膠州灣秋季表層海水CO分布及水2氣界面通量3p2

劉啟珍,張龍軍,薛 明

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

膠州灣秋季表層海水CO分布及水2氣界面通量3
p2

劉啟珍,張龍軍33,薛 明

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

根據(jù)2007年11月31日在膠州灣走航連續(xù)觀測(cè)所得pCO2數(shù)據(jù),結(jié)合水文、化學(xué)和生物等要素的同步觀測(cè)資料,對(duì)膠州灣海域pCO2分布及其影響因素進(jìn)行了探討。結(jié)果表明:秋季膠州灣表層海水pCO2實(shí)測(cè)值在315～720μatm之間,平均值為423μatm。東部海域由于有機(jī)物降解及李村河水輸入的影響表現(xiàn)為大氣CO2的源;西部海域由于浮游植物活動(dòng)的影響為大氣CO2的弱匯區(qū);灣中部水交換較好的海域,浮游植物活動(dòng)和有機(jī)物降解共同影響著pCO2的分布。總體來說,秋季膠州灣表現(xiàn)為大氣CO2的弱源,海2氣界面CO2交換速率在-5.94～23.15 mmol·m-2·d-1之間,平均值為2.87 mmol·m-2·d-1,由此可估算出秋季膠州灣可向大氣釋放940.74 tC。

膠州灣;pCO2;有機(jī)物降解;浮游植物活動(dòng)

陸架邊緣海面積僅占全球海洋總面積的7%,但其初級(jí)生產(chǎn)力卻占全球海洋總初級(jí)生產(chǎn)力的15%～30%[122],同時(shí)由于有機(jī)物礦化、上升流、河流輸入等過程的影響,使得陸架邊緣海在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用。近年來,陸架邊緣海CO2源/匯問題受到越來越多的關(guān)注并成為人們研究的熱點(diǎn)。Schiette2 catte等[3]認(rèn)為雖然北海南部灣全年尺度上是大氣CO2的匯,但從8～12月是大氣CO2的源,從2～6月是大氣CO2的匯。Jiang&Cai[4]認(rèn)為南大西洋海灣全年尺度上是大氣CO2的凈匯,但夏季表現(xiàn)為大氣CO2的源,冬季表現(xiàn)為大氣CO2的匯,pCO2的季節(jié)變化主要受控于表層海水的溫度變化。Zhang等[5]認(rèn)為南黃海中國(guó)大陸一側(cè)的沿岸區(qū)域由于垂直混合、上升流及陸岸的影響,自冬季到夏季始終是大氣CO2的源,而中部海域則由冬季大氣CO2的源轉(zhuǎn)變?yōu)榇杭敬髿釩O2的匯,夏季大氣CO2的匯只出現(xiàn)在長(zhǎng)江沖淡水區(qū)。由此看來,就某一海區(qū)而言往往是CO2源/匯并存,或在某個(gè)季節(jié)是源而另1個(gè)季節(jié)則是匯。

膠州灣(35°57′N～36°18′N,120°04′E～120°23′E)位于山東半島南岸,是1個(gè)典型的半封閉型淺海灣,東西北三面被青島市環(huán)繞,只有南部與黃海保持著一定強(qiáng)度的水交換。由于城市化的影響,注入膠州灣的大部分河流已基本成為排污通道,每年有75%的城市污水通過這些河流注入膠州灣,主要污染物有N,P, COD和油類物質(zhì)[6]。另外,膠州灣的海水養(yǎng)殖業(yè)也已經(jīng)成為水體污染的主要來源之一[7]。針對(duì)城市化影響和人為污染較為嚴(yán)重的膠州灣,開展水2氣界面CO2通量研究,不僅對(duì)于認(rèn)識(shí)人為環(huán)境污染對(duì)局部海區(qū)CO2源/匯格局的影響非常重要,而且對(duì)于認(rèn)識(shí)沿海城市周邊海域能否發(fā)揮類似于內(nèi)陸城市周邊綠地、森林大量吸收CO2的作用,減少經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市大氣中的CO2濃度,減輕因削減排放而對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)造成的壓力,也是非常重要的。

