黑潮与毗邻的东海和南海陆架海域之间存在重要的物质与能量交换, 对东海和南海的碳收支影响巨大, 探明黑潮主流径碳的变化特征对查明黑潮对东海和南海的碳循环与源汇变化意义重大(Gao and Song, 2006;宋金明等, 2008;Song, 2010)。

有研究表明, 溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)由东海陆架向黑潮输出(Hung and Lin, 1995;Chen and Wang, 1999;Hung et al., 2003)。虽然黑潮提供了进入东海陆架的大部分DOC, 但入侵东海陆架的黑潮水体, 尤其是上升进入东海陆架的黑潮次表层热带水和中层水DOC浓度较低, 而向黑潮输送的东海陆架水则有着较高的新生产力和DOC浓度, 因此东海陆架水向黑潮水体有DOC净输出。Chen和Wang(1999)根据实测DOC浓度和盐平衡箱式模型所得的黑潮及毗邻海区水团流量, 计算得到东海陆架区跨陆架向黑潮海域净输出DOC量值约为2431×10⁹mol C/a。与DOC相似, 颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)同样由东海陆架区向黑潮水体输出(Chen and Wang, 1999;Hung et al., 2000;Liu et al., 2003)。据Chen和Wang(1999)计算, 东海陆架向黑潮海域POC净输出通量约为1051×10⁹mol C/a。虽然黑潮水挟POC进入东海陆架区, 但因其POC浓度相对较低, 其挟带POC通量总计为150×10⁹mol C/a, 尚不及河流输入的总量(750×10⁹~875×10⁹mol C/a)(Cauwet and Mackenzie, 1993)。有关溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)和颗粒无机碳(particulate inorganic carbon, PIC)通量的结果少见报道, 但卢汐等(2015, 2016)根据最近观测数据对其进行了一定的研究。Chen和Wang(1999)根据观测数据和箱式模型, 计算得到东海陆架水体跨陆架向黑潮水体净输出DIC的通量为21 733×10⁹mol C/a。未有确切数据计算黑潮与东海陆架海区水体交换中的PIC通量, 但由Chen和Wang(1999)根据悬浮颗粒物中无机碳和有机碳的比值(inorganic carbon/organic carbon, IC/OC)估算得出, 东海陆架悬浮沉积物离岸输送挟带PIC量约为1852×10⁹mol C/a。Chen等(2006)根据实测数据和先前研究中在水盐平衡基础上得到的箱式模型, 计算了黑潮与南中国海之间经由吕宋海峡的碳收支, 若不考虑台湾海峡水流挟碳量, 则南中国海向黑潮净输送DOC、POC和PIC的量分别为2652×10⁹mol C/a、1009×10⁹ mol C/a和230×10⁹mol C/a; 而黑潮向南中国海净输送DIC的量为13 005×10⁹mol C/a, 若只考虑雨季, 则DIC由南中国海向黑潮水体净输出。

本文基于2014年春秋两季对台湾以东黑潮主流径区域的调查, 研究了该区域海水pH、总碱度(total alkalinity, TAlk)、DIC、DOC、POC等碳的垂直分布特征及影响因素, 为阐明黑潮碳对邻近陆架区碳循环的影响提供了依据。

1 样品采集与分析

2014年5~6月和10~11月乘“科学一号”考察船对台湾以东黑潮主流径区进行春秋季调查。站位设计如图 1所示。调查项目包括温度(temperature, T)、盐度(salinity, S)、pH、TAlk、DIC、DOC、POC、总悬浮颗粒物(total suspended matters, TSM)和叶绿素a(chl a)等。

水体的T、S由SBE911-Plus CTD(Sea Bird Inc., 美国)进行现场测量, 各层水样由CTD控制的Niskin采水器采集。未过滤水样以Thermo Orion 5-star pH计(Thermo Fisher, 美国; 相对精度为±0.001, 分辨率为0.001)配置雷磁E-201-D电极(所用仪器精度条件下, 测量精度达0.001)在25°C下进行测定, 使用总氢离子浓度标度, 每24h左右以三羟甲基氨基甲烷(Tris, pH=8.089, S=35PSU)和二氨基吡啶-盐酸标准缓冲溶液(pH=6.786, S=35PSU)对电极进行校正, 精度可达±0.002pH单位。另取未过滤水样于125ml洁净磨口玻璃瓶中, 加入1~2滴饱和HgCl₂溶液固定保存, 以备实验室测定TAlk。以Whatman GF/F 0.7μm孔径滤膜(450°C下预先灼烧4h并称空重)过滤600~5000ml水样, 取约50ml滤液转移至洁净玻璃瓶(450°C下预先灼烧4h)中, 加入1~2滴饱和HgCl₂溶液固定保存, 密封保存于-5°C(暗处)以备实验室测定DOC; 滤膜保存于-20°C以备测定POC和TSM。以0.45μm孔径醋酸纤维滤膜加10g/L MgCO₃悬浊液后过滤200~500ml水样, 滤膜对折后以铝箔包好, 保存于-20°C以备测定chl a。

