黃河三角洲北部懸浮體和顆粒有機(jī)碳的分布與影響因素

胡邦琦,李國剛,布如源,李 軍,張永明,4,趙京濤 (.青島海洋地質(zhì)研究所,國土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 26607；2.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所,黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 70075；.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院,山東 青島 2660)

海洋是地球上最大的碳儲(chǔ)庫,全球河流每年攜帶總量約為216Tg的顆粒有機(jī)碳入海,其在海洋沉積物中的埋藏和轉(zhuǎn)換是全球碳循環(huán)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1].陸架邊緣海是陸地和海洋的連接帶,盡管僅占全球海洋總面積 8%左右,但受日益加劇的人類活動(dòng)影響和河流輸入的大量陸源物質(zhì)供應(yīng),其生物地球化學(xué)循環(huán)比較復(fù)雜.同時(shí),由于地理位置(緯度、氣候等)及相關(guān)的生態(tài)結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致近海存在碳源匯的季節(jié)性差異,已成為全球陸架邊緣海碳循環(huán)問題研究的難點(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一[1-3].海水中的顆粒有機(jī)碳(POC)一般是指直徑大于 0.45μm 的有機(jī)碳,包括海洋中有生命和無生命的懸浮顆粒和沉積物顆粒.顆粒有機(jī)碳不但與生物的生命過程、初級(jí)生產(chǎn)力關(guān)系緊密,也是海水中碳固化和遷移的主要形式[2-3].此外,總有機(jī)碳是衡量水體有機(jī)污染程度的一項(xiàng)綜合指標(biāo),對(duì)海洋有機(jī)污染起指示作用.

黃河是我國第二大河,平均每年攜帶大約11億t泥沙和1.8～8.1Tg顆粒有機(jī)碳入海,是中國東部陸架邊緣海主要的陸源物質(zhì)和有機(jī)碳供應(yīng)者之一,對(duì)中國東部陸架海區(qū)乃至整個(gè)西北太平洋海域的生態(tài)系統(tǒng)均有較大的影響[4-6].黃河口及其毗鄰海域的顆粒有機(jī)碳組成和分布特征已引起廣泛關(guān)注[5,7-15].黃河三角洲鄰近海域受東亞季風(fēng)氣候的影響,海洋動(dòng)力條件季節(jié)性差異明顯[16],冬季海洋氣候惡劣限制了海上調(diào)查工作的開展,因此該海域冬季實(shí)測(cè)懸浮體和顆粒有機(jī)碳資料較為缺乏.研究表明黃河三角洲毗鄰海域沉積物擴(kuò)散主要發(fā)生在冬季[16].因此,本文利用2008年12月在黃河三角洲北部及毗鄰海域進(jìn)行的水文調(diào)查所獲取的資料,對(duì)該海區(qū)冬季懸浮體和顆粒有機(jī)碳的分布特征和影響因素進(jìn)行了研究,這對(duì)加深邊緣海特別是水下三角洲地區(qū)的碳埋藏及其季節(jié)性轉(zhuǎn)換具有重要的科學(xué)意義.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)貫穿渤海東西,涵蓋渤海灣南部、渤海中央海區(qū),東面與渤海海峽相鄰(圖1).黃河是該區(qū)主要的陸源物質(zhì)供應(yīng)者,歷史上每年攜帶約11億t的泥沙入海,由于黃河含沙量大(＞25kg/m3),常造成下游河道淤積,尾閭河道擺動(dòng)頻繁.自20世紀(jì)50年代以來,黃河先后由神仙溝、釣口流路向北流入渤海,1976年改道清水溝流路后口門向東.黃河入海水沙存在明顯的季節(jié)性差異,主要集中在汛期.

