渤海中部溶解氧濃度年際變化特征分析

劉 千，孫 群

(天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

溶解氧(dissolved oxygen，DO)在海洋生態(tài)系統(tǒng)中十分重要，海水中絕大多數(shù)生命活動都與其密切相關(guān)，DO濃度的下降會導(dǎo)致海洋生產(chǎn)力、生物多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)的重大變化[1-4].水體中的 DO分布受控于復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程[5].浮游植物的光合作用釋放氧氣，提高水體中 DO濃度，浮游植物死亡時，有機質(zhì)降解會消耗水體中的 DO[6].近幾十年來，全球河口和陸架海區(qū)的DO低值的程度和范圍已經(jīng)擴大[3,7].DO濃度的降低與海洋污染物的大量排放以及營養(yǎng)物質(zhì)的增加有關(guān)[8-9].另外，全球溫度升高使海水中氧氣的溶解度下降，加快了底層的耗氧速率，水體層化現(xiàn)象減弱了表層與底層的海水交換，減少了從大氣進入海洋內(nèi)部氧氣的數(shù)量[3,10]，使海水中 DO濃度降低.渤海是我國重要的半封閉陸架海，黃河口到遼東灣灣頂斷面的地形呈南北不對稱的“w”形，夏季存在南、北兩個中心冷水結(jié)構(gòu).溫度、DO濃度、pH適中的渤海，是溫帶海洋生物生存的良好環(huán)境，許多大小河流為其輸入營養(yǎng)鹽，維持并促進著生物的繁殖與生長[11].隨著全球氣候變暖和人類開發(fā)活動的加劇，渤海的環(huán)境演變?nèi)找鎻?fù)雜，海域生態(tài)研究顯得越來越重要[12].

許多學(xué)者對渤海 DO濃度的年際變化與影響機制進行描述和探究.俎婷婷等[13]指出渤海中部斷面1979—1999年冬季、夏季DO濃度呈降低的趨勢.李伯志等[1]指出1978—1999年渤海冬季DO濃度降低程度比夏季更顯著.錢思萌[6]指出 1978—1999年渤海3個DO低值區(qū)典型站位的夏季DO濃度呈波動下降的趨勢.1978—2014年渤海中部斷面夏季底層DO濃度的年際變化呈降低趨勢[14]，渤海夏季出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，在 2011年和 2014年夏季出現(xiàn)底層低氧區(qū)[15-16].影響渤海 DO濃度年際變化的因素很復(fù)雜，其濃度低值可能與底層有機質(zhì)在層化環(huán)境下累積引起的底層耗氧增加有關(guān)[16-19].錢思萌[6]通過計算夏季水體中DO的收支情況，指出平流作用和表層與底層的海水交換會造成DO的水平或垂向擴散，進而引起DO 濃度的變化.Zhai等[20]認為，藻華和海洋養(yǎng)殖產(chǎn)生的生物顆粒的增加，必然會提高渤海次表層生物群落呼吸速率，這是導(dǎo)致渤海夏季DO濃度急劇下降的可能原因.另外，Wei等[21]認為渤海浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化也會導(dǎo)致渤海 DO濃度呈下降的趨勢.石強[14]推測夏季渤海 DO濃度年際變化的主要影響因素是其需氧量，冬季DO濃度年際變化可能受溫度和鹽度變化的影響.底層低氧還會引發(fā)底層酸化環(huán)境的形成，與底層礦化分解作用、季節(jié)性層化等因素繼續(xù)影響渤海 DO 濃度的變化[16]，破壞渤海生態(tài)環(huán)境并影響海洋生物的棲息.近年來渤海的DO濃度逐漸引起關(guān)注，許多學(xué)者對渤海DO濃度的長期變化以及影響因素進行了分析與討論，但在更長時間序列的年際變化以及表層與底層 DO濃度差的年際變化上未曾進行過細致描述，同時近年來渤海受人類活動的影響日益增加，富營養(yǎng)化現(xiàn)象逐步加劇，DO可能存在持續(xù)降低的趨勢，進而引發(fā)季節(jié)性低氧現(xiàn)象，給渤海生態(tài)環(huán)境帶來負面影響.因此，本文選用時間跨度更長的數(shù)據(jù)分析渤海 DO濃度的變化，揭示 1978—2018年渤海 DO濃度季節(jié)和年際變化規(guī)律，并采用一元和多元線性回歸分析得到影響 DO濃度年際變化的因素，旨在增進對渤海生態(tài)系統(tǒng)特征及其影響因素的認識，為渤海沿岸地區(qū)的經(jīng)濟活動提供決策依據(jù).

