辛 明,王保棟*,馬德毅
(1.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與工程國家海洋局重點實驗室,山東 青島266061)
由于黃海存在一個重要的海洋學(xué)現(xiàn)象——黃海冷水團,吸引了不少海洋學(xué)者對其開展考察和研究。其中,對于水文要素分布的研究多集中于黃海冷水團的形成及其環(huán)流結(jié)構(gòu)[1-2]。對于生源要素垂直分布的研究,最早的報道應(yīng)該是顧宏堪利用1958-1960年全國海洋綜合調(diào)查資料,提出“黃海夏季溶解氧垂直分布中的最大值是由冬季保持而來”的觀點[3]。此后,刁煥祥等指出水溫作為主導(dǎo)因素影響水化學(xué)要素的垂直分布[4]。王保棟等根據(jù)1976-1986年的標(biāo)準(zhǔn)斷面溶解氧資料,得出溶解氧最大值是溫躍層與光合作用共同作用的結(jié)果[5]。接著他又得出密躍層以下水體是“黃海一個重要的營養(yǎng)鹽貯庫”這一結(jié)論[6]。近年來,對于黃海東西橫向斷面生源要素分布特征和變化趨勢的研究逐漸展開和深入[7],包括37°N 斷面[8]、32°N 斷面[9]、35°N 斷面[10]和36°N 斷面[11-12]。
學(xué)者們針對東西橫向斷面和北黃海斜斷面的研究較多,但對南北縱向斷面生源要素的分布規(guī)律,尤其是貫穿整個黃海冷水團的縱斷面研究則較少,且迄今尚無清楚的認識。本文選取縱貫整個黃海冷水團的一個斷面(圖1),包括貫穿北黃海冷水團的A 段(7個站位)和縱貫?zāi)宵S海冷水團的B段(15個站位)。一方面,此斷面貫穿南、北黃海,跨度較大,且該斷面在夏、冬季分別受黃海冷水團和黃海暖流的影響較為顯著,其特殊的水文狀況勢必對環(huán)境因子的分布及其季節(jié)變化造成一定的影響。另一方面,以往的研究[13-14]顯示夏季該斷面上南、北黃海冷水團中心的位置較為穩(wěn)定,由于此斷面更靠近外海且貫穿了整個黃海的中部(主要是深水域),南、北黃海冷水團可以更好的連成一個整體,對于分析環(huán)境因子受黃海冷水團形成、發(fā)展與演化的影響較為直觀和準(zhǔn)確。因此,本文以此斷面為研究對象,系統(tǒng)分析其水文、化學(xué)要素的季節(jié)變化特征,并在此基礎(chǔ)上論述黃海冷水團、黃海暖流以及混合和層化等主要物理現(xiàn)象和過程對相關(guān)要素垂向分布的影響。
調(diào)查分別于夏季(2006-07-08)、冬季(2007-01-02)、春季(2007-04-05)、秋季(2007-10-11)進行,在北黃海的A 斷面布設(shè)7個站位(A1~A7),南黃海B斷面布設(shè)15個站位(B1~B15),站位圖見圖1。其中北黃海部分由中國海洋大學(xué)組織完成,南黃海部分由國家海洋局第一海洋研究所組織完成。
圖1 斷面站位分布Fig.1 Stations along the vertical section
4個航次均使用Sea-Bird 32CTD 儀測定溫度、鹽度和深度,同時使用Niskin采水器采集水樣(根據(jù)站位水深情況,取表層、10m 層、30m 層、50m 層和底層),分別測定DO、pH 和營養(yǎng)鹽等參數(shù)。其中DO 質(zhì)量濃度依據(jù)Winkler碘量法[15]在現(xiàn)場進行測定;pH 測定使用pH 電位法;營養(yǎng)鹽樣品現(xiàn)場經(jīng)過0.45μm 的醋酸纖維素濾膜(稀鹽酸浸洗后,用去離子水洗到中性)過濾后使用營養(yǎng)鹽自動分析儀(BRAN+LUEBBE)測定。DIN=NO3-N+NO2-N+NH4-N。
2.1.1 溫度和鹽度
