馬夢(mèng)真, 李芊,3, 吳正超, 陳寅超, 俞建成

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所, 廣東 廣州 510301;

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

4. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110016

海水中溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)的濃度變化與水體初級(jí)生產(chǎn)力和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程緊密相關(guān), 對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的維持和發(fā)展有著重要作用(Helly et al, 2004; Schmidtko et al, 2017)。最小含氧帶(Oxygen Minimum Zone, OMZ)是指在海洋中層水(200～1000m)處形成的穩(wěn)定的低氧水層(Stramma et al, 2010; Levin, 2018), 已有的研究成果普遍認(rèn)為OMZ 的形成是在海洋中的特定深度下,由于DO 的消耗與補(bǔ)充不平衡所導(dǎo)致(Stramma et al,2008), 且不同海域出現(xiàn)OMZ 的深度不完全相同。Li 等(2006)在對(duì)歷史數(shù)據(jù)集的研究中發(fā)現(xiàn)了南海中層水存在著低氧水層, 并研究了它的擴(kuò)散路徑和水體更新情況; Karstensen 等(2008)的研究發(fā)現(xiàn)印度洋的環(huán)流和水團(tuán)分布情況與太平洋和大西洋不同, 證實(shí)了這對(duì)區(qū)域OMZ 的分布具有重要影響; Wishner等(2013)通過(guò)研究中上層浮游動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)和特征, 發(fā)現(xiàn)了熱帶東太平洋OMZ 厚度和邊界深度變化會(huì)對(duì)其造成影響; Oschlies 等(2018)提出了全球OMZ 的擴(kuò)張或者收縮受氣候變化影響的機(jī)制; Xiu等(2020)利用Argo 數(shù)據(jù)證實(shí)了南海地區(qū)OMZ 的分布會(huì)受到次表層葉綠素極大值層的調(diào)控作用; Davis等(2021)發(fā)現(xiàn)了兩種可作為沉積記錄標(biāo)記物的浮游生物有孔蟲(chóng)對(duì)熱帶東太平洋OMZ 生境具有指示作用。在全球變暖的背景下, OMZ 的進(jìn)一步擴(kuò)大可能會(huì)對(duì)浮游生物的生物量與類型分布產(chǎn)生影響, 并且會(huì)影響到海洋中的食物網(wǎng)、有機(jī)物顆粒通量和生物地球化學(xué)循環(huán)(Cavan et al, 2017), 繼而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能(Ito et al, 2013)。

近年來(lái), 隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,水下滑翔機(jī)在海洋觀測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的船舶與泊系觀測(cè)相比, 水下滑行機(jī)具有制作成本低、使用時(shí)間長(zhǎng)、可控性強(qiáng)以及可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn), 除了基本的溫度、電導(dǎo)率、壓力等基礎(chǔ)變量,它還能搭載不同的傳感器, 在海洋中進(jìn)行DO、葉綠素以及硝酸鹽等參數(shù)的觀測(cè), 具有廣闊的應(yīng)用前景(Liu et al, 2019)。

南海是我國(guó)最大的邊緣海, 縱跨熱帶與亞熱帶,地形條件十分復(fù)雜(馮士筰 等, 1999)。其中, 位于臺(tái)灣島和菲律賓呂宋島之間的呂宋海峽水深約2400m,是南海與西北太平洋進(jìn)行水體交換的唯一深水通道(黃企洲 等, 1992)。南海北部具有寬闊的陸坡和陸架區(qū)域, 由于受到東亞季風(fēng)、中尺度渦、黑潮入侵等過(guò)程的強(qiáng)烈影響, 南海北部陸架、陸坡流系也十分復(fù)雜, 其中以南海北部陸坡流、南海暖流、沿岸流及與之相關(guān)的夏季上升流和冬季下降流為主, 它們共同構(gòu)成了南海北部的典型流系(Shu et al,2018)。已有研究表明, 在南海的中層水體(800～1000m), DO 出現(xiàn)明顯的極小值層( 約 80～100μmol·L–1), 形成了穩(wěn)定的OMZ(刁煥祥, 1986; Li et al, 2006; Xiu et al, 2020), 且無(wú)明顯季節(jié)性變化,成為中層水團(tuán)和深層水團(tuán)交界處特有的表觀特征。南海環(huán)流對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)有著非常深刻的影響,其中上層與中深層環(huán)流的相互作用與水體交換過(guò)程,能夠影響DO 的分布情況(Wang et al, 2019)。然而,此前關(guān)于南海DO 的研究大多集中在南海北部整個(gè)區(qū)域的 DO 分布(石曉勇 等, 2014; Wang et al,2018)、表層水體含氧量變化(龍愛(ài)民 等, 2006; 楊陽(yáng)等, 2013)以及珠江口水域DO 分布特征與低氧區(qū)的形成(羅琳 等, 2005; 葉豐 等, 2012)等方面。截至目前, 有關(guān)南海北部陸坡區(qū)OMZ 的空間分布、影響因素以及形成原因等方面的系統(tǒng)研究還比較少。因此,本研究利用水下滑翔機(jī)對(duì)南海北部陸坡區(qū)的DO、鹽度、溫度等生地化參數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 重點(diǎn)探討了OMZ 在南海北部陸坡區(qū)的空間分布特征, 并初步分析了OMZ 分布和形成的影響因素, 這對(duì)進(jìn)一步了解OMZ 對(duì)南海生態(tài)系統(tǒng)和生地化循環(huán)的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 水下滑翔機(jī)介紹

