長江營養(yǎng)鹽濃度的增加對鄰近海區(qū)海-氣CO2通量的影響

劉 哲，羅曉凡，魏 皓，趙 亮

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

長江營養(yǎng)鹽濃度的增加對鄰近海區(qū)海-氣CO2通量的影響

劉 哲1，羅曉凡1，魏 皓2，趙 亮1

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

近50年來，長江溶解無機(jī)氮和溶解無機(jī)磷營養(yǎng)鹽濃度不斷增加，對長江口鄰近海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的同時(shí)，也對海-氣CO2通量帶來擾動．基于三維的東中國海生態(tài)動力-無機(jī)碳循環(huán)耦合模型，設(shè)計(jì)敏感性實(shí)驗(yàn)，在不考慮營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化的前提下，假設(shè)長江營養(yǎng)鹽濃度各增加50%,，模擬長江營養(yǎng)鹽輸入增加情景，探究其對長江口鄰近海區(qū)海-氣CO2通量的影響．結(jié)果表明：與參考實(shí)驗(yàn)相比，長江營養(yǎng)鹽濃度的增加使得夏季長江淺灘大氣CO2向海通量增加，海表可多吸收約68%,的大氣CO2，而冬季長江淺灘和蘇北淺灘大氣CO2向海通量減小，即冬季碳匯作用減弱，全年尺度上長江淺灘吸收CO2的能力增強(qiáng)約6%,．長江營養(yǎng)鹽濃度增加所致的生物效應(yīng)主控長江口鄰近海區(qū)溶解無機(jī)碳的變化，進(jìn)而對海-氣CO2通量產(chǎn)生影響．

海-氣CO2通量；營養(yǎng)鹽；長江口；生態(tài)模型

河流向海洋輸送了大量淡水、溶解無機(jī)營養(yǎng)鹽、陸源有機(jī)碳及無機(jī)碳等，對河口毗鄰海區(qū)生物地球化學(xué)過程有重要影響[1]．Mckee等[2]提出河流主控型邊緣海概念，指出這種類型的陸架邊緣海具有所有海洋系統(tǒng)中最高的初級生產(chǎn)能力，其碳循環(huán)的基本特征表現(xiàn)為海表二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide，pCO2)下降或是顯著的大氣CO2匯，海-氣CO2通量取決于生物群落中自養(yǎng)和異養(yǎng)生物活動的強(qiáng)弱[3]．Chen等[4]指出在大河羽流區(qū)，豐富營養(yǎng)鹽被浮游植物用來進(jìn)行光合作用，使得該區(qū)甚至是距離河口幾百公里遠(yuǎn)的海區(qū)都可能成為CO2匯．

長江位于我國黃、東海交界之處，其季節(jié)性徑流輸入使得鄰近海區(qū)水文結(jié)構(gòu)、生物活動以及海-氣CO2通量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征．Tseng等[5]指出CO2的吸收與初級生產(chǎn)有關(guān)，特別是在長江沖淡水區(qū)，在三峽大壩建成后，長江沖淡水流量減小，富含營養(yǎng)鹽的沖淡水區(qū)域減小，高初級生產(chǎn)范圍也隨之減小，可能導(dǎo)致CO2吸收能力下降，甚至?xí)箹|海陸架由CO2匯轉(zhuǎn)為源．而后，基于同樣的前提，Tseng等[6]利用溫度、長江徑流量建立模型用以估算33°N以南的整個(gè)東海海表pCO2年際與季節(jié)變化，指出1998—2011年東海pCO2有上升趨勢，這很可能與徑流量的下降趨勢相關(guān)．然而在年際變化上長江徑流量并非長江沖淡水?dāng)U展的主控因子[7-8]，徑流量較大時(shí)，長江沖淡水?dāng)U展面積并非較大，且受臺灣暖流的影響，沖淡水北分支在某些年份可能更為偏北，甚至達(dá)到35°N[7]．此外，長江沖淡水?dāng)U展主要影響區(qū)域?yàn)辄S、東海交界海區(qū)，東海中外陸架海區(qū)幾乎不受長江沖淡水的影響，因此東海并不是嚴(yán)格意義上的河流主控型邊緣海，用長江徑流量估算整個(gè)東海碳通量存在一定的不確定性．

