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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 5: 98 - 105

DOI: https://doi.org/10.11978/2018021

深圳东部近岸海域溶解氧的时空分布特征

  • 庄晓珊 , 1 ,
  • 桓清柳 1 ,
  • 彭莹 2 ,
  • 王节亮 3 ,
  • 庞仁松 4 ,
  • 周凯 , 4
展开
  • 1. 深圳市朗诚科技股份有限公司, 广东 深圳 518000
  • 2. 特拉华大学, 纽瓦克 特拉华 美国 19716
  • 3. 深圳绿微康生物工程有限公司, 广东 深圳 518000
  • 4. 深圳市海洋环境与资源监测中心, 广东 深圳 518000
通信作者:周凯。E-mail:

作者简介: 庄晓珊(1987), 女, 广东省汕尾市人, 硕士研究生, 从事海洋水质环境监测。E-mail:

收稿日期: 2018-02-27

  要求修回日期: 2018-06-04

  网络出版日期: 2018-10-13

基金资助

深圳市海洋局资助项目(301200800174-01)

收起

Spatial and temporal distribution of dissolved oxygen in the coastal waters of eastern Shenzhen

  • ZHUANG Xiaoshan , 1 ,
  • HUAN Qingliu 1 ,
  • PENG Ying 2 ,
  • WANG Jieliang 3 ,
  • PANG Rensong 4 ,
  • ZHOU Kai , 4
Expand
  • 1. Shenzhen Lightsun Industry Co. Ltd, Shenzhen 518000, China
  • 2. University of Delaware, Newark 19716, USA
  • 3. Shenzhen Leveking Bio-engineering Co. Ltd, Shenzhen 518000, China
  • 4. Marine Monitoring & Forecasting Center of Shenzhen, Shenzhen 518000, China;
Corresponding author: ZHOU KAI. E-mail:

Received date: 2018-02-27

  Request revised date: 2018-06-04

  Online published: 2018-10-13

Supported by

Municipality Oceanic Administraction of Shenzhen Funded Project (301200800174-01)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

摘要

根据2012—2016年的9个浮标自动监测数据, 分析了深圳东部近岸海域溶解氧浓度的时空分布特征及其与主要水质参数的相关关系。结果表明, 大亚湾海域溶解氧浓度含量在2.15~14.86mg·L-1之间, 平均值为7.31mg·L-1, 大鹏湾海域整体表层溶解氧浓度范围为1.43~15.61mg·L-1, 平均值为7.13mg·L-1; 在时间分布上, 深圳东部海域溶解氧含量呈现白天高于夜间, 春、夏、秋季低, 冬季高的趋势; 在空间分布上, 深圳东部海域溶解氧含量呈现出夏秋季大亚湾高于大鹏湾, 春冬季大亚湾和大鹏湾相差不大的特点。Pearson相关性分析表明, 该海区溶解氧含量与温度、盐度、浊度及叶绿素a存在显著的线性相关性, 且相关关系呈现出随季节变化的差异性。

关键词： 深圳; 近岸海域; 在线监测; 溶解氧; 分布特征

本文引用格式

庄晓珊 , 桓清柳 , 彭莹 , 王节亮 , 庞仁松 , 周凯 . 深圳东部近岸海域溶解氧的时空分布特征[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(5) : 98 -105 . DOI: 10.11978/2018021

Abstract

In the present work, we analyzed the spatial and temporal distribution of dissolved oxygen (DO) and the relationships between DO and water quality parameters of coastal waters in the eastern Shenzhen area. The data were collected from nine automated monitoring buoy platforms from 2012 to 2016. The results showed the ranges of DO in Daya Bay and Mirs Bay were from 2.15 to 14.86 mg·L-1 and from 1.43 to 15.61 mg·L-1, respectively. The mean DO in Daya Bay and Mirs Bay were 7.31 and 7.13 mg·L-1, respectively. Analysis showed the DO during daytime was higher than in nighttime, and the DO was higher during winter than in the other seasons. For comparison between locations, the DO in Daya Bay was higher than Mirs Bay in fall and summer but showed no difference in spring and winter. Pearson’s correlation analysis revealed the DO exhibited seasonally dependent linear relationships with temperature, salinity, turbidity, and chlorophyll-a concentration, respectively.