本文所使用的“海翼”水下滑翔機(jī)是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所自主研發(fā), 用于觀測(cè)深海環(huán)境變量(Yu et al, 2011)?！昂Ｒ怼碧?hào)水下滑翔機(jī)主要由艏部艙段、姿態(tài)調(diào)節(jié)艙段、觀測(cè)艙段以及艉部艙段組成, 它的航行軌跡包括垂直剖面上的鋸齒狀運(yùn)動(dòng)和水平方向上的直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)滑翔機(jī)自身浮力和俯仰角的調(diào)節(jié), 能夠控制它的下潛和上浮; 結(jié)合信號(hào)接收系統(tǒng), 使得滑翔機(jī)能夠按照預(yù)定的路線和轉(zhuǎn)向點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)剖面測(cè)量及航行(Shu et al, 2019), 其工作模式圖如圖1 所示。

圖1 “海翼”水下滑翔機(jī)工作模式圖Fig. 1 Working mode of the sea-wing underwater glider

“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)所搭載的Slocum Glider Payload CTD(GP-CTD)傳感器采用泵吸式連續(xù)采樣(Garau et al, 2011), 用于測(cè)量電導(dǎo)率、溫度和壓力,其中電導(dǎo)分辨率為 0.00001s·m–1, 溫度分辨率為0.001℃, 壓力分辨率為全量程的0.002%。搭載的SEB 43 Oxygen Optode (4330 F)傳感器是一種極譜膜氧傳感器, 用于測(cè)量DO 濃度和溫度, 其中DO 濃度分辨率為0.001μmol·L–1, 溫度分辨率為0.001℃,它通過(guò)計(jì)算每秒從海水中擴(kuò)散到工作電極的氧氣分子數(shù)(通量)來(lái)確定DO 濃度。海水和氧傳感器之間的溫差會(huì)導(dǎo)致氧測(cè)量中的誤差, SBE 43 通過(guò)使用與環(huán)境迅速達(dá)到平衡的材料, 并在膜下的陰極處加入熱敏電阻, 以實(shí)現(xiàn)精確的溫度補(bǔ)償, 從而使這種差異最小化。因此, 與過(guò)去的氧傳感器相比, SBE 43 在對(duì)高溫梯度區(qū)域進(jìn)行剖面分析時(shí), 更不容易出現(xiàn)誤差(Martini et al, 2007)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

2019 年7—9 月, 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在南海北部開(kāi)展了水下滑翔機(jī)組網(wǎng)觀測(cè), 本文的研究數(shù)據(jù)來(lái)自其中的7 臺(tái)?！昂Ｒ怼碧?hào)水下滑翔機(jī)的CTD 傳感器和DO 傳感器均安裝在滑翔機(jī)的觀測(cè)艙段, 并通過(guò)接口直接內(nèi)置到滑翔機(jī)內(nèi)部。所有傳感器在實(shí)驗(yàn)前都已由工作人員進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)校正, 以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