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 站位水樣的數(shù)據(jù)

觀測站位及渤海水深分布如圖1所示.

圖1 觀測站位及渤海水深分布Fig.1 Distributions of observation stations and the topography of Bohai Sea

本文使用原國家海洋局1978—2018年獲得的常規(guī)斷面觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括溫度、DO濃度、磷酸鹽濃度、硅酸鹽濃度、硝酸鹽濃度、亞硝酸鹽濃度、銨鹽濃度等.參照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分：海水分析》，DO 濃度的單位使用 mg/L[22].硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽的總和稱為溶解無機氮(DIN).圖1中黃點分別表示黃河口(HRE)和遼河口(LRE)，紅點分別代表站位 St1—St9.研究對象為渤海中部斷面，該斷面地理范圍為 38.00°N—40.50°N、119.00°E—121.65°E.觀測站位由斷面西南(黃河口附近)向東北(遼河口附近)依次分布，依據(jù)各站位水深和位置對站位進行劃分：St1和 St8、St9分別位于黃河和遼河入海口的河口位置，St4、St5為中部淺灘，St2、St3和 St5、St6、St7分別位于斷面南部和北部的洼地海區(qū).各站位信息和測量次數(shù)見表1.

表1 代表站位信息和測量次數(shù)Tab.1 Information of representative stations and measurement times

實測數(shù)據(jù)時間跨度大，數(shù)據(jù)質(zhì)量存在差異，在分析之前對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制[1,19]，剔除數(shù)據(jù)中大于 3倍方差的異常值，表層 DO濃度數(shù)據(jù)剩余 1673個，底層DO濃度數(shù)據(jù)剩余1680個.

本文利用 St1—St9站位的年平均數(shù)據(jù)分析 DO濃度和海水溫度的季節(jié)變化特征，分別以2月和8月代表冬季和夏季，以3—5月代表春季，9—11月代表秋季.用插值法將觀測值處理為垂向 1m平均的數(shù)據(jù)，并繪制出斷面圖.用線性回歸方法擬合表層、底層冬季和夏季DO濃度年際變化趨勢.

1.2 影響因素的數(shù)據(jù)

使用 2000—2018年黃海、東海局地校正表層葉綠素 a(Chl a)濃度數(shù)據(jù)[23-24]，分辨率為 4km×4km.風(fēng)速、降水量和徑流量數(shù)據(jù)為歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的 ERA5全球逐月再分析數(shù)據(jù)，風(fēng)速、降水量和徑流量的空間分辨率為 0.25°×0.25°.

1.3 統(tǒng)計方法

年際尺度變化利用線性回歸擬合的方法進行分析，采用多元線性回歸的方法對影響因素進行分析.多元線性回歸是找出最能代表自變量與因變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式[25-26].設(shè)因變量為 y，k個自變量為 x1,x2,… ,xk，多元線性回歸的模型一般形式為y =β0+β1x1+β2x2+ … +βkxk+ε，β0為回歸常數(shù)，β1,β2,… ,βk為回歸系數(shù).隨機誤差項εi(i = 1,2,… ,n )服從數(shù)學(xué)期望(E)為0、方差(s2)為σ2的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即 E (εi)= 0 ，s2(εi) =σ2，其中ε1,ε2,… ,εn相互獨立.

