秋季和春季黃渤海黃色物質(zhì)空間分布特征*

張國朋 張亭祿 陳樹果 王建國

(中國海洋大學(xué)海洋技術(shù)系 青島 266100)

黃色物質(zhì)又稱有色可溶有機(jī)物(Chromophoric Dissolved Organic Matter, CDOM), 是水體中各類高分子量化合物的混合物, 主要由各種腐殖酸和棕磺酸等組成(Kirk, 1994)。研究黃色物質(zhì)的分布具有重要意義。首先, 黃色物質(zhì)在生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用, 其吸收光能后, 發(fā)生一系列光降解過程,從而產(chǎn)生多種對海洋及大氣環(huán)境發(fā)生影響的物質(zhì)(Bushaw et al, 1996; Millet et al, 2010); 其次, 黃色物質(zhì)不僅能吸收藍(lán)綠波段的太陽輻射, 同時(shí)對紫外波段的太陽輻射也有較大影響, 是紫外波段吸收的主要影響因素, 能夠影響水下光場分布和水體中浮游植物的光合作用(Markager et al, 2000); 再者, 黃色物質(zhì)是海洋學(xué)中的惰性物質(zhì), 具有良好的保守性和穩(wěn)定性, 可以作為海水的固有示蹤物, 用于水團(tuán)示蹤和水體污染等的監(jiān)測和評價(jià)(Ferrari, 2000; Stedmon et al,2010)。

黃渤海海域受周圍眾多河流(特別是黃河及長江)輸入的影響, 不但具有較高的顆粒物濃度, 同時(shí)也具有較高的黃色物質(zhì)濃度。另外, 該海域具有復(fù)雜的水動(dòng)力環(huán)境(喬方利, 2012)和生物地球化學(xué)過程(郭衛(wèi)東等, 2008; 李永祺, 2012), 其黃色物質(zhì)分布在各時(shí)間尺度和空間尺度上都可能有劇烈的變化。目前, 包括黃渤海在內(nèi)的東中國海的黃色物質(zhì)已進(jìn)行了較多的研究, 主要集中在兩個(gè)方面: 其一是黃色物質(zhì)吸收特性的研究(邢小罡等, 2009; 雷惠等,2009; 朱偉健等, 2010; 朱建華等, 2012), 包括吸收系數(shù)曲線斜率的變化以及吸收性質(zhì)與熒光性質(zhì)的關(guān)系等; 其二是黃色物質(zhì)熒光性質(zhì)的研究, 包括黃色物質(zhì)的熒光效率(夏英達(dá)等, 1999)、三維熒光特性與黃色物質(zhì)來源的關(guān)系(任保衛(wèi)等, 2007)。但目前對該區(qū)域的時(shí)空變化, 特別是不同季節(jié)垂向變化的研究較少。趙軍杰(2013)利用分層采集的樣品實(shí)驗(yàn)室分析的結(jié)果, 研究了黃渤海黃色物質(zhì)的三維熒光性質(zhì)和吸收性質(zhì)的分布特征。但由于分層采樣在垂直方向上采樣率較低, 限制了對分布細(xì)節(jié)變化的認(rèn)識(shí)。本研究利用黃渤海春秋兩個(gè)季節(jié)較高采樣分辨率的黃色物質(zhì)濃度數(shù)據(jù), 分析這兩個(gè)季節(jié)黃色物質(zhì)在水平方向及垂直方向上變化特征。該研究對于黃渤海洋光化學(xué)、光生物學(xué)以及光學(xué)遙感等方面的研究都有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)來源于黃渤海2013年秋季和2014年春季兩個(gè)航次, 其中秋季的執(zhí)行時(shí)間為南黃海為11月4—14日, 北黃海及渤海為11月16—26日。春季的執(zhí)行時(shí)間為南黃海為4月27日至5月6日, 北黃海及渤海為5月7—21日。站位分布如圖1所示。采用的儀器為黃色物質(zhì)熒光儀, 由美國Wet Labs公司生產(chǎn), 可對水體黃色物質(zhì)濃度進(jìn)行現(xiàn)場測量。本儀器利用370nm波長對水體進(jìn)行熒光激發(fā), 以460nm作為接受波長獲取熒光強(qiáng)度, 然后利用定標(biāo)系數(shù), 將熒光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為濃度數(shù)值。這里所測得的黃色物質(zhì)濃度單位用μg/L表示。本研究將黃色物質(zhì)熒光儀及其他儀器安裝在專用支架上, 通過船上的絞車實(shí)現(xiàn)黃色物質(zhì)的剖面測量, 其它同時(shí)測量的參數(shù)包括溫度、鹽度、濁度以及葉綠素等。2013年秋季和2014年春季航次分別進(jìn)行了96和124個(gè)站位的剖面觀測。

