胶州湾秋季表层海水CO分布及水2气界面通量3p2

刘启珍,张龙军,薛 明

(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

胶州湾秋季表层海水CO分布及水2气界面通量3
p2

刘启珍,张龙军33,薛 明

(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)

根据2007年11月31日在胶州湾走航连续观测所得pCO2数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料,对胶州湾海域pCO2分布及其影响因素进行了探讨。结果表明:秋季胶州湾表层海水pCO2实测值在315～720μatm之间,平均值为423μatm。东部海域由于有机物降解及李村河水输入的影响表现为大气CO2的源;西部海域由于浮游植物活动的影响为大气CO2的弱汇区;湾中部水交换较好的海域,浮游植物活动和有机物降解共同影响着pCO2的分布。总体来说,秋季胶州湾表现为大气CO2的弱源,海2气界面CO2交换速率在-5.94～23.15 mmol·m-2·d-1之间,平均值为2.87 mmol·m-2·d-1,由此可估算出秋季胶州湾可向大气释放940.74 tC。

胶州湾;pCO2;有机物降解;浮游植物活动

陆架边缘海面积仅占全球海洋总面积的7%,但其初级生产力却占全球海洋总初级生产力的15%～30%[122],同时由于有机物矿化、上升流、河流输入等过程的影响,使得陆架边缘海在全球碳循环中起着非常重要的作用。近年来,陆架边缘海CO2源/汇问题受到越来越多的关注并成为人们研究的热点。Schiette2 catte等[3]认为虽然北海南部湾全年尺度上是大气CO2的汇,但从8～12月是大气CO2的源,从2～6月是大气CO2的汇。Jiang&Cai[4]认为南大西洋海湾全年尺度上是大气CO2的净汇,但夏季表现为大气CO2的源,冬季表现为大气CO2的汇,pCO2的季节变化主要受控于表层海水的温度变化。Zhang等[5]认为南黄海中国大陆一侧的沿岸区域由于垂直混合、上升流及陆岸的影响,自冬季到夏季始终是大气CO2的源,而中部海域则由冬季大气CO2的源转变为春季大气CO2的汇,夏季大气CO2的汇只出现在长江冲淡水区。由此看来,就某一海区而言往往是CO2源/汇并存,或在某个季节是源而另1个季节则是汇。

胶州湾(35°57′N～36°18′N,120°04′E～120°23′E)位于山东半岛南岸,是1个典型的半封闭型浅海湾,东西北三面被青岛市环绕,只有南部与黄海保持着一定强度的水交换。由于城市化的影响,注入胶州湾的大部分河流已基本成为排污通道,每年有75%的城市污水通过这些河流注入胶州湾,主要污染物有N,P, COD和油类物质[6]。另外,胶州湾的海水养殖业也已经成为水体污染的主要来源之一[7]。针对城市化影响和人为污染较为严重的胶州湾,开展水2气界面CO2通量研究,不仅对于认识人为环境污染对局部海区CO2源/汇格局的影响非常重要,而且对于认识沿海城市周边海域能否发挥类似于内陆城市周边绿地、森林大量吸收CO2的作用,减少经济发达城市大气中的CO2浓度,减轻因削减排放而对经济增长造成的压力,也是非常重要的。

