夏季东、黄海群落净生产力的分布及影响因素

2024-01-29吴智广张桂玲中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室山东青岛266100崂山实验室山东青岛266237中国极地研究中心中国极地研究所上海200136

中国环境科学 2024年1期

吴智广,秦川,3,王磊,张桂玲*(1.中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心,海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100；2.崂山实验室,山东青岛 266237；3.中国极地研究中心(中国极地研究所),上海200136)

海洋是自然界中重要的碳汇,其固碳能力在一定程度上受到表层海洋生物有机碳的生产和输出过程调控.群落净生产力(NCP)是海洋混合层中总初级生产力和群落呼吸作用的差值,在稳态条件下,NCP 相当于生物有机碳的输出通量,能很好的指示海洋生物泵的强度[1-2].混合层中浮游植物通过光合作用和呼吸作用将二氧化碳(CO2)和氧气(O2)进行耦合,因此可以通过O2浓度的变化来估算有机碳的输出通量[3].目前已经有很多研究通过测量O2的浓度变化来估算NCP[4],但海洋中溶解O2浓度的变化受到物理过程和生物过程的共同控制.氩气(Ar)作为一种生物惰性气体不参与生物活动,同时Ar 在海洋中具有和O2相似的溶解特性,因此将O2和Ar 进行归一化处理可以消除物理过程对于O2浓度的影响[5],从而利用O2/Ar 估算海洋NCP[6].近年来随着质谱技术的发展,连续走航观测海洋表层O2/Ar 的方法得到了迅速发展,在极地、大西洋、东太平洋等开阔大洋调查中,均利用此方法获得了高时空分辨率的NCP 分布数据[7-9].但目前在近海陆架海区相关研究非常有限,观测数据匮乏.受到陆地有机质和营养盐输入的影响,陆架海区的生物地球化学过程非常活跃,贡献了全球海洋初级生产力的14%～30%、全球海洋群落净生产力的33%[10-11].因此在陆架海区开展高分辨率的NCP 观测,评估复杂环境条件导致的生物泵强度的变化,对于深入认识全球海洋碳汇强度及其调控因素至关重要.

东、黄海作为连接亚洲和西北太平洋的陆架边缘海,生物活动强烈,具有较高的生物生产力,在全球碳循环中占据重要地位[12].受到黄海暖流、苏北沿岸水、长江冲淡水、浙闽沿岸流、台湾暖流和黑潮等流系的影响,东、黄海水文条件复杂且季节性差异较大[13].复杂的水文环境和营养结构造成东、黄海碳源汇格局和生产力的时空分布具有明显的时空变化[14-15].近年来,对于东、黄海初级生产力的分布和控制因素已经开展了若干研究[14-16],但受限于调查方法,这些研究多为离散的站位采样,分辨率较低,无法全面反映高度动态变化的海域内中小尺度物理过程带来的影响.近几年已有学者开始对东、黄海NCP 进行研究,如Lee 等[17]于春季在济州岛西南部黄海海域和东海部分海域,开展了基于高分辨率的O2/Ar 走航观测估算NCP 的研究,但其观测区域仅限于韩国近岸并未覆盖东、黄海大部分海域.韩宗奕等[18]于秋季在南黄海、东海开展了O2/Ar走航观测,虽然该研究与Lee 等[17]相比在调查区域上有所扩展,但仍对NCP 的季节变化认识不足.因此,在东、黄海开展不同季节的高分辨率NCP 走航观测,对全面认识东、黄海碳输出效率及其时空变化有重要意义.本研究在2018年夏季开展了东、黄海O2/Ar 走航观测,获得了高分辨率的O2/Ar 和NCP 数据,认识了其分布特征,并结合走航过程中获得的其他水文参数(温度、盐度、叶绿素、溶解氧)和定点观测获得的营养盐数据,对影响NCP 分布的主控因素进行了分析探讨.

1 材料与方法

1.1 调查区域和航次信息

于 2018年 6～7月搭载“东方红 2”科考船对东、黄海(24～40°N、118～127°E)进行调查,调查区域主要海流如图1a所示,夏季黄海暖流消失,底层冷水团形成,出现温跃层,长江冲淡水在季风的影响下呈现东北急流状,台湾暖流北上,前缘水影响到长江口附近[13].走航轨迹及站位分布如图1b所示.利用膜进样质谱仪走航观测表层海水中溶解气体(O2、Ar),通过多参数水质仪走航测定温度、盐度、溶解氧、叶绿素等参数.

