, 分布在河口外冲淡水流经且浊度较小海域。溶解氧在4月有高值(>6mg·L–1)。在5月河口附近的海岸过渡带底部, 开始出现了低于3mg·L–1的溶解氧低值区, 其他区域的溶解氧仍较高(>6mg·L–1)。在6月时水柱中的溶解氧存在明显的下降, 水柱中大部分溶解氧约为5mg·L–1, 只有在叶绿素质量浓度较大的区域, 溶解氧大于6mg·L–1(图6j～6l)。在过渡带海域底部, 低氧区(溶解氧<2mg·L–1)面积出现了进一步扩大, 且低氧的程度也在加剧, 同时还伴随着比较高的浊度值。断面2由于距离河口较远, 表层浊度值都比较低, 浮游植物生长主要受营养盐控制, 分布在冲淡水流经的海域(图7g～7i, 7m～7o)。溶解氧在离岸较远的外海也存在逐渐减少的现象, 且低氧区内都伴随着比较高的浊度值(图7j～7l)。

3 讨论

3.1 动力过程对冲淡水扩散路径的影响

珠江冲淡水的扩散路径受到多种动力过程的影响。数值模拟结果显示珠江冲淡水的扩散路径取决于风场、海表高度和径流(薛惠洁 等, 2001)。多年现场调查结果显示风场与径流能显著影响冲淡水的扩散形态及范围(Wong et al, 2003; Ou et al, 2009;Luo et al, 2012)。其中径流大小能显著影响冲淡水的扩散面积, 而风场主要控制冲淡水扩散形态。东风和东南风能驱动冲淡水向西沿岸扩展, 在强劲的西南风的吹拂下, 冲淡水会向东离岸输运, 而当海面上盛行南风时, 会有利于冲淡水向东西两个方向扩展。南海北部陆架区是弱潮区域, 潮流能限制冲淡水向海扩展, 增强冲淡水和海水之间的混合作用,但潮流的净输运量很小, 因此对河口外冲淡水的扩散路径影响不大(Ou et al, 2009; Luo et al, 2012)。现场观测结果表明, 径流主要影响冲淡水的盐度, 径流越强, 冲淡水盐度越低。冲淡水扩散面积, 受到径流和风场共同作用。一般来说径流越强, 冲淡水扩散面积越大, 但不同方向的季风影响冲淡水沿岸或离岸扩散, 对冲淡水扩散面积也存在显著影响。粤东沿岸在4月由于受到了较强的东北风, 依据Ekman漂流理论(叶安乐 等, 1992), 表层流场表现为强劲的西向流。与此同时, 在粤西外海的东南风作用下, 冲淡水向西沿岸扩展。5月在现场调查期间海表风场为强劲的东北风, 会驱动冲淡水以向西离岸扩散, 增大冲淡水的扩散面积。6月径流在春季季风转换期达到最大, 在南风的驱动下, 冲淡水向东西两个方向扩展, 向东离岸扩散的冲淡水形成了大面积的羽状流。

3.2 环境因子对冲淡水的响应及相互作用

巨量径流携带大量泥沙、颗粒有机物和丰富的营养盐进入珠江口(Huang et al, 2003; Cai et al,2004), 在河口内形成盐度很低的珠江河口水, 尽管这里营养盐极其丰富, 但由于悬沙导致的浊度值太高, 浮游植物生长受到光的限制, 叶绿素质量浓度极低。在河口外, 盐度和浊度发生剧烈变化, 形成一个以盐度和浊度为特征的锋面。在锋面边缘光照适宜, 径流携带的丰富的陆源营养盐, 促进了浮游植物快速生长繁殖, 形成了浮游植物藻华, 因此叶绿素质量浓度和溶解氧非常高(Gao et al, 2020)。