本研究所選取的7 臺(tái)水下滑翔機(jī)均位于南海北部陸坡區(qū), 其中3 臺(tái)(1000K005, 1000K008, 1000K011)呈北西—東南走向?yàn)榭珀懫路较? 4 臺(tái)(1000K004,1000K012, 1000KDVL02, 1000KDVL04)呈北東—西南走向?yàn)檠仃懫路较?圖2)。每臺(tái)滑翔機(jī)在預(yù)先設(shè)定的觀測(cè)斷面內(nèi)都進(jìn)行了2～15 次不等的連續(xù)航行, 工作時(shí)間約為1 個(gè)月, 7 臺(tái)滑翔機(jī)共獲取了1000 多個(gè)深度為1000m 的CTD 剖面數(shù)據(jù)和DO 剖面數(shù)據(jù)。

圖2 “海翼”水下滑翔機(jī)觀測(cè)斷面分布該圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4634 號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 2 Sections of sea-wing underwater glider observations

1.3 數(shù)據(jù)處理

水下滑翔機(jī)所采集的參數(shù)有時(shí)間間隔(單位: s)、深度(單位: m)、溫度(單位: ℃)、電導(dǎo)率(單位: s·m–1)和DO(單位: μmol·L–1), 采樣時(shí)間間隔為6s。在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí), 首先將所有文件中缺失的觀測(cè)點(diǎn)剔除, 然后利用Matlab 2018a 中的sw_c3515 工具包和CTD 傳感器測(cè)得的電導(dǎo)率、溫度和深度進(jìn)行計(jì)算, 得到壓力(單位: dbar)、鹽度(單位: ‰)、位勢(shì)溫度(Potential Temperature, 單位為℃)和位勢(shì)密度(Potential Density, 單位為kg·m–3), 接著畫出每個(gè)斷面的T-S 圖, 將圖中明顯偏離包絡(luò)線以外的點(diǎn)視為異常值并予以剔除。由于DO 傳感器采集的參數(shù)只有時(shí)間間隔、溫度和DO 濃度, 因此需要將它采集的時(shí)間間隔與CTD 傳感器采集的時(shí)間間隔進(jìn)行匹配, 以確定采集到DO 濃度和溫度的位置。在本文研究中, 若DO 傳感器和CTD 傳感器采集到同一溫度值在時(shí)間上的偏差大于1s, 則認(rèn)為二者之間的位置偏差不能忽略, 將該采樣點(diǎn)視為異常值并予以剔除。最后將經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理后的所有參數(shù)以深度1m為間隔進(jìn)行插值, 形成網(wǎng)格化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式, 以進(jìn)行后續(xù)的分析和研究。

由于每臺(tái)水下滑翔機(jī)在相同斷面內(nèi)會(huì)進(jìn)行2～15 次不等的來(lái)回觀測(cè), 每個(gè)斷面中有20～40 個(gè)剖面, 因此同一斷面內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)位置上的重合。在繪制DO 濃度和鹽度的垂向剖面圖時(shí), 選取的是每臺(tái)儀器的全部數(shù)據(jù)(圖3)。在連續(xù)工作的過(guò)程中, 將每臺(tái)水下滑翔機(jī)的一次單向觀測(cè)過(guò)程定義為一個(gè)斷面, 由于部分?jǐn)嗝嬖谖恢煤蜁r(shí)間上存在數(shù)據(jù)缺失, 在7—9 月連續(xù)的觀測(cè)中, 結(jié)合全部觀測(cè)斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及DO 濃度分布情況, 發(fā)現(xiàn)初期(7月中旬)和后期(9 月初)的部分觀測(cè)斷面得到的數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定, 且此時(shí)OMZ 的分布不夠完整, 故由此得到的單一斷面DO 濃度的分布情況不能代表整個(gè)OMZ 期間的變化情況。因此, 本研究分別在跨陸坡和沿陸坡的儀器中選取了整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)較多、觀測(cè)時(shí)間居中(7 月底至8 月初, 為觀測(cè)中期)、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高(沒(méi)有數(shù)據(jù)缺失)的兩次連續(xù)觀測(cè)(即兩個(gè)連續(xù)斷面)進(jìn)行OMZ 剖面圖的繪制, 以此來(lái)初步分析OMZ 中DO 濃度在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化情況。繪圖所用軟件為海洋數(shù)據(jù)視圖軟件(Ocean Data View, ODV)。

