青岛近海碱度的研究及其测定方法的比较＊

高彩霞，刘春颖，李 铁，祝陈坚，张海波

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

工农业的高速发展，化石燃料的燃烧，森林的肆意砍伐都导致二氧化碳气体浓度激增，引起全球变暖。而海洋是一个巨大的碳储库，可吸收人为排放量的三分之一[1]，对减缓大气CO2浓度的增加有重要贡献。但研究表明，大气CO2浓度增加的速率远大于深海沉积物的调节能力，致使海水pH降低引起海洋酸化[2]，进而导致海水碳酸盐体系发生一系列的变化，给整个海洋生态系带来影响。海水碳酸盐体系涉及到海洋生态环境，海洋化学，海洋生物等多领域，因此具有重要的研究意义。

海水总碱度（Alkalinity，Alk）是指中和1L或者1 kg海水中的质子接受体（HCO－3，CO2－3，H2BO－3）所需质子的摩尔数（质子受体为在温度为25℃，离子强度为0时，解离常数pKa≥4.5的弱酸形成的碱）[3]。Dickson对海水总碱度的定义不包括任何有机（浮游植物和细菌细胞）和无机颗粒物（碳酸钙粒子）。海水总碱度的测定方法有pH单点法、电位滴定Gran作图法、中和滴定法[4]。其中pH单点法简单、快速、适于现场分析，但现场温度和盐度能够影响H＋活度系数fH＋，影响最终结果。中和滴定法以混合指示剂指示终点，但由于终点转变不易分辨，导致Alk滴定终点的确定困难，而且操作及分析结果的处理比较繁琐。自动电位滴定法利用Gran作图法判定终点，自动化程度高，操作简便，测定快速准确，因此被广泛用于海水总碱度的测定。

海水Alk受温度﹑盐度、深度、生物活动及碳酸盐的溶解和沉淀等影响。在河口港湾中则主要受大陆经流、潮汐作用等水文要素影响，其次还受人类活动的影响。大洋海水总碱度通常具有保守性，可通过海水的盐度估算[5]，但是，在一些盐度易受到河流影响的海域，Alk会随着盐度的改变发生明显变化[6－7]。Alk与水深有密切关系，海水吸收CO2后减小了文石和方解石的饱和度，在深水区碳酸盐溶解会增加Alk[8]。李荣福对杭州湾海水的研究表明，Alk随潮汐涨落呈现升降的趋势[9]。Wolf－Gladrow提出在生物生产的过程中吸收CO2并不改变Alk，但是在吸收营养盐如硝酸盐时，细胞为保持电荷平衡吸收质子，使Alk增加[10]。Kim提出细菌细胞对深海Alk有影响[11]。因此，海水中存在的浮游植物和细菌及颗粒物对海水Alk有一定的影响。

本文以青岛近海为研究海域，通过pH单点法，自动电位滴定，以及由DIC和pH计算法同步测定Alk，进行比较研究，观测Alk在表层的分布，并讨论了过滤前后ΔAlk与叶绿素a（Chl－a）的相关性，初步认识生物活动对海水Alk的影响。

1 研究海域

2012年3月1 ～12日随“东方红2号”考察船对青岛近海进行了现场观测，调查项目包括温度、盐度、叶绿素a、pH、Alk和DIC。本次调查共设置了10个大面站和2个连续站位，具体站位图1所示。

2 实验部分

2.1 样品采集和测定

用5L的Niskin采水器采集样品，现场对pH、Alk、NH4－N、PO4－P、SiO3－Si等营养盐进行测定[12]。将水样经Whatman GF/F滤膜过滤，并将滤膜冷冻保存带回陆地实验室测定Chl－a，用90%丙酮萃取24h，利用荧光分光光度计测定其浓度。DIC采用低密度聚乙烯瓶装至溢满，并滴加1滴饱和氯化汞溶液，密封避光冷藏保存，带回陆地实验室进行测定。