Key words： Shenzhen; nearshore; online monitoring; dissolved oxygen; temporal and spatial distributions

海水中溶解氧浓度是海洋调查的基本要素之一, 是物理海洋学、海洋化学、生物海洋学等学科研究的基本参数之一, 也是研究海洋生物活动的指标之一(蔡励勋, 2008)。海水溶解氧含量对调节海水水环境中的众多物质的氧化分解起着主导作用, 反映出当地海区的生物生长状况和污染状态, 是改良海水水质的重要指标(王成善 等, 1999; Neal et al, 2006)。溶解氧浓度对于海水养殖业来说也非常重要, 除了表现为对养殖生物有直接的影响外, 还对饵料生物的生长、对水中化学物质存在形态有重要的影响, 因而又间接影响到海水养殖生产。对于近岸浅水区海域, 受水温的季节变化和人为活动影响较大, 溶解氧浓度时空变化也很明显(韩舞鹰 等, 1986; Boyer et al, 1999)。由于所处地理位置和特定生态环境条件存在差异, 不同海湾影响溶解氧浓度分布的主导因子也不尽相同, 因此对特定海湾溶解氧浓度的分布及其浓度影响因素的研究, 有助于阐明该海湾水质状况(叶丰 等, 2012 ), 为海水浴场、海水增养殖区等基本海洋功能区的开发提供科学依据。
深圳东部海域包括大亚湾和大鹏湾, 该处海域滨海旅游和渔业资源非常丰富, 大鹏湾南澳和大亚湾东山浅海养殖区是深圳市目前最重要的两个海水增养殖区。本文利用深圳东部近岸海域2012 —2016年的浮标在线监测数据, 对东部海域溶解氧浓度进行了分析和讨论, 并对近年来东部海域出现的夏季低氧和冬季高氧的现象进行了浅析。

1 材料与方法

1.1 深圳东部海域浮标布局

深圳东部海域共布放9个浮标, 具体浮标站位分布见图1, 各个浮标站位经纬度见表1。测定仪器采用了海洋水质自动监测浮标(YSI/EMM700、Fugro/Midi185、LS-MM200), 浮标均搭载、悬挂多种类型水文与气象传感器, 具有能定点、自动、长期、连续地进行采集、处理、存储和无线传输等功能。浮标整体可抗10级台风, 严格进行浮标传感器的周期性检定/校准和对浮标各系统(包括标体、锚链、传感器、电子仓、供电系统、数据采集与通讯系统、安全防护系统等)进行定期的故障或应急维护、海上数据比对等运行维护工作来保障数据的有效性和稳定性。浮标仪器设备按相关的计量检定/校准规程进行周期性的检定/校准, 根据海区环境条件、仪器性能和数据比对结果偏差等因素综合考虑确定维护周期, 故障处理/应急事故处理后相关仪器设备需经重新检定/校准方可再投入运行。浮标系统维护前后均应采用检定合格的便携式仪器进行海上数据比对, 数据比对时间应与浮标取样时间保持一致, 比对结果若超出其准确度范围, 应对传感器重新校准、维修或更换。浮标监测水质仪器采用了YSI/6600V2-4、WetLabs /WQM, 监测参数包括水温、盐度、溶解氧浓度、pH、叶绿素 a、浊度、溶解氧饱和度等, 每30min测一组数据。
Tab. 1 Locations of buoys and their sampling periods