圖3 DO 濃度剖面分布圖a、c、e 為跨陸坡斷面觀測(cè), b、d、f 為沿陸坡斷面觀測(cè); 圖中數(shù)值為DO 濃度等值線標(biāo)值, 白色等值線為斷面內(nèi)DO 濃度最小值Fig. 3 Vertical distributions of DO. (a), (c) and (e) are across-slope distributions; (b), (d) and (f) are along-slope distributions.DO contours are shown, with the white contour for the minimum DO value in each section

2 結(jié)果

2.1 OMZ 的空間分布特征

圖3 是7 臺(tái)水下滑翔機(jī)觀測(cè)到的DO 濃度剖面分布圖, 其中1000KDVL02 與1000KDVL04 的斷面數(shù)據(jù)繪制在同一張圖中(圖3d), 中間空白處無(wú)數(shù)據(jù)。由于不同海域關(guān)于OMZ 中DO 濃度的定義尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合以往研究結(jié)果(Kamykowski and Zentara,1990; Brandt et al, 2010; Llanillo et al, 2018), 本文定義DO 濃度小于100μmol·L–1的水域?yàn)镺MZ。從圖中可以得知, 在水深0～1000m 范圍內(nèi), DO 的分布有明顯的分層現(xiàn)象, 其濃度范圍為 80～220μmol·L–1,其中表層至次表層DO 濃度較高, 并隨深度逐漸增加, 直至出現(xiàn)極大值(深度約 75m, DO 濃度約為200μmol·L–1)。此后隨著深度的增加, DO 濃度逐漸降低, 直至極小值出現(xiàn)(深度約700m, DO 濃度約為80～100μmol·L–1)。在700～900m 深度范圍內(nèi)DO 濃度變化不大, 形成了厚度約為200m 的穩(wěn)定的極小值層, 即OMZ(圖3a—3d)。900～1000m 深度范圍內(nèi),DO 濃度較上層稍有增加。

由于受到海水溫鹽特性以及生物活動(dòng)等因素的影響, OMZ 的分布呈現(xiàn)出空間差異。在沿陸坡的DO剖面分布中, OMZ 出現(xiàn)在700～900m 范圍內(nèi), 其厚度約為200m, 斷面內(nèi)部沿陸坡分布差異不大。其中,1000K004(圖 3b)所在斷面 DO 濃度極小值約為84μmol·L–1, 1000KDVL02 與1000KDVL04(圖3d)所在 斷 面 DO 濃 度 極 小 值 約 為 82μmol·L–1, 而1000K012(圖3f)所在斷面的DO 極小值則上升至100μmol·L–1。在跨陸坡的DO 濃度剖面分布中, OMZ出現(xiàn)在700～900m 范圍內(nèi), 其厚度約為200m。其中,1000K005(圖3a)與1000K008(圖3c)斷面內(nèi)的DO 濃度極小值均為85μmol·L–1左右, OMZ 的厚度在陸坡區(qū)域內(nèi), 隨緯度的增加由南至北逐漸變薄, 呈楔形分布。而1000K012(圖3f)斷面的DO 濃度明顯高于其他斷面, 約為 100μmol·L–1, OMZ 延伸至該處(120°E、20°N 附近)后逐漸變薄, 可能是受到黑潮水入侵的影響。由此可以得知, 在沿陸坡的北東—西南走向和跨陸坡的北西—東南走向上, OMZ 內(nèi)DO濃度的空間分布均存在差異, 主要表現(xiàn)為沿陸坡的分布區(qū)域內(nèi), OMZ 位置逐漸抬升, 強(qiáng)度由西向東逐漸減弱, 其厚度由南至北逐漸變薄, 直至消失。其中的DO 濃度在西南部較低, 在東北部較高。

結(jié)合以往的研究可知, 熱帶海洋的OMZ 普遍分布在σθ=26.8～27.3kg·m–3范圍內(nèi)(Karstensen et al,2008)。從圖4 可以看出, 在南海北部陸坡區(qū)的OMZ中, 研究區(qū)域的DO 濃度在80～100μmol·L–1之間, 在垂直方向上隨密度的增加而逐漸降低, 至σθ=27.1～27.2kg·m–3時(shí)出現(xiàn)極小值。其中, 陸坡西南部區(qū)域的DO 濃度極小值約為80～84μmol·L–1, 東北部區(qū)域約為96～100μmol·L–1, 此后DO 濃度又隨密度增加而稍有增大。在 OMZ 區(qū)域內(nèi)(σθ=27.1～27.2kg·m–3), DO 濃度的分布整體上呈現(xiàn)西南部低、東北部高的趨勢(shì)(圖4d、4e), DO 低值區(qū)位于研究區(qū)域西南角, 而東北部的DO 高值區(qū)一直維持至OMZ層以下。

