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长江口及邻近海域低氧现象的探讨

朱卓毅  
【摘要】: 本研究在实验室建立了海洋中浮游植物光合色素的高效液相色谱测定方法。并以此为基础,测定了长江下游徐六泾、长江口和毗邻东海北部海区悬浮颗粒物以及现场有机物降解培养实验中的颗粒物色素浓度,同时还测定了长江口E4柱状沉积物中的色素含量;分析了1999至2003年共计5个航次的长江口、东海颗粒有机碳样品并进行了相关的动力学探讨。在此基础上,以2005至2007年共计5次长江口现场观测为依托,同时充分考虑颗粒有机碳、营养盐等其他生物地化参数,结合历史资料和文献报道,针对长江口和毗邻海区夏季出现的底层水低氧现象,对其历史趋势、严重程度、发生机制进行了探讨和分析。 对长江口和毗邻东海的生物地球化学背景研究显示,长江口、陆架区域和黑潮为主的外海POC平均含量分别为26.5,7.7和3.3μM。断面分布上,底层较高的TSM值(117mg/L)有时甚至达到表层的13倍之高。在E4站位,连续站观测说明POC含量分布呈现周期变化:正弦函数拟合显示,长江口POC日变化周期约为13h,和长江口半日潮周期相吻合;结合文献资料估算E4站位POC在真光层的停留时间在10天左右,且向外海呈现增加的趋势。在从长江口到冲绳海槽的整个东海陆架上,我们观测到底层存在一个高悬浮颗粒物浓度的雾状层。配合文献中的流场数据,估算出通过该雾状层向冲绳海槽输运的POC通量为0.22×10~(12)g/yr,占长江输入东海POC通量的约2%。 2004年8月至2007年2月在长江下游徐六泾的月际观测表明,长江口徐六泾色素以叶绿素a(Chla)含量最高(平均值0.9μg/L),2006年Chla含量比2005年增加了0.2μg/L,其余色素含量平均值从0.02μg/L到0.32μg/L不等。其中岩藻黄素(Fuco)是次于Chla的最高浓度色素(平均值0.3μg/L),再次是多甲藻素(Perid,平均值0.1μg/L)。Chla含量季节变化不明显,Fuco和Perid等其他色素则存在一定季节变化,但差异小于100%。 2006年6月至10月长江口和毗邻海区悬浮颗粒物中Chla,Fuco,Perid和叶绿素b(Chlb)等色素含量(平均值)分别为1.3μg/L,900ng/L,290ng/L和64ng/L。6~8月Chla平均值差异很小。但具体每次调查期间的特征色素含量却有差别。6月Perid含量较高,在8月和10月则主要以Fuco为主。空间分布显示,Chla主要分布在长江口东经123°的区域,向西或向东含量均下降;Perid/Fuco比值则在东经122.5°左右较大,随着进入外海比值下降。垂向上,色素主要分布在表层和次表层,40m以下浓度很低。2005年8月调查区域更靠近长江口,类似的,主要以Chla(1.3μg/L)、Fuco(1.3μg/L)和Perid(0.2μg/L)等色素为主。2007年2月调查区域涵盖整个东海南部陆架,与夏季相比,该季节色素含量较低。Chla、Fuco、Perid和Chlb平均值分别降为0.6μg/L,240ng/L,40ng/L和76ng/L。2006年在调查海域南部观测到DV Chla,暗示南部海域原绿球藻的存在。 根据现场溶氧(DO)数据并结合文献资料,发现长江口外低氧发生在夏季。发生低氧的区域主要在东经122°~123.5°,北纬30°~33°之间。从可查的1959年8月以来,底层溶氧平均值从1959年的5.9mg/L降低到2006年8月的2.7mg/L,同时低氧面积从1959年8月的~1800km~2增加到2006年8月的15400km~2,同时伴随大量DO<3mg/L的溶氧低值区。2006年8月氧亏损量达到1.7×10~6t,比文献中报道的1999年8月情况更为恶化。低氧面积、氧亏损量增加的同时,与历史情况相比长江口低氧区呈现北移的趋势,中心区域从北纬31°北移至2006年的北纬32.5°。 在调查中发现,较高的溶氧一般在较低的POC/Chla值下出现,随着POC/Chla值的增大,DO值逐渐降低。说明当有机物降解较彻底时,水体中溶解氧含量较低,有机物尚比较新鲜则溶解氧含量较高。 对溶氧与其他参数的进一步分析显示,AOU同时与有机物降解明显相关:底层样品的AOU与POC/PO4和POC/NO3呈负相关,说明有机物降解、营养盐再生与低氧伴随在一起。