桑溝灣春、秋季溶存CH4的分布及海-氣交換通量

侯 靜,張桂玲*,葉旺旺,宋 達(dá),孫明爽

(1.中國(guó)海洋大學(xué),山東青島266100;2.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

桑溝灣春、秋季溶存CH4的分布及海-氣交換通量

侯 靜1,2,張桂玲1,2*,葉旺旺1,2,宋 達(dá)1,2,孫明爽1,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué),山東青島266100;2.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

分析2013-10,2014-05和2015-05對(duì)桑溝灣3個(gè)航次的調(diào)查中采集的表、底層海水樣品,研究該海域海水中溶解CH4的分布特征及海-氣交換通量。結(jié)果表明:春、秋季桑溝灣水體中CH4濃度范圍為3.0～356.4 nmol· L-1,底層濃度高于表層。由于水溫的季節(jié)變化和陸源輸入的影響,秋季表、底層平均CH4濃度是春季的3～7倍。受養(yǎng)殖活動(dòng)的影響,貝藻混養(yǎng)區(qū)表、底層CH4均高于其他養(yǎng)殖區(qū)和灣外。2013-10,2014-05和2015-05桑溝灣表層海水CH4的平均飽和度分別為(2 704±2 532)%,(330±276)%和(858±417)%,表現(xiàn)為秋季高于春季。根據(jù)W2014公式估算出桑溝灣春、秋季表層海水CH4海-氣交換通量范圍為3.9～19.9μmol·m-2·d-1,根據(jù)N2000公式估算出春、秋季表層海水CH4海-氣交換通量范圍為5.5～20.6μmol·m-2·d-1,表明春、秋季桑溝灣是大氣CH4的源區(qū)。

桑溝灣;甲烷;分布特征;海-氣交換通量

甲烷(CH4)是大氣中含量最豐富的有機(jī)氣體,作為一種強(qiáng)有力的溫室氣體,它對(duì)地球大氣層變暖有很重要作用。自工業(yè)革命以來(lái),大氣中的CH4已經(jīng)從1750年的722×10-9增長(zhǎng)到了2011年的1 803×10-9,增長(zhǎng)了1.5倍[2]。大氣中CH4的變化,表明了CH4源和匯的失衡。而海洋作為大氣CH4自然源之一,存在很大的時(shí)空差異性,全球海洋所釋放總量的75%主要來(lái)自于高生產(chǎn)力的海灣、河口和陸架等海域[3-4]。普遍認(rèn)為海灣區(qū)CH4的濃度會(huì)隨著人類活動(dòng)(例如密集的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng))的增強(qiáng)而增加。近年來(lái)隨著漁業(yè)產(chǎn)量連續(xù)下降,為了滿足日益增長(zhǎng)海鮮需求,水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快的食品生產(chǎn)行業(yè),在過(guò)去的50 a里養(yǎng)殖海產(chǎn)品產(chǎn)量增加近60倍[5]。由水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展帶來(lái)了不可忽視的環(huán)境問(wèn)題,例如溫室氣體的釋放。目前對(duì)于海水中CH4的研究主要集中在河口和陸架區(qū),對(duì)于淺海養(yǎng)殖區(qū)中溶存CH4的研究罕有報(bào)道。目前還沒(méi)見有關(guān)桑溝灣甲烷的研究報(bào)道,為此我們基于2013-10,2014-05和2015-05在桑溝灣海域的調(diào)查資料,對(duì)該養(yǎng)殖區(qū)春、秋兩季表、底層海水中溶存CH4的分布特征及其影響因素作了初步的探討,并估算了研究區(qū)春、秋季CH4的海-氣交換通量。