圖1 研究區(qū)地理位置、水深及樣品站位Fig.1 Map of sampling locations and water depth

黃河口門位置頻繁變遷,岸線演變劇烈,導(dǎo)致不同時(shí)期的近岸水流存在較大差異,但在離岸較遠(yuǎn)處仍可以顯示出比較穩(wěn)定的海流,主要由東北偏北向環(huán)流,渤海灣內(nèi)逆時(shí)針環(huán)流和渤海灣南部順時(shí)針環(huán)流組成[17].研究區(qū)主要的海洋動(dòng)力因素除海洋環(huán)流之外,還包括潮流、風(fēng)浪等.受東亞冬季風(fēng)的影響,冬半年盛行偏北向浪,在黃河水下三角洲坡腳形成強(qiáng)大的底應(yīng)力,形成兩個(gè)高能強(qiáng)流速區(qū),分別位于神仙溝口外和清水溝老河口外,最大流速中心帶都在海岸的坡腳轉(zhuǎn)折范圍(10～15m 水深)[18].

2 樣品采集與分析

2008年12月在黃河三角洲北部及毗鄰海域進(jìn)行懸浮體樣品采集,共獲得34個(gè)站位共137個(gè)樣品(圖1).懸浮體采樣使用 ALEC公司的Water-SampLer自容式CTD采水器,采水層次根據(jù)水深確定,一般采集五層.該 CTD 采水器能同時(shí)測(cè)量懸浮體的溫度、鹽度、水深、葉綠素等要素.其中,葉綠素測(cè)試方法為熒光測(cè)量,測(cè)量范圍為0～400μg/L,分辨率為0.01μg/L,精度為±1%.每個(gè)站位進(jìn)行兩次采樣,分別使用孔徑為0.45μm(懸浮體濃度)和0.7μm 濾膜(顆粒有機(jī)碳)在現(xiàn)場(chǎng)利用真空過濾器過濾.過濾后濾膜放入冷凍庫中低溫保存,直至室內(nèi)進(jìn)行分析.采用干式燃燒法測(cè)量進(jìn)行顆粒有機(jī)碳(POC)分析,具體流程見文獻(xiàn)[15].

3 結(jié)果

由圖2可見,研究區(qū)表、底層溫度分布基本一致,均表現(xiàn)為渤海中部海域較高,向西遞減,在黃河三角洲釣口附近和渤海灣中部海域存在低溫區(qū)(＜2℃).研究區(qū)表、底層鹽度分布也近乎一致,表現(xiàn)為近岸鹽度低(＜31.5‰),向外海鹽度逐步增高的整體趨勢(shì)(圖3).研究區(qū)表、底層的葉綠素濃度均較低,高值區(qū)均局限在近岸(圖4).

圖2 研究區(qū)表層和底層溫度(℃)分布Fig.2 Distribution pattern of temperature(℃) in the surface and bottom layers over the study area

由圖5可見,研究區(qū)表層懸浮體濃度介于5～956mg/L 之間,均值為264.1mg/L.懸浮體濃度高值區(qū)位于黃河釣口附近,其濃度接近1000mg/L,并向?？焖俳档?在渤海中部懸浮體濃度較低,小于50mg/L.底層懸浮體濃度介于6～1064mg/L之間,均值為420mg/L.底層懸浮體濃度高值區(qū)與表層一致,但分布范圍有向渤海灣中部擴(kuò)散的趨勢(shì),渤海中部底層懸浮體濃度同樣很低.

圖3 研究區(qū)表層和底層鹽度(‰)分布Fig.3 Distribution pattern of salinity(‰) in the surface and bottom layers over the study area

圖4 研究區(qū)表層和底層葉綠素-a (μg/L)分布Fig.4 Distribution pattern of Chlorophyll-a(μg/L) in the surface and bottom layers over the study area

由圖6可見,研究區(qū)表層顆粒有機(jī)碳(POC)濃度為25～500μg/L,均值為226μg/L.表層POC高值區(qū)位于近岸海域,以釣口附近海域最為突出,最高值可達(dá)500μg/L,向海方向快速降低,在渤海中部?jī)H為20～50μg/.底層 POC 濃度為17～640μg/L,均值為300μg/L.底層POC的高值區(qū)也局限于研究區(qū)西部,在釣口附近海域POC可達(dá)400μg/L以上,POC在底層高值區(qū)范圍明顯比表層大;在渤海中部POC濃度較低,僅為30～60μg/L.