研究表明，長江徑流量在近60年來整體上變化不大，基本上在892.2億m3上下波動．而長江營養(yǎng)鹽濃度則表現(xiàn)出較大幅度的變化，其中溶解無機(jī)氮和溶解無機(jī)磷濃度呈顯著增加趨勢[9]．1963—2007年，長江溶解無機(jī)氮從22.9,μmol/L增加到122.9,μmol/L，累積增加436.7%,；溶解無機(jī)磷從0.12,μmol/L增加到1.58,μmol/L，累積增加1,217%,[10]．Gypens等[11]的研究指出，比利時(shí)沿海地區(qū)在20世紀(jì)70年代至80年代隨著氮、磷的增加，此海區(qū)由大氣CO2的源轉(zhuǎn)換成CO2的匯；20世紀(jì)90年代末，隨著磷的減少，此海區(qū)又由CO2的匯變成CO2的源．Chou等[12]指出21世紀(jì)初相對于20世紀(jì)90年代東海內(nèi)陸架海水夏季pCO2明顯降低，秋冬季海水pCO2明顯增加，認(rèn)為這兩個(gè)不同年代海水pCO2的變化可能與富營養(yǎng)化有關(guān)．長江營養(yǎng)鹽濃度的增加對長江口鄰近海區(qū)海-氣CO2通量有什么影響？又是如何影響的？這是本文探討的主要問題．基于此，本文應(yīng)用三維的東中國海生態(tài)動力-無機(jī)碳循環(huán)耦合模型，設(shè)計(jì)敏感性實(shí)驗(yàn)，在不考慮營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化的前提下，僅使長江營養(yǎng)鹽濃度各增加50%,，并將營養(yǎng)鹽增加的實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與參考實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較．

1 模型配置及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型配置

本模型是一個(gè)三維的東中國海生態(tài)動力-無機(jī)碳循環(huán)耦合模型，包括3個(gè)模塊：水動力模塊、生態(tài)模塊和無機(jī)碳化學(xué)模塊．其中，水動力模塊為生態(tài)模塊和無機(jī)碳化學(xué)模塊提供海水的溫度、鹽度、流速、擴(kuò)散系數(shù)等數(shù)據(jù)，3個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行．

水動力模塊使用Guo等[13]基于普林斯頓海洋模型(Princeton Ocean Model，POM)[14-15]在東中國海模擬的結(jié)果．Guo等[13]采用3層嵌套技術(shù)得到了較高分辨率(水平方向1/18°×1/18°，垂向sigma坐標(biāo)，共21層)的物理場，可以更準(zhǔn)確地刻畫黃東海的水動力環(huán)境．

生態(tài)模塊是基于挪威生態(tài)模型(NORWegian ECO-logical Model，NORWECOM)[16-18]在東中國海進(jìn)行了重建，并且與Guo等[13]改進(jìn)的水動力模塊耦合[19]，即東中國海生態(tài)動力模型(East China Sea ECOlogical Model，ECSECOM)．Luo等[20]在ECSECOM基礎(chǔ)之上加入無機(jī)碳循環(huán)過程，初步完成了陸架海碳循環(huán)模型的建立．該模型包含了黃、東海碳循環(huán)的主要控制過程，如海-氣界面CO2交換、河流溶解無機(jī)碳(dissolved inorganic carbon，DIC)輸入、沉積物-水界面顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon，POC)的沉積與再懸浮過程以及開邊界外海營養(yǎng)鹽和DIC的輸入．

