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夏季环渤海主要入海河流溶解无机碳分布及入海通量估算

郑楠 徐雪梅 魏雅雯 赵化德

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夏季环渤海主要入海河流溶解无机碳分布及入海通量估算

    作者简介: 郑 楠(1986-),女,河南漯河人,硕士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:nzheng@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 赵化德(1982-),男,山东青岛人,博士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:hdzhaowork@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401208);国家重点研发计划项目(2017YFA0603003)
  • 中图分类号: P734

Distribution and flux estimation of dissolved inorganic carbon in main rivers around Bohai Sea in summer

  • 摘要: 河口是连接陆地和海洋的关键通道,每年地表径流通过河口向陆架边缘海输入大量溶解无机碳,导致其碳源汇格局发生改变。本文分析了渤海夏季28条入海河流关键碳循环参数分布特征,估算了主要入海河流夏季溶解无机碳直接输入通量,莱州湾、辽东湾及渤海湾的溶解无机碳直接输入通量分别为0.66 TgC、0.44 TgC、0.17 TgC,直接汇入莱州湾的溶解无机碳通量超过50%,主要贡献来自黄河,另外,汇入辽东湾的大辽河及双台子河贡献了渤海河流溶解无机碳直接输入通量的20%。
  • 图 1  环渤海主要河流及采样站位分布

    Figure 1.  Distribution map of main rivers and sampling stations around Bohai Sea

    图 2  环渤海入海河流温度分布

    Figure 2.  River temperature distribution around Bohai Sea

    图 3  环渤海入海河流DO(mg/L)含量分布

    Figure 3.  DO (mg/L) distribution around Bohai Sea

    图 4  环渤海入海河流DO含量饱和度(%)分布

    Figure 4.  DO saturation distribution around Bohai Sea

    图 5  环渤海入海河流DIC(μmol/kg)浓度分布

    Figure 5.  DIC (μmol/kg) distribution around Bohai Sea

    图 6  环渤海入海河流TA(μmol/kg)浓度分布

    Figure 6.  TA (μmol/kg) distribution around Bohai Sea

    图 7  环渤海入海河流pH分布

    Figure 7.  pH distribution around Bohai Sea

    图 8  环渤海入海河流pCO2(μatm) 分布

    Figure 8.  pCO2(μatm) distribution around Bohai Sea

    表 1  环渤海入海河流径流量

    Table 1.  Statistical table of runoff of rivers around Bohai Sea

    河流名称年径流量/亿吨河流名称年径流量/亿吨
    复州河[20] 2.37 马颊河[21] 2.93
    双台子河[21] 46.6 徒骇河[25] 8.97
    辽河[21] 70.97 潮河 0.89
    大凌河[21] 19.63 黄河[21] 285.5
    小凌河[21] 4.03 广利河[26] 2.3
    六股河[21] 6.02 小清河[22] 8.78
    洋河[22] 0.28 弥河[27] 4.23
    滦河[21] 29.04 白浪河[27] 1.22
    溯河[23] 1.71 虞河 0.05
    小青龙河[23] 0.07 潍河[28] 14.46
    陡河[23-24] 13.1 胶莱河 2.33
    北塘口[23-24] 31.56 王河 0.98
    海河[23-24] 2.85 界河 2.46
    子牙新河[22] 3.09 南阳河 -
    注:未标注参考文献河流径流量通过现场调查估算,南阳河为季节性河流,全年径流量较小且缺少权威来源
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    表 2  环渤海主要河流溶解无机碳通量评估

    Table 2.  Assessment of dissolved inorganic carbon fluxes in main rivers around Bohai Sea