TAlk测定按照Dickson等(2007)设计的开放单元滴定法根据现有条件调整进行。水样在精确称重(±0.01g)后恒温至25.0°C, 以预先标定并测定密度的盐酸溶液在905 Titrando自动滴定仪(Metrohm, 瑞士)操作下进行滴定。取pH=3.0~3.5加酸体积与相应pH数据, 根据Gran作图法算得TAlk。测定结果以Dickson的标准海水进行校准, 测量精密度约为0.001(±2μmol/kg), 精确度约为0.0025(±5μmol/kg)。

实验室DOC测定按照国家海洋监测规范(GB17378.4—2007)中总有机碳(total organic carbon, TOC)仪器测定法进行。水样以浓硫酸酸化至pH≈2后, 使用vario TOC cube总有机碳分析仪(Elementar, 德国), 以高温催化氧化-非分散红外吸收法测定DOC含量, 测定以邻苯二甲酸氢钾标准溶液进行校准, 测量精度约为1%。POC滤膜样品于60°C下烘干至恒重, 称重之后以浓盐酸熏蒸12h, 再次烘干, 使用vario Macro cube元素分析仪(Elementar, 德国), 以高温催化演化-热导检测法测定POC含量, 测定以磺胺标准品进行校准, 测量精度约为0.005(陈鑫等, 2014)。DIC利用CO₂Sys EXCEL Macro程序(Lewis and Wallace, 1998), 由温度、盐度、pH与TAlk等参数计算得到, 部分样品经实测方法(宋金明等, 2004)比对得到。海水CO₂解离常数K₁、K₂采用Mehrbach等(1973)提出并由Dickson和Millero(1987)修正的方法计算得到。

chl a样品加入10ml N, N-二甲基甲酰胺(dimethyl formamide, DMF)萃取剂避光放置0.5h以上, 以F-4600型荧光分光光度计(Hitachi, 日本)采用常规荧光法测定。TSM由烘干后膜重与空膜重之差除以滤水体积求得。

2 结果与讨论 2.1 春季黑潮主流径水体中碳的垂直分布与影响因素 2.1.1 无机碳

春季9个站位的pH、TAlk和DIC 3个无机碳参数的垂直分布特征如图 2所示。pH范围为7.54~8.20, 平均值为7.92。总体而言, 表层水pH最高, 为8.08~8.20, 平均值为8.17。次表层热带水到中层水中pH随水深的增加而急剧下降, 范围为7.54~8.19, 热带水和中层水中pH平均值分别为8.07和7.69。pH在800m水层达到最小值后, 随水深的增加略有回升, 为7.54~7.74, 平均值为7.61。

TAlk含量范围为2259.58~2451.63μmol/kg, 平均值为2321.8μmol/kg。总体而言, 黑潮表层水TAlk最低, 0~30m水层中TAlk随水深的增加而增加, 含量范围为2259.58~2312.83μmol/kg, 平均值为2285.0μmol/kg。热带水中TAlk含量较为均一, 随水深的增加略有下降, 范围为2275.95~2320.56μmol/kg, 平均值为2295.2μmol/kg。中层水中TAlk含量随水深的增加而显著升高, 范围为2290.52~2360.05μmol/kg, 平均值为2329.0μmol/kg。TAlk在黑潮深层水中的垂直变化梯度最小, 含量最高, 为2373.01~2451.63μmol/kg, 平均值为2406.4μmol/kg。

DIC含量范围为1867.63~2451.34μmol/kg, 平均值为2078.1μmol/kg。总体而言, 黑潮表层水中DIC含量最低, 其含量从表层水至中层水随水深的增加而升高, 含量范围为1867.63~2280.90μmol/kg。黑潮表层水、热带水和中层水中DIC的平均浓度分别为1913.2μmol/kg、1980.2μmol/kg和2201.6μmol/kg。黑潮深层水中DIC含量最高, 分布变化不大, 平均值为2315.7μmol/kg。

处于上升流中心的TW0-1站位各无机碳参数数值和邻近的TW1断面各站位略有不同, 但分布趋势与其相似。在上升流的影响下, TW0-1站位底层(500m水深)水体中各无机碳参数和台湾以东黑潮主流径各站位中层水整体平均值相近; 表层和次表层热带水中各无机碳参数平均值则有别于黑潮主流径各站位相应水层平均值, 体现出其下方水层的影响。TW0-1站位各层水体中pH整体小于TW1和TW2断面各站位相应水深, 范围为7.65~8.13, 平均值为7.90, 其表层水、热带水和中层水的pH平均值分别为7.99、7.89和7.65。TW0-1站位水体中的TAlk含量则和台湾以东黑潮主流径断面各站位相差不大, 含量范围为2276.73~2330.77μmol/kg, 平均值为2293.7μmol/kg, 其表层水、热带水和中层水中TAlk含量平均值分别为2282.0μmol/kg、2293.4μmol/kg和2330.8μmol/kg。TW0-1站位各层水DIC整体大于TW1和TW2断面站位, 总体含量范围为1934.94~2219.85μmol/kg, 平均值为2069.4μmol/kg, 其表层水、热带水和中层水中DIC含量平均值分别为2012.0μmol/kg、2073.1μmol/kg和2219.9μmol/kg。