1 材料與方法

1.1 研究海域

桑溝灣(圖1)地處山東半島東端,面臨黃海,是一個(gè)灣口朝東的半封閉型的海灣,該灣水域總面積約為144 km2,灣口寬11.5 km,岸線長(zhǎng)74.4 km,灣內(nèi)水深較淺,平均水深7～8 m,最大水深18 m[6]。桑溝灣屬于不規(guī)則半日潮,最大潮差為3.5 m。桑溝灣主要受黃海沿岸流的影響,通常情況下,方向由北向南,海流經(jīng)北岸進(jìn)入,沿南岸流出[7]。入灣的河流主要有沽河、十里河、桑干河、巴河,均屬季節(jié)性雨源河流,每逢雨季,河流暴漲,年平均徑流量為(1.7～2.3)×108m3[8]。其中,沽河是徑流量最大的河流,占到總徑流量的70%。桑溝灣作為中國(guó)北方最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地,已經(jīng)開展水產(chǎn)養(yǎng)殖超過(guò)30 a,全灣近60%的面積用來(lái)從事貝類和海帶的養(yǎng)殖。目前桑溝灣海水養(yǎng)殖主要分為海帶養(yǎng)殖區(qū)、貝類養(yǎng)殖區(qū)和海帶貝類混養(yǎng)區(qū)三個(gè)部分,主要養(yǎng)殖品種有櫛孔扇貝(濕重約15 000 t·a-1)、太平洋牡蠣(約60 000 t·a-1)、皺紋盤鮑等經(jīng)濟(jì)貝類和海帶(干重約84 500 t·a-1)[9]。在灣口外或水深較大、水流較急海域以養(yǎng)殖海帶為主,灣內(nèi)水淺處以海帶和貝類(扇貝、牡蠣等)間養(yǎng)或以貝類養(yǎng)殖為主[10-11]。其中海帶每年11月初下苗,次年7月之前完成收獲,在海帶生長(zhǎng)期間,它們會(huì)與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)。而貝類的養(yǎng)殖周期是早春到11月,在此期間,它們會(huì)濾食和吸收顆粒物,降解浮游植物,尤其是牡蠣,在8月的產(chǎn)卵期,它們將要消耗更多的能量和儲(chǔ)存物質(zhì)[12]。

(高 峻 編輯)

1.2 調(diào)查站位

于2013-10,2014-05和2015-05搭乘漁船對(duì)桑溝灣進(jìn)行大面調(diào)查,以研究密集水產(chǎn)養(yǎng)殖海灣中溶存CH4的時(shí)空變化。各航次的大面調(diào)查站位如圖1所示,其中2014-05只在每個(gè)養(yǎng)殖區(qū)的1或2個(gè)站位采集樣品(魚類養(yǎng)殖區(qū):SG-13;牡蠣養(yǎng)殖區(qū):SG-11;扇貝養(yǎng)殖區(qū):SG-15;貝藻混養(yǎng)區(qū):SG-5,SG-6;海帶養(yǎng)殖區(qū):SG-3, SG-4;灣外:SG-4+),由于海況限制,2013-10在靠近灣外的4個(gè)站位(包括SG-1,SG-2,SG-2+,SG-4+)沒(méi)有采底層樣品。采樣站位的水深為5～18 m。

圖1 桑溝灣主要養(yǎng)殖活動(dòng)和采樣站位Fig.1 Location of the Sanggou Bay,the main aquaculture practices and sampling locations

1.3 樣品的采集及分析方法

1.3.1 海水樣品采集

用5 L的有機(jī)玻璃采樣器采取表、底層海水樣品,在采樣前先用海水沖洗樣品瓶3次,然后用硅膠管將水樣盡快轉(zhuǎn)移至樣品瓶(體積約為116.5 m L)中,注入速度要快,但又不應(yīng)使瓶中產(chǎn)生氣泡。當(dāng)水樣溢出瓶體積的一半時(shí),將硅膠管慢慢提出,迅速加入1 m L飽和HgCl2溶液以抑制微生物活動(dòng)。然后用帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的橡膠塞和鋁蓋將瓶口密封,將樣品瓶上下顛倒幾次,以使HgCl2均勻分散開。每個(gè)采樣深度樣品均采雙樣,并倒置于暗處常溫保存[13]。返回陸地后,2個(gè)月內(nèi)完成測(cè)定[14]。各層次的鹽度、溫度等參數(shù)由多參數(shù)水質(zhì)分析儀(德國(guó)WTW公司350i型)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;風(fēng)速、氣溫、氣壓等參數(shù)由手持式風(fēng)速計(jì)(中國(guó)臺(tái)灣衡欣公司AZ8909型)測(cè)定。

