秋季長江口水體顆粒有機碳年際變化及影響因素分析*

邢建偉 線薇薇 沈志良 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 青島 266071;2. 中國海洋大學 海水養殖教育部重點實驗室 青島 266003)

作為全球碳循環的重要一環, 海洋碳循環一直是國內外研究的熱點(張乃星等, 2006)。相對于開闊大洋, 陸架邊緣海雖然僅占全球海洋面積的7.6%,但對海洋初級生產力的貢獻卻高達30%。其中, 河口作為陸架邊緣海的重要組成部分, 輸送和產生大量的有機碳(張龍軍等, 2005)。迄今, 陸架邊緣海在全球碳循環中的作用尚未完全清楚, 而正確認識河口區有機碳的行為, 有助于揭示陸架邊緣海對全球有機碳循環的重要性(Raymondet al, 2001)。

顆粒有機碳(particulate organic carbon, POC)是海洋有機碳的重要組成部分, 在河口有機碳的生物地球化學循環中扮演著極其重要的角色(劉慶霞等,2012)。河口POC來源非常復雜, 主要包括天然陸源有機物的輸入、工農業生產及生活排污產生的顆粒有機物釋放、河口浮游生物初級生產以及次級生產帶來的各種有機碎屑等(Eatherallet al, 1998)。國外對河口POC的研究始于20世紀60年代, 目前在POC生物地球化學動力過程研究上取得了一系列成果(Caiet al, 1988; Goniet al, 2005; Stramska, 2010)。我國POC研究起步較晚, 但在河口POC的來源(張龍軍等,2005; 劉慶霞等, 2012)、組成(劉文臣等, 1997; 張乃星等, 2006)、遷移轉化(張乃星等, 2006)以及通量(Cauwetet al, 1993)研究上進展迅速。

長江是我國第一大河, 年平均入海徑流量達9240億立方米, 輸沙量4.86億噸, 入海泥沙大部分在河口附近沉降、堆積, 部分細顆粒泥沙沿長江沖淡水擴展方向輸送至河口外側海域, 長江入海物質通量直接影響河口水體環境特征(沈煥庭等, 2011)。20世紀80年代以來, 眾多學者對長江口附近水域POC進行了研究(Millimanet al, 1984; 謝肖勃等, 1992;Cauwetet al, 1993; 黃自強等, 1997; Wuet al, 2003;宋曉紅等, 2007; Zhanget al, 2007; 林晶等, 2009; 熊林芳等, 2010), 提出某一個時間點長江口POC的空間分布、季節變化等, 但對長江口POC年際間變化特征的研究尚未見報道, 這可能是由于缺乏系統的、多年的POC數據所致。近年來, 伴隨著長江流域一系列水利工程設施的興建, 特別是三峽工程蓄水運行后, 長江的入海水沙通量發生了較大的變化(翟世奎等, 2008)。此外, 長江沿岸工農業和三角洲經濟的迅猛發展使得有機物的排放日益增多(陳吉余等,2003), 這些因素都將會對長江口水域POC的濃度和生物地球化學過程產生一定的影響。本文根據2007—2012年長江口秋季POC調查資料, 探討長江口及其鄰近海域POC年際變化及其影響因素, 并根據多年數據, 解析POC時空分布與河口來水來沙的關系,進一步闡明長江口海域POC時空變化的受控因素,為豐富長江口有機碳研究資料、探討河口區有機碳的行為提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 站位設置

分別于2007、2009、2011和2012年11月完成長江口及其鄰近海域4個航次綜合調查。調查區域位于30°45′—32°00′N, 121°10′—123°20′E之間, 共設置東西方向6個斷面, 40個站位。根據鹽度和總懸浮物(total suspended matter, TSM)的分布情況, 將調查區域劃分為3個水域: 口門內、近岸區和近海區(圖1)。口門內包括35—39號站, 水體鹽度較低(＜5), 渾濁度較高; 近岸區包括9—12、15—18、21—25、28—32以及40號站, 中等鹽度(5—20), 水體渾濁度最高,為最大渾濁帶的主要分布區(沈煥庭等, 2001); 近海區包括1—8、13—14、19—20、26—27、33—34號站, 鹽度相對較高(＞20), 透明度最大。