建立多元線性回歸模型，先要對所需變量進行顯著性分析，當(dāng)解釋變量與DO濃度的顯著性水平小于0.05時可信度高；逐步引入解釋變量，剔除對 DO濃度無顯著貢獻的項，直至決定系數(shù)(R2)最大時，運算結(jié)束.本文以DO濃度為因變量，以徑流量、降水量、風(fēng)速、Chl a濃度、溶解無機氮(DIN)濃度、硅酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、表層與底層的溫差、底層溫度為自變量，利用 MATLAB軟件中的多元線性回歸分析，明確了DO濃度與各相關(guān)因素的關(guān)系，找出DO濃度年際變化與物理變量、生物化學(xué)變量之間的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 DO濃度季節(jié)變化特征

渤海 DO濃度與水溫多年均值的季節(jié)變化曲線如圖2所示.DO濃度在冬季、春季較大(均值分別為11.43mg/L和 9.70mg/L)，夏季最小，夏季和秋初的表層、底層DO濃度有差異，其他季節(jié)表層、底層DO濃度相近，夏季表層、底層 DO濃度多年均值分別為7.64mg/L和6.83mg/L.表層DO濃度多年均值較底層高，8月表層、底層垂向的濃度差最大，為1.30mg/L.季節(jié)間 DO濃度差為底層大于表層，表層從春季到夏季DO濃度降低，濃度差為2.06mg/L，底層從春季到夏季 DO濃度降低，濃度差為 3.50mg/L.溫度的季節(jié)變化表現(xiàn)為夏季、秋季高，冬季、春季低，夏季表層與底層溫差較大，即渤海夏季垂向的溫度存在層化現(xiàn)象[27].DO濃度與溫度呈反向變化，二者為負相關(guān)關(guān)系[28]，夏季溫度升高，氧氣的溶解度下降，表層 DO濃度降低.6—8月表層、底層 DO濃度差大，這是由于上層浮游植物光合作用加上表層海水與空氣接觸使DO得到補充；底層DO濃度低是由于夏季水溫升高，浮游生物、底棲生物的殘骸或外殼等組成的碎屑顆粒在底層礦化分解消耗了氧氣；溫躍層的存在使得上層的氧氣不能向下補充[13]，因而表層與底層差異大.夏季DO濃度表層與底層的差異與溫躍層和淡水輸入量有關(guān)[14].

圖2 DO濃度與溫度多年均值的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of annual average values of DO concentration and temperature

2.2 DO濃度年際變化特征

本文分析了 1978—2018年冬、夏兩季 DO濃度和表層與底層DO濃度差異的年際變化特征.夏季表層與底層 DO濃度變化不一致，分析了表、底兩層DO濃度的變化；冬季表層與底層變化一致，只探討了表層DO濃度的變化.St1—St9站位夏季表層DO濃度年際變化特征如圖3所示.

圖3 St1—St9站位夏季表層DO濃度年際變化特征Fig.3 Interannual variations of summertime surface layer concentration of DO from St1 to St9 stations in the Bohai Sea

夏季表層各站 DO濃度無明顯變化趨勢，多年DO濃度范圍為5.65～10.50mg/L，多年夏季表層DO濃度均值為7.49mg/L.河口附近的St1、St9站位DO濃度較其他站位偏低.

整體而言，1978—2018年間夏季表層 DO 濃度存在高—低—高的年際變化特征.第一時段為1978—1986年，DO濃度偏高，均值為7.89mg/L，DO濃度的高值與這一時期溫度偏低有關(guān).第二時段為1987—2003年，除了 1995年濃度有所升高外，其他年份 DO 濃度偏低，均值為 7.09mg/L.第三時段為2004—2015年，DO濃度偏高，均值為7.84mg/L.

