青島近海堿度的研究及其測定方法的比較＊

高彩霞，劉春穎，李 鐵，祝陳堅，張海波

（中國海洋大學化學化工學院 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島266100）

工農業的高速發展，化石燃料的燃燒，森林的肆意砍伐都導致二氧化碳氣體濃度激增，引起全球變暖。而海洋是一個巨大的碳儲庫，可吸收人為排放量的三分之一[1]，對減緩大氣CO2濃度的增加有重要貢獻。但研究表明，大氣CO2濃度增加的速率遠大于深海沉積物的調節能力，致使海水pH降低引起海洋酸化[2]，進而導致海水碳酸鹽體系發生一系列的變化，給整個海洋生態系帶來影響。海水碳酸鹽體系涉及到海洋生態環境，海洋化學，海洋生物等多領域，因此具有重要的研究意義。

海水總堿度（Alkalinity，Alk）是指中和1L或者1 kg海水中的質子接受體（HCO－3，CO2－3，H2BO－3）所需質子的摩爾數（質子受體為在溫度為25℃，離子強度為0時，解離常數pKa≥4.5的弱酸形成的堿）[3]。Dickson對海水總堿度的定義不包括任何有機（浮游植物和細菌細胞）和無機顆粒物（碳酸鈣粒子）。海水總堿度的測定方法有pH單點法、電位滴定Gran作圖法、中和滴定法[4]。其中pH單點法簡單、快速、適于現場分析，但現場溫度和鹽度能夠影響H＋活度系數fH＋，影響最終結果。中和滴定法以混合指示劑指示終點，但由于終點轉變不易分辨，導致Alk滴定終點的確定困難，而且操作及分析結果的處理比較繁瑣。自動電位滴定法利用Gran作圖法判定終點，自動化程度高，操作簡便，測定快速準確，因此被廣泛用于海水總堿度的測定。

海水Alk受溫度﹑鹽度、深度、生物活動及碳酸鹽的溶解和沉淀等影響。在河口港灣中則主要受大陸經流、潮汐作用等水文要素影響，其次還受人類活動的影響。大洋海水總堿度通常具有保守性，可通過海水的鹽度估算[5]，但是，在一些鹽度易受到河流影響的海域，Alk會隨著鹽度的改變發生明顯變化[6－7]。Alk與水深有密切關系，海水吸收CO2后減小了文石和方解石的飽和度，在深水區碳酸鹽溶解會增加Alk[8]。李榮福對杭州灣海水的研究表明，Alk隨潮汐漲落呈現升降的趨勢[9]。Wolf－Gladrow提出在生物生產的過程中吸收CO2并不改變Alk，但是在吸收營養鹽如硝酸鹽時，細胞為保持電荷平衡吸收質子，使Alk增加[10]。Kim提出細菌細胞對深海Alk有影響[11]。因此，海水中存在的浮游植物和細菌及顆粒物對海水Alk有一定的影響。

本文以青島近海為研究海域，通過pH單點法，自動電位滴定，以及由DIC和pH計算法同步測定Alk，進行比較研究，觀測Alk在表層的分布，并討論了過濾前后ΔAlk與葉綠素a（Chl－a）的相關性，初步認識生物活動對海水Alk的影響。

1 研究海域

2012年3月1 ～12日隨“東方紅2號”考察船對青島近海進行了現場觀測，調查項目包括溫度、鹽度、葉綠素a、pH、Alk和DIC。本次調查共設置了10個大面站和2個連續站位，具體站位圖1所示。

2 實驗部分

2.1 樣品采集和測定

用5L的Niskin采水器采集樣品，現場對pH、Alk、NH4－N、PO4－P、SiO3－Si等營養鹽進行測定[12]。將水樣經Whatman GF/F濾膜過濾，并將濾膜冷凍保存帶回陸地實驗室測定Chl－a，用90%丙酮萃取24h，利用熒光分光光度計測定其濃度。DIC采用低密度聚乙烯瓶裝至溢滿，并滴加1滴飽和氯化汞溶液，密封避光冷藏保存，帶回陸地實驗室進行測定。

