黃河三角洲北部懸浮體和顆粒有機碳的分布與影響因素

胡邦琦,李國剛,布如源,李 軍,張永明,4,趙京濤 (.青島海洋地質研究所,國土資源部海洋油氣資源和環境地質重點實驗室,山東 青島 26607；2.中國科學院地球環境研究所,黃土與第四紀地質國家重點實驗室,陜西 西安 70075；.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院,山東 青島 2660)

海洋是地球上最大的碳儲庫,全球河流每年攜帶總量約為216Tg的顆粒有機碳入海,其在海洋沉積物中的埋藏和轉換是全球碳循環中的關鍵環節[1].陸架邊緣海是陸地和海洋的連接帶,盡管僅占全球海洋總面積 8%左右,但受日益加劇的人類活動影響和河流輸入的大量陸源物質供應,其生物地球化學循環比較復雜.同時,由于地理位置(緯度、氣候等)及相關的生態結構差異導致近海存在碳源匯的季節性差異,已成為全球陸架邊緣海碳循環問題研究的難點和焦點問題之一[1-3].海水中的顆粒有機碳(POC)一般是指直徑大于 0.45μm 的有機碳,包括海洋中有生命和無生命的懸浮顆粒和沉積物顆粒.顆粒有機碳不但與生物的生命過程、初級生產力關系緊密,也是海水中碳固化和遷移的主要形式[2-3].此外,總有機碳是衡量水體有機污染程度的一項綜合指標,對海洋有機污染起指示作用.

黃河是我國第二大河,平均每年攜帶大約11億t泥沙和1.8～8.1Tg顆粒有機碳入海,是中國東部陸架邊緣海主要的陸源物質和有機碳供應者之一,對中國東部陸架海區乃至整個西北太平洋海域的生態系統均有較大的影響[4-6].黃河口及其毗鄰海域的顆粒有機碳組成和分布特征已引起廣泛關注[5,7-15].黃河三角洲鄰近海域受東亞季風氣候的影響,海洋動力條件季節性差異明顯[16],冬季海洋氣候惡劣限制了海上調查工作的開展,因此該海域冬季實測懸浮體和顆粒有機碳資料較為缺乏.研究表明黃河三角洲毗鄰海域沉積物擴散主要發生在冬季[16].因此,本文利用2008年12月在黃河三角洲北部及毗鄰海域進行的水文調查所獲取的資料,對該海區冬季懸浮體和顆粒有機碳的分布特征和影響因素進行了研究,這對加深邊緣海特別是水下三角洲地區的碳埋藏及其季節性轉換具有重要的科學意義.

1 研究區概況

研究區貫穿渤海東西,涵蓋渤海灣南部、渤海中央海區,東面與渤海海峽相鄰(圖1).黃河是該區主要的陸源物質供應者,歷史上每年攜帶約11億t的泥沙入海,由于黃河含沙量大(＞25kg/m3),常造成下游河道淤積,尾閭河道擺動頻繁.自20世紀50年代以來,黃河先后由神仙溝、釣口流路向北流入渤海,1976年改道清水溝流路后口門向東.黃河入海水沙存在明顯的季節性差異,主要集中在汛期.

圖1 研究區地理位置、水深及樣品站位Fig.1 Map of sampling locations and water depth

黃河口門位置頻繁變遷,岸線演變劇烈,導致不同時期的近岸水流存在較大差異,但在離岸較遠處仍可以顯示出比較穩定的海流,主要由東北偏北向環流,渤海灣內逆時針環流和渤海灣南部順時針環流組成[17].研究區主要的海洋動力因素除海洋環流之外,還包括潮流、風浪等.受東亞冬季風的影響,冬半年盛行偏北向浪,在黃河水下三角洲坡腳形成強大的底應力,形成兩個高能強流速區,分別位于神仙溝口外和清水溝老河口外,最大流速中心帶都在海岸的坡腳轉折范圍(10～15m 水深)[18].

2 樣品采集與分析

2008年12月在黃河三角洲北部及毗鄰海域進行懸浮體樣品采集,共獲得34個站位共137個樣品(圖1).懸浮體采樣使用 ALEC公司的Water-SampLer自容式CTD采水器,采水層次根據水深確定,一般采集五層.該 CTD 采水器能同時測量懸浮體的溫度、鹽度、水深、葉綠素等要素.其中,葉綠素測試方法為熒光測量,測量范圍為0～400μg/L,分辨率為0.01μg/L,精度為±1%.每個站位進行兩次采樣,分別使用孔徑為0.45μm(懸浮體濃度)和0.7μm 濾膜(顆粒有機碳)在現場利用真空過濾器過濾.過濾后濾膜放入冷凍庫中低溫保存,直至室內進行分析.采用干式燃燒法測量進行顆粒有機碳(POC)分析,具體流程見文獻[15].