圖1 黃渤海調(diào)查站位圖Fig.1 Sampling sites in the Yellow Sea and Bohai Sea

2 研究方法與分析

本文從垂直方向和水平方向兩個(gè)方面分析黃色物質(zhì)空間分布。本文選取兩個(gè)代表斷面研究垂向特征,分別是北黃海從成山頭到鴨綠江河口的斷面S1和南黃海的35°N斷面S2。S1斷面涵蓋了山東半島周邊、北黃海中部以及鴨綠江外毗鄰區(qū)域等海域的水體特征, 可作為北黃海的典型斷面。S2斷面橫穿南黃海冷水團(tuán), 是研究南黃海水體特征的典型斷面。以下將分別對其分布情況進(jìn)行分析。

2.1 黃渤海黃色物質(zhì)濃度的垂直分布

2.1.1 北黃海S1斷面 該斷面黃色物質(zhì)的分布如圖2所示?？梢钥闯? 無論秋季還是春季, 黃色物質(zhì)濃度總體都呈現(xiàn)底部高、表層低的趨勢。山東半島附近的海區(qū)底部海域黃色物質(zhì)濃度較大。

但這兩個(gè)季節(jié)也存在顯著不同。在秋季所測量的S1斷面, 黃色物質(zhì)在 40m以淺垂向分布均勻, 濁度及葉綠素具有相似的分布特征(圖 3), 由海水上下混合作用所致。由溫、鹽斷面可以看到, 在 123°E至123.5°E之間底部(大于 40m)冷水團(tuán)仍顯著存在。冷水團(tuán)以外的水體垂向混合均勻。另外, 123.4°E附近底部高黃色物質(zhì)濃度向表層延伸, 形成高值條帶。從溫、鹽及濁度分布特征來看, 該區(qū)域可能存在上升流,將底部低溫、高鹽、高濁水體帶入上層, 形成黃色物質(zhì)的高值條帶。該上升流正好位于冷水團(tuán)邊界處, 與趙寶仁(1987, 1996)的研究結(jié)果一致。

春季水體上層黃色物質(zhì)的分布出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。上混合層(厚約20m)內(nèi)黃色物質(zhì)濃度明顯低于下混合層, 濃度差約為2μg/L。濁度也有相似的分布,葉綠素在15m左右達(dá)到最大。由圖3可以看出, 春季已形成較強(qiáng)的溫躍層和鹽躍層, 海水垂直趨于穩(wěn)定,阻礙了海水的垂向混合。該斷面124.1°E, 39.2°N附近地處鴨綠江河口, 受到攜帶高濃度黃色物質(zhì)的鴨綠江沖淡水的影響, 形成黃色物質(zhì)高值區(qū)。另外, 山東半島附近的底部海域黃色物質(zhì)濃度較大, 與渤海流出的沿岸流攜帶的黃色物質(zhì)濃度較高有關(guān)(薛春汀等,2010)。

2.1.2 南黃海S2斷面 S2斷面黃色物質(zhì)濃度整體呈現(xiàn)出底層高上層低、沿岸高遠(yuǎn)岸低的特征且秋季整體要略微高于春季(圖 4)。從濁度和鹽度來看, 近岸由于受到陸地沖淡水和泥沙的影響, 表現(xiàn)出低鹽高濁的特征, 同時(shí)受陸源高濃度黃色物質(zhì)的影響沿岸黃色物質(zhì)濃度整體比遠(yuǎn)岸高。

