AMS  >> Vol. 4 No. 4 (December 2017)

    东海冬季海水溶解氧、盐度的分布特征分析
    Distribution Characteristics of Dissolved Oxygen and Salinity in Sea Water in the East China Sea in Winter

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作者:  

冉珊珊,时 宇,杨一帆,黄 黄,苏海蓉:南京师范大学环境学院,江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏 南京;
徐 杰,刘金娥:江苏省水土环境生态修复工程实验室,江苏 南京;
陈 浩:江苏盐城国家级珍禽自然保护区,江苏 盐城

关键词:
东海冬季溶解氧盐度分布特征The East China Sea Dissolved Oxygen SalinityDistribution Characteristics

摘要:

海水溶解氧、盐度对于海洋生态环境有一定指示作用。2014年冬季设置9个断面,49个站位,以1 m为间隔,调查东海近岸海域海水表层至底层冬季溶解氧、盐度变化,分析结果如下:1) 东海近岸海域冬季海水溶解氧含量在1.31~8.40 mg•L−1之间,表层溶解氧平均含量约7.00 ± 0.26 mg•L−1,底层溶解氧平均含量约4.33 ± 0.99 mg•L−1。各断面溶解氧含量由近岸向海下降,变化范围逐渐减小。在整个研究区域内,溶解氧含量从西北向东南方向下降。在垂直方向,溶解氧表层含量高于底层,在一定深度溶解氧含量急剧下降,在底层趋于稳定。2) 东海近岸海域冬季海水盐度在29.60‰~34.00‰之间,近岸海域盐度低于远海,最大值出现在研究区域的东南部。东海海域盐度随深度增加而增加,在一定深度急剧升高,底层海水盐度稳定;近岸海域盐度垂直变化范围大于远岸。东海海域溶解氧和盐度变化受多种因素影响。

Dissolved oxygen and salinity indicate marine environment quality. An investigation on the East China Sea was conducted in the winter of 2014. Nine transections with 1m slots including 49 sampling sites were set, and data of the dissolved oxygen, salinity and temperature was obtained and analyzed. The results showed that: 1) The dissolved oxygen content of seawater of the East China Sea is between 1.31 mg•L−1 to 8.40 mg•L−1. The average surface dissolved oxygen was 7.00 ± 0.26 mg•L−1, while the average bottom layer dissolved oxygen was 4.33 ± 0.99 mg•L−1. The dissolved oxygen content in all the transections showed the similar distribution pattern of which the value decreased gradually from inshore area to the offshore. In the whole study area the dissolved oxygen content decreased from northwest to Southeast. The dissolved oxygen content of all transections showed similar vertical distribution pattern that the surface layer values were significantly higher than that of the bottom layer, and the dissolved oxygen content decreased sharply at certain depth, then tended to be stable. 2) The salinity content of the East China Sea is between 29.60‰ to 34.00 ‰. Generally salinity of inshore area was lower than that of offshore area, and the maximum salinity occurred in the southeastern of the study area. The salinity increased vertically with the water depth, and climbed up sharply at certain depth, then kept table level at bottom layer. The vertical salinity changes of inshore showed wider range than that of offshore. The distribution of dissolved oxygen and salinity in the East China Sea were affected by multiple factors.

