渤海海水pH 時(shí)空分布特征與趨勢(shì)分析

王秋璐，許艷，曾容，張健，黃海燕

( 1. 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

1 引言

2003 年，Caldeira 和Wickett[1]在《Nature》雜志中首次提出海洋酸化（Ocean Acidification, OA），海洋酸化是指由于吸收大氣中過量二氧化碳（CO2）而導(dǎo)致的海水pH 降低的現(xiàn)象。此后，海洋酸化成為備受關(guān)注的全球性問題，研究?jī)?nèi)容主要分為兩個(gè)方面：一方面是海洋酸化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和生物功能的影響，另一方面是對(duì)海洋酸化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，其中對(duì)酸化的直觀表現(xiàn)參數(shù)pH 分布特征和趨勢(shì)分析也成為研究的主要內(nèi)容[2–4]。研究人員先后在西北太平洋和南大洋利用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，近200 年表層海水pH 已經(jīng)下降了0.1，并伴有明顯季節(jié)性和局部性特征[1,5–6]。Dore 等[7]根據(jù)1988?2007 年太平洋時(shí)間序列站觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表層海水pH 以0.001 9/a 的速度下降，并提出這種現(xiàn)象將在未來10 年內(nèi)蔓延至南大洋和北冰洋沿岸海域。對(duì)極區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，極地寒冷氣候具有較高的吸收CO2能力以及氣候變化引起的夏季海冰融化等現(xiàn)象進(jìn)一步加劇了極區(qū)的海水pH 的下降[8–9]。隨著研究的深入與細(xì)致，從大洋開闊區(qū)域向近岸的探索增多，我國(guó)的學(xué)者在中國(guó)近海區(qū)域開展了相關(guān)的研究。翟惟東等[10]研究發(fā)現(xiàn)在渤海夏季西北部和北部底層低氧區(qū)域耦合著明顯的pH 低值區(qū)，累積溶解氧下降5.6 mg/L, pH 降幅高達(dá)0.29，同時(shí)石強(qiáng)等[11]研究發(fā)現(xiàn)渤海斷面冬季表層和夏季底層pH 的年際變化存在顯著性降低趨勢(shì)。通過對(duì)東海沿岸表層海水10 年間pH 變化趨勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)，pH 變化存在明顯季節(jié)和區(qū)域差異，分析與環(huán)境因子間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，葉綠素a、溫度和鹽度因季節(jié)和區(qū)域的不同，相關(guān)性差異明顯[12–13]。楊頂田等[14]對(duì)南海三亞灣10 年的pH 周期變化研究發(fā)現(xiàn)，2001 年以后三亞灣水體pH 呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且pH 分布具有不同的垂向性和季節(jié)性特征。張龍軍等[15–16]對(duì)北黃海表層海水CO2分壓研究中發(fā)現(xiàn)，秋、冬季海水pH 與葉綠素有顯著正相關(guān)性。因此，海水pH 的下降不僅是由海水CO2分壓上升而引起，季節(jié)性的新陳代謝作用也是海水pH 變化的關(guān)鍵因素。這樣，海水中pH 成為了牽動(dòng)海洋中碳循環(huán)、營(yíng)養(yǎng)鹽狀況、低氧環(huán)境和水體動(dòng)力過程相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，辨識(shí)pH 的分布特征和趨勢(shì)變化成為認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象的重要內(nèi)容。

渤海是一個(gè)深入中國(guó)大陸近封閉型的淺海，包括遼東灣、渤海灣、萊州灣和渤海中部區(qū)域，由東面的渤海海峽與北黃海相通，注入渤海的河流主要有黃河、海河、灤河和遼河。統(tǒng)計(jì)《中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》（2012?2018）[17]海?氣CO2分壓結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2011?2017 年間，冬季渤海表現(xiàn)為大氣CO2的“匯”，夏季表現(xiàn)為大氣CO2的“源”。