2.1.2 有机碳

春季各站位DOC和POC的垂直分布特征如图 3所示。与无机碳参数相比, 各有机碳参数分布规律和所在水层相关性较小。DOC含量范围为50.50~227.42μmol/L, 平均值为98.59μmol/L。从总体趋势看, DOC含量在表层水体中有高值, 在200m以深水体中为相对均一的低值, 随水深的增加略有下降, 至近底层又略有回升。黑潮表层水和热带水中DOC含量较高, 范围为76.58~227.42μmol/L, 表层水和热带水中DOC含量平均值分别为111.20μmol/L和104.67μmol/L。黑潮中层水和深层水中DOC含量较低, 平均值分别为82.88μmol/L和86.60μmol/L。各站位中, TW2-3站位在1000m水深出现DOC高值, 在1000m以深的深层水中DOC含量仍显著高于其他站位, 最高达207.67μmol/L。

POC含量范围为0.43~5.80μmol/L, 平均值为1.62μmol/L。与DOC总体分布规律相似, POC含量在表层水体中较高, 在200m以深水体中有低值并相对均一。黑潮表层水中POC含量最高, 范围为1.72~5.80μmol/L, 平均值为3.11μmol/L。热带水中POC含量低于表层, 并有随水深的增加而逐渐降低的趋势, 在200m左右水深略有回升, 至200m以深水体中又迅速下降, 范围为0.53~4.02μmol/L, 平均值为1.65μmol/L。黑潮中层水和深层水中POC含量为相对均一的低值, 范围为0.43~1.45μmol/L, 中层水和深层水中POC含量平均值分别为0.95μmol/L和0.83μmol/L。

TW0-1站位DOC含量同样在200m以浅有高值, 但总体数值明显低于TW1和TW2断面站位相应水深, 含量范围为15.33~98.25μmol/L, 平均值为54.96μmol/L, 其表层水、热带水和中层水的DOC含量平均值分别为75.95μmol/L、50.29μmol/L和15.33μmol/L。TW0-1站位水体中POC含量则和TW1、TW2断面各站位区别不大, 在5~20m水体中, 其POC含量甚至远高于黑潮主流径其他站位。TW0-1站位POC含量范围为0.80~9.02μmol/L, 平均值为3.20μmol/L, 其表层水、热带水和中层水的POC含量平均值分别为6.21μmol/L、2.10μmol/L和0.80μmol/L。

2.1.3 影响春季黑潮水体碳的因素

海水中各形态碳的分布、转化与循环过程复杂, 受到多种因素的影响。海水中无机碳体系各参数的分布同时受到碳酸盐体系各分量浓度比值、生物利用、物理混合交换, 以及CaCO₃生成-溶解平衡等因素的影响。海水中有机碳体系各参数的分布则与外源输入、生物生产、摄食与消耗分解, 以及物理、化学降解过程关系密切(宋金明, 2011)。

海水中溶解CO₂含量可以同时指示生物活动、化学转换及物理混合等过程的影响, 因此是海洋碳循环体系中一项重要的指标。海水中二氧化碳逸度fCO₂的计算公式如下(Chou et al., 2009):

式中, K₀为CO₂在海水中的亨利常数; K₁和K₂分别为一级和二级海水CO₂解离常数。从该公式可以看出, fCO₂与DIC/TAlk呈正相关, 即DIC/TAlk可指示水体中溶解CO₂的含量, 比值越高说明水体中溶解的CO₂含量越高。

黑潮主流径水体中DIC/TAlk分布趋势类似于DIC分布趋势(图 4)。黑潮表层水中DIC/TAlk最低, 从表层水至中层水, DIC/TAlk总体随水深的增加而升高, 但在中层水中变化幅度最大, 多在800m水层出现DIC/TAlk最高值, 黑潮深层水中DIC/TAlk相对均一, 且随水深的增加而略有回落。受上升流与较高DIC含量的影响, TW0-1站位水体中DIC/TAlk整体大于TW1和TW2断面各站位。

