长江口及邻近海域低氧区的时空变化特征与关键过程研究

【摘要】：近几十年来,在人类活动和全球气候变化的共同影响下,近海富营养化程度不断加剧,低氧现象(DO￡3 mg/L)在世界范围内频发,且其出现的频率、范围和持续时间等呈现逐渐增长的发展趋势,俨然已成为近海典型的生态灾害之一。长江口及邻近海域是我国近海低氧现象发生最为突出的海域,低氧现象的频发对该海域生态系统造成了严重危害。针对长江口及邻近海域的低氧问题,基于在该海域首次开展的高频率、大范围、多学科的逐月精细化调查(2015年2月–2016年1月)与船基实验(2017年7月),本博士学位论文系统研究了该海域低氧区在整个年度内的时空变化特征,结合水文与生物化学等同步观测数据,辨析了不同时期影响低氧区分布的关键因子及过程。在此基础上,进一步揭示了低氧区的“南、北双核”结构,探讨并验证了影响南、北两处低氧区关键过程的差异,并定量估算了沉积物耗氧(Sediment Oxygen Demand,SOD)在低氧区形成过程中的贡献,主要研究结果如下:(1)长江口及邻近海域低氧区的时空变化全年逐月航次调查结果表明,研究海域底层溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)含量的变化范围是1.10–10.59 mg/L,其分布存在显著的时空差异。总体而言,2–3月,底层DO含量较高且处于饱和状态,DO分布呈现从近岸向外海逐渐降低的趋势。4月起,低DO含量水体(DO￡6 mg/L)首先出现在研究海域南部,此后从南到北逐渐扩展且影响范围增大。在此基础上,研究海域低氧区于8月在长江口和浙江近岸局地加剧而发展形成并持续到10月。其中,8月低氧区覆盖面积最为广阔,达14800 km~2。此后低DO含量水体“从北到南逐渐消失”。根据全年范围内DO分布特点,将该海域低氧区生消过程主要分为四个阶段,分别为:前期、发展期、形成期与消失期。在低氧区生消的不同时期,控制DO分布的关键过程存在显著差异。在前期(2–3月),水体混合作用强烈,DO分布主要受其溶解度控制。在发展期(4–7月),低DO浓度与高盐度特征的黑潮近岸分支(Nearshore Kuroshio Branch Current,NKBC)的入侵提供了较低的DO背景,并促进了研究海域的水体层化;此后随着表层海水的增温以及长江冲淡水(Changjiang Diluted Water,CDW)的增加,局地层化加剧并向北扩展,导致低DO含量水体逐渐向北扩展,影响范围更广阔。在形成期(8–10月),强烈的水体层化限制了DO垂直输送,此外局地有机物降解过程的加剧促进了低氧区的形成。此后在消失期(11–次年1月),随着水体层化减弱与向南退缩,低氧区从北到南逐渐消失。低氧区的发展、形成与消失是多种因素综合作用的结果,整体而言,全年范围内跃层的变化对DO时空分布的变化具有重要的控制作用。(2)长江口及邻近海域低氧区的空间异质性特点长江口及邻近海域低氧区在空间上呈现不连续的分布特征,低氧区具有“南、北双核”结构,且该特征在低氧最严重的8月最为显著:北部低氧区位于长江口(30.73–32.30°N,122.96–124.60°E),向北延伸至南黄海南部,覆盖范围广阔(9900 km~2);南部低氧区位于浙江近海(28.43–29.40°N,121.97–122.63°E),面积较小(4900 km~2)。针对低氧区的“南、北双核”结构,本研究深入揭示了南、北两处低氧区水文特征与生化特征的差异,探讨了影响两处低氧区关键过程的差异。一方面,两处低氧区的水文特征存在差异:NKBC对南部低氧区影响显著,而在北部低氧区,CDW的影响更为明显。进一步分析发现,南、北两处低氧区的跃层结构与强度存在差别,北部低氧区的水体层化更为强烈,对DO垂直输送的限制可能更强。此外,两处低氧区的生化特征存在差异:南部低氧区表层沉积物具有较高的有机物含量,且南部低氧区底层水体表观耗氧量(Apparent Oxygen Utilization,AOU)与NO_3~-+NO_2~-和PO_4~(3-)的相关关系以及N/P比与Redfield模型的耦合性更好。(3)沉积物耗氧对长江口及邻近海域低氧区空间异质性的影响为进一步验证并分析南、北两处低氧区生化过程的差异,本研究于2017年7月开展了现场实验,测定了研究海域浮游植物沉降速率,并在北部低氧区(3100–2站位)、南部低氧区(DH4–0A与JQ1–1站位)以及非低氧区(JQ6–1站位)测定了上述站位SOD速率。现场培养实验结果表明,研究海域浮游植物沉降速率的变化范围为0.75–3.34 m/day,存在显著的空间差异。浮游植物沉降速率受其生物量与群落结构影响,南部低氧区浮游植物沉降速率高于北部低氧区与非低氧区。研究海域SOD速率的变化范围为7.30–19.00 mmol/(m~2·day),其分布也存在明显的空间差异:南部低氧区站位SOD速率北部低氧区站位SOD速率非低氧区站位SOD速率,上述结果进一步证明了南部低氧区表层沉积物耗氧分解更为强烈。在此基础上,本研究估算了7–8月跃层以下水体DO净亏损量以及SOD的贡献:在北部低氧区3100–2站位,SOD占DO净亏损的51%;在南部低氧区DH4–0A与JQ1–1站位,SOD分别占DO净亏损的49%与56%;在非低氧区JQ6–1站位,SOD占DO净亏损的43%。本文的创新点主要体现于:基于在长江口及邻近海域首次开展的逐月精细化调查,细致刻画并证明了该海域低氧区“从南到北形成,从北到南消失”的时空变化特征,辨析了不同时期影响低氧区分布的关键因子与过程;阐释了“南、北双核”低氧结构的生消过程差异及其产生机制,定量估算了SOD在低氧区形成中的贡献。综上所述,本博士学位论文进一步深化了对长江口及邻近海域低氧区生消特点的认识,阐释了低氧区生消过程中关键过程的协同作用及其时空差异,相关研究结果为深入揭示低氧区的形成机制奠定了基础,同时为进一步阐明该海域主要生源要素循环与生态系统结构与功能提供了科学依据。