在無機(jī)碳化學(xué)模塊中，DIC和總堿度(total alkalinity，TA)為預(yù)報(bào)變量，海-氣CO2通量(air-sea CO2,flux，F(xiàn)DIC)和pCO2為診斷變量．海水中DIC和TA的控制方程為

式中：adv、diff、bio、asf、riv分別表示對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)、生物過程項(xiàng)、海-氣CO2交換過程和河流輸入項(xiàng)．

該模型大氣強(qiáng)迫條件中，1/4°×1/4°分辨率的氣候態(tài)月均風(fēng)場和氣壓數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)再分析數(shù)據(jù)集(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts-Reanalysis DATA Archive，ECMRW-ERA：http：//data-portal.ecmwf.int/data/d/ interim_full_monthly/)．全球3°×2°月均干大氣CO2物質(zhì)的量比(2000—2010年)來自美國國家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA：http：//www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/ carbontracker/download.html)．DIC和TA的初始場以及DIC開邊界數(shù)據(jù)來自二氧化碳信息處理中心(Carbon Dioxide Information Analysis Center，CDIAC：http：//odv.awi.de/en/data/ocean/global_alkanity_tco2/)，該數(shù)據(jù)是基于全球多航次構(gòu)建的空間分辨率為1°×1°，時(shí)間分為4個(gè)季節(jié)，垂向標(biāo)準(zhǔn)33層的數(shù)據(jù)集．長江入海月均DIC通量根據(jù)長江年入海DIC總量和長江徑流量在季節(jié)內(nèi)的配比計(jì)算[21-22].在開闊大洋TA濃度主要受鹽度控制，因此開邊界TA濃度設(shè)置為鹽度的函數(shù)[23]．模型計(jì)算時(shí)間步長為6,min，模式運(yùn)行3年達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，取第3年的輸出結(jié)果進(jìn)行分析．

本文研究范圍為25°N ～37°N，118°E ～128°E，水深200,m以淺海區(qū)．

1.2 模型驗(yàn)證

Guo等[13]采用三重嵌套POM模型所模擬的海面高度與T/P(TOPEX/Poseidon)衛(wèi)星反演的海面高度的均方根空間分布一致，并較好地模擬了東中國海黑潮路徑；通過與實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)的比較，POM亦可較好地模擬南黃海以及東海北部的底層溫度場[24]．此外，與POM耦合的東中國海生態(tài)動力學(xué)模型，能夠抓住氮、磷、硅3種無機(jī)營養(yǎng)鹽以及葉綠素a濃度季節(jié)分布的主要特征[19]．Luo等[20]在東海選取一適當(dāng)?shù)淖訁^(qū)域?qū)⒛M得到的海表DIC濃度與多航次調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)空間平均后進(jìn)行了比較，結(jié)果表明實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果呈現(xiàn)較為一致的季節(jié)變化趨勢．不同比較表明，水動力環(huán)境、營養(yǎng)鹽、葉綠素和DIC都得到比較可靠的模擬結(jié)果．

模型結(jié)果的海表pCO2四季分布(圖1)特征表明：長江口外及羽流區(qū)pCO2在秋季達(dá)最大，約在350～430,μatm，而其他三季pCO2整體小于350,μatm，春季局部海區(qū)pCO2小于250,μatm；閩浙沿岸秋季pCO2最高，大于350,μatm，其他季節(jié)約在250～350,μatm；東海北部陸架pCO2在夏季最高，秋季次之，然而兩季pCO2均大于350,μatm，而冬、春季pCO2則在250～300,μatm；東海中陸架和東海南部海區(qū)pCO2在夏季達(dá)最大，約在350～430,μatm，其他季節(jié)除春季東海最南端pCO2約達(dá)400,μatm之外，余下海區(qū)pCO2均小于350,μatm．Guo等[25]對東海陸架2006—2011年多航次海表pCO2的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明東海冬季pCO2分布較為均勻，整體在330～360,μatm，長江口外春夏季pCO2小于100,μatm，秋季pCO2大于400,μatm，達(dá)最大值；閩浙沿岸pCO2亦是在秋季達(dá)最大，超過350,μatm，而其他三季則在300～350,μatm；東海北部陸架夏秋季(pCO2＞340,μatm)要高于冬春季；東海中陸架和東海南部pCO2在夏季達(dá)最大，約在380～400,μatm，其他季節(jié)則小于350,μatm．可見，除夏季長江口外pCO2模擬明顯偏高外，東海其他海區(qū)pCO2季節(jié)變化的模擬與Guo等[25]多年觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果是比較一致的.