1.3.2 海水中溶存CH4的測(cè)定

海水樣品中溶存CH4采用吹掃捕集-氣相色譜法測(cè)定[11]。樣品用高純N2吹掃后首先進(jìn)入裝填有無(wú)水氯化鈣(CaCl2)的干燥管中除去水蒸汽,隨后進(jìn)入填有Porapark-Q(80/100目)填料并置于液氮中的不銹鋼吸附管中富集7 min,富集結(jié)束后,將吸附管迅速加熱到100℃,被吸附的CH4經(jīng)解析后,選用日本帶有FID檢測(cè)器的氣相色譜(日本島津公司GC-14B型)進(jìn)行測(cè)定。色譜柱為300 mm×3 mm的不銹鋼填充柱(內(nèi)填80/100目的porapark-Q填充材料),柱溫為50℃,進(jìn)樣口溫度為100℃,檢測(cè)器溫度為175℃,所用載氣為高純N2,流量為50 m L·min-1。FID的響應(yīng)采用加入一定體積分?jǐn)?shù)的CH4標(biāo)氣(2.05×10-6,4.02×10-6和49.9×10-6,CH4/N2,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)進(jìn)行校正。因FID檢測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)與CH4濃度之間有良好的線性關(guān)系,故采用同一濃度不同體積的多點(diǎn)校正法建立色譜峰面積與CH4濃度的線性關(guān)系。然后根據(jù)待測(cè)樣品校正空白后的色譜峰面積,利用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行校正,本方法[3-4]的精密度＜3%。

1.3.3 飽和度和海-氣交換通量的計(jì)算

海水中溶存CH4的飽和度(R,%)和海-氣交換通量(F,μmol·m-2·d-1)的計(jì)算:

式中,Cobs是海水中溶存CH4的觀測(cè)值,Ceq是利用現(xiàn)場(chǎng)溫度、鹽度和溶解度數(shù)據(jù)[15]計(jì)算的表層海水與大氣達(dá)到平衡時(shí)溶解CH4的濃度。由于在這些航次中沒(méi)有測(cè)定大氣CH4的濃度,因此各個(gè)航次均采用NOAA/ ESRL全球觀測(cè)項(xiàng)目(http:∥www.esrl.noaa.gov/gmd)提供的數(shù)據(jù)[16]來(lái)計(jì)算大氣CH4的濃度。根據(jù)LLN (中國(guó)臺(tái)灣鹿林)、TAP(韓國(guó)Tae-ahn)和SDZ(中國(guó)上甸子)三個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)得到2013-10,2014-05和2015-05調(diào)查航次期間大氣CH4的平均含量分別為1.934×10-6,1.921×10-6,1.912×10-6。計(jì)算表明,大氣CH4含量為(1.85～1.95)×10-6時(shí),所計(jì)算得到的海-氣交換通量的差異小于(±2)%,因此采用從監(jiān)測(cè)網(wǎng)中所取得的年平均大氣CH4濃度來(lái)計(jì)算海-氣交換通量是可行的。Kw是氣體交換速率(cm·h-1),是風(fēng)速和Sc(水的動(dòng)力黏度與待測(cè)氣體分子擴(kuò)散速率之比)的函數(shù)。Kw可以根據(jù)各種經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)獲得,早期研究常用1986年Liss和Merlivat公式[17]和1992年Wanninkhof公式[18](分別簡(jiǎn)稱LM86和W92公式),根據(jù)這2個(gè)公式計(jì)算的Kw值分別代表了海-氣交換通量的較高和較低估計(jì)值。2000年提出N2000氣體交換模型來(lái)計(jì)算的近岸海域海-氣交換通量結(jié)果[20],介于LM86公式和W92公式所得結(jié)果之間[21]。2014年根據(jù)過(guò)去20 a的調(diào)查,改進(jìn)方法并更新了氣體交換和風(fēng)速之間的關(guān)系得出W2014公式[18-19],這個(gè)更新反映了在量化氣體變化系數(shù)方面的進(jìn)步。因此我們選用這2種方法(W2014和N2000)分別計(jì)算海-氣交換通量:

式中,U10表示水面上方10 m處的風(fēng)速(m·s-1),CH4的Sc=2 039.2-120.31θ+4 209θ2-0.040 43θ3,θ為表層海水的溫度(0～30℃)。

2 結(jié)果與討論

2.1 桑溝灣海水中溶存CH4的濃度及與其他海區(qū)比較

2013-10,2014-05和2015-05航次桑溝灣表、底層溫度和鹽度以及CH4濃度見表1。春季(2014-05和2015-05)表、底層水溫低于秋季(2013-10),而秋季表、底層鹽度低于春季;秋季表、底層CH4濃度明顯高于春季,并且秋季灣內(nèi)CH4的平均濃度是春季的3～7倍,在春、秋季底層CH4濃度均高于表層,尤其在秋季表現(xiàn)得更為明顯。2014-05和2015-05雖然都在春季,溫度和鹽度差別不大,但甲烷濃度仍然存在差異,其中2015-05 CH4表層和底層濃度分別為(22.6±10.1)nmol·L-1和(25.0±11.0)nmol·L-1;2014-05表層和底層分別為(9.3±7.9)nmol·L-1和(12.5±8.4)nmol·L-1。2015-05的CH4濃度明顯高于2014-05的。

中國(guó)北方的海灣、河口和陸架區(qū)CH4濃度相比,桑溝灣內(nèi)平均CH4濃度均低于其他海灣相應(yīng)季節(jié)的,如春季桑溝灣表層CH4平均濃度(9.3±7.9)nmol·L-1(2014-05)和(22.6±10.1)nmol·L-1(2015-05),低于乳山灣的(59.9±7.8)nmol·L-1(2007-05)[22]和膠州灣表層CH4平均濃度(41.4±51.1)nmol·L-1(2003-05)[23]。但是桑溝灣內(nèi)平均CH4濃度明顯高于河口區(qū)CH4平均濃度,如長(zhǎng)江口(7.95±5.24)nmol· L-1(2004-12)[24]。與陸架區(qū)相比,桑溝灣內(nèi)平均CH4明顯高于北黃海春季(6.43±2.52)nmol·L-1(2007-04)和秋季(12.02±7.51)nmol·L-1(2006-10)[24]以及東、黃海秋季的(5.03±1.68)nmol·L-1(2011-10)[26]。

表1 2013-10,2014-05和2015-05桑溝灣表、底層溫度(℃)、鹽度以及CH4濃度(nmol·L-1)的變化Table 1 Water temperature,salinity,and CH4concentrations in surface and bottom waters of the Sanggou Bay during 2013-10,2014-05 and 2015-05