    序号名称溶解无机碳通量/TgC占比/(%)序号名称溶解无机碳通量/TgC占比/(%)
    1 界河 0.008 0.7 15 海河 0.005 0.4
    2 王河 0.001 0.1 16 北塘口 0.089 7.4
    3 胶莱河 0.002 0.2 17 陡河 0.025 2.1
    4 潍河 0 0.0 18 小青龙河 0 0.0
    5 黄河 0.618 51.9 19 溯河 0.006 0.5
    6 广利河 0.004 0.3 20 滦河 0.056 4.7
    7 小清河 0.025 2.1 21 洋河 0 0.0
    8 弥河 0.006 0.5 22 六股河 0.010 0.8
    9 白浪河 0.001 0.1 23 小凌河 0.008 0.7
    10 虞河 0 0.0 24 大凌河 0.033 2.7
    11 潮河 0.003 0.3 25 双台子河 0.144 12.1
    12 徒骇河 0.031 2.6 26 复州河 0.004 0.3
    13 马颊河 0.004 0.3 27 大辽河 0.103 8.7
    14 子牙新河 0.006 0.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-19
  • 录用日期:  2021-09-17
  • 刊出日期:  2021-12-20

夏季环渤海主要入海河流溶解无机碳分布及入海通量估算

    作者简介:郑 楠(1986-),女,河南漯河人,硕士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:nzheng@nmemc.org.cn
    通讯作者: 赵化德(1982-),男,山东青岛人,博士,主要研究方向为海洋化学,E-mail:hdzhaowork@163.com
  • 1. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 2. 国家环境保护近岸海域生态环境重点实验室,辽宁 大连 116023
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401208);国家重点研发计划项目(2017YFA0603003)

摘要: 河口是连接陆地和海洋的关键通道,每年地表径流通过河口向陆架边缘海输入大量溶解无机碳,导致其碳源汇格局发生改变。本文分析了渤海夏季28条入海河流关键碳循环参数分布特征,估算了主要入海河流夏季溶解无机碳直接输入通量,莱州湾、辽东湾及渤海湾的溶解无机碳直接输入通量分别为0.66 TgC、0.44 TgC、0.17 TgC,直接汇入莱州湾的溶解无机碳通量超过50%,主要贡献来自黄河,另外,汇入辽东湾的大辽河及双台子河贡献了渤海河流溶解无机碳直接输入通量的20%。

English Abstract

  • 应对气候变化是我国践行“人类命运共同体”理念、积极参与全球治理的历史性机遇。2020年12月,中央经济工作会议将做好“碳达峰、碳中和”工作列入2021年八大重点任务之一,《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》对适应气候变化工作提出了新的要求,河流碳运移的研究对于全球碳循环研究以及探讨河流对全球气候变化的响应机制具有重要意义。河流通过河口每年向陆架边缘海输入大量有机物与溶解无机碳,使河口成为陆地碳储库向海洋碳储库碳输运的关键通道[1-2],有机物矿化等过程生成的CO2是全球碳循环的重要组成部分[3-5]。受人类活动等的影响,河流向边缘海输入的物质通量显著增加,使得陆架边缘海的生物活动持续增强,导致其碳源汇格局及变化机制发生改变[6]。河口区生物地球化学过程复杂,相较陆地和海洋,碳循环过程在时间、空间尺度上的变化程度更加复杂、剧烈,包含了海−气界面交换、水体中垂直运输、沉积物−海水界面交换、与淡水发生的物质和能量交换,对陆地向海洋的碳循环能够产生明显影响,从而导致碳的有效输送通量发生变化。全球河流每年向河口输送约1 Gt(1015g)总碳量,其中约60%为无机碳,河流输入碳通量的研究作为探索目前全球碳循环中的循环途径不闭合问题的重要方面,逐渐成为全球碳循环研究的热点[7]

