馬 玉，高全洲，李團結(jié)，唐文魁，張乾柱，史華明，張軍曉，王 迪，彭鵬飛

(1. 中山大學地理科學與規(guī)劃學院∥廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州 510275;2. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300;3. 廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

珠江口表層水體CO2分壓的空間和季節(jié)變化*

馬 玉1,2，高全洲1,3*，李團結(jié)2，唐文魁1，張乾柱1，史華明2，張軍曉2，王 迪2，彭鵬飛2

(1. 中山大學地理科學與規(guī)劃學院∥廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州 510275;2. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300;3. 廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

采用連續(xù)觀測系統(tǒng)調(diào)查了四季珠江口表層水體二氧化碳分壓(pCO2)、溫度、鹽度和溶解氧(DO)，并分析了pCO2、鹽度和DO的空間分布和季節(jié)變化。四季珠江口上游水體鹽度相同時pCO2季節(jié)變化為夏季<春季<秋季<冬季，即豐水期小于枯水期，豐水期大量降雨稀釋了風化產(chǎn)物，徑流輸入的CO2濃度較低，且鹽度相同時枯水期水體更接近上游pCO2高值區(qū)。四季上游區(qū)域pCO2高，DO低，且pCO2與DO呈負線性相關(guān)，耗氧呼吸是維持高pCO2的主要生物地球化學過程。春季表層水體鹽度為0.19‰，pCO2最高值為717.2Pa，DO低至41.4μmol/L。春、夏季珠江徑流攜帶的大量營養(yǎng)物質(zhì)在下游開闊區(qū)域促進了浮游植物繁殖，浮游植物光合作用在吸收CO2的同時產(chǎn)生大量氧氣。夏季香港西側(cè)海域表層水體鹽度為15‰～25‰時，pCO2最低值為16.5Pa，DO最大值為418.8μmol/L。

珠江口；pCO2；徑流；耗氧呼吸；光合作用

河口處于陸海交互作用強烈的地帶，是陸源物質(zhì)進入海洋的最后環(huán)節(jié)，同時也是連接地球四大圈層(大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈)的重要樞紐，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1]。每年河流輸入海洋的碳約為1015g，相當于海洋與大氣的CO2凈交換量[2-3]，且全球河口主要是大氣CO2的源[4-5]。一般來說，低緯度河口CO2源強于高緯度，每年河口釋放的碳約為(0.25～0.50)×1015g[6-7]。全球106個河口的研究成果表明[8]，在鹽度<2‰的河口上游段pCO2最高，河流自身以及河口周圍濕地隨潮流攜帶的高pCO2水體流入河口，使得河口上游pCO2偏高。隨著鹽度的增加向下游pCO2逐漸降低，2‰<鹽度<25‰的河口混合區(qū)pCO2和水—氣CO2通量相對較低，主要由于河口上游已經(jīng)向大氣逸散大量CO2，且隨著鹽度升高，淡水與低pCO2的海水充分混合。同時由于懸浮物的沉積作用增強，水體具有較高的透明度，河流攜帶的豐富營養(yǎng)物質(zhì)也為生物光合作用提供了條件。鹽度>25‰的河口下游，pCO2和CO2水—氣通量通常最低。河口區(qū)表層水體CO2的源/匯性質(zhì)可簡單地表示為“弱源”(河流)→“強源”(河口)→“匯”(海洋)[9]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與調(diào)查斷面

珠江流域地處亞熱帶氣候區(qū)，是西江、北江、東江及珠江三角洲諸河等水系的總稱，流域面積約為4.5×105km2。西江流域中上游地區(qū)以石灰?guī)r山地為主；北江流域中上游地區(qū)干流西側(cè)是石灰?guī)r山地，東側(cè)以紅巖盆地為主，下游則是花崗巖丘陵廣布；東江流域以花崗巖丘陵為主。珠江流域碳酸鹽巖分布面積達15.84×104km2，約占全流域面積的35.0%[17]。珠江三角洲由西江、北江和東江入海時沖積而成，三角洲城市群包括廣州、深圳、香港、珠海、佛山、東莞、澳門等，面積約5.7×104km2。

圖1 珠江口調(diào)查斷面Fig.1 Map of the Pearl River Estuary showing study area and location of transects