2.2 桑溝灣CH4水平分布

各航次桑溝灣表、底層溫度和鹽度以及CH4濃度的水平分布如圖2～圖4所示。2014-05和2015-05表、底層水溫呈現(xiàn)相似的分布趨勢(shì),由海灣西部沿岸向?yàn)晨诔尸F(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),表現(xiàn)出沿岸水溫高于外海的特征并呈現(xiàn)明顯的梯度變化。秋季由于降溫快,并且灣口處受到黃海暖水的影響,溫度呈現(xiàn)與春季完全相反的變化趨勢(shì),表現(xiàn)為由海灣西部沿岸至灣口逐漸增大。2014-05桑溝灣表、底層鹽度分布特征比較明顯,與水溫呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),表現(xiàn)為沿岸低于外海的特征;而2015-05灣內(nèi)表、底層鹽度分布較均勻,灣內(nèi)表、底層S均為31.3～31.5。進(jìn)入秋季之后,隨著降雨和陸源輸入的影響,表、底層鹽度表現(xiàn)為與溫度相同的變化趨勢(shì),由海灣西部沿岸至灣口逐漸增大,但在海灣西部的大部分站位的S＜30。春季表、底層甲烷分布呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì),其中2014-05表、底層CH4呈現(xiàn)明顯的梯度變化(4～20 nmol·L-1),即最大值出現(xiàn)在貝藻混養(yǎng)區(qū),分別向海灣西部和灣口方向呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)。另外,底層CH4濃度值略高于表層,并且在底層的低溫高鹽區(qū)觀察到了CH4濃度的高值;然而在2015-05表、底層CH4分布趨勢(shì)與溫度分布呈現(xiàn)相似的趨勢(shì),由海灣西部向?yàn)晨谥饾u遞減,海灣西部出現(xiàn)CH4濃度的高值,整個(gè)灣口海域?yàn)榈椭祬^(qū)。2013-10中旬的秋季航次中表、底層CH4濃度呈現(xiàn)了相似的變化趨勢(shì),即最大值(＞140 nmol·L-1)出現(xiàn)在灣的東北部分,向?yàn)车奈髂戏较蛑饾u減小。

圖2 2014-05桑溝灣表、底層溫度(℃)、鹽度及CH4濃度(nmol·L-1)水平分布Fig.2 Horizontal distribution of water temperature(℃),salinity and CH4concentration(nmol·L-1)in surface and bottom waters of Sanggou Bay during 2014-05

圖3 2015-05桑溝灣表、底層溫度(℃)、鹽度及CH4濃度(nmol·L-1)水平分布Fig.3 Horizontal distribution of water temperature(℃),salinity and CH4concentration(nmol·L-1)in surface and bottom waters of Sanggou Bay during 2015-05

圖4 2013-10桑溝灣表、底層溫度(℃)、鹽度及CH4濃度(nmol·L-1)水平分布Fig.4 Horizontal distribution of water temperature(℃),salinity and CH4concentration(nmol·L-1)in surface and bottom waters of Sanggou Bay during 2013-10

圖5 2014-05,2015-05和2013-10桑溝灣表層水溫(℃)、CH4飽和度(%)Fig.5 Average water temperature(℃),CH4saturation(%) in surface waters of Sanggou Bay during 2014-05, 2015-05 and 2013-10

2.3 桑溝灣表層CH4飽和度和海-氣交換通量

桑溝灣表層海水中CH4飽和度變化范圍很大(圖5),其中2014-05,2015-05和2013-10平均CH4飽和度分別為(329±275)%,(857±417)%和(2 704±2 532)%,表現(xiàn)為秋季明顯高于春季。該結(jié)果表明春季桑溝灣表層水體的平均CH4飽和度值均低于春季膠州灣表層水體平均CH4飽和度值(1 550±1 900)%(2003-05)[23],而秋季表層水體CH4飽和度值略高于大連灣表層水體CH4飽和度值(2 205.0±2 713.3)%[27]。與陸架區(qū)相比,春、秋季桑溝灣表層水體CH4飽和度值明顯高于北黃海春季(200.0±76.9)%(2007-04)和北黃海秋季(248.5±151.9)%(2007-10)[25],東海春季(141± 23.6)%(2001-04)[14]。3個(gè)航次中桑溝灣表層海水中CH4是過(guò)飽和的,表明春、秋季桑溝灣是大氣CH4的一個(gè)凈源。