在黑潮表层水中DIC/TAlk、TAlk和DIC含量较低, 而pH和有机碳(DOC、POC)含量较高, 且DIC/TAlk随水深增加的上升趋势伴随着水体中pH、DOC、POC的下降和DIC、TAlk含量的增加。由于黑潮表层水中浮游植物活动相对活跃, 因此这些分布特征体现了浮游植物生产过程中吸收CO₂、生成有机物和CaCO₃壳体所造成的影响。然而, 黑潮表层水中chl a与各无机碳、有机碳参数相关性并不十分显著(图 5, 图 6), 说明光合作用产物的原位分解再循环、呼吸作用, 以及海-气界面交换甚至有机物光化学分解等过程也对表层水中CO₂浓度及其余各碳参数的分布产生了影响。此外, 黑潮表层水中各无机碳参数与海水盐度相关性较低(图 7), 而与海水温度相关性较高(图 8), 且有机碳参数与海水盐度、温度相关性普遍低于无机碳参数(图 9), 说明在黑潮0~30m水层中, 东海陆架水输出导致的盐度下降对无机碳和有机碳体系影响不大, 较高的海水温度有利于生物生长和CO₂移除。黑潮表层水中POC含量与盐度呈负相关, 体现了陆架低盐水体颗粒物输出的影响。

黑潮次表层热带水中, DIC/TAlk随水深增加的上升同样伴随着水体中pH的下降与DIC含量的升高, 而TAlk含量则相对均一甚至略有下降。海水碳酸盐体系各分量中的游离CO₂含量对pH、DIC值有影响, 而对TAlk影响不大。由此可以判断, 在黑潮热带水中, 随水深的增加游离CO₂含量也增加, 而HCO₃^-和CO₃^2-含量相对恒定。有机碳体系中, DOC和POC含量在200m以浅水体中随水深的增加而明显下降, 在200m以深含量低且变化较小。由chl a的分布趋势可以看出, 在50~150m水层中浮游植物活动逐渐减弱, 至200m水深处, 黑潮主流径各站位chl a含量均低于检出限, 各无机碳参数与chl a相关性也不明显(图 5), 因此浮游植物生产对黑潮热带水(尤其150m以深部分)中各无机碳参数分布的影响已不显著。根据Sheu等(1996)的研究发现, 台湾东北黑潮水体100~500m中, 溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量随水深不断下降, 本文的研究中也观测到这一现象, 由此可推断, 有机物分解可能是黑潮热带水中游离CO₂增加的主要来源。黑潮热带水中, pH、DIC和DIC/TAlk与水体温度、盐度均有明显的相关性(图 7, 图 8), 这是因为在向低温低盐中层水的过渡过程中, 水体中有机物不断降解生成游离CO₂, 导致pH的下降及DIC含量和DIC/TAlk比值的上升。此外, 根据Chen等(1982)的研究, 海水中有机物分解生成的酸性物质将导致TAlk略有下降, ΔTAlk:ΔDIC≈-17:106, 由此也解释了黑潮热带水中TAlk随水深增加略微下降的原因。相对于无机碳参数, 有机碳参数(尤其POC)受浮游植物生产影响更为明显(图 6)。与陆源输入有机碳相比, 海洋自生有机碳更易被原位分解利用(Hung and Lin, 1995), 因此大部分有机碳在200m以浅水体中被分解再循环, 未被利用的有机碳部分则随水深增加被继续分解, 其含量与温度、盐度均呈现正相关(图 9)。

整体而言, 春季黑潮中层水中DIC/TAlk随水深的增加而明显升高, 同时水体中pH明显下降, DOC、POC含量略微下降, TAlk、DIC含量则明显上升。在相对均一的低盐中层水中, 各无机碳参数与盐度的相关性较弱, 与温度相关性显著(图 7, 图 8)。在这一水层中, 随着水深的增加, 水温降低, 压力增大, CaCO₃表观溶度积常数(K′_sp)升高, CaCO₃开始溶解, 因此TAlk迅速升高。而DIC/TAlk升高及pH下降的趋势说明, 在这一水层中有机物仍被不断降解, 生成的CO₂抵消了CaCO₃溶解过程中的消耗。根据Sheu等(1996)的研究与本文的研究发现, 黑潮水体中DO含量最小值出现在800~1000m水层, 也可以证实中层水中仍存在有机物的耗氧降解过程。虽然相较于各无机碳参数, DOC与POC含量在黑潮中层水中下降趋势不明显, 且与温度、盐度相关性均较弱, 但先前的研究表明, 黑潮中层水中有机碳含量与表观耗氧量(apparent oxygen utilization, AOU)仍存在负相关, 其中又以POC降解耗氧为主, DOC降解耗氧仅占19%~25%(Hung and Lin, 1995;Hung et al., 2000)。在本文的研究中发现, DOC/POC比值自热带水(平均值为78.54)至中层水(平均值为98.00)有所升高, 与先前的报道相符, 证明黑潮中层水中依然存在有机碳的降解过程, 并以POC降解为主。

