春季東海北部近岸水體中的溶解無機碳和有機碳的分布特征及其影響因素

李 寧, 王江濤

(中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

春季東海北部近岸水體中的溶解無機碳和有機碳的分布特征及其影響因素

李 寧, 王江濤

(中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

根據2010年4月在東海北部近岸的調查, 分析了研究海域溶解無機碳(DIC)和溶解有機碳(DOC)的含量及其分布狀況, 并分別對DIC、DOC與溫度、鹽度、表觀耗氧量等要素的關系進行了初步探討。結果表明, 春季研究海域表、底層DIC平均含量分別為24.54 mg/L和25.03 mg/L, 平面分布趨勢均為近岸高于遠岸, 象山口附近DIC的濃度最高, 北部由于受長江徑流的影響, DIC的濃度也較高。垂直分布特點為底層濃度高于表層。DOC的表、底層含量分別為0.96 mg/L和0.87 mg/L, 平面分布特點與DIC類似, 表現為近岸濃度高, 遠岸濃度低。DOC的垂直分布特點與DIC正好相反, 表現為表層濃度高于底層。研究海域DIC與溫度、鹽度和表觀耗氧量的關系表明, DIC主要受陸源輸入和溫度的影響,且溫度的影響作用較大。研究海域DOC與溫度、鹽度和表觀耗氧量的關系表明, DOC受陸源輸入的影響更大, 同時受一定的生物活動的影響。

溶解無機碳(DIC); 溶解有機碳(DOC); 東海北部近岸

目前, 人類每年排入大氣中的 CO2約為 5.5×109tC, 大約有1/3為海洋所吸收[1-3]。浮游植物通過光合作用將海水中的溶解無機碳轉化為有機碳, 再通過垂直遷移等物理作用最終將大氣中的二氧化碳埋藏到海底。因此海洋在調節大氣二氧化碳含量方面起到了至關重要的作用。由于邊緣海生態環境的復雜性, 對其碳循環的研究目前已成為國際海洋科學研究前沿領域的重要內容[4-8]。因此, 對海水中溶解無機碳和有機碳的來源、遷移、轉化和循環等過程的研究對了解全球碳循環和生物地球化學循環方面都有重要的意義。

1 研究區域

東海北部近岸海域是陸架邊緣海較復雜的海區,是陸地、海洋、大氣各種過程相互作用較為激烈的地帶。同時, 作為人類活動、經濟開發最為集中的地帶, 東海北部近岸也是典型的赤潮高發區。目前對東海北部近岸碳循環的研究涉及碳的輸入通量[9]、CO2在海-氣界面的傳遞[10]、營養鹽分布對碳循環的影響[11]、浮游生物活動對碳循環的作用等諸多方面[12]。但同時從溶解無機碳與有機碳兩個角度共同分析,來探討近岸水體中無機碳和有機碳遷移轉化規律的研究還很少。因此, 本研究從溶解無機碳和有機碳兩個方面進行分析。本研究于2010年4月8日至4月26日, 對東海北部近岸的無機碳和溶解有機碳進行了調查, 站位布設如圖1所示。

2 實驗方法

2.1 取樣與分析

DOC樣品: 海水用 Niskin采水器采集后, 立即用Whatman GF/F濾膜(Φ=47mm, 450℃預灼燒6 h)過濾。濾液轉入60 mL玻璃貯樣瓶中。玻璃瓶在出海前用稀鹽酸浸泡24 h以上, 依次用蒸餾水、Milli-Q水潤洗3遍, 在480℃下至少灼燒6 h。水樣中加入1滴飽和 HgCl2溶液以避免微生物影響, 蓋上瓶塞然后用 Parafilm膜封口后在 4℃下保存。DOC樣品用島津TOC-VCPH型總有機碳分析儀進行測定。