图1 2018年夏季东、黄海表层流场流速图(a)及航次站位分布(b)Fig.1 Surface current field,seawater velocity(a)and the distribution of the observation stations(b)in the East China Sea and Yellow Sea in summer 2018

1.2 走航观测系统

参照Guéguen 等[7]的研究方法,使用HPR40 膜进样质谱仪(MIMS)自行组装搭建了船载连续走航观测系统[19-20].采用船载自吸泵抽取表层(～5m)海水,并分为三路.第一路主要进行溶解气体O2、Ar的测量,首先将海水引入中转池以消除气泡带来的影响,然后使用蠕动泵将中转池内的海水以恒定的流速(～220mL/min)抽出,海水经过恒温水浴(温度控制为低于表层海水温度2 ℃)进入到MIMS 的海水流通池,海水中溶解的气体可以通过流通池内的硅胶半透膜扩散进入质谱仪的真空腔,经离子化后按照不同的质荷比进行分离并测定O2、Ar 离子浓度信号.本方法具有良好的准确度和精密度,对20 组水样进行平行测定,O2、Ar 和O2/Ar 的信号精密度为1.22%、1.31%和0.22%,连续12h 测定同一组水样,得到O2、Ar 和O2/Ar 的信号值偏差为1.57%、3.75%、2.61%[19].第二路海水流经装有多参数水质分析仪(RBR Maestro,RBR,加拿大)的水槽以测定温度、盐度、溶解氧(DO)和叶绿素a(Chl-a)等参数.第三路则用于排出多余的海水,并粗略控制其他两路海水流速.走航系统中获取的数据及其他水文参数基于世界标准时间进行匹配对应,最终处理成5min 间隔的数据集.

1.3 参数校正

每隔6～8h 使用与大气平衡的标准海水样品校正O2/Ar,以保证仪器的稳定运行和计算Δ(O2/Ar).具体操作为取1L 过滤(0.22µm 滤膜)后海水装入玻璃瓶中,然后置于恒温水箱中,控制恒温水箱温度与海表温度相同,利用空气泵进行鼓泡24h 以上,使海水样品内气体与大气达到平衡[21].使用MIMS 对与空气平衡的标准海水样品进行测定,其中前200mL 样品用于冲洗管路,剩余海水经过3～4min 的再循环,测定平均O2/Ar.在测量平衡海水样品的过程中,蠕动泵流速和恒温水浴温度与走航时保持一致[6].

每隔6h 从走航管路中采集离散的水样对多参数水质仪获得的参数进行校正,以保证获得数据的准确性.DO 样品使用 Winkler 滴定法现场测定,Chl-a 海水样品经Whatman GF/F 滤膜过滤后,用铝箔包裹滤膜后置于-20℃的冰箱内冷冻保存,带回实验室依照《海洋调查规范》[22]使用荧光法进行测定.依据采样时间与走航多参数分析仪所得的数据进行校正.

1.4 基于氧氩比值估算群落净生产力

NCP 根据MIMS 获得的走航O2/Ar 信号值(记为(O2/Ar)obs)与鼓泡平衡后标准海水的O2/Ar(记为(O2/Ar)eq)进行计算.由于O2和Ar 的物理特性相近,Δ(O2/Ar)即为生物氧过饱和度,反应了生物过程导致的O2含量改变,计算公式如下[5]:

假设表层海水处于稳态条件,在忽略垂直混合的前提下,NCP[mmol C/(m2⋅d)]就相当于海-气生物氧通量,可用如下公式计算[23]:

1.5 卫星数据的获取及应用

本文还借助各类卫星遥感及模式数据集等产品对调查结果进行综合分析.Sea water velocity 用于绘制调查海域的海表流速流场图(图1a),该产品主要由经向和纬向流速数据构成,表层流场主要由CMEMS REP卫星地转流和模拟的表层Ekman流结合获得[28].海平面上方10m 的风速主要由欧洲天气预报中心发布的ERA 风速再分析数据获得(https://cds.climate.copernicus.eu/),同时使用 METOP-A和、METOP-B 以及 METOP-C 卫星上散射计观测的数据进行风场和风速校正(https://www.remss.com/missions/windsat/).

