文章信息
- 李倩, 张珊珊, 线薇微. 2021.
- LI Qian, ZHANG Shan-shan, XIAN Wei-wei. 2021.
- 春季长江口颗粒有机碳年际分布变化及其影响因素分析
- Interannual distribution of particulate organic carbon and its influencing factors in the Yangtze River Estuary in spring
- 海洋科学, 45(1): 32-43
- Marina Sciences, 45(1): 32-43.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20200612001
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文章历史
- 收稿日期:2020-06-12
- 修回日期:2020-08-08
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266071;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
进入21世纪以来, 人类社会快速发展与地球环境不断恶化之间的矛盾日益突出, 关于全球变化的研究已经成为全世界科学家的焦点, 其中碳的生物地球化学循环至关重要[1]。海洋是地球上最大的碳库, 全球各大河流每年经由河口向近海水域输送的有机碳总量为0.38 Gt, 颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)分别约占45%和55% [2]。河口是有机碳迁移、埋藏和再矿化的主要通道和场所, 具有较高的有机碳沉积速率及高碳汇效应潜力, 在全球碳的生物地球化学循环中有着重要作用, 已引起学者的广泛研究[3]。国外在有机碳的研究上有着长时间和大尺度的研究经验, 对密西西比河、墨西哥湾、塞纳河[4]等大河河口和海湾的研究十分成熟, 国内在许多大中河口体系[5-6]及陆架边缘海[7]都开展了系统多面的研究, 内容包括有机碳通量、来源、迁移转化、时空分布特征及其影响因素等方面。
长江口作为环太平洋第一大河的入海口, 是一个典型的高浊河口, 径潮流交汇导致泥沙悬浮与沉积, 盐淡水交锋发生物质与能量交换, POC的迁移过程受到潮汐、季风、上升流、浮游植物生长等各种物理化学生物作用影响, 加之长江流域及长三角地区经济的快速发展、城市化进程的加快, 人类活动(如农业生产、水土保持和水利建设)的增强使得河流流域、潮感湿地和近海水域的水文、生物、物化条件等产生诸多变化, 进而对水体携带的物质也产生了必然影响, 河口及近海的生态环境面临许多挑战, 探究水体中POC在长江河口的迁移转化、时空分布及影响因素是理解全球碳循环过程的一个关键问题[8]。
过去的四十年来, 特别是在三峡工程建成之后, 长江口及其毗邻海域水体及沉积物[9]中的POC状况受到国内外众多专家的关注和研究。蔡德陵[10]最早用1981年的碳同位素数据研究长江口和东海中POC的来源和运移, 指出枯水期和洪水期优势碳源的区别; 吴莹等[11]基于长江口徐六泾站的观测结果探讨了POC的季节输送规律及三峡截流前后其入海通量的变化, 后又用木质素[12]、氨基酸[13]等标志物来反映POC在长江口及其邻近海域的季节变化; 高磊等[14]在长江和邻近东海陆架的两个航次调查表明POC的分布和变化主要受与悬浮颗粒物有关的过程控制。诸多研究涉及日变化、月变化和季度变化的观察分析, 但进行连续多年平行调查的研究较少。本文依据2013—2016年连续四年间长江口春季有机碳的调查资料, 探讨近些年长江口表、底层水体中POC的时空分布和环境影响因素以及年际间入海径流量和河口POC的变化关系, 这一过程的研究为深入认识长江口及邻近东海陆架POC的迁移分布规律及其环境演变指示等方面提供数据支持和理论依据。
