春、冬季長江口顆粒有機碳的時空分布及輸運特征

邢建偉,線薇微,繩秀珍(1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室,山東 青島 66071；.中國海洋大學海水養殖教育部重點實驗室,山東 青島 66003)

春、冬季長江口顆粒有機碳的時空分布及輸運特征

邢建偉1,2,線薇微1*,繩秀珍2(1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室,山東 青島 266071；2.中國海洋大學海水養殖教育部重點實驗室,山東 青島 266003)

根據2012年2月(冬季)、5月(春季)對長江口2個航次的調查數據,分析了春、冬季長江口顆粒有機碳(POC)的時空分布及影響因素,并探討其輸運特征.結果表明:2012年春季長江口POC的濃度為0.23～31.61mg/L,均值為2.55mg/L;冬季POC的濃度為0.16～5.82mg/L,均值1.42mg/L.春、冬季POC空間分布整體呈現近岸高遠岸低、表層低底層高的特征,最高值均出現在口門附近.POC與懸浮物(TSM)呈極顯著線性正相關,而與葉綠素a(Chl a)的相關性均較差,表明陸源輸入對長江口POC的分布影響很大;POC/Chl a比值測算表明有機碎屑是調查水域POC的主要來源和存在形式,定量估算結果表明浮游植物生物量對春、冬季長江口POC的貢獻分別僅1.26%和0.9%,且浮游植物對POC的貢獻分別在TSM小于110mg/L和100mg/L時才能表現出來.春、冬季長江口TSM分別在大于117mg/L和335mg/L時,有機碳入海以顆粒態為主,反之則以溶解態為主.長江輸送至河口的懸浮物中POC的百分含量(POC%)在春、冬季分別為0.9%和0.4%.春、冬季長江口最大渾濁帶對POC的過濾效率分別達89%和69%,大量POC隨泥沙在最大渾濁帶發生了沉降.

顆粒有機碳；時空分布；輸運特征；長江口

顆粒有機碳(POC)是碳在海水中的主要存在形式之一[1-2],位于陸海相互作用交界地帶的河口區POC研究已成為全球碳循環研究的重要環節[2].據估計,全球河流每年向海洋輸送的有機碳總量大約為0.45×1015g,其中45%為POC[3],如此巨量的有機碳的輸入使得河口成為了有機碳混合、傳輸和形態轉化的重要場所.最大渾濁帶作為陸源物質輸入河口的“過濾器”[4],通過其內部潛在的絮凝、沉降以及細菌氧化分解等過程截留大量的河源POC[5].

長江是世界上泥沙含量最高的河流之一.作為長江陸源有機質輸入東海的必經之路,長江口POC的分布和輸送對近岸海域甚至整個東海生態系統的物質循環都有重要意義.長江口復雜的水動力環境條件和生物地球化學循環過程會對陸源有機物質輸運產生極大的影響[6].目前對長江口POC的研究多集中在分布[7-8]、來源[9-10]、影響因素[11]及通量[12-13]等方面,而對 POC 在長江口的分布、輸運特征及其季節差異等的研究還較少.特別是近年來長江上、中游一系列人工設施的興建,長江流域及三角洲工農業生產的迅猛發展以及生活污水的大量排放,對長江口POC的含量、分布以及輸運過程勢必產生一定影響.本研究根據2012年2月和5月航次的環境調查資料,分析了春、冬季長江口POC的時空分布、影響因素及輸運特征,以期為進一步闡明長江口水域POC的其生物地球化學過程提供依據.

1 材料與方法

1.1 站位設置

圖1 長江口采樣站位Fig.1 Sampling sites in the Yangtze River Estuary

如圖 1所示,調查站位從長江口南支起點開始,沿南港、南槽直至口外海區布設,共40個站位,涵蓋了從口門內、河口區直至口外近海的整個長江口水域.長江口最大渾濁帶的劃分參考沈煥庭等[4]以及Shen等[14]的研究進行.