黑潮深层水中各碳参数分布变化不大, 这一水层有着4个水层中最高的DIC/TAlk、TAlk和DIC含量, 以及最低的pH, 总体而言有机碳含量也为低值。随水深的增加, 深层水中盐度回升, 温度略有下降, 无机碳参数中pH和TAlk、DIC略有升高, DIC/TAlk则略有下降, 有机碳参数中DOC和POC含量均略有回升。Sheu等(1996)与Chen等(2006)指出, 在台湾东北黑潮流域1000m以深水体中, DO浓度随水深的增加而上升, 由此可知, 在黑潮深层水中, 有机物分解已基本完成, 而CaCO₃的溶解是影响各无机碳参数分布的主要因素, 底层沉积物释放与水平输运则可能是有机碳含量有所回升的原因。

位于上升流区的TW0-1站位各无机碳、有机碳参数分布整体趋势类似于台湾以东的TW1和TW2断面各站位, 影响因素也相近。与TW1和TW2两断面站位相比, TW0-1上升流站位200m以浅水体中各碳参数分布与chl a含量分布相关性更大, 即受浮游植物生产影响更显著。TW0-1站位与TW1和TW2断面站位相比, TAlk相近, pH偏低, 而DIC含量和DIC/TAlk偏高, 这是由于上升流挟带较深层次水体中较高含量的游离CO₂进入浅层水体, 从而影响了上升流区水体中各无机碳参数的整体分布。同时, TW0-1站位水体中DOC含量明显低于TW1和TW2断面站位, POC含量则相近, 甚至在表层有高值, 这种现象在先前研究中也有发现(Hung et al., 2000), 其可能是由于强劲的上升水流挟带大量营养盐, 促进了周围海域生物生产, 从而增加了上升流区水体中的POC含量; 然而, 在营养盐丰富的情况下, 浮游植物对DOC的分泌并不活跃(刘诚刚等, 2010;Hung and Lin, 1995), 但细菌对DOC的分解转化较为活跃(Hung et al., 2000;Shiah et al., 2000), 加之来自较深层次的上升水流中有机碳含量低, 也稀释了上升流区水体里的DOC(Hung and Lin, 1995;Hung et al., 2000), 因此上升流区水体中DOC含量较低。

在该研究中发现, 黑潮主流径一些近岸站位在800~1000m水深出现高pH、低DIC含量、低DIC/TAlk和高DOC、高POC含量的异常值; 同时, 在该水深近岸站位发现明显的TSM高值, 其成因是由于较上层的陆坡区沉积物周期性再悬浮后离开源区向深海(黑潮流径)的水平输运(Hung et al., 2000;Liu et al., 1995;Wong et al., 2000), 因此低游离CO₂、高有机碳含量的陆架、陆坡来源物质输入有可能是造成这些碳参数出现异常值的原因。

2.2 秋季黑潮主流径水体中碳的垂直分布与影响因素 2.2.1 无机碳

秋季各站位pH、TAlk和DIC 3个无机碳参数垂直分布特征如图 10所示。pH范围为7.66~8.28, 平均值为8.10。总体而言, 表层水pH最高, pH大体呈随水深增加而下降的趋势, 范围为8.22~8.29, 平均值为8.25。次表层热带水至中层水中pH仍随水深的增加而下降, 热带水和中层水中pH范围分别为8.00~8.22和7.56~8.08, 平均值分别为8.14和7.74, pH一般在800m水层达到最小值。在1000m以深的深层水中, pH为相对均一的低值, 并随水深增加略有回升, 范围为7.58~7.69, 平均值为7.64。与春季相比, 秋季黑潮主流径有着更高的pH, 其总体分布趋势与春季相似。

TAlk含量范围为2311.00~2537.28μmol/kg, 平均值为2384.1μmol/kg。总体而言, TAlk在黑潮表层水中最低, 并随水深的增加而增加, 含量范围为2311.00~2382.01μmol/kg, 平均值为2344.6μmol/kg。黑潮热带水中TAlk含量大体均一, 并在200~300m水层中随水深的增加略有下降, 靠近陆架边缘的站位(如TW0-1、TW1-2和TW1-3)在150~200m水深出现TAlk高值(高于2400μmol/kg), 热带水中TAlk的含量范围为2331.05~2441.24μmol/kg, 平均值为2360.5μmol/kg。黑潮中层水中, TAlk含量随水深的增加而显著升高, 靠近陆架边缘的TW1-2、TW1-3站位在800m水层再次出现TAlk高值(可高于2500μmol/kg), 中层水中TAlk含量范围为2328.45~2507.04μmol/kg, 平均值为2396.0μmol/kg。TAlk在黑潮深层水中平均含量最高(个别站位2000m水层TAlk高于2500μmol/kg), 而垂直变化梯度较小, 平均值为2468.5μmol/kg。秋季黑潮水体TAlk分布趋势与春季相似但含量总体更高。