圖1 模式數(shù)據(jù)海表pCO2的季節(jié)分布(單位：μatm)Fig. 1Seasonal distribution of surface pCO2of the modeled data(unit：μatm)

1.3 敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究表明，長江徑流量在近60年來整體上變化不大[10]，而長江營養(yǎng)鹽的濃度，主要是溶解無機(jī)氮和磷酸鹽呈顯著增加趨勢[9]．因此，通過設(shè)計(jì)敏感性實(shí)驗(yàn)，模擬長江營養(yǎng)鹽增加的情景，探究長江營養(yǎng)鹽濃度的增加對鄰近海區(qū)海-氣CO2通量的影響．敏感性實(shí)驗(yàn)包括一個(gè)參考算例(參考實(shí)驗(yàn))和一個(gè)營養(yǎng)鹽增加的算例(NUTRINR實(shí)驗(yàn))．NUTRINR實(shí)驗(yàn)中，在不考慮營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化的前提下，僅使長江營養(yǎng)鹽(即無機(jī)氮、無機(jī)磷、硅酸鹽)濃度各增加50%,，其他條件與參考實(shí)驗(yàn)相同．

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽變化量的分布

將NUTRINR實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果作差，得到兩組實(shí)驗(yàn)各變量的變化量．從營養(yǎng)鹽濃度變化量分布來看，長江營養(yǎng)鹽濃度的變化對東海中、外陸架大部分海區(qū)營養(yǎng)鹽濃度分布幾乎沒有影響．

長江營養(yǎng)鹽濃度增加50%,后，NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層溶解無機(jī)氮(NIT)濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)變化量的分布(圖2)顯示：1—5月NIT增加的海區(qū)主要集中在50,m以淺海區(qū)，長江口外、蘇北淺灘等30,m以淺近岸海區(qū)NIT增加在5,mmol/m3以上，約是參考實(shí)驗(yàn)的30%,以上(圖2(a)—(e))．6月至夏末，隨著長江徑流量的增加，營養(yǎng)鹽向海通量增加，NIT隨長江沖淡水向濟(jì)州島方向擴(kuò)展，50,m以淺海區(qū)NIT繼續(xù)保持著較高濃度；與此同時(shí)，受臺灣暖流的頂托作用，長江沖淡水羽流南下分支較弱，長江口南部30,m以淺沿岸海區(qū)NIT增加不明顯(圖2(f)—(h))．秋季后，除50,m以淺海區(qū)保持高濃度外，NIT濃度明顯發(fā)生變化的海區(qū)范圍收縮(圖2(i)—(l))．

圖2 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層NIT濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：mmol/m3)Fig. 2 Variation of the surface dissolved inorganic nitrogen concentration between NUTRINR case and normal run (unit：mmol/m3)

NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層溶解無機(jī)磷(PHO)濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)變化量的分布(圖3)顯示：PHO增加的海區(qū)主要集中在30,m以淺海區(qū)，同NIT增加的海區(qū)相似，特別是在長江口外和蘇北淺灘等海區(qū)．