2 结果和讨论

2.1 水文和生化参数大面分布

根据东、黄海的水文特征并结合实际走航路线,将调查海区划分为5 个子区域分析,即:北黄海、南黄海、长江冲淡水辐射区(盐度<31)、浙闽沿岸(深度<50m)和东海陆架[13],不同子区域的各参数汇总于表1,表层海水各参数的大面分布如图2所示,不同区域各参数均表现出明显的空间差异.调查海区表层海水温度范围为14.34～29.07℃,自北向南逐渐升高,其中东海表层海水温度还存在自近岸向外海逐渐升高的趋势.受长江冲淡水向东北方向扩展的影响[29],长江口及其东北邻近海域出现盐度低值,同时受夏季苏北沿岸水东南向扩展的影响[30],苏北浅滩外侧和海州湾外侧均出现盐度低值(图2b).东海陆架表层海水盐度(33.32±0.92)明显高于黄海(31.15±1.60),主要是受到黑潮水入侵的影响[14].夏季黑潮表层水和台湾暖流可影响到浙闽沿岸28°N 以南海域[31],使其盐度达到32.34.本研究Chl-a 浓度的变化范围为0.01～13.97µg/L,极大值出现在长江口.受到陆地径流的影响,浙闽沿岸的Chl-a明显高于东海陆架,苏北沿岸Chl-a也明显高于南黄海中部及北黄海(图2c).调查海域DO 整体上呈现自北向南逐渐降低的趋势,黄海DO((8.16±0.72)mg/L)明显高于东海((7.16±0.81)mg/L),但DO 最高值出现在长江冲淡水辐射区(图2d).

表1 2018年夏季东、黄海不同区域参数汇总Table 1 Summary of parameters in different regions of the East China Sea and Yellow Sea in Summer 2018

图2 2018年夏季东、黄海表层温度(a)、盐度(b)、Chl-a(c)、DO(d)、Δ(O2/Ar)(e)、NCP(f)大面分布Fig.2 Surface distributions of temperature(a),salinity(b),Chl-a(c),DO(d),Δ(O2/Ar)(e)and NCP(f)in the East China Sea and Yellow Sea in Summer 2018

2.2 东、黄海 Δ(O2/Ar)及群落净生产力的分布

2018年6～7月东、黄海Δ(O2/Ar)的变化范围为-28.1%～71.4%,平均值为(3.3±8.5)%,整体处于过饱和状态.在南黄海南部苏北浅滩外侧(33°N、121.8～122.5°E)区域出现Δ(O2/Ar)的低值((-20.4±6.1)%)(图 2e),该区域 DO 浓度也较低((5.94±0.62)mg/L)(图2d).韦钦胜等[32]研究表明,受海水层化和表层生物繁殖造成的大量有机碎屑沉降分解影响,夏季此区域底层存在 DO 低值区(DO<4.0mg/L),表层DO 及Δ(O2/Ar)低值可能是受到低氧底层水涌升的影响.长江冲淡水辐射区的Δ(O2/Ar)((13.0±15.1)%)显著高于其他区域,主要是由于长江输入了大量的营养盐,使得该海区生物量较高,Chl-a 和Δ(O2/Ar)均有明显升高,浙闽沿岸海区也受到陆源输入影响出现Chl-a 和Δ(O2/Ar)的升高.

东、黄海NCP 的分布趋势同Δ(O2/Ar)大体一致,在-185.1～293.2mmol C/(m2·d)之间变化,平均为(12.9±36.7)mmol C/(m2·d),整体处于净自养状态.南黄海区NCP 的平均值为(-1.2±25.4)mmol C/(m2·d),呈现异养状态,与其他区域的净自养状态表现出明显差异.移除受上升流影响的低氧(DO<6.5mg/L)区域的数据后,南黄海的 NCP 为(2.6±15.0)mmol C/(m2·d),呈现自养状态,但明显低于北黄海((9.5±4.0)mmol C/(m2·d)).东海整体的NCP 为(21.0±38.2)mmol C/(m2·d),其中长江冲淡水辐射区((45.7±53.2)mmol C/(m2·d))和浙闽沿岸((43.3±55.6)mmol C/(m2·d))结果相近,约是东海陆架海区((14.0±28.0)mmol C/(m2·d))的3 倍,与Hama 等[33]发现东海近岸海区的积分初级生产力是外海区域3.7 倍的结果相一致.这主要由于东海陆架海区受到高温高盐的黑潮水影响,营养盐较低,不利于浮游植物生长,因此Chl-a 和NCP 均较低.