1.2 樣品采集及測定方法

各個站位均采用南森采水器分別采集表、底層水樣后立即用孔徑為0.7μm的Whatman GF/F膜(460℃高溫預灼燒 6h)過濾(視水體渾濁度過濾體積一般為 80～300mL),之后將濾膜對折用錫紙包好后置于-20℃冰箱保存至實驗室,用于測定POC和葉綠素a(Chl a).各站位水溫、鹽度均使用Sea-Bird-25CTD現場測定.

膜樣經冷凍干燥24h并在干燥器中恒重后稱重,差減法計算得到懸浮顆粒物(TSM)的濃度(mg/L).將濾膜置于密閉的干燥器中濃鹽酸熏蒸24h以除去樣品中的無機碳,然后置于烘箱中50℃低溫烘干.將處理好的膜樣使用 Vario ELⅢ型元素分析儀測定TSM中碳的百分含量(POC%).每個樣品均測定2個平行樣取平均值,每20個樣品運行1個標準樣以檢測儀器的穩定性,每10個樣品做1次空白測試.平行樣品測定相對標準誤差≤0.1%,再由公式ρ(POC)= ρ(TSM)× POC%計算出POC的質量濃度.Chl a樣品經 90%丙酮萃取 24h后取上清液,使用 Turner-Designs-Model 10熒光光度計測定.

2 結果與討論

2.1 POC的濃度及空間分布

2012 年春季調查水域 POC的質量濃度為0.23～31.61mg/L,均值為2.55mg/L;其中表層POC濃度為0.23～26.77mg/L,均值2.14mg/L,底層濃度為0.41～31.61mg/L,均值2.96mg/L.底層的變幅大于表層,應是受沉積物再懸浮以及海底水動力條件等因素作用的結果[1];底層POC的濃度明顯高于表層,與謝肖勃等[7]的結果一致,可能是調查水域水深較淺,風浪和水團混合導致底層沉積物再懸浮效應顯著的緣故[8,15].

2012 年冬季調查水域 POC的質量濃度為0.16～5.82mg/L,均值為 1.42mg/L;其中表層 POC濃度為 0.16～2.60mg/L,均值 1.01mg/L,底層濃度為0.17～5.82mg/L,均值1.85mg/L.與春季相比,冬季POC的變幅顯著減小,但是底層變幅依然高于表層;冬季 POC也呈現出底層高于表層的趨勢.春、冬季長江口POC濃度春季顯著大于冬季.

由圖2可見,長江口春、冬季POC高值區均集中在口門附近和最大渾濁帶分布區,沿沖淡水擴展方向濃度迅速降低,呈現出近岸高、遠岸低的分布趨勢.相關性分析表明,春季表、底層POC與TSM的相關系數分別為0.869和0.700,冬季分別為 0.922和 0.906,均達到極顯著水平(P<0.01),這與 Zhang等[10]的結果一致,表明TSM的濃度和來源是控制POC濃度高低的一個重要因素[15-16].冬季的相關系數高于春季,暗示冬季POC對陸源TSM的依賴性強于春季.

圖2 春、冬季長江口表、底層POC的平面分布(mg/L)Fig.2 Horizontal distribution of POC in the surface and bottom layers of the Yangtze River Estuary in spring and winter (mg/L)

表1 不同海區POC濃度Table 1 Contents of POC in different sea areas

與其他學者在長江口的研究結果相比(表 1),本研究結果相對偏低,可能與研究區域的大小及調查時期的差異有關.與珠江口和九龍江口相比,本結果顯著偏高,可能是長江徑流量和輸沙量顯著高于這兩個河口的緣故.同時,本研究結果顯著高于渤海、黃東海等陸架邊緣海和大洋中 POC的水平,表明陸源輸入對河口區POC的影響很大.