1.2 采樣與測定方法

圖1 長江口調查站位圖Fig.1 Sampling stations in the Changjiang (Yangtze) River estuary

現場利用Niskin采水器分別采集表層(0—1m)和底層(距海底2m)水樣后, 立即用孔徑為0.7μm的Whatman GF/F玻璃纖維膜(直徑25mm、450°C預灼燒6h)負壓抽濾, 根據水樣的渾濁程度過濾體積在80—300mL之間。所得濾膜用錫紙包好置于-20°C冰箱中保存, 用于測定TSM、POC和葉綠素a。各測站利用Sea-Bird-25 CTD同步測定水深、溫度和鹽度。

過濾得到的GF/F膜經冷凍干燥24h后置于干燥器中恒重后稱重, 減去空白膜的質量, 即得到TSM的凈重, 然后除以過濾水樣的體積, 計算TSM的濃度。稱重后的膜樣置于密閉的干燥器中用濃鹽酸熏蒸24h, 以除去樣品中的無機碳, 再將膜樣在50°C條件下烘24h, 干燥器中恒重后使用德國Elementar公司生產的Vario EL III型元素分析儀測定POC的含量。用乙酰苯磺胺(ACET)做標樣, 氧化爐溫度950°C, 還原爐溫度500°C, 每個樣品做兩個平行樣取平均值,每10個樣品做一次空白測試, 平行樣品測定誤差≤1%。葉綠素a樣品經90%丙酮萃取, 用Turner-Designs-Model 10熒光光度計測定。

1.3 數據處理方法

使用SPSS 16.0軟件進行方差分析和非參數檢驗以及Pearson相關性分析和雙尾顯著性檢驗, 使用Surfer 8.0軟件繪制平面分布圖, 使用Origin 8.0軟件繪制含量變化圖和相關關系圖。

2 結果與討論

2.1 POC分布及年際變化

2.1.1 POC濃度 2007—2012年秋季長江口POC濃度范圍為0.03—16.95mg/L, 均值2.30mg/L。其中,表層POC濃度范圍在0.14—9.65mg/L之間, 均值為1.84mg/L, 底層POC濃度在0.03—16.95mg/L之間,均值2.76mg/L(表1)。各個年份底層POC濃度均高于表層, 與金海燕等(2005)的研究結果相同。相對表層而言, 底層POC濃度的變化范圍較大。

表1 2007—2012年秋季長江口各年度POC的濃度Tab.1 POC concentration in the Changjiang River estuary in autumn 2007—2012

2007—2012年長江口水域POC濃度年際間顯著波動(表1)。表層水體POC在2007年最高, 2009年顯著下降, 2011年降至最低水平, 2012年又顯著回升。底層與表層的變化趨勢大體相同, 2011年底層水體POC濃度顯著低于其它年份, 但2007、2009和2012年間底層水體POC差異不顯著。可以看出, 2007—2012年間長江口表層POC濃度年際變化幅度較大,底層水體POC年際間相對穩定。

謝肖勃等(1992)于1985年11月在長江口相同測區得到的表層POC濃度范圍為0.51—1.38mg/L, 平均值0.82mg/L, 底層POC濃度在0.39—2.50mg/L間,平均值0.97mg/L。與之相比, 2007—2012年長江口POC變異范圍顯著增大, 2011年與其均值較為接近,其它年份均明顯偏高。除長江來水來沙的影響之外,近幾十年長江流域工農業發展引起的污染物的排放增加也可能對其有一定的影響(陳吉余等, 2003), 造成長江口水域POC濃度變化。宋曉紅等(2007)在長江口相同測區獲得的2004年表、底層POC均值分別為3.81mg/L和9.09mg/L, 高于本文研究結果。可以看出,長江口POC濃度年際間表現為一定程度的波動狀態。

2.1.2 POC空間分布 圖2顯示各調查航次表層和底層水體POC空間分布。可以看出, 秋季長江口區表、底層POC的平面分布具有很強的規律性: 大致呈現出沿長江徑流入海方向濃度逐漸降低的趨勢,南部和西南部濃度較高, 北部和東北部濃度較低。年際間POC的平面分布總趨勢基本保持一致。POC高值區在口門外呈舌狀分布, 并向東北方向延展。

