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南海北部文石饱和度的分布及控制

吕洪刚 韩萍 王晋 田琳 姜亦飞 王先桥

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南海北部文石饱和度的分布及控制

    作者简介: 吕洪刚(1979-), 男, 吉林长春人, 高级工程师, 主要从事海洋碳循环研究, E-mail:lvhonggang@126.com;
    通讯作者: 韩萍(1990-), 女, 山东青岛人, 博士, 主要从事近海碳循环和海洋酸化研究, E-mail:hanping900304@163.com
  • 基金项目: 国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金项目(LoMF1705);青年科学基金(41406036);国家重点研发计划(2017YFC1403306)
  • 中图分类号: X142

Distribution and controls of aragonite saturation state in the Northern South China Sea

  • 摘要: 基于2011年8月底和9月初对南海北部两个断面水文参数和碳酸盐参数的调查结果,探讨了南海北部文石饱和度(Ωarag)的分布特征;并基于一个双端元混合模型,分析了上升流带来的物理混合和生物过程对Ωarag的影响。结果表明:珠江口外A断面的近岸区域受到上升流影响,而海南岛外B断面则不受上升流影响且水体呈现明显的分层现象。A、B断面的Ωarag范围分别在1.87~3.05和1.77~3.29之间,低值主要出现在A断面的近岸上升流区和B断面的深层水。基于一个双端元混合模型对A断面的分析,发现上升流带来的高CO2水体涌升最大可使Ωarag降低0.37,而近岸区好氧呼吸分解有机物释放的CO2造成Ωarag降低高达0.7,离岸区初级生产的发生则使Ωarag最大升高了0.1。在海南岛外的B断面,深层水发生好氧呼吸释放CO2是造成其Ωarag偏低的主要原因。
  • 图 1  南海北部调查站位

    Figure 1.  Sampling stations in the Northern South China Sea

    图 2  A断面(a,b)和B断面(c,d)盐度和温度剖面图

    Figure 2.  Profiles of temperature and salinity along transects A (a, b) and B (c, d)

    图 3  A断面和B断面盐度-温度散点图

    Figure 3.  Temperature-salinity plot along transects A and B

    图 4  A断面(a, b, c, d)和B断面(e, f, g, h)DIC、TA、ΩaragΩarag@25.9的剖面图

    Figure 4.  Profiles of DIC, TA, Ωaragand Ωarag@25.9 along transects A (a, b, c, and d) and B (e, f, g, and h)

    图 5  A断面DIC和TA随盐度的变化

    Figure 5.  Scatterplots of DIC and TA vs.salinity

    图 6  A断面Ωmix(a)、ΔDIC(b)和ΔΩ(c)的剖面图

    Figure 6.  Profiles of Ωmix, ΔDIC and ΔΩ along transects A (a, b, and c)

    图 7  B断面DIC和TA随盐度的变化

    Figure 7.  Scatterplots of DIC and TA vs.salinity

    图 8  B断面各水深下DO%和pCO2Ωarag@25.9(a, b)的关系

    Figure 8.  Scatterplots of DO% vs Ωarag@25.9 (a) and pCO2 vs.Ωarag@25.9 (b)

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-09
  • 录用日期:  2018-09-17
  • 刊出日期:  2020-02-20

南海北部文石饱和度的分布及控制

    作者简介:吕洪刚(1979-), 男, 吉林长春人, 高级工程师, 主要从事海洋碳循环研究, E-mail:lvhonggang@126.com
    通讯作者: 韩萍(1990-), 女, 山东青岛人, 博士, 主要从事近海碳循环和海洋酸化研究, E-mail:hanping900304@163.com
  • 1. 国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室, 北京 100081
  • 2. 山东城市建设职业学院, 山东 济南 250100
  • 3. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东 青岛 266100
基金项目: 国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金项目(LoMF1705);青年科学基金(41406036);国家重点研发计划(2017YFC1403306)

摘要: 基于2011年8月底和9月初对南海北部两个断面水文参数和碳酸盐参数的调查结果,探讨了南海北部文石饱和度(Ωarag)的分布特征;并基于一个双端元混合模型,分析了上升流带来的物理混合和生物过程对Ωarag的影响。结果表明:珠江口外A断面的近岸区域受到上升流影响,而海南岛外B断面则不受上升流影响且水体呈现明显的分层现象。A、B断面的Ωarag范围分别在1.87~3.05和1.77~3.29之间,低值主要出现在A断面的近岸上升流区和B断面的深层水。基于一个双端元混合模型对A断面的分析,发现上升流带来的高CO2水体涌升最大可使Ωarag降低0.37,而近岸区好氧呼吸分解有机物释放的CO2造成Ωarag降低高达0.7,离岸区初级生产的发生则使Ωarag最大升高了0.1。在海南岛外的B断面,深层水发生好氧呼吸释放CO2是造成其Ωarag偏低的主要原因。