3 結果

由圖2可見,研究區表、底層溫度分布基本一致,均表現為渤海中部海域較高,向西遞減,在黃河三角洲釣口附近和渤海灣中部海域存在低溫區(＜2℃).研究區表、底層鹽度分布也近乎一致,表現為近岸鹽度低(＜31.5‰),向外海鹽度逐步增高的整體趨勢(圖3).研究區表、底層的葉綠素濃度均較低,高值區均局限在近岸(圖4).

圖2 研究區表層和底層溫度(℃)分布Fig.2 Distribution pattern of temperature(℃) in the surface and bottom layers over the study area

由圖5可見,研究區表層懸浮體濃度介于5～956mg/L 之間,均值為264.1mg/L.懸浮體濃度高值區位于黃河釣口附近,其濃度接近1000mg/L,并向海快速降低,在渤海中部懸浮體濃度較低,小于50mg/L.底層懸浮體濃度介于6～1064mg/L之間,均值為420mg/L.底層懸浮體濃度高值區與表層一致,但分布范圍有向渤海灣中部擴散的趨勢,渤海中部底層懸浮體濃度同樣很低.

圖3 研究區表層和底層鹽度(‰)分布Fig.3 Distribution pattern of salinity(‰) in the surface and bottom layers over the study area

圖4 研究區表層和底層葉綠素-a (μg/L)分布Fig.4 Distribution pattern of Chlorophyll-a(μg/L) in the surface and bottom layers over the study area

由圖6可見,研究區表層顆粒有機碳(POC)濃度為25～500μg/L,均值為226μg/L.表層POC高值區位于近岸海域,以釣口附近海域最為突出,最高值可達500μg/L,向海方向快速降低,在渤海中部僅為20～50μg/.底層 POC 濃度為17～640μg/L,均值為300μg/L.底層POC的高值區也局限于研究區西部,在釣口附近海域POC可達400μg/L以上,POC在底層高值區范圍明顯比表層大;在渤海中部POC濃度較低,僅為30～60μg/L.

圖5 研究區表層和底層懸浮體(mg/L)濃度分布Fig.5 Distribution pattern of suspended sediment concentration (SSC) (mg/L) in the surface and bottom layers over the study area

圖6 研究區表層和底層顆粒有機碳(μg/L)分布Fig.6 Distribution pattern of particulate organic carbon(POC)(μg/L) in the surface and bottom layers over the study area

4 討論

4.1 懸浮體與顆粒有機碳的相關性

海水中的顆粒有機碳(POC)來源多樣,按來源途徑可劃分為陸源(通過河流、大氣沉降輸入)、海源(海洋生物的生產)、海底沉積物的再懸浮以及溶解有機碳(DOC)的轉化等[19].同時,POC的垂直和水平分布又受多種因素共同影響,如河流輸入、海洋環流、營養鹽及生物活動等,導致其含量和組成在不同海區、不同層位差異較大.研究表明,海底再懸浮沉積物在我國近岸及陸架海區是POC的一個重要來源[20-21].東海秋季POC主要來自長江徑流和沉積物的再懸浮[22],同時冬季東海中陸架砂質區的POC垂直分布呈現出底層高于表層的現象,與海洋動力環境密切相關[23].黃海再懸浮沉積物在底層懸浮體濃度可占 90%以上,因此也可能是 POC一個重要來源[24].蔡阿根等[25]在九龍江口附近海域顆粒有機碳的研究中發現,在海底水動力環境較強或底棲生物擾動頻繁的海區,由于海底沉積物的再懸浮,底層水體的POC含量明顯增大.

圖7 研究區懸浮體濃度和顆粒有機碳濃度相關性Fig.7 Correlations between concentration of SSC and POC

SSC和POC平面分布最為突出的特征就是在廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域存在明顯的高值區,兩者之間存在明顯的一致性(圖5和圖 6).SSC和POC之間存在顯著正相關關系(R2=0.87,圖7),這表明冬季研究區的SSC是控制POC變化的主要因素.顆粒中有機碳的質量分數(POC%)是懸浮體的一個重要特征指標,可以根據這種性質來判斷其來源,含量相似說明其來源具有單一性,POC%波動范圍大則說明懸浮體具有不同的來源.如圖 8所示,研究區表、底層POC%變化區間大致相同,均值分別為1.36%和1.24%,這表明該區冬季懸浮體可能為單一來源.POC%均值和變化幅度均低于夏季渤海灣北部懸浮體中的POC%(均值 4%～8%)[14]和夏季黃河口毗鄰海域懸浮體POC%(均值2%～3%)[15].進一步分析發現,POC%隨 SSC增高快速降低,當SSC＞200mg/L時,POC%大致保持在 1%左右(圖9).海水中POC%與SSC的關系主要受兩個因素的控制,其一隨著SSC 降低,水體透光度增強,有利于浮游植物的生長,從而海源有機碳對POC貢獻增大,POC%也會隨之降低;其二,海洋動力對懸浮體的淘選作用,也可能使得POC%隨SSC降低而增加.

