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东黄渤海11-12月有色溶解有机质的分布特征

梁文健 秦礼萍 刘兆冰 唐建辉

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东黄渤海11-12月有色溶解有机质的分布特征

    作者简介: 梁文健(1993-), 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要研究方向为海洋地球化学, E-mail:wslwj@mail.ustc.edu.cn;
    通讯作者: 唐建辉, 研究员, E-mail:jhtang@yic.ac.cn
  • 基金项目: 中国科学院海洋战略先导专项(XDA11020401);中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-14)
  • 中图分类号: P734

Spatial distribution of colored dissolved organic matter(CDOM)in the Bohai, Yellow and East China Seas in November and December

  • 摘要: 采集了2016年11-12月期间东、黄、渤海表、中、底海水样品,分析了海水中溶解有机质的紫外-可见光吸收光谱特征,探讨了渤海和黄东海海域秋冬季有色溶解有机物(CDOM)的分布特征、来源和影响因素。结果表明:在渤海和黄东海,表、中、底层CDOM均呈现近岸高、远海低的分布特征,渤海CDOM含量高于黄东海。吸收系数a355和光谱斜率S275-295呈显著负相关。结合CDOM的a355分布和S275-295,表明CDOM受到陆源输入的显著影响。渤海海区黄河口海域由于黄河水的直接输入和在大风影响下黄河口的泥沙再悬浮作用,CDOM含量最高。12月渤海中心存在CDOM和DOC的低值区,位置和夏季渤海双中心冷水团一致。在黄东海海域,高盐度台湾暖流的导致了黄东海DOC低浓度区域的产生,但对CDOM的含量分布没有明显影响。在渤海和黄东海,CDOM和DOC无显著相关性。
  • 图 1  采样站位图及主要海流[14]

    Figure 1.  Schematic map of the sampling sites and main ocean currents in the study area

    图 2  渤海和北黄海表中底层海水中CDOM含量分布

    Figure 2.  Spatial distribution of CDOM in the surface, middle and bottom seawater of Bohai Sea and North Yellow Sea

    图 3  黄东海表、中、底层海水中CDOM含量平面分布

    Figure 3.  Spatial distribution of CDOM in the surface, middle and bottom seawater of Yellow Sea and the East China Sea

    图 4  渤海和黄东海海水样品a355S275-295相关性

    Figure 4.  Correlation between values a355 and S275-295 in the Bohai Sea, Yellow Sea and East China Sea

    图 5  渤海和黄东海海水样品a355和DOC含量相关性

    Figure 5.  Correlation between a355 and DOC in the Bohai Sea, Yellow Sea and East China Sea

    表 1  渤海、黄海和东海水体DOC、S275~295a355a254SUVA254的范围和平均值

    Table 1.  Statistics of DOC, S275~295, a254 and SUVA254 in the Bohai, Yellow and East China Seas

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-30
  • 录用日期:  2018-09-21
  • 刊出日期:  2019-12-20

东黄渤海11-12月有色溶解有机质的分布特征

    作者简介:梁文健(1993-), 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要研究方向为海洋地球化学, E-mail:wslwj@mail.ustc.edu.cn
    通讯作者: 唐建辉, 研究员, E-mail:jhtang@yic.ac.cn
  • 1. 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
  • 2. 中国科学院烟台海岸带研究所 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室, 山东 烟台 264003
  • 3. 山东科技大学 地球科学与工程学院, 山东 青岛 266590
基金项目: 中国科学院海洋战略先导专项(XDA11020401);中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-14)

摘要: 采集了2016年11-12月期间东、黄、渤海表、中、底海水样品,分析了海水中溶解有机质的紫外-可见光吸收光谱特征,探讨了渤海和黄东海海域秋冬季有色溶解有机物(CDOM)的分布特征、来源和影响因素。结果表明:在渤海和黄东海,表、中、底层CDOM均呈现近岸高、远海低的分布特征,渤海CDOM含量高于黄东海。吸收系数a355和光谱斜率S275-295呈显著负相关。结合CDOM的a355分布和S275-295,表明CDOM受到陆源输入的显著影响。渤海海区黄河口海域由于黄河水的直接输入和在大风影响下黄河口的泥沙再悬浮作用,CDOM含量最高。12月渤海中心存在CDOM和DOC的低值区,位置和夏季渤海双中心冷水团一致。在黄东海海域,高盐度台湾暖流的导致了黄东海DOC低浓度区域的产生,但对CDOM的含量分布没有明显影响。在渤海和黄东海,CDOM和DOC无显著相关性。