关于胶州湾碳酸盐体系的研究,早期的有:刘辉等[8]用库仑滴定法测定胶州湾的溶解无机碳(DIC),讨论了1995—1996年胶州湾水体中的二氧化碳体系;沈志良等[9]通过p H和碱度计算了1997年胶州湾各季节海水中二氧化碳体系各组分的分量。上述研究对湾内DIC、碱度的分布原因进行了细致的分析,但由于pCO2参数是通过化学平衡计算的方法得到,因此对其源/汇分布原因没有详细讨论。Li等[10]研究了2003年6月和7月胶州湾表层海水DIC的分布特征,指出DIC的分布主要取决于湾内水文条件、生物活动、陆源输入等;并利用p H和DIC 2个参数,采用化学平衡计算的方法计算了胶州湾2003—2004年各季节的表层海水pCO2[11],估算了海2气界面CO2通量,并认为温度是控制胶州湾CO2系统和碳源/汇过程的主要因素。上述研究对进一步认识胶州湾海2气界面CO2通量及其机制奠定了一定的基础,但作者也注意到胶州湾至今未见实测pCO2的报道,浮游生物活动、人为污染对海2气界面CO2通量影响研究也很少见。本文依据2007年11月31日对胶州湾的大面积调查和现场走航实测的pCO2数据,给出了秋季pCO2的分布特征、变化规律和秋季CO2通量,讨论了有机物降解和浮游植物活动等因素对胶州湾pCO2分布格局的影响。

1 站位布设及采样分析方法

调查区域及站位布设如图1所示(共设有23个站位)。航次历时7 h,自2007年11月31日9:30～16: 30。采样过程中天气晴朗,气温为2～8℃,海况良好(1级)。表层海水二氧化碳分压(pCO2)、温度(T)和盐度(S)由走航式综合观测设备连续获得,其中pCO2是将表层海水经连续流动式水2气平衡器平衡除湿后经Li2Cor 7000非色散红外分析仪测定,量程为0～3 000μatm,精确度为1%;T和S由SBE 45 Micro TSG(Sea2Bird Inc.,Bellevue,WA,USA)走航获得。溶解氧(DO)用温克勒法测定平行双样;p H采用p HS22型酸度计现场测定平行双样,精确度为± 0.01;Chla采用荧光分光光度计(F3010,Hitachi Co., Tokyo,Japan)测定;碱度(Alk)采用Gran作图2酸直接滴定法由AS2AL K2碱度滴定仪(Apollo SciTech)测定,准确度为0.1%;溶解无机碳(DIC)和溶解有机碳(DOC)采用非色散红外吸收(NDIR)法用总有机碳分析仪(岛津TOC2VCPN,Japan)测定,精密度为±2μmmol kg-1。

图1 调查区域站位图Fig.1 Location of survey stations in Jiaozhou Bay

2 结果

2.1 水文数据及pCO2分布

图2,3分别是秋季胶州湾表层海水温、盐分布图,温度和盐度分布范围分别是8.11～13.03℃和28.00～30.49。从图4可以看出,温盐关系较为复杂,只呈现出微弱的正相关关系。近岸区受陆地降温和河流输入的影响呈现出低温低盐的特点,同时在李村河水影响的区域出现一低盐水舌,由于东部近岸人口密集工业发达,排污口较多,城市化影响严重,而西部近岸以农田、盐田为主,城市化影响较小,因此东部近岸海域(图4中黑色圆圈点)温度要较西部近岸海域(图4中红色正方形点)偏高;其他海域(图4中蓝色三角形点)受陆源影响较小且与南黄海水交换作用明显,呈现出高温高盐的特点,温盐等值线向内发生弯曲,自东南向西北呈舌状分布。

图2 表层海水温度分布(℃)Fig.2 Spatial distribution of sea surface temperature

图3 表层海水盐度分布Fig.3 Spatial distribution of sea surface salinity

图5 是表层海水pCO2分布,由图可见pCO2自李村河口向西南方向呈现出递减趋势,测得值在315～720μatm之间,平均值为423μatm。根据NOAA监测数据,2007年秋季全球大气CO2平均浓度为383 μatm[12],胶州湾秋季东部近岸及中间大部分海域pCO2相对较高,表现为大气CO2的源,最高值位于李村河口,西部近岸海域pCO2较低,为大气CO2的弱汇区。