珠江河口由八大口門組成，東4口門是由虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門組成的喇叭狀河口灣，西4口門包括崖門、虎跳門、磨刀門和雞啼門，其中崖門和虎跳門組成呈喇叭狀的黃茅海河口灣[18]。珠江流域年平均降水量1 200～2 200mm，主要集中于4-9月份。珠江年均入海徑流總量僅次于長江，是黃河的6倍，約為3.3×1011m3，豐水期徑流量占全年的80%[19]。珠江入海徑流在科氏力的作用，具有較強的西南流向[20]，僅在夏季，在西南季風的驅(qū)使下珠江徑流具有東北流向，且珠江徑流對表層水體的影響范圍大致分布在鹽度小于33‰的區(qū)域[21]。本研究調(diào)查區(qū)域如圖1所示。調(diào)查斷面北端起近淡水端的廣州長洲島鐵樁水道，經(jīng)虎門水道和伶仃洋至香港附近海域為主調(diào)查斷面(M斷面)，東側(cè)斷面(E斷面)至東經(jīng)115.00 °E、北緯21.50 °N，西側(cè)斷面(W斷面)至東經(jīng)112.25 °E、北緯21.50 °N，東、西側(cè)斷面高鹽端至表層水體鹽度約為33‰海域。

1.2 現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)據(jù)采集

本研究進行了四個季節(jié)的現(xiàn)場調(diào)查，分別是夏季(2011.08)、秋季(2011.11)、冬季(2012.02)和春季(2012.05)，采用連續(xù)pCO2觀測系統(tǒng)分析表層水體pCO2(GO8050)、溫度、鹽度(SBE21 CTD)和DO(oxygen optode 3835)。觀測系統(tǒng)的φ(CO2)線性范圍為(0～3 000)×10-6，使用CO2標準氣體(φ，1.44×10-6、218.16×10-6、584.75×10-6、1025.9×10-6)校準儀器；同時為減小觀測數(shù)據(jù)誤差，對超出儀器線性范圍的數(shù)據(jù)采用高φ(CO2)標準氣體(1 025.9×10-6、3 002.9×10-6、5 029.3×10-6、7 037.0×10-6)進行了實驗室校正。采集的水樣以高流量連續(xù)不斷地從水面下5 m處抽取后輸送至實驗室，觀測系統(tǒng)水—汽平衡器內(nèi)水溫與原位溫度的差別小于0.2 ℃。依據(jù)同步觀測的溫度及鹽度數(shù)據(jù)，水—汽平衡器中pCO2采用Weiss&Price飽和水汽壓公式[22]計算，溫度效應校準在鹽度0.1‰～5‰時為2.5%/℃，鹽度17‰～33‰時為4.0% /℃，中間鹽度5‰～17‰過渡區(qū)域溫度效應分布在(2.5%～4.0% )/℃之間，可以表示為(0.125S+1.875)%/℃，式中S表示鹽度[23]。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，四季表層水體pCO2與溫度均無明顯相關(guān)趨勢。為更好地探討其他因素的影響，本研究分別采用每航次的平均溫度對pCO2進行了等溫處理，本文中珠江口表層水體pCO2均是等溫處理后的結(jié)果。四季珠江口表層水體平均溫度分別為春季25.8 ℃、夏季30.5 ℃、秋季20.1 ℃及冬季17.9 ℃。

2.1 pCO2、鹽度和DO空間分布及季節(jié)變化

圖2是春、夏季珠江口表層水體pCO2、鹽度和DO的空間分布。春季珠江口上游表層水體pCO2最大值為717.2Pa，對應鹽度和DO分別為0.19‰和41.4μmol/L。夏季航次觀測起自東四門口，表層水體pCO2最大值為173.4Pa，對應鹽度和DO分別為6.03‰和165.2μmol/L。Zhai[15]利用外推法估算珠江口水體鹽度為0‰時pCO2約為709.1Pa，Guo等[24]觀測獲得珠江口黃埔段春季pCO2平均值為639.1Pa，本文調(diào)查結(jié)果與二者均相近。春、夏季M斷面pCO2自上游虎門水道經(jīng)內(nèi)伶仃洋、外伶仃洋后逐漸減小，至香港西側(cè)附近海域pCO2最低，最小值分別為21.7Pa和16.5Pa，DO分別為最大值340.5μmol/L和418.8μmol/L(圖2)，且相較于春季，夏季香港西側(cè)海域pCO2低值和DO高值區(qū)范圍更廣(圖2)。2001年Dai等[25]觀測到春季香港近海浮游植物水華，葉綠素質(zhì)量濃度范圍為0.2 ～1.8μg/L，pCO2顯著降低，DO升高。春、夏季E斷面pCO2自西北向東南緩慢增大，W斷面在上下川島附近海域受海島淡水輸入的影響，局部海域水體鹽度值雖有降低，但來自海島的徑流量小，pCO2僅略有降低，DO增大并不明顯。