在計(jì)算海-氣交換通量時(shí),最大的不確定因素是氣體交換速率,它是根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)方程給出。根據(jù)W2014公式估算出3個(gè)航次桑溝灣表層水體中CH4的海-氣交換通量分別為(19.9±21.5)μmol·m-2·d-1(2014-05),(3.9±4.6)μmol·m-2·d-1(2015-05)和(15.0±26.7)μmol·m-2·d-1(2013-10),根據(jù)N2000公式估算出的結(jié)果分別為(20.0±21.6)μmol·m-2·d-1(2014-05),(5.5±5.8)μmol·m-2·d-1(2015-05)和(20.6±34.9)μmol·m-2·d-1(2013-10)(圖6)。2組數(shù)據(jù)對(duì)比可知,根據(jù)W2014公式所得出的CH4海-氣交換通量數(shù)值與根據(jù)N2000公式所得出的結(jié)果相差不大。雖然2014-05和2015-05桑溝灣甲烷飽和度相差不大,但是其海-氣交換通量相差較大,其中前者是后者的4或5倍。這主要是由于風(fēng)速的不同造成的,其中2014-05調(diào)查期間桑溝灣平均風(fēng)速是(8.4±1.0)m·s-1,而2015-05是(1.4±1.1)m·s-1。

2.4 影響桑溝灣CH4分布和通量時(shí)空變化的因素

桑溝灣水體中CH4的濃度和飽和度均呈現(xiàn)一定的時(shí)空變化,與水溫密切相關(guān)。春、秋季桑溝灣表、底層水體中平均CH4濃度與水溫呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,R(CH4)=12.2θ-147.9(r2=0.89,n=6)。不同季節(jié)的CH4飽和度和溫度呈現(xiàn)良好的相關(guān)性, R(CH4)=438.2θ-5 407.2(r2=0.99,n=3,p＜0.09)?；颈憩F(xiàn)為隨著溫度升高,CH4飽和度值逐漸增大。有研究報(bào)道,溫度對(duì)微生物活性和CH4產(chǎn)生都有重要的影響。它主要是制約有機(jī)質(zhì)的分解、調(diào)節(jié)參與CH4產(chǎn)生的微生物活性。并且甲烷排放變化與溫度變化密切相關(guān),溫度的升高可以增強(qiáng)產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷過(guò)程,低溫會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌以及其他微生物活性降低,從而減少甲烷通量[28]。 2015-05桑溝灣底層CH4濃度與水溫呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,R(CH4)=4.42θ-34.7(r2=0.89,n=17),并且春、秋季桑溝灣底層CH4濃度均高于表層CH4濃度,在秋季表現(xiàn)的更為明顯,底層高值的CH4可能來(lái)源于沉積物的釋放,這與專家發(fā)現(xiàn)在沉積物中CH4的產(chǎn)生速率在0～30℃內(nèi)會(huì)隨著溫度的升高而逐漸增大[29-31]是一致的。東海溶存CH4的分布具有明顯的時(shí)空變化特征,溫度可能是影響CH4季節(jié)性變化的主要因素[32]。在多樣化的生態(tài)系統(tǒng)中CH4的季節(jié)性變化特征,即隨著季節(jié)性溫度的升高,CH4的釋放量升高[33]。在桑溝灣的調(diào)查結(jié)果與前人的研究結(jié)果是一致的,表明水溫在調(diào)節(jié)桑溝灣水體中CH4的分布和季節(jié)變化方面有重要作用。

圖6 2014-05,2015-05和2013-10桑溝灣表層水體海-氣交換通量Fig.6 Average fluxes in surface waters of Sanggou Bay during 2014-05,2015-05 and 2013-10

春、秋季桑溝灣鹽度全年變化范圍不大,但呈現(xiàn)一定的季節(jié)變化特征。3個(gè)航次桑溝灣內(nèi)CH4濃度與鹽度呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)(y=-44.6x+1 417.3,r2=0.93,n=6),即隨著鹽度降低,灣內(nèi)平均CH4濃度增大,表明陸源輸入也是影響桑溝灣CH4季節(jié)變化的因素之一。鹽度的降低與秋季降雨量增加,陸源輸入量增大有關(guān),一般入灣的河流中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),能夠提高灣內(nèi)的初級(jí)生產(chǎn)力[34],因此河流也會(huì)直接攜帶高濃度的CH4流入灣內(nèi)進(jìn)而造成秋季灣內(nèi)CH4水平明顯高于春季。此外秋季在灣內(nèi)的東北方向出現(xiàn)灣的高值,一方面因?yàn)樯蠟潮卑洞a頭居住人口多,受人類活動(dòng)及陸源輸入影響較為明顯;另一方面是受桑溝灣海流的影響,海流方向由灣北部雙島至褚島嘴,從灣口到灣內(nèi)流速逐漸減弱,并且存在季節(jié)變化,秋季比春季的流速大,底層沉積物再懸浮較劇烈,有利于沉積物釋放CH4[35]。