6—9月，PHO增加量相較其他月份并不明顯(圖3(f)—(i))，結(jié)合葉綠素質(zhì)量濃度變化量分布(圖4)，表明這種現(xiàn)象主要是由浮游植物的消耗所引起的．春季浮游植物水華首先發(fā)生在黃海中部，然而長江營養(yǎng)鹽濃度的增加此時(shí)并不能影響到該區(qū)，因此，早春NUTRINR實(shí)驗(yàn)葉綠素質(zhì)量濃度相對參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異并不明顯．至春末及夏季，潮汐鋒區(qū)以及長江口外出現(xiàn)浮游植物水華，這些海區(qū)的NIT、PHO增加，促進(jìn)了植物光合作用，葉綠素質(zhì)量濃度增加，由于NIT過量，浮游植物生長受到PHO限制[26]，所以在此期間河流輸入增加的PHO被浮游植物消耗盡，PHO相對參考實(shí)驗(yàn)無明顯變化．而在50,m以深海區(qū)，盡管NIT增加明顯，但受PHO影響范圍的限制，葉綠素質(zhì)量濃度幾乎沒有變化(圖4)．總體而言，夏季長江輸入營養(yǎng)鹽通量隨著長江徑流量的增加而增加，由于長江沖淡水的輸運(yùn)作用及浮游植物的消耗作用，使得NIT在長江口鄰近海區(qū)表現(xiàn)為向濟(jì)州島方向擴(kuò)展，而PHO增加卻不明顯；秋季長江輸入營養(yǎng)鹽通量逐漸減少，冬季為長江輸入營養(yǎng)鹽通量最低值，此時(shí)NIT擴(kuò)展范圍收縮，集中在50,m以淺海區(qū)，浮游植物消耗的降低使PHO能夠擴(kuò)展到30,m以淺海區(qū)；從春季開始，長江輸入營養(yǎng)鹽通量又開始增加，營養(yǎng)鹽分布逐漸過渡到夏季的狀態(tài)．

圖3 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層溶解PHO濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：mmol/m3)Fig. 3 Variation of the surface dissolved inorganic phosphate concentration between NUTRINR case and normal run (unit：mmol/m3)

圖4 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層葉綠素質(zhì)量濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：mg/m3)Fig. 4 Variation of the surface chlorophyll concentration between NUTRINR case and normal run(unit：mg/m3)

2.2 海-氣CO2通量變化量的分布及影響因素

NUTRINR實(shí)驗(yàn)相對于參考實(shí)驗(yàn)的海-氣CO2通量的變化量分布(圖5)顯示：夏季至中秋，長江口鄰近海區(qū)FDIC出現(xiàn)負(fù)變化，大氣向海洋的碳通量增加，并且FDIC負(fù)變化范圍與沖淡水范圍一致(圖5(f)—(j))；長江口外變化幅度最大，F(xiàn)DIC變化量減少了0.8,mmol/(m2·d)，約使FDIC下降了40%,，即碳匯作用增加了40%,．秋季末，蘇北淺灘開始出現(xiàn)FDIC正變化海區(qū)，表明海洋向大氣的碳通量逐漸增加，隨時(shí)間推移，1月FDIC正變化達(dá)最大(圖5(a))，此時(shí)海洋碳匯作用減弱最多，1月NUTRINR實(shí)驗(yàn)FDIC相對參考實(shí)驗(yàn)最大增加了0.4,mmol/(m2·d)，約使FDIC增加了10%,，即碳匯作用下降了10%,．夏秋季長江輸入營養(yǎng)鹽通量增加對長江口鄰近海區(qū)的碳匯變化有正作用，而冬春季長江輸入營養(yǎng)鹽通量的減少對其鄰近海區(qū)的碳匯變化有負(fù)作用．

海-氣交換過程即FDIC依賴于海-氣CO2分壓差，CO2的溶解度以及海-氣界面CO2氣體傳輸速率.