表2給出了2007—2012年長江口各子區域表、底層POC濃度均值及年際間差異顯著性檢驗結果。長江口不同區域POC濃度存在空間變異: 口門內表層POC濃度與近岸區相比高低不一, 近岸區底層POC濃度大多高于口門內。非參數檢驗結果顯示, 口門內和近岸區POC濃度差異未達到顯著性水平(P＞0.05), 但二者濃度均顯著高于近海區(P＜0.05)。這進一步說明從口門到近岸水域, POC濃度存在一定程度的空間變異, 而從近岸到外海水域, 隨離岸距離的增加, 長江口POC濃度顯著降低。近岸區表層與底層POC濃度相差較大, 口門內次之, 而近海區相差最小。

林晶等(2009)的研究表明長江口最大渾濁帶水域POC含量高于外海; 程君等(2011)根據東海大面調查資料, 發現長江口水域存在POC高值區, 外海水域含量較低, 與本研究結果一致。受長江徑流輸送的懸浮顆粒物影響, 長江口近岸水域POC含量最高(謝肖勃等, 1992; 黃自強等, 1997; 劉文臣等, 1997), 離岸較遠的深水區隨著長江徑流影響的減弱, 水體外源輸入的POC減少, 呈現由表層向底層衰減的趨勢,并由外源輸入向生物生產轉化(Wuet al, 2003)。

由表2的差異顯著性檢驗結果可以看出長江口各區域POC濃度年際差異的不同趨勢。口門內和近岸區POC濃度年際間數值波動范圍較大, 尤以底層更為明顯, 近海區波動范圍較小。口門內2011年POC平均濃度最低, 但與2007年和2009年差異不顯著,近岸和近海區2011年顯著低于2007年。與口門內相比, 近岸和近海區年際間變化更為劇烈。2012年口門內POC濃度迅速回升至2007年的水平, 并顯著超過2009年和2011年, 但近岸和近海區僅回升至2009年水平, 顯著低于2007年的最高濃度。綜上, 口門內由于徑流可以完全覆蓋, 外源輸入充分, POC含量年際間變化程度較小; 隨著離岸距離的增加, 外源輸入量減少, POC來源趨于復雜, 近岸和近海水域POC濃度年際間變異趨于顯著。

2.2 POC分布影響因素

2.2.1 POC與河口環境要素的關系 河口環境條件復雜多變, 多種環境要素對POC分布產生直接或間接的影響(張龍軍等, 2005)。根據2007—2012年長江口綜合調查數據, 分析了POC與鹽度、TSM以及葉綠素a的相關關系, 分別探討物理環境、沉積環境和初級生產對POC分布的影響。

圖2 2007—2012秋季長江口POC平面分布Fig.2 Horizontal distribution of POC in the Changjiang River estuary in autumn 2007—2012

表2 2007—2012年秋季長江口不同區域POC濃度Tab.2 POC concentration in different regions of the Changjiang River estuary in autumn 2007—2012

2007—2012年秋季長江口表層POC與鹽度均呈負相關關系(表3), 其中尤以2012年最為顯著。長江口POC隨鹽度呈非保守性變化, 即POC濃度隨鹽度增加并不是單純的下降趨勢(圖3a): 在鹽度＜7時, 隨鹽度的增加, POC濃度緩慢增大; 在7＜鹽度＜12時,POC濃度維持在較高水平, 但離散程度亦較大; 鹽度＞12, POC濃度隨著鹽度的升高逐漸降低。Uncles等(2000)也發現Humber河口POC通常在鹽淡水兩端的含量較低, 在鹽度介于2—6時出現最高值, 而在鹽度大于5時, 又隨著鹽度的升高而逐漸降低, 與本文結果相似。鹽度指示陸地徑流對海域的影響程度, 鹽度越大代表水動力條件中徑流的影響越大。綜上, 長江口POC分布不完全受海水稀釋作用的影響, 河口區復雜的水動力條件及其他因素對POC的分布也具有重要影響(金海燕等, 2005)。

表3 2007—2012年秋季長江口POC與環境因子的相關關系Tab.3 Correlation of POC and environment factors in autumn 2007—2012