    渤海为半封闭型内海,位于辽东半岛和胶东半岛之间,仅东部与北黄海相通,沿岸河流众多,中国七大水系中有三大水系,即黄河水系、海河水系、辽河水系汇聚于此。渤海海域的碳循环过程相较其他海域具有其特殊性。南有黄河,以高含沙量著称,富含碳酸钙,黄河上游的风化作用导致水体中无机碳含量较高,有机碳含量却偏低,极少超过1%[8];西有海河,干支流的含沙量仅次于黄河;北有辽河,多年平均输沙量为2098万吨,这些河流的河口区水深较浅,大多仅有几米。渤海水体较为封闭,仅通过渤海海峡和北黄海进行水体交换[9-10],水体更新需要较长时间,自净能力相对不足,其中辽东湾与外海水交换十分微弱[11]。环渤海区域聚集了大量城市、人口,工农业经济尤其是海水养殖业发达,大量营养物质排入海中,使得渤海海域的富营养化程度愈越发严重。渤海及环渤海区域碳循环过程的研究,对近年来频繁发生的绿潮、赤潮等环境灾害防治具有重要价值。

    基于渤海及环渤海区域碳循环在中国近海碳循环研究中的重要意义,本文在分析渤海夏季入海河流碳循环关键参数分布及其特征的基础上,估算了环渤海区域主要入海河流夏季溶解无机碳的直接输入通量。

    • 2018年7月29日至8月4日,以烟台界河为起始,沿环渤海区域以顺时针方向逐一对入海河流进行现场踏勘,受灌溉、城市建设等的影响,部分河流调查期间断流,最终选取了28条主要入海河流,除大辽河沿盐度梯度设计采样站位外,其他均在盐度接近0的位置设计采样站位,总计32个站位(见图1)。其中,莱州湾沿线采集12条入海河流,包括界河、王河、南阳河、胶莱河、小清河、黄河等;渤海湾沿线采集9条河流,包括潮河、徒骇河、马颊河、海河、北塘口、陡河等;辽东湾沿线采集7条河流,包括滦河、大凌河、双台子河、大辽河、复州河等。由于河流水深普遍较浅,每个站位只取表层水样。

      图  1  环渤海主要河流及采样站位分布

      Figure 1.  Distribution map of main rivers and sampling stations around Bohai Sea

    • 温度、盐度采用Multi 340i/SET便携式多参数水质分析仪现场测定。使用卡盖式采样瓶,按照《海洋监测规范 第3部分:样品采集、贮存与运输》(GB 17378.3-2007)[12]、《海洋监测规范 第4部分:海水分析》(GB 17378.4-2007)[13]、《海水总溶解无机碳的测定 非色散红外吸收法》(HY/T 196-2015)[14]及《海水总碱度的测定 敞口式电位滴定法》(HY/T 197-2015)[15]进行样品采集和测定。溶解氧(DO)样品在采集后24 h内采用碘量法进行测量分析,用Na2S2O3进行重复标定,结果显示,DO测定的不确定度小于0.5% [16]。总溶解无机碳(DIC)及总碱度(TA)样品现场采集固定后,返回实验室测定。DIC采用非分散红外吸收法,利用总溶解无机碳分析仪测定,RSD≤2.4‰;TA采用电位滴定法,利用总碱度滴定仪测定,RSD≤1.6‰。pCO2及pH根据实测的 DIC、TA、温度、盐度,利用碳酸盐系统互算软件(第2.3版本,2015年)[17]计算获得,由于样品均为淡水,pH采用NIST标度。计算过程中,河口区域碳酸盐解离系数的选择参照文献[18]。本文中出现的监测区域的非实测碳循环参数均利用该软件计算得到。

    • 调查结果显示,调查期间环渤海入海河流平均水温达到32.3 ℃。莱州湾河流水温范围为31.0 ℃~35.7 ℃,平均水温为32.7 ℃,虞河站位水温最高,黄河站位水温最低。渤海湾河流水温范围为32.1 ℃~35.8 ℃,平均水温为33.4 ℃,潮河站位水温最高,北塘口站位水温最低。辽东湾流域河流水温范围为30.0 ℃~32.8 ℃,平均水温为31.6 ℃,其中双台子河站位水温最高,六股河站位水温最低。参考以往调查结果,2016年8月,渤海表层水体温度变动范围为24.1 ℃~27.4 ℃,平均值为25.9 ℃[19]。调查河流温度与径流量、调查区域水深情况具有相关性,同时由于夏季调查受太阳辐射等影响,河流水温显著高于渤海海水温度。环渤海入海河流温度分布见图2