2.2 OMZ 區(qū)域內(nèi)DO 濃度隨時(shí)間的變化情況

為了進(jìn)一步分析OMZ 區(qū)域內(nèi)DO 隨時(shí)間的變化情況, 分別選取了1000K005 和1000KDVL02 兩臺(tái)水下滑翔機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。由于水下滑翔機(jī)在相同斷面進(jìn)行來(lái)回觀測(cè), 且每個(gè)剖面觀測(cè)位置的偏差很小, 相比整個(gè)OMZ 區(qū)域可以忽略不計(jì), 因此可以近似地認(rèn)為在連續(xù)的時(shí)間范圍內(nèi),相同斷面內(nèi)的各剖面位置是相同的。由此可以利用DO 濃度的變化量與時(shí)間T的變化量之比, 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得到700～1000m 深度范圍內(nèi)DO 濃度在連續(xù)兩周之內(nèi)的平均變化速率v, 并以此來(lái)分析整個(gè)OMZ 區(qū)域的變化趨勢(shì)。選取斷面的起止時(shí)間和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 OMZ 區(qū)域內(nèi)DO 濃度的平均變化速率Tab. 1 Average change rate of DO content in OMZ core area

圖 5 展示了兩臺(tái)水下滑翔機(jī)(1000K005、100KDVL02)觀測(cè)斷面在兩周之內(nèi)OMZ 區(qū)域內(nèi)DO濃度的變化情況, 其中跨陸坡斷面DO 的平均變化速率為0.023μmol·L–1·d–1(增加)(圖5a、5c), 而沿陸坡斷面為–0.034μmol·L–1·d–1(減少)(圖5b、5d)。在所選取的斷面內(nèi), 沿陸坡斷面的DO 濃度雖然略大于跨陸坡斷面, 但是由于兩者觀測(cè)位置相差不遠(yuǎn)(圖2),因此DO 濃度的平均變化速率相差不大。由此可以推斷, 在一定時(shí)間范圍內(nèi), 南海北部陸坡區(qū)的OMZ能夠穩(wěn)定存在, 且其中的DO 濃度受周圍環(huán)境影響較小。

圖5 跨陸坡、沿陸坡方向兩個(gè)斷面于兩周內(nèi)的DO 濃度變化情況a、c 為跨陸坡斷面(1000K005), b、d 為沿陸坡斷面(1000KDVL02); 圖中數(shù)字為DO 濃度等值線標(biāo)值, 白色等值線為斷面內(nèi)DO 濃度最小值Fig. 5 Variation of DO content in two weeks. Two sections are across-slope and along-slope, respectively. (a) and (c) are 1000K005; (b) and (d) are 1000KDVL02

3 討論

3.1 OMZ 空間分布特征分析

作為海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中的一個(gè)重要參數(shù),DO 常被應(yīng)用于海洋水團(tuán)的追蹤, 同時(shí)DO 的垂直分布結(jié)構(gòu)與水團(tuán)的垂向分布也有著密切的聯(lián)系(劉洋,2010)。在水體的成層結(jié)構(gòu)中, DO 的分布與水團(tuán)的變化性質(zhì)有關(guān)(Astraldi et al, 2002)。一般地, 按照水體在垂向上的水文特征可以將南海水團(tuán)劃分為表層水團(tuán)(0～50m)、次表層水團(tuán)(50～300m)、中層水團(tuán)(400～1000m)和深層水團(tuán)(大于1000m)(Qu et al,2000)。如圖6 所示, 本研究所選取的南海北部陸坡區(qū)水團(tuán)的T-S 分布與西太平洋水團(tuán)相同(Talley, 1993;劉增宏 等, 2011), 均呈反“S”型分布。在陸坡東部靠近呂宋海峽附近, 表層與次表層水團(tuán)的溫度和鹽度都較陸坡其他區(qū)域有所不同, 具體表現(xiàn)為高溫高鹽,其中溫度在 25～30 ℃之間, 鹽度最大值約為34.75‰～34.80‰, 而對(duì)應(yīng)該區(qū)域水體DO 的濃度也有所升高(約為175～220μmol·L–1)。在南海北部, 高溫高鹽的黑潮水通過(guò)呂宋海峽進(jìn)入南海, 并逐漸沿大陸架向西南部擴(kuò)散, 從而對(duì)南海環(huán)流造成影響(Chu et al, 2000; Qu et al, 2006)。通過(guò)對(duì)WOA01 歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析, Li 等(2006)發(fā)現(xiàn)在南海北部陸坡靠近呂宋島處存在一個(gè)“快通風(fēng)區(qū)”(Fast Ventilation Zone, FVZ), 其特點(diǎn)是在中層水及其上部高氧水沿菲律賓海峽侵入南海, 而在中層水下部,由于沒(méi)有明顯的水平氧源, 因此認(rèn)為可能是高氧水的垂直擴(kuò)散過(guò)程導(dǎo)致了此處的DO 濃度要高于陸坡西部。這與本研究T-S-DO 點(diǎn)聚圖中陸坡東部DO 濃度明顯高于中部和西部的結(jié)論基本一致, 同時(shí)也能夠解釋本次觀測(cè)斷面中位于陸坡東北部的兩個(gè)斷面OMZ 區(qū)域內(nèi)DO 濃度為何明顯高于其他斷面(圖3)。

