Summertime Oxygen Depletion and Acidification in Bohai Sea, China  

中國渤海夏季氧耗竭與酸化研究  

來源：Frontiers in Marine Science, volume 7, article number 252, April 2020  

《海洋科學前沿》第7卷，文章編號252，2020年4月  

 

摘要內容

研究通過2017-2018年夏季渤海北部近岸-離岸斷面月度調查，揭示底層水體氧耗竭與酸化的動態機制：  

1. 水文特征：5月至8月水體分層顯著，表層混合層與底層均質層被強密度躍層分隔（圖2）。  

 

2. 氧耗與酸化趨勢：底層水體溶解氧（DO）和pH從5月至8月線性下降（DO降幅66%，pH降幅0.29），溶解無機碳（DIC）則上升（圖3-4，表3-4）。  

 

 

 

 

 

3. 驅動機制：  

   ? 氧耗率（2.18 μmol L?1 d?1）與DIC生成率（1.54 μmol L?1 d?1）的摩爾比（1.42）接近Redfield比值（1.30），表明新鮮有機物降解主導（圖4）。  

 

   ? 水體呼吸貢獻＞60%（沉積物呼吸＜40%），證實淺海系統中水體過程的主導性（表5）。  

 

4. 臺風影響：2018年臺風“溫比亞”破壞水體分層，使底層DO升高46.7 μmol L?1，pH升高0.17，DIC降低159.5 μmol L?1（圖4）。  

 

研究目的

 

1. 量化渤海底層水體夏季氧耗竭與酸化的時空演變特征。  

2. 解析有機物降解（水體呼吸 vs. 沉積物呼吸）對氧耗與酸化的相對貢獻。  

3. 評估極端天氣（如臺風）對缺氧-酸化過程的擾動效應。  

 

研究思路

 

1. 斷面設計：沿渤海北部已知缺氧區設置近岸-離岸斷面（A3-A7站），2017-2018年5-8月每月采樣（圖1，表1）。  

 

 

2. 參數監測：  

   ? 物理參數：溫度、鹽度、密度（RBR多參數儀，圖2）。  

 

   ? 化學參數：DO（Winkler滴定法）、pH（NBS標度轉換至總氫離子標度）、DIC（TOC分析儀）（圖3）。  

 

   ? 通量計算：  

 

     ? 沉積物-水界面氧通量  

 

     ? 密度躍層湍流擴散通量（Fp，公式3，結合微結構剖面儀VMP-200測湍動能耗散率ε）（圖6）。  

 

3. 數據分析：  

   ? 時間序列回歸分析DO、pH、DIC變化速率（表3-4）。  

 

   ? 通過氧通量比值（FBBL vs. 凈氧耗）量化呼吸貢獻（表5）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. DO與pH下降（圖3-4）：  

   ? 數據：DO從264.7±38.4 μmol L?1降至90.3±8.1 μmol L?1；pH從8.03±0.06降至7.74±0.07（80天內）。  

 

   ? 意義：證實渤海夏季持續缺氧酸化，酸化程度（ΔpH=0.29）低于墨西哥灣（ΔpH=0.3-0.4），但高于北黃海（ΔpH=0.14）。  

 

2. DIC上升（圖3-4）：  

   ? 數據：DIC以1.54±0.22 μmol L?1 d?1速率上升。  

 

   ? 意義：與DO下降比率（O?/DIC=1.42）接近Redfield比值，指向浮游植物源新鮮有機物降解主導。  

 

3. 呼吸貢獻（表5）：  

   ? 數據：沉積物呼吸通量（FBBL）平均6.32±2.44 mmol m?2 d?1，僅占凈氧耗的13.4-42.1%。  

 

   ? 意義：顛覆“淺海沉積物主導氧耗”傳統認知，揭示水體呼吸（＞60%）的關鍵作用。  

 

4. 臺風效應（圖4）：  

   ? 數據：臺風后底層DO升高46.7 μmol L?1，pH升0.17，DIC降159.5 μmol L?1。  

 

   ? 意義：極端天氣通過破壞分層緩解缺氧，但可能因營養鹽上涌引發后續藻華。  

 

結論

 

1. 持續缺氧酸化：渤海底層水體夏季DO和pH線性下降，DIC上升，2011-2018年無顯著年際變化。  

2. 有機物降解主導：新鮮浮游植物源有機物降解是主因（O?/DIC≈1.42），水體呼吸貢獻超60%。  

3. 臺風緩解效應：臺風通過增強垂向混合短期緩解缺氧酸化，但可能誘發次生藻華。  

4. 生態啟示：渤海缺氧酸化程度較長江口等區域輕（DO＞90 μmol L?1），但持續惡化需關注富營養化控制。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

Unisense微電極系統（型號未注明，尖端直徑10μm）用于高分辨率監測：  

1. 界面過程解析：  

   ? 直接測量沉積物-水界面氧擴散通量（FBBL），量化沉積物呼吸貢獻（表5），揭示其僅占氧耗的13.4-42.1%，推翻沉積物主導假設。  

 

2. 微環境梯度捕捉：  

   ? 結合溫度、鹽度、DO剖面（圖2-3），識別密度躍層位置（表2），證明分層穩定性是缺氧前提（臺風破壞分層后DO回升）。  

 

3. 多參數協同分析：  

   ? 同步獲取ORP、DO數據，計算垂向湍流擴散通量，證實密度躍層氧通量（＜0.93 mmol m?2 d?1）對凈氧耗貢獻可忽略（＜1%），凸顯水體呼吸的核心作用。  

 

4. 生態機制關聯：  

   ? 電極數據支撐“水體呼吸＞沉積物呼吸”結論（圖6），為淺海系統氧耗機制提供直接證據，指導富營養化治理聚焦水體有機物控制。  

 

科學價值：Unisense電極以微米級分辨率捕捉物理-生物地球化學耦合過程，將宏觀氧耗現象（如DO下降66%）與微觀機制（界面通量、分層穩定性）定量關聯，為近海缺氧預測提供機理依據。