表1 浮标站位坐标与采样的时间范围

站位 东经/° 北纬/° 时间范围/(年.月)
大亚湾 FBDY1坝光 114°33'18.60" 22°39'34.19" 2013.12—2016.12
FBDY2核电站 114°34'39.108" 22°36'42.012" 2013.7—2016.12
FBDY3东山 114°31'4.20" 22°34'10.8" 2012.1—2016.12
FBDY5东冲 114°34'17.4" 22°28'27.599988" 2013.10—2016.12
大鹏湾 FBDP1沙头角 114°15'32" 22°33'5" 2014.8—2016.12
FBDP2大梅沙 114°18'48" 22°35'36" 2012.1—2016.12
FBDP3下沙 114°27'20.4" 22°34'1.2" 2012.1—2016.12
FBDP4南澳 114°28'40.20" 22°31'31.8" 2012.1—2016.12
FBDP5大鹏湾湾口 114°29'14" 22°25'49" 2014.7—2016.12
Fig. 1 Map of buoy monitoring stations in Shenzhen eastern coast

图 1 深圳东部海域浮标分布

1.2 数据处理

当24小时(00时至24时)内缺测≥12次, 则定该日为缺测, 不进行统计; 当每月中同一时次缺测≥15次, 则定该时次缺测。将观测时间范围内每日同一时次的观测值累加求平均得到该时次平均值, 每月所有时次观测值累加求平均得到该月平均值, 将每年每月所有时次的观测值累加求平均得到该年该月平均值, 春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11 月)、冬(12—2 月)监测时间范围内各季节所有时次的观测值累加求平均得到各季的季平均值, 湾内各海域均值累加求平均得到该湾均值。此次研究中所采用的深圳东部海域各个浮标监测点数据量见表2。
Tab. 2 Number of data points collected from each buoy

表2 各浮标站位观测次数

大亚湾 大鹏湾
站位 FBDY1
坝光		 FBDY2
核电站		 FBDY3
东山		 FBDY5
东冲		 FBDP1
沙头角		 FBDP2
大梅沙		 FBDP3
下沙		 FBDP4
南澳		 FBDP5
大鹏湾湾口
观测次数 49866 422262 80440 48537 49866 708081 82696 82649 22488
研究溶解氧浓度与环境因子的相关性分析采用 Pearson相关性系数, 所有数据的统计分析借助 IBM SPSS Statistics 19.0软件进行, 图表制作借助orgin8.1软件制作, 等值线分布图使用Golden Software Surfer9.0软件生成。

2 结果

2.1 溶解氧含量的昼夜变化

近岸海域海水的溶解氧浓度分布变化主要受温度影响外, 与生物作用、海水运动也有密切关系。氧在海水中的溶解度, 随温度的升高而降低, 而且在有浮游生物生长繁殖的海域, 表层海水的溶解氧含量不但白天和黑夜不同, 而且随季节而异。从时刻均值统计可以看出, 大亚湾和大鹏湾海域的溶解氧浓度昼夜变化规律均比较明显, 最高值均出现在16:00—17:00, 最低值均出现在06:00—07:00。两个海湾的溶解氧含量均呈现白天高、夜间低的特点, 在光照最强的14:00—17:00点为溶解氧浓度高峰期, 符合生物作用对表层海水溶解氧浓度的影响规律。
从图2可以看出, 核电站站位溶解氧含量较低, 昼夜变化比较平缓, 其他站位溶解氧含量变化趋势较一致, 这可能与核电站温排水有关。从图2也可看出, 沙头角和坝光站位溶解氧含量较低, 昼夜差别较大, 主要原因为二者均位于两湾湾顶, 为主要居民居住地与养殖区, 海水富营养化, 再加上水动力条件不足, 水体比较稳定, 表、底层的氧交换受阻, 易发生藻类大量增殖, 因而浮游植物的光合作用导致了溶解氧含量的昼夜差别更大些。而东冲和湾口站位溶解氧含量均较高, 昼夜差别较小, 这是因为东冲和湾口浮标均处于湾口, 水质贫营养化, 水动力条件较好, 海水的潮汐运动带来大量的溶解氧, 从而使表层溶解氧得到补充(周毅频 等, 2011), 而且这两个站位浮游植物含量相对湾内较低, 故溶解氧含量昼夜变化不明显。
Fig. 2 Diurnal change of dissolved oxygen (DO) during 2012-2016