DIC樣品: 海水樣品采集后, 水樣直接轉入經480℃灼燒的玻璃瓶中, 加入一滴飽和 HgCl2溶液,蓋上塞子, 用Parafilm膜封口后在4℃下保存。DIC樣品用島津TOC-VCPH型總有機碳分析儀進行測定。測定范圍: 0～30 000 mg/L, 檢測限: 4μg/L, 精密度:1.5%以內。

圖1 采樣站位Fig. 1 Sampling stations

2.2 超額CO2與表觀耗氧量(AOU)

為了討論研究海域生物活動對其溶解無機碳體系的影響, 分析了超額 CO2與表觀耗氧量之間的關系(見3.2.2)。超額 CO2由Zhai等[13]提出, 定義為: 體中溶解的總游離 CO2的濃度與水體和大氣平衡的CO2的濃度的差值。即公式(1):

式中, CO2(T)為水體中總的溶解 CO2。CO2(T)=為CO2的溶解度系數[14];pCO2(water)為海水中CO2的分壓;

CO2(T)的估算是根據 Mehrbach[15]提出, 后經Dickson[16]修正的K1,K2計算公式得出。

表觀耗氧量的計算見公式(2):

式中, [O2]eq為 O2的溶解度[14], [O2]為水體中實際的O2濃度。

3 結果與討論

3.1 DIC與DOC的含量及分布特征

3.1.1 春季東海北部近岸水體中DIC的含量及分布特征

春季東海北部近岸表層溶解無機碳的含量在22.79~25.60 mg/L之間, 平均值為24.54 mg/L。分布整體呈近岸濃度高, 外海濃度低的趨勢。在象山港口附近為 DIC的高值區, 呈明顯的 DIC舌狀分布, 這可能是該區域接受了大量由港口排放的工業污水,其中的有機質最終分解成CO2和氮、磷化合物, 使該海域的DIC含量較高。由以下(3.1.2)DOC的數據可以看出, 該區域溶解有機碳的含量也較高。

春季東海北部近岸底層溶解無機碳的含量在24.32~26.62 mg/L之間, 平均值為25.03 mg/L。底層溶解無機碳的分布較表層均勻, 絕大多數站位 DIC含量在 25 mg/L左右。跟表層類似, 在象山港口外,DIC的含量較高, 呈明顯的舌狀分布。另外在杭州灣外海122.8 ~123°E處, DIC含量較高, 最高可達26.62 mg/L, 等值線密集, 濃度梯度大, 由北向南降低, 水舌延伸至(123°E, 30°N)處。這可能受長江徑流輸入的影響(圖 2)。

圖2 4月東海北部近岸表層(A)和底層(B)溶解無機碳平面分布(mg/L)Fig. 2 Distribution of DIC in surface (A) or bottom (B) water in the North of ECS Coastal Waters during April(mg/L)

就DIC的垂直分布而言, 春季東海北部近岸表、底層的 DIC分布相似, 但底層含量略高。這是由于研究海域春季躍層已開始形成, 底層開始生物降解耗氧, 產生CO2, 所以底層略高于表層。

3.1.2 春季東海北部近岸水體中 DOC的含量及分布特征

東海北部近岸海域表層溶解有機碳的含量在0.54～1.88 mg/L之間, 平均含量為0.96 mg/L。分布整體呈近岸濃度高, 外海濃度低的趨勢, 表明陸源輸入可能是該海域DOC的主要來源。另外, 研究海域的北部有一溶解有機碳的高值區, 等值線密集,濃度由北向南降低, 這可能是因為該區域受到了長江徑流輸入的影響, 無機碳也有類似的現象。象山口附近DOC的濃度也較高, 但沒有形成明顯的舌狀分布, 這可能是因為由象山口排放的廢水中含有較多的不穩定有機碳, 這些有機碳降解速度較快, 因此導致該區域DOC雖然含量較高, 但沒有明顯的舌狀分布, 而DIC則有最高值出現。

東海北部近岸海域底層溶解有機碳的含量 0.55～1.61mg/L, 平均含量為0.87 mg/L。底層與表層分布類似, 也呈近岸濃度高于遠岸的分布趨勢。象山口附近DOC濃度較高, 研究海域北部同樣受到長江水輸入的影響, DOC的濃度最高, 呈明顯舌狀分布(圖3)。