1. 引言

海水溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)作为重要的海水环境指标,对海区内生态环境状况有重要意义 [1] 。深层海水DO含量一般较稳定,变化幅度较小;而近岸海水DO含量受到多种因素影响,变化幅度大,其分布特征复杂。海水DO的垂直分布受到多种因素影响,表层氧含量一般受水温控制而处干饱和状态;在水体分层时期,在透光层因浮游植物的光合作用强而出现较高的氧含量,并在次表层形成氧的最大值 [2] [3] ,因此,透光层中氧含量多少直接反映了该海区初级生产力状况。在光合作用区以下的水层则因为有机质的分解而耗氧,氧含量随深度的增加而明显降低。东海DO垂直分布也存在最大值 [4] ,有研究表明东海北部DO最大值成因是由于水温和生物的相互作用 [5] 。随着人类活动增强,受人类影响较大的近岸海域与河口区在夏季存在着大面积的缺氧现象,给当地海洋经济、环境、社会发展带来不利影响,比如美国密西西比河口的墨西哥湾北部 [6] 。我国东海海域长江入海口也出现了13,700 km2 (DO < 2 mg·L1)的缺氧区,氧亏损量高达1.59 × 106 t [7] ;在长江口临近海域夏季存在20,000 km2的低氧区 [8] 。DO是水体经过与大气的氧气交换或经过化学、生物化学等反应后溶解于水中的分子状态的氧,DO的浓度与空气中氧的分压、水温、风速、水深、水中各种盐类和藻类的含量、生物及非生物耗氧以及光照强度等多种条件有关 [9] 。在特定海域中DO的分布和变化是多种因素综合影响的结果。海水盐度是指海水中全部溶解固体与海水中量之比。盐度的变化可以改变浮游植物细胞膜的渗透率,从而影响浮游植物对海水中营养盐和微量元素等的利用 [10] 。影响海水盐度的主要因素有河流径流注入、气候因素、洋流因素等。沿海海域的盐度受河流径流注入较大。东海营养盐的输入途径主要包括河流输入、大气沉降、东海与相邻海区进行海水交换和沉积物水界面交换等途径 [11] 。对海水DO、盐度分布的定期监测研究具有重要意义,本研究利用国家自然基金委员会2014年冬季共享航次监测结果,对东海冬季DO和盐度分布特征进行分析,为东海海域生态环境质量研究提供参考据。

2. 研究区域与研究方法

2.1. 研究区概况

研究区域主要是东海海域,这次航行属于国家自然基金资助2014冬季东海共享航次项目,此次在东海近海海域布设调查断面9条,共取49个站位(图1表1)。最北断面位于舟山普陀区附近海域,最南断

Figure 1. Transections and sampling sites distribution in the study area

图1. 本研究断面及站位分布

Table 1. Descriptions of transections and sampling sites in the study area

表1. 研究区断面设置与站位描述

面福州长乐白沙礁所在区附近海域。东海海域属于亚热带和温带季风气候,年平均水温20℃~24℃,年温差7℃~9℃。东海大陆架平均水深72 m,但是大部分海域的水深为60~140 m,大陆架外缘在水深120 m到200 m,长江、钱塘江、瓯江、闽江等四大水系是注入东海的主要江河,东海潮汐多属半日潮,最大潮差6~9 m。影响东海的水团主要有浙江沿岸冲淡水、黄东海混合水团、台湾暖水流和黑潮水团。

2.2. 研究方法

2.2.1. 样地选择与采样方法

在研究区域的49个站位(图1)利用Niskin连续采集深度1 m至底层海水混合水样,每层间隔1 m,三个平行,DO使用Winkler碘量法测定,营养盐水样在现场经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后,用分光光度计按《海洋调查规范》(GB 12763.4-91)进行现场测定。分析DO、盐度分布特征。采样方法、层次和测定方法均按《海洋调查规范》进行,采集的海水样品在船上于12 h内测定完毕。

2.2.2. 数据统计分析

本研究并采用Origin、Excel、ArcGis等相关软件进行相关性分析、数据统计、图像处理。

3. 结果与分析

3.1. DO的分布特征

3.1.1. DO的水平分布特征

冬季,风力较大,海空交换作用剧烈,大气中氧气大量溶入海水,加上温度的大幅度降低,氧气在海水中溶解度增加,海空交换进入的氧气大部分被冷却的海水所吸收,海水中DO达到全年的最大值 [12] 。东海近岸海域冬季海水DO平均含量在1.31~8.40 mg·L1之间,除断面3000的平均值偏低,东海近岸海域30 m以上的海水DO含量均大于6 mg·L1,符合国家一类海水标准(≥6 mg·L1),30~100 m DO含量介于二类和三类海水标准(4 mg·L-1-5 mg·L1)之间,少数底层站位符合四类海水(≤3 mg·L1)。表层DO平均含量约7.00 ± 0.26 mg·L1,底层DO平均含量约4.33 ± 0.99 mg·L1

