夏季大連灣溶解氧分布變化特征及其與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系

吳金浩 ，王年斌 ，張玉鳳 ，李愛(ài)

（1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連 116023；2.遼寧省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，遼寧 大連 116023）

海水中存在的分子態(tài)氧稱為溶解氧。一般來(lái)說(shuō)，海水中溶解氧含量主要受到兩種作用的影響：一種是海面空氣中氧氣的溶解及海洋植物的光合作用使得溶解氧含量增加，另一種是海水有機(jī)物降解，海洋生物的呼吸等耗氧作用使得溶解氧降低（張正斌等，2004）。若海水中有機(jī)物含量較多，其耗氧速度超過(guò)氧的補(bǔ)給速度，則水中溶解氧量將不斷減少，當(dāng)水體受到有機(jī)物污染時(shí)，水中溶解氧量降低甚至可接近于零，這時(shí)有機(jī)物在缺氧條件下分解就發(fā)生腐敗發(fā)酵現(xiàn)象，使水質(zhì)惡化，原有的生態(tài)平衡被破壞。因此，海水中溶解氧含量是海洋生態(tài)環(huán)境中的重要指標(biāo)，它可以直接反映水體污染的程度（Riley et al，1985），也是海洋初級(jí)生產(chǎn)力高低的一個(gè)重要標(biāo)志（Harvey，1963），對(duì)研究海洋中各種物理和生物化學(xué)過(guò)程起著重要的作用。近海海域中溶解氧含量受溫度、鹽度、氣壓、河流徑流、降雨、海水水動(dòng)力及浮游生物等多方面因素影響，這些因素的共同作用，使海水中溶解氧含量呈現(xiàn)出一定時(shí)空變化。海洋中存在著大量的好氧微生物，它們可以將海洋中的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源進(jìn)行好氧代謝，該過(guò)程有助于海水的自凈化和保持海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在海洋各種有機(jī)物質(zhì)氧化分解與浮游植物光合作用的過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)鹽不斷被消耗和再生，海水中營(yíng)養(yǎng)鹽與溶解氧含量必然存在一定規(guī)律性和相關(guān)性。大連灣位于遼東半島南部，是一個(gè)三面環(huán)陸的天然海灣，同時(shí)又是我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的主要基地之一，其沿岸集中了大連市主要的工業(yè)企業(yè)，接納了大連市大部分的生活污水和工業(yè)廢水，近年來(lái)大連灣富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重（李震等，2000；楊新梅等，2001；邱春霞等，2005），赤潮也多有發(fā)生（郭玉潔，1994；王惠卿等，2000），但針對(duì)溶解氧與營(yíng)養(yǎng)鹽相互關(guān)系的研究卻少有報(bào)道。本文在2006年7月大連灣海域溶解氧及相關(guān)資料現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，著重討論大連灣海水中溶解氧含量的分布變化及其與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系，為大連灣海域水產(chǎn)養(yǎng)殖與污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)查與分析

2006年7月25日至27日，在大連灣海域開(kāi)展海洋綜合調(diào)查，調(diào)查站位設(shè)置如圖l所示。調(diào)查中使用顛倒采水器采集表層和底層的水樣；其中表層是海面下1 m處，底層是海底以上2 m處。檢測(cè)方法依據(jù)《海洋化學(xué)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行（國(guó)家海洋局科技司，2006），溶解氧測(cè)定采用碘量法，亞硝酸鹽（NO2-N）測(cè)定采用萘乙二胺分光光度法，硝酸鹽（NO3-N）測(cè)定采用鋅鎘還原法，銨鹽（NH4-N）測(cè)定采用次溴酸鹽氧化法，活性磷酸鹽（PO4-P）測(cè)定采用磷鉬藍(lán)分光光度法，樣品用UV2100型分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。無(wú)機(jī)氮（DIN）含量為NO2-N、NO3-N與NH4-N的濃度之和。

圖1 調(diào)查站位及水深平面分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解氧的含量分布及影響因素