DIC含量范围为1852.91~2410.86μmol/kg, 平均值为2078.7 μmol/kg。黑潮表层水中DIC含量最低, 且大体随水深的增加而增加, 含量范围为1852.91~1932.69μmol/kg, 平均值为1904.7μmol/kg。从次表层热带水至中层水中, DIC含量总体随水深的增加而继续升高, 热带水和中层水中DIC含量范围分别为1929.24~2058.96μmol/kg和2140.24~2386.27μmol/kg, 平均值分别为1998.4μmol/kg和2260.9μmol/kg。黑潮深层水中DIC含量最高且变化不大, 含量范围为2319.87~2410.86μmol/kg, 平均值为2356.3μmol/kg。与春季相比, 秋季黑潮表层水体中DIC含量略有下降, 从次表层至深层水体DIC含量有所升高, DIC整体平均含量与春季差别不大。

与春季结果相似, 位于上升流中心的TW0-1站位水体中, 各无机碳参数分布趋势与TW1断面各站位相似, 但整体数值略有不同。TW0-1站位表层水体中各参数分布与TW1断面站位相似, 但次表层和中层水在较深层次水体上涌的影响下, 各无机碳参数平均值则有别于黑潮主流径各站位相应水层的平均值。TW0-1站位各层水体中pH整体小于TW1和TW2断面各站位相应水深, 范围为7.66~8.29, 平均值为8.10, 其表层水、热带水和中层水pH平均值分别为8.26、8.05和7.66。TW0-1站位水体中的TAlk与台湾以东黑潮主流径靠近陆架边缘站位分布相近, 并略高于黑潮主流径各站位平均值, 含量范围为2324.71~2425.27μmol/kg, 平均值为2374.6μmol/kg, 其表层水、热带水和中层水中TAlk含量平均值分别为2347.5μmol/kg、2389.0μmol/kg和2425.3μmol/kg。TW0-1站位各层水DIC整体大于TW1和TW2断面站位, 总体含量范围为1873.44~2308.80μmol/kg, 平均值为2024.0μmol/kg, 其表层水、热带水和中层水中DIC含量平均值分别为1902.2μmol/kg、2074.7μmol/kg和2308.8μmol/kg。与同一站位春季调查数据相比, 秋季TW0-1站位各无机碳参数中pH和TAlk较高, DIC含量表层较低、中层较高而整体平均值相近。

2.2.2 有机碳

秋季各站位DOC和POC垂直分布特征如图 11所示。与春季研究结果相似, 秋季各有机碳参数分布规律与各无机碳参数相比受所在水层影响较小。DOC含量范围为56.72~141.04μmol/L, 平均值为92.36μmol/L。总体趋势而言, DOC含量在表层水中有高值, 范围为93.6~130.41μmol/L, 平均值为109.25μmol/L。黑潮次表层热带水至中层水中, DOC含量在200m以浅较高, 随水深的增加, DOC含量出现下降趋势, 热带水与中层水中DOC含量范围分别为62.08~141.04μmol/L和56.72~109.36μmol/L, 平均值分别为94.70μmol/L和75.40μmol/L。在1000m以深的黑潮深层水中, DOC含量总体变化较小且相较中层水略有回升, 范围为57.14~102.48μmol/L, 平均值为78.04μmol/L。与春季相比, 秋季黑潮主流径各层水体中DOC含量略有降低。

POC含量范围为0.17~18.26μmol/L, 平均值为1.93μmol/L。与春季POC含量的分布规律相似, 秋季POC在200m以浅的表层水和上层热带水中含量较高, 在200m以深水体中含量总体较低且相对均一。黑潮表层水中POC含量最高, 含量范围也最大, 为0.17~18.26μmol/L, 平均值为3.24μmol/L。热带水中POC含量低于表层, 在150~200m水层出现小回升之后, POC含量总体随水深的增加而略有降低, 为0.22~4.78μmol/L, 平均值为1.49μmol/L。黑潮中层水和深层水中POC含量为相对均一的低值, 并在底层略有增高, 一些站位在500m左右水层中出现POC含量高值, 中层水和深层水中POC含量范围分别为0.52~8.24μmol/L和0.45~3.09μmol/L, 平均值分别为1.61μmol/L与1.11μmol/L。秋季黑潮主流径表层水和热带水中POC含量与春季相比差别较小, 中层水和深层水中POC含量高于春季。

秋季, TW0-1站位各有机碳参数分布规律与附近的TW1断面站位相似, DOC含量整体略低, POC含量在表层略高于TW1断面站位。与春季相比, 秋季TW0-1站位与黑潮主流径其他站位水体中DOC和POC含量差异更小。TW0-1站位DOC含量范围为75.73~109.20μmol/L, 平均值为93.07μmol/L, 其表层水、热带水和中层水中DOC含量平均值分别为105.11μmol/L、85.37μmol/L和75.73μmol/L。秋季TW0-1站位POC含量范围为1.15~3.54μmol/L, 平均值为2.14μmol/L, 其表层水、热带水和中层水中POC含量平均值分别为2.22μmol/L、1.90μmol/L和2.82μmol/L。与春季相比, 秋季TW0-1站位水体中DOC含量明显较高, 表层水和次表层热带水中POC含量略低于春季, 而中层水(处于该站位近底层)POC含量明显高于春季。