English Abstract

  • 过去一个世纪,海洋吸收了约1/3人为释放的CO2[1],在减缓全球气候变暖的同时也造成海水pH降低,这一过程被称为“海洋酸化”[2]。海洋酸化对海水的多种生物化学特性都有显著影响,包括化学反应、平衡过程、生物毒性的改变等。典型的事例是,海水pH的降低会导致CO32-浓度下降进而造成碳酸钙饱和度(Ω)降低,使贝类、珊瑚等的钙化过程减弱甚至停滞[2-3]

    文石作为浅海区域最丰富的碳酸盐矿物[4],同样状态下其溶解度比另一种碳酸钙存在形态方解石高50%,因而其饱和度(Ωarag)可更好的反映海洋酸化对生物驱动碳酸钙沉降的影响[5]。当Ωarag < 1时,海水中的文石处于不饱和状态,贝类、珊瑚等的钙质外壳可能发生溶解[6]。相比开阔海区,近海由于受到除大气CO2吸收外的多种人类活动和自然过程的共同影响可能加剧Ωarag的降低,典型的过程如有机质降解[7]、河流输入[8]等。而一些上升流海区,由于天然低pH和Ωarag的海水状态,往往更易受到海洋酸化的影响[9-10]。一方面上升流区富含CO2的深层水涌升至表层会造成Ωarag降低[9, 11],另一方面同时涌升的大量营养盐又会促进浮游植物生长使Ωarag升高[12],而产生的有机物随后下沉并降解则会继续降低次表层的Ωarag。因而在上升流海区开展物理混合、初级生产和好氧呼吸的相互拮抗或叠加效应研究,对于厘清Ωarag的分布及控制是极其重要的。

    南海是中国最大的陆架边缘海,与西北太平洋有着活跃的物质交换。北部既有大河输入,又受沿岸流影响,还受上升流、涡旋、台风等中尺度过程影响,Ω的变化非常复杂。关于南海北部Ωarag的研究,早期韩舞鹰和马克美[13]对南海东北部珠江口外及以东区域的Ωarag进行了首次报道,并指出Ωarag随深度增加逐渐降低。近期Cao等[14]的研究显示,上升流、河流输入的物理混合及生物过程共同造成南海北部陆架夏季Ωarag的波动。本文依据夏末秋初南海北部陆架两个断面(上升流区和非上升流区)对碳酸盐参数的调查数据,探讨了Ωarag的分布差异。并基于一个双端元混合模型,量化了上升流带来的物理混合和生物过程各自对Ωarag的影响。

    • 南海位于中国南部,是太平洋上最大的边缘海。其北部海域属于亚热带季风区,气候变化主要受东亚季风环流控制。4月底到10月在西南季风影响下,南海北部陆架均有上升流发生[15]。此外,北部陆架还受珠江河流冲淡水影响。本文的研究区域位于南海北部,共选取A、B两个断面进行调查(图 1),范围在15°N—23°N和109°E—116°E之间,A、B断面水深范围分别为35~1249 m和65~1413 m,调查时间分别为2011年8月28日到29日及9月6日到8日。

      图  1  南海北部调查站位

      Figure 1.  Sampling stations in the Northern South China Sea

    • 温度(T)、盐度(S)由SBE 45 MicroTSG(Sea-Bird Inc., Bellevue, WA, USA)连续走航测定;溶解无机碳(DIC)和总碱度(TA)水样利用Niskin采水器采取,加饱和HgCl2溶液(饱和HgCl2溶液占滤液体积的0.2‰)固定后于4℃环境中冷藏保存,并在返回实验室后一周内测定。DIC采用库伦滴定法测定[16],TA利用单点滴定法进行测定[17]ΩaragpCO2由TA和DIC通过程序CO2SYS[18]计算得到。DO含量依据海洋监测规范(GB17378.4-2007),采用Winkler法测定。

    • 图 2可以看出,南海北部珠江口附近的A断面和海南岛外的B断面盐度范围相差不大,分别为33.22~34.55和33.08~34.58,均处于较高的水平。A断面位于珠江口外,表层海水可能受到珠江冲淡水的影响。据报道,珠江冲淡水最南端能扩散至21°N[19],且冲淡水的主体部分大致位于10 m水深以浅[20]。因而A1至A3站位表层水(主要为10 m以浅)相对较低的盐度可能与珠江冲淡水的输入有关。但总体上,受珠江冲淡水影响的区域是小的,A断面总体呈现高盐的状态。B断面附近不存在河流输入,部分站点的低盐可能与直接降水有关。

      图  2  A断面(a,b)和B断面(c,d)盐度和温度剖面图

      Figure 2.  Profiles of temperature and salinity along transects A (a, b) and B (c, d)