图1 胶州湾及青岛近海取样站位Fig.1 Sampling stations in the Jiaozhou Bay and Qingdao coast

2.2 碱度测定方法

2.2.1 pH单点法 样品采集后，置于实验室20℃恒温，在水样中加入过量已经标定好的HCl溶液，中和弱酸根至pH为3.5左右，根据此时pH值测得过量H＋的量，具体方法详见《海水分析化学实验》[12]。这种方法的相对标准偏差为1.5%，相对误差为2.5%。

2.2.2 自动电位滴定法 使用美国AS－Alk＋总碱度分析仪（美国阿波罗科技公司）测定样品的海水Alk，具体步骤：采用已经标定好的盐酸在20℃恒温条件下滴定已知体积的海水样品，且不断搅拌以赶走释放的CO2，滴定的过程使用pH玻璃电极监测溶液中pH的变化，用电位值与加入盐酸的体积作图确定滴定终点，即Gran滴定终点，根据滴定剂盐酸的体积和电位值计算Alk。该分析仪具有非常好的精密度和准确度，其相对标准偏差为±0.1%，平均相对误差为±2μmol/L。

2.3.3 由DIC和pH计算海水Alk法 DIC测定的原理为：采用总有机碳分析仪，自动将270μL样品注入到含有酸的样品池中，碳酸氢根和碳酸根与酸发生反应产生CO2，用高纯N2将其吹出，经干燥后送入非色散红外检测器中进行测定，得到CO2峰面积，根据标准溶液测得标准曲线，计算出DIC的浓度。利用pH计对海水pHNBS值进行现场测定，准确度为±0.02。根据DIC和pH值计算出Alk值。应用Ernie Lewis编写的CO2SYS软件，由DIC和pH根据计算Alk，其精密度大约为2%，准确度为2%～5%。

3 结果与讨论：

3.1 3种方法测定总碱度的比较

本文采用电位滴定仪、pH单点法测定海水Alk及根据DIC和pH 2个参数计算海水Alk，通过这3种方法测定10、11号连续站及大面站表层海水Alk的变化。由表1可知自动电位滴定法测得这些站位表层海水 Alk范围为2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310 μmol/kg，该平均值高于pH单点法测定值和计算值，其中计算的Alk值与自动电位滴定的差值为－0.01±0.07，pH单点法与自动电位滴定法测定的Alk差值为－0.02±0.10。

表1 3种方法测定青岛近海表层海水的总碱度值的比较Table 1 The results of different analytic determinations of the total alkalinity in the Qingdao Coast /103μmol·kg－1

图2为10﹑11号站及大面站全部表层海水的3种Alk值，其中pH单点法的变化范围较大，这可能是由于手工滴定存在操作误差，以及所采用活度系数fH＋带来的误差，因为活度系数fH＋受温度和pH的影响。本文应用Ernie Lewis CO2SYS软件，pH NBS标度，及实测的DIC和pH值，并结合盐度、温度、压力、硅酸盐及磷酸盐数据计算Alk。各站位计算值（取28个数据的平均值）小于电位滴定的实测值，pH单点法测出Alk的平均值为2 290μmol/kg，自动电位滴定测得Alk平均值为2 310μmol/kg，由软件计算的Alk值为2 290μmol/kg，计算值比实测值低0.87%。这与 Khoruzhii采用滴定法和计算法比较海水Alk的结果正好相反[13]，采用2种方法计算海水Alk，即 Millero常数和考虑盐度影响下修正的碳酸解离常数K1和K2计算Alk，结果表明盐度对Alk的计算产生影响。

图2 比较3种不同方法测得的海水总碱度值Fig.2 Comparison of total alkalinity by different methods

近岸由于受陆地径流输入的影响，盐度会降低，Alk/S会升高，二者间呈负相关趋势。冬末仍是枯水期，青岛近海和胶州湾的陆地径流量很小，盐度变化范围较窄。尽管如此，上述关系由电位滴定法所得的Alk/S结果仍可明显体现出来，如图2a（r＝0.854 1，n＝27，P＜0.000 1）。然而，其它两种方法得到的 Alk/S与盐度的关系（见图3b，c）不佳且离散，说明在较窄的盐度范围内，不能明显反映陆地径流的轻微影响。由此图可知，本文所用的计算法误差过大，不可取。手工滴定相对较好，但滴定过程中有离散点出现，电位滴定效果好。

