中国东部陆海相互作用区域水体中黑碳和有机碳的分布特征

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近年来,“气候变化、全球变暖、冰川融化、海平面上升”等一系列环境问题的普遍存在,全球碳循环的研究已成为科学界的焦点之一。黑碳作为陆源有机碳的一部分,在全球碳循环中的作用也受到了极大的关注。通常认为,黑碳是化石燃料和生物质等不完全燃烧过程中而产生的具有高度芳香化结构的高聚物,其化学性质相对稳定,可在环境中长期存在。近年来,随着碳循环过程认识的深入,陆源有机碳的水平迁移在河流和海洋两大生态系统中处于核心地位,厘清其输运通量具有重要意义。我国东部陆海相互作用区域具有独特的地理、物理、化学和生物特征,黄海是典型的温带陆架海,其水团更替、海流交织呈现明显的季节变化特征,东海则拥有世界上最宽阔平坦的大陆架之一,且长江输入对河口及东海碳源-汇的生物地球化学过程有着重要影响。因此,本研究于2018年1月至2019年12月在长江大通站进行月时间分辨率的表层水体采样,2021年4月通过“东方红3”执行的“中国东部陆架海域生源活性气体的生物地球化学过程及气候效应”春季黄东海航次采集了61个点位的水体样品,包括55个表层水样、38个中层水样、54个底层水样,采用热光法对水体悬浮颗粒物中POC和PBC进行测定,采用总有机碳分析仪测定水体中DOC含量,探讨其浓度变化及空间分布特征,并估算长江大通站POC、PBC和DOC的截面通量,讨论其输送特征对东海碳循环的影响。得到的主要研究成果如下:(1)2018年长江径流量为7868亿m~3,输沙量为0.81亿t;2019年长江径流量为9228亿m~3,输沙量为1.05亿t。水体中TSS、POC、PBC浓度水平在2018年和2019年基本一致,季节变化方面,三者均呈现夏季浓度最高,冬季最低,春、秋两季浓度相当。POC、PBC均与TSS呈现极显著的正相关关系,表明了PBC与POC的浓度变化都受到流域内降雨冲刷和径流携带输入的影响。此外,长江流域由于受季风气候的影响,降雨量整体上呈现明显的“夏高冬低”时间格局,从而使其流域内有机碳和黑碳的浓度呈现明显的季节变化和枯洪季变化特征。而DOC浓度由于受到径流量的稀释作用大于冲刷作用,使得2018年DOC浓度约是2019年的1.90倍,且季节变化表现为冬季浓度最高,秋季最低,春、夏两季浓度相当。(2)2018年长江大通站POC、PBC和DOC的截面通量分别为1.05×1012g、2.05×1011g和1.22×1012g;2019年POC、PBC和DOC的截面通量分别为1.45×1012g、2.32×1011g和0.75×1012g。由于流域内径流量显著的季节变化特征,POC、PBC、DOC三者通量在夏季为输送高峰期,冬季为低谷期。且根据相关数据比较发现,POC和PBC从长江大通站输送至河口的过程中,伴随着径流的不断冲刷和新的有机质的汇入,其入海通量表现为持续增大的趋势。2018年输送的POC、PBC和DOC通量对东海的贡献分别为21.43~23.86%、27.08~30.15%和33.70%,2019年为29.59~32.95%、30.65~34.12%和20.72%。(3)中国东部海区表层水体中TSS、POC和PBC浓度均低于底层水体,主要是由于底层水体中颗粒物的沉积与再悬浮所导致。由于长江口外及长江冲淡水区域典型的陆源特征,TSS、POC和PBC在长江口外附近均出现浓度高值。由于受到生物活动的影响,表层DOC浓度略高于底层,具体表现为春季水体中浮游植物生长变得活跃,进行光合作用过程产生的DOC在表层释放,呼吸和降解作用过程产生的DOC在底层分解,从而导致表层DOC浓度略高于底层。TSS、POC和PBC的迁移扩散主要受到沿岸流系和黑潮的影响较大,表层水体中TSS主要呈现向北扩散趋势,POC和PBC受黑潮影响呈现向东北方向迁移的趋势;中层水体中TSS、POC和PBC的迁移则无明显变化趋势;底层水体中则呈现水平扩散趋势。DOC的迁移主要受到沿岸流系、温盐度和水动力环境条件的共同影响,海水中DOC与盐度多呈现负相关关系,因此在受水团和洋流影响的低盐区域浓度较高。
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