核素大气沉降过程及其对上层海洋POC输出通量研究的启示

【摘要】：天然存在的~(210)Po-~(210)Pb及~(234)Th-~(238)U核素对是评估海洋真光层颗粒有机碳(POC)输出通量的理想示踪剂。~(210)Po-~(210)Pb活度不平衡法是近些年兴起的评估手段,在我国海域的研究相对较少。大气沉降作为海洋中~(210)Po和~(210)Pb的重要源项,在先前评估POC输出通量时常常被忽视。本论文选取东海近岸的上海地区建立大气沉降观测站,通过长时间序列单次降雨事件中~(210)Po、~(210)Bi、~(210)Pb和~7Be观测分析,研究了核素大气沉降通量的变化模式和影响因素,其结果为东亚海区提供了~(210)Po、~(210)Pb和~7Be的沉降通量平均值。基于南黄海、长江口外东海及西北太平洋的水体中~(210)Po和~(210)Pb观测结果,本文验证了黑潮海区及西太平洋具有高~(210)Po和~(210)Pb的特征,并系统性地厘清了东中国海区~(210)Po和~(210)Pb的分配和清除行为及源汇格局。最后本文利用~(234)Th-~(238)U和~(210)Po-~(210)Pb活度不平衡法对南海北部陆坡海区真光层POC输出通量进行了评估,基于三个航次时间序列站水柱中~(210)Po和~(210)Pb的变化,本文发现颗粒态~(210)Po的活度浓度异常升高与中层生物昼夜垂直迁移(DVM)行为有关。论文主要研究结果和结论如下:(1)大气沉降是近海~(210)Po和~(210)Pb的重要来源。东海近岸典型代表区域(上海,2016年7月-2018年4月)单次降雨中多核素(~(210)Po-~(210)Bi-~(210)Pb及~7Be)观测结果表明:雨水中~(210)Po-~(210)Bi-~(210)Pb及~7Be的活度浓度随降雨量增大急剧降低,四种核素的湿清除过程与降雨的雨滴大小、云内清除和云下清除均有关;~(210)Po-~(210)Bi-~(210)Pb及~7Be的湿沉降通量具有明显的季节变化特征,且四种核素湿沉降通量之间也具有高度相关性,证明了四种核素受相似的湿清除和沉降过程控制;四种核素湿沉降通量与降雨量之间相关性较弱,表明核素的沉降通量不仅受控于降雨量,而且也受其他天气因素和天气过程(台风、梅雨、寒潮事件的发生等)影响。基于极端降雨中高时间分辨率的观测,本文观察到~(210)Po/~(210)Pb、~(210)Bi/~(210)Pb和~7Be/~(210)Pb的活度比值异常现象,推测来自平流层或上对流层的较“老”的气团会入侵对流层并影响核素的大气沉降通量。综合前期文献,东亚近海区~(210)Po、~(210)Pb和~7Be的年均大气沉降通量分别为18.6±4.2、309±182和(1.10±0.45)×10~3 Bq/m~2/yr。在利用~(210)Po-~(210)Pb活度不平衡法评估东亚海域POC输出通量时,如果不考虑~(210)Po的大气沉降贡献,将会导致评估结果偏低7-44%。(2)本文基于黄海(2015年8月)、长江口及东海(2016年7月和2017年5月)和西北太平洋(2018年5月)的四个航次海水中颗粒态和溶解态~(210)Po和~(210)Pb的活度浓度,综合前期文献数据,从较大空间尺度上绘制了西北太平洋及东中国海区海水中~(210)Po和~(210)Pb的分布。~(210)Po和~(210)Pb活度浓度在不同水体之间的大小顺序为:长江河水黑潮及西北太平洋海水近海/陆架区海水。根据东亚近海区~(210)Po和~(210)Pb大气沉降通量并通过构建~(210)Po和~(210)Pb的收支模型,表明大气输入项是东海海区~(210)Pb最重要的来源,占~(210)Pb所有来源的53.3%;~(210)Po的直接大气沉降输入仅占~(210)Po所有来源的3.4%,海水中原位~(210)Pb的衰变生产和外海水输入是东海海区~(210)Po最主要的两个来源,占比分别为48.4%和42.7%;河流输入的~(210)Pb和~(210)Po分别为各自所有来源的8.2%和5.5%。因此,本文认为针对远离河流影响的远海及大洋海区,运用~(210)Po和~(210)Pb进行示踪POC输出通量时,大气沉降贡献将会更加重要而不应该被忽略。通过对比,本文还发现外海水体中的悬浮颗粒物比河口和近岸水体中的悬浮颗粒物具有更高的比活度(Bq/kg-颗粒物)的~(210)Po和~(210)Pb,这表明外海生源颗粒物对~(210)Po和~(210)Pb的颗粒富集作用更显著。东中国海及西北太平洋海区~(210)Po和~(210)Pb的分配系数(K_d)≥10~4 m L/g,说明海洋环境中~(210)Po和~(210)Pb对颗粒物具有很强的亲和能力;通过绘制K_d-~(210)Po和K_d-~(210)Pb与颗粒物上POC/TSM比值的关系图,本文发现随着颗粒物上有机碳含量的增加,K_d-~(210)Po和K_d-~(210)Pb均持续增加并且K_d-~(210)Po与K_d-~(210)Pb之间的差异也逐渐变大,这一现象表明~(210)Po和~(210)Pb之间的分馏效应随颗粒物上POC含量的增加而加强;而K_d-~(210)Po始终大于K_d-~(210)Pb,表明~(210)Po对POC具有更强的颗粒物亲和性和生物活性。(3)南海(SCS)北部陆坡海域秋季(2014年10月)、夏季(2015年6月)和春季(2017年3月)水柱中~(210)Po、~(210)Pb和~(234)Th的活度分布表明南海北部水柱真光层存在明显的~(210)Po-~(210)Pb和~(234)Th-~(238)U活度不平衡。基于~(234)Th法(春季10.7±11.1mmol/m~2/d,n=7)和基于~(210)Po法估算的POC输出通量(春季4.6±1.9 mmol/m~2/d,n=8)之间存在比较明显的差异,可能与两种核素本身的地球化学行为以及所示踪过程的时间尺度有关。利用~(210)Po示踪法时,基于Eppley模型估算的POC输出通量(年平均6.5±2.7 mmol/m~2/d,n=16)高于基于Buesseler模型估算的POC输出通量(年平均4.0±2.4 mmol/m~2/d,n=17)。南海北部陆坡海区POC输出通量(mmol/m~2/d)的大小顺序为秋季春季夏季(Eppley法估算结果:8.8±2.76.3±2.24.9±2.0;Buesseler法估算结果:4.8±3.54.6±1.92.4±1.0),这反映生物碳泵过程存在显著的季节变化。~(210)Po-~(210)Pb和~(234)Th-~(238)U双示踪法估算得到南海北部陆坡海区真光层POC输出通量的全年变化范围为1.0-31.2 mmol/m~2/d,该结果与其他技术手段(如沉积物捕集器法)获得的POC输出通量结果比较接近。结合文献中报道的初级生产力数据,本文估算出南海真光层生物碳泵效率(f值)为12.5-17.7%。此外,本文发现白天水柱450 m层颗粒态~(210)Po活度浓度异常升高与中层鱼的昼夜垂直迁移过程有关,这表明颗粒态~(210)Po在示踪中层生物的昼夜垂直迁移过程带来的碳通量方面具有潜在价值。