圖8 研究區表、底層顆粒有機碳百分含量變化Fig.8 Percentage contents of POC% in the surface and bottom water Layer

圖9 研究區懸浮體濃度和顆粒有機碳含量相關性Fig.9 Correlations between concentration of SSC and POC%

4.2 懸浮體與顆粒有機碳空間分布的影響因素LANDSAT衛星遙感圖像顯示在廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域存在著穩定的高渾濁區[26],即圖5中SSC高值區,與現行河口三角洲之間被一低渾濁區所間隔,基本不受現行河口入海泥沙的季節性變化影響[27].Yang等[16]發現冬季黃河口以北懸浮體通量(SSF)大致沿岸線指向東南,僅在神仙溝口附近指向東北-東;夏季黃河口以北懸浮體通量(SSF)大致指向東北,證實了現行黃河入海泥沙主要向東、東南方向運移,而向西北輸送較少.這表明廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域高渾濁帶主要是近底泥沙在動力作用下的再懸浮所致,而非現行黃河入海泥沙擴散的結果[27-28].

自1976年黃河尾閭河道由刁流路改道清水溝流路以來,由于沉積物供應斷絕,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣由向海淤進轉為快速向岸蝕退,形成了一個彎月狀的沿岸侵蝕區,最大侵蝕深度可達5～8m,其中最大侵蝕區位置與波致底切應力超過0.2N/m2的區域相吻合,也與本研究中SSC和POC的高值區相對應(圖5和圖6),這表明波浪過程是廢棄神仙溝-釣口三角洲海岸侵蝕和近底沉積物再懸浮的主要控制性動力機制[27-28].王厚杰等[28]指出廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近的淺水區域(＜10m)由波浪過程導致的粉砂通過再懸浮進入浮泥層,在重力控制下沿水下底坡向深水輸送并在深水區(＞10m)沉積.對比研究區2008年12月份的表、底層SSC(POC)空間分布趨勢,SSC(POC)在底層的高值區范圍明顯高于表層,有向渤海灣中部擴散的趨勢,指示部分淺水區域再懸浮沉積物(包括POC)同樣有從底層向渤海灣匯聚的趨勢,表明冬季強海洋動力條件下,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣前緣不僅是沉積物的“源”,也同樣是顆粒有機碳的“源”.

5 結論

5.1 冬季黃河三角洲北部及其毗鄰海域SSC變化范圍較大(5～1064mg/L),表、底層的SSC高值區(＞600mg/L)均呈條帶狀分布于廢棄神仙溝-釣口三角洲附近海域,隨水深加大SSC快速降低.

5.2 研究區冬季海水中的POC變化于 17～640μg/L,表、底層 POC的分布模式基本一致,均表現為高值區(＞400μg/L)集中于近岸海域,在渤海中部僅為20～50μg/L左右,但底層POC向渤海灣中部擴散范圍比表層大.

5.3 POC和SSC之間存在顯著正相關關系,表明該海區近岸淺水區沉積物再懸浮是影響研究區POC空間分布的重要原因.冬季SSC和POC高值區與最大侵蝕區、波致底切應力＞0.2N/m2的區域相對應,表明在冬季強海洋動力條件下,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣前緣不僅是沉積物的“源”,也同樣是顆粒有機碳的“源”.

[1]Cai W J. Estuarine and coastaL ocean carbon paradox: CO2sinks or sites of terrestrial carbon incineration? [J]. Annual Review of Marine Science, 2011,3(1):123-145.

[2]胡敦欣,楊作升.東海海洋通量關鍵過程 [M]. 北京:科學出版社, 2001.

[3]高學魯,宋金明,李學剛,等.中國近海碳循環研究的主要進展及關鍵影響因素分析 [J]. 海洋科學, 2008,32(3):83-90.

[4]Milliman J D, Syvitski J P M. Geomorphic/tectonic control of sediment transport to the ocean: the importance of small mountainous rivers [J]. Journal of Geology, 1992,100:525-544.

