李 倩, 張珊珊, 線薇微, 2

春季長(zhǎng)江口顆粒有機(jī)碳年際分布變化及其影響因素分析

李 倩1, 3, 張珊珊1, 線薇微1, 2

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

根據(jù)2013—2016年春季(5月)長(zhǎng)江口及其鄰近海域4個(gè)航次環(huán)境綜合調(diào)查數(shù)據(jù), 探討春季長(zhǎng)江口水體顆粒有機(jī)碳(POC)時(shí)空分布特征及其環(huán)境影響因素。結(jié)果顯示: 2013—2016年春季長(zhǎng)江口POC濃度范圍為0.22~16.99 mg/L, 均值為1.80 mg/L, 總水域POC年際間變化顯著, 底層濃度高于表層。從口門(mén)區(qū)、近岸區(qū)和近海區(qū)三個(gè)子水域來(lái)看, 除近岸底層POC濃度處于高值, 年際差異不顯著之外, 其余水域的表、底層均存在空間變異和年際差異。POC濃度在口門(mén)附近偏南部水域達(dá)到高值, 后沿長(zhǎng)江沖淡水(CDW)方向降低, 低值區(qū)位于近海底層, 但表層POC在近海水域123°E附近出現(xiàn)次高值。POC濃度與鹽度之間具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 且相關(guān)性逐年遞減; POC濃度與總懸浮物濃度(TSM)呈顯著正相關(guān), 底層相關(guān)性高于表層; 近海區(qū)表層POC與葉綠素正相關(guān)關(guān)系極顯著, 二者高值區(qū)均分布在123°E附近。入海徑流量與長(zhǎng)江口春季POC濃度呈現(xiàn)出截然相反的年際變化趨勢(shì), 徑流對(duì)有機(jī)碳的稀釋作用高于其輸入作用。長(zhǎng)江口春季 POC主要以碎屑源為主, 其分布與有機(jī)碳源、海水的稀釋作用、懸浮物運(yùn)動(dòng)等多種因素有關(guān), 高濁水體中懸浮物影響顯著, 陸源有機(jī)碳對(duì)POC的影響在長(zhǎng)江口近海水域有所弱化, 而浮游植物對(duì)POC的貢獻(xiàn)凸顯。

長(zhǎng)江口; 顆粒有機(jī)碳(POC); 時(shí)空分布; 影響因素; 春季

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái), 人類社會(huì)快速發(fā)展與地球環(huán)境不斷惡化之間的矛盾日益突出, 關(guān)于全球變化的研究已經(jīng)成為全世界科學(xué)家的焦點(diǎn), 其中碳的生物地球化學(xué)循環(huán)至關(guān)重要[1]。海洋是地球上最大的碳庫(kù), 全球各大河流每年經(jīng)由河口向近海水域輸送的有機(jī)碳總量為0.38 Gt, 顆粒有機(jī)碳(POC)和溶解有機(jī)碳(DOC)分別約占45%和55%[2]。河口是有機(jī)碳遷移、埋藏和再礦化的主要通道和場(chǎng)所, 具有較高的有機(jī)碳沉積速率及高碳匯效應(yīng)潛力, 在全球碳的生物地球化學(xué)循環(huán)中有著重要作用, 已引起學(xué)者的廣泛研究[3]。國(guó)外在有機(jī)碳的研究上有著長(zhǎng)時(shí)間和大尺度的研究經(jīng)驗(yàn), 對(duì)密西西比河、墨西哥灣、塞納河[4]等大河河口和海灣的研究十分成熟, 國(guó)內(nèi)在許多大中河口體系[5-6]及陸架邊緣海[7]都開(kāi)展了系統(tǒng)多面的研究, 內(nèi)容包括有機(jī)碳通量、來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化、時(shí)空分布特征及其影響因素等方面。