将历史上不同时期东、黄海生产力平均值相比较,发现在陆源输入、黑潮、季风等的影响下,生产力的状况存在复杂的时空变异性(表2).Lee 等[17]基于O2/Ar 开展NCP 的观测,测得春季黄海南部的NCP 为(35.0±13.3)mmol C/(m2·d),高于本研究夏季的结果((-1.2±25.4)mmol C/(m2·d)),但其研究区域局限于韩国附近海域,相比于本研究覆盖南黄海范围较小,无法反映整个南黄海的NCP 分布特征.韩宗奕等[18]观测得到秋季南黄海NCP 为(-9.2±23.2)mmol C/(m2·d),东海陆架海区为(-4.0±18.7)mmol C/(m2·d),与本研究在南黄海、东海观测到的结果出现了明显的季节性差异.Jang等[34]采用13C培养法测定南黄海中部碳吸收速率,估算总初级生产力(GPP)为(24.25±13.75)mmol C/(m2·d),本研究利用氧氩比值法计算得到的NCP 约占GPP 的5.7%,与Quay 等[35]报道的太平洋时间序列站位的NCP/GPP(5%～40%)相一致.历史上在黄、东海开展了很多有关于初级生产力的观测[36-38],生产力的控制因素主要是水团、光照、营养盐等,因此初级生产力的时空变异性一定程度上也可以类比NCP 的变异程度.2006年北黄海冬季和夏季初级生产力差值可达3 倍左右,2006年夏季东海和北黄海的初级生产力差值可达6 倍,2011年春季和夏季东、黄海初级生产力的差值在1.5 倍(表2).站位采样可以较好的反映时间差异,但不能反映出高分辨率的空间差异,因此在该海区开展不同季节的高分辨率NCP 观测十分必要.

表2 东、黄海生产力历史资料结果比较Table 2 Production comparison with historical data in the East China Sea and Yellow Sea

2.3 群落净生产力分布的影响因素

受东、黄海不同水团影响,NCP 的分布出现明显的空间变化,如图3所示,夏季浙闽沿岸海区受到黑潮表层水和台湾暖流的影响,其温度和盐度与东海陆架差异性较小(图3a).但陆源输入为该海区提供了较高的营养盐,本研究发现浙闽沿岸(DIN 为(11.10±0.57)µmol/L)与东海陆架海区(DIN 为(0.15±0.25)µmol/L)营养盐浓度存在数量级的差异,并且该海区Chl-a的浓度为东海陆架的两倍,因此得到浙闽沿岸的NCP 约为东海陆架的3 倍.长江冲淡水辐射区的盐度(27.83±2.62)明显低于其他区域(图3a),并且在光照和陆源输入的双重影响下[39],该海区海水表层温度在23～28℃,适宜浮游植物生长[40],本研究NCP 的最高值出现在该海区.夏季长江冲淡水输送大量的DIN 和硅酸盐等营养盐进入东海[41],受到夏季东南风的影响多向东北方向扩展,其影响甚至可达到日本海域[42].长江口邻近的D2、P1 站位观测到本研究营养盐的最高浓度,伴随着叶绿素最高值,但并未对应最高的NCP 值,距离长江口较远的P2、D3站位虽然营养盐浓度有所下降,但出现了比P1、D2站位更高的NCP 值(图3a).推测长江口存在其他因素限制了浮游植物的光合作用或者加强了其呼吸作用,导致NCP 和Chl-a 高值出现解耦合.林志裕等[38]的研究均发现,长江入海口处湍流强烈造成水体浑浊度增加,降低了混合层光照强度,因此光照可能是造成长江口NCP 较低的重要原因.东海陆架区Chl-a 浓度((0.60 ± 0.82)µg/L)为本研究低值,主要是该海区受到黑潮水的强烈影响,营养盐浓度降低,浮游植物的生长受到限制[31],进而影响该海区的NCP.北黄海Chl-a 浓度((0.58±0.15)µg/L)与东海陆架海区相近,低于其他三个区域,本研究发现北黄海Chl-a 和表层海水温度呈现负相关关系(r=0.64,P<0.01),同时NCP 与海表温度呈现负相关,在其他四个区域表层海水温度和Chl-a 并未呈现负相关关系.这主要是由于夏季北黄海受到光辐射加强,引起海表温度提升,对浮游植物生长产生光抑制[37].南黄海受到黄海冷水团的影响,表层海水温度普遍在22℃以下[44].夏季黄海冷水团形成,阻碍了下层水体中营养盐的上升,表层营养盐被快速消耗而得不到补充,对于浮游植物的生长存在强烈的限制[45],浮游植物生物活动的减弱降低了南黄海的NCP.