圖1 膠州灣及青島近海取樣站位Fig.1 Sampling stations in the Jiaozhou Bay and Qingdao coast

2.2 堿度測定方法

2.2.1 pH單點法 樣品采集后，置于實驗室20℃恒溫，在水樣中加入過量已經標定好的HCl溶液，中和弱酸根至pH為3.5左右，根據此時pH值測得過量H＋的量，具體方法詳見《海水分析化學實驗》[12]。這種方法的相對標準偏差為1.5%，相對誤差為2.5%。

2.2.2 自動電位滴定法 使用美國AS－Alk＋總堿度分析儀（美國阿波羅科技公司）測定樣品的海水Alk，具體步驟：采用已經標定好的鹽酸在20℃恒溫條件下滴定已知體積的海水樣品，且不斷攪拌以趕走釋放的CO2，滴定的過程使用pH玻璃電極監測溶液中pH的變化，用電位值與加入鹽酸的體積作圖確定滴定終點，即Gran滴定終點，根據滴定劑鹽酸的體積和電位值計算Alk。該分析儀具有非常好的精密度和準確度，其相對標準偏差為±0.1%，平均相對誤差為±2μmol/L。

2.3.3 由DIC和pH計算海水Alk法 DIC測定的原理為：采用總有機碳分析儀，自動將270μL樣品注入到含有酸的樣品池中，碳酸氫根和碳酸根與酸發生反應產生CO2，用高純N2將其吹出，經干燥后送入非色散紅外檢測器中進行測定，得到CO2峰面積，根據標準溶液測得標準曲線，計算出DIC的濃度。利用pH計對海水pHNBS值進行現場測定，準確度為±0.02。根據DIC和pH值計算出Alk值。應用Ernie Lewis編寫的CO2SYS軟件，由DIC和pH根據計算Alk，其精密度大約為2%，準確度為2%～5%。

3 結果與討論：

3.1 3種方法測定總堿度的比較

本文采用電位滴定儀、pH單點法測定海水Alk及根據DIC和pH 2個參數計算海水Alk，通過這3種方法測定10、11號連續站及大面站表層海水Alk的變化。由表1可知自動電位滴定法測得這些站位表層海水 Alk范圍為2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310 μmol/kg，該平均值高于pH單點法測定值和計算值，其中計算的Alk值與自動電位滴定的差值為－0.01±0.07，pH單點法與自動電位滴定法測定的Alk差值為－0.02±0.10。

表1 3種方法測定青島近海表層海水的總堿度值的比較Table 1 The results of different analytic determinations of the total alkalinity in the Qingdao Coast /103μmol·kg－1

圖2為10﹑11號站及大面站全部表層海水的3種Alk值，其中pH單點法的變化范圍較大，這可能是由于手工滴定存在操作誤差，以及所采用活度系數fH＋帶來的誤差，因為活度系數fH＋受溫度和pH的影響。本文應用Ernie Lewis CO2SYS軟件，pH NBS標度，及實測的DIC和pH值，并結合鹽度、溫度、壓力、硅酸鹽及磷酸鹽數據計算Alk。各站位計算值（取28個數據的平均值）小于電位滴定的實測值，pH單點法測出Alk的平均值為2 290μmol/kg，自動電位滴定測得Alk平均值為2 310μmol/kg，由軟件計算的Alk值為2 290μmol/kg，計算值比實測值低0.87%。這與 Khoruzhii采用滴定法和計算法比較海水Alk的結果正好相反[13]，采用2種方法計算海水Alk，即 Millero常數和考慮鹽度影響下修正的碳酸解離常數K1和K2計算Alk，結果表明鹽度對Alk的計算產生影響。

