天津近岸海域溶解氧含量分布特征及影響因素研究

李瀟，王曉莉，劉書明，曾容，曲艷敏，付瑞全

(國家海洋信息中心 天津 300171)

天津近岸海域溶解氧含量分布特征及影響因素研究

李瀟，王曉莉，劉書明，曾容，曲艷敏，付瑞全

(國家海洋信息中心 天津 300171)

文章基于2001—2015年15年的長時間序列溶解氧含量和相關(guān)理化因子的多源數(shù)據(jù)，研究天津近岸海域溶解氧含量的分布特征和影響因素，結(jié)果表明：溶解氧含量年均值的變化幅度較小且分布穩(wěn)定，在2008年出現(xiàn)較小值，2008年后有略微升高的趨勢，在2012年出現(xiàn)較大值；表層平均值和底層平均值均存在由大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季的規(guī)律；月均值呈正弦變化趨勢，最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在9月，6-9月均較低；溶解氧含量隨深度的增加有降低的趨勢，這主要是由于表層海氣交換充分且陽光充足，植物的光合作用占優(yōu)勢；海水溫度、鹽度和pH值都對溶解氧含量產(chǎn)生重要影響，均存在相關(guān)關(guān)系。

溶解氧；海水質(zhì)量；海洋環(huán)境；環(huán)境監(jiān)測

1 引言

海水中的溶解氧是海水化學(xué)的重要參數(shù)，是海洋生命活動不可或缺的物質(zhì)。海水中溶解氧含量的變化是物理過程、化學(xué)過程和生物過程共同作用的結(jié)果，因此研究海水中溶解氧的含量對海洋化學(xué)、生物、水文、地質(zhì)等研究具有重要作用[1-2]。

天津市位于京津冀和環(huán)渤海2大經(jīng)濟(jì)帶的樞紐地區(qū)，2006年國務(wù)院將天津濱海新區(qū)納入國家總體發(fā)展戰(zhàn)略。研究天津近岸海域環(huán)境質(zhì)量尤其是溶解氧狀況及其影響因素，對認(rèn)識渤海環(huán)境狀況和實現(xiàn)濱海新區(qū)海洋環(huán)境與資源的可持續(xù)利用具有重要價值[3]。我國海洋學(xué)家對天津近岸海域的水質(zhì)特征進(jìn)行過多次調(diào)查和研究[4-6]，但大多基于單一年份、單一季節(jié)或單一年份多季節(jié)的溶解氧分布規(guī)律，缺乏對溶解氧多年長時間序列的報道。本研究基于2001—2015年15年的長時間序列溶解氧和相關(guān)理化因子的多源數(shù)據(jù)，研究天津近岸海域溶解氧的時空分布，對于了解天津近岸海域溶解氧的變化規(guī)律和分析理化特點具有重要意義。

2 監(jiān)測海域和數(shù)據(jù)處理

天津市海域地處渤海灣，是海河5大支流的匯合處和入?？冢０毒€北起澗河口以西約2.4 km處、南至歧口，全長153.67 km，近岸海域面積約為2 200 km2。

本研究于2001—2015年選定天津近岸117.5°E—118.0°E、38.60°N—39.15°N的區(qū)域，開展天津近岸海域的數(shù)據(jù)收集工作，收集的數(shù)據(jù)包括2001—2015年全國海洋環(huán)境監(jiān)測資料以及2006—2007年我國近海海洋綜合調(diào)查與評價資料。

不同來源的數(shù)據(jù)在采樣方法、分析方法、技術(shù)規(guī)范依據(jù)等方面有較大不同，數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)計量單位等也不盡相同。因此，本研究首先對收集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對監(jiān)測日期、經(jīng)度、緯度、采樣深度、溶解氧、溫度、鹽度、pH值等進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和計量單位等方面的統(tǒng)一，以便于多源數(shù)據(jù)資料的分析應(yīng)用。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，主要內(nèi)容包括：①刪除重復(fù)記錄；②刪除空間位置著陸或經(jīng)緯度缺失的數(shù)據(jù)；③刪除時間信息缺失的數(shù)據(jù)；④刪除采樣深度超出實際水深和采樣深度信息缺失的數(shù)據(jù)；⑤對溶解氧、水溫和鹽度進(jìn)行值域范圍檢驗和邏輯檢驗等，對不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行專家經(jīng)驗判斷，查找數(shù)據(jù)異常的原因，對確定錯誤的數(shù)據(jù)予以刪除。