近年來，基于長(zhǎng)時(shí)間序列的海洋環(huán)境狀況與趨勢(shì)分析已然成為熱點(diǎn)，但對(duì)渤海pH 的長(zhǎng)時(shí)間趨勢(shì)分析報(bào)道較少，僅有石強(qiáng)等[11]利用渤海斷面站點(diǎn)數(shù)據(jù)開展了長(zhǎng)時(shí)間序列pH 年際趨勢(shì)性變化和相關(guān)性分析，而在時(shí)間序列下的區(qū)域間同比分析，以及影響不同季節(jié)、區(qū)域和水體層次的驅(qū)動(dòng)因子辨識(shí)研究都尚未開展。本文基于2011?2017 年間，渤海區(qū)域的pH、表層海水CO2分壓、溫度、鹽度、溶解氧和葉綠素a 數(shù)據(jù)，首次應(yīng)用格網(wǎng)計(jì)算處理和時(shí)空矩陣分析方法，研究各環(huán)境單元內(nèi)pH 和環(huán)境因子的同比變化及相關(guān)性，并對(duì)影響不同季節(jié)、區(qū)域和層次的相關(guān)因子作出差異性判斷，研究旨在較系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)和揭示pH 和各環(huán)境因子的時(shí)空分布特征、規(guī)律和變化趨勢(shì)，以期加深對(duì)的渤海海水pH 變化過程的認(rèn)識(shí)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用2011?2017 年間，渤海斷面及其鄰近海域海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，調(diào)查站位193 個(gè)，參數(shù)包括pH、鹽度、葉綠素a 和溶解氧； 采用2011?2016 年渤海海水CO2走航調(diào)查數(shù)據(jù)，走航數(shù)據(jù)共12 386 個(gè)，參數(shù)包括表層CO2分壓和海水表層溫度。海域范圍北起遼東灣中部(40.5°N，121.5°E)，南至渤海灣以東(38.0°N，119.0°E)，調(diào)查與分析均按《國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范（GB 17378.4?2007）》和《基于走航監(jiān)測(cè)的海?氣二氧化碳交換通量評(píng)估技術(shù)規(guī)程（海環(huán)字[2015]33 號(hào)）》執(zhí)行，其中pH 采用pH 計(jì)測(cè)定，溫度和鹽度采用CTD儀直接測(cè)定，溶解氧和葉綠素a 濃度采用碘量法和分光光度法測(cè)定，海水表層CO2分壓采用紅外吸收法測(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 格網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算

通常在研究全球或區(qū)域大尺度時(shí)間變化序列時(shí)，往往先將序列網(wǎng)格化處理，從而有效減小或避免數(shù)據(jù)空間誤差。本文利用ArcGIS 10.2 的創(chuàng)建漁網(wǎng)模塊，生成0.5°×0.5°規(guī)則格網(wǎng)，再利用統(tǒng)計(jì)分析模塊，將渤海區(qū)域內(nèi)2011?2017 年間海水水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。本文選擇了5 個(gè)格網(wǎng)單元開展分析研究（圖1），區(qū)域位于渤海中部，緯度跨域2.5°，從北到南分別標(biāo)記為環(huán)境單元1～5。環(huán)境單元選擇時(shí)考慮了區(qū)域空間連續(xù)性，并可較好地表征渤海區(qū)域內(nèi)時(shí)空變化特征，同時(shí)可獲取的數(shù)據(jù)具有較高的一致性。

圖1 格網(wǎng)環(huán)境單元分布及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息Fig. 1 Grid environment unit distribution and data statistics

2.2.2 時(shí)空矩陣分析

本文對(duì)pH、葉綠素a、溶解氧和鹽度數(shù)據(jù)開展時(shí)空分析處理，采用時(shí)空矩陣方法。時(shí)空矩陣是由將各環(huán)境單元中指標(biāo)含量以時(shí)間序列組合形式表示。本文中時(shí)間序列表現(xiàn)為各環(huán)境單元指標(biāo)含量相對(duì)于長(zhǎng)期歷史值（2011?2017 年指標(biāo)含量平均值）的異常（差），計(jì)算公式為

式中，E為時(shí)間序列單元的異常（差）；S為時(shí)間序列單元內(nèi)指標(biāo)含量平均值；S′為2011?2017 年指標(biāo)含量平均值。由于各時(shí)間序列指標(biāo)項(xiàng)的差異，所有序列通過標(biāo)準(zhǔn)化后組合成時(shí)空矩陣，本文采用VBA（Microsoft Visual Basic for Applications）語(yǔ)言編輯時(shí)空矩陣圖[18]。

2.2.3 相關(guān)性分析

分別對(duì)海水表層和底層pH 和其他環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，采用SPSS 19.0 軟件中Pearson 相關(guān)性分析和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 渤海pH 分布與時(shí)間周期

