季风上升流对印尼爪哇岛南部海域pH影响的初步研究

薛亮，王辉武，韦钦胜，李劳钰，于卫东

(1.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061；2.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋生态研究中心，山东 青岛 266061)

季风上升流对印尼爪哇岛南部海域pH影响的初步研究

薛亮1，王辉武1，韦钦胜2，李劳钰1，于卫东1

(1.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061；2.国家海洋局 第一海洋研究所 海洋生态研究中心，山东 青岛 266061)

基于2013年9月底至10月初在印尼爪哇岛南部海域调查得到的碳酸盐参数和相关水文数据，首次报道了该海域pH的分布，并重点探讨了南爪哇上升流(季风上升流)对其影响。结果显示上升流影响区表层pH低于周围非上升流影响区。通过两端元混合模型，定量讨论了上升流的物理输运和生物活动对pH的影响。研究表明，上升流的物理输运至少造成了海表层盐度增加0.4个单位，溶解无机碳(DIC)增加110 μmol/kg，pH降低约0.2个单位；同时，在上升流区，强烈的生物活动(叶绿素a浓度大于0.4 mg/m3)使得DIC的降低量达70 μmol/kg，pH的增加量达0.15个单位。总体来看，该研究区域的物理输运作用大于生物作用，综合效应表现为DIC的增加和pH的降低。另外，同上升流的物理输运作用和生物作用相比，上升流引起的表层冷却和增盐对pH的影响较小(热力学作用)。

pH；东边界上升流；生物活动；物理输运；南爪哇；印度洋

1 引言

pH是海洋酸化的特征参数之一，其值由水中氢离子(H+)浓度的负对数来表示(pH=-log10[H+])。自工业革命以来，由于海洋对大气CO2的吸收，上层海洋已经下降了大约0.1个pH单位，H+酸度增加了30%[1]。这对很多海洋生物将产生负面影响，尤其不利于珊瑚、有孔虫和贝类等的钙质骨骼或外壳的形成[2—5]。除了大气CO2含量升高引起pH降低外，近海一些典型的物理和生物地球化学过程(如上升流、河流输入和富营养化等)亦能加剧pH的降低[6—11]。近海pH变化的驱动机制较开阔大洋更为复杂[12]。因此，探讨近海典型生态系统中pH的控制过程对于预测未来pH的变化趋势具有重要的意义。

上升流过程对pH的影响具有独特性。一方面，上升流可将富含CO2的次表层水带至表层，引起pH的降低(物理输运)[8，13]。除了遭受大气CO2浓度升高引起的海洋酸化的影响外，上升流系统往往还经历了这种自然过程引起的pH降低，因而上升流区极易受到酸化的影响[8]。另一方面，上升流亦能够将富含营养盐的次表层水带至海表层，由此促进浮游植物活动[14]，这一过程则可造成海水中CO2浓度的下降，进而增加pH值(生物作用)。在不同的上升流系统中，这两方面作用的相对大小也会不同。研究表明，加利福尼亚上升流系统中，物理输运作用占主导[8]；而在加利西亚(Galician)和俄勒冈上升流系统中，生物作用占主导[15—16]。上升流对CO2体系的净作用取决于生物活动对上升流带来的营养盐的消耗程度[17—19]。更重要的是，东边界上升流系统对于维持高生产力的海洋生态系统和发展渔业经济具有重要的意义[20]。尽管它们的面积不到全球海洋的1%，但却大约贡献了全球海洋新生产力的11%[21]，全球渔业捕捞量的20%[22]。因此，研究东边界上升流系统中pH的分布水平及主要控制过程对于探讨未来pH的变化趋势及海洋酸化对海洋生态系统和渔业经济的影响极其重要[23—25]。

南爪哇上升流由季风主导[26—28]，同其他东边界上升流类似，该系统拥有较高的初级生产力[29—31]，是金枪鱼等的重要产地[32]。另外，在爪哇岛沿岸还分布着大量珊瑚[33]，而珊瑚对海洋酸化很敏感[34]。基于卫星遥感资料(例如海表层温度和Chla)或早期零星的现场观测数据，关于南爪哇上升流对营养盐、溶解氧、Chla和渔业的影响已有些许研究[27，29—32，35]。然而，迄今关于南爪哇上升流系统中pH的分布及上升流如何影响pH尚未见报道。基于2013年9月底至10月初的现场调查资料，本文报道和分析了印尼爪哇岛南部海域的pH分布，并使用两端元混合模型定量探讨了上升流过程的两种相反效应(物理输运和生物作用)对pH的影响。

