• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

渤、黄海在低氧形成期与消亡期生源要素的分布差异及响应特征

王丽芳 翟惟东 黄晓 黄韬 王德利

引用本文:
Citation:

渤、黄海在低氧形成期与消亡期生源要素的分布差异及响应特征

    作者简介: 王丽芳(1976-),女,浙江东阳人,工程师,主要研究方向为海洋化学,E-mail:lifang@xmu.edu.cn;
  • 基金项目: 国家海洋局海洋环境评价方法研究项目(DOMEP-MEA-01-10);海洋公益性行业科研专项(201505003)
  • 中图分类号: P734.4

Dynamics of biogenic elements before and after oxygen depletion in Yellow and Bohai Seas

  • 摘要: 近年来,渤、黄海海域呈现溶解氧浓度降低并导致季节性低氧的特征,对海洋生态环境形成潜在危害。在此背景下,本文基于2011年6月(低氧形成期)和2011年11-12月初(低氧消亡期)在渤、黄海的观测数据,通过分析水体表观耗氧量(AOU)、pH、溶解无机碳(DIC)及营养盐之间的相关关系,探讨了生源要素在低氧形成期与消亡期的变化特征及主要控制机制。结果表明,生物的光合作用与有机物的降解过程是调控低氧事件前后渤海生源要素变化的主要因素之一,而黄海底层水体有机物的降解过程是调控水体溶解氧浓度及营养盐浓度变化的主要原因之一。
  • 图 1  渤、黄海2011年6月(a)、11月(b)采样站位(红色的虚线表渤海与黄海的分界线)

    Figure 1.  Locations of sampling stations in Yellow Sea and Bohai Sea in June (a) and November (b) during 2011

    图 2  渤、黄海2011年6月、11月温度(℃)、盐度、营养盐(μmol/L)及溶解氧(mg/L)平面分布

    Figure 2.  Horizontal distributions of temperature(℃), salinity, nutrient(μmol/L) and DO(mg/L) in Yellow and Bohai Seas in June and November

    图 3  渤、黄海2011年6月、11月DIC(μmol/L)和pHNBS(25 ℃)平面分布

    Figure 3.  Horizontal distributions of DIC(μmol/L) and pHNBS(25 ℃) in Yellow and Bohai Seas in June and November

    图 4  渤、黄海2011年6月、11月NO3、PO43−与AOU、DIC、pHNBS(25 ℃)的关系

    Figure 4.  Relationships between AOU, DIC, pHNBS(25 ℃), NO3 and PO43− in June and November in Yellow Sea and Bohai Sea

    表 1  2011年6月、11月渤、黄海研究区域温度、盐度以及生源要素的平均浓度

    Table 1.  Temperature, salinity and biogenic elements concentrations in the Bohai and Yellow Seas during June and November 2011