長(zhǎng)江口作為環(huán)太平洋第一大河的入海口, 是一個(gè)典型的高濁河口, 徑潮流交匯導(dǎo)致泥沙懸浮與沉積, 鹽淡水交鋒發(fā)生物質(zhì)與能量交換, POC的遷移過(guò)程受到潮汐、季風(fēng)、上升流、浮游植物生長(zhǎng)等各種物理化學(xué)生物作用影響, 加之長(zhǎng)江流域及長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快, 人類活動(dòng)(如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水土保持和水利建設(shè))的增強(qiáng)使得河流流域、潮感濕地和近海水域的水文、生物、物化條件等產(chǎn)生諸多變化, 進(jìn)而對(duì)水體攜帶的物質(zhì)也產(chǎn)生了必然影響, 河口及近海的生態(tài)環(huán)境面臨許多挑戰(zhàn), 探究水體中POC在長(zhǎng)江河口的遷移轉(zhuǎn)化、時(shí)空分布及影響因素是理解全球碳循環(huán)過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[8]。

過(guò)去的四十年來(lái), 特別是在三峽工程建成之后, 長(zhǎng)江口及其毗鄰海域水體及沉積物[9]中的POC狀況受到國(guó)內(nèi)外眾多專家的關(guān)注和研究。蔡德陵[10]最早用1981年的碳同位素?cái)?shù)據(jù)研究長(zhǎng)江口和東海中POC的來(lái)源和運(yùn)移, 指出枯水期和洪水期優(yōu)勢(shì)碳源的區(qū)別; 吳瑩等[11]基于長(zhǎng)江口徐六涇站的觀測(cè)結(jié)果探討了POC的季節(jié)輸送規(guī)律及三峽截流前后其入海通量的變化, 后又用木質(zhì)素[12]、氨基酸[13]等標(biāo)志物來(lái)反映POC在長(zhǎng)江口及其鄰近海域的季節(jié)變化; 高磊等[14]在長(zhǎng)江和鄰近東海陸架的兩個(gè)航次調(diào)查表明POC的分布和變化主要受與懸浮顆粒物有關(guān)的過(guò)程控制。諸多研究涉及日變化、月變化和季度變化的觀察分析, 但進(jìn)行連續(xù)多年平行調(diào)查的研究較少。本文依據(jù)2013—2016年連續(xù)四年間長(zhǎng)江口春季有機(jī)碳的調(diào)查資料, 探討近些年長(zhǎng)江口表、底層水體中POC的時(shí)空分布和環(huán)境影響因素以及年際間入海徑流量和河口POC的變化關(guān)系, 這一過(guò)程的研究為深入認(rèn)識(shí)長(zhǎng)江口及鄰近東海陸架POC的遷移分布規(guī)律及其環(huán)境演變指示等方面提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查站位設(shè)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)春季對(duì)長(zhǎng)江口及其鄰近海域(30°45′N—32°N, 121°E—123°20′E)完成4個(gè)航次綜合調(diào)查。自南向北共設(shè)置6個(gè)斷面, 涵蓋40個(gè)站位, 在實(shí)際采樣過(guò)程中會(huì)根據(jù)海況限制對(duì)站位進(jìn)行合理增刪。由于不同水域間的水文動(dòng)力學(xué)條件、地形地貌及環(huán)境要素明顯不同, 本文依據(jù)鹽度(S)和總懸浮物(TSM)濃度的分布特征將調(diào)查海域分成口門(mén)區(qū)、近岸區(qū)及近海區(qū)3個(gè)子水域(見(jiàn)圖1), 其中陰影處為最大渾濁帶(TMZ)范圍[15], 主要分布于近岸區(qū)。

1.2 采樣與測(cè)定方法

根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB12763-2007)完成各站位水樣采集, 現(xiàn)場(chǎng)使用Niskin采水器采取表、底層水樣, 并用Sea-Bird-25 CTD同步測(cè)定溫、鹽、深三項(xiàng)指標(biāo)。采集上來(lái)的海水立即用0.7 μm孔徑的Whatman GF/F玻璃纖維膜(在馬弗爐中450 ℃預(yù)灼燒6 h后稱重)進(jìn)行負(fù)壓抽濾, 過(guò)濾體積視水體渾濁程度而定。所得濾膜對(duì)折后用錫紙包裹, 編號(hào)置于–20 ℃冰箱冷凍保存, 用于測(cè)定POC、TSM及葉綠素(Chl-)。

