最大浑浊带对长江口有机碳分布的影响初探

[摘要]2005年8月对长江口海域的有机碳分布调查表明,表层水体有机碳浓度从河流向外海递减。底层水体的溶解有机碳和颗粒有机碳浓度的最高值均出现在长江口最大浑浊带内。最大浑浊带是底层水体有机碳的显著碳源。

[关键词]长江口有机碳最大浑浊带

河口区常存在局部河段,其断面含沙量稳定地高于上、下游河段几倍以至几十倍,底部含沙量显著增高,且床面往往出现浮泥,这一区段通常被称为“最大浑浊带”。最大浑浊带广泛存在于世界的许多河口地区,其形成是潮汐动力、重力环流、泥沙物理性质、不对称潮和层化等因素共同作用的结果[1,2],其位置随着涨落潮来回运动,质心随潮差和河流径流而变化。最大浑浊带为溶解有机物与颗粒有机物转化的物理、化学、生物反应提供了理想的场所,也使河口环境中的有机物的迁移、归宿更趋复杂[3]。Bodineau et al.(1998)对Seine 河口的研究指出在最大浑浊带的再悬浮过程中,间隙水中的DOC 释放增加[4]。在鸭绿江口的最大浑浊带内也发现了DOC 的高值,这可能是由POC 向DOC 的转化或沉积物间隙水的释放引起的[5]。而Danube-Black Sea 的DOC 在最大浑浊带基本保持恒定,POC 随盐度的升高而降低[6]。Yenisei 河最大浑浊带中POC%和DOC 均未发生明显变化,但其有机质组成更趋成熟[7]。由此可见,不同河口其最大浑浊带对有机碳分布的表观作用各不相同。本文通过2005年8月对长江口的综合调查,试探讨长江口的最大浑浊带对该区域溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)分布的影响。

1研究材料与方法

2005 年8 月利用“海监49”考察船对长江口海域进行调查取样,具体的站位分布见图1。现场用Niskin 采水器采集表层和底层水样后,立即用450℃预灼烧4h以上的Whatman GF/F玻璃纤维滤膜在全玻过滤器上过滤。滤膜-20℃冷冻保存,滤液转移至预灼烧的玻璃瓶中,加磷酸酸化后冷冻。滤膜经冷冻干燥,称重,计算总悬浮颗粒物浓度(TSM)。酸蒸去除无机碳后,在Vario EL Ⅲ元素分析仪上测定颗粒有机碳(POC),分析相对标准偏差小于6%;滤液充分解冻后在岛津总有机碳分析仪TOC-VCPH上以邻苯二甲酸氢钾为标准液测定样品中的溶解有机碳(DOC),其测定相对标准偏差

图12005年长江口调查取样站位图

2结果与分析

2.1 各参数的水平分布

通过大面巡航调查,可知长江河口表层和底层水体的盐度都呈现随着离岸距离的增加而增加的趋势,其盐度范围分别为0.05～33.62,0.14～34.29。而温度的分布与盐度截然相反,近岸水温较高,远岸水温较低,表层和底层的平均温度分别为26.8 ℃和25.9℃。表、底层DOC 浓度范围分别在92～154µM、100～152µM 之间,平均为106µM 和100µM。各站位POC 差异巨大,平均为392±997µM。

2.2 最大浑浊带

最大浑浊带广泛存在于世界的许多河口地区,作为河口“过滤器”作用的突出表现,其成因、时空变化规律及效用受到了研究者的广泛关注。已有的研究表明长江口的最大浑浊带范围约为25～46 km,其表层含沙量变化于0.1～0.7kg/m3,

* 基金支持:国家自然科学基金项目(编号:40721004,40776047)。

底层变化于1～8kg/m3。底层含沙量在2 等盐度线附近开始增高,在8～15 间达到顶峰。最大浑浊带的出现部位,规模大小,含沙量的高低主要取决于径流、潮流的变化、河水的携沙量和河口盐水楔异重流的强弱。

从本航次的悬浮颗粒物浓度的大面分布图(图2)可以明显看出长江口口门外崇明岛东南侧区域的悬沙浓度远大于河流及外海,即通常所说的最大浑浊带。该区域中心位置位于YE13 站,站位YE9,YE10,YE13、YE14、YE17 、YE18 都在最大浑浊带的范围内。这些站位盐度范围在10～15之间,表层TSM 浓度大于100mg/L ,底层TSM 浓度大于1000mg/L,底层最大TSM 浓度高达到5733mg/L。最大浑浊带区域以外TSM 迅速减小。