      垂直方向,A、B断面的盐度呈现不同的分布趋势。B断面从近岸向离岸区海水盐度分布均由表层到深层逐渐升高,海水层化明显。然而A断面盐度虽然也呈现表层低而深层高的分布趋势,但在近岸处20~60 m的深度范围内却发现了明显的高盐海水涌升的信号,这应与西南季风带来的4月到10月盛行的粤东上升流有关[21]

      由于纬度的差异,B断面海水温度(19.83 ℃~31.00 ℃)总体高于A断面(17.31 ℃~30.71 ℃),且随着海水深度的增大,两个断面的温度均逐渐降低(图 2)。与盐度相似,A断面近岸区出现低温海水涌升,B断面海水温度随深度均匀降低。

      此外,从温盐相关性图(图 3)可以进一步看出,A、B断面的温、盐均呈良好的负相关关系(A断面:y=-7.3066x+274.72,R2=0.84,n=26,p < 0.0001;B断面:y=-9.0546x+332.39,n=28,R2=0.92,p < 0.0001),表层水表现出高温低盐的特点,而底层水则表现为低温高盐。40 m深度以浅的近表层水盐度变化梯度较大,而在深层盐度相对分布均匀。

      图  3  A断面和B断面盐度-温度散点图

      Figure 3.  Temperature-salinity plot along transects A and B

    • 图 4所示,A断面DIC范围为1882~2020 μmol/kg,B断面略高于A断面,为1898~2065 μmol/kg。DIC的垂直分布与盐度类似,均呈现由表至深浓度逐渐增大的趋势。但B断面DIC层化现象更加明显,而A断面近岸区域出现高DIC海水涌升。TA的分布与DIC类似,同样出现A断面(2125~2194 μmol/kg)略低于B断面(2161~2223 μmol/kg)的现象。但总体上,两个断面TA的变化范围(~ 60 μmol/kg)都要小于DIC的变化(> 130 μmol/kg)。

      图  4  A断面(a, b, c, d)和B断面(e, f, g, h)DIC、TA、ΩaragΩarag@25.9的剖面图

      Figure 4.  Profiles of DIC, TA, Ωaragand Ωarag@25.9 along transects A (a, b, c, and d) and B (e, f, g, and h)

      A断面Ωarag的范围为1.87~3.05,B断面的范围为1.77~3.29。总体来说两个断面海水Ωarag水平接近,但A断面的波动范围大于B断面,其表层和深层Ωarag差异更加显著。与海水温度的分布趋势相似,A、B断面Ωarag均呈现表层高深层低的分布趋势,且同样在A断面的近岸处出现低Ωarag的海水涌升。将温度标准化到两个断面平均海水温度25.90℃之后,A、B断面Ωarag@25.9分别为1.77~3.44和1.88~3.34,在相对高温的表层海水,Ωarag@25.9略有升高,反之,在相对低温的底层海水则略有降低。总体上,温度的变化对Ωarag的影响很小且并未改变Ωarag的分布趋势。但在后文的分析中,为剔除热力学效应的影响,我们采用平均温度下的Ωarag@25.9来讨论其他生物地球化学过程的影响。

    • 在珠江口外附近的A断面中,近岸区可以看到比较明显的高盐、低温、高DIC和TA海水涌升(图 3a图 3b图 4a图 4b),明显受上升流影响。在这一受上升流影响的近岸区,Ωarag同样明显偏低于离岸区同水深处(图 4c)。

      Ωarag是海水DIC和TA的函数,通过分析DIC和TA的行为变化可以识别Ωarag的控制机制。从图 5可以看出,TA随盐度线性升高,表现为保守行为,意味着TA的变化只受到海水混合的影响。然而DIC与盐度的关系表现为不保守行为,虽然随着盐度的上升DIC逐渐升高,但升高的幅度却逐渐增大,这说明DIC除受到海水混合影响之外,还存在其他增加DIC的机制。TA的保守变化和DIC随盐度的不保守增加,意味着碳酸碳体系中的CO2*分量的比例随盐度增加,必然会造成高盐水Ωarag的降低。

      图  5  A断面DIC和TA随盐度的变化

      Figure 5.  Scatterplots of DIC and TA vs.salinity

      A断面海水的温度与盐度总体表现为较好的正相关关系(R2=0.84,图 3),表明A断面大部分区域的海水混合基本是一个双端元混合过程。虽然在近岸区受到一定的珠江冲淡水影响而表现为低盐,然而珠江冲淡水最多仅能影响A1至A3站位10 m以浅的表层水(至21°N)[19-20]。因而,我们将A断面的海水混合视作一个双端元混合过程,以便参考Xue等[22]在印度尼西亚爪哇海附近上升流区采用的方法建立双端元混合模型,剥离物理混合过程和其他生物地球化学过程对Ωarag的影响,以进一步确定DIC不保守和Ωarag变化的原因。考虑到A5号站离岸最远,且不受上升流影响(图 24),可以选作端元值。10 m层海水由于受降水及蒸发影响很小,可以作为表层端元;由图 2可以看出,100 m层海水可以上升到表层,因而可以作为深层端元。

