春季东海北部近岸水体中的溶解无机碳和有机碳的分布特征及其影响因素

李 宁, 王江涛

(中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

春季东海北部近岸水体中的溶解无机碳和有机碳的分布特征及其影响因素

李 宁, 王江涛

(中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

根据2010年4月在东海北部近岸的调查, 分析了研究海域溶解无机碳(DIC)和溶解有机碳(DOC)的含量及其分布状况, 并分别对DIC、DOC与温度、盐度、表观耗氧量等要素的关系进行了初步探讨。结果表明, 春季研究海域表、底层DIC平均含量分别为24.54 mg/L和25.03 mg/L, 平面分布趋势均为近岸高于远岸, 象山口附近DIC的浓度最高, 北部由于受长江径流的影响, DIC的浓度也较高。垂直分布特点为底层浓度高于表层。DOC的表、底层含量分别为0.96 mg/L和0.87 mg/L, 平面分布特点与DIC类似, 表现为近岸浓度高, 远岸浓度低。DOC的垂直分布特点与DIC正好相反, 表现为表层浓度高于底层。研究海域DIC与温度、盐度和表观耗氧量的关系表明, DIC主要受陆源输入和温度的影响,且温度的影响作用较大。研究海域DOC与温度、盐度和表观耗氧量的关系表明, DOC受陆源输入的影响更大, 同时受一定的生物活动的影响。

溶解无机碳(DIC); 溶解有机碳(DOC); 东海北部近岸

目前, 人类每年排入大气中的 CO2约为 5.5×109tC, 大约有1/3为海洋所吸收[1-3]。浮游植物通过光合作用将海水中的溶解无机碳转化为有机碳, 再通过垂直迁移等物理作用最终将大气中的二氧化碳埋藏到海底。因此海洋在调节大气二氧化碳含量方面起到了至关重要的作用。由于边缘海生态环境的复杂性, 对其碳循环的研究目前已成为国际海洋科学研究前沿领域的重要内容[4-8]。因此, 对海水中溶解无机碳和有机碳的来源、迁移、转化和循环等过程的研究对了解全球碳循环和生物地球化学循环方面都有重要的意义。

1 研究区域

东海北部近岸海域是陆架边缘海较复杂的海区,是陆地、海洋、大气各种过程相互作用较为激烈的地带。同时, 作为人类活动、经济开发最为集中的地带, 东海北部近岸也是典型的赤潮高发区。目前对东海北部近岸碳循环的研究涉及碳的输入通量[9]、CO2在海-气界面的传递[10]、营养盐分布对碳循环的影响[11]、浮游生物活动对碳循环的作用等诸多方面[12]。但同时从溶解无机碳与有机碳两个角度共同分析,来探讨近岸水体中无机碳和有机碳迁移转化规律的研究还很少。因此, 本研究从溶解无机碳和有机碳两个方面进行分析。本研究于2010年4月8日至4月26日, 对东海北部近岸的无机碳和溶解有机碳进行了调查, 站位布设如图1所示。

2 实验方法

2.1 取样与分析

DOC样品: 海水用 Niskin采水器采集后, 立即用Whatman GF/F滤膜(Φ=47mm, 450℃预灼烧6 h)过滤。滤液转入60 mL玻璃贮样瓶中。玻璃瓶在出海前用稀盐酸浸泡24 h以上, 依次用蒸馏水、Milli-Q水润洗3遍, 在480℃下至少灼烧6 h。水样中加入1滴饱和 HgCl2溶液以避免微生物影响, 盖上瓶塞然后用 Parafilm膜封口后在 4℃下保存。DOC样品用岛津TOC-VCPH型总有机碳分析仪进行测定。

DIC样品: 海水样品采集后, 水样直接转入经480℃灼烧的玻璃瓶中, 加入一滴饱和 HgCl2溶液,盖上塞子, 用Parafilm膜封口后在4℃下保存。DIC样品用岛津TOC-VCPH型总有机碳分析仪进行测定。测定范围: 0～30 000 mg/L, 检测限: 4μg/L, 精密度:1.5%以内。

图1 采样站位Fig. 1 Sampling stations

2.2 超额CO2与表观耗氧量(AOU)

为了讨论研究海域生物活动对其溶解无机碳体系的影响, 分析了超额 CO2与表观耗氧量之间的关系(见3.2.2)。超额 CO2由Zhai等[13]提出, 定义为: 体中溶解的总游离 CO2的浓度与水体和大气平衡的CO2的浓度的差值。即公式(1):

式中, CO2(T)为水体中总的溶解 CO2。CO2(T)=为CO2的溶解度系数[14];pCO2(water)为海水中CO2的分压;

CO2(T)的估算是根据 Mehrbach[15]提出, 后经Dickson[16]修正的K1,K2计算公式得出。

表观耗氧量的计算见公式(2):

