北部灣北部海域潛在低氧分布及影響研究

馬浩陽, 王麗莎, 吳敏蘭, 鄭愛榕

(1. 中國海洋大學 化學化工學院, 山東 青島 266100; 2. 廈門大學 海洋與地球學院, 福建 廈門 361101)

水體中的溶解氧(DO)可以直接反映水體污染程度并評判海水水質的優劣[1]。DO 的垂直和水平分布反映了海氣界面的交換平衡、其參與的生物化學過程及物理運輸過程[2]。DO 的來源主要是大氣交換和浮游植物的光合作用; 消耗則主要是呼吸作用和有機質降解。另外, DO 含量還取決于海洋水動力交換,海水穩定程度越高, 水體層化作用越強, 阻止DO 的垂直交換越明顯, 底層水體就更容易缺氧[3]。Schuble等[4]把低氧的標準定義為DO 含量低于3 mg/L。但是,一般, 當水體中DO 的含量低于4～6 mg/L 時, 便會對水生生物的生存產生不良影響[5-7], 本文重點關注DO 含量低于5 mg/L 的情況。低氧的形成一般需要具備兩個條件: 水體層化阻止表底層水體交換; 底層有機質分解消耗氧氣[8]。國內對長江口[9-10]、珠江口[11-12]、大遼河[6,13]等河口的低氧現象關注研究較多,但是對于北部灣這樣的半封閉性海灣的低氧現象研究較少。本文通過分析北部灣DO 的分布特征, 討論了其與環境因子的關系, 利用相關性分析及灰色關聯度分析等方法, 找出影響該半封閉海灣DO 的主要因子, 同時針對北部灣北部海域長期存在的潛在低氧區(或低氧區)成因進行了分析, 從而為治理半封閉海灣水環境提供一定的科學依據。

1 研究區域和方法

北部灣位于我國南海西北部, 是一個典型的半封閉式亞熱帶海灣, 東臨雷州半島和海南島, 北臨廣西, 西臨越南, 與瓊州海峽和南海相連; 北部灣北部海域沿岸港灣眾多, 包括廉州灣、欽州灣、防城港和珍珠港等, 主要入海河流有南流江、大風江、欽江和防城江, 受陸地徑流影響較大[14]。

本研究的數據為北部灣北部海域2011 年春夏兩個季節的數據。研究區域如圖1 所示, 研究區域共布設 21個站位, 每個站位采集3～4 層水樣(表層、10 m、30 m及底層), 為對比表底層水體的差異, 文中重點展示表底層水體的數據。調查指標包括溫度(T)、鹽度(S)、pH、溶解氧(DO)、溶解無機氮(DIN)、活性磷酸鹽(SRP)、葉綠素a(Chl-a)、浮游植物總豐度等, DO 樣品現場采集固定后用碘量法進行測定, 其他各參數樣品的采集及測定均按照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)進行。

2 結果

2.1 溫度及葉綠素a 的平面分布特征

2011 年北部灣北部海域溫度及Chl-a 平面分布圖如下圖2 和圖3 所示。從圖中可以看出, 春、夏兩季表層水體的溫度均明顯高于底層水體。表層水體溫度分布相對均勻, 而底層水體溫度呈現隨離岸距離增加而降低的趨勢, 主要是由于隨著離岸距離的增加, 水深增加, 光照強度降低, 導致水溫降低。整體來看, 春季水溫(平均20.77 ℃)明顯低于夏季(平均29.60 ℃)。

圖1 采樣站位圖Fig. 1 Sampling stations

圖2 北部灣北部海域溫度平面分布圖Fig. 2 Spatial distributions of temperature in the northern Beibu Gulf