东海近岸海域不同的深度(3 m, 10 m, 20 m, 30 m, 40 m)海水DO含量水平分布呈现出不同规律(图2)。在3 m、10 m、20 m、30 m、40 m深度DO含量分别在5.37~8.40 mg·L1、5.31~8.09 mg·L1、5.25~7.91 mg·L1、5.13~7.23 mg·L1和1.31~6.34 mg·L1之间。在深度3 m、10 m、20 m处,除断面3000外,各断面DO含量由近岸向海递减,且DO含量波动范围由近岸向海逐渐减小。深度30 m处,断面3000的DO含量波动较大,呈现先增加后减少的波动,断面DH11变化趋势与之相反。深度40 m处,除断面3000、断面DH3和断面DH5,各断面DO含量由近岸向海趋于稳定。断面3000在不同的深度DO含量明显低于其他断面,在站位3000-1至3000-4之间尤为明显,可能是因为该断面位于杭州湾东侧,为钱塘江入海口,江水带有大量的有机物及有机物被分解的产物铵、甲烷,这些物质被继续氧化,消耗水体中的DO [13] ;同时由于河口水动力较强,携带低DO水体流经此处;大量的泥沙使得水体透明度极小,限制了光合作用,这些因素致使河口区水体DO饱和度很低。

近岸浅水区向深水区DO含量波动范围逐渐减小,浅水区水体DO含量变化幅度大,而深水区含量变化幅度小,相对稳定。这是由于近岸海域受人类活动、淡水注入等影响较大。此外东海近岸海域浅水区热容较小,秋冬季东海近岸海域时常发生台风等季节性气候变化,使得海水气温变化幅度剧烈,使得浅水区水平面DO变化波动较大。

在整个研究区域内,DO含量呈现从西北向东南方向降低的趋势。在表层0~10 m (图3左)近岸海域DO含量均呈西南到东北逐渐降低趋势,低氧区出现在东海东北部河口附近,且存在两个明显的低氧区,

Figure 2. The distribution of dissolved oxygen content in different depth (3 m, 10 m, 20 m, 30 m and 40 m)

图2. 各站位不同深度(3 m, 10 m, 20 m, 30 m, 40 m) DO分布

Figure 3. Top layer and bottom layer dissolved oxygen changes in offshore marine areas of the East China Sea

图3. 东海近岸海域表层(左图)、底层(右图) DO含量变化

表层DO变化较为复杂,可能受影响因素较多。但总体上近岸DO含量高于远岸海域。底层DO含量也呈现出西南向东北方向降低的趋势(图3右),低氧区相对表层发生了南移现象,且两个低氧区合并,范围扩大至断面3000至断面DH6之间。和表层相比,底层低氧区的存在可能更多地受到河口的影响。

3.1.2. DO的垂直分布特征

海水中悬浮物含量较高,海水透光层薄,随着深度的增加,光合作用逐渐减弱,海洋生物呼吸作用逐渐加强,所以总体上各断面表层DO含量明显高于底层,垂直方向波动范围由近岸向海逐渐减小;在一定深度DO含量急剧下降,之后趋于稳定(图4)。断面3000的5个站位(3000-1由于水深太浅,数据缺失)中,站位3000-2DO含量垂直变化不大;其余4个站位DO在30~60 m、38~65 m、55 m、25~35 m、40~50 m之间急剧下降,之后趋于稳定。断面DH3-1、DH3-2、DH3-3DO在深度5~10 m、42~60 m、42~65 m急剧下降,之后趋于稳定。断面DH4的5个站位DO急剧变化在50~75 m之间。断面DH5除DH5-1波动较大外,剩余4个站点在50~70 m之间下降。断面DH6除DH6-1波动较大外,其余5个站位在50~80 m之间急剧下降。断面DH7中DH7-1在40~50 m急剧下降,其余站位在70~85 m之间急剧下降。断面DH8除DH8-1外其他站位在30~80 m之间急剧下降。断面DH9波动相对较大但同样存在急剧下降的深度范围。断面DH11在10~40 m之间DO急剧下降。

东海海水中悬浮物、泥沙含量较高,海水透光层较薄,随着海水深度的增加,水生植物光合作用逐渐变弱,海洋生物的呼吸作用逐渐增强,溶氧含量逐渐降低。另外大部分站点数据表明在30~80 m内DO会急剧下降,是由于存在着一条从东北方向至西南方向的低温水流,此为浙江沿岸流的流经的海区,沿岸流海区水中包含大量有机质,水体中的氧被消耗,加之生物活动会加速耗氧量,并且又无法及时得到补充,所以沿岸流流经的海区海水透明度较大,颗粒有机物较少,耗氧程度比较慢,饱和度较低。各断

Figure 4. Vertical distribution of dissolved oxygen in all sampling sites

图4. 各站位DO垂直分布图

面站位DO垂直变化幅度呈现由近岸向海逐渐减小,这可能与近岸站位受沿岸流、江河冲淡水及其带来大量的有机质、人为因素影响较大,近岸海域条件比较复杂,导致DO的含量变化较大,垂直分布波动较大。

