2.1 DO分布特征及影响因素分析
如表1所示:泉州湾春季表层DO质量浓度为6.37~8.24 mg/L,平均值为7.47 mg/L,略高于夏季(2.76~7.62 mg/L,平均值为6.02 mg/L).春季DO饱和度为80.9%~101.2%,夏季为38.2%~105.9%,低值多位于西南部海域.春、夏季的DO质量浓度差异主要是水温和DO消耗强度差异所致.一方面,夏季的水温高,O2溶解度低,导致DO质量浓度较低; 另一方面,DO消耗主要途径为生物的呼吸作用、有机物的降解和海底沉积物耗氧,泉州湾夏季的COD、营养盐含量、Chla质量浓度均高于春季,说明其有机物降解、生物呼吸作用等过程的DO消耗均高于春季.根据《海水水质标准》(GB 3097—1997)[17],泉州湾春季DO质量浓度达到一类水质标准,但夏季部分站点DO质量浓度偏低,仅60%达一类水质标准,32%达二类水质标准,8%达三、四类水质标准.根据陈春华[18]的报道,DO质量浓度低于4.5 mg/L时将造成水生生物呼吸困难甚至死亡.由此看来,泉州湾夏季水质状况堪忧,其生态环境保护及修复亟待加强.
表1 泉州湾春、夏季表层水主要水质环境指标
Tab.1 Environmental indicators of surface water of Quanzhou Bay during spring and summer
空间分布上,DO分布均呈现从湾内向湾口增加的趋势(图2),这与前人研究结果[1-3,8,19-20]相似,可能受到入海径流和潮汐等水动力条件影响.春季DO总体变化幅度较小,西南部海域的DO上升幅度比海湾中部至湾口的更大; 夏季DO总体变化幅度较大,湾内至湾口的DO变化幅度比西南部海域的更大(图2).该分布与研究区域春、夏两季的盐度分布呈现相似的趋势,即春季湾内水体的平均盐度高于夏季,盐度变化范围小于夏季(表1),可见其DO分布主要受控于水动力条件.这是因为夏季是泉州湾的强汛期(特别是研究时段内的6月),DO总体变化幅度因贫DO、高COD径流的输入量增加而增大; 径流影响延湾口方向逐渐减弱,因此DO变化幅度在主要受控于径流的湾顶海域较小,在受径流和潮汐共同影响的海湾中部和湾口较大.春季则相反,其径流量低,主要受控于富DO、低COD的潮汐海水,DO总体变化幅度减小; 径流影响范围较夏季而言向湾顶方向消退,DO变化幅度在受径流和潮汐共同影响的湾顶海域较大,在主要受控于潮汐的湾口海域较小.
(a)~(h)分别为春季(a~d)和夏季(e~h)的大潮高平潮(a,e)、大潮低平潮(b,f)、小潮高平潮(c,g)、小潮低平潮(d,h),下同.
图2 泉州湾春、夏季表层DO平面分布
Fig.2 Distributions of DO in the surface water of Quanzhou Bay collected in spring and summer
2.2 AOU分布特征及影响因素分析
泉州湾表层水体AOU的分布呈湾内向湾口降低的趋势(图3),春、夏季AOU平均值分别为0.61和1.19 mg/L(表1),略低于袁建军等[8]研究中同期(5月)的平均值(2.03 mg/L)和郑崇荣等[11]研究中同期(3月、6月)的平均值(0.77和1.63 mg/L),这可能与各研究者的采样时间、站点数目和站位不同有关.上述2项研究的采样点多位于西南部海域、晋江、洛阳江等AOU高值处,而本研究为较准确地反映湾内水质状况而采用网格状布点.为了解影响研究区域AOU分布的主要因素,进一步对AOU与COD、盐度、pH和营养盐等环境参数进行相关性分析,结果见表2.
图3 泉州湾春、夏季表层AOU平面分布
Fig.3 Distributions of AOU in the surface water of Quanzhou Bay collected in spring and summer
2.2.1 有机物降解
除了径流影响较小的春季大潮高平潮外,AOU与COD在各潮期均呈显著正相关(表2).COD是表征水体中有机物含量的有效指标[21],其与AOU呈显著正相关说明泉州湾DO受大量有机物降解影响而消耗.Dai等[3]在珠江上游虎门至广州段的研究中曾报道,有氧呼吸是有机物降解及DO消耗的重要过程,在污染严重、有机物含量较大的水域,有机物降解与DO的消耗有紧密联系.泉州湾接纳了来自沿岸的大量生活及农
表2 AOU与环境要素的相关系数
Tab.2 Correlation coefficients of AOU and environmental parameters
注:*和**分别表示在p<0.01和p<0.001水平上显著相关; DIN代表溶解性无机氮.
业污水:1)泉州市区人口密集,向泉州湾排入大量生活污水; 2)晋江和洛阳江的径流携带大量有机物和营养盐; 3)洛阳江沿岸养殖场遍布,大量养殖废水排入海湾.上述污水中携带的有机物消耗了大量DO,导致局部海域COD升高,AOU增加.综上,泉州湾AOU受到河流输送的有机物降解的强烈影响,这与前人在泉州湾的研究结论[11]一致.
2.2.2 水动力条件
除了夏季小潮低平潮外,泉州湾AOU与盐度在各潮期均呈显著负相关,且春季的相关性略高于夏季,大潮期的相关性高于小潮期(表2),这说明AOU的分布受径流和潮汐作用等水动力条件的影响,径流对湾内水体的影响在春季小于夏季,在小潮期大于大潮期.该结论也可由各环境指标随盐度的分布趋势结果(图4)进一步验证:各环境指标随盐度的分布在夏季较春季更离散,在小潮期较大潮期更离散(图4(c)~(f)和(i)~(l)).这是由于涨潮时,湾外高盐、富DO、低有机物含量的海水涌入湾内,与低盐、贫DO、高有机物含量的径流混合,形成了湾内水体的盐度梯度.随着涨潮的进行,径流被压缩至河口方向,湾内水体盐度升高,有机物含量降低,生物耗氧量随之降低.季节和潮汐作用不同,径流和海水混合强度不同,使得AOU的分布出现差异.