2.2 浮游植物對POC的貢獻

Chl a是浮游植物進行光合作用的主要色素,其含量常作為研究浮游植物生物量和動態變化的主要指標[19].本研究采用轉化后的 Chl a數據作為浮游植物生物量的代表研究浮游植物對長江口POC的影響.相關性分析表明,春、冬季長江口表層POC與Chl a的相關系數分別為-0.077 (P<0.647)和 0.252(P<0.179),均沒有達到顯著性水平(P<0.05),表明春、冬季浮游植物生產對長江口POC影響不大.POC/Chl a比值可以表征非生命顆粒有機碳對總顆粒有機碳的貢獻[20],當POC/Chl a大于200時,表明以有機碎屑對POC的貢獻為主;而當POC/Chl a值在20～200之間時表明有機碳主要來源于浮游植物[21].本研究中春季長江口POC/Chl a值在154～61973之間,均值為7424;冬季POC/Chl a值在916～94800之間,均值達14447,表明有機碎屑是春、冬季長江口POC的主要來源和存在形式.冬季POC/Chl a值顯著高于春季,表明冬季長江口POC對有機碎屑的輸入依賴性強于春季.由圖3可見,POC/Chl a值與TSM呈較顯著的正相關,表明TSM越高的區域POC越傾向于以碎屑為主要來源.

圖3 春、冬季長江口POC/Chl a與TSM的關系Fig.3 Relations between POC/Chl a and TSM in the Yangtze River Estuary in spring and winter

定量估算浮游植物對POC的貢獻通常是將Chl a乘以轉化因子f,求出浮游植物的生物量再與POC進行比較.近海水體中浮游植物生物量和Chl a含量的比值為13[22].采用公式(1)進行估算:

式中:algal-POC%為浮游植物對POC的貢獻率;f為轉化因子,本研究取值13.

估算可得,2012年春季表層浮游植物生物量對POC的貢獻率為0.03%～8.46%,均值為1.26%;冬季的貢獻率為0.01%～1.42%,均值為0.29%.春、冬季表層浮游植物生物量對POC的貢獻都極低,進一步表明長江口 POC主要來源于陸源有機碎屑.由圖4可見,浮游植物對POC的貢獻率隨著水體中TSM濃度的增加近似呈指數下降的趨勢:春季,當TSM<110mg/L時,浮游植物對POC的貢獻出現迅速增長,最高約可達 8%;冬季在 TSM< 100mg/L時,浮游植物對POC的貢獻率也出現大幅增長,這可能是較低的懸浮物濃度使水體的透光性增強,促進了浮游植物生長.相反,高濃度懸沙的消光作用抑制了長江口門區的初級生產力[24],進而弱化了浮游植物生產對POC的貢獻.

圖4 春、冬季長江口表層浮游植物對POC的貢獻率(algal-POC%)與TSM的關系Fig.4 Relations between algal-POC% and TSM in the surface layer of the Yangtze River Estuary in spring and winter

2.3 長江口POC的輸運特征

2.3.1 有機碳存在形式 DOC和POC是河流有機碳的兩種基本存在形式,DOC/POC可以反映河流有機碳的輸出特征,在輸移過程中 DOC和 POC可以相互轉化[25].2012年春季長江口DOC/POC為0.06～7.02,冬季為0.36～11.49.分別對DOC/POC和TSM作對數轉化,得到如下方程:

春季:lg(DOC/POC) = -0.792lg(TSM)+1.637

冬季:lg(DOC/POC) = -0.629lg(TSM)+1.588

結合圖5可知,春、冬季長江口lg(DOC/POC)均與 lg(TSM)呈極顯著負相關關系,表明從整個河口的角度來看,DOC/POC與 TSM間存在協同變化

[26-27].根據式(2)及式(3)可以推算出當長江口DOC/POC=1時,即DOC和POC濃度相等時,春、冬季TSM的濃度分別為117,335mg/L,與歐洲各河流(平均約為90mg/L)[28]相比,長江口春季值較為接近,但冬季值顯著偏高,與張龍軍等[26]在黃河口的研究結果(455mg/L)相比相對偏低.由此可知,長江口春、冬季TSM分別大于117, 335mg/L時,有機碳入海以顆粒態為主,反之,則以溶解態為主,這表明陸源有機碳在由河流輸送至海洋的過程中,逐漸由河流段的以顆粒態為主轉向近海水域的以溶解態為主.