與DIC相反, 春季東海北部近岸海域底層DOC濃度略低于表層, 因為春季浮游植物開始生長, 光合作用使表層釋放出DOC, 底層DOC由于呼吸和降解作用而分解, 導致表層 DOC濃度略高于底層, 與無機碳剛好相反。

圖3 4月東海北部近岸表層(A)和底層(B)溶解有機碳平面分布(mg/L)Fig. 3 Distributions of DOC in surface (A) or bottom (B) water in the North of ECS Coastal Waters during April(mg/L)

3.2 春季東海北部近岸水體中DIC與DOC分布的影響因素

近岸海域海水DIC與DOC濃度及其分布受到陸源輸入、上升流的涌升、不同性質水團的混合、海-氣界面交換、生物過程、有機質氧化分解以及碳酸鹽的沉淀與溶解等多種過程的影響。下面就其與溫度、鹽度及AOU的關系分別加以討論。

3.2.1 DIC、DOC與溫度、鹽度的關系

在本調查海區, 表層海水中 DIC與鹽度的相關性很小。說明整體來說DIC受徑流的影響不大, DIC的來源具有多源性。由圖4(A)可以看出, DIC與溫度呈一定的負相關關系(R=0.651 7), 表明研究海域受溫度影響較大。這是因為春季 CO2濃度主要受溫度控制, 溫度控制了溶解氣體的溶解度。這與春季該海域近岸溫度低于遠岸, CO2溶解度較高, DIC的濃度較遠岸高的分布趨勢一致。而研究海域北部遠岸一側的DIC濃度高值是因為受到長江徑流的影響。由此推斷春季東海北部近岸DIC同時受陸源輸入和溫度的影響, 但受溫度的影響更大。

由圖4(B)和(C)可以看出, DOC與溫度(R=-0.505 0)和鹽度(R= -0.354 6)均呈一定的負相關, 但相關性較弱。這表明研究海域 DOC受陸源輸入的影響較DIC大, 因此離岸越遠, DOC濃度降低。

3.2.2 DIC、DOC與AOU的關系

海洋生物的生命過程與營養鹽的利用消耗及再生過程密不可分。在表層海水中, CO2(T)同營養鹽一起可以直接被浮游植物光合作用利用, 并釋放出氧氣:(CH2O)106(NH3)16H3PO4+ 138O2, 因此生物過程對海水DIC體系的影響一定程度上可以通過超額二氧化碳與表觀耗氧量的相互關系表現出來。DOC與AOU(表觀耗氧量)的關系首先由 Ogura[17]和 Craig[18]提出, 以后廣泛用于水體中生物氧化過程的間接估計。即認為DOC的生產過程與DOC的異養利用過程密切關聯。因此, DIC、DOC與AOU的關系可以在一定程度上反映研究海域生物活動對兩者的影響。圖5為超額CO2與AOU及DOC與AOU的關系圖。

圖4 4月東海北部近岸DIC與溫度(A)、DOC與溫度(B)、鹽度(C)的關系Fig. 4 Relationship between DIC and T(A), DOC and T(B), or DOC and S(C) in the North of ECS Coastal Waters during April

圖5表明研究海域春季表層水的超額 CO2與AOU呈正相關, 擬合公式為: 超額CO2= 0.25 AOU +10.40,R=0.6035,P=0.002。Chen 等[19]指出, Redfield呼吸商ΔCO2/ΔO2范圍大概為: 0.62~0.79。Taylor等[20]提出, 考慮到近岸河流輸入較多的呼吸商的上限可以擴展到0.90。如果超額 CO2/AOU值在呼吸商的范圍內, 說明該海域的pCO2主要受生物活動的影響,否則可能是水團混合, 溶解沉淀等非生物過程的影響較大。東海北部近岸春季表層水的超額 CO2/AOU的比值為0.25, 與Redfield呼吸商偏離較大。說明生物活動不是控制該海域DIC的主要因素, 結合3.2.1的結果, 進一步證明春季研究海域的DIC受溫度(溶解度)的影響較大。