St1—St9站位夏季底層 DO濃度年際變化特征如圖4所示.夏季底層各站位DO濃度呈顯著下降趨勢(P＜0.05)，各站位間下降速率存在空間差異.中部兩個洼地附近的 St2、St3站位以及 St5—St7站位下降顯著，靠近河口的 St1、St9站位的 DO 濃度較高，下降速率也較慢，河口附近和中部淺灘的多年DO濃度穩(wěn)定、起伏較小，遼河口較黃河口起伏更小，中部淺灘的St4站位下降少且濃度較高.

圖4 St1—St9站位夏季底層DO濃度年際變化特征Fig.4 Interannual variations of summertime bottom layer concentration of DO from St1 to St9 stations in the Bohai Sea

夏季底層 DO 濃度變化范圍為 2.27～9.23mg/L，多年均值為 5.99mg/L，中部洼地附近的站位均值較小.對應(yīng)表層DO濃度高—低—高變化特征的3個時段，底層DO濃度呈現(xiàn)出高—低—更低的年際變化特征.第一時段為1978—1986年，DO濃度較高，均值為 7.73mg/L，此時底層溫度較低，說明DO濃度和溫度之間為負相關(guān)關(guān)系[6].第二時段為1987—2003年，DO 濃度較低，均值為 6.65mg/L，較1978—1986年下降明顯.第三時段為 2004—2015年，底層DO濃度更低，均值為5.73mg/L.

St1—St9站位冬季表層 DO濃度年際變化特征如圖5所示，冬季表層DO濃度年際變化無趨勢，冬季 DO濃度多年變化范圍為 8.82～12.69mg/L，均值為11.67mg/L.

圖5 St1—St9站位冬季表層DO濃度年際變化特征Fig.5 Interannual variations of wintertime surface layer concentration of DO from St1 to St9 in the Bohai Sea

渤海中部8月每10年DO平均濃度剖面分析如圖6所示.

圖6 8月每10年DO平均濃度剖面分布Fig.6 Distributions of ten-year average concentration of DO along the section in August

渤海中部 8月 DO 平均濃度隨著海水深度的增加而降低，DO平均濃度低值的范圍也在擴大，1998年之后的底層 DO平均濃度更低.1978—2017年渤海夏季底層 DO 平均濃度降低了 1.52mg/L，1978—1987年表層、底層DO平均濃度都較高且差異小，表層與底層濃度差為0.7mg/L.1988—1997年表層DO平均濃度較低，表層與底層濃度差異最小.1998—2017年底層 DO平均濃度降低且表層與底層濃度差異變大，DO濃度低值的范圍擴大.

2.3 影響因素分析

對圖6中8月每10年DO濃度均值剖面進行分析，結(jié)果表明表層與底層DO濃度差異有明顯的年際變化，表現(xiàn)為表層濃度的上升和底層濃度的下降；同時，表層與底層溫差大的站位 DO濃度差異大，隨著表層與底層溫差的增大，底層 DO濃度低值更低，缺氧的形成主要是一個垂直過程[29].翟惟東等[16]認為底層 DO濃度低值的出現(xiàn)與季節(jié)性層化現(xiàn)象阻滯海氣交換有關(guān)；張華等[17]認為2014年底層DO濃度與底層雙中心冷水結(jié)構(gòu)基本一致，渤海的溫躍層出現(xiàn)在6～12m，在溫躍層以上DO濃度較高，在溫躍層以下DO濃度迅速下降.渤海夏季斷面出現(xiàn)底層DO濃度降低和表層DO濃度升高的年際變化，且DO濃度降低的速率大于升高的速率[30].

選擇 3個典型站位分別代表南部洼地(St2)、中部淺灘(St4)和北部洼地(St6)，使用 2000—2018年的溫度、Chl a濃度、降水量、徑流量、風(fēng)速、DIN 濃度、硅酸鹽濃度和磷酸鹽濃度數(shù)據(jù)；為了找出影響渤海夏季DO濃度年際變化的主要因素，進行一元和多元線性回歸分析，討論渤海DO濃度年際變化的影響因素.