分析各個(gè)航次的CH4濃度數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)桑溝灣貝藻混養(yǎng)區(qū)水體中CH4濃度值普遍高于貝類和海帶單養(yǎng)區(qū),并且貝類單養(yǎng)區(qū)高于海帶單養(yǎng)區(qū)(圖7),表明不同種類養(yǎng)殖活動(dòng)可能影響灣內(nèi)甲烷的產(chǎn)生和分布。在貝藻混養(yǎng)模式下,能夠加強(qiáng)有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),創(chuàng)造有利于CH4產(chǎn)生的條件。貝類(如生蠔和扇貝)能夠攝取藻類、顆粒有機(jī)物、細(xì)菌和其他微生物,而大型藻類(如海帶)能夠吸收來(lái)自貝類排泄的營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)或者無(wú)機(jī)的廢物[36]。有研究表明,CH4可以在沉降和懸浮顆粒物、浮游動(dòng)物和魚類腸道的厭氧微環(huán)境中產(chǎn)生[37-38],因此貝類腸道、排泄物中的厭氧微環(huán)境可以為CH4產(chǎn)生提供有利的環(huán)境條件。另一方面,來(lái)自貝類的排泄糞便和降解的海帶殘?jiān)约八樾妓a(chǎn)生的生物沉積,通過(guò)櫛孔扇貝的生理活動(dòng)將大量的有機(jī)物輸送到底層的河床[39-40]。扇貝和牡蠣養(yǎng)殖區(qū)由于多年的貝類養(yǎng)殖,使得其底質(zhì)的性質(zhì)和表層結(jié)構(gòu)與海帶養(yǎng)殖區(qū)相比有機(jī)物質(zhì)含量更高,例如在有牡蠣養(yǎng)殖的區(qū)域有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比其他養(yǎng)殖區(qū)增長(zhǎng)了6倍[41-42]。這些有機(jī)物在底層的堆積使微生物活動(dòng)加強(qiáng),增加了底質(zhì)對(duì)氧的需求,加速了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再溶出,例如桑溝灣養(yǎng)殖海域沉積物中顆粒有機(jī)碳、總氮和總磷的含量變化范圍為0.042%～1.350%,總的趨勢(shì)是貝類養(yǎng)殖區(qū)的大于海帶養(yǎng)殖區(qū)[41],這些都為沉積物中甲烷的產(chǎn)生提供了有利的條件。在貝類養(yǎng)殖區(qū)和貝藻混養(yǎng)區(qū),底層甲烷濃度明顯高于表層的,顯示了沉積物釋放的可能影響。此外,由于桑溝灣水深較淺,受風(fēng)浪的影響較大,這些生物沉積隨時(shí)可能發(fā)生再懸浮,并且會(huì)釋放大量的營(yíng)養(yǎng)鹽和顆粒有機(jī)物到水體中,有利于底層海水中CH4的現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生。而海帶養(yǎng)殖區(qū)位于灣口處,桑溝灣灣口水域開闊,在潮汐作用下水交換作用強(qiáng)烈,海-氣交換作用較灣內(nèi)劇烈,并且水體中CH4在與外海水的交換過(guò)程中去除的更為迅速,因此貝藻混養(yǎng)區(qū)和貝類單養(yǎng)區(qū)的CH4明顯地高于海帶單養(yǎng)區(qū)。近年來(lái)陸續(xù)有研究報(bào)道了在富氧表層海水中可能存在甲烷產(chǎn)生的新機(jī)制[43-44]。如,在磷酸鹽充足且硝酸鹽匱乏的條件下,微生物可以利用DMSP(dimethylsulfoniopronate 二甲巰基丙酸內(nèi)鹽,一種重要的生源硫化物)作為碳源,而CH4可以作為DMSP降解的副產(chǎn)物產(chǎn)生[43]。來(lái)自藻類的DMSO(dimethy sulfoxide,二甲亞砜,一種含硫化合物)也可以作為富氧條件下甲烷產(chǎn)生的前體[45]。藻類能夠產(chǎn)生DMSP,并且在貝類的養(yǎng)殖條件下能夠促進(jìn)海帶釋放DMSP[46]。因此在桑溝灣貝藻混養(yǎng)的水體中可能含有更高水平的DMSP和DMSO等甲基化合物,有利于CH4的好氧產(chǎn)生。

