羅 穎，金海燕*,3,4，李德望,5，季仲?gòu)?qiáng),5，王 斌,5，楊 志,5，張 揚(yáng),5，莊燕培，李楊杰，陳建芳，鄭偵明,4

(1.自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012； 2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.廣西北部灣海洋資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 北海 536000； 4.自然資源部第四海洋研究所,廣西 北海 536000； 5.自然資源部長(zhǎng)三角海洋生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 浙江 舟山 316021； 6.集美大學(xué)極地與海洋研究院，福建 廈門 361000)

0 引言

河口及鄰近海域是陸地向海洋的過(guò)渡地帶，水動(dòng)力環(huán)境高度復(fù)雜，被認(rèn)為是海洋環(huán)境中生物地球化學(xué)最活躍的系統(tǒng)之一[1-3]。浮游植物生產(chǎn)和河流輸入是河口有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源[4]，有機(jī)質(zhì)在此經(jīng)歷復(fù)雜的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程，最終被埋藏在近海陸架或輸運(yùn)至大洋[5-6]。同時(shí)，河口也是受氣候變化影響顯著的系統(tǒng)之一，氣候變化可能改變有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸過(guò)程從而影響碳循環(huán)[7]。洪水是全球氣候變化加劇的產(chǎn)物，諸多模型預(yù)測(cè)未來(lái)世界各地夏季發(fā)生暴雨的頻率將會(huì)增加，洪澇災(zāi)害事件將會(huì)越發(fā)頻繁[8-10]。暴雨引起的洪水事件改變了河流向河口輸送陸源物質(zhì)的組成[11-12]和通量[13-14]，進(jìn)而影響河口及鄰近海域有機(jī)碳生物地球化學(xué)過(guò)程[15-17]。了解洪水事件下河口及鄰近海域有機(jī)碳的生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)深入了解全球氣候變化下的河口碳循環(huán)具有重要作用。

長(zhǎng)江口及鄰近海域位于東海西側(cè)，受河流影響顯著，是高度動(dòng)態(tài)的河口。長(zhǎng)江向長(zhǎng)江口及鄰近海域輸送淡水約9×1011m3/a，淡水與東海水混合形成長(zhǎng)江沖淡水(鹽度<31)[18]。長(zhǎng)江沖淡水在東海的分布范圍與長(zhǎng)江徑流量有關(guān)，徑流量一般夏季最高，冬季最低，季節(jié)性變化和年際變化顯著。此外，大量的陸源物質(zhì)如營(yíng)養(yǎng)鹽和顆粒有機(jī)碳也隨淡水一起輸送至長(zhǎng)江口[19-21]，經(jīng)長(zhǎng)江沖淡水在長(zhǎng)江口及鄰近海域輸運(yùn)，影響該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)[22-24]。長(zhǎng)江流域易發(fā)生暴雨引起的洪水事件，導(dǎo)致長(zhǎng)江徑流量顯著升高。關(guān)于夏季洪水年份長(zhǎng)江口及鄰近海域顆粒有機(jī)碳(Particulate Organic Carbon，POC)的研究主要集中于陸源POC的組成、歸宿和通量等方面[12,25]，洪水對(duì)其分布和來(lái)源的影響研究仍較少。

2020年是典型的洪水年份(圖1)，本文基于2020年7月洪水期長(zhǎng)江口及鄰近海域航次獲取的總懸浮物(Total suspended matter，TSM)質(zhì)量濃度、POC質(zhì)量濃度、顆粒有機(jī)碳穩(wěn)定同位素(δ13CPOC)及其他環(huán)境參數(shù)，探究夏季洪水對(duì)長(zhǎng)江口及其鄰近海域POC分布和來(lái)源的影響。

圖1 大通水文站1998—2020年月均流量Fig.1 Monthly average discharge of Datong Hydrological Station from 1998 to 2020

1 研究區(qū)域及方法

1.1 調(diào)查站位

2020年夏季，受長(zhǎng)江流域持續(xù)暴雨影響，長(zhǎng)江徑流量較往年大幅增加。長(zhǎng)江水利網(wǎng)(http://www.cjw.gov.cn/)的數(shù)據(jù)顯示，2020年7月大通水文站(30.77°N，117.62°E)記錄的流量為71 400 m3/s，遠(yuǎn)高于同期非洪水年份。