    海区时段层次平均值±S.D.
    T/℃SDO/
    mg·L
    NO3/
    μmol·L
    NO2/
    μmol·L
    NH4+/
    μmol·L
    DIN/
    μmol·L
    PO43−/
    μmol·L
    Si(OH)4/
    μmol·L
    渤海 6月 表层 18.3±1.9 31.0±0.4 8.7±0.8 4.1±6.2 0.2±0.1 0.5±0.6a 4.8±6.7b <0.1 4.2±2.3
    中层 16.6±2.9 31.2±0.4 8.5±0.7 3.4±5.3 0.2±0.1 0.9±0.8 4.5±5.6c <0.1 4.8±3.0
    底层 15.4±3.3 31.2±0.4 8.2±0.8 4.1±5.6 0.2±0.1 1.6±0.8 5.9±5.7 <0.1 5.5±3.4
    平均 17.3±2.5 31.1±0.4 8.5±0.7 4.1±6.0 0.2±0.1 0.8±0.5 5.0±6.4d <0.1 4.5±2.8
    11月 表层 12.1±0.9 30.8±0.7 8.7±0.3 10.7±8.4 1.3±1.2 0.5±0.1 7.1±3.9
    中层 12.1±0.9 30.8±0.6 8.6±0.3 9.9±6.0 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.4
    底层 12.1±0.9 30.8±0.5 8.7±0.3 9.8±5.5 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.3
    平均 12.1±0.9 30.8±0.6 8.7±0.4 10.1±6.6 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.5
    黄海 6月 表层 18.0±1.8 31.6±0.6 8.6±0.7 2.1±4.3e 0.2±0.5f 0.2±0.5g 2.6±4.8h 0.0±0.1i 4.3±4.1
    中层 13.0±3.6 31.9±0.5 9.2±1.1 2.4±3.4j 0.3±0.5k 0.4±0.7l 3.0±4.0m 0.1±0.1o 5.0±4.1
    底层 10.5±4.5 32.2±0.7 8.3±1.0 6.7±5.2 0.3±0.5p 0.8±1.1q 7.3±4.8 0.4±0.3 8.7±4.6
    平均 13.4±3.1 31.9±0.6 8.7±0.8 3.7±4.0r 0.3±0.5s 0.5±0.7u 4.4±4.2 0.2±0.1 5.9±3.6
    11月 表层 13.8±1.3 31.3±0.4 8.4±0.2 4.4±3.0 0.6±0.4 0.3±0.2 7.2±2.5
    中层 13.8±1.4 31.3±0.4 8.2±0.3 4.5±3.0 0.5±0.4 0.3±0.2 7.4±2.5
    底层 11.4±2.9 31.7±0.7 7.1±1.2 9.2±3.7 0.3±0.4w 0.7±0.3 11.6±4.1
    平均 13.4±1.4 31.4±0.4 8.1±0.3 5.1±2.6 0.5±0.4 0.4±0.2 7.9±2.3
    注:“-”表该季节没有氨氮的数据;右上角有字母时,表示该参数的S.D值大于其前面对应的平均值,其对应的浓度变化范围(μmol/L)如下:a: 0.0~1.6 μmol/L; b: 0.4~24.4 μmol/L; c: 0.6~23.5 μmol/L; d: 0.4~23.8 μmol/L; e: 0.0~22.0 μmol/L; f: 0.0~2.2 μmol/L; g: 0.0~2.9 μmol/L; h: 0.0~22.3 μmol/L; i: 0.0~0.2 μmol/L; j: 0.0~13.5 μmol/L; k: 0.0~2.3 μmol/L; l: 0.0~3.0 μmol/L; m: 0.0~15.8 μmol/L; o: 0.0~0.4 μmol/L; p: 0.0~2.4 μmol/L; q: 0.0~4.1 μmol/L; r: 0.0~22.1 μmol/L; s: 0.0~2.3 μmol/L; u: 0.0~2.8 μmol/L; w: 0.0~2.3 μmol/L
    下载: 导出CSV
  • [1] VAQUER-SUNYER R, DUARTE C M. Thresholds of hypoxia for marine biodiversity[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(40): 15452-15457. doi: 10.1073/pnas.0803833105
    [2] WALLACE R B, BAUMANN H, GREAR J S, et al. Coastal ocean acidification: the other eutrophication problem[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2014, 148: 1-13. doi: 10.1016/j.ecss.2014.05.027
    [3] 翟惟东, 赵化德, 郑 楠, 等. 2011年夏季渤海西北部、北部近岸海域的底层耗氧与酸化[J]. 科学通报, 2012, 57(9): 753-758.
    [4] ZHAI W D, ZHAO H D, SU J L, et al. Emergence of summertime hypoxia and concurrent carbonate mineral suppression in the central Bohai Sea, China[J]. Journal of Geophysical Research:Biogeosciences, 2019, 124(9): 2768-2785. doi: 10.1029/2019JG005120
    [5] 张 华, 李艳芳, 唐 诚, 等. 渤海底层低氧区的空间特征与形成机制[J]. 科学通报, 2016, 61(14): 1612-1620.
    [6] ZHAI W D, ZHENG N, HUO C, et al. Subsurface pH and carbonate saturation state of aragonite on the Chinese side of the North Yellow Sea: seasonal variations and controls[J]. Biogeosciences, 2014, 11(4): 1103-1123. doi: 10.5194/bg-11-1103-2014
    [7] ZHAI W D. Exploring seasonal acidification in the Yellow Sea[J]. Science China Earth Sciences, 2018, 61(6): 647-658. doi: 10.1007/s11430-017-9151-4
    [8] 石 强. 南黄海夏季低氧、贫氧长期时空演变与机制[J]. 应用海洋学学报, 2020, 39(1): 87-99.
    [9] 韦钦胜, 刘 璐, 战 闰, 等. 夏季南黄海海水化学要素的分布特征及影响因素[J]. 中国海洋大学学报, 2010, 40(1): 82-88.
    [10] WANG X L, CUI Z G, GUO Q, et al. Distribution of nutrients and eutrophication assessment in the Bohai Sea of China[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2009, 27(1): 177-183. doi: 10.1007/s00343-009-0177-x
    [11] ZHANG J, YU Z G, RAABE T, et al. Dynamics of inorganic nutrient species in the Bohai seawaters[J]. Journal of Marine Systems, 2004, 11(3/4): 189-212.
    [12] ZHENG L W, ZHAI W D. Excess nitrogen in the Bohai and Yellow seas, China: Distribution, trends, and source apportionment. Science of The Total Environment, 2021, 794: 148702.
    [13] ZHAI W D, DAI M H, GUO X H. Carbonate system and CO2 degassing fluxes in the inner estuary of Changjiang (Yangtze) River, China[J]. Marine Chemistry, 2007, 107(3): 342-356. doi: 10.1016/j.marchem.2007.02.011
    [14] 洪华生. 中国区域海洋学-化学海洋学[M]. 北京: 海洋出版社, 2012: 103–104.
    [15] 王保栋, 战 闰, 藏家业. 长江口及其邻近海域营养盐的分布特征和输送途径[J]. 海洋学报, 2002, 24(1): 53-58.
    [16] 崔 毅, 陈碧鹃, 陈聚法. 黄渤海海水养殖自身污染的评估[J]. 应用生态学报, 2005, 16(1): 180-185. doi: 10.3321/j.issn:1001-9332.2005.01.037
    [17] 赵晨英, 臧家业, 刘 军, 等. 黄渤海氮磷营养盐的分布、收支与生态环境效应[J]. 中国环境科学, 2016, 36(7): 2115-2127. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2016.07.032
    [18] 郭兴森, 吕迎春, 孙志高, 等. 黄河口溶解无机碳时空分布特征及影响因素研究[J]. 环境科学, 2015, 36(2): 457-463.
    [19] 李 冕, 兰冬东, 梁 斌, 等. 渤海无机氮水质稳定性预测[J]. 海洋环境科学, 2015, 34(2): 161-165.
    [20] 田洪阵, 刘沁萍, GOES J I, 等. 近20年渤海叶绿素a浓度时空变化[J]. 海洋学报, 2019, 41(8): 131-140.
    [21] LIU S M, LI L W, ZHANG Z N. Inventory of nutrients in the Bohai[J]. Continental Shelf Research, 2011, 31(16): 1790-1797. doi: 10.1016/j.csr.2011.08.004
    [22] PARK S, CHU P C, LEE J H. Interannual-to-interdecadal variability of the Yellow Sea cold water mass in 1967−2008: characteristics and seasonal forcings[J]. Journal of Marine Systems, 2011, 87(3/4): 177-193.
    [23] 张海波, 刘 珂, 苏荣国, 等. 2018年南黄海浒苔绿潮迁移发展规律与营养盐相互关系探究[J]. 海洋学报, 2020, 42(8): 30-39.
  • [1] 徐冠球谭晓璇屠建波石海明何荣刘洋 . 天津大神堂牡蛎礁保护区海域海水水质变化趋势分析与评价. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 554-562. doi: 10.12111/j.mes2021-x-0051
    [2] 刘梦梦张永崔全刚 . 渤海和北黄海 CDOM 的来源、时空分布及其调控机制. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 572-578. doi: 10.12111/j.mes2021-x-0027
    [3] 于兵刘子洲翟方国顾艳镇吴文凡 . 2020年夏季威海瑜泰海洋牧场底层海水溶解氧的日变化研究. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 563-571. doi: 10.12111/j.mes.2021-x-0070
    [4] 张子玥杨薇孙涛舒安平冯剑丰刘海飞 . 觉华岛海域人工鱼礁生态系统能量传递与功能研究. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 636-643. doi: 10.12111/j.mes.20210013
    [5] 陈作艺张甲波王刚刘会欣王建艳 . 2019年秦皇岛海域海洋卡盾藻赤潮与理化因子关系研究. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 595-602. doi: 10.12111/j.mes.2021-x-0017
    [6] 王金鹏王春娟刘大海 . 国际海底区域矿产资源开发环境管理规则制定与应对. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 610-618, 627. doi: 10.12111/j.mes.2021-x-0157
    [7] 王心哲谭琳琳范剑超 . 2010-2020年马来西亚马登红树林遥感监测与景观格局变化分析. 海洋环境科学, 2022, 41(4): 603-609. doi: 10.12111/j.mes.2021-x-0039
  • 加载中
图(4)表(1)
计量
  • 文章访问数:  300
  • HTML全文浏览量:  172
  • PDF下载量:  13
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-26
  • 录用日期:  2021-11-25
  • 刊出日期:  2022-06-20