秋季, 黃色物質(zhì)在40m以淺的垂向分布均勻, 葉綠素及濁度也有類似的分布(圖 5)。遠(yuǎn)離岸邊的海域黃色物質(zhì)濃度約為 4.0μg/L, 而近岸海域相對較高, 約為 5.5μg/L。水深大于 40m 的水域黃色物質(zhì)濃度較高,平均濃度為 7.5μg/L, 約為表層濃度的 2倍。從該斷面溫度及鹽度分布看, 該季節(jié)混合作用較強(qiáng), 上混合層的深度約為 40m, 其下仍為冷水團(tuán)控制(翁學(xué)傳等,1988)。

圖2 S1斷面黃色物質(zhì)垂直分布(單位: μg/L): (a) 2013年秋季, (b) 2014年春季Fig.2 Vertical distribution of yellow substance along Section S1: (a) autumn 2013, (b) spring 2014

圖4 S2斷面黃色物質(zhì)垂直分布(單位: μg/L): (a)2013年秋季, (b)2014年春季Fig.4 Vertical distribution of yellow substance along Section S2: (a) autumn 2013, (b) spring 2014

圖 5 2013 年秋季(左)和 2014 年春季(右)S2 斷面相關(guān)參數(shù): (a)溫度(°C), (b)鹽度, (c)濁度(ftu), (d)葉綠素(μg/L)Fig.5 Vertical distribution of (a) temperature, (b) salinity, (c) turbidity, (d) chlorophyll along Section S2 in (left)autumn 2013 and (right)spring 2014

春季, 50m以上黃色物質(zhì)垂向分布均勻, 且基本以 122.5°E為分界線, 遠(yuǎn)岸海域黃色物質(zhì)濃度為4.0μg/L, 而近岸海域則在 5.0μg/L左右, 濃度較遠(yuǎn)岸大40%。黃色物質(zhì)濃度在 50m以深海域大于以淺海域, 而葉綠素及濁度分布出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。從該斷面溫度及鹽度分布看, 該季節(jié)在水深 20m左右出現(xiàn)較強(qiáng)的溫度躍層, 而鹽度的分布從表層到底層分布較均勻, 仍呈現(xiàn)冬季的特征, 可見黃色物質(zhì)的垂向分布與鹽度的垂向分布關(guān)系更密切。

2.2 黃渤海黃色物質(zhì)濃度的水平分布

圖6和表1給出了黃色物質(zhì)秋季和春季的水平分布特征。整體上看, 黃色物質(zhì)的水平分布春季和秋季分布特征相似: 渤海濃度最高, 北黃海次之, 南黃海最低。黃色物質(zhì)濃度分布呈現(xiàn)出由近岸向中央海區(qū)遞減的趨勢, 且近海及沿岸海域, 特別是河口附近, 等值線較為密集, 濃度值減少幅度較大, 而遠(yuǎn)離岸邊以及沒有沖淡水影響的海域等值線較為稀疏, 濃度值梯度較小。

但兩個(gè)季節(jié)黃色物質(zhì)的分布也存在較大差異:濃度分布呈現(xiàn)秋季高、春季低的特征。渤海秋季黃色物質(zhì)最低濃度為9.73μg/L, 而春季濃度則為6.24μg/L,濃度下降約 36%, 平均值由 14.66μg/L 下降到9.11μg/L, 其它海域也有類似變化特征。在南黃海,黃色物質(zhì)濃度為 4μg/L的等值線在秋季位于 70m等深線附近, 而在春季, 則提升至40m等深線附近, 黃色物質(zhì)濃度高值區(qū)域明顯縮小, 整體濃度降低。

秋季和春季黃色物質(zhì)的濃度差異主要與兩季海水動(dòng)力環(huán)境不同有關(guān)。由圖7濁度分布特征可以看出,秋季渤海內(nèi)部以及沿岸河口地區(qū)等近岸海域濁度值較春季較高, 這是由于大風(fēng)及降溫造成的垂直混合作用在秋季較強(qiáng)。垂向混合作用將底部高濃度的黃色物質(zhì)帶入上層, 因此秋季黃色物質(zhì)濃度在水深較淺的沿岸較大。另外由于渤海灣和遼東灣的海流作用,渤海水體主要通過渤海海峽南部進(jìn)入黃海形成沿岸流(薛春汀等, 2010), 由此形成了山東半島沿岸以及其南部沿岸流所經(jīng)海域的黃色物質(zhì)高值條帶。