图2 2012—2016年溶解氧浓度的日变化

2.2 溶解氧含量的月变化

大亚湾溶解氧浓度的月均值变化范围为6.07~ 9.0mg·L-1, 月均值最大值出现在东冲海域的3月份, 为9.0mg·L-1, 最低值出现在坝光海域的8月份, 为6.07mg·L-1。大鹏湾的月均值变化范围为4.27~ 9.71mg·L-1, 最小值出现在沙头角的浮标站海域的5月份, 最大值出现在大梅沙的2月份。沙头角位于湾内浅水区, 热容较小, 致使水体对季节气温变化更为敏感, 受水动力环境及陆源排放影响, 沙头角相对其他几个海区年日变化比较大。从图3的溶解氧浓度日平均值的年周期变化中可以看出大亚湾和大鹏湾海域表层海水溶解氧含量均有明显的2个波段, 4—11月溶解氧浓度值较低, 其平均值约为6.83mg·L-1; 12月至翌年3月, 溶解氧浓度值处在较高的范围内, 平均值高达8.21mg·L-1, 两者相差1.38mg·L-1, 这是由于夏季较冬季水温高, 海洋生物耗氧量增加以及水中有机物在高温中需消耗大量氧的缘故, 因此水中溶解氧浓度值就较冬季低得多。从年日均值的统计资料可知, 每年深圳最热的8月到9月溶解氧浓度值是最低的, 而入冬后, 溶解氧浓度开始上升, 在2月到3月是最高的, 溶解氧浓度甚至会超过饱和值很多, 这说明了冬季海域水中植物的光合作用比较强, 而且水温较低时, 会有更多氧气溶解到海水中。
Fig. 3 Seasonal variation of DO during 2012-2016

图3 2012—2016年溶解氧浓度的月变化

2.3 溶解氧含量的季节变化

大亚湾与大鹏湾溶解氧含量均呈现冬季>春季>夏季≥秋季的规律(表3)。大亚湾和大鹏湾冬季溶解氧浓度均值分别为8.10mg·L-1和8.06mg·L-1, 春季均为7.45mg·L-1, 夏季分别为6.85mg·L-1和7.04mg·L-1, 秋季分别为6.26mg·L-1和6.64mg·L-1。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, 故海水中溶解氧浓度达到全年最大值。
Tab. 3 Seasonal distributions of DO in surface coastal waters off eastern Shenzhen during 2012-2016

表3 2012-2016年深圳东部海域表层海水溶解氧浓度季节分布特征

海区 溶解氧浓度绝对含量(mg·L-1)
春季 夏季 秋季 冬季
量值范围 平均值 量值范围 平均值 量值范围 平均值 量值范围 平均值
大鹏湾 3.11~21.89 7.45 1.04~23.06 6.85 1.07~10.69 6.26 2.12~19.22 8.06
大亚湾 1.47~20.03 7.45 0.39~21.34 7.04 0.25~17.28 6.64 2.4~19.28 8.10
随着海水温度的上升, 春季溶解氧溶解度相应下降。夏秋季, 受高温影响, 氧气在海水中的溶解度大大降低。
深圳东部海域溶解氧含量在空间分布上为夏秋季大鹏湾小于大亚湾, 春冬季大亚湾与大鹏湾相差不大(图4、5), 这是因为春冬季海水溶解氧浓度主要受温度影响, 地理位置上两湾相距不远, 影响比较接近, 而夏秋季, 两湾溶解氧浓度变化除受温度影响外, 两湾的地形差异, 大鹏湾沙头角海域濒临香港, 湾型整体上比起大亚湾来讲更加封闭, 受陆源污染及湾内水动力不足情况也会相对严重, 生物作用更加活跃等这些因素也起到一定作用。大亚湾各海域秋冬季表现为坝光>东冲>东山>核电站, 春夏季为东冲>坝光≥东山≥核电站; 大鹏湾各海域春秋冬三季均表现为大梅沙>下沙>南澳>大鹏湾湾口>沙头角, 夏季为大梅沙>大鹏湾湾口>南澳>下沙>沙头角。大亚湾核电站海域四季均低于湾内其他海域, 主要是受核电站温排水影响; 沙头角四季也均低于湾内其他海域则可能主要是监测海域靠近居民生活区, 富营养化较严重, 受生物作用及水动力影响。
Fig. 4 Spatial distributions of DO in Mirs Bay in four seasons of 2012-2016