圖6 7 臺(tái)水下滑翔機(jī)的T-S-DO 點(diǎn)聚圖圖a、b、c 分別為陸坡西部、中部、東部區(qū)域; 圖中顏色變化表示DO 濃度變化; 等值線表示位勢(shì)密度σθ, 單位為kg·m–3; 各子圖左下角字符串為滑翔機(jī)編號(hào)Fig. 6 T-S-DO diagram of seven sea-wing underwater gliders. The color change in the figure indicates the DO content change in μmol·L–1. The contour line indicates potential density, in kg·m–3. (a), (b) and (c) represent the western, middle and eastern regions of the continental slope, respectively

根據(jù)鹽度的斷面分布圖(圖7)可以看出, 在水深0～1000m 范圍內(nèi), 鹽度在垂向分布上分層明顯。在溫躍層中部(75～150m), 次表層鹽度極大值在南海北部陸坡區(qū)均有出現(xiàn), 其值約為34.58‰～34.62‰,而在中層水300～500m 范圍內(nèi)則出現(xiàn)了鹽度極小值層, 其值約為34.40‰～34.43‰, 這一特性與西北太平洋中層水一致(Li et al, 2002)。結(jié)合上述鹽度分布情況以及T-S-DO 點(diǎn)聚圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)域內(nèi)的OMZ 普遍位于鹽度極小值層下方, 而此處也是中層水團(tuán)與深層水團(tuán)的交界處。劉洋等(2011)利用WOA05 數(shù)據(jù)分析了南海DO 濃度垂直分布的季節(jié)變化特征, 結(jié)果顯示DO 濃度極小值所在深度無(wú)明顯季節(jié)變化, 其平均深度為860m 左右, 平均濃度為84μmol·L–1, 這也與本次觀測(cè)中OMZ 的形成位置及其中的DO 濃度基本一致(圖3)。

圖7 鹽度剖面分布圖a、c、e 為跨陸坡斷面觀測(cè), b、d、f 為沿陸坡斷面觀測(cè)Fig. 7 Vertical distributions of salinity. (a), (c), (e) are across-slope distributions; ( b), (d), (f) are along-slope distributions