圖5 春、冬季長江口lg(DOC/POC)與lg(TSM)的關系Fig.5 Relations between lg(DOC/POC) and lg(TSM) in the Yangtze River Estuary in spring and winter

2.3.2 POC在河口區的遷移特征 影響POC隨鹽度變化的因素主要有POC的吸附-解吸、溶解有機碳(DOC)的絮凝沉降以及懸浮顆粒物本身的絮凝沉降[29],此外,還包括表層淡水與底層鹽水之間的渦動擴散,使部分底層有機物進入表層以及底部沉積物的再懸浮等[30].由圖6可見,春、冬季分別在鹽度小于1時,POC隨鹽度增大均出現近似直線的迅速上升,而該鹽度范圍正值陸源POC由長江河水段進入最大渾濁帶,可能是受到最大渾濁帶內部沉積物再懸浮及DOC絮凝沉降的影響,因而POC濃度在該鹽度范圍內出現了明顯的上升.而在此之后,春、冬季POC均在鹽度大于15‰后隨鹽度的上升出現了線性降低的趨勢,該鹽度范圍正值POC越過最大渾濁帶向近海水域擴展,此時海水的稀釋作用占主導地位,因而POC隨鹽度的上升呈現近乎保守的線性下降.

圖6 春、冬季長江口POC與鹽度的關系Fig.6 Relations between POC and salinity in the Yangtze River Estuary in spring and winter

由上可知,長江口POC與TSM間呈現極顯著的線性正相關關系,利用線性擬合獲得了POC與TSM的回歸方程:

春季: y=0.009χ+0.561 (R2=0.568)

冬季: y=0.004χ+0.300 (R2=0.841)

由此可知長江口淡水端高渾濁度區域 TSM中POC的質量分數(POC%)在春、冬季分別約為0.9%和 0.4%,春季大于冬季,可能由于春季除陸源輸入外的其他來源對POC的貢獻較大.

由圖 7可見,春、冬季長江口 POC%均隨TSM 的增大呈指數下降趨勢,這與宋曉紅等[8]的結果一致,也與世界河流中POC%與TSM的關系相同[26-27,31].春、冬季在 TSM 分別低于 100, 80mg/L的近海區,POC%迅速增大.研究表明, POC%與TSM的指數變化關系可能由以下兩個方面控制:其一,隨著TSM濃度的升高,水體的透光性減弱,水體中自生有機體的產量下降,水體POC%被較多來自土壤侵蝕的POC含量較低的泥沙顆粒所稀釋[31];其二,河口對不同粒徑懸浮物的分選作用,也可能導致POC%隨TSM的升高而降低[32].在河口區粒徑較大的顆粒物在口門和最大渾濁帶大量沉降,僅有粒徑較小的細顆粒有機物隨徑流運移到離海岸較遠的海區,相應研究表明,POC%會隨著TSM粒徑的增大而降低[33].

圖7 春、冬季長江口POC%與TSM的關系Fig.7 Relations between POC% and TSM in the Yangtze River Estuary in spring and winter

2.3.3 長江口最大渾濁帶對 POC的過濾作用 最大渾濁帶是存在于潮汐河口咸淡水交匯區域的普遍現象,其最大特點是懸浮物含量顯著高于上游和下游,且因水體透光性的減弱使生物活動受影響,已有研究表明,最大渾濁帶中復雜的環境條件能截留并過濾掉河口的POC[30],從而對長江輸送POC的入海通量產生重要影響.因而定量估算長江口最大渾濁帶對POC的過濾效率意義重大.計算河口POC通量的公式為:

即

式中:FPOC和FTSM分別為POC和TSM的輸送通量;ρ(TSM)為淡水端TSM的質量濃度;Q為該季度長江徑流量;POC%分別為春、冬季長江口淡水端懸浮物的 POC%值,本研究分別取 0.9%和0.4%.在不考慮沉積物再懸浮和最大渾濁帶的稀釋作用對POC濃度的影響的前提下,長江口最大渾濁帶對POC的過濾效率可以通過測定最大渾濁帶前39＃站的POC通量以及渾濁帶后17#和24#站(圖1)POC通量的均值來進行,即:

由式(5)、式(6)估算可得,2012年春季長江口最大渾濁帶對POC的過濾效率可達89%,冬季為69%,表明POC隨懸浮物在最大渾濁帶水域發生了顯著的沉降,這從春、冬季表底層POC平面分布圖(圖2)中也可得到印證.

3 結論

3.1 2012年春季長江口POC的質量濃度顯著高于冬季,POC整體呈現近岸高、遠岸低,表層低、底層高的特征;陸源TSM的濃度和來源控制長江口POC的分布,且冬季POC對陸源TSM 的依賴性強于春季.

3.2 POC/Chl a比值表明陸源有機碎屑是長江口POC的主要來源和存在形式,浮游植物生物量對長江口POC的貢獻非常小,春、冬季浮游植物對POC的貢獻分別只有在TSM小于110mg/L和100mg/L時才能表現出來.

3.3 春、冬季長江口TSM分別在大于117mg/L和335mg/L時,有機碳入海以顆粒態為主,反之則以溶解態為主.POC在長江口呈非保守性變化.春、冬季長江輸送至河口的懸浮物中的 POC%分別為 0.9%和 0.4%.定量估算結果表明,在不考慮沉積物再懸浮和最大渾濁帶水域海水稀釋的前提下,春、冬季長江口最大渾濁帶對POC的過濾效率分別為89%和69%,POC隨懸浮物在最大渾濁帶發生了顯著的沉降.

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Spatial-temporal distribution and transportation of particulate organic carbon in the Yangtze River Estuary in spring and winter 2012

XING Jian-wei1,2, XIAN Wei-wei1*, SHENG Xiu-zhen2(1.Key Laboratory of Marine Ecology

and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China；2.Key Laboratory of Mariculture, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266003, China). China Environmental Science, 2014,34(9)：2380～2386

Data were collected in two cruises in February and May 2012 in the Yangtze River Estuary, and the spatialtemporal distribution and transportation of particulate organic carbon (POC) and its affecting factors were analyzed. POC concentration in the estuary ranged 0.23～31.61mg/L in spring with average of 2.55mg/L, which was obviously higher than that in winter (0.16～5.82mg/L with average 1.42mg/L). Spatial distribution showed that POC concentration decreased seaward and the highest value occurred in the coastal zones and the mouth area, meanwhile POC concentration was higher in bottom layer than in the surface. POC was strongly and positively related to total suspended matter (TSM), but weakly to chlorophyll a (Chl a), which indicated that a large impact by terrestrial inputs on the POC distribution. POC/Chl a ratio revealed that organic detritus was the main source and carrier of POC. In addition, the contribution of phytoplankton biomass to POC could become explicit but very small for only 1.26% and 0.9% when TSM content was less than 110and 100mg/L in spring and winter, respectively. Organic carbon was transported into sea mainly in particulate form when TSM content was higher than 117 and 335mg/L in spring and winter, respectively, or otherwise in dissolved form. Only 0.9% or 0.4% of the POC was conveyed into the estuary in suspended matter, and 89% or 69% of POC would be filtrated by and deposited in the maximum turbidity zone in spring or winter, respectively.

particulate organic carbon (POC)；spatial-temporal distribution；transport characteristic；the Yangtze River Estuary

X142

A

1000-6923(2014)09-2380-07

邢建偉(1988-),男,河南安陽人,中國海洋大學碩士研究生,主要從事海洋生物地球化學研究.發表論文3篇.

2014-01-20

國家自然科學基金面上項目(31272663,41176138)和創新群體項目(40821004);國務院三峽工程建設委員會資助項目(JJ 2012-2013)

* 責任作者, 研究員, wwxian@qdio.ac.cn