长江口及珠江口邻近海域溶解态黑碳和溶解有机碳的地球化学行为

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溶解有机碳(DOC)是海洋中最大的有机碳储库,其生物地球化学循环对全球碳循环及气候变化有重要影响。在开阔大洋,源自生物质和化石燃料不完全燃烧产生的溶解态黑碳(DBC)约占DOC储库的2%。河流输入是海洋中DOC和DBC的重要来源,河水中DBC约为DOC的8.8%,全球河流DOC和DBC的年入海通量分别约为205Tg-C(1 Tg=1012g)和18Tg-C。河口作为河-海界面,其水动力条件多变、碳循环过程较开阔大洋更加复杂。目前,已经有较多关于河口区DOC生物地球化学行为的研究,但关于河口区DOC和DBC地球化学行为的同步研究尚较少。DBC具有特殊的化学结构,其生物地球化学行为可能与DOC存在差异。因此,同步开展河口区DBC和DOC地球化学行为研究将有助于提升河口区不同DOC组分地球化学行为差异的认识。本研究选取中国径流量最大的长江和珠江,对两大河流的河口邻近海域DOC和DBC地球化学行为开展了研究,通过苯多羧酸法(BPCA)和高温燃烧法分别测定了 DBC和DOC的含量,探究了主导河口区DOC和DBC地化行为的过程,定量了 DBC和DOC迁出与输入的非保守行为,探讨了导致非保守行为的主要地球化学过程,初步估算了长江和珠江DBC和DOC的入海通量及其在全球河流中的贡献,主要结果如下:(1)长江口邻近海域(盐度26~34)DOC浓度介于58~109 μmol/L之间,冲淡水是该海域DOC的主要来源。总体上,DOC的分布受河-海水混合过程主导,表现出随离岸距离增加而减小以及从表层向底层减小的空间分布特征。但是,DOC在河-海水混合过程中表现出一定的非保守行为。基于等盐度水团之间的对比,发现DOC偏离保守混合线的程度与叶绿素a(Chl.a)和表观耗氧量(AOU)之间存在显著的相关关系,揭示了生物活动是调控长江口邻近海域DOC非保守行为的主要过程。根据DOC的地球化学行为初步估算出长江冲淡水向东海输入DOC的速率约为1.7 Tg-C/yr。(2)长江口邻近海域DBC浓度介于0.81~3.0 μmol/L之间,占DOC的0.85%~2.76%,淡水是DBC的主要来源。表层水中DBC浓度与盐度之间存在显著相关性,表现为典型的保守行为,揭示了研究期间DBC的大气沉降输入和光降解迁出贡献接近。根据DBC的保守行为估算得长江冲淡水输入东海的DBC速率约为60Gg-C/yr(1 Gg=109g)。DBC与Chl.a、AOU之间没有关系,表明生物活动对该区域DBC的地球化学行为影响很小。底层水中DBC浓度与盐度的关系揭示了 DBC的非保守行为,表现为输入。3个时间序列研究站位均发现沉积物是底层水中DBC的来源之一,为当前沉积物向海水输入DBC提供了实测证据。沉积物向海水输入DBC的速率为每天13%。(3)珠江口及其邻近海域表层水DOC浓度介于72~188 μmol/L之间,平均值100±25 μmol/L。珠江冲淡水是珠江口及邻近海域DOC的主要来源。空间上,DOC分布主要受河-海水混合过程调控,河流端最高,随离岸距离增大而降低。同时,其它物理、化学和生物过程也在不同程度上影响DOC的浓度。在河口上游,DOC存在迁出行为,迁出率为20%,归因于絮凝、颗粒物吸附等物理过程和细菌降解等生物过程。在河口下游,DOC表现为输入行为,输入率为14%,主要由污水排放以及浮游植物的初级生产过程贡献。估算得珠江冲淡水向南海北部输入DOC的速率为0.77 Tg-C/yr。(4)珠江口及邻近海域DBC浓度介于0.30~6.85 μmol/L之间(平均为1.89±1.58μmol/L),占 DOC 的 0.42%~4.68%。DBC 的空间分布与 DOC 相似,珠江口内为高值区,DBC随离岸距离增大而降低。研究期间珠江口及邻近海域DBC总体表现为非保守的输入行为,主要由污水排放及采样期间台风暴雨造成的DBC大气沉降所致,占河流输入的41%,表明污水排放和暴雨是河口及近岸区域DBC输入的重要来源。此外,下层水涌升会将较低的DBC信号携带至表层海水从而影响DBC的空间特征。初步估算珠江冲淡水向南海北部输入DBC的速率为 17 Gg-C/yr。(5)与现有报道的世界大河相比,长江和珠江的DOC、DBC浓度均较低,两河流DOC和DBC的入海通量分别占全球河流DOC和DBC总入海通量的1.2%和0.43%。全球河流DBC浓度在北半球高纬度地区最高,而在人类活动频繁的中纬度地区最低,揭示了影响河流DBC浓度的主要因素并非BC的排放源地,可能是其它地球化学过程起主要作用。
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