對于Chl-a 的平面分布, 春季表層Chl-a 含量平均1.90 mg/m3, 灣西部出現高值, 底層Chl-a 含量平均2.33 mg/m3, 含量由灣東北向西南隨著離岸距離的增加而遞減, 灣中部最低。春季時, 底層(20～40 m層)Chl-a 含量高于表層, 與北部灣Chl-a 的歷史垂直分布特征相同[15-16], 除光照等因素影響外, 由于底層水體中營養鹽含量高于表層(底層水體DIN 含量平均0.12 mg/L, 表層DIN 含量平均0.10 mg/L), 浮游植物在底層生長更加旺盛。夏季Chl-a 的平面分布趨勢與春季基本相同, 整體來說, 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長的特征。

圖3 北部灣北部海域Chl-a 平面分布圖Fig. 3 Spatial distributions of Chl-a in the northern Beibu Gulf

2.2 海水穩定度分布特征

從圖4 中可以看出, 春季海水的穩定度(平均11.94×10–5m–1)稍高于夏季(平均10.43×10–5m–1),整體差異不大, 兩個季節海水的穩定度均表現出隨離岸距離的增加而增加的趨勢, 表明河流和沿岸流對海水穩定度的影響較大, 離岸較遠的海域水體層化作用較強, 不利于表底層水體的垂直交換。

2.3 DO 的平面分布特征

北部灣北部海域2011 年春季DO 的平均值為8.11 mg/L(范圍為7.10～8.96 mg/L), 其中表層DO平均值為7.65 mg/L, 飽和度平均為1.15; 底層DO 平均值為7.99 mg/L, 飽和度平均為1.09, 春季表層及底層DO均處于過飽和狀態(飽和度>1)。夏季DO 平均值為6.05 mg/L(范圍為3.68～6.90 mg/L), 其中表層水體DO 平均值為5.92 mg/L, 飽和度平均為1.04; 底層DO 平均值為5.67 mg/L, 飽和度平均0.90, 為不飽和狀態。從圖5 可以看出, 整體上春季水體的DO 明顯高于夏季, 一方面是由于春季溫度低于夏季(圖2), 氧氣在春季時的溶解度相對更高; 另一方面, 春季Chl-a 含量明顯高于夏季(圖3),浮游植物光合作用產氧較強。從DO 的垂直分布來看(圖5), 春季表底層差異較小; 而夏季表底層差異較大, 其中表層DO含量較高, 且分布均勻, 而底層DO含量較低,并且在中西部海域出現了DO 的低值區(DO<5.0 mg/L)。

3 討論

3.1 DO 及AOU 與環境因子的相關性分析

3.1.1 DO 與環境因子的相關性分析

圖4 北部灣北部海域春夏兩季穩定度分布圖Fig. 4 Spatial distributions of stability in the northern Beibu Gulf

圖5 北部灣北部海域DO 平面分布圖Fig. 5 Spatial distributions of DO in the northern Beibu Gulf

為分析北部灣北部海域影響DO 含量的主要環境因素, 將DO 與其他環境因子(T、S、pH、COD、Chl-a、浮游植物總豐度、營養鹽等)做Pearson 相關性分析(表1), 可以看出: 春季表層水體DO 與浮游植物總豐度呈顯著正相關, DO 含量隨浮游植物總豐度的增加而增加, 表明春季表層浮游植物的光合作用(產氧過程)占主導地位; 而夏季表層水體DO 與Chl-a 和SRP含量均呈顯著負相關, 說明夏季表層海水中營養鹽過剩導致浮游植物大量生長, 使得表層海水中浮游植物的消亡分解作用(耗氧過程)占主導地位[8]。春夏兩季表層水體的浮游植物豐度和Chl-a 之間并無顯著相關性,主要是因為受浮游植物細胞大小[19]、優勢種[20-21]等因素的影響, 兩者并不總是顯著相關。春夏兩季底層水體DO 均與pH 呈顯著正相關, 可能是因為浮游植物光合作用吸收CO2, 導致水體pH升高, 同時產生O2, 使DO含量升高。從DO 隨pH 變化的斜率來看, 底層水體的變化斜率(春季斜率為8.20, 夏季為10.62)明顯高于表層(平均3.04), 表明底層水體的光合作用明顯弱于表層, 并且夏季底層的光合作用相對春季底層更弱一些。