      根据双端元混合模型,保守混合状态下的DICmix和TAmix分别为:

      式中:下标10和100分别代表表层和深层端元值。

      继而将DICmix和TAmix代入碳酸盐平衡体系中进行计算得到Ωmix(通过程序CO2SYS计算):

      式中:f表示Ω是DIC、TA、S、T的函数。

      而生物过程造成的Ω变化即为:

      根据上述公式,我们计算得到了A断面的Ωmix、ΔDIC=(DICin situ-DICmix)及ΔΩ,如图 6所示。通过双端元混合模型得到的结果表明,Ωmix的范围为2.50~2.87,即物理混合(上升流带来的高CO2水体的涌升)最大可造成Ω变化0.37。此外,在上升流影响下低温高盐的近岸区,可以看到比较明显的DIC盈余,最高达到60 μmol/kg,而在离岸区的浅层,则出现了DIC的亏损,最大达到25 μmol/kg,表明在物理混合之外,深层的好氧呼吸和表层的初级生产也是造成DIC变化的重要原因。从ΔΩ的结果来看,近岸区深层水好氧呼吸分解有机物释放的CO2最大使Ωarag降低了0.7,离岸区初级生产的发生则最大使Ωarag升高了0.1。总体来说,在受上升流直接影响的近岸区,高CO2水体的混合和有机物的降解共同造成Ωarag降低,而在离岸区的表层,营养盐的涌升则促进初级生产使Ωarag升高。

      图  6  A断面Ωmix(a)、ΔDIC(b)和ΔΩ(c)的剖面图

      Figure 6.  Profiles of Ωmix, ΔDIC and ΔΩ along transects A (a, b, and c)

      在A断面离岸最近的表层水区,珠江冲淡水输入也可能造成Ωarag降低。因为通常河水的Ca2+和DIC浓度均低于海水,其直接输入会造成Ωarag降低[23]。其中离岸最近的A1站位与离岸最远的A5站位表层盐度相差0.29,假若以珠江水的年均DIC=1535 μmol/kg、TA=1535 μmol/kg[24]计算(通过CO2SYS计算),珠江水输入最大可使Ωarag降低0.1。

    • 在海南岛外的B断面,水体层化明显,表层水体呈现高温低盐的特征,而深层则表现为低温高盐(图 2cd)。对应于深层的高盐,我们同样发现DIC有了明显的升高,然而TA的变化却不明显(图 4ef)。从B断面温盐关系(图 3)和盐度与TA的关系(图 7)同样可以看出,B断面的海水混合呈现双端元的特征。而DIC在高盐区的急剧增长(图 7)可能意味着此处存在着显著的DIC产生机制,可能是由好氧呼吸造成。

      图  7  B断面DIC和TA随盐度的变化

      Figure 7.  Scatterplots of DIC and TA vs.salinity

      好氧呼吸分解有机物能够消耗海水中的O2,并直接产生CO2降低海水pH,其中一部分CO2还会与海水中的CO32-结合转变为HCO3-,这一过程会降低Ωarag。B断面海水的DO几乎均处于不饱和状态(图 8a,DO%范围为50.5%~103.8%,均值为85.2%),pCO2明显高于大气CO2水平(图 8b,范围为459~711 μatm,均值为549 μatm),表明B断面存在强烈的好氧呼吸。Ωarag与DO%之间呈现良好的正相关关系(图 8a),与pCO2之间呈现良好的负相关关系(图 8a),且随着海水深度的增加,DO%降低,pCO2升高,Ωarag逐渐降低,意味着好氧呼吸对Ωarag的影响逐渐增强。

      图  8  B断面各水深下DO%和pCO2Ωarag@25.9(a, b)的关系

      Figure 8.  Scatterplots of DO% vs Ωarag@25.9 (a) and pCO2 vs.Ωarag@25.9 (b)

    • 通过对2011年夏末秋初南海北部两个断面的Ωarag及相关水文和碳酸盐参数的调查,分析了Ωarag的分布及上升流和好氧呼吸对其的影响。珠江口外A断面的Ωarag受上升流带来的物理混合和生物过程共同影响。其中近岸区上升流带来的高CO2水体的涌升叠加好氧呼吸分解有机物释放CO2,共同造成Ωarag降低;而在离岸区,初级生产的发生则使Ωarag升高。海南岛外B断面Ωarag的分布主要受好氧呼吸控制,且随着海水深度的增加,好氧呼吸对Ωarag的降低作用愈强烈。

参考文献 (24)

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