此次調(diào)查期間（7月25日早07∶00至下午16∶00）大連灣表層海水溶解氧含量為 5.66～8.59 mg/L，均值為7.66 mg/L，底層海水溶解氧含量為4.58～8.25 mg/L，均值為7.12 mg/L。表底層溶解氧含量分布趨勢(shì)較一致，最小值均出現(xiàn)在最靠近灣里甜水套附近的DL013站位，靠近岸邊的DL014、DL021等站位溶解氧含量也相對(duì)較低，灣中心位置的DL017、灣口處中間的DL020及三山島附近的DL160號(hào)站溶解氧含量相近且明顯高于灣里近岸的站位，灣口處DL018、DL023站位溶解氧含量較高，總體而言，大連灣表底層溶解氧含量平面分布趨勢(shì)均表現(xiàn)為灣里和近岸低，自灣里向?yàn)晨谕庵饾u增大的趨勢(shì)（圖2）。

（圖中圓圈大小表示溶解氧含量的高低，其上方數(shù)字為溶解氧濃度值，單位為：mg·L-1）

通常來(lái)說(shuō)，氣體在海水中溶解度受溫度影響較為明顯，溫度越高，氧在水中的溶解度越低，二者一般呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。而本次調(diào)查海域表層溶解氧含量和溫度線性回歸擬合結(jié)果表明，表層溶解氧與溫度幾乎不存在相關(guān)性（r=-0.44，n=10，P=0.20），即溫度對(duì)表層水體溶解氧含量的影響作用不顯著，底層溶解氧含量與溫度表現(xiàn)為較弱的負(fù)相關(guān)性（r=-0.64，n=10，P<0.05），即溶解氧含量隨著溫度的升高表現(xiàn)出弱的降低的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，就本次調(diào)查而言，溫度對(duì)大連灣海域溶解氧的影響不同于一般規(guī)律，其對(duì)溶解氧含量的影響作用不顯著，溫度不是該海域溶解氧分布變化的主要影響因素，尤其是表層水體。這可能是由于一方面夏季水體溫度較高且分布比較均勻不同區(qū)域差異不大；另一方面調(diào)查海域?qū)儆诮逗Ｓ?，相?duì)于遠(yuǎn)海來(lái)說(shuō)，水體與大氣的氧氣交換比較充分，同時(shí)近岸海域營(yíng)養(yǎng)豐富，表層水體浮游植物生長(zhǎng)旺盛光合作用強(qiáng)烈，部分站位溶解氧處于接近飽和或者過(guò)飽和狀態(tài)，溫度的影響作用不顯著。

鹽度是影響海水溶解氧含量的另一重要因素。調(diào)查海域表層水體溶解氧與鹽度的相關(guān)性分析表明，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)（r=0.56，n=10，P=0.09），底層溶解氧含量與鹽度呈現(xiàn)較為顯著的正相關(guān)（r=0.61，n=10，P<0.05），即鹽度越高，溶解氧含量越高。本次調(diào)查期間大連灣為大潮、活汛，采樣時(shí)間大部分為漲潮或滿潮時(shí)（高潮為14∶00左右），結(jié)合以上相關(guān)性分析，說(shuō)明本次調(diào)查海域水體溶解氧含量還一定程度上受到外海水入侵的影響。

結(jié)合潮流場(chǎng)的資料分析，靠近大連灣灣口處的站位基本呈現(xiàn)往復(fù)流型（中國(guó)海灣志編纂委員會(huì)，1991），DL018基本呈現(xiàn)東南-西北流向，大孤山海域附近的DL023則呈現(xiàn)東-西流向的往復(fù)流，兩者均朝向DL017站位，因此這幾個(gè)站位溶解氧受外海影響較大，含量較高。同時(shí)靠近臭水套里的DL010站位表層溶解氧含量卻明顯高于其他靠近岸邊的站位，這也主要是受到該區(qū)域西南-東北流向的往復(fù)流影響造成的，而其他灣里近岸的海域主要為旋轉(zhuǎn)流型，溶解氧含量受外海影響較小。

