【摘要】：近幾十年來,在人類活動和全球氣候變化的共同影響下,近海富營養(yǎng)化程度不斷加劇,低氧現(xiàn)象(DO￡3 mg/L)在世界范圍內(nèi)頻發(fā),且其出現(xiàn)的頻率、范圍和持續(xù)時間等呈現(xiàn)逐漸增長的發(fā)展趨勢,儼然已成為近海典型的生態(tài)災(zāi)害之一。長江口及鄰近海域是我國近海低氧現(xiàn)象發(fā)生最為突出的海域,低氧現(xiàn)象的頻發(fā)對該海域生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重危害。針對長江口及鄰近海域的低氧問題,基于在該海域首次開展的高頻率、大范圍、多學(xué)科的逐月精細(xì)化調(diào)查(2015年2月 2016年1月)與船基實(shí)驗(yàn)(2017年7月),本博士學(xué)位論文系統(tǒng)研究了該海域低氧區(qū)在整個年度內(nèi)的時空變化特征,結(jié)合水文與生物化學(xué)等同步觀測數(shù)據(jù),辨析了不同時期影響低氧區(qū)分布的關(guān)鍵因子及過程。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步揭示了低氧區(qū)的“南、北雙核”結(jié)構(gòu),探討并驗(yàn)證了影響南、北兩處低氧區(qū)關(guān)鍵過程的差異,并定量估算了沉積物耗氧(Sediment Oxygen Demand,SOD)在低氧區(qū)形成過程中的貢獻(xiàn),主要研究結(jié)果如下:(1)長江口及鄰近海域低氧區(qū)的時空變化全年逐月航次調(diào)查結(jié)果表明,研究海域底層溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)含量的變化范圍是1.10 10.59 mg/L,其分布存在顯著的時空差異�？傮w而言,2 3月,底層DO含量較高且處于飽和狀態(tài),DO分布呈現(xiàn)從近岸向外海逐漸降低的趨勢。4月起,低DO含量水體(DO￡6 mg/L)首先出現(xiàn)在研究海域南部,此后從南到北逐漸擴(kuò)展且影響范圍增大。在此基礎(chǔ)上,研究海域低氧區(qū)于8月在長江口和浙江近岸局地加劇而發(fā)展形成并持續(xù)到10月。其中,8月低氧區(qū)覆蓋面積最為廣闊,達(dá)14800 km~2。此后低DO含量水體“從北到南逐漸消失”。根據(jù)全年范圍內(nèi)DO分布特點(diǎn),將該海域低氧區(qū)生消過程主要分為四個階段,分別為:前期、發(fā)展期、形成期與消失期。在低氧區(qū)生消的不同時期,控制DO分布的關(guān)鍵過程存在顯著差異。在前期(2 3月),水體混合作用強(qiáng)烈,DO分布主要受其溶解度控制。在發(fā)展期(4 7月),低DO濃度與高鹽度特征的黑潮近岸分支(Nearshore Kuroshio Branch Current,NKBC)的入侵提供了較低的DO背景,并促進(jìn)了研究海域的水體層化;此后隨著表層海水的增溫以及長江沖淡水(Changjiang Diluted Water,CDW)的增加,局地層化加劇并向北擴(kuò)展,導(dǎo)致低DO含量水體逐漸向北擴(kuò)展,影響范圍更廣闊。在形成期(8 10月),強(qiáng)烈的水體層化限制了DO垂直輸送,此外局地有機(jī)物降解過程的加劇促進(jìn)了低氧區(qū)的形成。此后在消失期(11 次年1月),隨著水體層化減弱與向南退縮,低氧區(qū)從北到南逐漸消失。低氧區(qū)的發(fā)展、形成與消失是多種因素綜合作用的結(jié)果,整體而言,全年范圍內(nèi)躍層的變化對DO時空分布的變化具有重要的控制作用。(2)長江口及鄰近海域低氧區(qū)的空間異質(zhì)性特點(diǎn)長江口及鄰近海域低氧區(qū)在空間上呈現(xiàn)不連續(xù)的分布特征,低氧區(qū)具有“南、北雙核”結(jié)構(gòu),且該特征在低氧最嚴(yán)重的8月最為顯著:北部低氧區(qū)位于長江口(30.73 32.30°N,122.96 124.60°E),向北延伸至南黃海南部,覆蓋范圍廣闊(9900 km~2);南部低氧區(qū)位于浙江近海(28.43 29.40°N,121.97 122.63°E),面積較小(4900 km~2)。針對低氧區(qū)的“南、北雙核”結(jié)構(gòu),本研究深入揭示了南、北兩處低氧區(qū)水文特征與生化特征的差異,探討了影響兩處低氧區(qū)關(guān)鍵過程的差異。一方面,兩處低氧區(qū)的水文特征存在差異:NKBC對南部低氧區(qū)影響顯著,而在北部低氧區(qū),CDW的影響更為明顯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),南、北兩處低氧區(qū)的躍層結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度存在差別,北部低氧區(qū)的水體層化更為強(qiáng)烈,對DO垂直輸送的限制可能更強(qiáng)。此外,兩處低氧區(qū)的生化特征存在差異:南部低氧區(qū)表層沉積物具有較高的有機(jī)物含量,且南部低氧區(qū)底層水體表觀耗氧量(Apparent Oxygen Utilization,AOU)與NO_3~-+NO_2~-和PO_4~(3-)的相關(guān)關(guān)系以及N/P比與Redfield模型的耦合性更好。(3)沉積物耗氧對長江口及鄰近海域低氧區(qū)空間異質(zhì)性的影響為進(jìn)一步驗(yàn)證并分析南、北兩處低氧區(qū)生化過程的差異,本研究于2017年7月開展了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),測定了研究海域浮游植物沉降速率,并在北部低氧區(qū)(3100 2站位)、南部低氧區(qū)(DH4 0A與JQ1 1站位)以及非低氧區(qū)(JQ6 1站位)測定了上述站位SOD速率�，F(xiàn)場培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研究海域浮游植物沉降速率的變化范圍為0.75 3.34 m/day,存在顯著的空間差異。浮游植物沉降速率受其生物量與群落結(jié)構(gòu)影響,南部低氧區(qū)浮游植物沉降速率高于北部低氧區(qū)與非低氧區(qū)。研究海域SOD速率的變化范圍為7.30 19.00 mmol/(m~2·day),其分布也存在明顯的空間差異:南部低氧區(qū)站位SOD速率北部低氧區(qū)站位SOD速率非低氧區(qū)站位SOD速率,上述結(jié)果進(jìn)一步證明了南部低氧區(qū)表層沉積物耗氧分解更為強(qiáng)烈。在此基礎(chǔ)上,本研究估算了7 8月躍層以下水體DO凈虧損量以及SOD的貢獻(xiàn):在北部低氧區(qū)3100 2站位,SOD占DO凈虧損的51%;在南部低氧區(qū)DH4 0A與JQ1 1站位,SOD分別占DO凈虧損的49%與56%;在非低氧區(qū)JQ6 1站位,SOD占DO凈虧損的43%。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)于:基于在長江口及鄰近海域首次開展的逐月精細(xì)化調(diào)查,細(xì)致刻畫并證明了該海域低氧區(qū)“從南到北形成,從北到南消失”的時空變化特征,辨析了不同時期影響低氧區(qū)分布的關(guān)鍵因子與過程;闡釋了“南、北雙核”低氧結(jié)構(gòu)的生消過程差異及其產(chǎn)生機(jī)制,定量估算了SOD在低氧區(qū)形成中的貢獻(xiàn)。綜上所述,本博士學(xué)位論文進(jìn)一步深化了對長江口及鄰近海域低氧區(qū)生消特點(diǎn)的認(rèn)識,闡釋了低氧區(qū)生消過程中關(guān)鍵過程的協(xié)同作用及其時空差異,相關(guān)研究結(jié)果為深入揭示低氧區(qū)的形成機(jī)制奠定了基礎(chǔ),同時為進(jìn)一步闡明該海域主要生源要素循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能提供了科學(xué)依據(jù)。
【圖文】：