由于受陆地径流输入影响的水体中碳酸盐的比例升高，DIC仍可体现上述关系，即DIC/S与盐度呈负相关趋势（见图3d），说明本文测定的DIC结果符合实际。

然而，为何由DIC和pH（NBS）计算的总碱度结果不佳？将该Alk结果与pH（NBS）作图发现，Alk随pH（NBS）升高明显增大（见图4a），而由电位滴定法测定的Alk则无此现象（见图4b）。pH（NBS）测定的精密度不高，在冬季生物活动较弱、盐度范围较窄的情况下测定误差大于实际差异，与DIC的精密度不匹配，由此计算的Alk受pH结果的显著影响，无法用于讨论研究。

图3 由3种表层水总碱度的结果所计算的Alk/S以及DIC/S与盐度的关系Fig.3 Relationship between surface Alk/S（DIC/S）and salinity

图4 青岛近海表层水总碱度计算与测定结果与pH（NBS）的关系Fig.4 Relationship between surface Alk and pH（NBS）

对以上3种结果的比较进行归纳显示，由DIC和pH（NBS）计算的Alk结果受pH（NBS）的影响，误差很大；pH单点法本身采用了pH测定的方法和NBS标度，误差同样较大，两种Alk的结果均不能反映盐度范围较窄的情况下Alk的实际变化。而采用电位滴定法测定的Alk结果精密度高，在测定海水Alk变化时应优先选择，因此接下来的数据分析均采用电位滴定测定的Alk值。

3.2 青岛近海表层海水Alk的水平分布

图5是采用自动电位滴定法测得青岛近海表层海水Alk的分布图。由图可知，青岛近海表层海水的Alk分布呈中部低，其他区域高的特征。在调查区的东北部出现最高值，在该区域Alk分布趋势存在显著的梯度变化，由近岸低向外海逐渐增加；Alk向湾口有逐渐增加的趋势，这可能是该区域与大洋水交换能力较弱，以及受流入胶州湾的河流的影响所致。Alk的变化范围 Alk范围为2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310 μmol/kg。由于碱度受多种因素的影响，同时，胶州湾环境复杂，还需进一步的研究。

图5 青岛近海表层水总碱度的等值线分布Fig.5 The distribution of Alk in the surface seawater of Qingdao Coast

3.3 青岛近海海水Alk的周日变化

图6为青岛近海连续站10站Alk随时间的变化。对10号站pH、水温、盐度的周日变化分析表明：pH、盐度与Alk呈负相关，当n＝27时，pH、盐度与Alk的相关系数分别为－0.668、－0.422；温度与Alk呈一定的正相关（n＝27，R＝0.458，p＝0.016），但是pH ﹑水温﹑盐度与Alk并未呈现很好的相关性，这说明海水Alk的周日变化可能与温度、盐度和pH有关。潮汐变化影响海水的温度与盐度，根据青岛3月10与11日的潮汐时刻表可知，该连续站Alk随着潮汐涨落呈相似的升降趋势（见图7），表明潮汐对青岛近海海水Alk有一定影响。但不同层次海水Alk并没有呈现明显的区别，这可能因处于浅水区，水文、生物因素及受陆地径流等影响较复杂，所以很难确定其具体的影响因素[14]。Howland对Tweed河口总碱度分布研究显示，该区域潮汐及河流量对Alk也产生明显影响，涨潮时大量淡水涌入，致使盐度降低，Alk随着降低[14]。

图6 青岛近海连续站Alk的多层分布Fig.6 Multilayer distribution of Alk in consecutive stations of the Qingdao Coast

图7 青岛近海表层水Alk随潮汐的变化Fig.7 Variations of Alk with the change of tides in stations of the Qingdao Coast