長江徑流攜帶大量顆粒有機物進入河口, 懸浮物是陸源輸入POC的主要載體。本研究結果表明, 長江口POC與TSM間存在極為顯著的正相關關系, 底層的相關程度高于表層(圖3c, 3d)。計算結果顯示, 各年度POC均與TSM呈顯著的線性正相關(表3), 與眾多學者的研究結果相同(Cauwetet al, 1993; Murrellet al, 2000; 金海燕等, 2005; 梁成菊等, 2010), 表明TSM是影響POC分布的一個重要因素(Zhuet al,2006)。底層POC與TSM的相關系數高于表層, 可能是由于咸淡水交匯引起懸浮物大量沉降和風浪擾動引起底層有機物再懸浮的緣故(秦蘊珊等, 1989;Hoshikaet al, 2003; Zhuet al, 2006; 程君等, 2011)。由圖3c, 3d還可以看出, 當TSM濃度較低時, POC離散性較大, 尤其在表層水體, 表明在TSM較低水體,POC與其相關性較差, 這在透明度較高的黃海和東海北部得到證實(熊林芳等, 2010)。因此, TSM是長江口水體POC分布的重要影響因素, TSM濃度越高的水域二者相關性越強, 隨TSM濃度降低, TSM對POC影響程度減弱。

除外源輸入外, 初級生產也是POC的重要來源之一(葉翔等, 2009)。海洋真光層的浮游植物通過光合作用將無機碳轉化為有生命的POC, 即初級生產過程對海洋POC具有一定的貢獻。葉綠素a是表征浮游植物現存量的重要指標, 在一定程度上反映了水域的初級生產力水平(李超倫等, 2005)。本研究結果顯示, POC與葉綠素a的總體相關關系未達到顯著性水平(圖3b)。不同年度調查結果顯示, POC僅在2012年秋季與葉綠素a表現為顯著的正相關關系, 其它年份相關性均較弱(表3)。已有的研究結果顯示, 東海水域POC與葉綠素a呈顯著的線性正相關(程君等,2011), 黃東海浮游植物生產是POC的主要來源(吳家林等, 2012)。也有研究發現POC與葉綠素a的相關性較差(劉占飛等, 2000; 石曉勇等, 2011)。本研究水域屬于河口區域, 沖淡水覆蓋面廣, 水體較為渾濁,嚴重制約了浮游植物的光合作用(Cauwetet al,1993), 相對弱化了浮游植物生產對POC的貢獻。隨著離岸距離的增加, 水體透明度變大, 特別是在遠離口門的東部外測海域, 初級生產成為POC的一個重要來源(Wuet al, 2003; 金海燕等, 2005)。

圖3 秋季長江口POC與環境因子的關系Fig.3 Regression relationship between POC and environmental factors in the Changjiang River estuary in autumn

2.2.2 POC與河口來水來沙的關系 長江陸源輸入(主要包括徑流和泥沙)為河口及其鄰近海區提供了大量生源要素, 對維持河口地區較高的生產力水平發揮著重要作用, 因此, 有機碳濃度變化必然受到長江口來水來沙的影響。考慮到陸源輸入由大通站進入河口后存在一定程度的遲滯和累積效應, 結合本研究的調查時間均為秋季11月初, 選擇大通站洪季(7—10月)入海徑流量和輸沙量作為影響因素, 考察長江口水域POC與陸源輸入的關系(圖4)。可以看出, 河口來水來沙量年際間呈波動狀態, 長江口表層POC濃度與其年際間變化趨勢基本一致。這說明河口來水來沙量對POC濃度具有一定程度的制約性。入海泥沙中大量的有機質通過徑流裹挾作用輸運至河口甚至外部海域,從而影響河口POC濃度分布。長江口POC濃度的年際間變化與入海徑流量和泥沙量密切相關。

為探討長江徑流量和輸沙量的改變對長江口及其鄰近海區POC的影響, 明確長江徑流和輸沙對長江口不同區域POC分布的影響范圍和程度, 將各站位表層POC數據與相應年度洪季入海徑流量和輸沙量作相關性分析, 并將各個站位得到的Pearson相關系數繪制等值線圖, 結果如圖5所示。

圖4 2007—2012年秋季長江口表層POC與徑流量、輸沙量年際變化Fig.4 Interannual variances of runoff, sediment discharges and POC in the Changjiang River estuary in autumn 2007—2012