除了夏季小潮低平潮外,AOU与pH在各潮期均呈显著负相关,这和AOU与盐度的相关性类似(表2).夏季小潮低平潮期的AOU与pH无显著相关性,是由于该潮期的径流为所有潮期中最强的,pH在径流显著影响的水体中受生物地球化学行为控制,分布较为复杂,这可由夏季小潮期pH随盐度的离散分布(图4(i))侧面证实.
泉州湾AOU均为小潮大于大潮(除春季小潮低平潮出现高值),这是因为小潮期间径流影响大于大潮,高COD、高营养盐(表1)的径流导致湾内水体AOU升高.春季大潮低平潮时,AOU在洛阳江口附近出现高值,而其他站点与同航次高平潮接近(图3(b)).洛阳江江口附近的c14和c15站点的COD及各营养盐指标均为该潮期最高或次高,说明这些站点的AOU高值与径流带入的沿岸污染有关.
AOU平均值在各航次的高、低平潮之间差别不大,这是因为各航次高、低平潮之间仅存在潮汐涨落的水动力差异,没有径流输入的明显变化,其AOU差异是径流与海水混合程度不同所致.这可由各航次(除夏季小潮低平潮)AOU与盐度的显著相关性(表2)证实.另外,各航次(除夏季小潮期)海湾水体平均盐度在高、低平潮之间差异微小(表1),导致了其AOU平均值差异较小.夏季小潮期与其他3个航次不同,AOU随盐度的分布较为离散(图4(a)),这可能是因为该航次为本研究中受径流影响最强的航次,高COD、高营养盐的径流中微生物活动、浮游动物的呼吸作用、浮游植物的光合作用和有机物降解等过程的影响复杂,一定程度上弱化了水动力条件的影响.该航次水体盐度(4.1~13.0,平均值为9.6)远低于其他航次(表1),可见此时湾内水体受到径流的强烈影响; AOU与COD、营养盐的相关性较其他航次总体上更为显著(表2),可推测生物活动对其AOU分布也有一定影响.
2.2.3 生物活动
(a)~(f)春季;(g)~(l)夏季.xg、xd、dg和dd分别代表小潮高平潮、小潮低平潮、大潮高平潮和大潮低平潮.
图4 AOU及环境参数随盐度分布
Fig.4 Distributions of AOU and environmental parameters versus salinity
泉州湾夏季各潮期AOU大多与营养盐呈显著正相关(小潮高平潮、大潮低平潮时,与NO
3-N相关性不显著); 春季AOU与PO
4-P显著正相关,并在大潮期、小潮低平潮与NO
2-N显著正相关,在大潮期、小潮高平潮与NH
4-N显著正相关,与NO
3-N相关性不显著(
表2).泉州湾AOU与营养盐的相关关系与已有研究结果
[1-2,5]吻合,说明AOU受到微生物活动、浮游动物的呼吸作用、浮游植物的光合作用等过程的显著影响.如浮游植物在水体中的呼吸作用和光合作用的生化反应式
[22](式(2))所示:每消耗138 mol氧气可再生16 mol硝酸盐和1 mol磷酸盐,可见DO消耗与营养盐含量变化的关系密切.
(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2〖FY(〗呼吸作用
光合作用〖FY)〗
106CO2+16HNO3+H3PO4+122H2O.(2)
图5 泉州湾春季(a)和夏季(b)AOU与Chla相关性分析
Fig.5 Correlation analysis of AOU with Chla of Quanzhou Bay during spring(a)and summer(b)
AOU和营养盐的相关性夏季强于春季(
表2),说明夏季由营养盐输入所带来的AOU增加幅度高于春季,这可能是由于春、夏季的浮游生物活动强度不同所致.泉州湾春季Chla质量浓度(0.45~2.72 mg/m
3,平均值1.48 mg/m
3)远低于夏季(41.3~88.5 mg/m
3,平均值64.3 mg/m
3),可见春季的浮游植物量明显少于夏季.浮游植物在夏季生长旺盛,使得浮游动物、微生物也大量繁殖,浮游动物的呼吸作用、微生物活动都会大量消耗氧气,对AOU有明显贡献; 而春季的浮游植物量较低,使得浮游动物和微生物量同样较低,其贡献的AOU明显低于夏季.该推论可由春、夏季Chla与AOU的相关性差异佐证(
图5).因此,夏季营养盐与AOU的相关性强于春季.另外,He等
[5]提出,营养盐输入量远高于浮游生物的消耗量可能导致营养盐与AOU的弱相关性.泉州湾春季浮游植物量明显少于夏季,而春、夏季营养盐质量浓度总体上较接近(
表1).由
图4(d)~(f)和(j)~(l)可见,春季营养盐随盐度分布在春季为高度线性相关,而在夏季则较为离散,说明输入的营养盐在春季受浮游生物消耗的影响较小,而在夏季则受浮游生物消耗的影响较大,因此可能导致夏季营养盐与AOU的相关性强于春季.
鉴于浮游生物的光合作用和耗氧过程、营养盐与Chla的相关性均较为复杂,且上述推论仅由春、夏两季的数据得出,因此还需更细化的研究,例如生产力水平、硝化作用速率、微生物呼吸速率等,进一步量化与佐证.此外,本研究仅进行了表层水体DO分布的研究,底层水体中的DO分布还有待进一步研究.