綜上所述，可見(jiàn)大連灣調(diào)查海域溶解氧含量灣里和近岸低、自灣里向?yàn)晨谕庵饾u增大分布趨勢(shì)是兩方面作用的綜合結(jié)果：一方面大連灣近岸灣里有大量生活污水排入，隨著夏季水溫的升高，生物的呼吸作用及有機(jī)物的氧化作用加劇，消耗大量溶解氧，又與外海水交換不夠充分，使得灣里近岸海域溶解氧含量相對(duì)較低；另一方面，大連灣潮流場(chǎng)的分布使得含有較高溶解氧的外海水入侵，灣口外水體溶解氧含量呈現(xiàn)高值。

2.2 溶解氧的周日變化

7月26日至27日針對(duì)調(diào)查海域DL017站位的連續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，表底層溶解氧24 h內(nèi)具有各自不同的變化特征。表層溶解氧含量日變幅為0.37 mg/L，白天（特別是午后至傍晚）測(cè)值高，最大值出現(xiàn)在16∶00時(shí)分左右，然后逐漸降低，晚上（特別是午夜至清晨）測(cè)值較低，22∶00時(shí)分左右出現(xiàn)最小值，從溶解氧與葉綠素a含量的周日變化曲線上可以明顯看出（圖3），白天日光充足，葉綠素a含量較高，光合作用明顯，溶解氧含量較高，晚上浮游植物以呼吸作用為主，溶解氧含量降低，因此可見(jiàn)大連灣表層溶解氧含量的日變化受水體浮游植物活動(dòng)的影響顯著。同時(shí)從表層溶解氧與鹽度的周日變化曲線上來(lái)看（圖3），尤其是晚上表層溶解氧與鹽度變化趨勢(shì)較為一致，因此還表現(xiàn)出一定潮汐性，即鹽度高時(shí)溶解氧含量也高，如凌晨1∶30時(shí)的數(shù)值所示，與2.1節(jié)中所述的外海溶解氧含量高的現(xiàn)象相吻合。底層溶解氧含量日變幅為0.32mg/L，且周日變化趨勢(shì)與鹽度相一致，但時(shí)間滯后（圖3）。這應(yīng)該是由于漲潮時(shí)隨著高溶解氧的外海水的入侵水體溶解氧隨鹽度增高而增大，落潮開(kāi)始時(shí)原表層含有較高溶解氧的海水逐漸下降到底層，使得底層溶解氧持續(xù)升高，隨著高鹽水的進(jìn)一步后退，溶解氧含量才開(kāi)始呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；落潮到最低點(diǎn)時(shí)情況亦如此，故底層溶解氧含量的周日變化滯后于鹽度。因此，夏季大連灣表底層溶解氧周日變化影響因素各不相同，表層海水溶解氧白天受浮游植物活動(dòng)影響顯著，夜晚表現(xiàn)出一定潮汐性，而底層溶解氧則呈現(xiàn)出較顯著的潮汐性。

圖3 大連灣表底層溶解氧含量周日變化曲線

2.3 溶解氧與營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系

一定溫度、鹽度下，海水中實(shí)測(cè)的溶解氧含量與該條件下計(jì)算得到的溶解氧飽和含量之間的差異，一般認(rèn)為是由光合作用或有機(jī)物質(zhì)的氧化造成的。因此海水中溶解氧含量變化與伴隨這些過(guò)程所發(fā)生的營(yíng)養(yǎng)鹽再生有著密切的關(guān)系。為了研究溶解氧含量變化與營(yíng)養(yǎng)要素再生的關(guān)系，還需要引入表觀耗氧量（AOU）的定義（Pytkouicz，1971），計(jì)算式為：

其中CO2′表示現(xiàn)場(chǎng)溫度、鹽度下的氧飽和含量；CO2表示在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的溶解氧含量。