图4 秋季表层海水温度和盐度关系Fig.4 Relationship between temperature and salinity

图5 表层海水pCO2分布/μatmFig.5 Spatial distribution of sea surfacepCO2

图6 表层海水叶绿素a分布/μg·L-1Fig.6 Spatial distribution of sea surface Chla

2.2 Chla,DIC及DOC分布

图6为表层海水Chla分布图,Chla含量在0.16～2.20μg·L-1之间,平均值为1.07μg·L-1。秋季陆地径流及水产养殖等带来的营养物质促进了近岸区浮游植物的光合作用,使得东北部和西部近岸海域Chla值偏高,中间海域Chla含量在1.2μg·L-1左右,变化不大,湾口海域受黄海水交换的影响,浮游植物活动较弱,Chla含量较低。

DIC会受河流输入、生物活动等过程的影响而发生变化。秋季胶州湾表层海水DIC随着盐度的降低而升高(见图7),高值区位于李村河口附近,最高可达2.89 mmol L-1,这可能是由李村河水的输入及东北部近岸大量污水和工业废水的排放造成的,且此海域水体停留时间长[13214],水动力条件较弱,污染物难于扩散;受海湾内外水交换的影响,湾口及中间海域DIC等值线向西北方向发生弯曲;西部近岸海域由于较强的浮游植物活动的作用造成DIC偏低。

图7 表层海水DIC分布/mmol·L-1Fig.7 Spatial distribution of sea surface DIC

图8 表层海水DOC平面分布/mg·L-1Fig.8 Spatial distribution of sea surface DOC

从图8可以看出秋季胶州湾DOC含量在近岸普遍较高,并从近岸向中间海域和湾口递减。近岸区,由于潮流及波浪作用较弱,陆源输入及海水养殖带来的有机污染物不能及时向外输送,造成了有机物质的大量积聚,DOC浓度偏高;中间及湾口海域受黄海水交换的影响,DOC浓度较低。DOC不仅是研究全球碳循环的1个重要参数,还可以用来反映海区受有机物污染的程度[15],因此秋季胶州湾东北部水体有机污染程度要大于西部,同时在一定的条件下,有机物的降解将会对pCO2的分布产生较大的影响,将在3.2节详细讨论。

3 讨论

3.1 温度对pCO2分布的影响

从温度对碳酸盐体系的热力学影响来看,pCO2会随着温度的升高而增加[16]。秋季胶州湾温度变化范围较小(<5℃),应该对pCO2的分布影响不大。本文利用Takahashi[16]温度对pCO2的校正公式将秋季pCO2校正到秋季平均温度(10.70℃)后得到npCO2,校正之后npCO2的分布趋势并没有发生明显变化。近岸区,温度的降低使pCO2降低了41μatm(温度降低2.24℃),湾口区,温度的升高使pCO2升高了33μatm (温度升高2.08℃),温度的变化并没有从根本上改变秋季胶州湾CO2的源/汇格局,这说明秋季温度并不是影响胶州湾pCO2空间分布的主要因素。由于温度是影响pCO2分布的因素之一,为了剔除温度效应,在讨论其他过程对pCO2的影响时均用npCO2。

3.2 有机物降解对pCO2分布的影响

在胶州湾内,由于陆源输入的影响,有机污染比较严重,有机物的降解作用不能忽略。Raymond等[17]通过比较不同河口的有机物和CO2发现,在有机物含量较高的河口区,有机物的降解是造成水体中CO2浓度增大和pCO2升高的主要原因。本航次为了讨论有机物降解对pCO2分布的影响,分别在污染严重的近岸区和水质清洁海区选取了2个代表性站位4号站(pCO2560μatm,DOC 2.59 mg·L-1)和15号站(pCO2375μatm,DOC 1.99 mg·L-1)进行了有机物降解的培养实验。将水样分装到黒瓶中,在现场水温下培养10 h,培养过程中每隔2 h用温克勒法测定瓶内DO含量,根据有机物降解的一级反应动力学方程,可计算出4号站和15号站有机物耗氧呼吸作用速率分别为21.4和6.9 mmol O2m-3·d-1。与污染严重的河口相比[18],秋季胶州湾有机物耗氧呼吸作用速率已处于较高的水平,特别是在污染严重的东部近岸区,在温度和异养细菌数量较高(7.2×105cells·mL-1)[19]的条件下,有机物耗氧呼吸作用速率增大。从实验结果也可以看出,pCO2和DOC偏高的4号站有机物耗氧呼吸作用速率是15号站的3倍多,这说明高的有机物耗氧呼吸作用速率维持了高的pCO2。同时4号站的Chla含量(2.20μg·L-1)是15号站(1.10μg·L-1)的2倍,如果4号站没有如此高的生物量,pCO2会更高。

