夏秋季南海北部陸坡區(qū)氧化亞氮的分布、產(chǎn)生及海-氣交換通量*

任妍妍 鄭文靜 葉旺旺 張云燕 張桂玲

(中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室 青島 266100)

氧化亞氮(N2O)的單分子對全球變暖影響潛力大約是CO2的300倍(IPCC, 2013), 雖然它在大氣中的含量約為CO2的1/1000, 但N2O在大氣輻射強度的占比僅次于 CO2和CH4。目前大氣中N2O的體積濃度較工業(yè)革命之前增長了近 20%, 從 1750年的271×10–9增加到 2015 年的 328×10–9(http://www.esrl.noaa.gov/gmd), 并且在過去 30年里以(0.73±0.03)×10–9/a 的速度增長(Ravishankara et al, 2009)。這表明工業(yè)革命以來人類活動導(dǎo)致了大氣中 N2O的源匯失衡。隨著氟氯代物的禁止使用, N2O將成為21世紀大氣臭氧層的最大威脅(Ravishankara et al, 2009), 對溫室效應(yīng)的貢獻也會更加顯著(IPCC, 2007)。

海洋是大氣 N2O的第二大自然源, 每年由海洋向大氣釋放的 N2O約占大氣總來源的 1/4(IPCC,2013)。海洋中的 N2O主要由兩個過程產(chǎn)生, 即硝化和反硝化, 其中硝化是海洋中 N2O產(chǎn)生的主要過程,反硝化過程對海洋中 N2O的貢獻只有 7%—35%(Bange et al, 1999; Freing et al, 2012)。雖然目前已開展了大量有關(guān)海洋 N2O的調(diào)查研究工作, 但是相對廣袤的海洋, 至今所能獲得的數(shù)據(jù)還十分有限, 且N2O的產(chǎn)生和消耗受不同的生物、化學(xué)因素和水文物理過程的影響, 因此開展更多不同海洋環(huán)境中 N2O的分布和海-氣交換通量研究對準(zhǔn)確估算海洋對大氣N2O的貢獻有重要意義。

南海是世界第三大陸架邊緣海, 面積約為 3.5×106km2, 平均水深大于 1000m(蘇紀蘭, 2005), 注入南海的主要河流有珠江、紅河和湄公河等(Morton et al, 2001)。河口、陸坡等近海區(qū)域受人類影響較大,雖然所占面積較小, 但對 N2O的產(chǎn)生與釋放有較大貢獻。目前, 國內(nèi)已經(jīng)開展了部分對南海 N2O的研究, 研究區(qū)域包括南海東北部臺灣海峽及呂宋海峽附近海域(徐繼榮等, 2006), 珠江口及其鄰近海域(Chen et al, 2008), 南海北部海盆(鄭立曉等, 2009)及海南東部沿岸(Han et al, 2013), 但這些研究均主要關(guān)注特定季節(jié)南海 N2O的分布與通量, 而忽略了季節(jié)變化的影響。本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 對南海北部典型陸坡區(qū)溶解 N2O的分布、產(chǎn)生及其影響因素進行了探討, 并估算了不同季節(jié)南海北部陸坡區(qū)向大氣釋放的 N2O海-氣交換通量以及其對全球海洋釋放N2O的區(qū)域性貢獻, 豐富了南海N2O數(shù)據(jù)庫。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和樣品采集

分別于2014年10月和2015年6月搭乘“南鋒”號調(diào)查船對南海北部陸坡區(qū)進行了調(diào)查, 調(diào)查海區(qū)及采樣站位如圖1所示。各個層次的海水樣品由12L Niskin采水器采集。采樣前要先用海水滌蕩采樣瓶(56.5mL玻璃瓶), 然后用半透明硅膠管將海水緩慢平穩(wěn)的注入樣品瓶中, 注入過程避免產(chǎn)生氣泡和漩渦, 當(dāng)溢出的海水體積大約是玻璃瓶體積的 1.5—2倍時, 緩慢抽出硅膠管, 加入 0.5mL飽和氯化汞(HgCl2)溶液以抑制微生物活動, 然后用帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的橡膠塞和鋁蓋將瓶口密封, 并將樣品瓶上下顛倒幾次, 使 HgCl2均勻分散開, 取雙樣, 最后將樣品置于低溫避光條件下保存, 并盡快帶回陸地實驗室進行測定。利用船載CTD在采樣時同步獲取現(xiàn)場水溫、鹽度等數(shù)據(jù)。