將濾膜樣品取出冷凍干燥24 h之后置于干燥器中, 待恒重后稱重, 用重量差值法測(cè)定所過(guò)濾TSM的質(zhì)量, 并除以過(guò)濾體積計(jì)算TSM濃度; 稱重后的膜樣放置在蒸發(fā)皿上, 在密閉的干燥器中用濃鹽酸熏蒸24 h以去除樣品中的無(wú)機(jī)碳, 再將酸化后的膜樣于60 ℃的烘箱中低溫烘干24 h, 最后用德國(guó)Elemental Analyzer Vario EL cube型元素分析儀測(cè)定樣品中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(POC%), 用TSM濃度乘以POC%計(jì)算POC濃度; Chl-樣品的測(cè)定采用丙酮萃取熒光法, 經(jīng)90%丙酮萃取后取上清液用Turner-Designs-Model 10熒光光度計(jì)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本文使用IBM SPSS 21.0軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的方差分析、非參數(shù)檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性分析(雙尾檢驗(yàn)), RStudio進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn), 用Origin 9.4軟件繪制箱線圖、折線圖和參數(shù)間的回歸分析圖, 并使用 Surfer 16.3軟件作平面分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 POC時(shí)空分布

2013—2016年數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示(表1), 在調(diào)查年份春季長(zhǎng)江口水域POC的質(zhì)量濃度變化范圍為0.22~16.99 mg/L, 均值為1.80 mg/L, 低于 2007、2009、2011和2012年秋季同調(diào)查水域調(diào)查結(jié)果[16](2.30 mg/L)。其中, 表層POC的濃度范圍為0.29~8.22 mg/L, 均值為1.60 mg/L, 底層濃度范圍為0.22~16.99 mg/L, 變化范圍較大, 均值為2.03 mg/L?？偹虮怼⒌讓幽觌H間波動(dòng)顯著, 表層水體POC由2013年顯著升高至2014年達(dá)到最高值, 至2015年稍有下降, 之后顯著下降到2016年并達(dá)到最低水平; 底層年際變化趨勢(shì)同表層相似。

表1 2013—2016年春季長(zhǎng)江口不同區(qū)域POC濃度/(mg/L)

注: S.D.代表標(biāo)準(zhǔn)偏差, 同一行中不同的上標(biāo)字母表示年際間差異顯著(<0.05)

垂直分布上, 底層水體的POC平均濃度高于表層, 這一特征在口門(mén)區(qū)和近岸區(qū)十分明顯, 但在近海區(qū)出現(xiàn)底層低于表層的現(xiàn)象(2013、2016年), 與金海燕2001年春季的調(diào)查結(jié)果相一致[7], 且口門(mén)區(qū)和近岸區(qū)的POC值明顯高于近海區(qū), 說(shuō)明水域之間存在空間分布差異。各水域還存有顯著的年際變異, 但近岸區(qū)的底層POC濃度多年處于高值, 年際變化并不劇烈, 根據(jù)楊海飛[17]的研究推測(cè)此特征與水體懸沙濃度受水動(dòng)力主導(dǎo)有關(guān), 口門(mén)尤其是TMZ區(qū)底部水動(dòng)力條件復(fù)雜, 潮流動(dòng)力對(duì)底層泥沙具有剪切作用, 下層水體及沉積物反復(fù)沉降—再懸浮, 造成POC濃度常年保持較高水平。