式中：k為CO2氣體傳輸速率，本文采用Wanninkhof[27]提出的與海面10,m風(fēng)速和水溫相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式來確定k；α 為CO2在海水中的溶解度，本文采用Weiss[28]提出的與海水溫鹽相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式確定α ；pCO2a為大氣CO2分壓；pCO2w為海水的CO2分壓．

在NUTRINR實(shí)驗(yàn)中，由于物理場相對于參考實(shí)驗(yàn)沒有變化，所以k、α 以及pCO2a與參考實(shí)驗(yàn)是一致的，僅有pCO2w在調(diào)控FDIC的變化．

圖5 NUTRINR實(shí)驗(yàn)海-氣CO2通量相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：mmol/(m2·d))Fig. 5 Variation of the air-sea CO2flux between NUTRINR case and normal run(unit：mmol/(m2·d))

夏季，海表pCO2變化量的分布(圖6)表明：隨著長江營養(yǎng)鹽輸運(yùn)的增加，即長江輸入營養(yǎng)鹽通量增加，長江沖淡水?dāng)U展區(qū)域內(nèi)pCO2降低，蘇北淺灘和長江口外下降幅度最大，海表pCO2下降量在20,μatm以上；秋季至春季，蘇北淺灘以及長江淺灘海表pCO2逐漸增加到10,μatm以上．而pCO2的變化主要受DIC和TA濃度變化的影響．研究表明，全球表層海水DIC平均增加1%,，pCO2將增加10%,， TA增加1%,，pCO2將減少9.4%,[29]，這兩者對pCO2的貢獻(xiàn)是反相的．浮游植物的生長與呼吸在改變DIC濃度的同時(shí)，NIT濃度的變化也會影響TA的變化．長江營養(yǎng)鹽濃度的增加所刺激的生物活動的變化通過改變DIC和TA對pCO2產(chǎn)生影響．在長江口及其鄰近海區(qū)，DIC的變化幅度要明顯大于TA的變化幅度(圖7)，表明海表pCO2的變化主要由DIC的變化主導(dǎo)．

圖6 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層海水pCO2相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：μatm)Fig. 6 Variation of sea surface pCO2between NUTRINR case and normal run(unit：μatm)

圖7 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層DIC濃度與TA濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)變化百分比的比值Fig. 7 Ratio of the percentage variations of the sea surface DIC and TA between NUTRINR case and normal run

NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層DIC濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量分布(圖8)顯示：夏季，隨著長江輸入營養(yǎng)鹽通量的增加，河口鄰近海區(qū)浮游植物生長消耗DIC增加，長江口鄰近海區(qū)的DIC的負(fù)變化范圍不斷擴(kuò)大，長江沖淡水的對流作用將低DIC水團(tuán)向濟(jì)州島方向輸運(yùn)(圖8(f)—(i))，此時(shí)受DIC變化的影響，pCO2負(fù)變化范圍也在向濟(jì)州島方向擴(kuò)展且與DIC變化范圍相似(圖6(f)—(i))，同時(shí)生物作用使得水體中有機(jī)碎屑增多(圖9(f)—(i))．從秋末開始，長江輸入營養(yǎng)鹽通量減少，光合作用減弱，有機(jī)碎屑的生物降解開始占據(jù)生物活動的主體，水體中的有機(jī)碎屑含量逐漸減少并轉(zhuǎn)變?yōu)镈IC(圖9(j)—(d))，從而使DIC的濃度不斷增加(圖8)，DIC濃度的增加也使得pCO2出現(xiàn)正變化并逐漸增強(qiáng)的趨勢(圖6(j)—(d))．秋末至春初，長江口及蘇北淺灘海區(qū)DIC有所增加，浮游植物光合作用很弱，此時(shí)海洋又處于吸收大氣CO2的狀態(tài)，DIC并沒有消耗，所以DIC持續(xù)保持這一正變化量的狀態(tài)，直至春末開始出現(xiàn)浮游植物水華，DIC正變化區(qū)域開始收縮，至夏季呈現(xiàn)為DIC負(fù)變化．整體而言，長江營養(yǎng)鹽濃度增加，對DIC的影響主要表現(xiàn)為夏、秋季DIC的生物消耗增加，而冬季至春初有機(jī)碎屑的分解增加．