图4 2012—2016年大鹏湾溶解氧含量(mg·L-1)的时空分布

Fig. 5 Spatial distributions of DO in Daya Bay in four seasons of 2012-2016

图5 2012—2016年大亚湾溶解氧含量(mg·L-1)的时空分布

2.4 溶解氧含量的年际变化

深圳东部海域近岸表层溶解氧浓度的年际状况见图6、7、8, 大亚湾海溶解氧浓度均值为6.8~9.86mg·L-1, 大鹏湾为6.89~9.91mg·L-1。氧含量较高时段是秋末至翌年仲春, 溶解氧浓度较低的月份则在8—10月。大亚湾和大鹏湾海域在2012到2016年溶解氧浓度变化趋势整体呈现4—5月下降, 8月达到较低值, 11月再升高, 12月到2月处于较高值的分布规律。大鹏湾2012年8月6—13日发生了锥状施克里普藻赤潮, 导致溶解氧含量升高, 南澳海域最高日均值达14.5mg·L-1; 同月的16—17日与9月13—15日期间出现了两次溶解氧浓度骤降, 日均值由正常的7mg·L-1左右骤降接近于2mg·L-1, 主要原因与“启德”台风及外来高盐低氧冷水团有关(胡蓉 等, 2014), 因此2012年的8月月均值被拉平, 9月的月均值则稍微偏低于其他年份。2014年4—12月溶解氧浓度波动较大, 溶解氧浓度月均值最低值为5.94mg·L-1, 日均值最高达到9.24mg·L-1; 2014年8月与9月两个海域均出现较低值, 其原因可能为两方面, 一是2014年东部海域共发生4次较大赤潮, 消亡时间均在8月左右, 赤潮早期藻类大量繁殖, 溶解氧增多, 而赤潮后期, 微生物降解作用需要大量耗氧, 导致溶解氧减少, 二是当年9月由于受台风影响, 溶解氧浓度变化较大。2016年2月两个海域表层溶解氧含量均明显高于2012—2015年, 大鹏湾2016年2月月均值高达9.6mg·L-1, 大亚湾月均值高达9.8mg·L-1, 大鹏湾南澳海域2月最高日均值达13.39mg·L-1, 下沙海域高达13.5mg·L-1, 大梅沙海域高达13.48mg·L-1, 大亚湾东山海域高达14.09mg·L-1, 这主要与2016年2月底—3月初在东部海域大面积暴发赤潮有关。
Fig. 6 Seasonal and interannual DO variation from 2012-2016

图6 2012—2016年海水溶解氧浓度年月变化

Fig. 7 Daily DO concentration variation for August 2012 to September 2012 and for February 2016 to March 2016

图7 2012年8—9月与2016年2—3月海水溶解氧浓度日均值变化

Fig. 8 Distributions of DO in the eastern surface waters off Shenzhen

图8 深圳东部表层溶解氧浓度的平面分布

2.5 溶解氧含量与环境因子之间的关系

近年来, 深圳东部海域表层溶解氧浓度呈现出夏季低氧, 冬季高氧的规律, 故将深圳夏冬两季溶解氧浓度与浮标自动监测的多个环境因子进行相关分析(表4)。结果表明, 溶解氧浓度与各水质参数的相关关系呈现随季节变化的差异性。大亚湾夏季海水溶解氧浓度与溶解氧饱和度、叶绿素a、水温极显著正相关; 冬季与溶解氧饱和度、盐度、叶绿素极显著正相关, 与水温极显著负相关。大鹏湾夏季海水溶解氧含量与盐度、叶绿素a、水温极显著相关, 与pH值显著相关; 冬季与溶解氧饱和度、水温、pH、叶绿素a极显著相关。
Tab. 4 Pearson correlation coefficients between DO and each main water quality parameter of the surface costal water off eastern Shenzhen