2020年7月12日至23日，搭載“科學(xué)三號(hào)”科考船在長(zhǎng)江口及其鄰近海域開(kāi)展科學(xué)調(diào)查，采樣站位共計(jì)37個(gè)(圖2)。溫度和鹽度數(shù)據(jù)由溫鹽深儀(SBE 911 CTD)測(cè)得。分別采集表層、10 m、20 m、30 m、50 m 和底層水樣，其中表層水樣采集深度為2 m，底層水樣采集深度為距底部2 m。水樣采集后迅速用經(jīng)450 ℃灼燒4 h的玻璃纖維膜(GF/F, 0.7 μm, Whatman)過(guò)濾，濾膜冷凍保存于-20 ℃冰箱中帶回實(shí)驗(yàn)室分析。測(cè)定參數(shù)包括POC質(zhì)量濃度、δ13CPOC和TSM質(zhì)量濃度。

圖2 調(diào)查區(qū)域和采樣站位Fig.2 Study area and sampling stations

1.2 分析方法

TSM質(zhì)量濃度的測(cè)定用重量分析法，濾膜經(jīng)過(guò)冷凍干燥后的重量與過(guò)濾前膜重量的差值除以過(guò)濾海水體積即為TSM質(zhì)量濃度。POC質(zhì)量濃度和δ13CPOC由元素分析儀-同位素比質(zhì)譜儀(Thermo Delta V Advantage, EA-IRMS)測(cè)定。測(cè)定前，冷凍干燥后的膜用濃鹽酸酸霧熏蒸除去無(wú)機(jī)碳，用超純水洗去鹽酸后凍干。同位素豐度的計(jì)算方法為

δ13C(‰)=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)- 1)×1 000

(1)

式中：δ13C(‰)表示所測(cè)定樣品穩(wěn)定碳同位素組成，R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)分別代表樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品中的13C/12C值。目前國(guó)際通用的碳同位素分析標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)南卡羅來(lái)納州白堊紀(jì)皮狄組美洲箭石(PDB)，其δ13C值被定義為0‰。

δ13CPOC分析精度為±0.2‰，POC含量通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CH4N2O)建立的碳含量與峰面積的工作曲線計(jì)算獲得。

在河口和邊緣海中，δ13CPOC被用來(lái)區(qū)分陸源輸入和海洋來(lái)源的POC[26-28]，長(zhǎng)江陸源輸入POC的δ13CPOC值為 -29.9‰ ～-25‰，而海源POC的δ13CPOC值一般在-20‰左右[29-30]。采用二端元混合模型[31]估算水柱中長(zhǎng)江陸源輸入POC和海洋浮游植物生產(chǎn)POC在表層海水中的占比。河流淡水端元值取ZHANG et al[32]在河道內(nèi)調(diào)查得到的-28.70‰，海洋端元值取在本次研究區(qū)域外海區(qū)表層測(cè)得的 -19.52‰。二端元混合模型計(jì)算公式為

(2)

式中：fc代表長(zhǎng)江輸入POC對(duì)總POC的貢獻(xiàn)率，其與海洋自生POC的貢獻(xiàn)率相加為1；δ13Cm代表海洋端元值；δ13Cc代表長(zhǎng)江輸入端元值；δ13C代表樣品測(cè)得值。

2 結(jié)果

2.1 溫、鹽分布特征

研究區(qū)域溫度為17.36～26.27 ℃，平均值為 22.24 ℃，表層溫度在21.96～26.27 ℃之間，底層溫度在17.36～25.91 ℃之間。研究區(qū)域鹽度在0.16～34.60之間，表層鹽度為0.16～31.64，底層鹽度為 0.16～34.60。從河道內(nèi)至外海，鹽度呈現(xiàn)梯度變化，表層鹽度隨著離岸距離的增大逐漸增加，但基本都小于31。河道內(nèi)表、底層鹽度分布均勻，顯示為淡水鹽度信號(hào)。河道外表、底層鹽度差值較大，分層明顯。由于夏季長(zhǎng)江入海徑流量增加和夏季增溫效應(yīng)，研究區(qū)域已形成較強(qiáng)的密度躍層。密度較低的長(zhǎng)江沖淡水分布在水深 10 m 以內(nèi)。