1 材料与方法 1.1 调查站位设置于2013年(5月13—21日)、2014年(5月6—14日)、2015年(5月5—8日)及2016年(4月27日—5月1日)春季对长江口及其邻近海域(30°45′N—32°N, 121°E—123°20′E)完成4个航次综合调查。自南向北共设置6个断面, 涵盖40个站位, 在实际采样过程中会根据海况限制对站位进行合理增删。由于不同水域间的水文动力学条件、地形地貌及环境要素明显不同, 本文依据盐度(S)和总悬浮物(TSM)浓度的分布特征将调查海域分成口门区、近岸区及近海区3个子水域(见图 1), 其中阴影处为最大浑浊带(TMZ)范围[15], 主要分布于近岸区。
1.2 采样与测定方法根据《海洋调查规范》(GB12763-2007)完成各站位水样采集, 现场使用Niskin采水器采取表、底层水样, 并用Sea-Bird-25 CTD同步测定温、盐、深三项指标。采集上来的海水立即用0.7 μm孔径的Whatman GF/F玻璃纤维膜(在马弗炉中450 ℃预灼烧6 h后称重)进行负压抽滤, 过滤体积视水体浑浊程度而定。所得滤膜对折后用锡纸包裹, 编号置于–20 ℃冰箱冷冻保存, 用于测定POC、TSM及叶绿素a(Chl-a)。
将滤膜样品取出冷冻干燥24 h之后置于干燥器中, 待恒重后称重, 用重量差值法测定所过滤TSM的质量, 并除以过滤体积计算TSM浓度; 称重后的膜样放置在蒸发皿上, 在密闭的干燥器中用浓盐酸熏蒸24 h以去除样品中的无机碳, 再将酸化后的膜样于60 ℃的烘箱中低温烘干24 h, 最后用德国Elemental Analyzer Vario EL cube型元素分析仪测定样品中碳的质量分数(POC%), 用TSM浓度乘以POC%计算POC浓度; Chl-a样品的测定采用丙酮萃取荧光法, 经90%丙酮萃取后取上清液用Turner-Designs-Model 10荧光光度计测定。
1.3 数据处理方法本文使用IBM SPSS 21.0软件完成对数据的方差分析、非参数检验、Pearson相关性分析(双尾检验), RStudio进行Mann-Kendall检验, 用Origin 9.4软件绘制箱线图、折线图和参数间的回归分析图, 并使用Surfer 16.3软件作平面分布图。
2 结果与讨论 2.1 POC时空分布2013—2016年数据分析结果显示(表 1), 在调查年份春季长江口水域POC的质量浓度变化范围为0.22~16.99 mg/L, 均值为1.80 mg/L, 低于2007、2009、2011和2012年秋季同调查水域调查结果[16](2.30 mg/L)。其中, 表层POC的浓度范围为0.29~8.22 mg/L, 均值为1.60 mg/L, 底层浓度范围为0.22~16.99 mg/L, 变化范围较大, 均值为2.03 mg/L。总水域表、底层年际间波动显著, 表层水体POC由2013年显著升高至2014年达到最高值, 至2015年稍有下降, 之后显著下降到2016年并达到最低水平; 底层年际变化趋势同表层相似。
水域 | 水层 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | |||||||
平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | |||||
总水域 | 表层 | 1.37±1.11a, b | 0.49~5.55 | 2.28±1.97c | 1.00~8.22 | 1.77±1.41a, c | 0.60~5.53 | 0.95±0.59b | 0.29~2.59 | |||
底层 | 2.09±3.47a | 0.36~16.99 | 2.22±1.52b | 0.94~6.03 | 2.55±2.52b | 0.65~11.54 | 1.29±1.93a | 0.22~10.51 | ||||
口门区 | 表层 | 1.43±0.23a, b | 1.16~1.80 | 3.50±2.15a | 2.27~7.32 | 2.65±0.26a | 2.35~3.01 | 1.05±0.35b | 0.75~1.64 | |||