圖3是秋、冬季珠江口表層水體pCO2、鹽度和DO的空間分布。秋季航次僅觀測了M和W斷面，上游表層水體pCO2最大值為542.8Pa，對應鹽度和DO分別為2.76‰和91.5μmol/L。冬季上游表層水體pCO2最大值為581.0Pa，對應鹽度和DO分別為6.23‰和91.0μmol/L。秋、冬季香港西側(cè)海域無明顯低pCO2、高DO現(xiàn)象，自上游虎門水道經(jīng)內(nèi)伶仃洋、外伶仃洋至E、W斷面高鹽端pCO2呈逐漸減小，秋季pCO2最小值為34.0Pa，鹽度和DO最大值分別為33.02‰和256.6μmol/L，冬季pCO2最小值為32.8Pa，鹽度和DO分別為33.94‰和291.5μmol/L。冬季E斷面擔桿島附近海域pCO2較低，且溫度、鹽度和DO均相對較高，可能是由于高溫高鹽的海水鋒面入侵，伴隨局部浮游植物生長所致。秋、冬季W(wǎng)斷面上下川島附近海域同樣受海島淡水輸入影響，局部水體鹽度降低、pCO2略有升高。

2.2 pCO2與鹽度的關(guān)系及徑流影響

圖2 春季和夏季表層水體pCO2、鹽度和DO分布Fig.2 Spatial distributions of pCO2, salinity and DO in surface water in spring and summer

圖3 秋季和冬季航次表層水體pCO2、鹽度和DO分布Fig.3 Spatial distributions of pCO2, salinity and DO in surface water in autumn and winter

圖4 表層水體鹽度與pCO2關(guān)系Fig.4 Relationships between salinity and pCO2 in surface water

2.3 pCO2與DO的關(guān)系及耗氧呼吸

pCO2和DO分布特征與營養(yǎng)物質(zhì)輸入及由此引起的生物活動密切相關(guān)。河口區(qū)有機質(zhì)的氧化分解、生物體的呼吸作用等過程產(chǎn)生大量的無機碳，消耗氧氣的同時釋放CO2，使得水體pCO2升高[35-36]。珠江口表層水體pCO2>50.6Pa時，pCO2與DO幾乎呈負線性相關(guān)(圖5)，pCO2均隨DO的減小而逐漸增大，說明珠江口上游表層水體高pCO2主要是由耗氧呼吸控制。Zhai等[15]報道珠江口水體鹽度小于0.5‰時pCO2大于405.2Pa，高pCO2主要是由于耗氧呼吸，而Dai等[37]及Guo等[24]認為，珠江口東四門水體高pCO2主要是受到耗氧呼吸和硝化作用的雙重影響，而西四門主要是由于耗氧呼吸。圖5中春季、秋季和冬季3個季節(jié)的pCO2與DO關(guān)系曲線相互重疊，3個季節(jié)的pCO2和DO受控于相同的生物地球化學過程。夏季獲取的pCO2最大值為173.4 Pa、DO最小值是165.2 μmol/L，缺少夏季高pCO2、低DO部分(圖5)。

圖5 表層水體DO與pCO2與關(guān)系Fig.5 Relationships between DO andpCO2 in surface water

2.4 鹽度與DO的關(guān)系及光合作用

浮游植物光合作用不斷地將海水中的游離CO2轉(zhuǎn)化為有機碳，降低水體pCO2的同時釋放出氧氣，所以河口區(qū)水體高DO、低pCO2是浮游植物繁殖茂盛的間接指示[38]。春、夏季局部區(qū)域DO含量超過300μmol/L，特別是夏季DO含量高達418.8μmol/L左右(圖5)，pCO2低值區(qū)、DO高值區(qū)域均分布在香港西側(cè)海域(圖2)。夏季表層水體鹽度為15‰～25‰時DO含量最高，春季DO最大值對應的鹽度約為32‰(圖6)，且夏季DO含量更高，分布范圍更廣(圖2)。一方面是因為4-9月(即春季和夏季)是華南地區(qū)豐水期，特別是夏季雨量更為豐沛，入海徑流量大于春季，更大于枯水期的秋季和冬季。大量入海徑流在降低水體鹽度的同時，其攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)為浮游植物繁殖提供了有利條件，而且珠江口浮游植物生長有很強的季節(jié)性，夏季最適合浮游植物生長，春季次之。春、夏季浮游植物光合作用在吸收CO2的同時釋放O2，使得水體pCO2降低，DO升高(圖6和圖2)；秋、冬季浮游植物光合作用微弱，香港西側(cè)海域pCO2和DO無顯著變化(圖6和圖3)。Yin[39]認為是季風控制了香港海域浮游植物的季節(jié)變化，夏季華南地區(qū)盛行西南季風，雨量充沛，為河口輸入大量營養(yǎng)物質(zhì)，河口區(qū)呈現(xiàn)低鹽高營養(yǎng)高初級生產(chǎn)力，而且西南季風還將促進上升流的形成，也為浮游植物的生長帶來底層營養(yǎng)物質(zhì)；冬季盛行東北季風，是華南地區(qū)旱季，河口區(qū)被高鹽低營養(yǎng)低初級生產(chǎn)力取代。另一方面是由于河口上游河道窄、水體流速快、渾濁，降低了浮游植物的光合作用效率；隨著水體向下游開闊區(qū)域移動，懸浮物的沉積作用增強，水體透明度逐漸提高，浮游植物大量繁殖；水體在繼續(xù)向濱海輸運的過程中營養(yǎng)物質(zhì)被逐漸消耗，浮游植物生長從光強限制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)物質(zhì)限制，所以浮游植物最大值一般出現(xiàn)鹽度中值區(qū)或混合區(qū)[40-41]。