3.2. 盐度的分布特征

3.2.1. 盐度的水平分布特征

东海近岸海域冬季海水盐度含量在29.60‰~34.00‰之间,除断面3000表层断面的平均值偏低以外,东海近岸海域30 m以上的海水盐度在31.75‰~33.75‰之间。近岸海域盐度偏低、远海海域盐度偏高,盐度最大值出现在研究区域的东南部。以研究区域内表层(图5左)10 m和底层(图5右)盐度水平分布为例,表层10 m和底层盐度变化均为近岸低,远岸高,且盐度分布等值线与海岸线基本平行,盐度最大值出现在研究区域的东南部。从物理机制上来看,海水温度越高,蒸发量越大。冬季近岸海域温度受大陆影响,温度较远海海域低,所以蒸发量较小,近岸海域盐度较低 [14] 。江河入海径流量也是影响盐度的重要因子 [15] ,陆地的江河入海带来大量淡水,对海水有一定的稀释作用,江河径流在开阔区域形成一个冲淡水低盐区,近岸的等盐线基本与海岸线平行。所以近岸海域盐度相对远海低。东南部海水盐度最高,可能受高温高盐黑潮暖流的影响 [13] [16] [17] ,研究区东南部受气候影响,水温相对较高,冬季降水量较少,蒸发量大,因此东南部盐度较其他区域高。

3.2.2. 盐度的垂直分布特征

东海海域盐度垂直变化总体为随深度增加而增加(图6),各站位盐度在特定深度急剧增加,然后趋于稳定,近岸盐度垂直变化范围大于远岸。盐度的垂向分布,总体上具有上、表层盐度较低,下、底层盐度较高的分布规律 [18] 。东海海域盐度垂直变化可能是受陆源淡水影响。陆源淡水输入主要来自长江口,长江冲淡水在不同季节有不同的分布形态。在枯水季节,在冬季强大的北风作用下,长江冲淡水经杭州湾和舟山群岛一带南下,在一条狭窄带内沿岸向南输送 [19] [20] ,即冬季沿岸向南扩展;在夏季洪水期,长江径流量增加,长江冲淡水入海后先向东南方向运动,随后转向南。长江径流入海后形成冲淡水,因其密度比海水密度小而飘浮在海水之上,影响表层海水的盐度 [8] [21] 。表层冲淡水向北扩展至32.5˚N,向东扩展到外海范围广至124.5˚E [22] 。各站位盐度在特定深度急剧增加可能是受台湾暖流的影响。

Figure 5. Surface 10 m horizontal and bottom layer salinity changes in offshore marine areas of the East China Sea

图5. 东海近岸海域表层(左图)、底层(右图)海水盐度水平分布图

Figure 6. All sampling sites’ salinity vertical distribution

图6. 各站位盐度垂直分布图

4 结论

1) 东海近岸海域冬季海水DO含量在1.31~8.40 mg·L−1之间,表层DO平均含量约7.00 ± 0.26 mg·L−1,底层DO平均含量约4.33 ± 0.99 mg·L−1。在水平方向上,各断面DO含量由近岸向海下降,且DO含量变化范围也逐渐减小;在整个研究区域内,DO含量自西北向东南下降。在垂直方向,各断面的DO表层含量明显高于底层,且在一定深度DO含量急剧下降,之后趋于稳定;各站位DO垂直变化范围由近岸向海逐渐下降。

2) 东海近岸海域冬季海水盐度在29.60‰~34.00‰之间,近岸海域盐度偏低、远海海域盐度偏高,盐度最大值出现在研究区域的东南部。垂直方向上,东海海域盐度随深度增加而增加,且在特定深度急剧增加,之后相对稳定;近岸盐度垂直变化范围由大于远岸。

致谢

感谢陈力,余培培同学在数据分析方面的帮助。

基金项目

国家自然科学基金项目(41273082和40973053)、国家科技支撑计划项目(2012BAC07B01)和江苏省环保课题(2017021)资助。

文章引用:
冉珊珊, 时宇, 杨一帆, 黄黄, 苏海蓉, 徐杰, 刘金娥, 陈浩. 东海冬季海水溶解氧、盐度的分布特征分析[J]. 海洋科学前沿, 2017, 4(4): 118-126. https://doi.org/10.12677/AMS.2017.44017

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