在真光層以上，如果浮游植物產(chǎn)氧的量大于有機(jī)物降解消耗氧的量，則AOU呈現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)為“產(chǎn)氧”水體；如果浮游植物產(chǎn)氧的量減少，而有機(jī)物降解耗氧較多，則會(huì)使得水體AOU呈現(xiàn)正值，此時(shí)為“耗氧”水體。如果將大連灣調(diào)查海域作為一個(gè)水體來(lái)分析，基于所有采集到的表底層溶解氧含量數(shù)據(jù)結(jié)果分析，該海域33.3%為“產(chǎn)氧”水體，主要位于大連灣灣口溶解氧含量較高的區(qū)域；66.7%為“耗氧”水體，主要位于灣里和近岸溶解氧含量較低的區(qū)域?？梢?jiàn)大連灣較大部分調(diào)查區(qū)域水體耗氧速度超過(guò)氧的補(bǔ)給速度，水中溶解氧量降低可能會(huì)一定程度上影響到該區(qū)域海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康。

本文著重討論該海域“耗氧”水體中營(yíng)養(yǎng)鹽與消耗氧之間的關(guān)系。由表1可以看出，“耗氧”水體中表觀耗氧量與4種營(yíng)養(yǎng)鹽均表現(xiàn)為較為顯著的正相關(guān)性，也就是說(shuō)隨著溶解氧的消耗，AOU增大，各種營(yíng)養(yǎng)鹽含量亦增大，該海域營(yíng)養(yǎng)鹽的再生與溶解氧有著密切的關(guān)系，尤其是NH4-N、PO4-P與AOU呈現(xiàn)非常好的正相關(guān)。同時(shí)NH4-N、PO4-P與鹽度均不存在較顯著的相關(guān)性，即大連灣周邊降水、徑流、生活用水的排放等沒(méi)有明顯導(dǎo)致這兩種營(yíng)養(yǎng)鹽的增加，并且由于港口改擴(kuò)建工程已基本清除了區(qū)域內(nèi)的海水養(yǎng)殖業(yè)，因此，在沒(méi)有其他明顯外源性輸入的情況下，NH4-N、PO4-P應(yīng)該是主要來(lái)源于大量有機(jī)物的氧化。

有研究指出（Glibert et al，1982），在真光層中再循環(huán)的N主要是NH4-N，并且浮游植物首先吸收NH4-N，在有機(jī)物分解礦化過(guò)程中，蛋白質(zhì)降解為氨基酸，然后氨基酸被氧化而釋放出NH4-N。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)該海域N/P比值平均為9.8，小于Redfield比值 16（Redfield et al，1963），N 明顯相對(duì)不足，新生成的NH4-N更可能優(yōu)先被浮游植物吸收，這就一定程度上減少了NH4-N被氧化成NO2-N和NO3-N的可能。多位學(xué)者曾提出有機(jī)物的再礦化過(guò)程如下式所示（Riley et al，1975）：

表1 該海域“耗氧”水體中各種營(yíng)養(yǎng)鹽與表觀耗氧量及鹽度的相關(guān)系數(shù)（n=18，n為樣品數(shù)）

圖4 該海域“耗氧”水體中各種營(yíng)養(yǎng)鹽與表觀耗氧量的線性關(guān)系

但在不同的氧化還原環(huán)境中，隨著氧化還原電位的變化，有機(jī)物氧化的產(chǎn)物也不太一致，溶解氧充足的水層一般分兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是含碳有機(jī)物的氧化，第二個(gè)階段是以硝化作用為主。本次調(diào)查大連灣海域樣品大都處于真光層，其中NH4-N含量占DIN含量的比例近60%，離岸較遠(yuǎn)的站位甚至達(dá)到90%，夏季海洋浮游植物生長(zhǎng)旺盛期，大量分解代謝產(chǎn)生的NH4-N來(lái)不及被氧化為NO3-N，因此，推斷NH4-N可能是該海域有機(jī)物氧化的主要產(chǎn)物，同時(shí)PO4-P也會(huì)被釋放出來(lái)。按照以上分析該海域有機(jī)物的耗氧分解過(guò)程更可能發(fā)生以下反應(yīng)：