图3 2018年夏季东、黄海群落净生产力(a)和叶绿素a(b)的T-S 点聚图Fig.3 T-S diagram of NCP(a)and Chl-a(b)in the East China Sea and Yellow Sea in Summer 2018

为了深入认识不同海区NCP 主要影响因素,将CTD 采样站位的各参数进行Pearson 分析(图4).调查海域整体DIN 与Chl-a、Δ(O2/Ar)和NCP 均呈现显著的正相关,相关性系数分别为0.86,0.58,0.40(P<0.01),表明DIN 是影响夏季东、黄海浮游植物生长和NCP分布的关键因素.本研究发现PO43-与NCP之间并不存在显著相关性(P>0.05),因此PO43-不是夏季东、黄海NCP 的控制因素.北黄海表层海水中SiO32-浓度低于检出限(图5b),张海波等[46]也观测到该结果,这不利于黄海优势藻种硅藻的生长[47],降低了浮游植物生物量.除去北黄海海区数据后,SiO32-与NCP 正相关关系较弱(r=0.33,P<0.05),却与DIN存在显著的相关关系(r=0.94,P<0.001),这反映出其他海区SiO32-和DIN 存在着相似的分布趋势,因此SiO32-是夏季调查海域NCP 分布的影响因素之一,但SiO32-对NCP 分布的影响较弱.

图4 2018年夏季东、黄海各参数相关性分析(Pearson)图Fig.4 Pearson correlation analysis of various parameters in the East China Sea and Yellow Sea in summer 2018

图5 2018年夏季东、黄海群落净生产力和溶解无机氮、硅酸盐之间的相关性分析Fig.5 Correlation analysis among NCP,DIN,SiO32- in the East China Sea and Yellow Sea in summer 2018

在东海陆架海区N/P(3.0)远低于海洋浮游植物生长的Redfield 比值(N/P = 16),表明在该海区存在N 限制,影响浮游植物的生长.DIN 是东海陆架海区NCP 的主要影响因素,这与王保栋等[41]观察到的该海区浮游植物生长受到N 限制结果一致.浙闽沿岸的PO43-浓度大于长江冲淡水辐射区,DIN 和SiO32-浓度却小于该海区,推测长江冲淡水辐射区可能存在P 限制.该海区N/P 平均值为98,高于Hu 等[48]根据培养实验提出的长江口浮游植物生长的磷限制标准(N/P>30),但Chl-a 浓度和NCP 为5 个区域中最高.因此长江冲淡水辐射区磷酸盐浓度虽然较低,但并不会对于浮游植物的生长产生限制,也不会成为该海区NCP 分布的影响因素.

光照强度是影响海洋生产力的重要因素.混合层深度(MLD)作为混合层光可利用程度的指标,混合层越浅代表着其光照越充足.定义NCP和MLD的比值为单位体积水体的群落净生产力(NCPvol)[49].本航次纬度跨越范围大,光照强度也存在强烈的差异,因此选取北黄海站位进行MLD 和NCPvol的相关分析.移除DIN 较高(DIN>0.2µmol/L)的站位后,北黄海MLD 变化范围为5～12m,MLD 和NCPvol存在负相关关系(r=-0.74,P<0.01),混合层较浅站位的NCPvol更高,表明光照充足时群落净生产力也较高.当混合层深度大于10m后,NCPvol出现明显的下降(<1mmol C/(m3·d)),傅明珠等[50]发现2006年夏季南黄海混合层深度多在10m 以浅,且小于真光层深度,混合层内光照充足并促进生产力的增加.长江冲淡水辐射区的P1(5.9mmol C/(m3·d))、D2(15.1mmol C/(m3·d))站位的 NCPvol低于 P2(15.1mmol C/(m3·d))、D3(19.2mmol C/(m3·d))站,这可能是在长江入海的影响下,海水的浑浊度增加导致混合层内光照强度降低[41],距离长江口越近站位该影响越强烈所导致.因此在营养盐充足的条件下,光照成为了控制长江口NCP 分布的重要因素.