渤、黄海在低氧形成期与消亡期生源要素的分布差异及响应特征

    作者简介:王丽芳(1976-),女,浙江东阳人,工程师,主要研究方向为海洋化学,E-mail:lifang@xmu.edu.cn
  • 1. 厦门大学 近海海洋环境科学国家重点实验室, 福建 厦门 361005
  • 2. 山东大学 海洋研究院, 山东 青岛 266237
基金项目: 国家海洋局海洋环境评价方法研究项目(DOMEP-MEA-01-10);海洋公益性行业科研专项(201505003)

摘要: 近年来,渤、黄海海域呈现溶解氧浓度降低并导致季节性低氧的特征,对海洋生态环境形成潜在危害。在此背景下,本文基于2011年6月(低氧形成期)和2011年11-12月初(低氧消亡期)在渤、黄海的观测数据,通过分析水体表观耗氧量(AOU)、pH、溶解无机碳(DIC)及营养盐之间的相关关系,探讨了生源要素在低氧形成期与消亡期的变化特征及主要控制机制。结果表明,生物的光合作用与有机物的降解过程是调控低氧事件前后渤海生源要素变化的主要因素之一,而黄海底层水体有机物的降解过程是调控水体溶解氧浓度及营养盐浓度变化的主要原因之一。

English Abstract

  • 近些年,近海海域富营养化程度不断加剧,赤潮频发,有机物在矿化分解时不仅消耗了水体中大量的溶解氧,同时也释放CO2。当水体中的溶解氧(DO)浓度小于4.0 mg/L时,水体将处于低氧状态;当水体中DO浓度小于2.0 mg/L时,海洋大部分水生物将面临死亡,同时水体过多的CO2积累将导致另一显著的环境问题,即“海洋酸化”[1-2]。渤海和黄海作为中国典型的半封闭型内海和重要的陆架浅海,生态环境状况受人类活动影响显著,面临着“底层低氧”和“海洋酸化”的生态环境问题。例如,渤海西北部、北部近岸水域,自2011年夏季首次被观测到底层水出现低氧与酸化现象后[3],其中部区域的溶解氧呈波动下降与酸化的趋势[4],到2014年,渤海DO浓度小于3 mg/L的低氧区总面积已达4.2×103 km2[5]。黄海冷水团的夏、秋季耗氧酸化现象同样也十分突出[6-7],存在年代际脱氧的趋势[8]