圖2 比較3種不同方法測得的海水總堿度值Fig.2 Comparison of total alkalinity by different methods

近岸由于受陸地徑流輸入的影響，鹽度會降低，Alk/S會升高，二者間呈負相關趨勢。冬末仍是枯水期，青島近海和膠州灣的陸地徑流量很小，鹽度變化范圍較窄。盡管如此，上述關系由電位滴定法所得的Alk/S結果仍可明顯體現出來，如圖2a（r＝0.854 1，n＝27，P＜0.000 1）。然而，其它兩種方法得到的 Alk/S與鹽度的關系（見圖3b，c）不佳且離散，說明在較窄的鹽度范圍內，不能明顯反映陸地徑流的輕微影響。由此圖可知，本文所用的計算法誤差過大，不可取。手工滴定相對較好，但滴定過程中有離散點出現，電位滴定效果好。

由于受陸地徑流輸入影響的水體中碳酸鹽的比例升高，DIC仍可體現上述關系，即DIC/S與鹽度呈負相關趨勢（見圖3d），說明本文測定的DIC結果符合實際。

然而，為何由DIC和pH（NBS）計算的總堿度結果不佳？將該Alk結果與pH（NBS）作圖發現，Alk隨pH（NBS）升高明顯增大（見圖4a），而由電位滴定法測定的Alk則無此現象（見圖4b）。pH（NBS）測定的精密度不高，在冬季生物活動較弱、鹽度范圍較窄的情況下測定誤差大于實際差異，與DIC的精密度不匹配，由此計算的Alk受pH結果的顯著影響，無法用于討論研究。

圖3 由3種表層水總堿度的結果所計算的Alk/S以及DIC/S與鹽度的關系Fig.3 Relationship between surface Alk/S（DIC/S）and salinity

圖4 青島近海表層水總堿度計算與測定結果與pH（NBS）的關系Fig.4 Relationship between surface Alk and pH（NBS）

對以上3種結果的比較進行歸納顯示，由DIC和pH（NBS）計算的Alk結果受pH（NBS）的影響，誤差很大；pH單點法本身采用了pH測定的方法和NBS標度，誤差同樣較大，兩種Alk的結果均不能反映鹽度范圍較窄的情況下Alk的實際變化。而采用電位滴定法測定的Alk結果精密度高，在測定海水Alk變化時應優先選擇，因此接下來的數據分析均采用電位滴定測定的Alk值。

3.2 青島近海表層海水Alk的水平分布

圖5是采用自動電位滴定法測得青島近海表層海水Alk的分布圖。由圖可知，青島近海表層海水的Alk分布呈中部低，其他區域高的特征。在調查區的東北部出現最高值，在該區域Alk分布趨勢存在顯著的梯度變化，由近岸低向外海逐漸增加；Alk向灣口有逐漸增加的趨勢，這可能是該區域與大洋水交換能力較弱，以及受流入膠州灣的河流的影響所致。Alk的變化范圍 Alk范圍為2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310 μmol/kg。由于堿度受多種因素的影響，同時，膠州灣環境復雜，還需進一步的研究。

圖5 青島近海表層水總堿度的等值線分布Fig.5 The distribution of Alk in the surface seawater of Qingdao Coast

3.3 青島近海海水Alk的周日變化

圖6為青島近海連續站10站Alk隨時間的變化。對10號站pH、水溫、鹽度的周日變化分析表明：pH、鹽度與Alk呈負相關，當n＝27時，pH、鹽度與Alk的相關系數分別為－0.668、－0.422；溫度與Alk呈一定的正相關（n＝27，R＝0.458，p＝0.016），但是pH ﹑水溫﹑鹽度與Alk并未呈現很好的相關性，這說明海水Alk的周日變化可能與溫度、鹽度和pH有關。潮汐變化影響海水的溫度與鹽度，根據青島3月10與11日的潮汐時刻表可知，該連續站Alk隨著潮汐漲落呈相似的升降趨勢（見圖7），表明潮汐對青島近海海水Alk有一定影響。但不同層次海水Alk并沒有呈現明顯的區別，這可能因處于淺水區，水文、生物因素及受陸地徑流等影響較復雜，所以很難確定其具體的影響因素[14]。Howland對Tweed河口總堿度分布研究顯示，該區域潮汐及河流量對Alk也產生明顯影響，漲潮時大量淡水涌入，致使鹽度降低，Alk隨著降低[14]。