珠江河口锋区底部低氧区的形成是物理-生物-生物地球化学过程共同作用产生的结果。珠江口在入夏时, 刚刚经历了水体混合较强的冬春季节, 所以4月整个水柱中溶解氧都比较高, 垂向上水体混合比较均匀, 温度相差不大。随着进入海水中的净热通量逐渐增加, 上层海水被不断加热, 但下层海水的温度依旧维持在较低的水平。最终在6月时, 海水水体中表底温差达到10℃以上, 有利于增强海水的层化作用。但在珠江河口, 密度变化主要受淡水控制。在冲淡水影响的海域, 海水密度变化受到盐度变化控制, 随着径流增强, 冲淡水盐度降低, 表层海水密度显著低于海水中下层, 形成了强烈水体分层, 阻碍了上层丰富的溶解氧向下传递(罗琳 等,2008; Liu et al, 2020)。在断面1中, 河口附近的冲淡水具有很高的浊度, 携带了大量陆源颗粒有机物。在河口附近锋面的锋区外侧, 浮游植物死亡和浮游动物排泄的过程中也会产生大量的颗粒有机物。这些颗粒有机物在向下沉降过程中, 在锋面附近淡水驱动力离岸重力流和风驱动的东北陆架流形成的气旋式环流引起的辐合会形成稳定的水柱, 使其在水柱中的停留时间更长, 并不断消耗海水中的氧气(Lu et al, 2018; Li et al, 2020)。沉降到海水底部的颗粒有机物, 在生物分解再矿化的过程中依然能持续消耗底层水体中的氧气, 显著提高底泥的耗氧通量,最终在锋区底部形成了低氧区。

Rabouille等(2008)比较了长江、密西西比河、珠江和罗纳河这4条河流控制的近岸低氧区的主要物理生物过程, 分析了造成低氧的主要原因。这4条河流河水的营养盐浓度是非常相似的, 且密西西比河、长江和珠江的春夏初级生产力在河口及附近陆架区都非常高。然而珠江口底层水的停留时间更短, 且河口深度较浅(5～20m)有利于风和潮汐引起的混合, 减弱夏季海水层化, 因此珠江河口及其陆架区很少出现低氧现象, 受低氧的影响最小。近三十年来, 珠江三角洲地区工农业快速发展, 人类生活生产所产生的大量废水、污水携带大量的氮、磷等营养物质和有机质是造成珠江底层水体缺氧事件发生频率、持续时间和影响范围不断扩大的主要原因(叶丰, 2011)。珠江河口有机质沉降速率比近海陆架区高出一个数量级且呈现逐年增加的趋势(贾国东 等, 2002; Hu et al, 2008)。叶丰(2011)在2010年8月利用现场生物化学耗氧过程培养实验发现珠江口沉积物耗氧速率较1999年增加了7～20倍。Zhang等(2009)的三维水质模型结果显示珠江口夏季表层沉积物耗氧占总耗氧量的68.9%～86.2%。珠江河口的浅海地形有利于有机质沉降到海水底部, 使沉积物耗氧成为底层水体溶解氧消耗的主要因素(Yin et al, 2004; Zhang et al, 2010)。

在底层水体中, 当水体需氧量大于周围水体对其的供氧量时, 水体中的溶解氧会不断减少, 可能形成低氧区。由前面的结论可知生物过程对有机质的分解作用是水体耗氧的主要原因, 而物理过程中垂向混合强度决定了溶解氧的垂向扩散通量(Simpson et al, 1991)。现场观测结果显示, 在这3个月中, 水柱中下层溶解氧含量在持续减少, 说明生物过程耗氧量远大于垂向混合作用对底层水体溶解氧的贡献。与4月相比, 5月径流较弱, 表层冲淡水的盐度较高, 同时风速较大的东北风作用在海水表层, 有利于增强水体混合作用, 此时上层海水的层化作用很弱。但是观测结果显示, 5月部分海水底部开始出现了低氧区,由此可见在珠江河口, 夏季物理过程为水柱中输送的溶解氧不足以支持沉积物中有机质持续的分解和消耗, 浮游植物生长和死亡产生的大量有机物对溶解氧的损失是底层低氧区形成的主要原因。

4 结论

4—6月珠江口海表风场由风向多变的过渡型风场逐渐转变为夏季风场。冲淡水在风场和径流的作用下表现出不同的扩散形态和扩散范围。受径流携带的悬沙的影响, 冲淡水盐度越低, 浊度越大。在光照适宜, 营养丰富的在冲淡水流经的海域浮游植物旺盛生长, 具有较高的叶绿素质量浓度和溶解氧。垂向上, 随着海水层化增强, 表层光合作用产生的大量氧气向下传递减弱, 同时稳定的水柱使颗粒有机物停留时间增加, 沉降到海水底部的有机质通过生物过程持续分解消耗了水体中的氧气存量, 最终河口锋区底部形成了低氧区。