    在渤、黄海水体的脱氧和酸化现象日趋严峻的前提下,其生源要素如何变迁成为学术界的研究重点。目前,对渤、黄海生源要素的研究主要聚焦于季节性的浓度变化规律、来源分析及受控机理解析[9-12],鲜有研究对该区域低氧事件发生前后生源要素的特征差异进行系统性比较,也缺乏该区域生源要素对低氧、酸化过程响应机理的探讨。前人研究结果显示,渤、黄海低氧形成期集中在8月[3,6-7,9]。例如,渤海在2011年8月DO最低值为3~4 mg/L,南黄海靠近长江口32°N以北海域在2006年8月DO最低值为1.36 mg/L[9]。因此,本研究选择分别代表低氧形成期与低氧消亡期的2011年6月与11月的调查资料,一方面,分析生源要素在两个不同时期的分布特征与差异,探讨其对浮游生物光合作用过程与有机质耗氧过程的响应,另一方面,丰富、补充和完善该海域海水生源要素数据库。

    • 本研究于 2011年6月13日-28日(低氧形成期)和2011年11月21日-12月6日(低氧消亡期),搭载“东方红2号”海洋科学考察船,在渤、黄海(32°N-40°N,118°N-125°N)进行了现场调查,站位布设如图1所示。部分数据引自文献[4, 6,12]

      图  1  渤、黄海2011年6月(a)、11月(b)采样站位(红色的虚线表渤海与黄海的分界线)

      Figure 1.  Locations of sampling stations in Yellow Sea and Bohai Sea in June (a) and November (b) during 2011

    • 利用美国seabird公司出品的SBE 911-plus CTD仪测定温度、盐度和深度,并用12 L Niskin采水器采集各层海水样品进行营养盐、DO、溶解无机碳(DIC)、pH的分析,采样层位根据水深与温盐跃层的位置设置为表、中、底3层或4层。营养盐水样在现场经0.45 μm的醋酸纤维膜过滤后,取一份滤液按2‰比例加入氯仿后于4 ℃冷藏,用于硅酸盐[Si(OH)4]测定,其他置于−20 ℃冷冻保存。样品带回实验室后采用连续流动分析仪(Bran-Luebbe AA3)测定硝酸盐(NO3)、亚硝酸盐(NO2)、磷酸盐(PO43−)和Si(OH)4的浓度,氨盐(NH4+)用靛酚蓝分光光度法手工测定,NO3、NO2、NH4+、PO43−、Si(OH)4的测定下限分别为0.10 μmol/L、0.04 μmol/L、0.20 μmol/L、0.08 μmol/L、0.16 μmol/L。

      溶解氧水样的分取、固定和滴定都按照经典的Winkler流程进行,并在固定剂中加入适量NaN3以排除水中NO2的干扰,DO测定的不确定度在0.5%以下。

      表观耗氧量(AOU)定义为饱和氧浓度理论值与实测氧浓度的差值,计算公式如下:

      式中:DO′为在现场的水温和盐度条件下,饱和的溶解氧浓度理论值(mg/L);DO为现场实测溶解氧浓度(mg/L)。后续为了方便与营养盐相关关系的讨论,AOU浓度单位全部转为μmol/L。

      DIC与pH的水样采集与样品测定方法参照文献[13]。

    • 在渤海,6月,表层海水的平均温度和盐度分别为(18.3±1.9)℃和(31.0±0.4)。靠近莱州湾及滦河一带,受近岸冲淡水的影响显著,表层呈现高温、低盐的舌状分布特征(表1图2a图2b图2e图2f),底层除中部区域出现一个高温核心区外,其余与表层分布基本类似。6月,渤海水体层化明显,温、盐的空间梯度变化明显。11月,表层的平均温度和盐度分别为(12.1±0.9)℃和(30.8±0.7),近岸呈现低温、低盐特征(表1图2c图2d图2g图2h),其他区域分布比较均匀。随着秋、冬季河流的径流量降低及水体的混合作用加强,滦河周围的舌状分布特征消失,表、底层温、盐接近,分布特征基本一致。