冬季,水體垂向混合均勻,整個海區(qū)由表及底溫度、鹽度分布較為一致(圖2a、圖3a),這是冬季強勁北風(fēng)影響而使上下水體對流混合加劇的結(jié)果。在B5站(34°N)附近海域,出現(xiàn)明顯的高溫、高鹽帶,其核心溫、鹽度分別大于13℃、33.5,這表明此處為黃海暖流流軸所在位置。由此向兩邊,斷面上溫、鹽度值逐漸降低,這是因為冬季黃海暖流北上帶來的高溫高鹽外海水,對南黃海造成的增溫增鹽效應(yīng)明顯強于北黃海,而其在繞過山東半島向北繼續(xù)進入北黃海后勢力變?nèi)?。斷面中部偏南陸架海域鹽度分布出現(xiàn)很微弱的層化現(xiàn)象,表明冬季水體垂直對流作用在深水域未完全到達海底。斷面最北部海域(A3站以北)低溫(<7 ℃)、低鹽(<32.0)區(qū)域的出現(xiàn)則是受遼南沿岸流影響的結(jié)果。
圖2 各季節(jié)溫度(℃)的斷面分布Fig.2 The vertical distributions of temperature(℃)along the vertical section in the four seasons
入春后,斷面上溫、鹽度的分布秉承了冬季南高北低的特征(圖2b、圖3b)。在南黃海存在一高溫(>11℃)、高鹽區(qū)(>33.5),而在北黃海的下層水體則開始出現(xiàn)一低溫水團(<7 ℃)。這是因為南黃海受到黃海暖流殘留水的影響[16],而北黃海下層水體中低溫水團的形成則與以下原因有關(guān):表層海水受熱增溫,渦動混合作用減弱,溫躍層開始初步形成,使得冬季存留下來的黃海暖流水在溫躍層之下逐漸變性并呈現(xiàn)出冷水特性,此即為北黃海冷水團的雛形。由此可知,北黃海冷水團早于南黃海冷水團而形成??偠灾杭?,溫、鹽度垂直結(jié)構(gòu)處于由冬季向夏季轉(zhuǎn)型的過渡時期[17]。另外,存在于斷面北部海域的低溫、低鹽帶已不如冬季時明顯,這與遼南沿岸流在冬季流幅寬有關(guān)[18],該低溫區(qū)域似乎具有與處于北黃海部分的冷水融為一體的趨勢。
圖3 各季節(jié)鹽度的斷面分布Fig.3 The vertical distributions of salinity along the vertical section in the four seasons
夏季,由圖2c和圖3c可知,斷面上溫、鹽度垂直結(jié)構(gòu)層化清晰,呈現(xiàn)出較為明顯的上混合層-躍層-下混合層3層水體結(jié)構(gòu)。躍層以上水溫高、鹽度低且分布相對均勻,躍層以下大部分海域已被黃海冷水團所覆蓋,南、北黃海冷水團連成整體,表現(xiàn)為溫度低(<10 ℃)、鹽度高(>32)。處于該斷面上的南黃海冷水團面積明顯大于北黃海冷水團面積,且斷面上北黃海冷水團冷中心溫度(<7 ℃)、鹽度(>32)明顯小于南黃海海域冷水團。斷面南端出現(xiàn)高溫(>22 ℃)、低鹽(<30.5)區(qū)域,這顯然是受長江沖淡水的影響[19]。另外,溫躍層下界水溫等值線出現(xiàn)起伏或呈馬鞍形形態(tài),說明黃海冷水團內(nèi)部存在垂直環(huán)流,但并未穿透溫躍層。
秋季,整條斷面30m 以淺水體已經(jīng)呈現(xiàn)出垂直混勻的狀態(tài),斷面中部溫、鹽度躍層強度較夏季明顯減弱并逐漸下沉,黃海冷水團龜縮在低洼海域的底部,其強度和范圍也顯著減小。這表明秋季垂直混合作用尚不強烈,下層水體等值線的梯度分布逐漸向冬季過渡,尤其是北黃海區(qū)域。另外,入秋后,隨遼南沿岸流的逐漸增強[18],斷面北部出現(xiàn)的低鹽海域范圍有所擴大。
2.1.2 溶解氧(DO)和pH 值
pH 雖然不是生源要素,但其與生源要素的分布變化密切相關(guān),尤其是DO。刁煥祥等[20]、王保棟等[21]的研究指出,在氧最大值層往往伴隨著pH 最大值現(xiàn)象,所以在此一并討論。
圖4 各季節(jié)溶解氧(mg·dm-3)的斷面分布Fig.4 The vertical distributions of dissolved oxygen(mg·dm-3)along the vertical section in the four seasons