無論秋季還是春季, 黃色物質(zhì)的分布均在南黃海中部最低, 低值區(qū)向北黃海中部延伸, 可至渤海中部, 這與鹽度的分布特征一致, 也與黃海暖流的走向一致。因此, 黃色物質(zhì)的分布可用于追蹤水團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃海暖流是對馬暖流大約在 31°30′N, 128°15′E附近向西北分出的一個(gè)支流, 由濟(jì)州島西南部沿黃海槽向西北流入黃海中部, 并沿 50m等深線繼續(xù)北上(鮑獻(xiàn)文等, 2004), 與周圍海水相比具有高溫高鹽特征, 且黃色物質(zhì)濃度較低。研究結(jié)果顯示, 黃海暖流在強(qiáng)盛期可影響到渤海中部(趙勝等, 2011)。

表1 黃色物質(zhì)濃度水平分布的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1 Minimum, maximum, average and standard deviation of yellow substance concentration on surface

圖6 黃色物質(zhì)濃度水平分布(單位: μg/L): (a) 2013年秋季, (b) 2014年春季Fig.6 Surface distribution of yellow substance concentration: (a) autumn 2013, (b) spring 2014

圖7 濁度水平分布(單位: ftu): (a)2013年秋季, (b)2014年春季Fig.7 Surface distribution of turbidity: (a) autumn 2013, (b) spring 2014

圖8 鹽度水平分布: (a)2013年秋季, (b)2014年春季Fig.8 Surface distribution of salinity: (a) autumn 2013, (b) spring 2014

2.3 黃色物質(zhì)與水體濁度、浮游植物濃度及鹽度的相關(guān)性

黃色物質(zhì)的時(shí)空分布受多種因素的影響, 除與河流輸入及動(dòng)力環(huán)境等因素密切相關(guān)外, 還與生物地球化學(xué)等過程有關(guān)。一般來說, 微生物分解和光化學(xué)降解等過程也會(huì)影響黃色物質(zhì)的分布, 然而, 已有的研究結(jié)果(趙軍杰, 2013)表明該部分對黃渤海水體黃色物質(zhì)的分布影響較小。下面通過黃色物質(zhì)與其它參數(shù)的相關(guān)性分析影響黃渤海黃色物質(zhì)分布的主要因素。

(1) 黃色物質(zhì)與濁度的相關(guān)關(guān)系

垂向和水平方向黃色物質(zhì)濃度和濁度之間均呈正相關(guān)關(guān)系。水平方向上, 利用春季和秋季表層的黃色物質(zhì)濃度和濁度的數(shù)據(jù)分析得出, 對于黃渤海大部分區(qū)域, 兩者都存在較強(qiáng)相關(guān)性(圖 9), 相關(guān)系數(shù)為0.77。從分布趨勢來看, 周圍有河流輸入的水體通常具有較高的懸浮體濃度和黃色物質(zhì)濃度。這說明黃渤海黃色物質(zhì)的主要來自周圍河流的輸入。

圖9 濁度和黃色物質(zhì)濃度的關(guān)系Fig.9 Relationship between turbidity and yellow substance in concentration

(2) 黃色物質(zhì)與浮游植物濃度的關(guān)系

從黃色物質(zhì)濃度和葉綠素濃度在春秋季的分布結(jié)果來看, , 無論在垂直方向還是在水平方向, 黃色物質(zhì)與浮游植物分布的相關(guān)性均較弱。即使在葉綠素濃度含量較高的上層水體中, 二者相關(guān)性仍較差, 相關(guān)系數(shù)為0.09(如圖10)。這與趙軍杰(2013)的研究結(jié)果一致。在黃渤海海域, 黃色物質(zhì)濃度較高主要受到河流的影響。所以, 盡管浮游植物的消亡過程會(huì)產(chǎn)生黃色物質(zhì), 而該過程的貢獻(xiàn)相對較小, 因此二者相關(guān)性較弱。