在夏季底層，St2站位底層DIN濃度影響DO濃度年際變化的 42%(R2＝0.42，P＜0.05)，如果將硅酸鹽濃度、磷酸鹽濃度、降水量、黃河徑流量考慮在內(nèi)則能解釋 DO 濃度年際變化的 70%(R2＝0.70，P＜0.05)；St4站位底層溫度可以解釋DO濃度年際變化的 33%(R2＝0.33，P＜0.05)，考慮徑流量之后可以解釋 39%(R2＝0.39，P＜0.05)；St6站位底層 DIN 濃度影響 DO濃度年際變化的 39%(R2＝0.39，P＜0.05)，增加風(fēng)速、硅酸鹽濃度、表層與底層溫差和底層溫度后可以解釋其變化的60%(R2＝0.60，P＜0.05).

在夏季表層，將 St2站位表層徑流量、降水量、風(fēng)速、Chl a濃度、DIN濃度、硅酸鹽濃度以及磷酸鹽濃度考慮在內(nèi)，則能解釋 81%的 DO濃度年際變化(R2＝0.81，P＜0.05)；將 St1站位表層徑流量、DIN濃度、Chl a濃度、硅酸鹽濃度和磷酸鹽濃度考慮在內(nèi)則有 79%得到解釋(R2＝0.79，P＜0.05)；St6站位表層 Chl a濃度影響 DO濃度年際變化的 33%(R2＝0.33，P＜0.05)；St5站位表層黃河徑流量和 Chl a濃度影響DO濃度變化的42%(R2＝0.42，P＜0.05).表層DO濃度年際變化的影響因素有空間差異性，各變量在靠近黃河口處更能解釋DO濃度的年際變化；在靠近遼河口的St9站位，上述變量則不能很好地解釋DO濃度的年際變化.

夏季水體耗氧是海洋DO的重要消耗項，包括硝化作用耗氧、浮游動物呼吸耗氧以及碎屑礦化耗氧.底層水體耗氧的增加被證實與海洋生物量的增加引起的生物群落呼吸速率提高有關(guān).水體中的DIN作為重要的海洋有機質(zhì)來源，它的變化與DO濃度的變化密切相關(guān)[6,19-21].20世紀(jì)下半葉，河流營養(yǎng)物負荷增加，刺激了有機物質(zhì)的生產(chǎn)，當(dāng)有機物質(zhì)沉積到底層時，消耗氧氣的速率比通過分層水柱進行垂直混合所下降的速率要快[31].底層水溫低、透光性差，浮游植物消耗少，有機物分解較快產(chǎn)生了更多的無機鹽，加上溫躍層的阻擋，營養(yǎng)鹽在此處積累[13]，底層持續(xù)性耗氧就會引發(fā)低氧[16].2014年夏季底層低氧區(qū)核心存在兩個明顯的 TOC(總有機碳)和TON(總有機氮)高值區(qū)，這些區(qū)域的有機質(zhì)積累與DO濃度的降低有關(guān)，同時渤海有機質(zhì)主要受海洋和陸源輸入的共同作用[17].夏季水體中營養(yǎng)鹽的增加刺激了浮游植物的生長，隨著浮游植物的增加底層碎屑導(dǎo)致的底層耗氧也不斷增加[32-33].渤海表層水體中 Chl a、磷酸鹽高值區(qū)與低氧區(qū)部分重合[18]，富營養(yǎng)化帶來的表層水體高濃度的Chl a也通過增加底層耗氧物質(zhì)影響底層 DO 濃度[17-18].渤海水體富營養(yǎng)化狀況主要取決于江河入海的 N、P營養(yǎng)鹽入?？偭浚⑴c黃河徑流量的變化有關(guān)[34].