冬季,斷面上50m 以淺水體DO 垂向混合均勻,DO 的分布呈現(xiàn)出南低北高的分布特征,pH 的分布趨勢與其相反(圖4a、圖5a)。對比DO、pH 與溫度的分布趨勢,不難發(fā)現(xiàn)上述DO 和pH 的分布與水溫基本相對應(yīng),并分別呈負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系。南黃海50m 以深水體DO 濃度和pH 隨深度增加而降低,DO 質(zhì)量濃度低于7.8mg·dm-3,pH<8.06。DO 質(zhì)量濃度在該斷面南黃海中部海域呈現(xiàn)出上層高、下層低的分布特征,且在B9至B13站位(35°~36°N)海域的底層存在一溶解氧低值區(qū),這主要是由于南黃海中部海域水深較大,垂向混合作用未到達海底,底層水體有機質(zhì)氧化分解耗氧的結(jié)果,同時形成pH 低值區(qū)。
圖5 各季節(jié)pH 的斷面分布Fig.5 The vertical distributions of pH along the vertical section in the four seasons
春季,斷面上DO 質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出較為顯著的上層高、下層低的分布趨勢(圖4),pH 與其分布相似(圖5),尤其在B6站位34°N 以北海域。南黃海DO 質(zhì)量濃度普遍低于9.0mg·dm-3,小于北黃海DO 質(zhì)量濃度,一方面由于黃海4月是春季藻華期(spring bloom),真光層中含有大量的葉綠素a[22],強烈的光合作用使水體中的DO 質(zhì)量濃度增高,同時浮游植物大量吸收CO2,從而使上層水體pH 值升高;另一方面是由于低氧特性的黃海暖流殘留水影響。與冬季相比,此時斷面上出現(xiàn)較為明顯的層化現(xiàn)象,DO 和pH 的等值線走勢趨于水平方向,北黃海30m 以深水體出現(xiàn)DO 低值封閉區(qū),且DO 質(zhì)量濃度較冬季有所降低,而南黃海的這種現(xiàn)象存在于40m 以深水體,且DO 質(zhì)量濃度較冬季有所升高。這也表明北黃海躍層先于南黃海形成。
夏季,斷面上DO 分布最顯著的特征是:南黃海B6至B15站位(34°06′~37°00′N)30m 層出現(xiàn)DO 垂直分布最大值現(xiàn)象(CDO>8.0mg·dm-3),最高值達到10.3mg·dm-3,同時在溫躍層附近出現(xiàn)pH 最大值現(xiàn)象,這是由于浮游植物強烈的光合作用吸收大量的CO2所致,在北黃海及南黃海南部海域卻沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象(圖4c)。由圖5c可知,躍層以上水體DO 質(zhì)量濃度較春季下降,這顯然是上層水體溫度升高所致。30m 以深水體完全在黃海冷水團的控制下,北黃海下層水體DO 質(zhì)量濃度(CDO>8.5mg·dm-3)較上層水體高,這可能是由于冷水域水溫低,氧溶解度大的緣故。南黃海與此相反,主要是下層水體有機質(zhì)分解耗氧以及層化引起的水體交換不暢所致。另外,由圖4a,b,c三圖可以看出,南黃海30m 層DO 由冬季到春季再到夏季的過程中,其質(zhì)量濃度一直升高,這表明南黃海DO 垂直分布中的最大值并非由冬季保持而來。此外,斷面上DO、pH 在冷水團下界的等值線表現(xiàn)出與等溫線相似的起伏趨勢或馬鞍形形態(tài),這說明底層冷水存在上涌趨勢,與王保棟的研究結(jié)果一致[6]。