圖7 桑溝灣不同養(yǎng)殖區(qū)表、底層平均甲烷濃度(nmol·L-1)對(duì)比Fig.7 Comparison of mean CH4concentrations(nmol·L-1)at the surface and bottom of different culture areas of the Sanggou Bay

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2013-10,2014-05和2015-05桑溝灣表、底層海水中溶解CH4的分布特征、海-氣交換通量及其影響因素的分析,得到3個(gè)結(jié)論:

1)桑溝灣海水中溶存的CH4濃度和飽和度存在一定的時(shí)空變化,表現(xiàn)為秋季高于春季,水溫和陸源輸入是影響其變化的主要因素。

2)春、秋季桑溝灣表、底層水體中CH4濃度呈現(xiàn)相似的空間分布,并且因受養(yǎng)殖活動(dòng)的影響,表、底層CH4濃度的高值均出現(xiàn)在貝藻混養(yǎng)區(qū)。

3)春、秋季桑溝灣表層水中的CH4濃度均處于過(guò)飽和狀態(tài),因此桑溝灣是大氣CH4的凈源,其CH4海-氣交換通量為4～20μmol·m-2·d-1。

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Methane Distribution and Air-sea Fluxes in the Sanggou Bay in Spring and Autumn

HOU Jing1,2,ZHANG Gui-ling1,2,YE Wang-wang1,2,SONG Da1,2,SUN Ming-shuang1,2
(1.Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology,Ministry of Education,Qingdao 266100,China)

Three cruises were carried out in Sanggou Bay in October 2013,May 2014,and May 2015 to investigate methane(CH4)distribution,and air-sea fluxes.Results showed that CH4concentrations in the bay ranged between 3.0～356.4 nmol·L-1,with bottom CH4usually higher than those in surface waters. CH4concentrations in autumn were 3～7 times of those in spring due to the influence of water temperature and land source input.Surface and bottom CH4in kelp and scallop polyculture zone was higher than those in other culture zones and outside the bay,suggesting the influence of aquaculture activities.Average CH4saturation in surface waters were(2 704±2 532)%,(330±276)%and(858±417)%during October 2013,May 2014 and May 2015,respectively,demonstrating the CH4saturation was higher in autumn than in spring.Average CH4fluxes from Sanggou Bay ranged between 3.9～19.9μmol·m-2·d-1,and 5.5～20.6μmol·m-2·d-1by using W2014 and N2000 relations respectively,suggesting the Sanggou Bay is a source for atmospheric CH4in spring and autumn.

Sanggou Bay;methane(CH4);characteristics of distribution;Air-sea fluxes

March 16,2016

P734

A

1671-6647(2017)02-0267-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.011

2016-03-16

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目——多重壓力下近海生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)產(chǎn)出與適應(yīng)性管理的科學(xué)基礎(chǔ)(2011CB409802)

侯 靜(1990-),女,河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事海洋環(huán)境科學(xué)方面研究.E-mail:houjingjiayou@126.com

*通訊作者:張桂玲(1972-),女,山東青島人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事海洋生物地球化學(xué)方面研究.E-mail:guilingzhang@ouc.edu.cn