關(guān)于膠州灣碳酸鹽體系的研究,早期的有:劉輝等[8]用庫(kù)侖滴定法測(cè)定膠州灣的溶解無機(jī)碳(DIC),討論了1995—1996年膠州灣水體中的二氧化碳體系;沈志良等[9]通過p H和堿度計(jì)算了1997年膠州灣各季節(jié)海水中二氧化碳體系各組分的分量。上述研究對(duì)灣內(nèi)DIC、堿度的分布原因進(jìn)行了細(xì)致的分析,但由于pCO2參數(shù)是通過化學(xué)平衡計(jì)算的方法得到,因此對(duì)其源/匯分布原因沒有詳細(xì)討論。Li等[10]研究了2003年6月和7月膠州灣表層海水DIC的分布特征,指出DIC的分布主要取決于灣內(nèi)水文條件、生物活動(dòng)、陸源輸入等;并利用p H和DIC 2個(gè)參數(shù),采用化學(xué)平衡計(jì)算的方法計(jì)算了膠州灣2003—2004年各季節(jié)的表層海水pCO2[11],估算了海2氣界面CO2通量,并認(rèn)為溫度是控制膠州灣CO2系統(tǒng)和碳源/匯過程的主要因素。上述研究對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)膠州灣海2氣界面CO2通量及其機(jī)制奠定了一定的基礎(chǔ),但作者也注意到膠州灣至今未見實(shí)測(cè)pCO2的報(bào)道,浮游生物活動(dòng)、人為污染對(duì)海2氣界面CO2通量影響研究也很少見。本文依據(jù)2007年11月31日對(duì)膠州灣的大面積調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)走航實(shí)測(cè)的pCO2數(shù)據(jù),給出了秋季pCO2的分布特征、變化規(guī)律和秋季CO2通量,討論了有機(jī)物降解和浮游植物活動(dòng)等因素對(duì)膠州灣pCO2分布格局的影響。

1 站位布設(shè)及采樣分析方法

調(diào)查區(qū)域及站位布設(shè)如圖1所示(共設(shè)有23個(gè)站位)。航次歷時(shí)7 h,自2007年11月31日9:30～16: 30。采樣過程中天氣晴朗,氣溫為2～8℃,海況良好(1級(jí))。表層海水二氧化碳分壓(pCO2)、溫度(T)和鹽度(S)由走航式綜合觀測(cè)設(shè)備連續(xù)獲得,其中pCO2是將表層海水經(jīng)連續(xù)流動(dòng)式水2氣平衡器平衡除濕后經(jīng)Li2Cor 7000非色散紅外分析儀測(cè)定,量程為0～3 000μatm,精確度為1%;T和S由SBE 45 Micro TSG(Sea2Bird Inc.,Bellevue,WA,USA)走航獲得。溶解氧(DO)用溫克勒法測(cè)定平行雙樣;p H采用p HS22型酸度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定平行雙樣,精確度為± 0.01;Chla采用熒光分光光度計(jì)(F3010,Hitachi Co., Tokyo,Japan)測(cè)定;堿度(Alk)采用Gran作圖2酸直接滴定法由AS2AL K2堿度滴定儀(Apollo SciTech)測(cè)定,準(zhǔn)確度為0.1%;溶解無機(jī)碳(DIC)和溶解有機(jī)碳(DOC)采用非色散紅外吸收(NDIR)法用總有機(jī)碳分析儀(島津TOC2VCPN,Japan)測(cè)定,精密度為±2μmmol kg-1。