2.2.3 影响秋季黑潮水体碳分布的因素

秋季黑潮主流径各层水体中CO₂水平依然可由DIC/TAlk高低来指示, 即DIC/TAlk越高则表明水体中游离CO₂含量越高。黑潮主流径各站位水体中DIC/TAlk垂直分布如图 12所示。总体而言, DIC/TAlk在表层最低, 随着水深的增加, 其由表层水至中层水逐渐升高, 并在800~1000m左右水深处达到最高值, 在1000m以深的黑潮深层水中, DIC/TAlk较为恒定并略有回落。这一分布趋势与春季相似, DIC/TAlk与春季相比整体偏小, 但差距不大。

同春季相似, 秋季黑潮表层水中TAlk、DIC含量和DIC/TAlk较低, 而pH、DOC和POC含量较高; 表层水中DIC、TAlk含量和DIC/TAlk随水深的增加而上升, 而pH、DOC和POC含量则随水深的增加而下降。由此可知, 秋季黑潮表层水中各碳参数分布依然受生物活动、光合作用产物的原位循环, 以及海-气交换等多种过程的综合影响。黑潮主流径表层水各无机碳、有机碳参数与chl a含量相关性不显著(图 13, 图 14)。各无机碳参数中pH、DIC含量和DIC/TAlk同chl a含量的相关性在秋季略大于春季, 说明秋季黑潮表层水无机碳体系中游离CO₂含量受浮游生物活动的影响更为明显。各有机碳参数中DOC含量与chl a含量相关性略强于春季, 而POC含量与chl a含量相关性弱于春季。黑潮表层水中各无机碳参数与海水盐度相关性较弱(图 15), 而与温度相关性较强(图 16), 这可能是因为较高海水温度促进了生物生长和海-气界面交换对CO₂的移除。表层水中DOC和POC含量与海水温度、盐度相关性均较弱(图 17), 也说明了原位再循环、光化学分解等非初级生产过程对表层水中有机碳的影响。与春季相比, 秋季黑潮表层水中POC含量与盐度无明显负相关, 可能是因为秋季东海陆架水输出对黑潮表层水POC含量影响较小的缘故。

秋季黑潮次表层热带水中, DIC含量和DIC/TAlk随水深的增加而有所升高, TAlk含量随水深的增加略有下降且变化较小, pH、DOC和POC含量则随水深的增加而降低, 各碳参数分布趋势与春季相似。在这一水层中, 随着水深的增加, 温度降低而盐度升高, 有机物开始分解并释放游离CO₂, 因此pH与各有机碳参数(尤其DOC)均呈下降趋势, 而DIC含量和DIC/TAlk逐渐升高, 且上述碳参数分布与chl a含量相关性较弱, 与水体温度、盐度则有较显著的相关性(图 15~图 17)。根据化学平衡公式, 有机物降解过程中ΔTAlk:ΔDIC≈ -17:106, 由此可以解释热带水中DIC与TAlk相反的变化趋势。

秋季黑潮中层水中, pH仍随水深的增加而显著降低, DOC和POC含量略有下降, TAlk、DIC含量和DIC/TAlk则显著升高。与春季相同, 中层水中CaCO₃溶解过程的开始是TAlk升高的主要原因, 而中层水中有机物降解过程的持续是DIC含量和DIC/TAlk升高, 以及pH和有机碳含量降低的主要原因。秋季, DOC/POC自热带水至中层水有所降低, 即在秋季黑潮水200~800m水层中, DOC可能比POC降解更迅速。黑潮中层水中盐度变化范围较小, 因此中层水中各碳参数与盐度的相关性较弱(图 15, 图 17), 但随着水深的增加, 中层水温度继续下降, 因此各无机参数和DOC含量与水体温度均有较显著的相关性(图 16, 图 17), POC含量因变化幅度较小, 因而与温度的相关性并不明显。

与春季相似, 秋季黑潮深层水中有着各水层中最高的TAlk、DIC含量和DIC/TAlk, 以及最低的pH, 有机碳含量也为低值。随着水深的增加, 深层水中pH、TAlk和DIC含量略有升高, DIC/TAlk有所回落, DOC和POC含量变化较小, 在一些站位底层略有回升。黑潮深层水中温度变化较小而盐度略有回升。各碳参数中, TAlk和DIC含量与盐度有一定正相关性, 而与温度有一定负相关性; 其余各碳参数与温度、盐度相关性均不显著。由此可知, 在黑潮深层水中, 有机物降解基本结束, CaCO₃的溶解是影响各无机碳参数分布的主要因素, 而水平输运和水-沉积物界面交换可能是影响有机碳参数在底层分布的主要因素。