1.2 樣品的處理和分析

圖1 2014年10月和2015年6月南海陸坡區(qū)采樣站位圖Fig.1 Sampling stations at the slope region of the South China Sea (SCS) in October, 2014 and June, 2015

海水中溶解N2O濃度采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定(Zhang et al, 2010)。向樣品瓶內(nèi)注入5.0mL高純氮氣(＞99.999%), 同時排出等體積的水樣使瓶內(nèi)產(chǎn)生頂空, 室溫下將樣品劇烈振蕩 3min后靜置 3h以上,當(dāng)氣、液兩相達到平衡時, 抽取頂空氣體注入氣相色譜儀(Agilent HP6890, 配有ECD檢測器)進行分離和測定。利用 3種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體(0.232×10–6,0.606×10–6和2.980×10–6N2O/N2, 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)對檢測器信號進行校正, 得峰面積與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的關(guān)系曲線。測定過程中記錄實驗室的溫度和氣壓,利用 Weiss等(1980)提供的溶解度數(shù)據(jù), 計算出樣品中溶解N2O的濃度。該方法測定水樣中N2O的檢測限為1.0 nmol/L, 精密度約為2%。

1.3 飽和度及海-氣交換通量的計算

海水中溶解 N2O 的飽和度(%)和海-氣交換通量(μmol/(m2·d))分別由下列公式計算:

式中, Cobs為表層海水中溶解 N2O的實測濃度; Ceq是表層海水與大氣達到平衡時溶解 N2O的濃度; kw為氣體交換速率, 是風(fēng)速與施密特數(shù)(Sc)的函數(shù)(Raymond et al, 2001)。文獻中常用Liss、Merlivat 1986 公 式(Liss et al, 1986)(簡 稱 LM86)和Wanninkhof 1992公式(Wanninkhof, 1992)(簡稱W92)來估算 kw的較低值和較高值, 并估算海-氣交換通量。最近Wanninkhof (2014)根據(jù)過去20年的研究進展更新了氣體交換速率和風(fēng)速之間的關(guān)系(W2014)。Nightingale等(2000)提出了 N2000氣體交換模型來計算近岸海域的海-氣交換通量, 并且其結(jié)果接近由大量方法和模型所得到結(jié)果的中位數(shù)。因此在本文中用這兩種方法(W2014, N2000)分別計算海-氣交換通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 南海陸坡 N2O濃度和飽和度的季節(jié)變化及海-

氣交換通量

2014年10月和2015年6月南海北部陸坡表層水體溫度、鹽度、N2O濃度和飽和度如表1所示。秋、夏季表層海水中溶解 N2O的濃度范圍分別為 6.82—9.95nmol/L和 6.85—9.07nmol/L, 平均值分別為(8.19±0.79)nmol/L 和(7.72±0.56)nmol/L(平均值±SD),飽和度分別為 132.5%±13.4%和 135.5%±9.7%, 受溫度影響, 秋季表層海水中N2O濃度略高于夏季, 但飽和度相差不大。底層海水中溶解 N2O的濃度范圍分別為 12.13—28.81nmol/L和 12.53—30.46nmol/L, 平均值分別為(20.3±5.87)nmol/L 和(21.62±4.94)nmol/L。

表1 南海北部陸坡表層水體溫度、鹽度、N2O濃度、飽和度和海-氣交換通量Tab.1 Surface temperature, salinity, N2O concentrations, saturations and air-sea fluxes on continental slope of the SCS