圖1 調(diào)查區(qū)域站位圖Fig.1 Location of survey stations in Jiaozhou Bay

2 結(jié)果

2.1 水文數(shù)據(jù)及pCO2分布

圖2,3分別是秋季膠州灣表層海水溫、鹽分布圖,溫度和鹽度分布范圍分別是8.11～13.03℃和28.00～30.49。從圖4可以看出,溫鹽關(guān)系較為復(fù)雜,只呈現(xiàn)出微弱的正相關(guān)關(guān)系。近岸區(qū)受陸地降溫和河流輸入的影響呈現(xiàn)出低溫低鹽的特點(diǎn),同時(shí)在李村河水影響的區(qū)域出現(xiàn)一低鹽水舌,由于東部近岸人口密集工業(yè)發(fā)達(dá),排污口較多,城市化影響嚴(yán)重,而西部近岸以農(nóng)田、鹽田為主,城市化影響較小,因此東部近岸海域(圖4中黑色圓圈點(diǎn))溫度要較西部近岸海域(圖4中紅色正方形點(diǎn))偏高;其他海域(圖4中藍(lán)色三角形點(diǎn))受陸源影響較小且與南黃海水交換作用明顯,呈現(xiàn)出高溫高鹽的特點(diǎn),溫鹽等值線向內(nèi)發(fā)生彎曲,自東南向西北呈舌狀分布。

圖2 表層海水溫度分布(℃)Fig.2 Spatial distribution of sea surface temperature

圖3 表層海水鹽度分布Fig.3 Spatial distribution of sea surface salinity

圖5 是表層海水pCO2分布,由圖可見pCO2自李村河口向西南方向呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì),測(cè)得值在315～720μatm之間,平均值為423μatm。根據(jù)NOAA監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),2007年秋季全球大氣CO2平均濃度為383 μatm[12],膠州灣秋季東部近岸及中間大部分海域pCO2相對(duì)較高,表現(xiàn)為大氣CO2的源,最高值位于李村河口,西部近岸海域pCO2較低,為大氣CO2的弱匯區(qū)。

圖4 秋季表層海水溫度和鹽度關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature and salinity

圖5 表層海水pCO2分布/μatmFig.5 Spatial distribution of sea surfacepCO2

圖6 表層海水葉綠素a分布/μg·L-1Fig.6 Spatial distribution of sea surface Chla

2.2 Chla,DIC及DOC分布

圖6為表層海水Chla分布圖,Chla含量在0.16～2.20μg·L-1之間,平均值為1.07μg·L-1。秋季陸地徑流及水產(chǎn)養(yǎng)殖等帶來的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了近岸區(qū)浮游植物的光合作用,使得東北部和西部近岸海域Chla值偏高,中間海域Chla含量在1.2μg·L-1左右,變化不大,灣口海域受黃海水交換的影響,浮游植物活動(dòng)較弱,Chla含量較低。

DIC會(huì)受河流輸入、生物活動(dòng)等過程的影響而發(fā)生變化。秋季膠州灣表層海水DIC隨著鹽度的降低而升高(見圖7),高值區(qū)位于李村河口附近,最高可達(dá)2.89 mmol L-1,這可能是由李村河水的輸入及東北部近岸大量污水和工業(yè)廢水的排放造成的,且此海域水體停留時(shí)間長(zhǎng)[13214],水動(dòng)力條件較弱,污染物難于擴(kuò)散;受海灣內(nèi)外水交換的影響,灣口及中間海域DIC等值線向西北方向發(fā)生彎曲;西部近岸海域由于較強(qiáng)的浮游植物活動(dòng)的作用造成DIC偏低。

圖7 表層海水DIC分布/mmol·L-1Fig.7 Spatial distribution of sea surface DIC

圖8 表層海水DOC平面分布/mg·L-1Fig.8 Spatial distribution of sea surface DOC

從圖8可以看出秋季膠州灣DOC含量在近岸普遍較高,并從近岸向中間海域和灣口遞減。近岸區(qū),由于潮流及波浪作用較弱,陸源輸入及海水養(yǎng)殖帶來的有機(jī)污染物不能及時(shí)向外輸送,造成了有機(jī)物質(zhì)的大量積聚,DOC濃度偏高;中間及灣口海域受黃海水交換的影響,DOC濃度較低。DOC不僅是研究全球碳循環(huán)的1個(gè)重要參數(shù),還可以用來反映海區(qū)受有機(jī)物污染的程度[15],因此秋季膠州灣東北部水體有機(jī)污染程度要大于西部,同時(shí)在一定的條件下,有機(jī)物的降解將會(huì)對(duì)pCO2的分布產(chǎn)生較大的影響,將在3.2節(jié)詳細(xì)討論。