表1 DO 與環境因子的Pearson 相關系數Tab. 1 Pearson’s correlation coefficient between DO and other environment parameters

通過分析DO 表底層的變化量(ΔDO)與環境因子變化量之間的關系, 可以更加直觀清楚地了解DO 在垂向水體中消耗的主要影響因素, 將ΔDO 與環境因子變化量(水體穩定度、營養鹽及Chl-a 含量變化)做Pearson 相關性, 分析結果如表2 所示。

可以看出, 春夏季水體ΔDO 均與海水穩定度呈顯著正相關, 說明水體穩定度越高, 水體層化作用強, 不利于表底層水體的交換, 導致表底層水體之間DO 的差值較大, 體現了海水層化作用(物理過程)對DO 的影響; 與變化量呈顯著負相關, 說明從表層到底層隨著DO 的降低,含量增加, 即由于DO 含量的降低,逐漸被還原為, 反映了DO 相對較低的情況下細菌反硝化作用的影響。

因為上述環境因子與DO 之間的關系是復雜、模糊、不確定的, 屬于灰色系統, 無法用一般的相關性分析和回歸分析計算每個環境因子對DO 的影響程度大小[22], 因此采用灰色關聯度分析進行各因子對DO 影響程度大小的研究。將與DO 顯著相關的環境因子作為關聯因子, 做灰色關聯度分析, 得到關聯系數, 發現春夏兩季表底層DO 與pH 值均呈顯著正相關(表1), 且DO 與pH 的關聯系數(0.96 以上)明顯高于其他環境因子(0.7～0.8), 關聯度系數達到, 說明相比物理過程(穩定度), 生物化學作用(光合作用與生物氧化分解作用)對DO 含量的影響更大。

表2 ΔDO 與環境因子的Pearson 相關系數Tab. 2 Pearson’s correlation coefficient between ΔDO and other environment parameters

3.1.2 表觀耗氧量(AOU)與環境因子的相關性分析

一般認為, AOU 是由浮游植物的光合作用和有機物的分解作用影響的, 而浮游植物的生長與營養鹽有關, 因此, AOU 與營養鹽之間存在一定的關系,根據Redfield[23]提出的計算公式, 理論上每生成1 個磷原子和1 個氮原子分別需要消耗276 個和17.2 個氧原子。

通過分析AOU 與營養鹽之間的線性關系及比值關系(表3), 可了解該海域是光合作用還是氧化分解作用占主導[24]。

由表3 結果可知: 春夏兩季ΔSRP/ΔO2或ΔDIN/ΔO2值(營養鹽與AOU 斜率值)均小于理論上的Redfield比值(ΔSRP/ΔO2=1︰138; ΔDIN/ΔO2=1︰8.6), 說明春夏兩季均出現了有機物降解耗氧多, 而營養鹽吸收相對較少的現象: 春、夏季正是生物生長繁殖的旺盛季節, 藻類豐富, 浮游植物吸收海水中的營養鹽, 而魚蝦貝類又攝食浮游植物及消耗水體中氧氣, 釋放的有機物量增大, 導致表觀耗氧量大[25], 因而氧氣的消耗量相對大于營養鹽的吸收量, 即說明該海域相對于浮游植物的產氧過程, 浮游動物和有機體氧化分解的耗氧過程占主導地位。

表3 表觀耗氧量(AOU)與營養鹽的相關性Tab. 3 Relationship between AOU and nutrients

3.2 北部灣北部海域夏季潛在低氧區形成機制

由以上分析結果可知, 北部灣北部海域夏季DO含量整體平均為6.05 mg/L(3.68～6.90 mg/L), 其中部分區域的底層水體DO 含量低于5 mg/L, 這些站位主要位于研究海域中西部區域(自北部灣中部向東北方向延伸至潿洲島), 從DO 含量來看, 該區域水體尚未達到絕對低氧(<3 mg/L)的水平, 但已經達到危害生物的水平(<5 mg/L), 同時相關性分析結果顯示該海域DO 的消耗過程強于產生過程, 有發展成為低氧區的趨勢, 因此, 將該區域稱為“潛在低氧區”, 同時從地形圖(圖1)可以看出北部灣中西部區域海底處于相對封閉的“低洼區”, 底層水與南海水之間交換較弱,潛在低氧區一旦形成, 狀況較難得到緩解。

