煙臺(tái)近海季節(jié)性低氧的生消過程及其生態(tài)效應(yīng)解析
煙臺(tái)近海季節(jié)性低氧的生消過程及其生態(tài)效應(yīng)解析
中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所研究團(tuán)隊(duì)闡釋了煙臺(tái)近海季節(jié)性低氧形成的主要影響因素，解析了季節(jié)性低氧對(duì)生源要素地球化學(xué)循環(huán)過程的影響。聚焦于山東半島北部養(yǎng)馬島附近海域日趨嚴(yán)重的低氧災(zāi)害問題，通過大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并結(jié)合有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探討了季節(jié)性低氧的生消過程及其主要控制機(jī)制，評(píng)估了DO對(duì)生源要素碳、氮、磷、硅等地球化學(xué)循環(huán)過程的影響，揭示了低氧災(zāi)害的生態(tài)效應(yīng)。
研究表明，水體層化和扇貝養(yǎng)殖活動(dòng)的共同作用是導(dǎo)致養(yǎng)馬島附近海域底層水體夏季發(fā)生低氧災(zāi)害的重要因素；持續(xù)的高氣溫和低風(fēng)速是造成該海域水體夏季出現(xiàn)層化的主導(dǎo)因素，扇貝養(yǎng)殖設(shè)施引起的水交換減緩則是水體分層和低氧發(fā)生的重要促進(jìn)因素；溫躍層厚度大于2.5 m、上邊界深度在7.0 m以下的水體更易發(fā)生低氧；當(dāng)?shù)讓铀w的表觀好氧量大于4 mg/L，即使沒有躍層存在也能夠發(fā)生低氧，說明層化雖然能夠促進(jìn)底層水體低氧的形成，但并非必不可少（圖1）[1]。溫度是該海域海水中DO季節(jié)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，夏季底層水體的DO下降速度約為表層水體的3~4倍，水體耗氧是DO支出的主要途徑[2]。
圖1 養(yǎng)馬島附近海域水體層化和底層耗氧對(duì)海水DO的影響（α：溫躍層強(qiáng)度；β：鹽躍層強(qiáng)度；TT：溫躍層厚度；TD：溫躍層上邊界深度；HT：鹽躍層厚度；HD：鹽躍層上邊界深度；AOU：表觀耗氧量）[1]
扇貝養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)底層水體夏季低氧形成的促進(jìn)作用還體現(xiàn)在其對(duì)有機(jī)質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的影響。海灣扇貝的排泄作用將大量具有高分子量和低腐殖度特征的溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）釋放到水柱中，改變了有機(jī)質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)。海灣扇貝在一個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)（6月-11月）的排泄過程可使海水中溶解有機(jī)碳增加19.7 μmol/L，假設(shè)扇貝排泄的DOM中不穩(wěn)定部分被完全耗氧分解，可使養(yǎng)馬島附近海域海水中DO和pH分別降低-13.4 μmol/L和-0.018[3]，使水體總堿度降低75.7 μmol/kg，從而加速低氧和海水酸化的進(jìn)程[4]。?
上覆水體中DO濃度會(huì)影響沉積物有機(jī)質(zhì)的好氧和厭氧分解模式，從而主導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)鹽和熒光溶解性有機(jī)質(zhì)（FDOM）的釋放。當(dāng)上覆水體中DO > 50 μmol/L時(shí)，有利于沉積物中銨氮、硅和FDOM的釋放；當(dāng)上覆水體中DO < 100 μmol/L時(shí)，會(huì)加速沉積物中磷的釋放[5]。在夏季，低氧通過有機(jī)質(zhì)礦化和鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）還原促進(jìn)了沉積物中磷向上覆水中遷移；相比之下，秋季水體的富氧狀態(tài)促進(jìn)了沉積物中Fe/Mn氧化物與磷酸鹽共沉淀形成Fe-P（圖2）[6]。
圖2低氧與富氧條件下，沉積物中不同形態(tài)磷的收支[6]
2019-2020年初級(jí)生產(chǎn)是水體溶解氧的主要來源，約為61 μmol/L；而水體有機(jī)質(zhì)降解與海氣交換是溶解氧支出的主要途徑，分別為-293 μmol/L和-247 μmol/L。水體和沉積物耗氧能夠使水體溶解氧濃度降低，其中沉積物好氧的貢獻(xiàn)很小，每月僅能使溶解氧濃度降低約6 μmol/L，水體耗氧是底層水體缺氧的主要因素，其貢獻(xiàn)約為沉積物好氧的50倍。扇貝呼吸耗氧對(duì)水體溶解氧影響與沉積物耗氧相當(dāng)，每月僅能使溶解氧濃度降低約5 μmol/L。盡管扇貝呼吸過程對(duì)溶解氧收支的貢獻(xiàn)微不足道，但是其排泄產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)以及養(yǎng)殖設(shè)施所導(dǎo)致的水動(dòng)力條件的削弱均能夠促進(jìn)水體溶解氧的虧損。扇貝攝食將初級(jí)生產(chǎn)者固定的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為自身機(jī)體組織，同時(shí)扇貝攝食造成大量生物可利用有機(jī)質(zhì)由表層水體向底層水體和沉積物轉(zhuǎn)移并發(fā)生降解，是造成該海域溶解無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低和夏季底層水缺氧的重要因素。
相關(guān)文獻(xiàn)：
[1] Sun X , Gao X , Zhao J ,et al.Promoting effect of raft-raised scallop culture on the formation of coastal hypoxia.[J].Environmental research, 2023:, 115810. DOI:10.1016/j.envres.2023.115810.
[2] Yang B, Gao X, Zhao J, et al. Summer deoxygenation in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area: The decisive role of water temperature, stratification and beyond[J]. Marine Pollution Bulletin, 2021, 173: 113092.
[3] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.The impacts of intensive scallop farming on dissolved organic matter in the coastal waters adjacent to the Yangma Island, North Yellow Sea[J].Science of The Total Environment, 2022, 807:150989-.DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.150989.
[4] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.Massive shellfish farming might accelerate coastal acidification: A case study on carbonate system dynamics in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area, North Yellow Sea[J].The Science of the total environment, 798:149214[2025-07-16].DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.149214.
[5] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.Potential linkage between sedimentary oxygen consumption and benthic flux of biogenic elements in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea[J].Chemosphere, 2021, 273(12):129641.DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.129641.
[6] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.The influence of summer hypoxia on sedimentary phosphorus biogeochemistry in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea[J].Science of The Total Environment, 2020, 759(1):143486.DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.143486.
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