      图  2  环渤海入海河流温度分布

      Figure 2.  River temperature distribution around Bohai Sea

    • 本次调查结果显示,夏季环渤海大部分入海河流DO含量均处于较高水平,其中24条河流的DO含量处于过饱和状态,虞河站位DO含量达到24.65 mg/L,饱和度达到了364%。部分站位存在低氧现象,大辽河上游站位和小青龙河站位DO含量仅为2.5 mg/L左右,饱和度小于35%。环渤海入海河流DO含量分布见图3,饱和度分布见图4

      图  3  环渤海入海河流DO(mg/L)含量分布

      Figure 3.  DO (mg/L) distribution around Bohai Sea

      图  4  环渤海入海河流DO含量饱和度(%)分布

      Figure 4.  DO saturation distribution around Bohai Sea

      整体而言,渤海南部河流的DO含量高于北部河流,莱州湾入海河流DO含量最高,渤海湾次之,辽东湾最低。莱州湾入海河流DO含量均处于过饱和状态,含量范围为6.5~24.7 mg/L,平均值为 12.8 mg/L,虞河站位最高,黄河站位最低;渤海湾入海河流DO含量差异较大,含量范围为2.5~20.0 mg/L,平均值为 9.9 mg/L,马颊河站位最高,小青龙河站位和子牙新河站位均为低氧状态,小青龙河站位最低;辽东湾入海河流DO含量接近饱和,含量范围为4.6~10.8 mg/L,平均值为 8.6 mg/L,未出现缺氧状态,大凌河站位最高,大辽河站位最低,其中大辽河上游站位呈现低氧状态,DO含量为2.3 mg/L。

    • 本次调查碳酸盐参数主要是DIC、TA,未直接采集河流的pH、pCO2样品,pH、pCO2根据这些参数之间的相互关系,通过碳酸盐系统互算软件计算得出,统一校正样品温度至25 ℃。

      (1)DIC

      本次调查结果显示,河流的DIC浓度整体具有较大差异,最小值为莱州湾入海的王河站位,DIC浓度为1027 μmol/kg,最大值为位于渤海湾的溯河站位,DIC浓度达到5064 μmol/kg,黄河口站位的DIC浓度处于中等水平。环渤海入海河流DIC浓度分布见图5

      图  5  环渤海入海河流DIC(μmol/kg)浓度分布

      Figure 5.  DIC (μmol/kg) distribution around Bohai Sea

      渤海湾入海河流DIC浓度最高,辽东湾次之,莱州湾最低。莱州湾入海河流DIC浓度范围为1027~4491 μmol/kg,平均值为2306 μmol/kg,界河站位最高,王河站位最低;渤海湾入海河流DIC浓度范围为1696~5063 μmol/kg,平均值为3526 μmol/kg,溯河站位最高,马颊河站位最低;辽东湾入海河流DIC浓度范围为2025~4305 μmol/kg,平均值为2770 μmol/kg,双台子河站位最高,大辽河站位最低。

      (2)TA

      本次调查结果显示,河流的TA浓度整体具有较大差异,最小值为莱州湾入海的王河站位,TA浓度为1348 μmol/kg,最大值为渤海湾入海的溯河站位,TA浓度达到5508 μmol/kg,黄河口站位的TA浓度同样处于中等水平。环渤海入海河流TA浓度分布见图6