2011?2017 年間，各環(huán)境單元pH 平均值顯示（表1），表層pH 平均值為7.95～8.38，底層pH 平均值為7.89～8.35，標(biāo)準(zhǔn)差在0.071～0.101 之間。時(shí)間矩陣分布顯示（圖2），各環(huán)境單元時(shí)間序列趨于同步變化，平均值絕對(duì)變化為1～1.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。表層pH 具有較為顯著的時(shí)間周期變化特征，2011?2015 年間，除局部單元外，6 月和8 月的pH 平均值顯著高于同年2 月和10 月，絕對(duì)變化平均值為0.5～1.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，而2016 年以后，周期特征與2016 年之前相反。底層pH 平均值時(shí)間周期變化不一致，僅有環(huán)境單元2 中歷年8 月pH 平均值顯著低于同年其他時(shí)期，約1～1.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差；其他環(huán)境單元在2016 年以后，8 月平均值降低明顯，顯著低于同年其他時(shí)期。

3.2 渤海環(huán)境因子與pH 相關(guān)性分析及時(shí)空分布

海水碳酸鹽體系平衡和變化直接影響海水pH 變化，而各環(huán)境因子又直接和間接驅(qū)動(dòng)了這一平衡體系。浮游植物進(jìn)行光合作用吸收CO2，釋放出O2，同時(shí)微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化分解又是一個(gè)持續(xù)的耗氧過程，伴隨著CO2氣體的產(chǎn)生；葉綠素a是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)，有研究表明，夏季水體葉綠素a含量是光合作用下初級(jí)生產(chǎn)強(qiáng)弱變化的最適宜指標(biāo)[19]；溫度和鹽度是碳酸鹽化學(xué)平衡中的重要因子[20]。本文對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行特征分析，判斷其與pH 之間相關(guān)性，并研究其時(shí)空分布規(guī)律。

3.2.1 相關(guān)性

2011?2017 年渤海海水pH 與葉綠素a含量、溶解氧含量、鹽度、表層海水溫度和表層海水CO2分壓的相關(guān)性分析結(jié)果（表2）表明，pH 與葉綠素a濃度呈顯著正相關(guān)，其中表層相關(guān)系數(shù)為0.417（p<0.01），底層相關(guān)系數(shù)為0.325（p<0.01）；pH 與溶解氧含量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，表層pH 與溶解氧含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（r=?0.198，p<0.05），而底層二者呈現(xiàn)正相關(guān)（r=0.285，p<0.01）；表層pH 與鹽度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（r=?0.226，p<0.05）；表層pH 與表層海水溫度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（r=0.460，p<0.01）；表層pH 與表層海水CO2分壓呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（r=?0.436，p<0.01）。

3.2.2 其他環(huán)境因子時(shí)空分布

1）時(shí)空矩陣分布

葉綠素a含量、溶解氧含量和鹽度采用與pH 相同周期的時(shí)空矩陣方法，分析各環(huán)境因子分布特征。葉綠素a含量時(shí)空矩陣分布顯示（圖3）：各環(huán)境單元中表層葉綠素a平均含量范圍為0.07～8.83 μg/L，葉綠素a含量絕對(duì)變化平均值大約為1～1.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。2016 年之前，6 月和8 月平均含量明顯高于同年2 月和10 月，其中6 月平均含量為（2.73±1.4） μg/L，8 月平均含量為（4.15±1.5） μg/L；2016?2017 年間，6 月平均含量高于同年其他時(shí)期，8 月份平均含量大范圍出現(xiàn)異常低值，2016 年和2017 年8 月各環(huán)境單元均出現(xiàn)低于同年10月份現(xiàn)象。分析各環(huán)境單元中底層葉綠素a平均含量發(fā)現(xiàn)，平均含量范圍為0.09～6.36 μg/L，葉綠素a含量絕對(duì)變化平均值為0.5～1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。6 月平均含量明顯高于同年其他時(shí)期，平均含量為（2.82±1.3） μg/L 。

表1 pH 平均值和變化特征Table 1 Mean value of pH content and changing characteristics

圖2 pH 時(shí)空矩陣分布Fig. 2 Temporal and spatial matrix distribution of pH

表2 pH 與環(huán)境因子相關(guān)性分析表Table 2 The correlation analysis between pH and environmental factors

圖3 葉綠素a 含量時(shí)空矩陣分布Fig. 3 Temporal and spatial matrix distribution of chlorophyll a content

溶解氧含量時(shí)空矩陣分布顯示（圖4）：各環(huán)境單元中表層和底層溶解氧平均含量趨于同步變化，表層溶解氧平均含量范圍為6.68～12.17 μg/L，底層溶解氧平均含量范圍為2.62～12.27 μg/L。溶解氧平均含量變化具有明顯的時(shí)間周期，平均含量2 月>6 月>10 月>8 月，其中2016 年和2017 年10 月份，表層溶解氧含量明顯降低，基本與8 月持平。