秋季,DO、pH 在斷面上層化現(xiàn)象依然存在(圖4d、圖5d),與夏季相比,上、下層水體的差距變小。斷面上中央海域上層水體DO 質(zhì)量濃度(CDO>7.6mg·dm-3)、pH 值(>8.14)都大于下層水體。40m 以深水體DO 質(zhì)量濃度與pH 值之間表現(xiàn)出良好的正相關(guān)(r=0.884 6,n=22),表明下層水體有機質(zhì)的分解耗氧,同時pH 值降低。另外,斷面上北黃海海域DO、pH 在溫躍層下界的等值線起伏形態(tài)與夏季類似,且其程度明顯較南黃海強,這可以間接說明北黃海上下層水體的混合早于南黃海,即北黃海冷水團有可能先于南黃海冷水團消失。
2.1.3 營養(yǎng)鹽
冬季,斷面上各項營養(yǎng)鹽呈現(xiàn)出南低北高的分布特點(圖6a、圖7a和圖8a)。強烈的垂直混合作用將下層水體豐富的營養(yǎng)鹽帶到上層,使斷面上PO4-P、SiO3-Si和DIN 垂直分布較均勻,以北黃海海域最為明顯。南黃海在B6至B15站位(34°~37°N)50m 以深海域出現(xiàn)營養(yǎng)鹽的高值封閉區(qū),PO4-P、SiO3-Si、DIN 濃度分別大于0.55,10.0,7.0μmol·dm-3,且隨深度的增加而增加。進一步分析得出,DO質(zhì)量濃度與三者表現(xiàn)出很好的負相關(guān)關(guān)系,這是因為此區(qū)域水深較深(>70m),垂直混合作用未到達海底,伴隨著有機質(zhì)分解耗氧,營養(yǎng)鹽再生。另外,在斷面最南部出現(xiàn)營養(yǎng)鹽的高值,且愈往南其濃度愈高,這應(yīng)該是臺灣暖流的影響[23]。
圖6 各季節(jié)磷酸鹽(μmol·dm-3)的斷面分布Fig.6 The vertical distributions of phosphate(μmol·dm-3)along the vertical section in the four seasons
春季,水溫升高,上層水體由于浮游植物的消耗,營養(yǎng)鹽較冬季其濃度明顯降低,PO4-P、SiO3-Si、DIN 濃度分別小于0.2,4.0,3.0μmol·dm-3(圖6b、圖7b和圖8b)。30m 以深水體的SiO3-Si、DIN 分布出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,PO4-P在北黃海分布與前兩者相似,而在南黃海其濃度整體較低,僅在最底層出現(xiàn)閉合的高值區(qū),這也體現(xiàn)出我國大部分海域寡磷的特征。另外,斷面上B5站位(33°40′12″N)以南海域出現(xiàn)營養(yǎng)鹽高值,以SiO3-Si、DIN 最明顯,兩者濃度分別大于12.0,9.0μmol·dm-3,較冬季明顯升高,這是由于臺灣暖流春季較冬季強[22],將富含營養(yǎng)鹽的長江沖淡水?dāng)y帶至此的結(jié)果。
圖7 各季節(jié)硅酸鹽(μmol·dm-3)的斷面分布Fig.7 The vertical distributions of silicate(μmol·dm-3)along the vertical section in the four seasons
進入夏季,由圖6c、圖7c和圖8c可以看出,三類營養(yǎng)鹽均呈上層低、下層高的分布趨勢。表層營養(yǎng)鹽幾乎被浮游植物消耗殆盡,除斷面南部海域外,其它海域30 m 以淺的上層水體營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度普遍較低(PO4-P、SiO3-Si、DIN 濃度分別小于0.2,2.0,2.0μmol·dm-3)。斷面南部由于長江沖淡水北上帶來豐富的營養(yǎng)鹽,各項營養(yǎng)鹽相對其它上層水體濃度較高。從垂直分布上看,斷面下層黃海冷水團水域三類營養(yǎng)鹽濃度隨深度增加而增加。北黃海冷水團營養(yǎng)鹽濃度明顯小于南黃海冷水團,其PO4-P(0.4μmol·dm-3)平均濃度為南黃海冷水團的一半,SiO3-Si(5.0μmol·dm-3)與DIN(4.0μmol·dm-3)平均濃度是南黃海冷水團的三分之一。值得注意的是,夏季整個黃海的營養(yǎng)鹽基本上集中于南北黃海冷水團區(qū)域,其成為營養(yǎng)鹽的貯庫,特別是PO4-P的貯庫,這與王保棟[5]和石曉勇[7]的研究結(jié)果一致。另外,黃海冷水團上界各項營養(yǎng)鹽等值線出現(xiàn)明顯的起伏現(xiàn)象,這與其它化學(xué)要素的等值線分布相似,也說明了底層冷水存在上涌趨勢,但并未穿透溫、鹽躍層。