底层 | 1.64±0.28a | 1.17~1.89 | 3.60±1.00b | 2.85~5.14 | 3.09±0.91a, b | 2.53~4.71 | 1.44±0.36a | 1.08~1.96 | ||||
近岸区 | 表层 | 1.41±1.48a | 0.49~5.55 | 2.91±2.37b | 1.04~8.22 | 2.28±1.72a, b | 0.67~5.53 | 1.08±0.74a | 0.29~2.59 | |||
底层 | 3.18±4.60 | 0.45~16.99 | 2.63±1.79 | 0.94~6.03 | 3.70±3.34 | 1.07~11.54 | 2.16±2.70 | 0.34~10.51 | ||||
近海区 | 表层 | 1.28±0.62a, b | 0.59~2.64 | 1.19±0.19a | 1.00~1.63 | 0.82±0.21b, c | 0.60~1.30 | 0.76±0.40c | 0.30~1.68 | |||
底层 | 0.63±0.23a | 0.36~1.12 | 1.40±0.76b | 0.97~3.93 | 1.10±0.28b | 0.65~1.48 | 0.37±0.16a | 0.22~0.77 | ||||
注: S.D.代表标准偏差, 同一行中不同的上标字母表示年际间差异显著(P < 0.05) |
垂直分布上, 底层水体的POC平均浓度高于表层, 这一特征在口门区和近岸区十分明显, 但在近海区出现底层低于表层的现象(2013、2016年), 与金海燕2001年春季的调查结果相一致[7], 且口门区和近岸区的POC值明显高于近海区, 说明水域之间存在空间分布差异。各水域还存有显著的年际变异, 但近岸区的底层POC浓度多年处于高值, 年际变化并不剧烈, 根据杨海飞[17]的研究推测此特征与水体悬沙浓度受水动力主导有关, 口门尤其是TMZ区底部水动力条件复杂, 潮流动力对底层泥沙具有剪切作用, 下层水体及沉积物反复沉降—再悬浮, 造成POC浓度常年保持较高水平。
结合平面分布(图 2), 多年来表层POC浓度在口门区外南部TMZ或洋山港附近增至最高值, 而后沿长江冲淡水(CDW)扩展方向(春、夏两季在122°10′~ 122°30′E之间转向东北)逐渐减小, 但于调查水域的东北方向又有小幅回升, 在123°E附近的近海水域再次出现次高值, 甚至2016年出现多个次高值区(图 2e)。底层POC浓度在口门外呈舌状分布, 随离岸距离增大、海水入侵而减小, 表、底层的浓度差距也随之减小, 但2014年在东北部出现次高峰(图 2b)。
2.2 POC时空分布影响因素长江口水动力条件多元化, 物理化学环境复杂多变, 不同水域之间的多种环境因子变化梯度大, 以及春季伴随着人类活动影响和浮游动植物的现场生产等, 诸多因素将在POC由河流至河口迁移转化的过程中直接或间接地影响其浓度与分布。本文根据2013~2016年春季长江口水域的综合调查数据, 对表层和底层POC浓度与S、TSM以及Chl-a等环境指数进行相关性分析, 分别探讨各水域不同物理化学条件和初级生产力对春季POC分布的影响以及河流输送颗粒态有机碳及近海初级生产的变化情况。
2.2.1 POC与TSM的关系水体中的POC一般分为陆源输入和海源自生, 存在形式既包括悬浮的有机颗粒和碎屑, 又有通过吸附在泥沙或生物质等颗粒上输送的有机部分, 悬浮物是其直接组成和携带者, 从径流到近海悬浮/沉积等动力过程不断进行, POC必然随TSM浓度发生改变。表 2显示底层TSM普遍高于表层的浓度, 且底层变化范围更大, 与POC调查结果相似。历年来长江口表、层水域POC与TSM之间均存在极显著的线性正相关关系(表 3), 其中底层水域的相关性逐年递增, TSM对底层POC的影响逐渐增强, 但表层在2016年降至最低, 推测与2016年大量的浮游植物活动相关。图 3可见, 底层POC与TSM浓度的正相关程度高于表层。由于表层POC中活体成分相对较多, 其浓度分布不仅与吸附/解吸相关, 也与生物活动及其限制条件有关, 底层受潮汐动力、水团混合等影响悬浮和沉积活动格外活跃, 高浓度TSM对POC的影响更直接显著, 与POC的相关性更强, 辅证了长江口POC受悬浮颗粒物动力学控制的结论[14]。