圖8 NUTRINR實(shí)驗(yàn)表層DIC濃度相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：μmol/kg)Fig. 8 Variation of sea surface DIC concentration between NUTRINR case and normal run(unit：μmol/kg)

本文對長江淺灘(圖9(a)所示方框，30.8°N～33°N，122.5°E ～125°E)在不同季節(jié)吸收CO2的能力做一個(gè)估算，并與參考實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較(表1)．長江淺灘在受長江沖淡水影響較明顯的海區(qū)范圍之內(nèi)，因此可以選取此海區(qū)用以評估海表吸收CO2能力的強(qiáng)弱及其變化趨勢．對長江淺灘而言，長江營養(yǎng)鹽濃度的增加對夏季海-氣碳通量的影響最為明顯，夏季大氣CO2向海通量增加，海表可多吸收約68%,的大氣CO2；對秋季影響次之，長江營養(yǎng)鹽的增加使長江淺灘秋季碳源作用減弱38%,；冬季和春季，大氣CO2向海通量減小，即碳匯作用有所減弱；從全年看，長江營養(yǎng)鹽增加50%,后，長江淺灘約多吸收6%,的大氣CO2．

Chou等[30]對冬季觀測數(shù)據(jù)總結(jié)指出20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，東海碳匯作用在減弱，并認(rèn)為這主要由夏季不斷增加的有機(jī)碳分解所致．陳鑫等[31]對近年來夏季已有觀測數(shù)據(jù)總結(jié)指出，長江羽流區(qū)夏季碳匯作用呈增加趨勢，認(rèn)為是夏季長江平均月徑流量的增加造成沖淡水面積不斷擴(kuò)大所致，但是Wei等[7]根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在年際變化上長江徑流量并非長江沖淡水?dāng)U展的主控因子，周鋒等[8]通過模擬長江徑流量極枯年2006年與極豐年1999年長江沖淡水?dāng)U展的差異指出徑流量并非沖淡水?dāng)U展的主導(dǎo)因素．所以這種碳匯作用變化趨勢可能就是對長江營養(yǎng)濃度不斷增加的這種長期變化的響應(yīng)，而非長江徑流量的變化所導(dǎo)致的．

圖9 NUTRINR實(shí)驗(yàn)有機(jī)碎屑濃度(以碳計(jì))的水柱積分相對于參考實(shí)驗(yàn)的變化量(單位：mg/m2)Fig. 9 Variation of the column burden of detritus concentration(count by carbon)between NUTRINR case and normal run (unit：mg/m2)

表1 參考實(shí)驗(yàn)與NUTRINR實(shí)驗(yàn)中長江淺灘海-氣CO2通量季節(jié)分布Tab. 1 Seasonal distribution of the air-sea CO2flux between the normal case and NUTRINR run about Changjiang Bank

3 結(jié) 語

本文基于三維的東中國海生態(tài)動力-無機(jī)碳循環(huán)耦合模型，根據(jù)長江營養(yǎng)鹽濃度的變化，設(shè)計(jì)敏感性實(shí)驗(yàn)，在不考慮營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)變化的前提下，僅使長江營養(yǎng)鹽濃度各增加50%,，研究其引起的長江口及其鄰近海區(qū)海-氣CO2通量的變化．與參考實(shí)驗(yàn)相比，各營養(yǎng)鹽的變化量分布如下：NIT增加主要分布在50,m以淺海區(qū)，特別是長江口外、蘇北淺灘等地．PHO增加主要分布在30,m以淺海區(qū)，6—9月由于浮游植物的消耗表現(xiàn)出PHO增加不明顯的特征．