圖6 青島近海連續站Alk的多層分布Fig.6 Multilayer distribution of Alk in consecutive stations of the Qingdao Coast

圖7 青島近海表層水Alk隨潮汐的變化Fig.7 Variations of Alk with the change of tides in stations of the Qingdao Coast

3.4 生物化學過程對堿度的影響

圖8為各站位過濾前后海水總堿度差值ΔAlk（ΔAlk＝Alk未過濾－ Alk過濾）與Chl－a含量之間的相關性圖。由圖可知過濾前后ΔAlk值與Chl－a含量之間存在弱相關性，這可能是因為海水中浮游植物和顆粒物對Alk產生的影響。過濾前后Alk的變化可能受顆粒物及浮游生物的影響：（1）顆粒物如碳酸鈣對堿度會產生影響，當CaCO3溶解時將會使Alk增加[15]。（2）浮游植物對Alk也會產生影響。（a）國外研究表明藻類植物為了保持細胞的電中性將會吸收許多帶電荷的營養物質，通過質子泵達到電荷平衡補償電荷偏差，如NO－3與Na＋通過同向運輸進入細胞內，但是為了避免Na＋的無限制累積，Na＋與 H＋通過反向運輸進行交換，即NO－3與H＋被運送到細胞內，這個過程將導致海水測定的Alk增加[16]。（b）浮游植物氮的同化作用和硝化作用也對Alk產生影響，Brewer and Goldman通過實驗證明浮游植物吸收硝酸鹽和氨時會改變Alk，當硝酸鹽作為氮源時會增加Alk，而氨作氮源時則使Alk減小[17]，氧的環境下，氨最終被氧化為硝酸鹽，由方程式可知植物的硝化作用也導致Alk的減小[18]。

（c）浮游植物細胞表面帶有羧基，氨基，磷酸鹽等帶電基團[19]，這些基團的解離和質子化作用影響了浮游植物和細菌細胞表面電荷的分布，因而海水pH和離子強度的變化將導致細胞表面的電荷密度的變化[20]，用鹽酸滴定海水的過程中，這些帶負電荷的基團將與質子反應，從而影響Alk的測定，過濾前的海水含有浮游植物，這些植物細胞表面含有更多的帶負電荷的基團，這將導致Alk值增加[11]，這一系列生物化學過程因素會都影響Alk。本文通過對海水過濾前后的Alk的變化與Chl－a含量的關系（n＝61，r＝0.252，p＝0.05），粗略的討論浮游植物和有機顆粒物可能影響海水Alk的測定，這對研究河口及生物生產力旺盛的海域的Alk具有一定意義。

圖8 青島近海過濾前后海水堿度差值ΔAlk與Chl－a的相關性圖Fig.8 The relationship between the difference of before and after filtrationΔAlk and Chl－ain the Qingdao Coast

為了考察滸苔對海水Alk的影響，2012年6月調查了青島近海，在青島近海5個地點棧橋、魯迅公園、太平角、五四廣場和石老人觀光園分別取樣，水樣用250mL聚乙烯瓶裝至溢滿，上岸后立即到實驗室，采用自動電位滴定法測定過濾前后的Alk值。結果如表2所示，在滸苔量較多的區域棧橋、魯迅公園、五四廣場和石老人處過濾后的Alk值低于Alk的，海水中大量的滸苔可能對堿度的測定造成影響，進一步說明了浮游植物可能影響海水Alk。

表2 2012年6月青島近海表層海水過濾前后堿度值Table 2 The total alkalinity value of coastal waters of Qingdao in June，2012 /103μmol·kg－1

4 結論

通過對2012年3月份青島近海海水Alk的研究，可以得出以下結論：

（1）比較pH單點法，自動電位滴定法及溶解無機碳（DIC）計算法測得海水Alk，DIC計算法和pH單點法得出的Alk誤差較大，電位滴定法測定的Alk結果精密度較高，在測定海水Alk變化時應優先選擇電位滴定法。