2.2 TSM和POC分布

研究區(qū)域TSM質(zhì)量濃度為0.50～217.33 mg/L，平均值為15.12 mg/L。表層TSM質(zhì)量濃度為 1.10～ 95.80 mg/L，平均值為12.66 mg/L；底層TSM質(zhì)量濃度為1.80～217.33 mg/L，平均值為 29.12 mg/L，底層質(zhì)量濃度高于表層。與鹽度分布相反，在向海輸運(yùn)過(guò)程中，表、底層TSM經(jīng)最大渾濁帶后質(zhì)量濃度迅速降低，口門附近的TSM質(zhì)量濃度顯著高于外海區(qū)(圖3a和3e)。

調(diào)查區(qū)域POC質(zhì)量濃度為20.86～1 600.94 μg/L，平均值為186.73 μg/L，其中表層質(zhì)量濃度為20.86～924.54 μg/L，平均值為215.00 μg/L；底層質(zhì)量濃度為30.23～1 600.94 μg/L，平均值為285.76 μg/L。垂向分布上，長(zhǎng)江口門附近POC底層質(zhì)量濃度高于表層，隨著離岸距離的增大這一分布態(tài)勢(shì)發(fā)生改變，外海大部分區(qū)域表層POC質(zhì)量濃度高于底層。水平分布上，長(zhǎng)江口門附近POC質(zhì)量濃度最高，隨著離岸距離增大，POC質(zhì)量濃度降低。從最大渾濁帶向外海，底層POC質(zhì)量濃度從1 600.94 μg/L迅速降至900 μg/L以下，表層POC質(zhì)量濃度從654.14 μg/L迅速降至200 μg/L以下。而在研究區(qū)域東北部表層有一個(gè)POC質(zhì)量濃度高值區(qū)(>200 μg/L，圖3b)，該高值區(qū)在J斷面尤為明顯(圖4b)。

POC%表示TSM中POC的百分含量。研究區(qū)域內(nèi)的POC%值為0.28%～17.31%，平均值為 3.09%。表層值高于底層，表層值為0.75%～17.31%，底層值為0.59%～5.19%。水平方向上，POC%分布與TSM質(zhì)量濃度和POC質(zhì)量濃度分布模式相反，近岸低于外海區(qū)，在研究區(qū)域東北部表層POC質(zhì)量濃度高值區(qū)POC%達(dá)到最高(圖3b)。

2.3 顆粒有機(jī)碳穩(wěn)定碳同位素分布

研究區(qū)域δ13CPOC為-27.07‰～-19.47‰，平均值為-22.85‰。表層δ13CPOC在-27.07‰～-19.52‰ 之間，平均值為-22.8‰；底層δ13CPOC在-26.32‰～-19.47‰之間，平均值為-22.98‰。表、底層δ13CPOC值的分布如圖3c和3g所示，從近岸至外海區(qū)δ13CPOC值變化較大。表層，長(zhǎng)江口門附近的δ13CPOC較輕，最輕的δ13CPOC出現(xiàn)在河道內(nèi)，沿離岸方向δ13CPOC逐漸增重，尤其在研究區(qū)域東北部(J斷面)，其δ13CPOC達(dá)到最重。J斷面表層除近岸J1站位δ13CPOC較輕外，其余站位表層δ13CPOC都重于 -21‰(圖4c)。

圖3 TSM、POC、δ13CPOC和fc的平面分布Fig.3 Distribution of TSM,POC,δ13CPOC and fc(圖b中白色線圈表示POC%>10%的高值分布區(qū)。)(The white coil in figure b indicates the high POC%>10% distribution area.)

圖4 J斷面TSM、POC、δ13CPOC和fc分布Fig.4 Profiles of TSM, POC, δ13CPOC and fc in section J

2.4 fc分布

fc表示陸源輸入POC對(duì)總POC的相對(duì)貢獻(xiàn)。端元混合模型估算的陸源POC比例(fc)如圖3d和3h所示，與鹽度趨勢(shì)一致，隨著離岸距離的增大，表、底層fc逐漸降低。在長(zhǎng)江口門附近區(qū)域，如122.60°E以西，30.50°N—31.50°N范圍內(nèi)，陸源輸入POC在表層占比高達(dá)0.5～1.0，說(shuō)明該區(qū)域表層POC主要來(lái)源于長(zhǎng)江陸源輸入。表層fc值分布不同于POC質(zhì)量濃度分布結(jié)果，外海區(qū)fc值普遍較低。表層fc高值的分布范圍明顯較底層廣，北部fc值明顯低于南部，初步指示北部POC并非源于長(zhǎng)江陸源輸入。