[5]蔡德陵,蔡愛智.黃河口區有機碳同位素地球化學研究 [J]. 中國科學(B輯), 1993,23(10):1105-1113.

[6]Schlünz B, Schneider R R. Transport of terrestrial organic carbon to the oceans by rivers: re-estimating flux- and burial rates [J].International Journal of Earth Sciences, 2000,88(4):599-606.

[7]Bigot M, Saliot A, Cui X, et al. Organic geochemistry of surface sediments from the Huanghe estuary and adjacent Bohai Sea(China) [J]. Chemical Geology, 1989,75(4):339-350.

[8]Zhang S, Gan W B, Ittekkot V. Organic matter in Large turbid rivers: the Huanghe and its estuary [J]. Marine Chemistry,1992,38(1/2):53-68.

[9]Cauwet G, Mackenzie F T. Carbon inputs and distribution in estuaries of turbid rivers: the Yangtze and Yellow rivers (China)[J]. Marine Chemistry, 1993,43(1-4):235-246.

[10]Yuan H, Liu Z, Song J, et aL. Studies on the regional feature of organic carbon in sediments off the Huanghe River Estuary waters [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2004,23(1):129-134.

[11]張龍軍,張向上,王曉亮,等.黃河口有機碳的時空輸運特征及其影響因素分析 [J]. 水科學進展, 2007,18(5):674-682.

[12]張龍軍,徐雪梅,何會軍.黃河不同粒徑懸浮物中POC含量及輸運特征研究 [J]. 環境科學, 2009,30(2):342-347.

[13]張龍軍,姜 波,張向上,等.基于泥沙中碳含量的變化表征黃河調水調沙入海泥沙的擴散范圍 [J]. 水科學進展, 2008,19(2): 153-159.

[14]胡利民,鄧聲貴,郭志剛,等.夏季渤海灣及鄰近海域顆粒有機碳的分布與物源分析 [J]. 環境科學, 2009,30(1):39-46.

[15]喬淑卿,石學法,白亞之,等.黃河口及鄰近渤海海域懸浮體和沉積物中有機碳、氮的分布特征及其影響因素 [J]. 沉積學報,2011,29(2):354-362.

[16]Yang Z, Ji Y, Bi N, et al. Sediment transport off the Huanghe(Yellow River) delta and in the adjacent Bohai Sea in winter and seasonal comparison [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science,2011,93(3):173-181.

[17]趙保仁,莊國文,曹德明,等.渤海的環流、潮余流及其對沉積物分布的影響 [J]. 海洋與湖沼, 1995,26(5):466-473.

[18]王厚杰.黃河口懸浮泥沙輸送三維數值模擬 [D]. 青島:中國海洋大學, 2002.

[19]張乃星,宋金明,賀志鵬.海水顆粒有機碳(POC)變化的生物地球化學機制 [J]. 生態學報, 2006,26(7):2328-39.

[20]Hoshika A, Tanimoto T, Mishima Y, et al. Variation of turbidity and particle transport in the bottom layer of the East China Sea [J].Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography,2003,50(2):443-455.

[21]Zhu Z Y, Zhang J, Wu Y, et al. Bulk particuLate organic carbon in the East China Sea: Tidal infLuence and bottom transport [J].Progress in Oceanography, 2006,69(1):37-60.

[22]劉文臣,王 榮,吉 鵬.東海顆粒有機碳的研究 [J]. 海洋與湖沼, 1997,28(1):39-43.

[23]趙繼勝,姬泓巍,郭志剛.冬季東海典型海域顆粒有機碳的垂直分布 [J]. 海洋科學, 2003,27(6):59-63.

[24]張巖松,章飛軍,郭學武,等.黃海夏季水域沉降顆粒物垂直通量的研究 [J]. 海洋與湖沼, 2004,35(3):231-238.

[25]蔡阿根,李文權,陳清花,等.廈門西港和九龍江口顆粒有機碳的研究 [J]. 海洋科學, 2003,5:46-50.

[26]范兆木,郭永盛.黃河三角洲沿岸遙感動態分析圖集 [M]. 北京:海洋出版社, 1992.

[27]Bi N, Yang Z, Wang H, et al. Sediment dispersion pattern off the present Huanghe (Yellow River) subdelta and its dynamic mechanism during normal river discharge period [J]. Estuarine,Coastal and Shelf Science, 2010,86(3):352-362.

[28]王厚杰,原曉軍,王 燕,等.現代黃河三角洲廢棄神仙溝-釣口葉瓣的演化及其動力機制 [J]. 泥沙研究, 2010,(4):51-60.