English Abstract

  • 有色溶解有机物(colored dissolved organic matter,简称CDOM)是存在于各种水体中的一类成分和结构相当复杂、含有多种高活性化学官能团的无定型大分子聚合物[1],是水体溶解有机质(DOM)的重要组分之一[2],也是全球碳循环中的重要环节。CDOM含有光特性基团因而具有光吸收和荧光特性,能有效吸收对生物体有害的紫外辐射。CDOM通过对水体光场的影响,从而影响浮游植物的光合作用,进而影响到海洋初级生产力和生态系统结构[3-4]。CDOM也是海洋光学遥感研究中的重要参数。因此,CDOM的研究在海洋生物地球化学、海洋光化学、海洋遥感等研究领域都具有重要意义。

    渤海是典型的半封闭内海,有黄河、海河、辽河等多条大型河流输入。河流带来大量的淡水和营养盐等陆源物质,同时也带来人类排放的污染物。渤海周围是人口密集区,受人为因素影响强烈,同时渤海海水交换能力弱,海流较弱,自净能力差[5]。黄海是典型的陆架边缘海,陆海相互作用强烈,海流众多,秋冬季有北上的黄海暖流、南下的苏北沿岸流和来自东海的高盐黑潮水及其分支台湾暖流,还有长江冲淡水的输入,这使黄海的水文环境较为复杂[6]。东海是比渤、黄海更开阔且深度更大的边缘海,每年通过长江等淡水水系输入到东海的营养盐浓度不断增加,导致东海近海海域富营养化面积居中国四大海区之首。本文根据2016年11-12月期间对渤海、黄海及东海北部的调查航次,分析水体中的CDOM紫外-可见光吸收光谱特征及其与DOC浓度的关系,进一步讨论CDOM的主要来源及影响因素,为研究不同海区的CDOM提供资料。

    • 2016年11月10日至12月9日参加青岛海洋科学与技术国家实验室“黄、东海综合调查航次”,搭乘“北斗”号海洋调查船,使用CTD采样器(SBE 19Plus)采集南黄海及东海北部表、中、底三层海水样品,并同时获取海水的温度、盐度等水文数据。2016年12月16日至12月31日搭乘中国科学院烟台海岸带研究所“创新一”海洋调查船参加渤海冬季航次,使用CTD采样器(SeaBird 911Plus)采集了北黄海和渤海表中底三层海水样品,并同时获取水文数据。所有采样站点如图 1所示。

      图  1  采样站位图及主要海流[14]

      Figure 1.  Schematic map of the sampling sites and main ocean currents in the study area

      样品采集后立即用0.2 μm孔径的聚醚砜(PES)膜(PALL)过滤,滤液于-20℃避光保存直至测量前解冻。

    • DOM吸收光谱的扫描使用日本Horiba Aqualog光谱仪(Aqualog-UV-800-C)。吸收光谱的具体扫描步骤:使用Millipore一级水作为空白,用光程为1 cm的石英比色皿,在200~800 nm波长范围内进行吸收扫描,波长间隔为1 nm,积分时间为0.1 s。

      吸收系数的计算公式为:

      式中:a(λ)表示当波长为λ时的吸收系数(/m);A(λ)为吸光度;l为光程路径(m)[7]。所有A(λ)均预先扣除各自700~750 nm处吸光值的平均值,以校正由海水和参比的纯水之间折射率差异及水样中细小颗粒物散射引起的基线漂移[8]。通常使用355 nm处的吸收系数a355来表示有色溶解性有机质的相对浓度[9-10]。吸收系数a355值越高,CDOM含量越高。

      275~295 nm吸光区间的光谱斜率计算公式为:

      式中:λ是测定波长(nm);λ0是参照波长(nm)。

      S275-295为275~295 nm波长段采用非线性拟合获得的光谱斜率,是DOM吸收光谱模型中的重要参数,能显示DOM组成特征信息,例如分子量大小,光化学反应活性等[11]S275-295值越小,CDOM平均分子量越大。

      特征参数比紫外吸收系数SUVA254=A254/l/ [DOC],为254 nm处吸光系数与该溶液DOC浓度比值,该值越大,DOM芳香性越强[12]