以往的研究發(fā)現(xiàn), 北太平洋的OMZ 有較強(qiáng)的時(shí)間變化現(xiàn)象(Stramma et al, 2008; Bograd et al,2008), 這可能是由自然條件的變化和海洋吸收的熱量共同決定的(Fr?licher et al, 2009; Czeschel et al,2012)。Deutsch 等(2011)發(fā)現(xiàn)在熱帶太平洋地區(qū), 赤道上升流和溫躍層深度的變化通過(guò)控制生物耗氧量,能夠增加缺氧水體的深度, 這導(dǎo)致了缺氧水體的年代際變化, 且與太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)顯著相關(guān)。Ito 等(2013)利用歷史數(shù)據(jù)集模擬了20 世紀(jì)80 年代后熱帶東太平洋OMZ的擴(kuò)張情況, 結(jié)果表明物理過(guò)程帶來(lái)的氧供應(yīng)以及生物過(guò)程造成的氧損失共同作用, 從而產(chǎn)生了OMZ以數(shù)十年為周期的多年代際變率, 低氧水體的10 年波動(dòng)尺度與溫躍層深度和呼吸速率相關(guān)。隨著氣候變化進(jìn)程的加劇, 海洋生物地球化學(xué)的響應(yīng)逐漸增大(Deutsch et al, 2005)。氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示, 海表溫度升高將導(dǎo)致氧氣在水中的溶解度降低和表層氧濃度的消耗(Keeling et al, 2010; Long et al, 2016),因此全球變暖引起的水體分層會(huì)限制水團(tuán)的垂直交換, 有可能導(dǎo)致海洋中深層DO 濃度進(jìn)一步下降以及OMZ 的逐漸擴(kuò)大(Ito et al, 2017)。本文的研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了南海北部陸坡區(qū)的OMZ 是能夠穩(wěn)定存在的, 其空間分布特征明顯, 即在垂直方向上位于水深700～900m 處, 密度介于26.8～27.3kg·m–3之間; 在水平方向上自南海北部陸坡西南部起, 沿陸坡呈楔形分布, 至陸坡東北部呂宋海峽附近變薄直至消失, 且OMZ 的整體分布特征與通過(guò)呂宋海峽的北太平洋深層水在南海深處抬升有關(guān)。

3.2 影響OMZ 分布與形成的因素

由于海水中密度躍層的存在, 使得DO 的向下輸送量減少, 同時(shí)水平方向上DO 得不到及時(shí)補(bǔ)充,致使DO 在密度躍層以下濃度隨深度的增加而減少(楊嘉東, 1991), 這也進(jìn)一步證實(shí)了溫度和密度躍層的厚度能夠從一定程度上影響OMZ 中的DO 濃度。此外, 水體的交換和更新情況也會(huì)對(duì)OMZ 的形成產(chǎn)生影響(李學(xué)剛 等, 2017)。已有的研究表明, 地中海東、西兩個(gè)亞盆地OMZ 中的DO 濃度的差異與深海水體的更新速率密切相關(guān)(Tanhua et al, 2013)。而深海水體的更新速率主要由水體的垂直對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程控制, 其中西地中海的深水更新時(shí)間估計(jì)為40a, 東地中海為70～150a, 從而導(dǎo)致地中海盆地東部的通風(fēng)較弱, DO 濃度較低(Mavropoulou et al,2020)。在南海北部, 深層水的補(bǔ)給主要來(lái)自西北太平洋深層水經(jīng)呂宋海峽的輸運(yùn)和下沉(Wang et al,2019)。歷史研究數(shù)據(jù)證實(shí), 南海陸坡區(qū)附近的中深層低氧水年齡小于100a, 是南海最古老的水(Li et al,2006), 而本文研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)OMZ 區(qū)域內(nèi)低氧水隨時(shí)間變化速率是比較小的。Du 等(2013)通過(guò)分析黑潮入侵對(duì)南海北部上層水體中營(yíng)養(yǎng)鹽通量的影響發(fā)現(xiàn), 沿等密度面的擴(kuò)散通量比跨密度面的擴(kuò)散通量大3 個(gè)數(shù)量級(jí), 由此可以推斷沿等密度面混合在控制南海北部中上層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)輸中占主導(dǎo)地位。同樣地, 在OMZ 區(qū)域所在水層, 海水的主要運(yùn)動(dòng)形式為沿等密度面的橫向輸運(yùn), DO 無(wú)法與來(lái)自上層的水體及時(shí)交換, 主要通過(guò)沿等密度面擴(kuò)散來(lái)補(bǔ)充(Levin, 2018), 這進(jìn)一步證實(shí)了較弱的通風(fēng)情況將有助于OMZ 的形成。