3 討論

3.1 影響POC分布的主要過(guò)程

圖5展示了POC與鹽度、TSM之間的關(guān)系。POC與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)(整體r2=0.41，p<0.01；表層r2=0.45，p<0.01；底層r2=0.58，p<0.01)，這表明河口淡水和外海高鹽水的混合過(guò)程是決定POC質(zhì)量濃度分布和變化的重要過(guò)程。長(zhǎng)江口及鄰近海域受長(zhǎng)江輸入影響顯著，每年接收長(zhǎng)江輸入的POC高達(dá)1.52×1012g[21]。大量陸源輸入的POC與海洋自身POC混合影響長(zhǎng)江口及鄰近海域POC分布格局。POC與TSM之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(整體r2=0.92，p<0.01；表層r2=0.80，p<0.01；底層r2=0.95，p<0.01)，這表明TSM的動(dòng)態(tài)變化是決定POC分布和變化的重要因素。TSM質(zhì)量濃度變化除了受陸源輸入影響以外，還受到最大渾濁帶影響，最大渾濁帶內(nèi)沉積物的再懸浮作用會(huì)影響TSM質(zhì)量濃度[33]。最大渾濁帶內(nèi)水體停留時(shí)間較長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)在此經(jīng)歷絮凝、沉降和再懸浮等作用，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量濃度和性質(zhì)發(fā)生劇烈變化[34]。

圖5 POC質(zhì)量濃度與鹽度和TSM質(zhì)量濃度關(guān)系圖Fig.5 Relationship of POC concentration with salinity and TSM concentration

圖3b顯示，研究區(qū)域東北部表層POC質(zhì)量濃度(>200 μg/L)明顯高于外海區(qū)其余區(qū)域，說(shuō)明除了水團(tuán)混合以外還有其他過(guò)程影響POC的分布。根據(jù)δ13CPOC分析POC的來(lái)源，該區(qū)域δ13CPOC值基本都在-20‰左右，為海源碳同位素信號(hào)。J斷面 是東北部POC局部升高最明顯的斷面，選取該斷面分析造成研究區(qū)域東北部POC分布變化的主要原因。由圖4a可知J斷面存在濁度鋒面，J1和J3站位之間TSM質(zhì)量濃度呈現(xiàn)銳減現(xiàn)象，表層TSM質(zhì)量濃度差值為20 mg/L左右，底層質(zhì)量濃度差高達(dá)40 mg/L。鋒面內(nèi)側(cè)靠岸區(qū)域泥沙含量高，光照受到限制，鋒面外側(cè)外海區(qū)域水體解除光照限制，適合浮游植物的生長(zhǎng)[35]。由 J斷面 外海區(qū)表層明顯偏向海源信號(hào)的δ13CPOC值、低fc值、低TSM質(zhì)量濃度(低濁度)和高POC%值判斷：生物過(guò)程(即浮游植物的生長(zhǎng))影響了該區(qū)域POC分布。

