半封闭性海湾234Th的季节变化及其对生源要素输出的示踪

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海洋中的颗粒物载带了许多生源要素和颗粒活性元素,连接着海洋表层和深层,是生物泵运转的载体。颗粒物输出通量的时空变化及其调控机制研究有利于科学评估海洋生态系统中生物泵的效率,进而探究海洋中的物质循环和能量流动。陆架边缘海初级生产力通常较高,随着全球气候变化,一些陆架边缘海初级生产力呈上升趋势。因此,边缘海的碳循环是全球碳循环和收支评估的主要部分。然而,受再悬浮、矿化等过程的影响,陆架浅海区域颗粒有机碳(POC)沉降研究较少,数据有限且不确定度较大。为准确评估陆架浅水区域POC的输出及生物泵效率,本研究选取了大亚湾和胶州湾两个典型半封闭性海湾,连续观测了 234Th的特征,分析了其季节变化规律,综合同航次其他颗粒物参数,定性解析了不同颗粒物组分在234Th清除过程中的作用,结合多端元模型定量探究了不同颗粒物组分对234Th含量特征的调控。应用234Th-238U不平衡计算了不同季节234Th的输出通量,从海湾尺度上评估了 POC和其他生源要素(N、P、Si)的输出通量,结合初级生产力进一步计算了两海湾生物泵效率,获得以下主要认识:大亚湾 234Th 比活度介于 0.45±0.06~2.87±0.20 dpm L-1,平均值为 1.33±0.44 dpm L-1。234Th 比活度表现出秋季最高、冬季最低、夏季高于春季的季节特征(t-test,p<0.05)。不同颗粒物组分的丰度及其对234Th的亲和力共同决定了各颗粒物组分对234Th清除的贡献。春季、夏季和冬季,颗粒有机物(POM)和生物硅(bSi)对234Th有较强的亲和力,成为清除234Th的主要成分(>50%)。秋季,较高的岩成组分含量使得其对234Th的吸附贡献最大(68%)。大亚湾234ThT(38~72 d)和234ThP的停留时间(18~35 d)均小于大亚湾水体的停留时间(90 d),表明大亚湾234Th主要为湾内循环。大亚湾234Th的沉降通量存在明显的季节差异,10~1 月最高(374±25dpmm-2d-1)、8~10 月最低(219±33 dpmm-2d-1)、1~4 月(300±29 dpm m-2 d-1)高于 4-8 月(260±27 dpm m-2 d-1)。大亚湾 POC 的沉降通量在8~10月最小(7.0±1.2 mmol-C m-2 d-1),其它季节比较接近,约为11.1±1.0 mmol-C m-2d-1(mean±sd)。大亚湾海源POC的年沉降通量为0.30±0.02 mmol-C cm-2 yr-1,高于南海陆架和海盆,全年时间尺度上生物泵效率为15±1%,是高效的碳埋藏海域。大亚湾颗粒氮(PN)、bSi和颗粒磷(TPP)等生源要素平均输出通量分别为2.0±0.1 mmol m-2 d-1、2.5±0.2 mmol m-2 d-1和157±12μmol m-2 d-1。大亚湾bSi沉降通量明显高于南海,是有效的生物硅埋藏海域。胶州湾湾内234Th比活度范围介于0.88±0.07~3.30±0.23 dpm L-1之间,平均值为1.66±0.54 dpm L-1。在颗粒物浓度和组成的共同作用下,冬季234Th比活度最高,夏季最低,春季高于秋季(t-test,p<0.05)。春季、夏季和冬季,胶州湾POM对234Th亲和力最强,在234Th的清除中起了主要作用(>60%)。秋季,岩成组分含量较高,吸附234Th的贡献高达64%。胶州湾234ThT停留时间(79~88 d)大于水体停留时间(70 d),反映了胶州湾存在黄海234Th的输入,胶州湾234Thp的停留时间(36~41 d)远小于胶州湾水体停留时间,表明胶州湾234Th迁出为沉降迁出。234Th的沉降通量存在明显的季节差异,5~8月较高(160±21 dpm m-2 d-1),2~5 月最低(-89±29 dpm m-2 d-1)。因 11~2 月和 2~5 月 234Th 没有净沉降,胶州湾11~2月和2~5月胶州湾POC沉降通量应小于5~8月POC的沉降通量。以5~8月POC的沉降通量作为11~2月和2~5月POC沉降通量的上限,胶州湾POC的沉降通量上限为0.15±0.01 mmol-C cm-2 yr-1,全年时间尺度上生物泵效率上限为15±1%。胶州湾PN、bSi和TPP等生源要素及黑碳(PBC)的平均输出通量分别为0.8±0.2 mmol m-2 d-1、2.0±0.4 mmol m-2 d-1、48±10 μmol m-2 d-1和206±43 μmol m-2 d-1。生物硅较颗粒氮和颗粒磷更有效地迁出水体而进入沉积物。本研究通过两个典型半封闭性浅水海湾234Th的分布状况和季节变化,分别从定性和定量角度探究了 234Th和不同颗粒物组分的相互作用,应用234Th方法从海湾尺度上计算234Th、POC及其他生源要素输出通量,在水动力复杂且再悬浮作用强烈的浅水海湾区域,评估了两个海湾的生物泵效率,为进一步客观评估全球碳收支做出了贡献。
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