結(jié)合平面分布(圖2), 多年來(lái)表層POC濃度在口門(mén)區(qū)外南部TMZ或洋山港附近增至最高值, 而后沿長(zhǎng)江沖淡水(CDW)擴(kuò)展方向(春、夏兩季在122°10′~ 122°30′E之間轉(zhuǎn)向東北)逐漸減小, 但于調(diào)查水域的東北方向又有小幅回升, 在123°E附近的近海水域再次出現(xiàn)次高值, 甚至2016年出現(xiàn)多個(gè)次高值區(qū)(圖2e)。底層POC濃度在口門(mén)外呈舌狀分布, 隨離岸距離增大、海水入侵而減小, 表、底層的濃度差距也隨之減小, 但2014年在東北部出現(xiàn)次高峰(圖2b)。

2.2 POC時(shí)空分布影響因素

長(zhǎng)江口水動(dòng)力條件多元化, 物理化學(xué)環(huán)境復(fù)雜多變, 不同水域之間的多種環(huán)境因子變化梯度大, 以及春季伴隨著人類活動(dòng)影響和浮游動(dòng)植物的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)等, 諸多因素將在POC由河流至河口遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程中直接或間接地影響其濃度與分布。本文根據(jù)2013~2016年春季長(zhǎng)江口水域的綜合調(diào)查數(shù)據(jù), 對(duì)表層和底層POC濃度與S、TSM以及Chl-等環(huán)境指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析, 分別探討各水域不同物理化學(xué)條件和初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)春季POC分布的影響以及河流輸送顆粒態(tài)有機(jī)碳及近海初級(jí)生產(chǎn)的變化情況。

2.2.1 POC與TSM的關(guān)系

水體中的POC一般分為陸源輸入和海源自生, 存在形式既包括懸浮的有機(jī)顆粒和碎屑, 又有通過(guò)吸附在泥沙或生物質(zhì)等顆粒上輸送的有機(jī)部分, 懸浮物是其直接組成和攜帶者, 從徑流到近海懸浮/沉積等動(dòng)力過(guò)程不斷進(jìn)行, POC必然隨TSM濃度發(fā)生改變。表2顯示底層TSM普遍高于表層的濃度, 且底層變化范圍更大, 與POC調(diào)查結(jié)果相似。歷年來(lái)長(zhǎng)江口表、層水域POC與TSM之間均存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(表3), 其中底層水域的相關(guān)性逐年遞增, TSM對(duì)底層POC的影響逐漸增強(qiáng), 但表層在2016年降至最低, 推測(cè)與2016年大量的浮游植物活動(dòng)相關(guān)。圖3可見(jiàn), 底層POC與TSM濃度的正相關(guān)程度高于表層。由于表層POC中活體成分相對(duì)較多, 其濃度分布不僅與吸附/解吸相關(guān), 也與生物活動(dòng)及其限制條件有關(guān), 底層受潮汐動(dòng)力、水團(tuán)混合等影響懸浮和沉積活動(dòng)格外活躍, 高濃度TSM對(duì)POC的影響更直接顯著, 與POC的相關(guān)性更強(qiáng), 輔證了長(zhǎng)江口POC受懸浮顆粒物動(dòng)力學(xué)控制的結(jié)論[14]。