2 研究区域和方法

本文研究区域位于东南印度洋、印尼爪哇岛的南部海域(图1)。该区域由季风系统主导，6月-10月盛行东南季风，12月-2月盛行西北季风[27]。上升流主要存在于东南季风期间，止于西北季风的爆发。另外，该区域还受到南爪哇流和印尼贯穿流的影响[36]。

图1 研究区域及调查断面A、B和C。其中由于CTD采水器故障，在断面C只有一个调查站位Fig.1 Study site and transects A，B and C. Only one station was completed along transect C because of malfunction of the CTD sampler

本文所用数据于2013年9月22日-10月2日期间获取，调查船为印度尼西亚科学院考察船BJ-8。研究区域总共有16个调查站位(图1)。水体温度和盐度由海鸟911CTD测得。水样由CTD携带的10 L Niskin采样瓶收集，采样层次为3 m、10 m、30 m、50 m、75 m、100 m、150 m、200 m 和300 m。本研究中的pH、溶解无机碳(DIC)和总碱度(TA)等碳酸盐参数样品的采集与分析均参照国际标准方法[37]，按照溶解性气体采样法进行收集。具体分析时，pH采用总氢离子标准，在25°C下用奥立龙8102BN Ross 复合电极和精密pH 计测定；DIC和TA样品在加入0.02%体积的饱和HgCl2固定后于4°C冷藏保存，然后分别用溶解无机碳分析仪和海水总碱度分析仪测定。DIC和TA的精密度为0.1%[38]。现场温度下的pH (pHinsitu)由25°C下的pH(pH@25)和总碱度并结合现场温度和盐度通过CO2系统计算软件来计算(CO2sys)[39]。另外，Chla由荧光法测定，详见《海洋监测规范》(2007)。

3 结果

本研究在该区域观测到南爪哇上升流的明显信号。从断面A可以看出，等温线和等盐线有着明显的向岸抬升的趋势； 50 m水深的水甚至可以直接涌升到海表面(见图2)。相对于周围非上升流区，上升流区(A0、A1和A2站)的表层水展现出低温、高盐的特征。这同以往的研究结果相吻合[26，28，31，35]。然而，从温度和盐度的垂直分布来看，上升流似乎对断面B的影响不明显(见图2)，其实不然。通过比较断面A和断面B温度和盐度的垂直分布，并结合先前调查结果，可以看出整个断面B都受到了上升流的强烈影响，而且上升流对断面B的影响比断面A还要剧烈[26]。之所以断面B的温度和盐度的垂直分布显示其上升流特征不明显主要与调查站位的设置有关，因为整个断面B都处于上升流影响区，倘若将此断面的调查站位再向深水区外延，近岸端底层冷水的涌升现象将会凸显出来(在后续的调查中应考量此问题)。另外，从本航次所有调查站位的温盐关系图来看，断面B的温盐特征与断面A上升流影响区的温盐特征基本一致(见图3)，这也说明断面B受到了上升流的影响。考虑到断面A的近岸区受到上升流的显著影响，而离岸区未受影响，便于对比研究，在下文具体的分析过程中，本研究将重点讨论断面A。

图2 断面A和断面B温度(℃)、盐度和Chl a浓度(mg/m3)的垂直分布(其中距离表示离岸距离)Fig.2 Vertical profiles of temperature，salinity and chlorophyll a along transects A and B(The distance from the shore was shown)

图3 150 m 以浅水柱的温盐散点图。其中黑色三角表示断面B和C的数据，红色实心圈表示断面A的A0至A2站(上升流区)，红色空心圈表示断面A的A3至A6站(非上升流区)Fig.3 Scatterplots of temperature and salinity in the upper 150 m of the water column. The black triangles denote the data from transects B and C，red filled circles the data from station A0 to A2 (upwelling zone)，and red empty circles the data from station A3 to A6 (nonupwelling zone)

图4 25℃ (pH@25)和现场温度pH (pHin situ)的垂直分布(其中距离表示离岸距离)Fig.4 Vertical profiles of pH at 25℃ and in situ temperatures(The distance from the shore was shown)

图5 断面A 150 m以浅总碱度(TA)、溶解无机碳(DIC)和25℃时的pH (pH@25)与盐度的散点图Fig.5 Scatterplots of TA vs. salinity (a)，DIC vs. salinity (b)，and pH@25 vs salinity (c) in the upper 150 m of the water column along transect A其中图a中虚线表示TA与盐度的线性回归线；图b和c中的虚线表示两个端元值之间的理论混合线。另外，还给出了上升流的物理输运作用和生物生产作用对DIC和pH@25的影响及相应的叶绿素浓度(色标)In (a)，the dashed line was the linear regression line; in (b) and (c)，the theoretical mixing line (dashed line) between two end-members and influences of physical transport of upwelling and biological production were shown. Also Chl a concentration was shown with color bar