綜上可知，咸淡水水團(tuán)混合和浮游植物生產(chǎn)是影響長(zhǎng)江口及鄰近海域POC質(zhì)量濃度分布的主要過(guò)程。

3.2 洪水對(duì)長(zhǎng)江口POC分布的潛在影響

表1顯示了本次洪水期POC質(zhì)量濃度與以往研究的比較，以此探討洪水對(duì)POC分布的影響。結(jié)果顯示，在以陸源輸入為主的區(qū)域，洪水年份的POC質(zhì)量濃度明顯低于非洪水年份。LIU et al[36]將2015至2016年每月大通水文站的POC質(zhì)量濃度與徑流量作圖，發(fā)現(xiàn)POC質(zhì)量濃度并非隨著徑流量的增大而增大，在2015年7月，高徑流量對(duì)應(yīng)低POC質(zhì)量濃度，與本研究結(jié)果一致。較多研究[13,37-38]都指出暴雨能提高對(duì)土壤有機(jī)碳的物理侵蝕，洪水事件能提高陸地有機(jī)質(zhì)向海洋的輸送通量。洪水引起高徑流量導(dǎo)致河流向河口輸送高物質(zhì)通量，高徑流量對(duì)物質(zhì)質(zhì)量濃度形成負(fù)反饋，而高物質(zhì)通量對(duì)物質(zhì)質(zhì)量濃度具有正反饋?zhàn)饔?，洪水期間兩個(gè)相反過(guò)程的相互作用決定陸源物質(zhì)的質(zhì)量濃度。已有研究表明，洪水事件能提高長(zhǎng)江向河口輸送的POC通量[12]，本次研究表明洪水期間，在超大徑流量的稀釋作用下，長(zhǎng)江口POC質(zhì)量濃度呈現(xiàn)偏低狀態(tài)。

表1 不同研究中相似區(qū)域的表層POC質(zhì)量濃度比較Tab.1 Comparison of POC concentrations in different studies in similar areas

長(zhǎng)江水利網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，航次調(diào)查期間，大通水文站日均流量均超過(guò)70 000 m3/s，整個(gè)7月徑流量達(dá)到了1 912×109m3。這使得沖淡水邊界甚至超過(guò)了本次研究區(qū)域的東部邊界(123.5°E)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)2010年長(zhǎng)江沖淡水在東海的影響范圍明顯大于其他年份[39]，2010年同樣為洪水年份(圖1)，7月徑流量(1 891×109m3)與本次調(diào)查相近。由此推斷本次調(diào)查期間長(zhǎng)江沖淡水的分布范圍較非洪水年份會(huì)有所擴(kuò)大。

圖3d中fc表示陸源POC對(duì)總POC的相對(duì)貢獻(xiàn)，fc值的高低表示受陸源POC影響的強(qiáng)弱。在長(zhǎng)江口31°N斷面，122.60°E以西基本為強(qiáng)的陸源有機(jī)質(zhì)信號(hào)，以東海源有機(jī)質(zhì)信號(hào)逐漸加強(qiáng)。SUN et al[12]2019年汛期的航次結(jié)果顯示，在122.30°E附近，表層δ13CPOC值為海源信號(hào)，陸源有機(jī)質(zhì)信號(hào)已基本消失。GAO et al[40]在2012年7月對(duì)長(zhǎng)江口的調(diào)查結(jié)果顯示：表層陸源δ13CPOC信號(hào)主要出現(xiàn)在河口約123°E，30°N—31°N以內(nèi)，在30°N以南δ13CPOC已表現(xiàn)為海源信號(hào)。而本研究則顯示，在30°N以南區(qū)域(圖3d)，陸源δ13CPOC信號(hào)依然存在。這說(shuō)明此次洪水期，陸源POC在長(zhǎng)江口及鄰近海域的分布范圍擴(kuò)大。

綜上，洪水事件改變了研究區(qū)域POC質(zhì)量濃度分布和來(lái)源，研究區(qū)域POC質(zhì)量濃度降低，但陸源POC在東海表面分布范圍更大。

4 結(jié)論

(1)在本研究區(qū)內(nèi)，水團(tuán)混合和浮游植物生產(chǎn)是影響POC質(zhì)量濃度分布的重要因素。2020年7月洪水期，POC質(zhì)量濃度與鹽度、TSM顯著相關(guān)，咸淡水混合是影響POC分布的重要因素。研究區(qū)域東北部的POC質(zhì)量濃度升高表明：生物過(guò)程——浮游植物的生長(zhǎng)是影響POC分布的另一重要因素。

(2)洪水期，高徑流量形成的稀釋效應(yīng)導(dǎo)致該區(qū)域POC質(zhì)量濃度與歷史數(shù)據(jù)相比呈現(xiàn)降低現(xiàn)象。將本研究中的表層δ13CPOC值與前人研究進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)洪水事件使陸源有機(jī)質(zhì)在東海呈現(xiàn)更大的分布范圍。

致謝感謝東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的溫、鹽數(shù)據(jù)，感謝“科學(xué)三號(hào)”科考船全體人員在航次期間的幫助，感謝自然資源部第二海洋研究所劉潔在樣品采集中給予的幫助，陳倩娜在同位素分析中給予的幫助。