式中, [O2]eq为 O2的溶解度[14], [O2]为水体中实际的O2浓度。

3 结果与讨论

3.1 DIC与DOC的含量及分布特征

3.1.1 春季东海北部近岸水体中DIC的含量及分布特征

春季东海北部近岸表层溶解无机碳的含量在22.79~25.60 mg/L之间, 平均值为24.54 mg/L。分布整体呈近岸浓度高, 外海浓度低的趋势。在象山港口附近为 DIC的高值区, 呈明显的 DIC舌状分布, 这可能是该区域接受了大量由港口排放的工业污水,其中的有机质最终分解成CO2和氮、磷化合物, 使该海域的DIC含量较高。由以下(3.1.2)DOC的数据可以看出, 该区域溶解有机碳的含量也较高。

春季东海北部近岸底层溶解无机碳的含量在24.32~26.62 mg/L之间, 平均值为25.03 mg/L。底层溶解无机碳的分布较表层均匀, 绝大多数站位 DIC含量在 25 mg/L左右。跟表层类似, 在象山港口外,DIC的含量较高, 呈明显的舌状分布。另外在杭州湾外海122.8 ~123°E处, DIC含量较高, 最高可达26.62 mg/L, 等值线密集, 浓度梯度大, 由北向南降低, 水舌延伸至(123°E, 30°N)处。这可能受长江径流输入的影响(图 2)。

图2 4月东海北部近岸表层(A)和底层(B)溶解无机碳平面分布(mg/L)Fig. 2 Distribution of DIC in surface (A) or bottom (B) water in the North of ECS Coastal Waters during April(mg/L)

就DIC的垂直分布而言, 春季东海北部近岸表、底层的 DIC分布相似, 但底层含量略高。这是由于研究海域春季跃层已开始形成, 底层开始生物降解耗氧, 产生CO2, 所以底层略高于表层。

3.1.2 春季东海北部近岸水体中 DOC的含量及分布特征

东海北部近岸海域表层溶解有机碳的含量在0.54～1.88 mg/L之间, 平均含量为0.96 mg/L。分布整体呈近岸浓度高, 外海浓度低的趋势, 表明陆源输入可能是该海域DOC的主要来源。另外, 研究海域的北部有一溶解有机碳的高值区, 等值线密集,浓度由北向南降低, 这可能是因为该区域受到了长江径流输入的影响, 无机碳也有类似的现象。象山口附近DOC的浓度也较高, 但没有形成明显的舌状分布, 这可能是因为由象山口排放的废水中含有较多的不稳定有机碳, 这些有机碳降解速度较快, 因此导致该区域DOC虽然含量较高, 但没有明显的舌状分布, 而DIC则有最高值出现。

东海北部近岸海域底层溶解有机碳的含量 0.55～1.61mg/L, 平均含量为0.87 mg/L。底层与表层分布类似, 也呈近岸浓度高于远岸的分布趋势。象山口附近DOC浓度较高, 研究海域北部同样受到长江水输入的影响, DOC的浓度最高, 呈明显舌状分布(图3)。

与DIC相反, 春季东海北部近岸海域底层DOC浓度略低于表层, 因为春季浮游植物开始生长, 光合作用使表层释放出DOC, 底层DOC由于呼吸和降解作用而分解, 导致表层 DOC浓度略高于底层, 与无机碳刚好相反。

图3 4月东海北部近岸表层(A)和底层(B)溶解有机碳平面分布(mg/L)Fig. 3 Distributions of DOC in surface (A) or bottom (B) water in the North of ECS Coastal Waters during April(mg/L)

3.2 春季东海北部近岸水体中DIC与DOC分布的影响因素

近岸海域海水DIC与DOC浓度及其分布受到陆源输入、上升流的涌升、不同性质水团的混合、海-气界面交换、生物过程、有机质氧化分解以及碳酸盐的沉淀与溶解等多种过程的影响。下面就其与温度、盐度及AOU的关系分别加以讨论。

3.2.1 DIC、DOC与温度、盐度的关系

在本调查海区, 表层海水中 DIC与盐度的相关性很小。说明整体来说DIC受径流的影响不大, DIC的来源具有多源性。由图4(A)可以看出, DIC与温度呈一定的负相关关系(R=0.651 7), 表明研究海域受温度影响较大。这是因为春季 CO2浓度主要受温度控制, 温度控制了溶解气体的溶解度。这与春季该海域近岸温度低于远岸, CO2溶解度较高, DIC的浓度较远岸高的分布趋势一致。而研究海域北部远岸一侧的DIC浓度高值是因为受到长江径流的影响。由此推断春季东海北部近岸DIC同时受陆源输入和温度的影响, 但受温度的影响更大。

由图4(B)和(C)可以看出, DOC与温度(R=-0.505 0)和盐度(R= -0.354 6)均呈一定的负相关, 但相关性较弱。这表明研究海域 DOC受陆源输入的影响较DIC大, 因此离岸越远, DOC浓度降低。

3.2.2 DIC、DOC与AOU的关系

海洋生物的生命过程与营养盐的利用消耗及再生过程密不可分。在表层海水中, CO2(T)同营养盐一起可以直接被浮游植物光合作用利用, 并释放出氧气:(CH2O)106(NH3)16H3PO4+ 138O2, 因此生物过程对海水DIC体系的影响一定程度上可以通过超额二氧化碳与表观耗氧量的相互关系表现出来。DOC与AOU(表观耗氧量)的关系首先由 Ogura[17]和 Craig[18]提出, 以后广泛用于水体中生物氧化过程的间接估计。即认为DOC的生产过程与DOC的异养利用过程密切关联。因此, DIC、DOC与AOU的关系可以在一定程度上反映研究海域生物活动对两者的影响。图5为超额CO2与AOU及DOC与AOU的关系图。