3.4 生物化学过程对碱度的影响

图8为各站位过滤前后海水总碱度差值ΔAlk（ΔAlk＝Alk未过滤－ Alk过滤）与Chl－a含量之间的相关性图。由图可知过滤前后ΔAlk值与Chl－a含量之间存在弱相关性，这可能是因为海水中浮游植物和颗粒物对Alk产生的影响。过滤前后Alk的变化可能受颗粒物及浮游生物的影响：（1）颗粒物如碳酸钙对碱度会产生影响，当CaCO3溶解时将会使Alk增加[15]。（2）浮游植物对Alk也会产生影响。（a）国外研究表明藻类植物为了保持细胞的电中性将会吸收许多带电荷的营养物质，通过质子泵达到电荷平衡补偿电荷偏差，如NO－3与Na＋通过同向运输进入细胞内，但是为了避免Na＋的无限制累积，Na＋与 H＋通过反向运输进行交换，即NO－3与H＋被运送到细胞内，这个过程将导致海水测定的Alk增加[16]。（b）浮游植物氮的同化作用和硝化作用也对Alk产生影响，Brewer and Goldman通过实验证明浮游植物吸收硝酸盐和氨时会改变Alk，当硝酸盐作为氮源时会增加Alk，而氨作氮源时则使Alk减小[17]，氧的环境下，氨最终被氧化为硝酸盐，由方程式可知植物的硝化作用也导致Alk的减小[18]。

（c）浮游植物细胞表面带有羧基，氨基，磷酸盐等带电基团[19]，这些基团的解离和质子化作用影响了浮游植物和细菌细胞表面电荷的分布，因而海水pH和离子强度的变化将导致细胞表面的电荷密度的变化[20]，用盐酸滴定海水的过程中，这些带负电荷的基团将与质子反应，从而影响Alk的测定，过滤前的海水含有浮游植物，这些植物细胞表面含有更多的带负电荷的基团，这将导致Alk值增加[11]，这一系列生物化学过程因素会都影响Alk。本文通过对海水过滤前后的Alk的变化与Chl－a含量的关系（n＝61，r＝0.252，p＝0.05），粗略的讨论浮游植物和有机颗粒物可能影响海水Alk的测定，这对研究河口及生物生产力旺盛的海域的Alk具有一定意义。

图8 青岛近海过滤前后海水碱度差值ΔAlk与Chl－a的相关性图Fig.8 The relationship between the difference of before and after filtrationΔAlk and Chl－ain the Qingdao Coast

为了考察浒苔对海水Alk的影响，2012年6月调查了青岛近海，在青岛近海5个地点栈桥、鲁迅公园、太平角、五四广场和石老人观光园分别取样，水样用250mL聚乙烯瓶装至溢满，上岸后立即到实验室，采用自动电位滴定法测定过滤前后的Alk值。结果如表2所示，在浒苔量较多的区域栈桥、鲁迅公园、五四广场和石老人处过滤后的Alk值低于Alk的，海水中大量的浒苔可能对碱度的测定造成影响，进一步说明了浮游植物可能影响海水Alk。

表2 2012年6月青岛近海表层海水过滤前后碱度值Table 2 The total alkalinity value of coastal waters of Qingdao in June，2012 /103μmol·kg－1

4 结论

通过对2012年3月份青岛近海海水Alk的研究，可以得出以下结论：

（1）比较pH单点法，自动电位滴定法及溶解无机碳（DIC）计算法测得海水Alk，DIC计算法和pH单点法得出的Alk误差较大，电位滴定法测定的Alk结果精密度较高，在测定海水Alk变化时应优先选择电位滴定法。

（2）青岛近海表层海水中Alk的分布较复杂分布趋势，2 070～2 364μmol/kg，其平均值2 310μmol/kg。

（3）通过比较过滤前后的样品的Alk，发现颗粒物及浮游生物对Alk产生一定的影响，并在浒苔事件中得到了验证。

[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]宫海东.中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系的多层研究[D].青岛：中国海洋大学，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]李福荣.杭州湾海水碱度的研究 [J].青岛海洋大学学报，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]祝陈坚.海水分析化学实验[P].青岛：中国海洋大学出版社，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.