图6 温度(a)和盐度(b)对pH的热力学效应Fig.6 Thermodynamic effects of temperature (a) and salinity (b) on pH在评估温度的热力学效应时，保持DIC、TA和盐度不变(图a)；在评估盐度的热力学效应时，保持DIC、TA和温度不变(pH@25) (图b)In (a)，we kept salinity，DIC，and TA constant; in (b) we kept temperature，DIC，and TA constant

相应的，Chla和pH的分布亦受到上升流的明显影响(图2和图4)。较高的Chla浓度位于上升流影响区，大于0.4 mg/m3。在75 m以浅水域，断面B的Chla浓度高于断面A，这也说明断面B受上升流影响的程度可能较高。pH的分布同温度类似(图2和图4)。从断面A可以看出，低pH的次表层水明显向近岸抬升，50 m水深的水甚至直接涌上升至海表面。因此，同周围非上升流区影响区相比，上升流区的表层pH较低(见图4)。另外，断面B的表层pH值同断面A 50 m水深处的pH值基本一致(见图4)。

4 讨论

4.1 上升流的物理输运和生物活动对pH的影响

以断面A为例来讨论上升流过程的两种相反效应(物理输运和生物活动)对pH的影响。图2和图4显示，上升流影响区(A0、A1和A2站)明显受到物理输运和生物活动的双重影响。同周围的非上升流影响区相比，此处具有低温、高盐和高Chla特征(图2)。尽管上升流区具有较高的生物活动，但这里的pH仍然低于非上升流影响区(见图4)，由此表明物理输运可能占主导作用。

下面探讨物理输运和生物活动对pH变化的各自贡献。尽管该研究区域受到若干海流或水团的影响，但从TA的保守行为可以看出(见图5)，该海域上层150 m水柱可以近似看作两端元混合。据此，本研究使用两端元混合模型来剥离物理输运和生物活动对pH的影响[22，40-41]。分别选择A6站的10 m水和A5站的150 m水作为表层和深层的端元值(分别对应着图5b所示散点图中的最低盐度和最高盐度)。这主要基于以下考虑：(1)A6站远离爪哇岛，不受上升流过程的影响，而且10 m水不受降雨等过程的干扰；(2)已有报道150 m水深的水能够到达表层[28，31]；(3)从Chla浓度来看，这两个端元的生物作用水平较低。

考虑到pH变化是非线性的，因此我们首先利用两端元混合模型计算保守混合条件下的DIC(DICmix)和TA(TAmix)，然后利用保守混合条件下的DIC和TA及CO2系统计算软件(CO2sys)计算25℃下的pH(pH@25)。注意：此处在讨论上升流对pH的影响时(25℃)，未考虑温度的作用，这将在4.2部分讨论。

(1a)

(1b)

式中，DIC10(DIC150)、TA10(TA150)和S10(S150) 分别表示表层(深层)端元值的DIC、TA和盐度；S为表层到150 m水深之间的盐度。其中S10=33.71，DIC10=1 751 μmol/kg，TA10=2 047 μmol/kg，S150=34.72，TA150=2 141 μmol/kg，DIC150=2 029 μmol/kg。

如果上升流发生前的表层水性质跟非上升流区一致(例如A6站)，从图5可以发现，上升流的物理输运至少造成了盐度增加0.4个单位，DIC增加110 μmol/kg，pH降低约0.2个单位。另外，从图5可以看出，当Chla浓度小于0.2 mg/m3时，DIC和pH的变化基本上可以由盐度变化(混合)来解释；然而，当Chla浓度大于0.2 mg/m3时，DIC亏损(低于理论混合线)，pH盈余(高于理论混合线)，这表明生物作用在Chla浓度较高时发挥着重要作用。在上升流区，生物作用较高，Chla浓度大于0.4 mg/m3，生物活动使得DIC的降低量可达70 μmol/kg，pH的增加量可达0.15个单位。由此可见，该研究区域的物理输运作用大于生物作用，总体效应表现为DIC的增加和pH的降低。

剥离物理输运和生物活动对pH的具体贡献有助于定量理解上升流过程对pH的影响。然而，这种方法也存在一定的不确定性。首先，上升流影响区比非上升流影响区更靠近岸边，而我们假设上升流发生前的条件跟非上升流区域一致，这将低估物理输运的作用。其次，本文通过混合端元的TA和DIC，使用两端元混合模型来剥离物理输运和生物活动对pH的具体贡献时，未能考虑海-气CO2交换的影响(尽管其作用较小经常被忽略掉[41])，这将高估生物活动对pH的贡献(该区域向大气释放CO2)。再次，上升流把低温、高盐的次表层水带到表层，也将影响pH(见4.2部分的讨论)。最后，陆源输入也可能把富含CO2的水带到上升流区[42]，引起pH的降低。然而，同非上升流区相比，上升流区较高的表层盐度(见图2)说明陆源输入的贡献较小。