結(jié)合文獻中與本文相同調(diào)查區(qū)域的結(jié)果(表 1)可以看出, 南海北部陸坡區(qū) N2O濃度和飽和度存在一定的季節(jié)變化, 表層 N2O濃度的高值出現(xiàn)在春末夏初(5月)(鄭立曉等, 2009), 低值出現(xiàn)在夏季(6、8月)(Han et al, 2013), 而秋季略高于夏季?？偟膩碚f,南海北部陸坡區(qū)表層N2O濃度季節(jié)變化為春末＞秋季＞夏季。而造成季節(jié)差異的原因可能為5月西南季風(fēng)開始盛行, 降雨量增加, 珠江徑流量增大, 攜帶大量高濃度的 N2O進入南海北部陸坡, 并且此時由于表層水體溫度較低且垂直混合均勻, 所以研究區(qū)域表層N2O出現(xiàn)較高濃度。6月, 西南季風(fēng)導(dǎo)致的降雨減弱, 同時溫度開始升高, 溶解度降低, 海水層化現(xiàn)象明顯, 阻礙了底層較高濃度N2O向表層的擴散, 因此,表層 N2O濃度較低。秋季表層海水溫度較夏季略有降低, N2O濃度相應(yīng)升高?？偟膩碚f, 不同季節(jié)南海北部陸坡區(qū)表層 N2O分布受到水溫、陸源輸入、物理過程等多種因素的影響。

本文秋季調(diào)查海域表層海水 N2O飽和度范圍為110.2%—162.6%(132.5%±13.4%), 夏季表層飽和度范圍為120.6%—159.4%(135.5%±9.7%)。由表1可以看出, 南海北部陸坡區(qū)表層 N2O飽和度的季節(jié)變化特征為: 春末最高, 而夏、秋季飽和度值相差不大。各站位表層海水中溶解 N2O在不同季節(jié)均處于過飽和狀態(tài), 表明南海北部陸坡是大氣N2O的凈源。

表2列出了已報道的南海不同區(qū)域溶存N2O的濃度、飽和度和海-氣交換通量, 為避免不同區(qū)域分布受到季節(jié)變化的影響, 只選取秋季不同研究海域進行討論。

由表 2, 本文 10月份觀測結(jié)果略高于 Chen等(2008)2003年9月在珠江口及其鄰近海域觀測的結(jié)果(6.9—8.1nmol/L), 與徐繼榮等(2006)2004年9—10月在南海東北部觀測的結(jié)果((8.11±0.54)nmol/L)基本一致, 本文結(jié)果明顯高于Han等(2013)2008年8月在南海西北部陸架區(qū)(5.51—7.09nmol/L)和海南東部近海((6.28±0.47)nmol/L)臺風(fēng)過后觀測的結(jié)果。本文測得的秋季南海北部陸坡區(qū)表層海水中 N2O的飽和度(132.5%±13.4%)高于已報道的東北部表層水體(119.1%±8.6%) (徐繼榮等, 2006)和Han等(2013)報道的南海西北部陸架區(qū)(99%—123%)以及海南東部近海(110%±8%)的結(jié)果。總的來說, 除了 Han等(2013)在2008年臺風(fēng)過后觀測到的不飽和之外, 南海不同區(qū)域表層海水N2O均處于過飽和狀態(tài), 且本文觀測的北部陸坡區(qū)飽和度值明顯高于已發(fā)表的南海其他區(qū)域,說明陸坡區(qū)的N2O釋放量明顯高于南海其他區(qū)域。

表2 已報道的南海不同海域溶存N2O的濃度、飽和度和海-氣交換通量Tab.2 Available concentrations, saturations and air-sea fluxes of dissolved N2O in different parts of SCS