3 結(jié)果與討論

3.1 溶解氧含量的時空分布特征

3.1.1 年際變化

2001—2015年天津近岸海域溶解氧含量的年平均值如圖1所示?？梢钥闯觯?5年來溶解氧含量的年平均值整體變化幅度較小，變化范圍為6.4～8.4 mg/L，分布穩(wěn)定。于2008年出現(xiàn)較小值，為6.4 mg/L；2008年后有略微升高的趨勢；于2012年出現(xiàn)較大值，為8.4 mg/L。

圖1 天津近岸海域溶解氧含量的年際變化

3.1.2 季節(jié)變化

2001—2015年天津近岸海域溶解氧含量的季節(jié)變化如表1所示?？梢钥闯?，溶解氧含量的表層平均值和底層平均值均存在由大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季的規(guī)律，即溶解氧含量受溫度影響較大。冬季溫度低，氧氣在海水中的溶解度大，大量的溶解氧被冷卻的海水吸收，溶解氧含量達(dá)到全年最大值，表層平均值約10.22 mg/L、底層平均值約8.19 mg/L；春季植物光合作用加強，產(chǎn)生的氧氣增多，但海水溫度的升高導(dǎo)致氧氣溶解度的降低，使得春季溶解氧含量的表層平均值約8.31 mg/L、底層平均值約7.93 mg/L；夏季溫度達(dá)到全年最高，溶解氧含量也降到全年最低，表層平均值約7.42 mg/L、底層平均值約6.80 mg/L；秋季水溫比夏季低，氧氣在海水中的溶解度增大，溶解氧含量的表層平均值增至7.73 mg/L、底層平均值增至7.16 mg/L。這與董景崗[3]等的研究結(jié)果相似。

表1 2001—2015年天津近岸海域溶解氧含量的季節(jié)變化 mg/L

3.1.3 月度變化

2001—2015年天津近岸海域溶解氧含量的月度變化如圖2所示?？梢钥闯?，溶解氧含量呈正弦變化趨勢，溫度低的月份溶解氧含量高，溫度高的月份溶解氧含量低；多年月平均最大值為11.37 mg/L，出現(xiàn)在1月，最小值為7.05 mg/L，出現(xiàn)在9月；6月、7月、8月和9月4個月份的月均含量均低于8 mg/L，這與6-9月海水溫度高有很大關(guān)系[7]。

注：由于極少安排監(jiān)測等原因，無2月監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖2 天津近岸海域溶解氧含量的月度變化

3.1.4 垂直分布特征

將天津近岸海域溶解氧含量按照采樣深度做平均處理，其平均值和采樣深度的關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯觯芙庋鹾侩S深度的增加有變小的趨勢。海洋上層有較充足的陽光，浮游植物的光合作用占優(yōu)勢，且海氣氧的交換充分，使溶解氧含量較高；隨著深度的增加，植物光合作用減弱，且生物呼吸作用增強、氧氣消耗增加，使溶解氧含量降低。

圖3 溶解氧含量隨深度增加的變化

上述溶解氧含量的時空分布特征研究結(jié)果表明，天津近岸海域的溶解氧含量隨年度變化幅度較小，2008年后有略微上升的趨勢；夏季和秋季的表層和底層溶解氧含量普遍小于冬季和春季；溶解氧含量隨月度變化呈正弦變化趨勢，最大值出現(xiàn)在1月，最小值出現(xiàn)在9月；溶解氧含量的時間分布特征主要受水溫影響，此類影響因素隨時間變化常年存在；空間分布特征存在一定的規(guī)律性，主要為隨深度增加而降低。

3.2 溶解氧含量的影響因素

3.2.1 溫度

天津近岸海域溶解氧含量與溫度的關(guān)系如圖4所示。對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得溶解氧含量DO=-0.102 8(t)+9.647 3(R2=0.120 9)?？梢钥闯?，溶解氧含量與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度低時溶解氧溶解度大、含量高，溫度高時溶解氧溶解度小、含量低。