      图  6  环渤海入海河流TA(μmol/kg)浓度分布

      Figure 6.  TA (μmol/kg) distribution around Bohai Sea

      渤海湾入海河流TA浓度最高,辽东湾次之,莱州湾最低。莱州湾入海河流TA浓度范围为1348~4564 μmol/kg,平均值为2450 μmol/kg,界河站位最高,王河站位最低;渤海湾入海河流TA浓度范围为1962~5508 μmol/kg,平均值为3663 μmol/kg,溯河站位最高,马颊河站位最低;辽东湾入海河流TA浓度范围为1807~4375 μmol/kg,平均值为2784 μmol/kg,双台子河站位最高,大辽河站位最低。

      (3)pH

      本次调查结果显示,河流的pH整体具有较大差异,最小值为辽东湾入海的大辽河站位,pH为7.17,最大值为莱州湾入海的南阳河站位,pH达到9.68,均值为8.20。环渤海入海河流pH分布见图7

      图  7  环渤海入海河流pH分布

      Figure 7.  pH distribution around Bohai Sea

      整体而言,渤海南部河流的pH高于北部河流,莱州湾入海河流pH最高,渤海湾次之,辽东湾最低。莱州湾入海河流pH范围为7.87~9.68,平均值为8.71,王河站位最高,黄河站位最低;渤海湾入海河流pH范围为7.53~9.03,平均值为8.20,海河站位最高,子牙新河站位最低;辽东湾入海河流pH范围为7.17~8.36,平均值为7.88,大凌河站位最高,大辽河上游站位最低。

      (4)pCO2

      本次调查结果显示,河流的pCO2整体具有较大差异,最小值为莱州湾入海的南阳河站位,pCO2为8 μatm,最大值为辽东湾入海的大辽河站位,pCO2达到8073 μatm。环渤海入海河流pCO2分布见图8

      图  8  环渤海入海河流pCO2(μatm) 分布

      Figure 8.  pCO2(μatm) distribution around Bohai Sea

      整体而言,渤海北部河流的pCO2高于南部河流,辽东湾入海河流pCO2最高,渤海湾次之,莱州湾最低。莱州湾入海河流pCO2范围为8~2610 μatm,平均值为799 μatm,黄河站位最高,南阳河站位最低,南阳河、王河、胶莱河、虞河、弥河、白浪河表现为汇,其他河流表现为源;渤海湾入海河流pCO2范围为125~4917 μatm,平均值为2508 μatm,徒骇河站位最高,海河站位最低,海河、马颊河表现为汇,其他河流表现为源;辽东湾入海河流pCO2范围为693~8073 μatm,平均值为2623 μatm,大辽河站位最高,六股河站位最低,辽东湾所有河流站位均表现为源。

    • 环渤海流域的河流年径流量主要通过文献查阅、资料收集获得,部分河流年径流量通过现场测定估算得到,结果列于表1

      河流名称年径流量/亿吨河流名称年径流量/亿吨
      复州河[20] 2.37 马颊河[21] 2.93
      双台子河[21] 46.6 徒骇河[25] 8.97
      辽河[21] 70.97 潮河 0.89
      大凌河[21] 19.63 黄河[21] 285.5
      小凌河[21] 4.03 广利河[26] 2.3
      六股河[21] 6.02 小清河[22] 8.78
      洋河[22] 0.28 弥河[27] 4.23
      滦河[21] 29.04 白浪河[27] 1.22
      溯河[23] 1.71 虞河 0.05
      小青龙河[23] 0.07 潍河[28] 14.46
      陡河[23-24] 13.1 胶莱河 2.33
      北塘口[23-24] 31.56 王河 0.98
      海河[23-24] 2.85 界河 2.46
      子牙新河[22] 3.09 南阳河 -
      注:未标注参考文献河流径流量通过现场调查估算,南阳河为季节性河流,全年径流量较小且缺少权威来源