根據(jù)現(xiàn)場測得的溫度、鹽度以及衛(wèi)星風(fēng)速, 分別利用N2000公式和W2014公式計算得到各個站位海-氣交換通量的范圍及平均值如表 1所示。夏季海-氣交換通量(單位: μmol/(m2·d))為 1.01—21.57(7.04±6.10)(N2000)和 0.75—22.69(6.94±6.49) (W2014), 秋季海-氣交換通量為 1.81—23.81(11.11±6.52) (N2000)和1.73—24.38(11.30±6.81) (W2014)。本文用 N2000 和W2014估算的海-氣交換通量結(jié)果相差不大, 夏季的海-氣交換通量小于秋季, 主要受到風(fēng)速的影響, 夏季調(diào)查期間風(fēng)速為 2.53—11.85m/s, 平均值為(6.02±2.84)m/s, 秋季風(fēng)速為 6.27—10.48m/s, 平均值為(8.63±1.43)m/s。本文結(jié)果遠大于徐繼榮等(2006)利用LM86公式估算的南海東北部的結(jié)果((0.72±0.36)μmol/(m2·d))和根據(jù)Han等(2013)采用W2014公式估算的南海西北部陸架區(qū)的結(jié)果((1.4±1.3)μmol/(m2·d)), 低于鄭 立 曉 等 (2009)的 結(jié) 果 (25.56±14.93)(N2000)和(26.29±15.37)(W2014) μmol/(m2·d)。估算海-氣交換通量公式的不同可能是導(dǎo)致結(jié)果差異較大的一個原因。另外, 風(fēng)速和季節(jié)變化等因素也會導(dǎo)致同一海區(qū) N2O的海-氣交換通量存在較大的差異。但是, 結(jié)合文獻數(shù)據(jù)和本文調(diào)查結(jié)果, 總體而言南海北部陸坡區(qū)的 N2O海-氣交換通量春末高于秋季, 高于夏季, 而同一季節(jié)內(nèi), 北部陸坡區(qū)N2O海-氣交換通量明顯高于南海東北部和海南東部海域。南海北部陸坡(約23×104km2) (卓海騰等, 2014)占全球海洋面積的0.064%, 根據(jù)各季節(jié)N2O平均海-氣交換通量初步估算出北部陸坡 N2O釋放量約為 0.055Tg/a, 約占全球海洋總釋放量(11—17Tg/a)(Bange et al, 1996)的0.39%, 說明南海北部陸坡區(qū)是N2O釋放的活躍海域, 是大氣N2O的重要凈源。由于目前獲得的數(shù)據(jù)多集中在夏季和秋季, 而且調(diào)查區(qū)域主要集中在北部陸坡區(qū), 因此只能局部認識南海N2O的釋放, 為了深入了解南海N2O的來源、分布、變化規(guī)律和產(chǎn)生機制, 今后仍應(yīng)加強相關(guān)研究。

2.2 南海北部陸坡N2O的水平分布

南海北部陸坡不同航次表底層溫度、鹽度和N2O濃度的水平分布如圖2所示。夏、秋季南海表層溫度變化范圍不大, 底層溫度由于受到地形的影響, 隨深度的增加而逐漸減小, 等值線與海岸線基本平行, 底層 N2O濃度分布與溫度呈相反趨勢, 由陸架向陸坡呈逐漸增加趨勢。秋季調(diào)查海域表層 N2O濃度與鹽度無明顯相關(guān), 鹽度大都在 33.5以上(圖 3), 表明該研究區(qū)域在秋季受陸源輸入影響較小。夏季調(diào)查海域鹽度低值可達31.5, N2O濃度隨鹽度升高呈降低趨勢(圖 3), 表明夏季該海域受到珠江沖淡水的影響。楊陽等(2014)和龐海龍等(2006)研究表明, 夏季西南季風(fēng)有利于珠江沖淡水向東及向外海擴展, 因此夏季沖淡水對陸架區(qū)的影響最大, 其次是春季, 而冬季最弱。秋、冬季黑潮表層流存在3種類型: 北向型、西向型和流套-渦旋型, 后兩種入侵南海(郭景松等,2013), 2014年10月調(diào)查海域東北部出現(xiàn)較低濃度的N2O可能是穿過呂宋海峽的黑潮分支表層水(王胄等,1997), 2015年6月該區(qū)域則表現(xiàn)不明顯。

兩個航次水體中 N2O濃度與海水溫度呈顯著相關(guān)([N2O]= -0.72t+27.72, n=225, R2=0.903, P＜0.0001)(圖4), 表明南海陸坡水體中N2O的分布受溫度影響顯著, 一方面, 溫度可以影響N2O在水體中的溶解度,另一方面, 溫度也可以影響N2O的生物產(chǎn)生速率, 從而影響整個水層中N2O的分布。

圖2 2014年10月和2015年06月表、底層溫度(°C)、鹽度和N2O濃度(nmol/L)水平分布Fig.2 Distributions of temperature (°C), salinity and N2O (nmol/L) in the surface and bottom waters in October 2014 and June 2015