北部灣潛在低氧區并非是偶然出現的現象, 早在1983—1984 年就觀察到欽州灣外1 個站位在春夏兩季底層出現潛在低氧區[26](春夏季DO 含量分別為3.90～4.80 mg/L 和3.87～4.39 mg/L); 2006 年夏季, 拜子龍群島東側海域、防城港與欽州灣附近海域約4 km2的底層水體出現潛在低氧(DO 含量為2.42～4.84 mg/L); 2011 年夏季底層同樣海區水體的潛在低氧范圍擴大到了39 km2, DO 最低值3.68 mg/L;2016 年9 月[27]在北部灣相同區域出現絕對低氧狀況(最低值達到1.98 mg/L), 且面積達到119 km2, 到冬季后絕對低氧現象消失, 2017 年夏季潛在低氧又出現(最低值為3.00 mg/L 左右, 面積約為53 km2)。因此, 北部灣中西部海域季節性潛在低氧現象存在已久, 且呈季節性出現, 從圖6 中可以看出, 隨著時間推移DO 最低值逐漸降低, 且(潛在)低氧區范圍(站位數)呈擴大趨勢, 到2016 年夏季時出現大范圍絕對低氧區, 因此該海域(潛在)低氧現象整體呈加劇的趨勢。

圖6 北部灣北部海域潛在低氧區(DO<5 mg/L)變化趨勢圖Fig. 6 The trend of potential hypoxic zone (DO<5 mg/L) in the northern Beibu Gulf

北部灣北部海域季節性潛在低氧狀況逐年加劇的原因, 一方面可能是由于防城港及欽州灣存在多個生活及工業排污口, 欽州灣10 個排污口均位于灣外, 且10 個排污口均存在不同程度超標狀況, 主要超標要素為總磷和CODCr, 使欽州灣輕度污染、防城港嚴重污染[28-29]; 另一方面也有文獻[30]指出, 2008 年后欽州灣春夏季赤潮頻發, 在2010 年北部灣發生了150 km2的大范圍赤潮[31], 并且2011—2016 年基本上每年北部灣均會發生赤潮[32], 2017 年欽州灣海域附近球形棕囊藻暴發[33]。

由此發現, 2011 年以前北部灣海域(潛在)低氧范圍較小, 且主要為潛在低氧區, 但由于北部灣海域經濟結構及生活方式未做出相應的改變和調整, 陸源污染物的排放未得到控制、赤潮頻發, 加劇了DO凈消耗的情況, 使得潛在低氧區范圍擴大、低氧程度加大, 演變為低氧區。

4 結論

2011 年北部灣北部海域DO 狀況整體上春季明顯好于夏季, 在夏季底層水體中出現了DO 含量低于5.0 mg/L 的區域, 該區域DO 含量主要受控于生物化學作用, 且浮游動物和有機體氧化分解的耗氧過程強于浮游植物的產氧過程, 使得夏季底層水體處于DO 的凈消耗狀態, 有發展成低氧區的趨勢。該潛在低氧區是長期存在的, 同時由于陸源排污及夏季季節性赤潮的影響, 潛在低氧狀況從2011 年開始呈逐年加劇的狀況, 到2016 年夏季時出現了較大范圍的絕對低氧區(DO<3 mg/L)。因此, 當類似于北部灣的半封閉性海灣發生潛在低氧現象時, 應引起充分關注, 及時調整經濟產業結構, 控制陸源污染物的入海排放總量, 改善DO 凈消耗增大的情況, 扭轉低氧區的形成。