圖8 各季節(jié)溶解無機氮(μmol·dm-3)的斷面分布Fig.8 The vertical distributions of dissolved DIN(μmol·dm-3)along the vertical section in the four seasons
秋季,斷面上30m 以深水體營養(yǎng)鹽的分層現(xiàn)象依然較為明顯,冷水團范圍明顯減少,完全龜縮在黃海槽中(圖6d、圖7d和圖8d)。底層水溫較夏季有所升高,異養(yǎng)生物活動增強,隨著有機質(zhì)分解,營養(yǎng)鹽再生,三類營養(yǎng)鹽濃度較夏季有所升高,35m 以深的黃海槽水域,PO4-P、SiO3-Si、DIN 濃度分別大于0.2,9.0,8.0μmol·dm-3。進一步分析得出,在秋季,南、北黃海冷水域內(nèi)三類營養(yǎng)鹽等值線趨勢非常相似。由于深度的增加,表現(xiàn)出南黃海的營養(yǎng)鹽濃度高于北黃海。值得注意的是,在南、北黃海冷水團的邊緣(B6、A7站位)營養(yǎng)鹽等值線呈上凸趨勢,且強度較夏季有所增強,這也在一定程度上表明黃海冷水團內(nèi)部的垂直環(huán)流有將底層高營養(yǎng)鹽濃度的水體向上層輸送的趨勢。同時,黃海冷水團即將分成南、北兩部分。
2.1.4 葉綠素a
冬季,受光照和透明度影響,斷面上葉綠素a 呈現(xiàn)出南高北低、真光層以上高于下層水體的特點(圖9a)。
圖9 各季節(jié)葉綠素a(mg·m-3)的斷面分布Fig.9 The vertical distributions of chlorophyll a(mg·m-3)along the vertical section in the four seasons
春季,由于溫度升高,上表層浮游植物活動增強,葉綠素a質(zhì)量濃度較冬季明顯升高,同時由于躍層初步形成,造成斷面上次表層葉綠素a質(zhì)量濃度高于表層的現(xiàn)象(圖9b)。值得注意的是,北黃海底層亦出現(xiàn)葉綠素高值,這可能是由于春季浮游植物的水華來不及被浮游動物攝食而直接沉降到底層的緣故。
夏季,與DO 分布相似,其顯著的分布特征是:斷面上南黃海出現(xiàn)DO 垂直分布最大值的區(qū)域?qū)?yīng)出現(xiàn)葉綠素a最大值現(xiàn)象(cchl-a>0.25mg·m-3)(圖9c),這也說明溶解氧最大值現(xiàn)象與次表層葉綠素最大值現(xiàn)象(Sub-surface Chlorophyll Maximum,SCM)相伴生。
秋季,與夏季相比,該斷面上葉綠素a在上層水體的分布更為均勻,與營養(yǎng)鹽分布相似,這說明上層水體的葉綠素a質(zhì)量濃度主要取決于光照,而在躍層以下其層化現(xiàn)象更為明顯(圖9d),隨深度增加,葉綠素a質(zhì)量濃度呈階梯式減小。
2.2.1 各要素平均值的季節(jié)變化
為反映各生源要素濃度在貫穿黃海冷水團斷面上的季節(jié)變化情況,特分析各要素在表層、10m 層、30m層、底層和整條斷面中的濃度范圍、平均值及其季節(jié)變化,見圖10。
圖10 各水層和整條斷面上生源要素的季節(jié)變化Fig.10 The seasonal changes of biogenic elements in all water layers and along the whole section