参数 | 水层 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | |||||||
平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | 平均值±S.D. | 范围 | |||||
S | 表层 | / | / | 21.25±10.90 | 0.16~32.15 | 20.91±10.11 | 0.16~31.54 | 20.00±11.46 | 0.13~31.15 | |||
底层 | / | / | 24.68±12.32 | 0.16~33.39 | 24.86±11.95 | 0.16~33.30 | 25.05±11.82 | 0.13~34.39 | ||||
TSM | 表层 | 45.62±117.94 | 0.55~2.64 | 118.49±212.06 | 1.44~819.07 | 100.86±144.71 | 0.83~544.87 | 39.72±55.49 | 0.38~209.53 | |||
底层 | 109.30±261.72 | 2.38~1200.87 | 93.52±133.40 | 1.05~517.60 | 159.82±259.04 | 1.63~1093.13 | 90.58±161.98 | 1.28~764.73 | ||||
注: S.D.代表标准偏差; /代表数据缺失 |
参数 | 水层 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 |
S | 表层 | / | –0.698** | –0.588** | –0.450** |
底层 | / | –0.538** | –0.427* | –0.371* | |
TSM | 表层 | 0.804** | 0.892** | 0.952** | 0.671** |
底层 | 0.854** | 0.891** | 0.921** | 0.977** | |
Chl-a | 表层 | 0.132 | –0.181 | –0.152 | 0.194 |
底层 | / | 0.038 | –0.071 | 0.119 | |
注: *代表有显著相关性, P < 0.05(双尾); **代表有极显著相关性, P < 0.01(双尾); /代表数据缺失 |
由获得的回归方程可知(图 3), 春季长江口高浊度水域的表、底层POC%可分别视为常数0.9%和1%, 与2012年[18]春季的计算结果(0.9%)相近, 均高于冬季(0.4%)。图 4通过非线性拟合得到春季长江口表层POC%与TSM的回归方程, 同宋晓红[19]等人的数据趋势一致。拟合曲线符合逻辑斯蒂增长模型, 根据斜率变化将其以TSM=22 mg/L为界分为对数期(TSM < 22 mg/L)和稳定期(TSM > 22 mg/L)。对数期POC%随TSM增大呈指数型减小, 说明在低浊度水域POC和TSM并不具有相关性(R2=0.0049), TSM在较窄的变化范围内, 其有机和无机组分所占比例的跨度极大, 影响因素更为复杂, 今后还需要进一步做多元探讨。如粒径大小和生物活动作用, 由于悬浮物主要由无机泥沙矿物和有机颗粒(碎屑及生物部分)等成分组成, 在输运过程中, TSM浓度和粒径变化对POC的相对含量也会产生影响[20]。水体中有机碳的聚集很大程度上受矿物颗粒吸附作用控制, 特别是比表面积大、具有负电荷的细粒级粘土矿物[21], 经过TMZ的“过滤器”[22]作用之后, 泥沙沉降, TSM浓度及粒径在近海附近的水域迅速减小, 水体透光度增加, 组分以浮游生物为主; 稳定期TSM浓度较高, POC%降至稳定水平, 代表站点位于口门区、南部洋山港附近及TMZ范围内, 其中POC%在TMZ的平均值为2.56%, 与Uncles[23]等人对潮汐河口TMZ的POC%计算结果(2%)相近, 他认为造成TMZ区域如此低值的原因是悬浮物上的异养细菌对POC的呼吸消耗。除此之外, 在拦门沙附近的TSM浓度高值区, 悬浮颗粒物粒径大, 水体浊度高, 浮游植物生产力贡献低, 加之大量的粗颗粒泥沙吸附POC能力有限, POC质量分数被无机矿物颗粒所稀释而平稳处于低值。