2.3 N2O的垂直分布

兩個航次中斷面II的溫度、鹽度、溶氧DO以及N2O濃度的垂直分布如圖5所示。該斷面橫跨整個陸坡區(qū)域。兩個航次中各參數(shù)層化現(xiàn)象明顯, 1000m以淺變化尤為顯著。溫度隨深度增加逐漸減小, 而鹽度總體隨著深度增加而增大, 除了位于陸架區(qū)較淺的(≤120m)站位, 陸坡上各站位在 120—200m 深度出現(xiàn)鹽度較高(鹽度＞34.6)的高鹽水團, 與前人的研究結(jié)果相符(仇德忠等, 1984; 郭忠信等, 1985; 馬云龍等, 2014), 表明存在來自西太平洋的高鹽次表層水。DO的濃度隨著深度的增加而降低, 在斷面最外側(cè)深水區(qū)700—1000m水層中出現(xiàn)DO最小值(～82.81μmol/L)。N2O濃度隨著深度的增加而增加, 層化現(xiàn)象非常明顯。2014年10月在陸坡中部底層水體中出現(xiàn)高濃度N2O(其他斷面也存在相同情況), 說明可能存在底部沉積物的釋放或者底層水體中的現(xiàn)場生物生產(chǎn)過程。兩個航次均在 700m處出現(xiàn) N2O濃度高值, 對應(yīng)著DO濃度的低值, 表明存在現(xiàn)場的生物生產(chǎn)過程。兩航次中該斷面在水深 1000m以下各參數(shù)相對穩(wěn)定,沒有明顯季節(jié)變化。

圖3 表層N2O濃度與鹽度的關(guān)系Fig.3 Relationship between N2O concentrations and salinity in surface water

圖4 水體中N2O濃度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between N2O concentrations and temperature in the water column

圖5 2014年10月和2015年6月南海斷面II溫度(°C)、鹽度、DO(μmol/L)和N2O濃度(nmol/L)的垂直分布Fig.5 Vertical profiles of temperature(°C), salinity, DO (μmol/L) and N2O (nmol/L) along transect II in October 2014 and June 2015

為進一步討論水體中 N2O的垂直分布, 分別選取了位于陸架、陸坡的部分代表性站位做溫度(°C)、鹽度、DO(μmol/L)、N2O(nmol/L)以及 NO3ˉ(μmol/L)的垂直分布(如圖6)。

位于南海陸架的L13站(2014年 10月)和L9站(2015年6月), 位置基本相同, 深度分別為 143m和180m。由圖6-1可以看出, 秋季混合層可達45m, 混合層內(nèi)各參數(shù)較穩(wěn)定, 其中 NO3ˉ濃度較低(＜0.03μmol/L)?；旌蠈右韵? NO3ˉ濃度先快速增加再緩慢增加至底部。DO的變化趨勢與溫度基本相同, 快速減小至60m, 再緩慢減小至底部。鹽度由混合層的 34.04緩慢增加至底部最大值34.44。L13站表層N2O濃度約為 8.59nmol/L, 自表層向下略有下降, 至混合層底部出現(xiàn)最小值8.16nmol/L, 然后隨著深度先快速增加后緩慢增加至底部。夏季 L9站混合層變薄, 由于珠江沖淡水的影響, 該站表層鹽度較低(＜32), 表層以下鹽度迅速增加, 在120m達到最大值后略有降低直至底部。溫度在20m以淺基本不變, 20m以下隨深度的增加而降低, 且降低幅度明顯大于秋季。DO的變化趨勢與溫度基本相同。由于珠江沖淡水?dāng)y帶了大量的營養(yǎng)物質(zhì), 因此夏季L9站上層水體中的NO3ˉ濃度明顯高于秋季, 且自表層向下隨著深度和鹽度的增加而減小, 在～60m達到最小值后向底部快速增加。L9站表層N2O濃度約為8.34nmol/L, 自表層向下略有降低, 至 20m出現(xiàn)最低值 7.44nmol/L, 然后隨深度增加逐漸增加, 其分布趨勢與溫度和 DO基本呈鏡像對稱。

圖6 -1 陸架區(qū)L13(2014.10)和L9(2015.06)站各參數(shù)垂直分布Fig.6-1 Vertical profiles of various parameters at stations L13 (2014.10) and L9 (2015.06) at the shelf