圖5 研究區(qū)表層和底層懸浮體(mg/L)濃度分布Fig.5 Distribution pattern of suspended sediment concentration (SSC) (mg/L) in the surface and bottom layers over the study area

圖6 研究區(qū)表層和底層顆粒有機(jī)碳(μg/L)分布Fig.6 Distribution pattern of particulate organic carbon(POC)(μg/L) in the surface and bottom layers over the study area

4 討論

4.1 懸浮體與顆粒有機(jī)碳的相關(guān)性

海水中的顆粒有機(jī)碳(POC)來源多樣,按來源途徑可劃分為陸源(通過河流、大氣沉降輸入)、海源(海洋生物的生產(chǎn))、海底沉積物的再懸浮以及溶解有機(jī)碳(DOC)的轉(zhuǎn)化等[19].同時(shí),POC的垂直和水平分布又受多種因素共同影響,如河流輸入、海洋環(huán)流、營養(yǎng)鹽及生物活動(dòng)等,導(dǎo)致其含量和組成在不同海區(qū)、不同層位差異較大.研究表明,海底再懸浮沉積物在我國近岸及陸架海區(qū)是POC的一個(gè)重要來源[20-21].東海秋季POC主要來自長江徑流和沉積物的再懸浮[22],同時(shí)冬季東海中陸架砂質(zhì)區(qū)的POC垂直分布呈現(xiàn)出底層高于表層的現(xiàn)象,與海洋動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)[23].黃海再懸浮沉積物在底層懸浮體濃度可占 90%以上,因此也可能是 POC一個(gè)重要來源[24].蔡阿根等[25]在九龍江口附近海域顆粒有機(jī)碳的研究中發(fā)現(xiàn),在海底水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)或底棲生物擾動(dòng)頻繁的海區(qū),由于海底沉積物的再懸浮,底層水體的POC含量明顯增大.

圖7 研究區(qū)懸浮體濃度和顆粒有機(jī)碳濃度相關(guān)性Fig.7 Correlations between concentration of SSC and POC

SSC和POC平面分布最為突出的特征就是在廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域存在明顯的高值區(qū),兩者之間存在明顯的一致性(圖5和圖 6).SSC和POC之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.87,圖7),這表明冬季研究區(qū)的SSC是控制POC變化的主要因素.顆粒中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(POC%)是懸浮體的一個(gè)重要特征指標(biāo),可以根據(jù)這種性質(zhì)來判斷其來源,含量相似說明其來源具有單一性,POC%波動(dòng)范圍大則說明懸浮體具有不同的來源.如圖 8所示,研究區(qū)表、底層POC%變化區(qū)間大致相同,均值分別為1.36%和1.24%,這表明該區(qū)冬季懸浮體可能為單一來源.POC%均值和變化幅度均低于夏季渤海灣北部懸浮體中的POC%(均值 4%～8%)[14]和夏季黃河口毗鄰海域懸浮體POC%(均值2%～3%)[15].進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),POC%隨 SSC增高快速降低,當(dāng)SSC＞200mg/L時(shí),POC%大致保持在 1%左右(圖9).海水中POC%與SSC的關(guān)系主要受兩個(gè)因素的控制,其一隨著SSC 降低,水體透光度增強(qiáng),有利于浮游植物的生長,從而海源有機(jī)碳對(duì)POC貢獻(xiàn)增大,POC%也會(huì)隨之降低;其二,海洋動(dòng)力對(duì)懸浮體的淘選作用,也可能使得POC%隨SSC降低而增加.

