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中国近海河口陆架区域溶解有机碳来源、分布与输送

孟菲菲  
【摘要】:溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)是海洋中最大的活性碳库之一,其碳储量与大气二氧化碳的碳储量相当,通过调节海洋微食物网中的相关过程,在不同时间尺度上影响气候变化,因此备受关注。近海系统连接陆地和海洋,厘清其中的有机碳循环过程与机制是评估近海在全球碳循环及气候变化中所发挥作用的基础。然而,由于近海生产力高且动力过程复杂多变,揭示近海DOC的来源、分布、转化与输送是一个极具挑战的命题。本论文以珠江口、南海北部陆架和东海为目标研究区域,系统研究了河口-近海-深海这一连续体系中DOC的分布、变化与控制,主要内容包括:(1)应用稳定和放射性碳同位素(δ13C和△14C)示踪河口有机物来源与转化;(2)探析中国邻近两大陆架系统一南海北部陆架和东海DOC的不同来源,应用端元混合模型定性、定量区分物理混合与生物活动对有机碳循环的影响,并估算陆架间及跨陆架DOC输送通量。本研究展示了 2017年7月夏季珠江口及其邻近陆架底层缺氧区DOC、颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon,POC)δ13C 和△14C 分布。表层水中r13CDOc 和δ13CPOC 的变化范围分别为-27.2-23.9‰和-29.9~-22.5‰;DOC和POC的14C年龄范围分别为390~2260年和225~2260年。在河海水混合过程中,δ13CDOC和δ13CPoC随盐度的增加逐渐变重,△14CDoc值逐渐变低、△14CPoC值逐渐变高。珠江口河水端r13C和△14C组成指示河流输入的DOC和POC呈现老龄陆源特征,可能主要源于受地表径流侵蚀的深层土壤。DOC浓度和同位素的结果均显示相对于河海水两端元保守混合,珠江口下游表层水体中存在显著的DOC添加。结合△14CPoc和总悬浮物质中POC百分含量(%POC),推测河流冲淡水中高营养盐刺激的浮游植物现场生产的POC是珠江口西侧底层缺氧区耗氧有机物的主要来源。同位素质量平衡计算结果显示,陆源有机碳和浮游植物现场生产有机碳对珠江口非化石POC的贡献相当。另外,根据三端元混合模型计算,底层缺氧区存在较年轻DOC的添加,又基于同位素质量平衡,推算这部分添加的DOC可能源于非化石POC的降解、溶解和破裂。因此,河口富营养化刺激浮游植物现场生产大量生源颗粒物,在其沉降过程中消耗水体中的溶解氧进行再矿化和转化,是导致夏季珠江口外陆架底层缺氧区形成的主要原因。基于春(2011年5月至6月)、夏(2012年7月至8月)、秋(2010年10月至11月)、冬(2008年11月至12月)四个季节开展的航次调查,本研究分析了南海北部陆架DOC分布特征和季节变化。表层DOC浓度在四个季节均大体呈现由近岸至远岸逐渐降低的趋势;夏季,受珠江冲淡水和局地小河流输入的影响,在近岸站位表层水中观测到DOC浓度最高值约为117μmol L-1;冬季,水体垂直混合增强可将次表层低DOC水输送至表层,从而在外陆架站位表层水中观测到DOC浓度最低值约为62μmol L-1。垂直方向上,DOC浓度一般随深度增加而逐渐降低。然而,在沿岸下降流影响区域DOC却呈现反向分布特征,沿岸下降流将近岸表层水中的高DOC输送至远岸深层,造成深层浓度高于表层。冬季,考虑中国沿岸流携带的营养盐转化为新生产力所产生的DOC,其向南海北部陆架输送的DOC净通量为(10.3±6.4)×1011g C,比冬季珠江输入南海的DOC通量高一个数量级。计算四个季节珠江口外同一断面上的DOC储量结果显示,秋季DOC储量为(1.245±0.005)×109 g C,至冬季时降低为(1.200±0.003)×109 g C,最主要原因可能是冬季大范围的沿岸下降流驱动DOC的跨陆架输送,该通量可达3.1×1012 g C。尽管物理混合过程主控南海北部陆架DOC分布和季节变化,在夏季河流冲淡水和沿岸上升流中仍可观测到显著的DOC净生产,其产量分别为2.8±3μmiolL-1和3.1±1.3μmolL-1。因此,南海北部陆架不同季节的DOC来源主要包括河流输入、陆架间输送和现场生产,这些积累的DOC可通过跨陆架动力过程输送至远岸深层水中,从而在南海北部陆架固碳中发挥着重要的作用。基于春(2011年5月至6月)、夏(2012年8月)、秋(2010年11月至12月)、冬(2009年12月至2010年1月)四个季节开展的航次调查,本研究分析了东海DOC分布特征和季节变化。近岸表层DOC浓度显著高于远岸,且沿着内陆架向北递增。春季,受陆源输入和生物生产的共同影响,在长江冲淡水影响站位表层水中观测到DOC浓度最高值约为175 μmol L-1;冬季,受东北季风驱动的垂直混合和黑潮次表层水涌升的共同影响,在陆架坡折站位表层水中观测到DOC浓度最低值约为59μmol L-1。结合温度、盐度和DOC浓度可有效区分东海不同水团,进而分析不同水团中DOC的季节变化规律。东海陆坡区域的DOC浓度与位密度呈现显著的正相关关系,指示了物理混合是控制该区域DOC分布的主要过程;但在上层,同一密度对应的DOC浓度仍存在明显变化,说明其它过程,包括生物活动和光化学反应,也产生了一定影响。比较东海、南海和黑潮DOC垂直分布,发现600 m以浅水体中等密面上的东海DOC浓度显著高于南海和黑潮,其原因可能是东海内部颗粒物的转化或陆架有机物的水平输送。基于三维海洋环流模式中的水通量和实测DOC浓度,估算跨200m等深线由东海输出的DOC净通量为10.6 Tg C yr1,与边缘海向大洋输送DOC的全球平均通量相当。综上所述,物理混合和生物活动共同调控中国近海河口陆架区域的DOC来源、分布与输送。其中,河流冲淡水向近海输入了大量有机碳和营养盐,而沿岸上升流和边界流次表层水入侵所驱动的向岸过程也可将远岸深层水中的高营养盐(低DOC)输送至陆架浅水区域;丰富的营养盐供应则促进了生物生长,导致陆架区域有机碳的生产大于消耗。另一方面,沿岸下降流和跨陆架环流驱动的离岸过程则将近岸高浓度DOC输送至外海深层水中,从而避免被微生物快速降解,得以长时间保存在海洋内部,显著增加了陆架泵的固碳效率。区域性调查对全球尺度上准确评估海洋DOC收支极为重要,本研究所展示的高时空分辨率采样策略和物理与生物地球化学耦合分析思路,在类似的区域性研究中尤为关键。此外,应用稳定和放射性碳同位素成功甄别了缺氧区有机物的来源与转化,有助于针对河口缺氧区制定合理有效的有机物排放与管理政策。


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