圖 1.1 海洋中 DO 的來源、輸送與消耗主要過程（Zhang et al., 2010）Figure 1.1 Major processes of production, transportation and consumption for DO in the marineecosystems (Zhang et al., 2010).1.2 海洋中低氧區(qū)研究背景概述1.2.1 低氧區(qū)的定義“低氧（Hypoxia）”概念取之于醫(yī)學(xué)界，海洋生態(tài)學(xué)家借此表示海洋中的 DO被大量消耗而處于較低水平，并用以描述海洋生物在 DO 缺乏條件下的反應(yīng)與生物化學(xué)過程在 DO 缺乏條件下的狀態(tài)。大多數(shù)海洋生物的生存與繁殖均需要 DO維持，但受海洋生物種類和環(huán)境等具體因素的影響，不同海洋生物對不同 DO 水平的反應(yīng)存在一定差異，因此目前還沒有統(tǒng)一的閾值來定義低氧。整體而言，大多數(shù)魚類的正常生長、繁殖一般要求海水中 DO 不低于 6mg/L（Grayetal.,2002）。

圖 1.2 21 世紀(jì)初全球低氧區(qū)的分布（Breitburg et al., 2018）紅點(diǎn)代表人類影響下的近岸低氧區(qū)，藍(lán)點(diǎn)代表 OMZs。Figure 1.2 The distribution of hypoxic zones around the world in the early 21st century (Breitburget al., 2018)The red dots indicate hypoxic zones where anthropogenic nutrients have exacerbated or causedhypoxia, the blue dots indicate ocean OMZs.1.2.3 影響低氧區(qū)形成的關(guān)鍵過程海洋中的 DO 含量取決于 DO 的來源、輸送與消耗過程，當(dāng) DO 持續(xù)消耗而得不到及時補(bǔ)充時，DO 含量就會下降，，甚至導(dǎo)致低氧區(qū)或者無氧區(qū)的形成。盡管低氧區(qū)發(fā)生的地點(diǎn)、海域環(huán)境與持續(xù)時間等存在一定差異，但不同海域低氧區(qū)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院海洋研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X55

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7 周q

本文編號：2691934