      溶解性有机碳(DOC)采用GE InnovOx Laboratory总有机碳分析仪进行测定,单位mg/L。具体测定流程根据《海洋监测规范》(GB17378.4-2007)[13]进行。测量水样为过滤后水样,TOC浓度即为水体中DOC浓度。

    • 渤海和北黄海表层a355变化范围为0.74~1.60 /m,平均值为1.03±0.20 /m。如图 2所示,黄河入海口(B14和B28站位,其表层水a355平均值为1.33±0.38 /m)附近海域CDOM含量最高,并向渤海中部呈逐渐降低趋势。渤海内部CDOM含量(平均值为1.04±0.18 /m)高于渤海海峡(平均值0.88±0.04 /m)和北黄海区域(平均值0.85±0.11 /m)。在渤海中部,双冷水团附近站位B16(0.86 /m)和B22(0.84 /m)是区域低值点。

      图  2  渤海和北黄海表中底层海水中CDOM含量分布

      Figure 2.  Spatial distribution of CDOM in the surface, middle and bottom seawater of Bohai Sea and North Yellow Sea

      渤海和北黄海中层a355变化范围为0.68~1.52 /m,平均值为1.05±0.17 /m。CDOM含量从黄河入海口(B14和B28站位,其中层水a355平均值为1.48±0.06 /m)向渤海中部(平均值为1.01±0.14 /m)逐渐减少,北黄海的B2-B7断面的平均值最低(0.76±0.07 /m)。和表层CDOM分布类似,渤海内部B16(0.97 /m)和B20(0.97 /m)站位为区域低值点。

      渤海和北黄海底层a355变化范围为0.70~1.81 /m,平均值为1.08±0.25 /m。最高的区域是黄河入海口附近海域(B14、B28站位),向渤海中部递减。

      整体来看,渤海CDOM分布呈现黄河口附近海域高,向渤海中部递减的趋势,北黄海最低,表明CDOM受陆源输入影响较大,其中黄河的输入影响最为明显。在渤海中部,双冷水团B15、B16和B20站位是区域低值点。

    • 11月份,黄东海表层a355变化范围为0.10~0.98/m,平均值为0.40±0.22 /m。如图 3所示,a355呈现从北向南,从沿岸向深海逐渐减少的特征。黄东海中层a355变化范围为0.15~1.11 /m,平均值为0.37±0.23 /m,分布特征与表层类似,均呈现近岸高、外海低的分布特征。黄东海底层a355变化范围为0.16~0.92 /m,平均值为0.40±0.18 /m,分布规律和表层、中层相同;最高值出现在近海海域H1、H4站位附近,东海东部为低值区。

      图  3  黄东海表、中、底层海水中CDOM含量平面分布

      Figure 3.  Spatial distribution of CDOM in the surface, middle and bottom seawater of Yellow Sea and the East China Sea

      在此次调查中,渤海水体a355平均值为1.04±0.21 /m,黄海水体a355平均值为0.63±0.31 /m,东海北部水体a355平均值为0.33±0.20 /m,渤海CDOM含量高于黄海,黄海高于东海北部。由于渤海是内海,接纳了海湾、河流等从陆地上带来的大量有机物质,同时对外海水交换能力弱[5],因此CDOM含量整体高于离岸相对较远的黄东海海域。

    • 陆源输入对CDOM影响较大,渤海海域黄河的输入对CDOM的影响最为显著。其中既包括黄河水直接的径流输入,也有部分CDOM来源于黄河入海的泥沙再悬浮作用[15]。并且在北风多发、黄河流量减少的冬季,泥沙再悬浮带来的CDOM贡献更为明显。黄东海海域长江入海口附近海域没有明显CDOM高值区。在河口环境,淡水和海水的混合会改变水体中盐度和pH等条件,CDOM容易发生吸附、絮凝等现象而形成颗粒物。因此有可能是长江水携带了较多CDOM,但大量在河口附近海域消失和被稀释。但是,近岸高、外海低的分布特征仍然表明CDOM受到了陆源输入的影响。除了直观的分布特征,我们还可以利用光谱斜率S275-295分析CDOM来源,进一步阐明陆源输入的影响。S275-295与CDOM分子量有关,值越大,表明CDOM分子量小[11]。而陆源CDOM以大分子量的腐殖酸为主。如图 4所示,CDOM含量越高,S275-295越小,表明陆源CDOM更多。结合CDOM的分布,近岸海域CDOM含量高,S275-295小,陆源CDOM较多,远海海域则相反,表明CDOM分布受陆源输入影响显著。