从图9也可以看出,除去位于西部近岸的11和16号站(圈出点),秋季npCO2与DOC整体上呈现出良好的正相关关系(R2为0.7812),这说明秋季有机物的降解造成了胶州湾秋季pCO2的升高,在有机污染严重的东部近岸海域表现的尤为明显。

图9 表层海水npCO2与DOC的关系Fig.9 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)with DOC

3.3 浮游植物活动对pCO2分布的影响

与其他海域[5]相比,秋季胶州湾内Chla含量水平较高。除去湾口(椭圆中的三角形点)和东北部的4,5号站,npCO2与Chla呈现出较好的负相关关系(图10a,R2为0.599 9),Chla和DO饱和度呈现出较好的正相关关系(图10b,R2为0.673 9),这说明浮游植物活动对湾内大部分海域pCO2的分布影响较大,特别是Chla和DO饱和度都较高的西部近岸海域,浮游植物活动是造成此海域成为大气CO2弱汇的主要原因。水质清洁的湾口海域,有机物降解不明显,DO饱和度> 100%,因此在Chla含量较低的情况下,pCO2依然可以处于较低的水平。位于湾东北部的4,5号站,Chla浓度较高,但pCO2>500μatm,这可能与东北部近岸海域较高的有机物耗氧呼吸作用速率有关。

3.4 npCO2与p H和DIC与Alk的关系

图11为胶州湾秋季npCO2与p H的关系图, npCO2与p H呈现出良好的负相关关系(R2为0.953 5),图12为胶州湾秋季DIC和Alk的关系图,除去李村河口附近的高DIC点(2.89 mmol·L-1,未给出),DIC与Alk呈现出良好的正相关关系(R2为0.852 8)。秋季胶州湾内东部近岸海域,由于工业废水排放和有机物降解的影响,DIC含量增加,p H降低,因此此海域高位pCO2主要受控于海水中高浓度的DIC。而西部近岸海域Chla值较高,浮游植物光合作用消耗水体中的CO2,但由于浮游植物光合作用的同时,使得p H升高(如图11),从而造成该海域Alk中[CO32-]的比例增加,因此在DIC与Alk的关系图中表现出DIC相对于Alk而偏低的现象。

图10 npCO2(a),DO(%)(b)与叶绿素a的关系Fig.10 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)(a),DO(b)with Chla

图11 秋季表层海水npCO2与p H的关系图Fig.11 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)with p H

图12 秋季表层海水DIC和Alk的关系Fig.12 Relationship between sea surface DIC and Alk in Autumn

3.5 胶州湾秋季海2气界面碳通量的估算

海2气界面CO2交换通量(mmol·m-2·d-1)可按公式F=k×s×△pCO2进行计算。其中k是大气和海洋间的气体交换系数(cm·h-1);s是海水中CO2气体的溶解度(mol·kg-1·atm-1);△pCO2是海水和大气中pCO2的差值,正值表示海洋向大气释放CO2,负值表示海洋从大气吸收CO2。目前关于海2气间气体交换系数的计算模式较多,本文采用应用比较广泛的Wanninkhof[20]模式来计算胶州湾秋季的海2气界面气体交换系数,计算公式如下:

k(cm/h)=0.39×(u10/m·s-1)2×(Sc/660)-0.5

u10为距海平面10 m处的风速(m·s-1);Sc是t℃下CO2的Schmidt常数。

为了减少观测站位空间分布的不均匀性所引起的误差,本文采用网格统计法来估算胶州湾秋季海2气界面碳通量。根据调查海域的实测范围,采用胶州湾秋季长期风速5.0 m·s-1,利用Kriging法(surfer)将用走航数据计算出的海2气界面碳通量进行插值,得出海2气界面CO2交换通量在-5.94～23.15 mmol·m-2·d-1之间,平均值为2.87 mmol·m-2·d-1,由此可估算出秋季胶州湾可向大气释放940.74 tC(胶州湾水域面积以303 km2计)。需要指出的是,由于人类活动的影响,胶州湾大气CO2浓度可能要高于全球大气平均CO2浓度,用全球大气平均CO2浓度来估算胶州湾秋季CO2通量可能会使估算结果偏高,但是如果用实测的胶州湾大气CO2数据,在测定过程中由于风向和风速的影响,即使在很小的海域内,也可能会使测得的大气CO2浓度相差很大,从而会使估算结果产生更大的偏差。

4 结语

受陆地径流及海水养殖等的影响,胶州湾秋季污染较为严重,由于胶州湾的半封闭性以及湾内较弱的水动力条件,有机污染物不能及时向外输送,造成在湾内的累积,因此在一定的条件下,有机物降解对胶州湾碳酸盐体系有着很大的影响。

秋季胶州湾表层海水pCO2实测值在315～720μatm之间,平均值为423μatm,总体上表现为大气CO2的源,海2气界面CO2交换通量在-5.94～23.15 mmol·m-2· d-1之间,平均值为2.87 mmol·m-2·d-1,可向大气释放940.74 tC。温度的变化对胶州湾pCO2的分布影响不大,有机物降解和生物活动是控制胶州湾秋季pCO2分布的主要因素。东部近岸海域受有机物降解和李村河水输入的影响,表现为大气CO2的源;西部近岸海域由于浮游植物活动的影响表现为大气CO2的弱汇;中部海域处于东部海域和西部海域的过渡区,浮游植物活动和有机物降解共同影响着pCO2的分布;而在有机物降解不明显的湾口海域,浮游植物活动是pCO2分布的主控因素。

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Distribution and Controlling Factors of Surface Seawater Partial Pressure of CO2and Air2Sea Carbon Fluxes in Jiaozhou Bay During Autumn

LIU Qi2Zhen,ZHANG Long2Jun,XUE Ming
(Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Distribution and influencing factors were discussed bBased on the data obtained through con2 tinuous underway measurements ofpCO2and relating parameters in hydrology,chemistry and biology, distribution and air2sea carbon fluxes were discussed in November 2007.The results showed that the sur2 face seawaterpCO2in Jizaozhou Bay in autumn ranged from 315 to 720 atm,with an average of 423 atm. Due to the degradation of organic matter and the runoff from the Licun river,the eastern part of the bay turned out to be the source of CO2with respect to the atmosphere;regarding the high primary produc2 tion,the western part of the Jiaozhou bay acted as a moderate sink to the atmosphere;in addition to a sig2 nificant seawater exchange between the Bay and the Yellow Sea,primary production and the degradation of organic matter both had an impact on the distribution ofpCO2in the middle part of the Bay.The whole Jiaozhou Bay acted as a source of atmosphere CO2and released 940.74 tC into the atmosphere in autumn. Key words: Jiaozhou Bay;pCO2;degradation of organic matter;primary production

book=2010,ebook=26

P734.2+5

A

167225174(2010)102127206

责任编辑 庞 旻

青岛市科技计划发展项目(0622222212jch)资助

2010203226;

2010205204

刘启珍(19862),女,硕士生,E2mail:liuqizhen@sina.com

33责任作者:E2mail:longjunz@ouc.edu.cn