圖5 4月東海北部近岸春季表層水超額CO2與AOU(A)和底層DOC與AOU(B)關系Fig. 5 Relationship between excess CO2 and AOU (A) in surface water or DOC and AOU in bottom water of the North of ECS Coastal Waters during in Spring

將調查海區表層DOC數據與AOU數據進行相關性分析(r=-0.07), 結果表明兩者基本無相關性。底層 DOC與 AOU的關系如圖 5(B)所示, 呈負相關,(R=-0.57)。說明研究海域表層DOC的降解較弱, 底層DOC的降解有所加強, 因此DOC濃度較表層低。結合DOC的分布趨勢及其與溫鹽的關系, 可以看出春季4月份東海北部近岸DOC同時受到陸源輸入和生物活動的影響。

3.2.3 DIC與DOC的關系

將春季東海北部近岸水體中DIC與DOC的數據進行相關性分析(R=0.26), 兩者相關性不大。這是由于春季研究海域 DIC受陸源輸入和溫度(溶解度)的控制, 主要以溫度控制為主。DOC主要受陸源輸入和生物活動的影響。因此兩者的相關性不大。

4 結論

春季東海北部近岸表層海水中溶解無機碳的含量在22.71～25.60 mg/L之間, 平均值為24.54 mg/L。底層DIC平均含量為25.03 mg/L。分布整體呈近岸高, 遠岸低的趨勢。北部受長江徑流的影響, DIC含量較高。象山口附近海域由于受到港口污水排放的影響, DIC濃度最高。

春季東海北部近岸表層海水中溶解有機碳的含量平均為 0.96 mg/L, 底層 DOC平均含量為 0.87 mg/L。分布呈近岸高, 遠岸低的趨勢, 陸源的輸入是DOC的主要來源。研究海域的北部由于受長江沖淡水的影響, DOC的濃度最高。

春季東海北部近岸水體的DIC與溫度、鹽度和AOU的關系表明, 其DIC主要受陸源輸入和溫度的影響, 且溫度的影響作用較大。

春季東海北部近岸水體的DOC與溫度、鹽度和AOU的關系表明, 其 DOC受陸源輸入的影響較大,同時受一定的生物活動影響。

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Dissolved inorganic and organic carbon in the North of East China Sea (ECS) coastal waters in spring

LI Ning, WANG Jiang-tao
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Dec., 31, 2010

dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon, North of East China Sea

Concentrations and distributions of dissolved inorganic carbon (DIC) and organic carbon (DOC) as well as their relationships with temperature, salinity, and dissolved oxygen in the North of ECS Coastal Waters during April in 2010 were analyzed. The average concentrations of DIC in surface and bottom water of our study area were 24.54mg/L and 25.03mg/L, respectively. The average concentrations of DOC in surface and bottom water of our study area were 0.96mg/L and 0.87mg/L, respectively. The characteristics of distributions of DIC and DOC were both higher near the coastal line and lower in outer sea. There were high concentrations at northeast of the survey area because of inputs by Changjiang River. As to vertical distribution, the concentration of DIC in surface water was lower than that in bottom water, while the vertical distribution of DOC was contrary to that of DIC. Relationships between DIC and DOC, and their relationships with temperature, salinity, and AOU indicated that temperature was the main factor influencing DIC distribution, while terrestrial input and biological activities played important parts in distribution of DOC.

P734.2

A

1000-3096(2011)08-0005-06

2010-12-31;

2011-04-22

國家自然科學基金項目(41076065); 國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2010CB428701)

李寧(1987-), 女, 山東濟南人, 碩士研究生, 從事海洋化學研究, 電話: 13668894163, E-mail: lyly-423@163.com; 王江濤, 通信作者, E-mail: jtwang@ouc.edu.cn

康亦兼)