長江營養(yǎng)鹽的增加所致的生物效應(yīng)主控長江口鄰近海區(qū)DIC的變化，進(jìn)而對海-氣CO2通量產(chǎn)生影響．夏季浮游植物光合作用消耗DIC，使DIC濃度減小，此時(shí)水體中累積的生物有機(jī)碎屑在秋、冬季分解又使得水體DIC濃度增加．DIC比TA的變化幅度大很多，因此DIC的變化主導(dǎo)了pCO2的變化，而在NUTRINR實(shí)驗(yàn)中，物理場沒有改變，海表pCO2的變化決定了FDIC的變化．夏季至中秋，長江口鄰近海區(qū)海-氣CO2通量為負(fù)變化，大氣向海洋的碳通量增加；秋末到春初，蘇北淺灘海-氣CO2通量為正變化，海洋向大氣的碳通量增加．長江淺灘在夏季碳匯作用增強(qiáng)，約多吸收68%,的大氣CO2，而在冬春季則碳匯作用減弱；全年尺度上，長江淺灘海區(qū)海水吸收CO2的能力增強(qiáng)約6%,．在觀測數(shù)據(jù)中總結(jié)出的長江口鄰近海域冬季碳匯作用減弱，夏季碳匯增強(qiáng)的這一變化趨勢很可能就是對長江營養(yǎng)鹽濃度增加的響應(yīng)．此外，初級生產(chǎn)的增強(qiáng)將導(dǎo)致底層有機(jī)碳的累積增多，推測其與黃東海顆粒有機(jī)碳的沉積埋藏及海洋酸化現(xiàn)象存在一定關(guān)系，這需要結(jié)合沉積物-水界面碳交換過程的研究作進(jìn)一步的分析討論．

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責(zé)任編輯：周建軍

Influence of Increasing Nutrients of the Changjiang River on Air-sea CO2Flux in Adjacent Seas

LIU Zhe1，LUO Xiaofan1，WEI Hao2，ZHAO Liang1
(1．College of Marine and Environmental Sciences，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2．School of Marine Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In recent 50 years，the nutrient concentration of the dissolved inorganic nitrogen phosphorus in Changjiang River continued to increase，which has already had certain impact on the ecosystem of Changjiang River estuary and the adjacent seas and also caused disturbances of the air-sea CO2flux．Based on the three-dimensional ecological dynamic-inorganic carbon cycle coupling model of the East China Sea，sensitivity experiments were designed without considering structural changes in nutrients and assuming that each nutrient concentration of Changjiang River increased by 50%,，which simulated the increase of the nutrients in Changjiang River，so as to explore the influence of increasing nutrients on air-sea CO2flux in adjacent seas of Changjiang estuary．The results show that compared with the reference case，the increased nutrient concentration of Changjiang River has brought about a positive change in the atmospheric CO2seaward flux about Changjiang Bank．In summer，with the carbon sink strengthened，the sea surface absorbed more atmospheric CO2，about 68%,．In winter，the seaward flux of the atmospheric CO2decreased above Changjiang Bank and Subei Shoal．That is to say，carbon sink was weakened in winter．The CO2absorption capacity has had an increase of about 6%,anmually above Changjiang Bank．The biological effect，due to the increased nutrient concentration of Changjiang River，is the major cause leading to the changes of dissolved inorganic carbon in adjacent seas，which further influenced the air-sea CO2flux.

air-sea CO2flux；nutrient；Changjiang estuary；ecological model

P734.4

A

1672-6510(2016)06-0055-09

10.13364/j.issn.1672-6510.20150270

2015-12-30；

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41376112，41276016)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)資助項(xiàng)目(XDA11020305)

劉 哲（1989—），男，山東濱州人，碩士研究生；

趙 亮，教授，zhaoliang@tust.edu.cn.

數(shù)字出版日期：2016?07?11；數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20160711.1608.002.html.