圖8 研究區(qū)表、底層顆粒有機(jī)碳百分含量變化Fig.8 Percentage contents of POC% in the surface and bottom water Layer

圖9 研究區(qū)懸浮體濃度和顆粒有機(jī)碳含量相關(guān)性Fig.9 Correlations between concentration of SSC and POC%

4.2 懸浮體與顆粒有機(jī)碳空間分布的影響因素LANDSAT衛(wèi)星遙感圖像顯示在廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域存在著穩(wěn)定的高渾濁區(qū)[26],即圖5中SSC高值區(qū),與現(xiàn)行河口三角洲之間被一低渾濁區(qū)所間隔,基本不受現(xiàn)行河口入海泥沙的季節(jié)性變化影響[27].Yang等[16]發(fā)現(xiàn)冬季黃河口以北懸浮體通量(SSF)大致沿岸線指向東南,僅在神仙溝口附近指向東北-東;夏季黃河口以北懸浮體通量(SSF)大致指向東北,證實(shí)了現(xiàn)行黃河入海泥沙主要向東、東南方向運(yùn)移,而向西北輸送較少.這表明廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近海域高渾濁帶主要是近底泥沙在動(dòng)力作用下的再懸浮所致,而非現(xiàn)行黃河入海泥沙擴(kuò)散的結(jié)果[27-28].

自1976年黃河尾閭河道由刁流路改道清水溝流路以來,由于沉積物供應(yīng)斷絕,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣由向海淤進(jìn)轉(zhuǎn)為快速向岸蝕退,形成了一個(gè)彎月狀的沿岸侵蝕區(qū),最大侵蝕深度可達(dá)5～8m,其中最大侵蝕區(qū)位置與波致底切應(yīng)力超過0.2N/m2的區(qū)域相吻合,也與本研究中SSC和POC的高值區(qū)相對(duì)應(yīng)(圖5和圖6),這表明波浪過程是廢棄神仙溝-釣口三角洲海岸侵蝕和近底沉積物再懸浮的主要控制性動(dòng)力機(jī)制[27-28].王厚杰等[28]指出廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣附近的淺水區(qū)域(＜10m)由波浪過程導(dǎo)致的粉砂通過再懸浮進(jìn)入浮泥層,在重力控制下沿水下底坡向深水輸送并在深水區(qū)(＞10m)沉積.對(duì)比研究區(qū)2008年12月份的表、底層SSC(POC)空間分布趨勢(shì),SSC(POC)在底層的高值區(qū)范圍明顯高于表層,有向渤海灣中部擴(kuò)散的趨勢(shì),指示部分淺水區(qū)域再懸浮沉積物(包括POC)同樣有從底層向渤海灣匯聚的趨勢(shì),表明冬季強(qiáng)海洋動(dòng)力條件下,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣前緣不僅是沉積物的“源”,也同樣是顆粒有機(jī)碳的“源”.

5 結(jié)論

5.1 冬季黃河三角洲北部及其毗鄰海域SSC變化范圍較大(5～1064mg/L),表、底層的SSC高值區(qū)(＞600mg/L)均呈條帶狀分布于廢棄神仙溝-釣口三角洲附近海域,隨水深加大SSC快速降低.

5.2 研究區(qū)冬季海水中的POC變化于 17～640μg/L,表、底層 POC的分布模式基本一致,均表現(xiàn)為高值區(qū)(＞400μg/L)集中于近岸海域,在渤海中部?jī)H為20～50μg/L左右,但底層POC向渤海灣中部擴(kuò)散范圍比表層大.

5.3 POC和SSC之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系,表明該海區(qū)近岸淺水區(qū)沉積物再懸浮是影響研究區(qū)POC空間分布的重要原因.冬季SSC和POC高值區(qū)與最大侵蝕區(qū)、波致底切應(yīng)力＞0.2N/m2的區(qū)域相對(duì)應(yīng),表明在冬季強(qiáng)海洋動(dòng)力條件下,廢棄神仙溝-釣口三角洲葉瓣前緣不僅是沉積物的“源”,也同樣是顆粒有機(jī)碳的“源”.

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