位于陸坡中部的L20站(2014年10月)和L14站(2015年6月), 深度分別為825m和965m, 混合層深度分別為50m和25m, 兩航次中各參數(shù)分布較為相似(圖 6-2)。在混合層內(nèi)各參數(shù)變化不大, 混合層以下,鹽度迅速增加, 在 120m 左右達到最大值(分別為34.72(L20)和 34.57(L14)), 之后鹽度隨深度增加而減小, L20站在500m達到最小值34.41, L14在400m左右達到最小值 34.36, 然后均向底部緩慢增加。L20站的DO變化趨勢與溫度基本相同, 混合層以下先快速降低再緩慢降低, L14站的 DO隨著深度而降低,在～700m達到最低值, 然后向底部增加。N2O濃度在混合層以下隨深度增加而增加, L14站在～700m達到N2O濃度的最大值(27.74nmol/L)后向底部降低。N2O濃度最大值與DO最低值相對應(yīng), 本文的結(jié)果同前人觀測到的N2O濃度垂直分布特征基本一致(Ostrom et al, 2000; Popp et al, 2002; Toyoda et al, 2002;Yamagishi et al, 2005; Charpentier et al, 2007)。

圖6 -2 陸坡L20(2014.10)和L14(2015.06)站各參數(shù)垂直分布Fig.6-2 Vertical profiles of various parameters at stations L20 (2014.10) and L14 (2015.06) on the slope

位于邊緣的 L6(2014年 10月)和 L5(2015年 6月)站, 深度分別為 2000m 和 2300m。由圖 6-3,1000m以淺各水文和化學(xué)參數(shù)的分布與中部站位(L20和L14)基本一致, 1000m以深各參數(shù)非常穩(wěn)定,基本沒有變化。N2O濃度由表層以下隨深度增加而增加,L6站在～500m達到 N2O濃度的最大值(24.56nmol/L),然后隨著深度的增加緩慢降低至底部, L5站在～700m達到 N2O濃度的最大值(28.83nmol/L), 然后隨深度增加降低, 在～1500m 達到最小值(23.77nmol/L)后緩慢增加至底部。N2O濃度垂直分布趨勢與 DO基本呈鏡像對稱, N2O濃度最大值與DO最小值相對應(yīng)。

圖6 -3 陸坡L6(2014.10)和L5(2015.06)站各參數(shù)垂直分布Fig.6-3 Vertical profiles of various parameters at stations L6 (2014.10) and L5 (2015.06) at the slope

2.4 南海海水中N2O的產(chǎn)生

綜合上述兩個航次不同深度站位各參數(shù)的垂直分布, 可以看到 N2O濃度在南海陸坡中層水體中快速增加, 而且N2O的垂直分布與DO以及溫度的分布呈鏡像對稱, 而與水體中 NO3ˉ的分布規(guī)律類似, 說明N2O主要產(chǎn)生于中層水體中(Bange et al, 1999;Nevison et al, 2003; Freing et al, 2012), 而且其在水體中的分布受到溫度的影響。