由獲得的回歸方程可知(圖3), 春季長(zhǎng)江口高濁度水域的表、底層POC%可分別視為常數(shù)0.9%和1%, 與2012年[18]春季的計(jì)算結(jié)果(0.9%)相近, 均高于冬季(0.4%)。圖4通過(guò)非線性擬合得到春季長(zhǎng)江口表層POC%與TSM的回歸方程, 同宋曉紅[19]等人的數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。擬合曲線符合邏輯斯蒂增長(zhǎng)模型, 根據(jù)斜率變化將其以TSM=22 mg/L為界分為對(duì)數(shù)期(TSM< 22 mg/L)和穩(wěn)定期(TSM>22 mg/L)。對(duì)數(shù)期POC%隨TSM增大呈指數(shù)型減小, 說(shuō)明在低濁度水域POC和TSM并不具有相關(guān)性(2=0.0049), TSM在較窄的變化范圍內(nèi), 其有機(jī)和無(wú)機(jī)組分所占比例的跨度極大, 影響因素更為復(fù)雜, 今后還需要進(jìn)一步做多元探討。如粒徑大小和生物活動(dòng)作用, 由于懸浮物主要由無(wú)機(jī)泥沙礦物和有機(jī)顆粒(碎屑及生物部分)等成分組成, 在輸運(yùn)過(guò)程中, TSM濃度和粒徑變化對(duì)POC的相對(duì)含量也會(huì)產(chǎn)生影響[20]。水體中有機(jī)碳的聚集很大程度上受礦物顆粒吸附作用控制, 特別是比表面積大、具有負(fù)電荷的細(xì)粒級(jí)粘土礦物[21], 經(jīng)過(guò)TMZ的“過(guò)濾器”[22]作用之后, 泥沙沉降, TSM 濃度及粒徑在近海附近的水域迅速減小, 水體透光度增加, 組分以浮游生物為主; 穩(wěn)定期TSM 濃度較高, POC%降至穩(wěn)定水平, 代表站點(diǎn)位于口門(mén)區(qū)、南部洋山港附近及TMZ范圍內(nèi), 其中POC%在TMZ的平均值為2.56%, 與Uncles[23]等人對(duì)潮汐河口TMZ的POC%計(jì)算結(jié)果(2%)相近, 他認(rèn)為造成TMZ區(qū)域如此低值的原因是懸浮物上的異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)POC的呼吸消耗。除此之外, 在攔門(mén)沙附近的TSM濃度高值區(qū), 懸浮顆粒物粒徑大, 水體濁度高, 浮游植物生產(chǎn)力貢獻(xiàn)低, 加之大量的粗顆粒泥沙吸附POC能力有限, POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)被無(wú)機(jī)礦物顆粒所稀釋而平穩(wěn)處于低值。

圖2 2013—2016年春季長(zhǎng)江口 POC 濃度/(mg/L)平面分布(S: 表層, B: 底層)

表2 2013—2016年春季長(zhǎng)江口S及TSM濃度/(mg/L)

注: S.D.代表標(biāo)準(zhǔn)偏差; /代表數(shù)據(jù)缺失

表3 2013—2016年春季長(zhǎng)江口POC與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

注: *代表有顯著相關(guān)性,<0.05(雙尾); **代表有極顯著相關(guān)性,<0.01(雙尾); /代表數(shù)據(jù)缺失

圖3 春季長(zhǎng)江口POC與TSM的變化關(guān)系(a: 表層, b: 底層)

圖4 春季長(zhǎng)江口表層POC%與TSM的變化關(guān)系

2.2.2 POC與鹽度的關(guān)系

河口區(qū)鹽淡水交鋒, 泥沙進(jìn)入鹽水, 顆粒間會(huì)因表面的電化學(xué)作用而相互吸引絮凝成團(tuán), 同時(shí)鹽度的增加亦將伴隨著大量海水對(duì)陸源POC的稀釋作用, 因此鹽度梯度的劇烈變化對(duì)POC分布影響極大。表2顯示調(diào)查水域的鹽度在0.13~34.39之間變化, 表層鹽度逐年遞減, 而底層鹽度逐年遞增, 受CDW影響明顯可見(jiàn)底層高于表層。由表3的相關(guān)性分析可知, 2013—2016年春季長(zhǎng)江口表層POC與S均呈極顯著的負(fù)相關(guān)性, 底層POC與S亦具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 同張珊珊[24]的計(jì)算結(jié)果一致。