图4 4月东海北部近岸DIC与温度(A)、DOC与温度(B)、盐度(C)的关系Fig. 4 Relationship between DIC and T(A), DOC and T(B), or DOC and S(C) in the North of ECS Coastal Waters during April

图5表明研究海域春季表层水的超额 CO2与AOU呈正相关, 拟合公式为: 超额CO2= 0.25 AOU +10.40,R=0.6035,P=0.002。Chen 等[19]指出, Redfield呼吸商ΔCO2/ΔO2范围大概为: 0.62~0.79。Taylor等[20]提出, 考虑到近岸河流输入较多的呼吸商的上限可以扩展到0.90。如果超额 CO2/AOU值在呼吸商的范围内, 说明该海域的pCO2主要受生物活动的影响,否则可能是水团混合, 溶解沉淀等非生物过程的影响较大。东海北部近岸春季表层水的超额 CO2/AOU的比值为0.25, 与Redfield呼吸商偏离较大。说明生物活动不是控制该海域DIC的主要因素, 结合3.2.1的结果, 进一步证明春季研究海域的DIC受温度(溶解度)的影响较大。

图5 4月东海北部近岸春季表层水超额CO2与AOU(A)和底层DOC与AOU(B)关系Fig. 5 Relationship between excess CO2 and AOU (A) in surface water or DOC and AOU in bottom water of the North of ECS Coastal Waters during in Spring

将调查海区表层DOC数据与AOU数据进行相关性分析(r=-0.07), 结果表明两者基本无相关性。底层 DOC与 AOU的关系如图 5(B)所示, 呈负相关,(R=-0.57)。说明研究海域表层DOC的降解较弱, 底层DOC的降解有所加强, 因此DOC浓度较表层低。结合DOC的分布趋势及其与温盐的关系, 可以看出春季4月份东海北部近岸DOC同时受到陆源输入和生物活动的影响。

3.2.3 DIC与DOC的关系

将春季东海北部近岸水体中DIC与DOC的数据进行相关性分析(R=0.26), 两者相关性不大。这是由于春季研究海域 DIC受陆源输入和温度(溶解度)的控制, 主要以温度控制为主。DOC主要受陆源输入和生物活动的影响。因此两者的相关性不大。

4 结论

春季东海北部近岸表层海水中溶解无机碳的含量在22.71～25.60 mg/L之间, 平均值为24.54 mg/L。底层DIC平均含量为25.03 mg/L。分布整体呈近岸高, 远岸低的趋势。北部受长江径流的影响, DIC含量较高。象山口附近海域由于受到港口污水排放的影响, DIC浓度最高。

春季东海北部近岸表层海水中溶解有机碳的含量平均为 0.96 mg/L, 底层 DOC平均含量为 0.87 mg/L。分布呈近岸高, 远岸低的趋势, 陆源的输入是DOC的主要来源。研究海域的北部由于受长江冲淡水的影响, DOC的浓度最高。

春季东海北部近岸水体的DIC与温度、盐度和AOU的关系表明, 其DIC主要受陆源输入和温度的影响, 且温度的影响作用较大。

春季东海北部近岸水体的DOC与温度、盐度和AOU的关系表明, 其 DOC受陆源输入的影响较大,同时受一定的生物活动影响。

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Dissolved inorganic and organic carbon in the North of East China Sea (ECS) coastal waters in spring

LI Ning, WANG Jiang-tao
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Dec., 31, 2010

dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon, North of East China Sea

Concentrations and distributions of dissolved inorganic carbon (DIC) and organic carbon (DOC) as well as their relationships with temperature, salinity, and dissolved oxygen in the North of ECS Coastal Waters during April in 2010 were analyzed. The average concentrations of DIC in surface and bottom water of our study area were 24.54mg/L and 25.03mg/L, respectively. The average concentrations of DOC in surface and bottom water of our study area were 0.96mg/L and 0.87mg/L, respectively. The characteristics of distributions of DIC and DOC were both higher near the coastal line and lower in outer sea. There were high concentrations at northeast of the survey area because of inputs by Changjiang River. As to vertical distribution, the concentration of DIC in surface water was lower than that in bottom water, while the vertical distribution of DOC was contrary to that of DIC. Relationships between DIC and DOC, and their relationships with temperature, salinity, and AOU indicated that temperature was the main factor influencing DIC distribution, while terrestrial input and biological activities played important parts in distribution of DOC.

P734.2

A

1000-3096(2011)08-0005-06

2010-12-31;

2011-04-22

国家自然科学基金项目(41076065); 国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB428701)

李宁(1987-), 女, 山东济南人, 硕士研究生, 从事海洋化学研究, 电话: 13668894163, E-mail: lyly-423@163.com; 王江涛, 通信作者, E-mail: jtwang@ouc.edu.cn

康亦兼)