為了進一步了解N2O在該區(qū)域的生物產(chǎn)生過程,作混合層以下800m以淺N2O過剩量(ΔN2O=N2Oobs-N2Oeq)與表觀耗氧量(apparent oxygen utilization,AOU) (AOU=O2eq-O2obs)以及 NO3ˉ濃度的相關(guān)關(guān)系(如圖7), 結(jié)果顯示兩個航次ΔN2O與AOU呈顯著相關(guān)([ΔN2O]=0.057[AOU]+1.46, n=135, R2=0.73,P＜0.0001), 其相關(guān)曲線的斜率為0.057 ×10-3, 在世界已報道的大洋范圍(0.01—0.3)×10-3內(nèi)(Oudot et al,2002; Nevison et al, 2003; Forster et al, 2009)。兩航次ΔN2O與NO3ˉ也顯著相關(guān), 但2014年10月其相關(guān)性([ΔN2O]=0.33[NO3ˉ]+2.77, n=47, R2=0.769, P＜0.0001)不如2015年06月([ΔN2O]=0.35[NO3ˉ]+2.19, n=85, R2=0.918, P＜0.0001)明顯。ΔN2O與AOU以及NO3ˉ的顯著相關(guān)關(guān)系表明硝化作用是該海域海水中溶解 N2O的重要來源。此外, 通過各站位的垂直分布(圖 6)也可以看出, N2O濃度在達到最大值后, 雖然NO3ˉ濃度繼續(xù)增加, 但 N2O濃度卻有降低的趨勢, 說明在深層水體中除了產(chǎn)生 N2O的過程之外, 還可能存在其他消耗 N2O的過程。另外 NO3ˉ與 AOU之間也有較好 的 相 關(guān) 性 ([NO3ˉ]=0.167[AOU]-1.99, n=135, R2=0.879, P＜0.0001), 說明水體中的硝酸鹽主要來自硝化作用(Yoshida et al, 1989), 因此可以根據(jù)ΔN2O與NO3ˉ關(guān)系曲線的斜率初步估算兩個季節(jié)南海北部陸坡區(qū)硝化過程中的N2O產(chǎn)率(Grundle et al, 2012), 秋季和夏季分別為0.033%和0.035%。但是由于我們并沒有消除預(yù)先形成的 N2O以及保守混合的影響, 因此本文的ΔN2O濃度和N2O產(chǎn)率只代表在水體中的整體水平, 而并非簡單的原位生產(chǎn)(Nevison et al, 2003;Grundle et al, 2012)。本研究中獲得的南海陸坡區(qū)硝化過程中 N2O 產(chǎn)率(0.033%—0.035%)明顯低于已報道的南海陸架區(qū)(0.065%)(Han et al, 2013); 與已報道的大洋區(qū)域相比, 本文結(jié)果略高于 Yoshida等(1989)報道的北太平洋 N2O產(chǎn)率(0.004%—0.027%), 低于Walter等(2006)報道的熱帶大西洋 N2O 產(chǎn)率(0.06%—0.08%); 但是本文結(jié)果與遠離北極的太平洋(0.028%—0.040%) (Grundle et al, 2012)以及亞熱帶大西洋(0.03%—0.04%) (Walter et al, 2006)的結(jié)果比較接近。

圖7 -1 兩個航次南海水體中ΔN2O與AOU的關(guān)系Fig.7-1 Water column ΔN2O versus AOU during two cruises in SCS

圖7 -2 兩個航次南海水體中ΔN2O與NO3ˉ的關(guān)系Fig.7-2 Relationship between ΔN2O and NO3ˉ during two cruise in water column of the SCS

3 結(jié)論

(1) 南海北部陸坡區(qū)表層 N2O濃度隨季節(jié)變化顯著, 總體表現(xiàn)為春末＞秋季＞夏季。飽和度表現(xiàn)為春末最高, 夏秋季相當(dāng)。同一季節(jié), 北部陸坡區(qū)N2O濃度和飽和度明顯高于其他區(qū)域, 說明北部陸坡區(qū)是南海N2O釋放的活躍區(qū)域。

(2) 夏季和秋季南海陸坡區(qū)表、底層N2O濃度均相差不大, 表層N2O濃度處于過飽和狀態(tài)。底層濃度明顯高于表層, 是表層濃度的大約 2.5倍, 說明 N2O在深層水體中大量富集。

(3) 夏、秋季南海陸坡區(qū)水體中N2O層化現(xiàn)象明顯, 垂直分布特征基本一致。N2O濃度在混合層內(nèi)變化不大, 混合層以下隨深度的增加逐漸增加, 在～700m達到最大值后緩慢降低至底部, 其分布趨勢與溫度和DO基本呈鏡像對稱, N2O濃度最大值對應(yīng)DO最小值。

(4) 夏、秋季南海陸坡區(qū)水體中 ΔN2O與 AOU及 NO3ˉ均呈顯著相關(guān), 表明硝化過程是南海水體中N2O產(chǎn)生的重要來源, 初步估算出硝化過程中秋季和夏季N2O產(chǎn)率分別為0.033%和0.035%。

(5) 初步估算出南海北部陸坡 N2O釋放量為0.055Tg/a, 約占全球海洋總釋放量的 0.39%, 說明南海北部陸坡是N2O釋放的活躍海域, 是大氣N2O的重要凈源。

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