圖10 葉綠素和黃色物質(zhì)濃度的關(guān)系Fig.10 Relationship between chlorophyll and yellow substance in concentration(3)黃色物質(zhì)與鹽度的關(guān)系

黃色物質(zhì)濃度和鹽度在水平方向上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。近岸海域以及遠(yuǎn)岸中上層海域垂向也大體呈負(fù)相關(guān), 但在遠(yuǎn)岸下層海域, 兩者之間負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱甚至消失。

形成這種特征的原因可能是河口沿岸地區(qū)受到低鹽且具有較高黃色物質(zhì)濃度的陸地徑流的影響,而在遠(yuǎn)離岸邊的北黃海中部和南黃海東部海域, 則受到黃海暖流影響則表現(xiàn)出高鹽、低黃色物質(zhì)濃度的特征, 因此鹽度和黃色物質(zhì)濃度兩者之間整體呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(Ferrari et al, 1998)。但是, 在一些環(huán)境比較復(fù)雜的近岸海域, 沖淡水中溶解有機(jī)物成分的變化、黃色物質(zhì)的光降解作用、細(xì)菌作用以及海水混合動(dòng)力加強(qiáng)等(Granskog et al, 2007)導(dǎo)致黃色物質(zhì)和鹽度的負(fù)相關(guān)關(guān)系不穩(wěn)定。比如蘇北沿岸附近, 鹽度和黃色物質(zhì)濃度均較高。由濁度的分布來看, 這可能是此處海域深度較淺、上下層海水混合動(dòng)力較強(qiáng)造成的。

秋季和春季兩個(gè)航次各站位水平方向黃色物質(zhì)濃度和鹽度的相關(guān)趨勢如圖 11所示, 兩者相關(guān)系數(shù)為0.70。根據(jù)兩個(gè)航次的數(shù)據(jù)可以得出鹽度和黃色物質(zhì)濃度之間的關(guān)系式如下:

其中, cdom為黃色物質(zhì)濃度值, salinity為鹽度值。

從以上結(jié)果看, 黃渤海海域黃色物質(zhì)的主要來源為河流的輸入, 而浮游植物降解的貢獻(xiàn)并不明顯。另外, 由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù), 本研究沒有考慮黃色物質(zhì)光降解以及細(xì)菌影響等因素對黃色物質(zhì)分布的影響。

圖11 鹽度和黃色物質(zhì)濃度的關(guān)系Fig.11 Relationship between salinity and yellow substance in concentration

3 結(jié)語

本文利用2013年秋季和2014年春季現(xiàn)場獲取的黃色物質(zhì)數(shù)據(jù), 分析了這兩個(gè)季節(jié)黃渤海黃色物質(zhì)水平分布和垂向分布的變化特征, 并簡要分析了其主要的控制因素。得出的主要結(jié)論如下:

(1) 黃色物質(zhì)濃度垂向整體呈現(xiàn)出底層高、上層低的特點(diǎn)。在秋季, 由于混合作用加強(qiáng), 上層40m黃色物質(zhì)混合較為均勻。春季北黃海已形成了較強(qiáng)的溫度躍層和鹽度躍層, 黃色物質(zhì)的分布也開始出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象, 而南黃海形成了較強(qiáng)的溫度躍層, 但鹽度躍層尚未形成, 50m以淺黃色物質(zhì)垂向分布均勻。

(2) 水平分布上, 秋季和春季整體分布趨勢一致,均呈現(xiàn)出近岸高遠(yuǎn)岸低的特征, 黃色物質(zhì)濃度由近岸向中央海區(qū)遞減, 在黃河口附近和蘇北沿岸海域濃度出現(xiàn)最大值。春季較秋季黃色物質(zhì)整體濃度顯著降低, 尤其在渤海灣口以及蘇北沿岸附近海域降幅明顯。

(3) 黃渤海海域黃色物質(zhì)的主要來源為河流的輸入, 而浮游植物降解的貢獻(xiàn)并不明顯。

(4) 黃色物質(zhì)的濃度和鹽度總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 黃色物質(zhì)的分布較好地顯示了黃海暖流的走向,因此黃色物質(zhì)可以作為黃渤海劃分水團(tuán)性質(zhì)的重要指標(biāo)。

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