圖4 溶解氧含量時(shí)空矩陣分布Fig. 4 Temporal and spatial matrix distribution of dissolved oxygen content

圖5 鹽度時(shí)空矩陣分布Fig. 5 Temporal and spatial matrix distribution of salinity

鹽度時(shí)空矩陣分布顯示（圖5）：各環(huán)境單元中表層和底層鹽度平均值基本趨于同步變化，且表層與底層鹽度平均值分別為30.5 和30.8，沒有明顯波動(dòng)。2015 年10 月以后，各環(huán)境單元鹽度出現(xiàn)一致性升高，絕對(duì)變化平均值為0.5～1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

2）時(shí)空變化趨勢(shì)

由于表層海水CO2分壓和表層海水溫度數(shù)據(jù)獲取分布不連續(xù)，從已獲取的數(shù)據(jù)時(shí)空變化趨勢(shì)分析（圖6）可知：2011?2016 年間，各環(huán)境單元中表層海水CO2分壓呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且10 月份分壓平均值較高于同年其他時(shí)期。各環(huán)境單元相比較后發(fā)現(xiàn)，環(huán)境單元5 的分壓平均值較其他環(huán)境單元偏高。

圖6 表層海水CO2 分壓變化趨勢(shì)Fig. 6 The variation of pCO2 in the surface seawater

圖7 表層海水溫度變化趨勢(shì)Fig. 7 The variation of temperature in the surface seawater

表層海水溫度變化趨勢(shì)顯示（圖7）：2011?2016年間，各環(huán)境單元中表層海水溫度呈現(xiàn)明顯周期變化，2 月平均海水溫度最低，在0～2℃之間；8 月平均溫度最高，在24～28℃之間。由于走航調(diào)查時(shí)間差異，2015 年10 月各環(huán)境單元間平均溫度存在差異，其他時(shí)間周期內(nèi)環(huán)境單元間無顯著差異。

4 討論

4.1 渤海pH 低值區(qū)空間分布

海水pH 是指海水中氫離子活度的一種標(biāo)度，受到壓力和溫度的影響，是一種理化參數(shù)[21]。海水中pH 的正常變化差異范圍在0.01～0.1 之間，本文中pH 數(shù)據(jù)序列標(biāo)準(zhǔn)差在0.071～0.101 之間，數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)間較窄，這樣在區(qū)域研究中單點(diǎn)數(shù)據(jù)的異常經(jīng)常會(huì)被忽視，且在長(zhǎng)時(shí)間尺度研究中序列絕對(duì)變化特征又不顯著?；谝陨咸攸c(diǎn)，引入了在研究全球和區(qū)域大尺度氣候變化序列時(shí)的計(jì)算方法，首先將序列格網(wǎng)化，以確保各個(gè)環(huán)境單元序列基本代表相同的局域面積上的參數(shù)變化，這樣計(jì)算的區(qū)域平均序列更加有代表性[22]；然后對(duì)各矩陣單元標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用標(biāo)準(zhǔn)差序列表征參數(shù)的變化差異和趨勢(shì)，從而減小了空間抽樣誤差，建立一致性和相關(guān)性高的環(huán)境單元時(shí)間序列。

本文研究結(jié)果顯示，各環(huán)境單元時(shí)間序列整體趨于同步變化，渤海區(qū)域pH 空間分布相對(duì)穩(wěn)定，在局部空間內(nèi)pH 出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。圖6 結(jié)果顯示，2011?2016年間，環(huán)境單元5 表層海水CO2分壓數(shù)據(jù)較其他單元偏高，同時(shí)相關(guān)性分析結(jié)果表明表層海水CO2分壓與pH 具有顯著的負(fù)相關(guān)，但pH 時(shí)間序列結(jié)果顯示（圖2），環(huán)境單元5 相較其他單元pH 并未出現(xiàn)明顯降低。環(huán)境單元5 位于本文研究區(qū)域的最南部，緯度的差異使得環(huán)境單元參數(shù)空間分布的特征出現(xiàn)差異。一般認(rèn)為，溫度可以表征空間分布中緯度差異，海水溫度的變化可以影響海水吸收CO2的能力從而影響pH 變化，當(dāng)水溫升高時(shí)，海水吸收CO2能力下降，水中CO2含量減少，pH 升高[12]，而本文研究區(qū)域2011?2016 年表層海水溫度分布趨勢(shì)結(jié)果顯示（圖7），各環(huán)境單元間溫度沒有顯著差異。同時(shí)進(jìn)一步分析表層海水溫度與表層海水CO2分壓相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，二者間也并未顯現(xiàn)相關(guān)關(guān)系（r=0.189，p=0.145）。由此，渤海區(qū)域表層海水中，通過相關(guān)性分析雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)pH 與溫度和CO2分壓的顯著相關(guān)性，但是在空間分布的格局下，這種相關(guān)關(guān)系并不明顯，那么溫度和CO2分壓可能會(huì)在時(shí)間周期過程中更加顯著地影響pH 的變化。