图2水体中总悬浮颗粒物浓度(TSM)分布图(左图为表层水体,右图为底层水体)

2.3 最大浑浊带对有机碳分布的影响

从有机碳随盐度的变化趋势来看,DOC与盐度都没有很好的线性关系,其行为呈现非保守性,底层的DOC 在盐度10～15 区间内显著增加(～60µM)(见图3),而这一盐度区间恰恰是此次长江口最大浑浊带出现的位置。而与DOC 相似,POC 同盐度也不成线性关系,而且表底的变化趋势各不相同。在低盐度区域,表层POC 浓度较高,随着盐度的增加,其浓度逐渐降低,在高盐区降至15µM 左右。底层POC 远高于表层,同样最大浑浊带区域内POC 急剧增大,高达5429µM,而在高盐区域的部分水体中POC 含量较低,小于50µM。悬浮颗粒物中的有机碳含量(POC%)随着TSM 的增加从12%指数递减,在TSM>200mg/L 后,POC%稳定在0.75%左右。

(a)DOC-Salinity,(b)POC-Salinity;(c)POC-TSM,(d)POC%-TSM,说明:图(b)、(d) 中y 坐标为非线性,断开处前后坐标比例不同。

图3 有机碳与盐度和TSM 关系

将本次调查站位根据所处的位置,划分成长江河流段、最大浑浊带和口外近海3个区域,各区域内有机质的特征见表1及图4。由图表可知表层DOC 的分布呈现河流段>最大浑浊带>口外近海的情况,而POC 及TSM 也有类似的变化趋势,体现了典型的随盐度增加河流源物质被低浓度的外海水稀释的过程。从POC%上看,这种混合过程表现为表层POC%向海逐渐增加。C/N 比值随盐度增加而减小,在口外近海区域平均值为6.39,与Redfiled 值十分接近,带有明显的海源颗粒物特性。表层水体有机碳的分布主要体现咸淡水混合过程的特征,最大浑浊带对其的影响并不明显。

表1长江口各区段有机质浓度

注:mean表示平均值,sd表示偏差。

与表层水体的咸淡水混合过程不同,底层水体的POC 和DOC 的高值都出现在最大浑浊带区域内,POC值是河流段和口外近海段的3～9倍,DOC约为其他区域的1.5倍。对于溶解有机碳,河流段和口外近海段底层水体浓度相当,而颗粒有机碳则明显呈现最大浑浊带>河流段>口外近海的分布趋势。由此可知最大浑浊带区域内存在一定的碳源,对底层水体的溶解有机碳和颗粒有机碳有显著的增加作用。在鸭绿江口的最大浑浊带内也发现了类似的DOC高值[5]。这种DOC的增加可能来源于再悬浮过程中间隙水的释放和POC 向DOC的转化[4],但在本研究中悬浮物的POC%在此区内并未明显变小,而与河流段的POC%相近,主要体现河流带来的陆源物质的特性。因此最大浑浊带内有机碳的增加可能主要来源于区域内强烈的再悬浮作用引起的水体颗粒物的大量增加以及间隙水的释放作用。

此外在从河流到口外近海的输送过程中,随着悬浮颗粒物的大量沉降水体中溶解态和颗粒态的配比(DOC/POC)也发生了显著的改变,从河流段的颗粒态为主,转向近海区域的溶解态为主。

3结论

在长江的有机物质经由河口向东海输送过程中,表层水体的有机碳主要体现咸淡水混合的特征,随着离岸距离增加而逐渐降低。但底层水体的有机碳分布受到长江口最大浑浊带的强烈影响,溶解有机碳和颗粒有机碳都显著增加。最大浑浊带是底层水体的碳源,对表层水体的作用尚不清楚。

参考文献:

[1] Goni, M.A., Cathey, M.W., Kim, Y.H. and Voularis, G.. Fluxes and sources of suspended organic matter in an estuarine turbidity maximum region during low discharge conditions. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2005,(63): 683-700.

[2] 周华君.长江口最大浑浊带特性研究[J]. 重庆交通学院学报, 1994,13(2): 8-15.

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[4] Bodineau, L., Thoumelin, G. and Beghin, V. Tidal time-scale changes in the composition of particulate organic matter within the estuarine turbidity maximumzone in the macrotidal Seine Estuary , France : the use of fatty acid and sterol biomarkers. Estuarine Coastal and Shelf Science.1998( 47): 37-49.

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