同时低氧与层化度Δρ/ΔZ有较好的相关性。综合温度、层化度和有机物降解等参数的多元回归分析也显示,AOU与层化度、有机物降解两者间存在较强的相关性,与温度的关系不大。说明长江口底层水的低氧是水体层化和有机物降解综合作用的结果,可以用式摘-1定量表达: AOU=2.5+0.0015×T~2+0.2570×Δρ-0.3730×ln(POC/NO_3)摘-1 2006年10月在现场进行的有机物降解实验中,色素在培养前后含量发生了明显的下降。实验条件分别控制为低氧(DO%<50%)和富氧(DO%>95%)两类。低氧条件下Chla和Fuco含量分别从0.8μg/L、1.0μg/L下降为0.3μg/L、0.5μg/L;富氧条件下Chla和Fuco含量分别从1μg/L、1.4μg/L下降为0.3μg/L、0.3μg/L。POC在实验前后含量也存在下降,含量分别从20.7μM(低氧)、28.6μM(富氧)下降为18.0μM(低氧)、16.3μM(富氧)。由于体系本身较高的营养盐含量,因此培养实验前后营养盐变化与有机物降解的耦合关系不明显,但低氧条件下氨氮实验前后存在明显增大,同时FCM技术检测显示细菌在实验过程中含量从910×10~3个/mL增加为最后的1300×10~3个/mL。聚球藻等FCM可检测的浮游植物在培养过程中含量下降明显,分别从低氧和富氧的270×10~2个/mL,200×10~2个/mL下降为最后的20×10~2个/mL、40×10~2个/mL。整个培养降解过程均伴随着体系的pH值下降。指数函数拟合显示,在本实验人工控制的条件下(特定的营养盐背景、较低的加富色素量及约20μM的POC浓度背景等),Chla的降解常数k(d~(-1))在低氧和富氧下分别为0.22和0.18,Fuco分别为0.21和0.18(0.67<r~2<0.96)。Chla在富氧下半衰期比低氧短,说明低氧更有利于Chla的保存;Fuco则两种条件下降解速度差异不大。根据有机碳降解的估算显示,长江口夏季有机碳降解造成对溶氧的需求速率为1.7~1.9mmol m~(-3)d~(-1)。 进一步对长江口沉积物的色素分析显示,长江口和毗邻海区的表层沉积物中Chla平均含量65mg/g OC,最大值为170mg/g OC。然后是Fuco含量较高,平均值38mg/g OC;再其次是Perid,平均值17mg/g OC。Fuco和Perid与Chla的分布比较相似,在长江口门附近区域含量较低,在该低值区域南北含量较高。但Fuco的含量是Perid的约2倍。Chlb最大值出现在调查区域的东北角H1-6站位,含量为44mg/g OC,Chlb在沉积物中含量平均值14mg/g OC。沉积物中Perid/Fuco(0.46)和Fuco/Chla(0.56)等比值与水体中Perid/Fuco(0.56)和Fuco/Chla(0.56)比值相近,而Allo/Chla(0.23)则与水体中(0.01)差异较大,可能与色素不同的稳定性有关。在高沉积速率的长江口区域,表层沉积物中色素与水体中高Chla和低氧分布趋势相似,说明高生产力、低氧环境有利于色素在沉积物中的埋藏与保存。E4柱中的色素在表层出现最大值,并在40cm左右以上随着深度的增加而迅速降低,Chla含量变化范围0.4~147mg/g OC,另外Fuco、Zea、Allo等平均值分别为6.3、11和7.3mg/g OC。在沉积物中Chla分布与1998年洪水等历史事件的响应说明沉积物中色素作为生物标志物的有效性,同时色素与沉积物中的生物硅分布趋势、历史上现场水体Chla含量、长江径流量等变化趋势相吻合。色素随深度变浅含量迅速上升,与长江流域近几十年来营养盐通量增加、长江口赤潮增加相对应。Chla与δ15N的显著相关性(r~2=0.86,p=0.001)说明人文因素排放的化肥与长江口高Chla含量有密切关系。模式分析显示,Chla在长江口沉积物中含量呈明显的指数式下降(r~2=0.94),降解常数k=1.39yr~(-1)。扣去该指数降解因素后,Chla在1980年后仍呈增大趋势,说明长江口水环境在上世纪80年代改革开放以来比之前更有利于色素的埋藏。


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