然后NH4-N再可能被氧化成NO2-N或NO3-N，也就是說(shuō)有機(jī)物的分解過(guò)程以上兩種都可能存在，從化學(xué)方程式上看，△CAOU/△CNO3=138/16=8.6，而△CAOU/△CNH3=106/16=6.6，理論上，本海域的△CAOU/△CDIN應(yīng)該介于兩者之間，也就是說(shuō)有機(jī)物分解每生成1 mol的DIN應(yīng)該消耗6.6～8.6 mol的O2，而由圖4斜率推算可知，△CAOU/△CDIN=6.4，更接近6.6，這也進(jìn)一步驗(yàn)證該海域有機(jī)物的氧化主要產(chǎn)物為NH4-N，而不是NO2-N或NO3-N。通過(guò)三種營(yíng)養(yǎng)鹽與AOU的曲線斜率算出，每消耗一定量溶解氧生成NO2-N、NO3-N和NH4-N的比值約為2∶3∶6，NH4-N占到近60%，NH4-N是有機(jī)物的氧化的主要產(chǎn)物，有機(jī)物氧化也應(yīng)該是該海域NH4-N的一個(gè)重要來(lái)源，至于其貢獻(xiàn)率還需進(jìn)一步研究。另外，△CAOU/△CDIN=6.4小于理論值可能是由于陸源輸入的NO2-N和NO3-N含量增加，使得△CDIN增大造成的，同時(shí)也與浮游植物光合作用產(chǎn)氧較多有關(guān)。

按照上面的分析，△CAOU/△CP理論上應(yīng)該為106～138，而由圖4可知實(shí)際△CAOU/△CP=58.1小于理論值，可能的原因?yàn)椋阂环矫嫦募菊{(diào)查海域浮游植物光合作用較強(qiáng)，產(chǎn)氧較高，使得△CAOU降低；另一方面，浮游植物生長(zhǎng)快速，PO4-P消耗比較快，該海域存在一定量PO4-P的陸源輸入，底質(zhì)沉積物中的PO4-P也向海水中擴(kuò)散，通常不能被藻類細(xì)胞直接利用得溶解有機(jī)磷，也通過(guò)水解轉(zhuǎn)化為PO4-P，導(dǎo)致△CP增大，使得△CAOU/△CP小于理論值。

進(jìn)一步分析AOU與DIN，PO4-P的關(guān)系，每消耗一定量溶解氧生成的N、P比值約為9∶1，而海洋浮游生物和大洋中的△CN/△CP比值一般恒定在16∶1，偏離過(guò)或過(guò)低的話，其中含量相對(duì)低的元素將形成浮游植物生長(zhǎng)的控制因素。因此，本海域N，P營(yíng)養(yǎng)元素中，N是初級(jí)生產(chǎn)力的主要控制因素，△CN/△CP比值偏低并不是N的含量低，而是因?yàn)镻的含量相對(duì)比較高，本次調(diào)查僅PO4-P平均含量就高達(dá)0.027 mg/L，由于長(zhǎng)期P的增加導(dǎo)致了該海域N、P比值的失衡。

3 結(jié)論

（1）大連灣表層海水溶解氧含量為 5.66～8.59 mg/L，均值為7.66 mg/L，底層海水溶解氧含量為4.58～8.25 mg/L，均值為7.12 mg/L，表底層溶解氧含量平面分布趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為灣里和近岸低，自灣里向?yàn)晨谕庵饾u增大的趨勢(shì)

（2）夏季大連灣表底層溶解氧周日變化影響因素各不相同，表層溶解氧白天受浮游植物影響顯著，夜晚表現(xiàn)出一定潮汐性，而底層溶解氧周日變化趨勢(shì)與鹽度相一致，但時(shí)間滯后，呈現(xiàn)出較顯著的潮汐性。

（3）該海域營(yíng)養(yǎng)鹽的再生與溶解氧有著密切的關(guān)系，尤其是NH4-N、PO4-P與AOU呈現(xiàn)非常好的相關(guān)性。DIN中NH4-N是有機(jī)物氧化的主要產(chǎn)物?！鰿AOU/△CDIN和△CAOU/△CP的比值均小于理論值。本海域N，P營(yíng)養(yǎng)元素中，N是初級(jí)生產(chǎn)力的主要控制因素，△CN/△CP比值偏低并不是N的含量低，而是因?yàn)镻的含量相對(duì)比較高導(dǎo)致了該海域N、P比值的失衡。

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