      表 1  环渤海入海河流径流量

      Table 1.  Statistical table of runoff of rivers around Bohai Sea

      各条河流径流量季节分配主要取决于补给来源及其变化,我国河流径流量最丰富的季节一般为夏季。中国北方降水增多,夏季径流量集中,普遍占年径流量的50%以上,其中,东北夏季径流量一般占全年径流量的50%~60%,华北平原和内蒙古高原的内陆河夏季径流量更为集中,达年径流量的60%~70%[29]。在本文中,统一取夏季径流量占年径流量的60%。

    • 根据所测得各河流的溶解无机碳浓度,并假设0盐端的河流性质较为均一、稳定,实测溶解无机碳浓度与夏季径流量的乘积可算为该条河流的夏季输入总量F,表达式如下:

      式中:F为河流输入夏季总量;C为溶解无机碳浓度;Q为河流夏季径流总量。

      各河流溶解无机碳通量评估结果见表2。2018年夏季,渤海海域溶解无机碳河流直接输入量为1.27 TgC,莱州湾、辽东湾及渤海湾的河流溶解无机碳直接输入通量分别为0.66 TgC、0.44 TgC、0.17 TgC,其中,莱州湾主要来源于黄河,渤海湾主要来源于北塘口,辽东湾主要来源于大辽河。莱州湾各个入海河流之间径流量差异较大,碳输入通量差异也较大;辽东湾河流的径流量差异较小,输入通量较为平均;渤海湾则由于河流流量普遍较小,即使其溶解无机碳输入浓度相对较大,通量在三大海湾中依然占比最小。

      序号名称溶解无机碳通量/TgC占比/(%)序号名称溶解无机碳通量/TgC占比/(%)
      1 界河 0.008 0.7 15 海河 0.005 0.4
      2 王河 0.001 0.1 16 北塘口 0.089 7.4
      3 胶莱河 0.002 0.2 17 陡河 0.025 2.1
      4 潍河 0 0.0 18 小青龙河 0 0.0
      5 黄河 0.618 51.9 19 溯河 0.006 0.5
      6 广利河 0.004 0.3 20 滦河 0.056 4.7
      7 小清河 0.025 2.1 21 洋河 0 0.0
      8 弥河 0.006 0.5 22 六股河 0.010 0.8
      9 白浪河 0.001 0.1 23 小凌河 0.008 0.7
      10 虞河 0 0.0 24 大凌河 0.033 2.7
      11 潮河 0.003 0.3 25 双台子河 0.144 12.1
      12 徒骇河 0.031 2.6 26 复州河 0.004 0.3
      13 马颊河 0.004 0.3 27 大辽河 0.103 8.7
      14 子牙新河 0.006 0.5

      表 2  环渤海主要河流溶解无机碳通量评估

      Table 2.  Assessment of dissolved inorganic carbon fluxes in main rivers around Bohai Sea

    • (1)本次调查在8月进行,气温较高,调查区域大多数河流径流量较小,水深较浅。调查结果显示,调查河流水温显著高于同期渤海海水温度,pH、DO、DIC、TA等相关参数也处于较高水平。

      (2)将入海河流按流入海湾进行分类,三大海湾入海河流DIC浓度、TA浓度排序均为渤海湾>辽东湾>莱州湾。受温度、生物活动等的影响,三大海湾入海河流pCO2排序为辽东湾>渤海湾>莱州湾。

      (3)2018年夏季,渤海海域溶解无机碳河流直接输入量为1.27 TgC,莱州湾、辽东湾及渤海湾的河流溶解无机碳直接输入通量分别为0.66 TgC、0.44 TgC、0.17 TgC。

      (4)莱州湾整体溶解无机碳浓度最低,但由于黄河径流量远大于渤海其他入海河流,使得进入莱州湾的溶解无机碳直接输入通量最大。其中,黄河贡献了环渤海河流溶解无机碳直接输入通量的50%,汇入辽东湾的大辽河及双台子河贡献了溶解无机碳直接输入通量的20%。

参考文献 (29)

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