      海区时段层次平均值±S.D.
      T/℃SDO/
      mg·L
      NO3/
      μmol·L
      NO2/
      μmol·L
      NH4+/
      μmol·L
      DIN/
      μmol·L
      PO43−/
      μmol·L
      Si(OH)4/
      μmol·L
      渤海 6月 表层 18.3±1.9 31.0±0.4 8.7±0.8 4.1±6.2 0.2±0.1 0.5±0.6a 4.8±6.7b <0.1 4.2±2.3
      中层 16.6±2.9 31.2±0.4 8.5±0.7 3.4±5.3 0.2±0.1 0.9±0.8 4.5±5.6c <0.1 4.8±3.0
      底层 15.4±3.3 31.2±0.4 8.2±0.8 4.1±5.6 0.2±0.1 1.6±0.8 5.9±5.7 <0.1 5.5±3.4
      平均 17.3±2.5 31.1±0.4 8.5±0.7 4.1±6.0 0.2±0.1 0.8±0.5 5.0±6.4d <0.1 4.5±2.8
      11月 表层 12.1±0.9 30.8±0.7 8.7±0.3 10.7±8.4 1.3±1.2 0.5±0.1 7.1±3.9
      中层 12.1±0.9 30.8±0.6 8.6±0.3 9.9±6.0 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.4
      底层 12.1±0.9 30.8±0.5 8.7±0.3 9.8±5.5 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.3
      平均 12.1±0.9 30.8±0.6 8.7±0.4 10.1±6.6 1.2±1.2 0.5±0.1 6.9±3.5
      黄海 6月 表层 18.0±1.8 31.6±0.6 8.6±0.7 2.1±4.3e 0.2±0.5f 0.2±0.5g 2.6±4.8h 0.0±0.1i 4.3±4.1
      中层 13.0±3.6 31.9±0.5 9.2±1.1 2.4±3.4j 0.3±0.5k 0.4±0.7l 3.0±4.0m 0.1±0.1o 5.0±4.1
      底层 10.5±4.5 32.2±0.7 8.3±1.0 6.7±5.2 0.3±0.5p 0.8±1.1q 7.3±4.8 0.4±0.3 8.7±4.6
      平均 13.4±3.1 31.9±0.6 8.7±0.8 3.7±4.0r 0.3±0.5s 0.5±0.7u 4.4±4.2 0.2±0.1 5.9±3.6
      11月 表层 13.8±1.3 31.3±0.4 8.4±0.2 4.4±3.0 0.6±0.4 0.3±0.2 7.2±2.5
      中层 13.8±1.4 31.3±0.4 8.2±0.3 4.5±3.0 0.5±0.4 0.3±0.2 7.4±2.5
      底层 11.4±2.9 31.7±0.7 7.1±1.2 9.2±3.7 0.3±0.4w 0.7±0.3 11.6±4.1
      平均 13.4±1.4 31.4±0.4 8.1±0.3 5.1±2.6 0.5±0.4 0.4±0.2 7.9±2.3
      注:“-”表该季节没有氨氮的数据;右上角有字母时,表示该参数的S.D值大于其前面对应的平均值,其对应的浓度变化范围(μmol/L)如下:a: 0.0~1.6 μmol/L; b: 0.4~24.4 μmol/L; c: 0.6~23.5 μmol/L; d: 0.4~23.8 μmol/L; e: 0.0~22.0 μmol/L; f: 0.0~2.2 μmol/L; g: 0.0~2.9 μmol/L; h: 0.0~22.3 μmol/L; i: 0.0~0.2 μmol/L; j: 0.0~13.5 μmol/L; k: 0.0~2.3 μmol/L; l: 0.0~3.0 μmol/L; m: 0.0~15.8 μmol/L; o: 0.0~0.4 μmol/L; p: 0.0~2.4 μmol/L; q: 0.0~4.1 μmol/L; r: 0.0~22.1 μmol/L; s: 0.0~2.3 μmol/L; u: 0.0~2.8 μmol/L; w: 0.0~2.3 μmol/L

      表 1  2011年6月、11月渤、黄海研究区域温度、盐度以及生源要素的平均浓度

      Table 1.  Temperature, salinity and biogenic elements concentrations in the Bohai and Yellow Seas during June and November 2011

      图  2  渤、黄海2011年6月、11月温度(℃)、盐度、营养盐(μmol/L)及溶解氧(mg/L)平面分布

      Figure 2.  Horizontal distributions of temperature(℃), salinity, nutrient(μmol/L) and DO(mg/L) in Yellow and Bohai Seas in June and November

      在黄海的中北部,6月,表层温、盐整体呈现近岸低温、低盐而远岸高温、高盐的典型特征。靠近辽南沿岸以南区域的底层存在一个低温核心区(为黄海冷水团),水温不超过8.0 ℃。从烟台到成山角,再至青岛一带存在沿岸低温带(图2a),这是在斜坡地形和强烈的潮流混合作用下,在冷水团的边界产生深层低温海水涌升的结果[14]。在黄海南部,受长江冲淡水和苏北沿岸流的影响,近岸区域表、底层都存在两个显著的向东北方向扩展的高温、低盐水舌,其外围底层主要受控于冷水团,9.0 ℃等温线占据了南黄海大部分海域(图2b)。6月,黄海大部分区域水体层化明显,表、底层温度差异明显。11月,黄海的表层温度开始降低,底层整个冷水团被进一步压缩,其影响范围已明显小于6月(图2d图2h)。黄海的盐度整体上呈现由近岸向外海逐渐递减的分布趋势。11月,黄海大部分区域水体垂直混合均匀,受冷水团的影响,黄海底层冷水团盘踞的区域存在层化现象。

    • 2011年夏季(8月),渤海西北部、北部近岸水域被观测到存在低氧现象(3~4 mg/L)[3] ,南黄海在其他年份的8月也被观测到DO浓度小于3.6 mg/L的低氧现象[8-9]。而在本研究中,6月、11月渤海观测到DO的最低值分别为7.1 mg/L和8.4 mg/L,黄海分别为5.8 mg/L和4.5 mg/L,因此,本文将6月作为渤、黄海低氧逐渐发展、形成的低氧形成期,8月作为低氧期(DO<4 mg/L),而11月作为低氧消亡期。根据本次调查结果,渤、黄海在低氧形成期(6月)和消亡期(11月)的DO分布主要特征如下。

      在低氧形成期(6月),渤海全水柱和底层DO的平均浓度分别为(8.5±0.7)mg/L和(8.2±0.8) mg/L(表1)。表、底层DO分布趋势一致,靠近莱州湾一带DO呈水舌状往外递增的趋势;滦河一带DO呈水舌状递减趋势(图2i图2j)。在低氧消亡期(11月),渤海表、底层的DO平均浓度接近,为(8.7±0.3)mg/L,DO高值区出现在莱州湾一带(图2k图2l)。