2.2.2 POC与盐度的关系河口区盐淡水交锋, 泥沙进入盐水, 颗粒间会因表面的电化学作用而相互吸引絮凝成团, 同时盐度的增加亦将伴随着大量海水对陆源POC的稀释作用, 因此盐度梯度的剧烈变化对POC分布影响极大。表 2显示调查水域的盐度在0.13~34.39之间变化, 表层盐度逐年递减, 而底层盐度逐年递增, 受CDW影响明显可见底层高于表层。由表 3的相关性分析可知, 2013—2016年春季长江口表层POC与S均呈极显著的负相关性, 底层POC与S亦具有显著负相关关系, 同张珊珊[24]的计算结果一致。
结合图 5发现二者的相关性逐年减小, 2014年表层相关性最高(图 5a), 与TSM的年际影响变化相反(表 3), 随着河口TSM影响的逐年增强, 盐度对POC的作用相对减弱。观察到不同水域的盐度梯度较大, POC的离散程度高, 数据点分散, 因此分盐度区间探讨其影响, 图 5(g)、(h)综合多年表、底层数据表明, 在水体由低盐度向高盐度海水过渡的过程中:当表层S < 7, 底层S < 10时, POC浓度随S的增加缓慢上升; 表层7 < S < 9, 底层10 < S < 15时, POC达到最大浓度水平, 底层峰值浓度较表层浓度变幅小, 对应S范围宽。说明低盐区海水稀释较弱, 复杂的水动力作用更强烈, 颗粒物在水流驱动下做悬浮沉降、再悬浮再沉降的周期性运动[15], 使POC在底层具有较长的停留时间, 近岸沉积物再悬浮是其重要碳源[12]; 当表层S > 9, 底层S > 15时, POC浓度随S下降而迅速降低, 此时海水的稀释作用高于输入作用[25], 尤以底层格外显著, 应是受高盐海水从底层楔入的影响, CDW的扩展势力沿垂直方向减弱。POC随盐度的变化表明, 河口POC浓度不会完全随着盐度的增加而降低, 盐淡水混合过程中海水的稀释作用并不会一直处于主导地位, 水动力和碳源的变化叠加生物作用对不同碳的形态、转化和分配有很大影响。
2.2.3 POC与浮游植物的关系长江淡水源源不断地输入为河口及毗邻海域提供了大量的营养物质, 使长江口地区拥有着丰富的生物资源, 河口生态系统成为生产力最高的生态系统之一, 金海燕[7]的研究表明上层的POC除了陆源有机碳, 生物活动是其主要来源。调查海区表层平均水温在春季回升至17.0℃, 层化明显有利于浮游植物生长, 对POC的影响不容忽视。Chl-a可以作为表征浮游植物现存量的指标以及影响初级生产的重要因子, 表 3显示总水域表底层POC与Chl-a的相关系数均没有达到显著性水平(P < 0.05), 但现场生产受水体温度、浊度和营养盐限制, 具有水域及水层差异, 由于口门内及底层水域透光性差对光合作用的弱化, 本研究分别对近岸区、近海区两个子水域表层POC与Chl-a的相关关系进行计算, 结果表明二者在近岸区呈现微弱负相关(R=–0.045, P < 0.709), 而在近海水域存有极显著正相关关系(R=0.472, P < 0.000 1)。结合调查海区的叶绿素等值线分布(图 6)可以看出, 春季表层叶绿素a在口门附近处于低值, 最低值为0.07 μg/L, 这是由于在CDW携带的悬沙影响下, 入海口水体浊若黄汤, 湍流和高浑浊度限制了光合作用, 初级生产受到抑制; 在123°E附近存在1~2个明显的封闭高值区, 与表层POC位于近海的高值区吻合, 相对应的, 低值区位于TMZ处, 毗连外海水域悬浮物浓度低, 透明度渐次增高, 加之春季富含营养盐的冲淡水外扩[26], 浮游植物的生长繁殖得以促进。