除了受到溫度、密度以及鹽度等環(huán)境因子的影響之外, 生物過(guò)程也被認(rèn)為是影響OMZ 分布情況的重要因素(Bertagnolli et al, 2018)。在表層以下, DO由于生物的呼吸作用隨深度增加而逐漸減少, 并不斷地被其他有機(jī)物消耗, 因此呼吸速率的提高和水體的弱通風(fēng)可能會(huì)導(dǎo)致缺氧(La Ferla et al, 2003)。有研究發(fā)現(xiàn), 在熱帶東太平洋的OMZ 上部有一層與微生物群落相關(guān)的永久小顆粒層(Rasse et al, 2019),這種小顆粒層可能是由于浮游動(dòng)物將大顆粒分解成小顆粒造成的(Cavan et al, 2017), 它的存在會(huì)使OMZ 中的再礦化率提高, 從而降低DO 濃度。考慮到OMZ 處水體通風(fēng)較弱, 水團(tuán)停留時(shí)間較長(zhǎng), DO應(yīng)該被消耗殆盡, 然而在實(shí)際情況中OMZ 內(nèi)的DO很少被耗盡, 并能保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平(Paulmier et al, 2009)。He 等(2019)在南海北部的一次巡航研究中發(fā)現(xiàn), 深層水的病毒與細(xì)菌豐度之比(the ratio of viral to bacterial abundance, VBR)的最大值與OMZ 在同一深度重合, 這表明二者耦合相關(guān),并提出病毒控制了OMZ 中的細(xì)菌豐度和細(xì)菌呼吸的機(jī)制。這是由于在OMZ 中, 有機(jī)物被消耗限制了細(xì)菌生長(zhǎng), 然而病毒的生長(zhǎng)并沒(méi)有受到限制, 得以繼續(xù)溶解細(xì)菌, 從而導(dǎo)致了深層出現(xiàn)VBR 最大值。因此, 病毒控制細(xì)菌豐度可能是在OMZ 中減緩DO消耗至缺氧的一個(gè)潛在機(jī)制。

綜合以上分析, 本文認(rèn)為南海北部陸坡區(qū)OMZ的形成原因可能是中層水體的垂向混合速率較弱,且溫度低、流速小, 氧氣的溶解度也比較低(K?llner et al, 2016); 同時(shí), OMZ 所在深度, 由于遠(yuǎn)離真光層,沒(méi)有初級(jí)生產(chǎn), DO 通常由異養(yǎng)過(guò)程消耗(Farías et al,2007), 導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)的DO 得不到及時(shí)補(bǔ)充, 即DO的消耗速率大于供應(yīng)速率, 由此形成了具有一定厚度、且濃度較為穩(wěn)定的OMZ。而此處的水體循環(huán)、有機(jī)物再礦化情況以及群落的呼吸消耗等因素都會(huì)對(duì)OMZ 出現(xiàn)的深度及其中的DO 濃度產(chǎn)生影響, 但具體的控制機(jī)制還有待今后更為深入的研究和探索。

4 結(jié)論與展望

與以往走航觀測(cè)、定點(diǎn)采樣的研究方法不同,本研究借助高分辨率的水下滑翔機(jī)進(jìn)行的大規(guī)模組網(wǎng)觀測(cè), 得到了在時(shí)間和空間上都具有一定連續(xù)性的觀測(cè)斷面。結(jié)果顯示夏季南海北部陸坡區(qū)在中層水處(700～900m)存在明顯的OMZ, 其空間分布特征為自陸坡西南部起向北東方向延伸, 厚度由西南至東北逐漸變薄, 整體呈楔形分布, 并在靠近呂宋海峽處消失。其中的DO 濃度呈東北部高、西南部低的分布特征。此外, 通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算OMZ 區(qū)域內(nèi)DO濃度的平均變化速率, 結(jié)果顯示DO 濃度隨時(shí)間的變化幅度在跨陸坡和沿陸坡的斷面內(nèi)沒(méi)有明顯差異,說(shuō)明OMZ 在一定時(shí)間范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定、持續(xù)地存在于中層水。溫度躍層和密度躍層會(huì)對(duì)OMZ 的位置和深度變化產(chǎn)生影響, 鹽度特性和水團(tuán)分布情況可以從環(huán)流角度解釋OMZ 的形成原因。

但是, OMZ 的空間分布特征和變化情況會(huì)受到多種物理過(guò)程與生物作用的綜合影響, 由于缺少硝酸鹽、磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)鹽以及生物相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù),在闡述生物過(guò)程對(duì)OMZ 形成的影響方面還不夠完善。同時(shí), 水下滑翔機(jī)在下潛和上浮的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生位置上的偏差, 加之由儀器本身造成的數(shù)據(jù)缺失, 因此在描述OMZ 空間分布特征的完整性上存在一定的局限。今后可以利用更加完善的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究南海北部陸坡區(qū)OMZ 的季節(jié)、年際變化情況, 還可以借助海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)展更為深入和系統(tǒng)的研究。