由圖5a可以看出, 長江口POC濃度與徑流呈正相關關系的區域主要集中在口門內和近岸區, 其中在最大渾濁帶分布區正相關程度最高, 凸顯出長江徑流對口門內和近岸區POC濃度的顯著影響, 這也說明在該區域各種水體的交互作用中, 長江沖淡水占絕對優勢; 而在調查海區的中部和外側水域, POC濃度與徑流量呈現出了一定的負相關關系, 其中在東南部和東北部區域尤其顯著, 表明長江沖淡水對該區域POC濃度的稀釋作用強于輸入作用。與徑流相似, POC與輸沙量呈正相關的區域也集中在最大渾濁帶和北部水域(圖5b), 這說明長江輸沙量的增加可以顯著增大以上區域POC的濃度; 調查海域東北和東南部POC與輸沙量呈負相關關系, 表明該區域POC對陸源泥沙輸入的依賴性減弱。

圖5 長江口秋季表層POC濃度與徑流量和輸沙量相關系數分布Fig.5 Distribution of correlation index of surface POC concentration with runoff and sediment discharge in the Changjiang River estuary in autumn

2.2.3 POC影響因素綜合分析 綜合以上分析可以看出, POC分布與河口環境要素以及來水來沙量呈不同程度的相關。在河口環境中, 各因子并不是孤立存在的, 為探討以上因素對POC的綜合作用, 將2007—2012年秋季長江口表層POC與徑流量、輸沙量、TSM及葉綠素a進行多元分析, 結果見表4。

可以看出, 多種因素共存情況下, 長江口整體水域POC濃度與輸沙量相關性最強, 其次是徑流量,與TSM和葉綠素a相關性均未達到顯著性水平(P＞0.05), 其中與葉綠素a的相關性最弱。在單個影響因素分析中, POC與TSM密切相關, 加入徑流和輸沙后, TSM對POC的影響被削弱。這是由于TSM本身首先受長江入海泥沙量的控制, 進而影響POC分布, 因此多元分析中代入輸沙量后, POC變化直接與其相關。這說明雖然其它因素如生物活動對調查水域POC有一定程度的貢獻, 但陸源輸入對POC的影響仍占絕對優勢地位。洪季輸沙量是秋季長江口水域POC分布變異的重要驅動因素。

長江口不同空間水域POC與影響因素的相關性存在差異: 口門內POC與徑流和TSM存在顯著的正相關, 近岸區主要受輸沙量影響, 而近海區與葉綠素a的相關程度最高(表4)。這說明長江口不同子水域由于環境背景條件差異, POC分布的驅動因素存在變化。口門內水域, 咸淡水交匯引起的顆粒物沉積和再懸浮作用的強度決定水體POC濃度, 而渾濁度較高的近岸水體POC對陸源輸入泥沙的依賴性最強, 長江口外側海域初級生產力水平成為POC濃度的重要影響因素(Wuet al, 2003)。

表4 長江口秋季表層POC與各影響因素的相關程度Tab.4 Correlation between surface POC and influencing factors in the Changjiang River estuary in autumn

3 結論

(1) 2007—2012年秋季長江口POC濃度范圍為0.03—16.95mg/L, 均值2.30mg/L, 底層濃度高于表層。表層POC濃度年際間變化較之底層更為顯著。

(2) 長江口區POC平面分布呈沿長江徑流入海方向逐漸降低的趨勢, 南部和西南部濃度較高, 北部和東北部濃度較低, 高值區出現在口門附近偏南部水域, 不同年份POC平面分布總趨勢基本一致。口門內和近岸水域POC顯著高于近海水域。與口門內水域相比, 近岸和近海水域POC年際變化更為劇烈。

(3) 長江口POC分布與鹽度呈顯著的負相關關系, 但隨鹽度呈非保守性變化。POC與TSM間呈極顯著的線性正相關關系, 懸浮物是POC分布的重要影響因素。POC與葉綠素a相關關系較弱, 大多數年份POC與葉綠素相關關系不顯著。

(4) 河口來水來沙量對POC分布具有一定程度的制約性。長江口POC年際變異趨勢與入海徑流和泥沙較為一致, 徑流的主要影響區域在口門內和近岸區, 輸沙的主要影響區域在最大渾濁帶和長江口北部水域。

(5) 長江口水域POC濃度與入海輸沙量相關性最強, 徑流次之, 與TSM和葉綠素a的相關性均未達到顯著性水平。長江口不同區域POC分布的影響因素存在差異: 口門內水域, 咸淡水混合引起的懸浮物沉積和沉積物再懸浮強度決定水體POC濃度, 渾濁度較高的近岸水體POC對陸源輸入泥沙的依賴性最強, 長江口外側海域初級生產力水平成為POC分布的重要影響因素。

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