黃河徑流量對DO濃度年際變化有影響，黃河徑流量會影響渤海營養(yǎng)鹽濃度的變化，通過對浮游植物生物量造成影響，進而間接影響到水體耗氧和底泥耗氧，影響 DO 濃度分布的年際差異[6].石強[14]認為黃河口附近站位 DO濃度年際變化與黃河徑流量的變化有滯后相關(guān)關(guān)系.黃河入海徑流量減少時，使該區(qū)域外源輸入的有機質(zhì)減少，從而分解無機物消耗的氧氣量也減少，海水中 DO濃度增加[13].渤海營養(yǎng)鹽的高值區(qū)主要出現(xiàn)在黃河入?？?，受黃河沖淡水的影響顯著，此外靠近黃河口站位表層 DO濃度高于底層，黃河沖淡水對DO濃度有影響[2].

St1—St9站位表層 2月溫度與 DO濃度、Chl a濃度與 DO濃度的相關(guān)系數(shù)如圖7所示.2月表層DO 濃度與海水溫度呈負相關(guān)關(guān)系，St2、St9之外的站位相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于 0.6.冬季表層多年的DO飽和度均在99%以上，接近飽和狀態(tài).

圖7 St1—St9站位表層 2月溫度與 DO濃度、Chl a濃度與DO濃度的相關(guān)系數(shù)Fig.7 Correlation coefficients between temperature in February at surface layer from St1 to St9 stations and DO concentration，Chl a concentrationand DO con-centration

冬季 DO濃度的年際變化與溫度影響 DO飽和度的關(guān)系有關(guān).石強等[30]指出冬季水溫模態(tài)的變化是影響渤海冬季DO濃度年際變化的主要因素，冬季海水垂向均勻混合且大部分表層水體 DO飽和度接近 100%，此時DO濃度主要受控于水體中的溫度和鹽度[35-36].DO 飽和度與水溫呈負相關(guān)關(guān)系，隨著溫度的降低，DO飽和度總體呈現(xiàn)升高趨勢，冬季水溫低時DO溶解度大、飽和度高[37]；溫度低時DO溶解度大、濃度高，溫度高時DO溶解度小、濃度低[38].中國海洋災(zāi)害公報顯示 2009年屬于渤海海冰偏重年份[39]，2010年的高值可能與 DO 濃度受底層溫度影響較大有關(guān).

3 結(jié) 論

渤海 DO濃度季節(jié)變化為冬季、春季較大，秋季次之，夏季最小，表層 DO濃度多年均值較底層更高，但季節(jié)間變化幅度小于底層，夏季表層、底層DO濃度有差異，表層濃度高、底層濃度低，DO濃度季節(jié)變化與溫度呈負相關(guān)關(guān)系.

在年際變化上，夏季底層 DO濃度顯著下降，南北兩個洼地降低程度更顯著，下降速率均為0.08mg/(L·a)，變化范圍為 2.27～9.23mg/L，多年均值為5.99mg/L，底層夏季DO濃度在1978—2018年變化大致分為兩個時間階段，1986年前濃度偏高，1987年開始濃度呈下降趨勢.夏季表層 DO濃度無明顯變化趨勢，濃度范圍為 5.65～10.50mg/L，夏季表層多年 DO濃度均值為 7.49mg/L.在靠近河口的St1、St9站位有下降的趨勢.1978—1986年和2004—2015年 DO 濃度偏高，1987—2003年偏低.冬季，表層與底層濃度較一致，多年無明顯變化趨勢.夏季DO濃度表層與底層差異的年際變化特征為差異越來越大，底層低值中心 DO濃度越來越低，低值的范圍也在擴大.

多元線性回歸分析表明，夏季底層DO濃度年際變化與底層 DIN濃度有一定相關(guān)性，表層 DO濃度年際變化的影響因素有空間差異性，表層DO濃度受黃河口處徑流量影響較大，靠近遼河口所受影響較小.冬季受溫度影響較大.