圖4 天津近岸海域溶解氧含量與溫度的關(guān)系

3.2.2 鹽度

天津近岸海域溶解氧含量與鹽度的關(guān)系如圖5所示。對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得溶解氧含量DO=-0.141 2(s)+11.864(R2=0.047 1)?？梢钥闯?，溶解氧含量與鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即鹽度低時溶解氧溶解度大、含量高，鹽度高時溶解氧溶解度小、含量低[8]。

圖5 天津近岸海域溶解氧含量與鹽度的關(guān)系

3.2.3 pH值

天津近岸海域溶解氧含量與pH值的關(guān)系如圖6所示。對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得溶解氧含量DO=3.985 3(pH)-24.54(R2=0.197 9)?？梢钥闯觯芙庋鹾颗cpH值呈正相關(guān)關(guān)系且線性關(guān)系顯著，這主要是由于海洋植物的光合作用[9]。

圖6 天津近岸海域溶解氧含量與pH值的關(guān)系

4 結(jié)語

本研究基于2001—2015年15年的長時間序列溶解氧含量和相關(guān)理化因子的多源數(shù)據(jù)，研究天津近岸海域溶解氧含量的時空分布及其影響因素，主要得出6點結(jié)論。

(1)15年來天津近岸海域溶解氧含量的年均值隨年度整體變化幅度較小，分布穩(wěn)定；溶解氧含量年均值在2008年出現(xiàn)較小值，2008年后有略微升高的趨勢，在2012年出現(xiàn)較大值。

(2)天津近岸海域溶解氧含量的表層平均值和底層平均值均存在由大到小依次為冬季、春季、秋季、夏季的規(guī)律，這主要受控于溫度的影響：冬季溫度低，溶解氧含量達(dá)到全年最大；夏季溫度為全年最高，溶解氧含量也降到全年最低。

(3)15年來天津近岸海域溶解氧含量的月均值隨月度變化呈正弦變化趨勢；最高值出現(xiàn)在1月，最低值出現(xiàn)在9月，6—9月均較低。

(4)在垂直分布上，溶解氧含量隨深度的增加有降低的趨勢，這主要是由于表層海氣交換充分且陽光充足，植物的光合作用占優(yōu)勢。

(5)海水溫度和鹽度都對溶解氧含量產(chǎn)生重要影響，溶解氧含量與溫度和鹽度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(6)海水pH值對溶解氧含量也有一定的影響，由多年數(shù)據(jù)看出，溶解氧含量與pH值的線性關(guān)系較為顯著且呈正相關(guān)關(guān)系。

[1] 于圣睿,孫秉一.南黃海溶解氧的分布與季節(jié)變化[J].山東海洋學(xué)院學(xué)報,1980,10(2)：81-90.

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CharacteristicsofDissolvedOxygenandItsAffectingFactorsinTianjinOffshoreSeawater

LI Xiao,WANG Xiaoli,LIU Shuming,ZENG Rong,QU Yanmin,FU Ruiquan

(National Marine Data and Information Services，Tianjin 300171，China)

The temporal and spatial distribution characteristics and affecting factors of dissolved oxygen in the offshore water of Tianjin in recent 15 years were studied,based on the dissolved oxygen data.The results showed that the inter-annual variation of the annual averages of the dissolved oxygen content in Tianjin coastal regions was small.The maximum and minimum annual average of the dissolved oxygen was respectively found in 2012 and 2008,and with time goes on,the annual change of the dissolved oxygen was firstly decreased and then slowly increased.The dissolved oxygen content varied with seasons,and a descending order that winter,spring,autumn and summer was found in surface seawaters,as well as in bottom seawaters.From January onwards,the variations of the dissolved oxygen content were in sine forms,and the maximum and minimum was respectively found in January and September.As the water depth increases,the dissolved oxygen content showed a decreasing trend as the result of the loss of good water-air exchange functions,adequate illuminations and effective plants photosynthesis in surface seawaters.Statistical analysis showed that factors including the temperature,salinity and pH were related to the dissolved oxygen content,and indicating that these factors may determine the dissolved oxygen content of coastal waters in Tianjin.

Dissolved Oxygen,Seawater quality,Marine environment,Environmental monitoring

2017-03-01；

：2017-07-28

李瀟，工程師，碩士，研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)信息化管理

P7

：A

：1005-9857(2017)08-0075-04