表4 深圳东部海域表层海水溶解氧浓度与主要水质相关参数的相关关系

海域 季节 pH 溶解氧饱和度 水温 盐度 叶绿素a 浊度
大亚湾 夏季 -0.127** 0.343** 0.163** -0.066** 0.194** 0.054**
冬季 -0.008 0.570** -0.399** 0.393** 0.303** -0.007
大鹏湾 夏季 0.009* 0.181** 0.125** 0.126** 0.140** -0.652**
冬季 0.682** 0.489** 0.405** 0.175** 0.200** -0.066**

注: **表示在P<0.01水平(双侧)上极显著相关; *表示在P<0.05水平(双侧)上显著相关; 未标注表示相关性不明显; N=48952

深圳东部大亚湾海域冬季溶解氧含量与水温具有极显著负相关关系, 夏季溶解氧含量与水温具有正相关关系; 大鹏湾海域冬季与夏季溶解氧含量与水温均为正相关关系。即冬季水温低时, 大亚湾溶解氧含量增大, 这与溶解氧的溶解度变化有关, 表明海水温度是影响深圳近岸海水溶解氧含量的首要因子, 而大亚湾和大鹏湾溶解氧浓度与水温关系季节性差异的原因与两湾地形特征、受陆源污染和人为活动影响, 以及海水运动有关。溶解氧含量与盐度呈正相关关系, 但相关系数不大, 研究表明, 潮汐作用对海湾的盐度和溶解氧含量影响很大, 大量海水的涌入, 会对湾内水体起到了扩散和稀释作用, 同时也带来了大量的溶解氧, 因此溶解氧含量会随盐度的增大而增大, 而深圳东部近岸海域大鹏湾和大亚湾均属于半封闭海湾, 湾口和湾内的水体比较稳定, 盐度变化不大, 湾内几个海域盐度也比较接近, 故在这一水域盐度不是影响深圳东部近岸海域溶解氧浓度变化的关键因素。相比之下, 人为排放的营养物质和耗氧有机污染物分解等生物化学过程可能对近岸海域溶解氧含量的影响更为重要(周毅频 等, 2011)。海水中浊度越大、悬浮物的浓度越大与水流紊乱程度越高, 水中的溶解氧浓度也势必会受到影响, 因此, 水体浊度与溶解氧存在必然的相关关系(任东华 等, 2015)。海水溶解氧浓度与叶绿素a呈正相关性, 这是因为叶绿素a升高导致光合作用产生的氧随之增加。
大鹏湾和大亚湾海域均属于半封闭海湾, 受陆源污染和人为活动影响较为显著, 另外潮汐作用和外来冷水团也对溶解氧浓度及其各个环境因子的分布具有一定影响, 并且每隔2到7年出现一次的厄尔尼诺现象会造成各地海水异常升温, 环境因子发生各种变化(柯东胜, 1991), 这些因素对深圳大鹏湾和大亚湾溶解氧含量分布变化均起到一定的作用。

3 结论

1) 深圳大亚湾近岸表层溶解氧浓度日均值范围为2.15~14.86mg·L-1, 平均值为7.31mg·L-1; 大鹏湾海域整体表层溶解氧浓度日均值范围为1.43~15.61mg·L-1, 平均值为7.13mg·L-1。
2) 在时间分布上, 深圳东部近岸海域溶解氧含量呈白天高、夜间低, 冬季高、夏秋低的特点。大亚湾溶解氧含量年平均值与大鹏湾比较接近, 季节分布差异较小。
3) 深圳东部空间分布总体特征呈现出夏秋季大鹏湾小于大亚湾, 春冬季大亚湾与大鹏湾相差不大。
4) Pearson相关分析结果表明溶解氧浓度与水温、盐度、浊度、叶绿素a具有显著相关性, 且呈现随季节变化的差异性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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