4.2 温度和盐度对pH的热力学效应

上升流不但将富含CO2的次表层水带到表层，同时也导致了上升流区的表层温度较低、盐度较高(见图2)。因此，上升流可以通过改变上层海洋的温度和盐度来影响pH。如果保持DIC、TA和盐度不变，当温度从27.8℃(表层温度)降低到13.8℃(150 m水深的温度)，pH将升高0.20个单位。假定研究区域表层温度的空间差异完全由上升流引起，那么A6站和C1站的最大表层温度差2.8℃最多将引起0.04个pH单位的差别。因此，上升流的冷却作用所引起的pH增加不会超过0.04个单位。另外，25℃时和现场温度下pH较为相似的空间分布(见图4)也反映出温度所起作用较小。类似的，如果保持DIC、 TA和温度不变，盐度从33.7(表层)增加到34.7(150 m水深)，pH将降低0.01个单位。本研究中A6站和C1站的最大表层盐度差0.6最多将引起0.006个pH单位的差别。也就是说，上升流的增盐作用最多使pH降低0.006个单位。由此可知，同上升流的物理输运作用和生物作用相比，上升流引起的表层冷却和增盐对pH的影响较小。

5 结论

调查结果显示，爪哇岛南部海域上升流影响区表层pH低于周围非上升流影响区。上升流的物理输运可至少造成海表层盐度增加0.4个单位，DIC增加110 μmol/kg，pH降低约0.2个单位；同时，在上升流区，生物作用较高，Chla浓度大于0.4 mg/m3，生物活动使得DIC的降低量可达70 μmol/kg，pH的增加量可达0.15个单位。该研究区域的物理输运作用大于生物作用，总体效应表现为DIC的增加和pH的降低。同上升流的物理输运作用和生物作用相比，上升流引起的表层冷却和增盐对pH的影响较小。在后续的研究中，尚需进一步调查南爪哇上升流的消长及气候变化引起的其强度的变化对pH等碳酸盐参数的影响。

致谢：感谢印尼科考船“BJ-8”的全体船员在调查中的帮助。

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Influence of monsoon upwelling on pH off the southern coast of Java Island，Indonesia: a preliminary study

Xue Liang1，Wang Huiwu1，Wei Qinsheng2，Li Laoyu1,Yu Weidong1

(1.CenterforOceanandClimateResearch，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.MarineEcologyResearchCenter，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

pH and its influence by upwelling process off the southern coast of Java Island，Indonesia were examined for the first time using carbonate and related hydrographic data collected from late September to early October 2013. We found that sea surface pH was lower in the upwelling area than in the nearby nonupwelling area. A two end-member mixing model was used to separate the two opposite effects of the upwelling process on pH: physical transport of CO2rich waters from subsurface layers vs. biological production. Results showed that physical transport at least led to a dissolved inorganic carbon (DIC) increase of 110 μmol/kg，and a pH decrease of about 0.2 units，while strong biological production (chlorophyllalevel above 0.4 mg/m3) induced a DIC decrease by up to 70 μmol/kg，and a pH increase by up to 0.15 units. Overall，the physical transport of CO2rich waters was dominant，leading to a net decrease in pH. Also，we found that surface cooling and salinity increases induced by the upwelling played a relatively minor role in affecting pH (thermodynamically)，compared with effects of physical transport and subsequent biological production associated with the upwelling.

pH; eastern boundary upwelling; biological activity; physical transport; South Java；Indian Ocean

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.001

2015-01-29；

2015-05-14。

国家自然科学基金(U1406404)；国家海洋局专项(DC0315011，YZ0115004，QY0115003)。

薛亮(1981—)，男，山东省胶州市人，博士，助理研究员，主要从事海洋碳循环研究。E-mail：xueliang@fio.org.cn

P734.2

A

0253-4193(2015)08-0001-08

薛亮，王辉武，韦钦胜，等. 季风上升流对印尼爪哇岛南部海域pH影响的初步研究[J].海洋学报，2015，37(8)：1—8，

Xue Liang，Wang Huiwu，Wei Qinsheng，et al. Influence of monsoon upwelling on pH off the southern coast of Java Island，Indonesia: a preliminary study[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(8)：1—8，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.08.001