与春季相比, 秋季位于上升流区的TW0-1站位, 各无机碳、有机碳参数虽同样受较深层水体上涌的影响, 但与TW1和TW2断面各站位DOC含量差距较小。考虑到秋季黑潮主流径及TW0-1站位浮游植物活动弱于春季(chl a含量明显低于春季), 因此TW0-1站位200m以浅水体中出现高于春季的DOC含量可能是由于秋季较低的细菌生物量、细菌生产力(Shiah et al., 2000)。TW0-1站位200m以浅各碳参数分布与chl a含量相关性高于TW1和TW2断面站位, 说明上升流中心的TW0-1站位表层和次表层水体碳分布受浮游植物生产的影响高于黑潮主流径其余站位。

秋季, 黑潮主流径一些站位在600~800m水深出现高TAlk、高DIC含量和高有机碳含量的异常值, 其原因可能同春季相似, 出于陆坡区沉积物水平输运的影响, 这些站位的相应水深中往往伴有TSM高值。此外, TW2断面外侧站位在1500m水深也出现TSM高值, 同样可能是受到水平输送的影响。秋季黑潮流域各站位碳参数分布与春季略有不同, 其可能的原因有较低的浮游植物生产、利用, 以及较低的微生物分解量。秋季黑潮水体中DIC含量和DIC/TAlk与春季差异较小, 但pH和TAlk高于春季, 考虑到海水碳酸盐体系次级解离过程中pH=pK₂+lg([CO₃^2-]/[HCO₃^-])和TAlk=2×[CO₃^2-]+[HCO₃^-]+[OH^-]-[H⁺]+[B(OH)₄^-]+c_其余, 式中, K₂为二级电离常数; 2×[CO₃^2-]+[HCO₃^-]为碳酸碱度; [OH^-]-[H⁺]为水碱度; [B(OH)₄^-]为硼酸碱度; c_其余为其他弱酸碱度, 可以推测秋季黑潮水体中有着较高的[CO₃^2-]/[HCO₃^-]。

3 结语

2014年春季, 黑潮主流径水体垂直方向上可由30~50m、300~400m和800~1000m 3个界面划分为黑潮表层水、热带水、中层水与深层水。春季黑潮水体中DIC平均含量为2078.1μmol/kg, DOC和POC平均含量分别为98.59μmol/L和1.62μmol/L。黑潮表层水中有着较高的pH, 较低的TAlk、DIC含量和DIC/TAlk, DOC和POC含量也有高值, 体现了浮游植物生产和海-气界面交换等过程的影响, 陆源颗粒物输出对黑潮表层水POC分布也有一定影响。黑潮次表层热带水中, pH随水深的增加而下降, DIC含量和DIC/TAlk升高, TAlk含量则相对均一, DOC和POC在200m以浅含量较高, 在200m以深降为低值, 其原因在于热带水中浮游植物生产逐渐减弱至200m左右水层消失, 大部分海洋自生有机碳在200m以浅被分解再循环, 剩余有机物则随水深的增加而开始不断分解。黑潮中层水中pH随水深的增加而明显下降, TAlk、DIC含量和DIC/TAlk随水深的增加明显升高, 同时DOC和POC含量有所下降; 这一水层中CaCO₃开始溶解, 其与有机物的降解共同影响了水体中碳参数的分布。黑潮深层水有着4个水层中最高的TAlk、DIC含量和DIC/TAlk, 及最低的pH, DOC和POC含量也为低值; 这一水层中有机物分解基本结束, 因此CaCO₃的溶解是影响各无机碳参数分布的主要因素, 而底层沉积物释放与水平输运则可能是各有机碳参数在底层有所回升的原因。位于上升流中心的TW0-1站位各参数均受到较深层次水体挟游离CO₂与营养盐上涌的影响, 与黑潮主流径其他站位略有不同。

2014年秋季, 黑潮主流径水体垂向上依然能够划分为表层水、热带水、中层水和深层水4层; 水层间的界面分别为75~100m、300~500m和800~1000m。总体而言, 秋季黑潮水体中DIC平均含量为2078.7μmol/kg, DOC和POC平均含量分别为92.36μmol/L和1.93μmol/L。黑潮主流径各层水体中各水文、碳参数分布规律与春季相似, 影响因素也类似。秋季黑潮流域各站位碳参数量值与春季略有不同, 其可能的原因有较低的浮游植物生产、利用及较低的微生物分解量。秋季黑潮水体中DIC含量和DIC/TAlk与春季差异较小, 但pH和TAlk高于春季, 由此可以推测秋季黑潮水体中有着较高的[CO₃^2-]/[HCO₃^-]。