圖6 表層水體鹽度與DO的關(guān)系圖Fig.6 Relationships between salinity and DO in surface water

3 結(jié) 論

采用連續(xù)觀測系統(tǒng)調(diào)查了四季珠江口表層水體pCO2、溫度、鹽度和溶解氧等，并分析了pCO2、鹽度和溶解氧的空間分布和季節(jié)變化。

1)珠江口上游表層水體鹽度低、pCO2高、DO低。春季鹽度為0.19‰時，pCO2高達717.2Pa，DO低至41.4μmol/L。春、夏季香港西側(cè)海域pCO2低、DO高，特別是夏季海域鹽度為15‰～25‰時，存在pCO2低值和DO高值區(qū)，其中pCO2最小值為16.5Pa，對應DO最大值為418.8μmol/L。

2)表層水體pCO2均隨鹽度的增大而逐漸減小。四季表層水體鹽度相同時，pCO2季節(jié)變化為夏季<春季<秋季<冬季，主要由于豐水期徑流稀釋了風化產(chǎn)物，且枯水期水體更接近上游區(qū)域。

3)上游水體pCO2與DO幾乎呈負直線性相關(guān)，耗氧呼吸消耗氧氣、生成CO2，是維持高pCO2現(xiàn)象的主要因素。春、夏季入海徑流攜帶的大量營養(yǎng)物質(zhì)促進了香港西側(cè)海域浮游植物繁殖，光合作用在吸收CO2的同時產(chǎn)生大量氧氣，水體pCO2顯著降低、DO升高。

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The spatial and seasonal variations of partial pressure of carbon dioxide in surface water in Pearl River Estuary

MAYu1,2,GAOQuanzhou1,3,LITuanjie2,TANGWenkui1,ZHANGQianzhu1,SHIHuaming2,ZHANGJunxiao2,WANGDi2,PENGPengfei2

(1. School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275,China;2. South China Sea Marine Survey and Technology Center, SOA, Guangzhou 510300,China;3. Guangdong Province Key Laboratory of Mineral Resource & Geological Processes,Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275,China)

The focal area of this study is the Pearl River Estuary(PRE). In this study, the surface partial pressure of carbon dioxide (pCO2),temperature,salinityanddissolvedoxygen(DO)weredeterminedbyunderwaymeasurementsystemduringfourfieldsurveys,andtheirseasonalandspatialvariationswereshown.SignificantseasonalvariationsofpCO2wasobservedintheupstreamregionofPRE,pCO2insummerwasthelowestatthesamesalinity,mediuminspringandfall,thehighestinwinter,whichindicatedthattheweathering-deriveddissolvedinorganiccarbonwasdilutedinwetseasonandseawaterwasmoreclosetoupstreamregionindryseason.HighpCO2andlowDOoccurredintheupstreamregionduringfourseasons,andpCO2andDOshowedastrongnegativelinearcorrelation,andaerobicrespirationwasthemostimportantfactorinmodulatinghighpCO2.Especially,themaximumofpCO2was717.2PaandtheminimumofDOwas41.4μmol/Lwhensalinitywas0.19‰inspring.PearlRiverrunoffdischargedanamountofnutrientsintonearshorewatersandpromotedprimaryproductioninbroadregioninspringandsummer.Phytoplanktonphotosynthesisproducedoxygenintoseawaterandremovedcarbondioxidefromseawater.ThelowestpCO2, 16.5PaandthehighestDO, 418.8μmol/LexistedinthewesternofHongKongwheresalinityrangedfrom15‰to25‰insummer.

the Pearl River Estuary; partial pressure of carbon dioxide; runoff; aerobic respiration; photosynthesis

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.03.006

2015-12-16

廣東省自然科學基金重點資助項目 (2014A030311003); 國家自然科學基金資助項目(41340019); 國家自然科學基金資助項目(41071054)

馬玉(1982年生), 男；研究方向：海洋環(huán)境地球化學；通訊作者：高全洲；E-mail:eesgqz@mail.sysu.edu.cn

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0529-6579(2016)03-0039-08