各水層和整條斷面的DO 質(zhì)量濃度平均值的季節(jié)變化順序為:春季最高,冬季次之,夏、秋季為低值期。PO4-P濃度平均值的季節(jié)變化順序為:自冬季至春季由于浮游植物活動的增強,其濃度大幅度下降,由春季至秋季,上層水體PO4-P繼續(xù)被消耗,下層水體由于躍層的存在,其濃度有所升高。SiO3-Si、DIN 濃度平均值的季節(jié)變化趨勢一致,表現(xiàn)為:由冬季至夏季,兩者濃度不斷降低,自夏季至秋季,兩者濃度明顯升高。另外,三類營養(yǎng)鹽在底層的濃度一年四季均高于其它三層,而DO 質(zhì)量濃度卻恰恰相反,這主要與上層水體浮游植物的活動以及下層水體有機質(zhì)的分解有關(guān)。
2.2.2 B12站位各要素的季節(jié)變化
圖11為黃??v斷面上黃海冷水團區(qū)域B12站位水溫和生源要素的季節(jié)變化,由統(tǒng)計結(jié)果得出,在大部分站位三類營養(yǎng)鹽之間存在良好的相關(guān)性(r>0.7),因此選擇無機氮來說明此站位營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化。上層水體(表層和10m 層)DO 的季節(jié)變化順序與整條斷面相同,而其與表層水溫的變化相反,這說明上層水體的DO 質(zhì)量濃度主要受溫度控制,30m 層水體以春季和夏季DO 最高,說明其質(zhì)量濃度主要受控于浮游植物的光合作用,底層水體與整條斷面變化一致。上層水體pH 的季節(jié)變化順序為:秋季>春季>夏季>冬季,體現(xiàn)出水溫和光合作用的共同影響。下層水體由于有機質(zhì)分解耗氧使pH 降低,表現(xiàn)出由春季到秋季pH 不斷降低的趨勢。上層水體無機氮在春、夏季表現(xiàn)出低值,但在下層水體則由春季至秋季不斷積累,這與DO 和pH 的季節(jié)變化正好相反。
圖11 斷面上B12站水溫(a)、溶解氧(b)、pH(c)、無機氮(d)的季節(jié)分布Fig.11 The seasonal changes of temperature(a),dissolved oxygen(b),pH (c)and inorganic nitrogen(d)at station B12in the section
黃海冷水團縱貫斷面水文、化學(xué)要素的垂直分布主要受黃海暖流、遼南沿岸流和黃海冷水團的影響,尤其是黃海暖流和黃海冷水團的季節(jié)性演替變化,使得生源要素表現(xiàn)出鮮明的季節(jié)變化特征。結(jié)果表明:
冬季,黃海暖流對南黃海造成的增溫、增鹽效應(yīng)強于北黃海,且垂直混合作用在深水域未到達海底,各要素在北黃海垂直分布均勻,而南黃海深水域生源要素濃度隨深度增加而升高;春季,北黃海出現(xiàn)層化現(xiàn)象,上層水體DO 質(zhì)量濃度和pH 大于下層,營養(yǎng)鹽則相反,南黃海部分層化程度較弱,在最底層出現(xiàn)DO 低值和營養(yǎng)鹽高值封閉區(qū);夏季,就水文要素而言,水體呈現(xiàn)出上混合層-躍層-下混合層的三層結(jié)構(gòu),上下水體的最大溫差達14 ℃,最大鹽差達到5.0。躍層以上水體營養(yǎng)鹽被浮游植物消耗殆盡,躍層以下水體幾乎被黃海冷水團覆蓋,營養(yǎng)鹽濃度隨深度增加而增大,DO 則相反。南黃海躍層下界(30m 層)出現(xiàn)DO 和pH 垂直分布最大值現(xiàn)象,且與次表層葉綠素a最大值現(xiàn)象相伴生,而在北黃海則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象;秋季,躍層下沉,黃海冷水團龜縮在黃海槽中,冷水域的營養(yǎng)鹽含量由于不斷積累而出現(xiàn)最高值,DO 則達到最低值。
此外,自春季至秋季,溫躍層附近各要素的等值線呈現(xiàn)出馬鞍形或起伏趨勢,表明在溫躍層以下存在底層冷水上涌的現(xiàn)象。另外,冷水團的形成和消失均是北黃海先于南黃海。
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