3 討論

3.1 溫度對(duì)pCO2分布的影響

從溫度對(duì)碳酸鹽體系的熱力學(xué)影響來看,pCO2會(huì)隨著溫度的升高而增加[16]。秋季膠州灣溫度變化范圍較小(<5℃),應(yīng)該對(duì)pCO2的分布影響不大。本文利用Takahashi[16]溫度對(duì)pCO2的校正公式將秋季pCO2校正到秋季平均溫度(10.70℃)后得到npCO2,校正之后npCO2的分布趨勢(shì)并沒有發(fā)生明顯變化。近岸區(qū),溫度的降低使pCO2降低了41μatm(溫度降低2.24℃),灣口區(qū),溫度的升高使pCO2升高了33μatm (溫度升高2.08℃),溫度的變化并沒有從根本上改變秋季膠州灣CO2的源/匯格局,這說明秋季溫度并不是影響膠州灣pCO2空間分布的主要因素。由于溫度是影響pCO2分布的因素之一,為了剔除溫度效應(yīng),在討論其他過程對(duì)pCO2的影響時(shí)均用npCO2。

3.2 有機(jī)物降解對(duì)pCO2分布的影響

在膠州灣內(nèi),由于陸源輸入的影響,有機(jī)污染比較嚴(yán)重,有機(jī)物的降解作用不能忽略。Raymond等[17]通過比較不同河口的有機(jī)物和CO2發(fā)現(xiàn),在有機(jī)物含量較高的河口區(qū),有機(jī)物的降解是造成水體中CO2濃度增大和pCO2升高的主要原因。本航次為了討論有機(jī)物降解對(duì)pCO2分布的影響,分別在污染嚴(yán)重的近岸區(qū)和水質(zhì)清潔海區(qū)選取了2個(gè)代表性站位4號(hào)站(pCO2560μatm,DOC 2.59 mg·L-1)和15號(hào)站(pCO2375μatm,DOC 1.99 mg·L-1)進(jìn)行了有機(jī)物降解的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。將水樣分裝到黒瓶中,在現(xiàn)場(chǎng)水溫下培養(yǎng)10 h,培養(yǎng)過程中每隔2 h用溫克勒法測(cè)定瓶?jī)?nèi)DO含量,根據(jù)有機(jī)物降解的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,可計(jì)算出4號(hào)站和15號(hào)站有機(jī)物耗氧呼吸作用速率分別為21.4和6.9 mmol O2m-3·d-1。與污染嚴(yán)重的河口相比[18],秋季膠州灣有機(jī)物耗氧呼吸作用速率已處于較高的水平,特別是在污染嚴(yán)重的東部近岸區(qū),在溫度和異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量較高(7.2×105cells·mL-1)[19]的條件下,有機(jī)物耗氧呼吸作用速率增大。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出,pCO2和DOC偏高的4號(hào)站有機(jī)物耗氧呼吸作用速率是15號(hào)站的3倍多,這說明高的有機(jī)物耗氧呼吸作用速率維持了高的pCO2。同時(shí)4號(hào)站的Chla含量(2.20μg·L-1)是15號(hào)站(1.10μg·L-1)的2倍,如果4號(hào)站沒有如此高的生物量,pCO2會(huì)更高。

從圖9也可以看出,除去位于西部近岸的11和16號(hào)站(圈出點(diǎn)),秋季npCO2與DOC整體上呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系(R2為0.7812),這說明秋季有機(jī)物的降解造成了膠州灣秋季pCO2的升高,在有機(jī)污染嚴(yán)重的東部近岸海域表現(xiàn)的尤為明顯。

圖9 表層海水npCO2與DOC的關(guān)系Fig.9 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)with DOC