渤海是一個(gè)半封閉的內(nèi)海，僅通過渤海海峽與北黃海進(jìn)行物質(zhì)和能量交換[23]。有研究報(bào)道，冬季北黃海高鹽舌具有明顯伸入渤海的特征，使得近幾十年來，渤海鹽度整體上升，且冬季年平均鹽度大于夏季，其中鹽度上升最快的區(qū)域位于渤海灣[23–24]。本文研究發(fā)現(xiàn)，2011?2017 年間，2 月平均鹽度明顯高于同年其他時(shí)期（圖5），且環(huán)境單元間也表現(xiàn)出由北向南鹽度值增大的趨勢(shì)。北黃海高鹽水入侵對(duì)渤海鹽度的年際變化起到了重要作用，由于冬季混合充分，鹽度的垂向分布也較為均勻。本文相關(guān)性研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，鹽度與pH 呈負(fù)相關(guān)性。通過對(duì)已獲取的數(shù)據(jù)中歷年2 月各環(huán)境單元pH 平均值分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境單元1～5 的pH 平均值（8.18、8.15、8.13、8.14、8.09）有降低趨勢(shì)，這種表層pH 下降與鹽度升高的分布特征基本一致。石強(qiáng)等[11]對(duì)36 年間渤海斷面酸化分析，同樣發(fā)現(xiàn)冬季pH 在1982?1983 年和1986?1988 年期間，渤海斷面南端黃河口附近海域出現(xiàn)低值，該研究認(rèn)為低值年份正是黃河口年徑流量較小的時(shí)期。自20 世紀(jì)90 年代以后，黃河出現(xiàn)斷流現(xiàn)象且逐漸增多，年徑流量逐漸遞減[24]；據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012?2017）[25]統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，2016 年比2011 年黃河年徑流量減小69 億m3。由此，黃河徑流量的減小和黃海水團(tuán)入侵共同影響了渤海冬季鹽度空間分布特征，進(jìn)而成為局部空間中pH 異常的影響因素之一。

通過pH 時(shí)空矩陣（圖2）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，8 月環(huán)境單元2 和4 的底層pH 平均值為7.97 和8.05，明顯低于其他分析結(jié)果。自2011 年起，在歷年8 月期間，環(huán)境單元2 底層pH 平均值異常偏低，與8 月同期其他環(huán)境單元相比絕對(duì)變化在1～2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，尤其在2016 年以前，差異更為顯著，2016?2017 年的8 月間，整個(gè)區(qū)域pH 均顯著降低。環(huán)境單元4 在歷年8 月期間底層pH 平均值較其他單元變化不明顯，但在2016?2017 年的8 月期間，pH 降低顯著高于其他單元，出現(xiàn)了時(shí)空矩陣分布中的pH 最低值為7.89 的情況。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表2），底層溶解氧含量與pH 呈正相關(guān)，同時(shí)溶解氧含量時(shí)空矩陣分布顯示（圖4），2011?2017 年的8 月期間各環(huán)境單元底層溶解氧含量均明顯偏低。張華等[26]根據(jù)2014 年夏季調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)渤海底部出現(xiàn)具有南、北“雙核”結(jié)構(gòu)低氧區(qū)，北部位于秦皇島以東遼東灣中部，南部位于渤海灣中部，這與本文結(jié)果相一致?？梢哉J(rèn)為，由于夏季微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化分解持續(xù)耗氧，礦化過程伴隨了CO2氣體產(chǎn)生，導(dǎo)致了該區(qū)域海水酸化。翟惟東等[10]根據(jù)2011 年8 月下旬?dāng)?shù)據(jù)同樣發(fā)現(xiàn)，渤海北部底層耗氧與酸化現(xiàn)象的區(qū)域和時(shí)間是耦合在一起的，并且CTD儀觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該區(qū)域水體層化現(xiàn)象突出。水體層化阻礙了底層水溶解氧的補(bǔ)充和游離的CO2逸失，對(duì)其低氧和酸化環(huán)境起到了至關(guān)重要的維持作用[26]。渤海低氧區(qū)為顯著季節(jié)性層化區(qū)域，而渤海南部萊州灣附近水動(dòng)力條件較好層化較弱，該分布格局也進(jìn)一步解釋了本研究區(qū)域內(nèi)歷年低氧現(xiàn)象持續(xù)出現(xiàn)的原因[26–28]。