（2）青島近海表層海水中Alk的分布較復雜分布趨勢，2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310μmol/kg。

（3）通過比較過濾前后的樣品的Alk，發現顆粒物及浮游生物對Alk產生一定的影響，并在滸苔事件中得到了驗證。

[1]Sabine C L，Feely R A.The oceanic sink for carbon dioxide.In Greenhouse Gas Sinks [M].Oxfordshire：CABI Publishing，2007：31－49.

[2]Henderson C.Ocean acidification：the other CO2problem [J].New Scientist，2006，2563：28－33.

[3]Dickson A G.An exact definition of total alkalinity and a procedure for the estimation of alkalinity and total inorganic carbon from titration data[J].Deep－Sea Res，1981，28A（6）：609－623.

[4]宮海東.中國黃海、南海和青島近海表面海水二氧化碳體系的多層研究[D].青島：中國海洋大學，2007.

[5]Lee K，Lan T，Millero F J，et al.Global relationships of total alkalinity with salinity and temperature in surface waters of the world’s oceans[J].Geophys Res Lett，2006，33，L19605，doi：10.1029/2006GL027207.

[6]Raymond P A，Cole J J.Increase in the export of alkalinity from North America’s largest river[J].Science，2007，301：88－91.

[7]Cai W J，Hu X，Huang W J，et al.Surface ocean alkalinity distribution in the western North Atlantic Ocean margins[J].J Geophys Res，2010，115：C08014.doi：10.1029/2009JC005482.

[8]Chou W C，Sheu D D，Lee B S，et al.Depth distributions of alkalinity，TCO2andδ13CTCO2at SEATS time－series site in the northern South China Sea[J].Deep－Sea Research II，2007，54：1469－1485.

[9]李福榮.杭州灣海水堿度的研究 [J].青島海洋大學學報，1999，S1：55－61.

[10]Wolf－Gladrow D A，Zeebe R E，Klaas C，et al.Total alkalinity：he explicit conservative expression and its application to biogeochemical processes[J].Marine Chemistry，2007，106：287－300.

[11]Kim H C，Lee K，Choi W Y.Contribution of phytoplankton and bacterial cells to the measured alkalinity of seawater[J].Limnol Oceanogr，2006，51：331－338.

[12]祝陳堅.海水分析化學實驗[P].青島：中國海洋大學出版社，2006：27－92.

[13]Khoruzhii D S，Ovsyanyi E I，Konovalov S K.Comparison of the results of determination of the carbonate system and the total alkalinity of seawater according to the data obtained by using different analytic methods[J].Physical Oceanography，2011，21（3）：182－194.

[14]Howland R J M，Tappin A D，Uncles R J，et al.Distributions and seasonal variability of pH and alkalinity in the Tweed Estuary，UK [J].Sci Total Environ，2000，251：125－138.

[15]Dieter A，Wolf－Gladrow，Richard E，et al.Total alkalinity [J].Marine Chemistry，2007，106：287－300.

[16]Boyd Gradmann.Electrophysiology of the marine diatomCoscinodiscuswailesii.III.Uptake of nitrate and ammonium [J].J Exp Bot，1999，50（333）：461－467.

[17]Brewer P G，Goldman J C.Alkalinity changes generated by phytoplankton growth [J].Limnol Oceanogr，1976，21（1）：108－117.

[18]Schlesinger W H. Biogeochemistry： An Analysis of Global Change[M].San Diego：Academic Press，1997：588.

[19]Crist R H，Martin J R，Guptill P W，et al.Interaction of metals and protons with algae 2Ion exchange in adsorption and metal displacement by protons.Environ[J].Sci Technol，1990，24：337－342.

[20]Gonzalez－Davila M.The role of phytoplankton cells on the control of heavy metal concentration in sea－water[J].Marine Chemistry，1995，48：215－236.