3.3 浮游植物活動(dòng)對(duì)pCO2分布的影響

與其他海域[5]相比,秋季膠州灣內(nèi)Chla含量水平較高。除去灣口(橢圓中的三角形點(diǎn))和東北部的4,5號(hào)站,npCO2與Chla呈現(xiàn)出較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10a,R2為0.599 9),Chla和DO飽和度呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系(圖10b,R2為0.673 9),這說明浮游植物活動(dòng)對(duì)灣內(nèi)大部分海域pCO2的分布影響較大,特別是Chla和DO飽和度都較高的西部近岸海域,浮游植物活動(dòng)是造成此海域成為大氣CO2弱匯的主要原因。水質(zhì)清潔的灣口海域,有機(jī)物降解不明顯,DO飽和度> 100%,因此在Chla含量較低的情況下,pCO2依然可以處于較低的水平。位于灣東北部的4,5號(hào)站,Chla濃度較高,但pCO2>500μatm,這可能與東北部近岸海域較高的有機(jī)物耗氧呼吸作用速率有關(guān)。

3.4 npCO2與p H和DIC與Alk的關(guān)系

圖11為膠州灣秋季npCO2與p H的關(guān)系圖, npCO2與p H呈現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2為0.953 5),圖12為膠州灣秋季DIC和Alk的關(guān)系圖,除去李村河口附近的高DIC點(diǎn)(2.89 mmol·L-1,未給出),DIC與Alk呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系(R2為0.852 8)。秋季膠州灣內(nèi)東部近岸海域,由于工業(yè)廢水排放和有機(jī)物降解的影響,DIC含量增加,p H降低,因此此海域高位pCO2主要受控于海水中高濃度的DIC。而西部近岸海域Chla值較高,浮游植物光合作用消耗水體中的CO2,但由于浮游植物光合作用的同時(shí),使得p H升高(如圖11),從而造成該海域Alk中[CO32-]的比例增加,因此在DIC與Alk的關(guān)系圖中表現(xiàn)出DIC相對(duì)于Alk而偏低的現(xiàn)象。

圖10 npCO2(a),DO(%)(b)與葉綠素a的關(guān)系Fig.10 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)(a),DO(b)with Chla

圖11 秋季表層海水npCO2與p H的關(guān)系圖Fig.11 Correlation ofpCO2normalized to an average temperature of 10.7℃(npCO2)with p H

圖12 秋季表層海水DIC和Alk的關(guān)系Fig.12 Relationship between sea surface DIC and Alk in Autumn

3.5 膠州灣秋季海2氣界面碳通量的估算

海2氣界面CO2交換通量(mmol·m-2·d-1)可按公式F=k×s×△pCO2進(jìn)行計(jì)算。其中k是大氣和海洋間的氣體交換系數(shù)(cm·h-1);s是海水中CO2氣體的溶解度(mol·kg-1·atm-1);△pCO2是海水和大氣中pCO2的差值,正值表示海洋向大氣釋放CO2,負(fù)值表示海洋從大氣吸收CO2。目前關(guān)于海2氣間氣體交換系數(shù)的計(jì)算模式較多,本文采用應(yīng)用比較廣泛的Wanninkhof[20]模式來計(jì)算膠州灣秋季的海2氣界面氣體交換系數(shù),計(jì)算公式如下:

k(cm/h)=0.39×(u10/m·s-1)2×(Sc/660)-0.5

u10為距海平面10 m處的風(fēng)速(m·s-1);Sc是t℃下CO2的Schmidt常數(shù)。

為了減少觀測(cè)站位空間分布的不均勻性所引起的誤差,本文采用網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)法來估算膠州灣秋季海2氣界面碳通量。根據(jù)調(diào)查海域的實(shí)測(cè)范圍,采用膠州灣秋季長(zhǎng)期風(fēng)速5.0 m·s-1,利用Kriging法(surfer)將用走航數(shù)據(jù)計(jì)算出的海2氣界面碳通量進(jìn)行插值,得出海2氣界面CO2交換通量在-5.94～23.15 mmol·m-2·d-1之間,平均值為2.87 mmol·m-2·d-1,由此可估算出秋季膠州灣可向大氣釋放940.74 tC(膠州灣水域面積以303 km2計(jì))。需要指出的是,由于人類活動(dòng)的影響,膠州灣大氣CO2濃度可能要高于全球大氣平均CO2濃度,用全球大氣平均CO2濃度來估算膠州灣秋季CO2通量可能會(huì)使估算結(jié)果偏高,但是如果用實(shí)測(cè)的膠州灣大氣CO2數(shù)據(jù),在測(cè)定過程中由于風(fēng)向和風(fēng)速的影響,即使在很小的海域內(nèi),也可能會(huì)使測(cè)得的大氣CO2濃度相差很大,從而會(huì)使估算結(jié)果產(chǎn)生更大的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

受陸地徑流及海水養(yǎng)殖等的影響,膠州灣秋季污染較為嚴(yán)重,由于膠州灣的半封閉性以及灣內(nèi)較弱的水動(dòng)力條件,有機(jī)污染物不能及時(shí)向外輸送,造成在灣內(nèi)的累積,因此在一定的條件下,有機(jī)物降解對(duì)膠州灣碳酸鹽體系有著很大的影響。

秋季膠州灣表層海水pCO2實(shí)測(cè)值在315～720μatm之間,平均值為423μatm,總體上表現(xiàn)為大氣CO2的源,海2氣界面CO2交換通量在-5.94～23.15 mmol·m-2· d-1之間,平均值為2.87 mmol·m-2·d-1,可向大氣釋放940.74 tC。溫度的變化對(duì)膠州灣pCO2的分布影響不大,有機(jī)物降解和生物活動(dòng)是控制膠州灣秋季pCO2分布的主要因素。東部近岸海域受有機(jī)物降解和李村河水輸入的影響,表現(xiàn)為大氣CO2的源;西部近岸海域由于浮游植物活動(dòng)的影響表現(xiàn)為大氣CO2的弱匯;中部海域處于東部海域和西部海域的過渡區(qū),浮游植物活動(dòng)和有機(jī)物降解共同影響著pCO2的分布;而在有機(jī)物降解不明顯的灣口海域,浮游植物活動(dòng)是pCO2分布的主控因素。

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Distribution and Controlling Factors of Surface Seawater Partial Pressure of CO2and Air2Sea Carbon Fluxes in Jiaozhou Bay During Autumn

LIU Qi2Zhen,ZHANG Long2Jun,XUE Ming
(Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Distribution and influencing factors were discussed bBased on the data obtained through con2 tinuous underway measurements ofpCO2and relating parameters in hydrology,chemistry and biology, distribution and air2sea carbon fluxes were discussed in November 2007.The results showed that the sur2 face seawaterpCO2in Jizaozhou Bay in autumn ranged from 315 to 720 atm,with an average of 423 atm. Due to the degradation of organic matter and the runoff from the Licun river,the eastern part of the bay turned out to be the source of CO2with respect to the atmosphere;regarding the high primary produc2 tion,the western part of the Jiaozhou bay acted as a moderate sink to the atmosphere;in addition to a sig2 nificant seawater exchange between the Bay and the Yellow Sea,primary production and the degradation of organic matter both had an impact on the distribution ofpCO2in the middle part of the Bay.The whole Jiaozhou Bay acted as a source of atmosphere CO2and released 940.74 tC into the atmosphere in autumn. Key words: Jiaozhou Bay;pCO2;degradation of organic matter;primary production

book=2010,ebook=26

P734.2+5

A

167225174(2010)102127206

責(zé)任編輯 龐 旻

青島市科技計(jì)劃發(fā)展項(xiàng)目(0622222212jch)資助

2010203226;

2010205204

劉啟珍(19862),女,碩士生,E2mail:liuqizhen@sina.com

33責(zé)任作者:E2mail:longjunz@ouc.edu.cn