      在低氧形成期(6月),黄海全水柱和底层DO的平均浓度分别为(8.7±0.8)mg/L和(8.3±1.0) mg/L。黄海中北部靠辽南沿岸一带表层DO浓度明显高于中心地带,整个底层均存在DO的高值区(>10.0 mg/L),其值明显高于表层。靠近成山角到青岛一带表层存在向外递减的DO高值区,其形状特征与图2a中的沿岸低温带分布特征类同,可能是由底层高DO海水涌升造成的。黄海南部区域DO整体浓度要比中北部低,靠近长江口区域表、底层DO均呈现水舌状往外递增趋势。在低氧消亡期(11月),黄海全水柱和底层DO的平均浓度分别为(8.1±0.3)mg/L和(7.0±1.2)mg/L。整个黄海表层DO分布相对较均匀,底层受冷水团影响明显,存在一个较大范围的DO浓度低值区 (<6.5 mg/L)。

    • 渤海全水柱NO3平均浓度在低氧形成期(6月)和消亡期(11月)分别为(4.1±6.0)μmol/L和(10.1±6.6)μmol/L(表1)。在低氧形成期(6月),渤海表、底层NO3分布趋势一致,其高值区位于莱州湾黄河口一带,呈水舌状递减趋势,其他区域NO3浓度都不超过3 μmol/L (图2m图2n) 。整个渤海的表层PO43−几乎被耗尽,浓度基本低于0.1 μmol/L (仪器的测定下限,图2q)。Si(OH)4与NO3分布趋势不同,其高值区出现在整个东部区域,最大值达11.0 μmol/L (图2u图2v)。在低氧消亡期(11月),渤海表、底层NO3分布趋势与低氧形成期基本类同,但其所有区域的平均浓度明显高于6月(图2o图2p),渤海PO43−平均浓度也明显高于低氧形成期,达(0.5±0.1)μmol/L。Si(OH)4与NO3分布趋势基本类同(图2w图2x)。

      黄海全水柱NO3平均浓度在低氧形成期(6月)和消亡期(11月)分别为(3.7±3.9)μmol/L和(5.1±2.5)μmol/L。在低氧形成期(6月),黄海中北部大部分海域表层NO3浓度低于1.0 μmol/L。黄海南部区域存在向东北方向伸展的两支高浓度NO3的水舌,在靠近长江口东侧的123.0°E-124.4°E范围内,表、底层NO3浓度也明显较高,可能与长江口的高浓度NO3水体向东北方向伸展有关[15]。黄海底层大范围的NO3的高值区主要位于黄海冷水团盘踞区,其范围与底层冷水9.0 ℃等温线的范围类似。黄海中北部区域与南部大部分区域表层的PO43−几乎被耗尽,浓度基本低于0.1 μmol/L (仪器的测定下限,图2q),而底层PO43−浓度明显升高,同NO3一样,PO43−的高值区位于冷水团盘踞区。受长江口的高浓度Si(OH)4水体向东北方向伸展的影响,黄海南部区域最南端存在显著的Si(OH)4高值区。在低氧消亡期(11月),黄海表层NO3整体上呈现近岸高、远岸低的分布特征,底层NO3的高值区位于冷水团盘踞区域。在低氧消亡期,黄海PO43−平均浓度达(0.4±0.2)μmol/L(表1),明显高于低氧形成期,Si(OH)4与NO3、PO43−的分布趋势基本类同(图2w图2x)。

    • 在低氧形成期(6月),渤海表、底层DIC的高值区均集中于莱州湾黄河口一带,呈水舌状递减趋势(图3a图3b图3e图3f)。在低氧消亡期(11月),渤海DIC浓度整体明显上升,靠近滦河一带也出现DIC高值区(图3c图3d图3g图3h)。pH在低氧形成期与消亡期基本大于8.0。在低氧形成期(6月),黄海表层DIC在近岸区域的浓度明显高于外海区域,底层冷水团盘距区域与靠近苏北沿岸流区域的DIC浓度高于靠长江口一带的区域。而pH表现与DIC相反的分布特征,在低氧消亡期(11月),黄海表层除靠近辽南沿岸以南区域与近岸区域呈现高DIC、低pH分布特征外,其他区域基本呈现低DIC、高pH的分布特征。底层冷水团盘距区域呈现高DIC、低pH的分布特征。

      图  3  渤、黄海2011年6月、11月DIC(μmol/L)和pHNBS(25 ℃)平面分布

      Figure 3.  Horizontal distributions of DIC(μmol/L) and pHNBS(25 ℃) in Yellow and Bohai Seas in June and November

    • 表观耗氧量(AOU)是衡量水体溶解氧消耗的指标,反映了浮游植物光合作用和有机物分解作用及其他耗氧过程的净结果。当AOU<0时,表示溶解氧处于富氧的过饱和状态,以生物的产氧过程如光合作用过程占主导;当AOU>0时,表示溶解氧处于贫氧的氧亏损状态,以生物的耗氧过程如有机物矿化过程占主导;当AOU=0时,表示水体中耗氧量与产氧量处于平衡状态。根据Redfield方程(式2)所示的化学计量比可知,AOU与营养元素之间存在一定的计量关系:

      如果用VC来表示反应物浓度的变化量,溶解氧的变化量则认为是AOU的变化量,CO2的变化量则是DIC的变化量,根据式(2)计量关系,在有机物的矿化过程中,各反应物质存在以下关系:AOU、DIC、营养盐相互间呈正相关关系,与pH呈负相关关系,VC(AOU)VC(HNO3)=8.6∶1、VC(AOU)VC(H3PO4)=138∶1、VC(HNO3)VC(H3PO4)=16 ∶ 1 、VC(DIC)VC(HNO3)=6.6 ∶ 1 、VC(DIC)VC(H3PO4)=106 ∶ 1。光合作用过程各物质间变化的比例关系与有机物矿化过程一样,不同的是前者水体中的pH会升高, DIC、营养盐浓度会降低,AOU为负值。

      根据本次调查数据(图4),渤、黄海上述生源要素存在较好的相关性,他们之间的比例关系在一定程度上可以反映式(2)的计量关系。下面,我们将讨论渤、黄海在低氧形成期与消亡期生源要素分布的相关关系及其主控因素。

      图  4  渤、黄海2011年6月、11月NO3、PO43−与AOU、DIC、pHNBS(25 ℃)的关系

      Figure 4.  Relationships between AOU, DIC, pHNBS(25 ℃), NO3 and PO43− in June and November in Yellow Sea and Bohai Sea

    • 图4a图4d 可知,在低氧形成期,渤海表、中层的AOU基本上<0,同时,其PO43−基本被耗尽,这说明在6月,渤海的水温回升,充足的营养盐支撑浮游植物大量的繁殖和生长,浮游植物光合作用产生的氧远超过有机物降解和呼吸作用消耗的氧。靠近渤海湾、莱州湾、辽东湾的站位底层水都出现了AOU>0 的现象,这可能与河口携带大量耗氧有机物或周边养殖业产生的大量有机碎屑在底层矿化分解而消耗大量的氧有关[3,16],尽管表、中层水体中净生产的氧可以以垂直涡动扩散的方式补充进入底层水体,但由于DO的消耗大于补充,所以,这些站位表现出净耗氧过程。由图4e可知,在低氧形成期,渤海整个水柱的NO3与DIC都呈正相关关系,DIC与HNO3的比值约为14.9,但是两者与盐度没有呈现良好的相关关系(数据未展示),这意味着水团混合在观测的站位没有起主导作用,而二者此处呈正相关关系。推测其原因是,生物的光合作用在吸收氮营养盐的同时也吸收CO2,从而两者呈现良好的相关关系。考虑水体中DIC与NO3的比值显著高于Redfield理论比值(6.6),不排除水体中的DIN可能由于沉积埋藏或水体反硝化作用而被消耗[17],另外,黄河口的DIC含量逐年递增[18],对两者的比例关系产生一定的影响。PO43−由于耗尽,与DIC无显著相关关系(图4b)。渤海NO3与pH未呈现相关关系(图4f),同时,pH变化范围较宽(7.85~8.10)(图4c图4f),这可能与6月渤海浮游植物的光合作用、呼吸作用、有机物的降解、物理的混合等过程共同作用有关。

      在低氧消亡期,渤海表、中、底层的AOU基本上接近0(图4h图4k)。根据上述讨论可知,在低氧形成期,渤海表、中层的AOU都<0 ,最低值可达到−76 μmol/L,而低氧消亡期的AOU基本上接近0,8月AOU则达到最大值[3]。综上所述,从低氧形成期开始,渤海水体中的有机物矿化速率逐步加剧,消耗了更多的氧,把低氧形成期光合作用产生的过剩的DO消耗殆尽,随后,底层海水进入8月的低氧期[3];随着时间的推移,水体层化减弱,混合加强,氧补充回升,在低氧消亡期AOU回落接近0。在低氧消亡期,渤海营养盐与DIC和pH没有表现出明显的相关关系,DIC浓度变化范围虽然较宽(2100~2330 μmol/L)(图4i图4l),但对应的pH变化范围较窄(7.85~8.00)(图4j图4n),pH平均值也低于低氧形成期,说明低氧消亡期有机物矿化对水体酸化的影响超过低氧形成期。

      渤海多年的夏季无机氮观测资料显示,虽然目前渤海中部的水质一直处于良好状态[19],但近20年来渤海的叶绿素a 浓度一直呈现增长趋势[20],可能会造成以有机氮、有机磷形态储存营养盐物质的生源有机物的积累[21]。这些不断积累的生源有机物在秋、冬季矿化,重新释放出无机营养盐,在加剧渤海富营养化的同时,也加剧了渤海底层水体耗氧与酸化。

    • 在低氧形成期,黄海除几个近岸站位以外,其表、中层的AOU基本都<0,这说明在表、中层水体中也是以浮游植物的光合作用产氧占优势。底层大部分站位的AOU>0,除几个近岸站位外,氮、磷营养盐与AOU都呈正相关关系。AOU与PO43−、NO3的比值分别为110.5∶1、8.9∶1 (图4a图4d),与Redfield比值(138∶1,8.6∶1)接近。NO3与PO43−呈正相关关系,两者比值约为12.0(图4g)。在低氧形成期,黄海表、中、底层的营养盐与DIC都没有呈现相关关系,但底层的PO43−与pH呈负相关关系(图4c)。这些参数间的相关关系暗示,在低氧形成期,大部分黄海底层水存在氧消耗,营养盐NO3与PO43−不仅以Redfield比值的关系存在,同时,高浓度的营养盐一般与低pH产生及高DO消耗现象同时存在,意味着有机物的矿化作用对黄海底层水体营养盐的浓度与结构起重要作用。