結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性逐年減小, 2014年表層相關(guān)性最高(圖5a), 與TSM的年際影響變化相反(表3), 隨著河口TSM影響的逐年增強(qiáng), 鹽度對(duì)POC的作用相對(duì)減弱。觀察到不同水域的鹽度梯度較大, POC的離散程度高, 數(shù)據(jù)點(diǎn)分散, 因此分鹽度區(qū)間探討其影響, 圖5(g)、(h)綜合多年表、底層數(shù)據(jù)表明, 在水體由低鹽度向高鹽度海水過(guò)渡的過(guò)程中: 當(dāng)表層S<7, 底層S<10時(shí), POC濃度隨S的增加緩慢上升; 表層79, 底層S>15時(shí), POC濃度隨S下降而迅速降低, 此時(shí)海水的稀釋作用高于輸入作用[25], 尤以底層格外顯著, 應(yīng)是受高鹽海水從底層楔入的影響, CDW的擴(kuò)展勢(shì)力沿垂直方向減弱。POC隨鹽度的變化表明, 河口POC濃度不會(huì)完全隨著鹽度的增加而降低, 鹽淡水混合過(guò)程中海水的稀釋作用并不會(huì)一直處于主導(dǎo)地位, 水動(dòng)力和碳源的變化疊加生物作用對(duì)不同碳的形態(tài)、轉(zhuǎn)化和分配有很大影響。

2.2.3 POC與浮游植物的關(guān)系

長(zhǎng)江淡水源源不斷地輸入為河口及毗鄰海域提供了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 使長(zhǎng)江口地區(qū)擁有著豐富的生物資源, 河口生態(tài)系統(tǒng)成為生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一, 金海燕[7]的研究表明上層的POC除了陸源有機(jī)碳, 生物活動(dòng)是其主要來(lái)源。調(diào)查海區(qū)表層平均水溫在春季回升至17.0℃, 層化明顯有利于浮游植物生長(zhǎng), 對(duì)POC的影響不容忽視。Chl-可以作為表征浮游植物現(xiàn)存量的指標(biāo)以及影響初級(jí)生產(chǎn)的重要因子, 表3顯示總水域表底層POC與Chl-的相關(guān)系數(shù)均沒(méi)有達(dá)到顯著性水平(<0.05), 但現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)受水體溫度、濁度和營(yíng)養(yǎng)鹽限制, 具有水域及水層差異, 由于口門(mén)內(nèi)及底層水域透光性差對(duì)光合作用的弱化, 本研究分別對(duì)近岸區(qū)、近海區(qū)兩個(gè)子水域表層POC與Chl-的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果表明二者在近岸區(qū)呈現(xiàn)微弱負(fù)相關(guān)(=–0.045,<0.709), 而在近海水域存有極顯著正相關(guān)關(guān)系(=0.472,<0.000 1)。結(jié)合調(diào)查海區(qū)的葉綠素等值線分布(圖6)可以看出, 春季表層葉綠素在口門(mén)附近處于低值, 最低值為0.07 μg/L, 這是由于在CDW攜帶的懸沙影響下, 入海口水體濁若黃湯, 湍流和高渾濁度限制了光合作用, 初級(jí)生產(chǎn)受到抑制; 在123°E附近存在1~2個(gè)明顯的封閉高值區(qū), 與表層POC位于近海的高值區(qū)吻合, 相對(duì)應(yīng)的, 低值區(qū)位于TMZ處, 毗連外海水域懸浮物濃度低, 透明度漸次增高, 加之春季富含營(yíng)養(yǎng)鹽的沖淡水外擴(kuò)[26], 浮游植物的生長(zhǎng)繁殖得以促進(jìn)。

本文采用POC/Chl-比值來(lái)量化浮游植物對(duì)總顆粒有機(jī)碳的貢獻(xiàn), 當(dāng)比值在20~200時(shí)表明有機(jī)碳主要由浮游植物貢獻(xiàn); POC/Chl->200時(shí)則表明有機(jī)碎屑為POC主要來(lái)源[27-28]。本研究中表層POC/Chl-值在68~25 694之間, 均值為2 771, 說(shuō)明春季長(zhǎng)江口表層顆粒碳的主要來(lái)源和存在形式為有機(jī)碎屑。由圖7可見(jiàn), 多年P(guān)OC/Chl-均與TSM呈極顯著正相關(guān), 即高濁度水域POC普遍以有機(jī)碎屑形式存在, 低濁度水域則更傾向于浮游植物貢獻(xiàn), 相比其他年份這一現(xiàn)象在2016年格外顯著, 應(yīng)是由于該年度TSM濃度低, 浮游植物量較高。以上表明, 春季長(zhǎng)江口POC主要以碎屑源為主, 但陸源有機(jī)碳對(duì)POC的影響在經(jīng)過(guò)近岸水域之后有所弱化, 浮游植物對(duì)POC的貢獻(xiàn)在長(zhǎng)江口近海水域凸顯。生物源除浮游植物貢獻(xiàn)外, 還有細(xì)菌碳和浮游動(dòng)物碳[29], 很難定量區(qū)分[30], 仍需要深入研究。