本文采用POC/Chl-a比值来量化浮游植物对总颗粒有机碳的贡献, 当比值在20~200时表明有机碳主要由浮游植物贡献; POC/Chl-a > 200时则表明有机碎屑为POC主要来源[27-28]。本研究中表层POC/Chl-a值在68~25 694之间, 均值为2 771, 说明春季长江口表层颗粒碳的主要来源和存在形式为有机碎屑。由图 7可见, 多年POC/Chl-a均与TSM呈极显著正相关, 即高浊度水域POC普遍以有机碎屑形式存在, 低浊度水域则更倾向于浮游植物贡献, 相比其他年份这一现象在2016年格外显著, 应是由于该年度TSM浓度低, 浮游植物量较高。以上表明, 春季长江口POC主要以碎屑源为主, 但陆源有机碳对POC的影响在经过近岸水域之后有所弱化, 浮游植物对POC的贡献在长江口近海水域凸显。生物源除浮游植物贡献外, 还有细菌碳和浮游动物碳[29], 很难定量区分[30], 仍需要深入研究。
2.3 入海径流量与POC的关系以径流和输沙为迁移载体, 长江口陆源有机碳的浓度变化必然会受到上游输水输沙影响。CDW在河口的影响范围主要在水体表层, 本研究将口门内吴淞口以上站位(35, 36, 37)测得的表层POC作为入海POC浓度, 并考虑到水流的滞留时间, 选取4月份长江大通水文站径流量为对照参数, 从其年际变化规律中探查春季长江口水域POC与长江径流输入的关系。结果如图 8, 入海口径流量及POC含量随年份呈现波动状变化, 对其进行Mann—Kendall检验发现这种年际变化并不存在显著的上升或下降趋势, 此外, 观察到2014年春季(枯水)和2016年春季(丰水)分别对应入海POC量的最高值和最低值, 春季长江口入海径流量与POC浓度呈现出截然相反的年际变化趋势, 即入海径流量高的年份其对应的POC浓度则越低, 同张昀哲[31]对2009~2018年长江口营养盐与径流量的年际变化分析一致, 但邢建伟[16]对相同水域洪水季(7—10月)的调查结果表明长江口表层POC浓度与其来水来沙量年际间变化趋势基本一致, 这说明春季与秋季的径流作用不同。
吴莹等[32]曾指出在世界大多数河流中, POC由C3植物和相关的土壤有机质组成。相比汛期丰水, 春季降水量少而沿江抽引水量高[33], 为引江冲淤及农业用水的高峰期, 河水流量小且流速较慢, 停留时间长, 对土壤的冲刷力较小, 加之流域范围内生产力低、植物量少, 继而导致了春季和洪季在来水量、有机物冲刷量等方面存在差异, 径流对有机碳的稀释作用明显高于其输入作用。
3 结论(1) 2013—2016年春季长江口POC浓度范围为0.22~16.99 mg/L, 均值为1.80 mg/L, 整体年际变化显著, 底层浓度高于表层; 各水域间存在空间变异及年际差异, 但近岸区底层POC浓度多年处于高值, 年际变化不显著; POC浓度在口门附近偏南部水域达到高值, 后沿CDW方向降低, 低值区位于近海底层, 但表层POC在近海水域123°E附近出现次高值。
(2) POC浓度与盐度之间具有负相关关系, 二者相关性逐年递减, 近岸沉积物再悬浮是该水域重要碳源, 近海水域海水稀释作用高于陆源输入作用; TSM与POC呈显著正相关, 高浊和低浊水体的相关性不同, 影响因素也不同, 悬浮物的浓度及粒径变化极大地影响了长江口及东海陆架悬浮物中POC的浓度和在TSM中的比例, 此外生物作用在最大浑浊带对其也有很大影响; 近海水域表层POC与Chl-a有极显著正相关关系, 且表层叶绿素a在123°E附近的高值区与POC位于近海的次高值区吻合。春季长江口POC主要以碎屑源为主, 但陆源有机碳对POC的影响在长江口近海水域有所弱化, 浮游植物对POC的贡献凸显。
(3) 春季长江口入海径流量与POC浓度呈现出截然相反的年际变化趋势, 径流对有机碳的稀释作用高于其输入作用, 其变化关系与秋季不同。
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