      在低氧消亡期,同渤海一样,黄海表、中层的AOU基本上接近0,其成因与渤海类同。黄海底层大部分站位的AOU>0,其绝对值高于低氧形成期,黄海底层的AOU与NO3、PO43−之间仍存在明显的正相关关系(图4h图4k),AOU与PO43−、NO3的比值分别为170.9∶1、15.6∶1 (图4h图4k),两者均高于Redfield比值(138.0∶1,8.6∶1)。黄海表、中、底层的NO3与PO43−均存在显著的正相关关系(图4m),两者比值为12.0~14.0,接近Redfield比值(16:1)。黄海表、中、底层的NO3、PO43−均与DIC呈正相关关系,其中,底层水DIC与PO43−、NO3的比值分别为217.9∶1、20.1∶1,同时也与pH呈负相关关系(图4i图4j图4l图4n),特别是底层水尤为显著(R2>0.7)。这些参数间的表观关系表明了黄海底层水化学要素相互之间存在着关联性,同时也意味着在低氧消亡期有机物再矿化的过程可能是这些化学要素关联性的主导因子之一。黄海底层水化学要素之间非Redfield比值变化关系,意味着其他生物化学或物理过程也在一定程度上影响着生源要素之间的结构关系。

    • 根据黄海冷水团的特性[22],本文将调查期间温度<9.0 ℃、盐度>32.0的水体所在区域定为冷水团区,并且认为在低氧形成期与消亡期是相同水体。冷水团底层水NO3在低氧形成期与消亡期的浓度分别为8.3 μmol/L、13.0 μmol/L,变化量VC(HNO3)为4.7 μmol/L。根据Redfield比值VC(HNO3)VC(H3PO4)=16∶1和VC(AOU)VC(HNO3)=8.6∶1可以得到,PO43−和DO的浓度变化量分别为0.3 μmol/L、1.3 mg/L(40.4 μmol/L)。冷水团底层水PO43−和DO在低氧形成期平均值分别为0.6 μmol/L和8.2 mg/L,由此计算得出,在矿化作用影响下,低氧消亡期PO43−和DO的理论值为0.9 μmol/L和6.9 mg/L,这与PO43−和DO的实测浓度1.0 μmol/L和6.1 mg/L接近,在一定程度上佐证了上述黄海底层水中较大范围DO低值区(<6.5 mg/L)的主要形成原因之一是有机物降解。

      从本文分析来看,黄海底层水有机物降解的信号从夏季一直贯穿到秋季,是黄海低氧、酸化和营养盐积累的重要过程之一。黄海近年连续发生大规模绿潮现象[23],引起黄海生源有机物不断存储、不断矿化重新释放出无机营养盐,这可能进一步加剧缺氧与酸化的状况。

    • (1)渤海海域低氧形成期与消亡期营养盐的平均浓度,NO3分别为4.1 μmol/L、10.1 μmol/L;NO2分别为0.2 μmol/L、1.2 μmol/L;PO43−分别为<0.1 μmol/L、0.5 μmol/L;Si(OH)4分别为4.5 μmol/L、6.9 μmol/L;NH4+夏季为0.8 μmol/L;DO分别为8.5 mg/L、8.7 mg/L。低氧消亡期的营养盐浓度明显高于低氧形成期,但DO浓度在两个时期接近。

      (2)渤海海域,低氧形成期大部分区域全水柱水体DO呈现过饱和特征(AOU为负),磷酸盐基本耗尽,同时硝酸盐(NO3)与DIC呈正相关关系,以光合作用产氧占主导。在低氧消亡期,渤海水体表现为溶解氧消耗的特征(AOU为正),同时伴有营养盐浓度升高、pH降低的特征,推测这一时期DO与营养盐的变化主要受有机物降解过程调控。

      (3)黄海海域,低氧形成期与消亡期营养盐的平均浓度,NO3分别为3.7 μmol/L、5.1 μmol/L;NO2分别为0.3 μmol/L、0.5 μmol/L;PO43−分别为0.2 μmol/L、0.4 μmol/L;Si(OH)4分别为5.9 μmol/L、7.9 μmol/L;NH4+夏季为0.5 μmol/L;DO为分别为8.7 mg/L、8.1 mg/L。同渤海一样,低氧消亡期的营养盐浓度高于低氧形成期,黄海底层受冷水团影响显著,在低氧形成期与消亡期,黄海营养盐浓度变化幅度明显低于渤海,消亡期黄海DO浓度明显低于形成期。

      (4)黄海底层水体营养盐在低氧形成期与消亡期均与AOU 呈正相关关系。在低氧消亡期,黄海表、中、底层的营养盐与DIC呈正相关关系,与pH呈负相关关系,暗示黄海水体主要受冷水团为主导的生物降解过程调控。

      (5)有机物的降解是造成渤、黄海低氧事件发生前后生源要素变化的重要原因之一。目前,渤、黄海的季节性低氧现象已日益凸显,与区域富营养化密切关联,应引起高度重视。

      致谢:感谢国家自然科学基金委2011年渤黄海海洋学综合科学考察航次提供船时和CTD资料,pH由许懿测定。感谢杨威博士、杜川军博士、郭香会副教授、高光副教授、柳欣副教授、蔡毅华教授提出建设性的修改意见。

参考文献 (23)

目录

    /

    返回文章