      图  4  渤海和黄东海海水样品a355S275-295相关性

      Figure 4.  Correlation between values a355 and S275-295 in the Bohai Sea, Yellow Sea and East China Sea

      SUVA254值越高,CDOM芳香性越强[12, 16]S275-295越小,CDOM分子量越大。如表 1所示,在此次调查样品中,渤海、黄东海的SUVA254平均值逐渐降低,S275-295平均值逐渐升高。海洋中的腐殖质主要来源于陆源输入,具有较大的分子量并且含有较高的芳香性组分。受陆源输入影响越大的海域样品,S275-295值越小,SUVA254值越大。因此受陆源输入影响最大的海域是渤海,其次是黄海,东海北部受影响最小。本研究中,SUVA254和DOC浓度、a355S275-295无显著相关性。

      表 1  渤海、黄海和东海水体DOC、S275~295a355a254SUVA254的范围和平均值

      Table 1.  Statistics of DOC, S275~295, a254 and SUVA254 in the Bohai, Yellow and East China Seas

    • 在黄东海DOC的平面分布中,观测到东海东北部到黄海南部处有一明显的低DOC水舌切入长江入海口断面的DOC高值区,最远伸展至接近30°N。此处海水的盐度较高,约为34.3左右,显著高于黄海中部海水32的盐度值。台湾暖流的盐度特征值为34.4,在11月份的北侵区域也和DOC低值区相吻合[17]。在之前对相同海域有机磷阻燃剂的分布研究中,高盐度的台湾暖流因为来自远海,受污染程度轻,切入黄海海域后产生了有机磷阻燃剂的低值点[18]。综合以上几点,判断是高盐、低DOC的台湾暖流。在相同海域对比CDOM的平面分布,结果表明台湾暖流对CDOM分布无显著影响。

    • 在渤海中部,CDOM和DOC有两个明显的含量低值点,分别是B15、B16站位附近和B20站位附近,B15、B16站位a355平均值为0.99±0.20 /m,临近站位B14和B17的a355平均值为1.20±0.18 /m;B20站位a355平均值为0.94±0.05 /m,临近站位B19和B21的a355平均值为1.11±0.11 /m。B15、B16站位与B20站位和渤海夏季双中心冷水团的位置十分接近[19]。渤海在4月到9月发生季节性层化,此时远岸以浅滩南、北两侧洼地为中心,分别形成相对孤立的两个底层冷水团,也就是双中心冷水团。夏季形成的冷水团存在时间长、稳定,底层水体在缺乏光照的条件下,初级生产力低,CDOM和DOC经过长时间的消耗分解,冷水团水体中两者的含量较低。11-12月份表层水温度下降,并且渤海海域受冷空气影响多发大风,此时的表底混合作用增强。表底的水体混合后对此海区的CDOM和DOC产生了稀释作用,从而产生低值区。

    • CDOM占DOC的20%到70%[2],在有些受影响因素较多的海区,生色团在DOC中比例变化较大,两者没有显著相关性[15, 20]。本次调查的渤海和黄东海受多方输入、人类活动等多种因素影响,DOC和CDOM来源多样,化学成分也极其复杂,如图 5所示,两者含量没有显著相关性。

      图  5  渤海和黄东海海水样品a355和DOC含量相关性

      Figure 5.  Correlation between a355 and DOC in the Bohai Sea, Yellow Sea and East China Sea

    • (1) 渤海a355变化范围为0.68~1.81 /m,黄东海a355变化范围为0.10~1.11 /m。

      (2) 在渤海,黄河口附近CDOM含量最高,向渤海中部逐渐减小,CDOM受陆源输入影响显著。渤海双中心冷水团的稀释作用降低了附近海水中CDOM和DOC的含量。

      (3) 黄东海CDOM整体分布呈现近岸高、远海低的趋势。高盐度、低DOC的台湾暖流的侵入对CDOM没有明显影响。

      (4) 渤海和黄东海的CDOM和DOC浓度无显著相关性。

参考文献 (20)

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