4.2 環(huán)境因子對(duì)pH 季節(jié)性影響

本文研究區(qū)域內(nèi)表層pH 季節(jié)性特征明顯，時(shí)空矩陣結(jié)果顯示（圖2），2011?2015 年期間，6 月和8 月各環(huán)境單元pH 平均值顯著高于同年2 月和10 月，其中，中北部環(huán)境單元特征性更加顯著，這與葉綠素a時(shí)空分布中季節(jié)特征相一致。pH 與環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果顯示，表層pH 與葉綠素a含量和表層海水溫度具有顯著正相關(guān)。溫度此時(shí)表征了區(qū)域內(nèi)明顯的季節(jié)周期特征，進(jìn)一步也證明了，在時(shí)間周期下溫度對(duì)pH 的調(diào)節(jié)作用；葉綠素a的分布和季節(jié)變化在一定程度上反映了浮游植物的生長(zhǎng)，浮游植物利用光合作用吸收海水中匯入的CO2，調(diào)節(jié)碳酸鹽體系的平衡，從而影響pH[29–30]。在渤海中北部區(qū)域，6?8 月份是一年中浮游植物生長(zhǎng)最繁茂的時(shí)期，生物因素對(duì)近岸水體中pH 的變化同樣起到至關(guān)重要作用。

通過底層pH 分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)域的周期規(guī)律不明顯，但在局部單元（環(huán)境單元2）中歷年8 月平均值低于同年其他時(shí)期；且在2013 年、2016 年和2017 年，各環(huán)境單元8 月pH 平均值明顯降低。通過pH 與環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，底層pH 與葉綠素a具有顯著正相關(guān)，同時(shí)葉綠素a含量時(shí)空分布也顯示出2013 年以后，8 月葉綠素a含量明顯偏低。但在局部單元（環(huán)境單元2）特征分析時(shí)，葉綠素a與pH 并沒有顯示出一致的規(guī)律。相關(guān)性結(jié)果同時(shí)顯示，底層pH 與兩類環(huán)境因子（葉綠素a和溶解氧含量）都表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，通過本文4.1 節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，8 月份環(huán)境單元2 底層低氧與pH 下降現(xiàn)象一致。由此，水體環(huán)境和生物因素是共同作用底層pH 變化的驅(qū)動(dòng)因素。

5 結(jié)論

本文基于渤海2011?2017 年間pH 和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)用格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)和時(shí)空矩陣方法，研究各環(huán)境單元內(nèi)pH 和環(huán)境因子同比變化及相關(guān)性，并對(duì)影響不同季節(jié)、區(qū)域和層次的相關(guān)因子作出差異性分析，主要結(jié)論如下：

（1）渤海區(qū)域pH 空間整體分布相對(duì)穩(wěn)定，時(shí)間序列趨于同步變化。區(qū)域內(nèi)由于空間分布的差異，2 月期間pH 平均值從渤海北部向南部出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與鹽度異常分布特征相一致；8 月底層局部區(qū)域pH低值與區(qū)域水體層化形成低氧環(huán)境相一致。

（2）渤海表層pH 季節(jié)性特征明顯，且與葉綠素a含量時(shí)空分布特征一致，生物因素對(duì)近岸水體中pH 的調(diào)節(jié)起重要作用；底層pH 整體區(qū)域周期規(guī)律不顯著，水體環(huán)境和生物因素是共同作用底層pH 變化的驅(qū)動(dòng)因素。

（3）渤海區(qū)域pH 與葉綠素a含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；表層pH 與溶解氧、鹽度和海水CO2分壓均呈負(fù)相關(guān)，與表層海水溫度呈顯著正相關(guān)；底層pH 與溶解氧呈顯著正相關(guān)。

（4）利用區(qū)域格網(wǎng)化處理及時(shí)空矩陣分析，不僅有效減小或避免了數(shù)據(jù)空間誤差，更進(jìn)一步顯化了酸化指標(biāo)的特征信息。

致謝：感謝自然資源部北海分局提供海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。