圖5 春季長(zhǎng)江口POC與S的變化關(guān)系(a, c, e, g: 表層; b, d, f, h: 底層)

圖6 2013—2016年春季長(zhǎng)江口表層Chl-a 濃度/(mg/L)平面分布

圖7 春季長(zhǎng)江口表層POC/Chl-a與TSM的關(guān)系

2.3 入海徑流量與POC的關(guān)系

以徑流和輸沙為遷移載體, 長(zhǎng)江口陸源有機(jī)碳的濃度變化必然會(huì)受到上游輸水輸沙影響。CDW在河口的影響范圍主要在水體表層, 本研究將口門(mén)內(nèi)吳淞口以上站位(35, 36, 37)測(cè)得的表層POC作為入海POC濃度, 并考慮到水流的滯留時(shí)間, 選取4月份長(zhǎng)江大通水文站徑流量為對(duì)照參數(shù), 從其年際變化規(guī)律中探查春季長(zhǎng)江口水域 POC與長(zhǎng)江徑流輸入的關(guān)系。結(jié)果如圖8, 入?？趶搅髁考癙OC含量隨年份呈現(xiàn)波動(dòng)狀變化, 對(duì)其進(jìn)行Mann—Kendall檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種年際變化并不存在顯著的上升或下降趨勢(shì), 此外, 觀察到2014年春季(枯水)和2016年春季(豐水)分別對(duì)應(yīng)入海POC量的最高值和最低值, 春季長(zhǎng)江口入海徑流量與POC濃度呈現(xiàn)出截然相反的年際變化趨勢(shì), 即入海徑流量高的年份其對(duì)應(yīng)的POC濃度則越低, 同張昀哲[31]對(duì)2009~2018年長(zhǎng)江口營(yíng)養(yǎng)鹽與徑流量的年際變化分析一致, 但邢建偉[16]對(duì)相同水域洪水季(7—10月)的調(diào)查結(jié)果表明長(zhǎng)江口表層 POC 濃度與其來(lái)水來(lái)沙量年際間變化趨勢(shì)基本一致, 這說(shuō)明春季與秋季的徑流作用不同。

圖8 2013—2016年春季長(zhǎng)江口入海徑流量與表層POC的年際變化

吳瑩等[32]曾指出在世界大多數(shù)河流中, POC由C3植物和相關(guān)的土壤有機(jī)質(zhì)組成。相比汛期豐水, 春季降水量少而沿江抽引水量高[33], 為引江沖淤及農(nóng)業(yè)用水的高峰期, 河水流量小且流速較慢, 停留時(shí)間長(zhǎng), 對(duì)土壤的沖刷力較小, 加之流域范圍內(nèi)生產(chǎn)力低、植物量少, 繼而導(dǎo)致了春季和洪季在來(lái)水量、有機(jī)物沖刷量等方面存在差異, 徑流對(duì)有機(jī)碳的稀釋作用明顯高于其輸入作用。

3 結(jié)論

(1) 2013—2016年春季長(zhǎng)江口 POC 濃度范圍為0.22~16.99 mg/L, 均值為1.80 mg/L, 整體年際變化顯著, 底層濃度高于表層; 各水域間存在空間變異及年際差異, 但近岸區(qū)底層POC濃度多年處于高值, 年際變化不顯著; POC濃度在口門(mén)附近偏南部水域達(dá)到高值, 后沿CDW方向降低, 低值區(qū)位于近海底層, 但表層POC在近海水域123°E附近出現(xiàn)次高值。

(2) POC濃度與鹽度之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系, 二者相關(guān)性逐年遞減, 近岸沉積物再懸浮是該水域重要碳源, 近海水域海水稀釋作用高于陸源輸入作用; TSM與POC呈顯著正相關(guān), 高濁和低濁水體的相關(guān)性不同, 影響因素也不同, 懸浮物的濃度及粒徑變化極大地影響了長(zhǎng)江口及東海陸架懸浮物中POC的濃度和在TSM中的比例, 此外生物作用在最大渾濁帶對(duì)其也有很大影響; 近海水域表層POC與Chl有極顯著正相關(guān)關(guān)系, 且表層葉綠素在123°E附近的高值區(qū)與POC位于近海的次高值區(qū)吻合。春季長(zhǎng)江口POC主要以碎屑源為主, 但陸源有機(jī)碳對(duì)POC的影響在長(zhǎng)江口近海水域有所弱化, 浮游植物對(duì)POC的貢獻(xiàn)凸顯。

(3)春季長(zhǎng)江口入海徑流量與POC濃度呈現(xiàn)出截然相反的年際變化趨勢(shì), 徑流對(duì)有機(jī)碳的稀釋作用高于其輸入作用, 其變化關(guān)系與秋季不同。

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Interannual distribution of particulate organic carbon and its influencing factors in the Yangtze River Estuary in spring

LI Qian1, 3, ZHANG Shan-shan1, XIAN Wei-wei1, 2

(1. The Key Laboratory of Marine Ecology and Environment Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 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)

Based on a comprehensive surveyof surface and bottom water samples from four spring voyages from 2013 to 2016, in this paper, we discuss the temporal and spatial distribution characteristics of particulate organic carbon (POC) in the Yangtze River Estuary and its adjacent waters and analyze its environmental impact factors. The results show that from 2013 to 2016 in spring, the POC concentration in the Yangtze River Estuary ranged from 0.22 to 16.99 mg/L, with an average of 1.80 mg/L, and it had a significant overall annual variation and a higher bottom layer concentration than surface layer concentration. Spatial variability and interannual differences were observed between different waters (entrance area, nearshore area, and offshore area) except for the bottom layer of the nearshore area with a high POC concentration. The POC concentration was high in the southern waters near the entrance area, and then decreased in the direction of the Changjiang Diluted Water (CDW), with the second highest surface POC concentration in the offshore waters near 123°E. POC and salinity were found to be negatively correlated and decreased each year. There is a significant positive correlation between POC and total suspended matter (TSM), which is higher in the bottom layer than in the surface layer. In addition, there is a highly significant positive correlation between surface POC and chlorophyllin offshore areas, with their high-value areas coinciding around 123°E. In contrast to autumn, the interannual variation between the runoff and POC concentration into the Yangtze River Estuary presents a diametrically opposite trend, which indicates that the dilution effect of runoff on organic carbon is higher than the effect of its input. The POC of the Yangtze River estuary in spring was determined to be derived from detrital sources, with its distribution in spring mainly affected by factors such as the organic carbon sources, seawater dilution, and movement of suspended matter. Highly concentrated suspended matter has a particularly significant influence on the POC concentration. As the impact of terrestrial input on POC was found to gradually weaken from the mouth of the estuary to the adjacent waters, the contribution of phytoplankton became prominent in the offshore area.

Yangtze River Estuary; particulate organic carbon (POC); interannual distribution; influencing factors; spring

Jun. 12, 2020

P734

A

1000-3096(2021)01-0032-12

10.11759/hykx20200612001

2020-06-12;

2020-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31872568)

[National Nature Science Foundation of China, No. 31872568]

李倩(1996-), 女, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海洋環(huán)境化學(xué)研究, 電話: 15588641637, E-mail: adorableharper@163.com; 線薇微(1969-), 女,通信作者, 研究員, E-mail: wwxian@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)