河流-河口-近海连续体碳循环研究进展

陈建芳，翟惟东，王 斌，李德望，熊天琦，金海燕，李宏亮，刘沁宇，苗燕熠

(1.自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.山东大学海洋研究院，山东 青岛 266237； 4.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266101)

0 引言

减少向大气排放CO2(减排)和增加对大气CO2的吸收(增汇)是“碳中和”的两条根本路径。相关的气候谈判不仅是各国或各利益集团之间政治力量的较量，更是各自在生态系统碳循环、碳源/汇格局与增汇/减排等方面科学知识储备和技术实力的抗衡。提高陆地和海洋生态系统的碳汇能力是增汇的关键环节。目前，各国政府都在加大包括管辖海域在内的生态系统碳源/汇特征与碳收支平衡的研究力度。

人类活动加大了CO2在大气圈、陆地和海洋生态系统之间的交换量，加剧了河流向海洋的直接碳输运，加速了陆地的碳流失，也改变了近海生物泵和微型生物碳泵的运转。因此，为了深入、系统地理解陆地-海洋生态系统的碳循环过程，总体把握这一潜在的国家自主贡献碳收支状况，有必要深入认知河流-河口-近海连续体的碳循环过程。

海洋是地球上最大的活跃碳库之一，有着巨大的碳汇潜力和增汇前景。据估算，海洋吸收了CO22.5 Pg C·a-1(1 Pg C=109t C)，约占人类排放CO2的 22.7%[1-3]。尽管陆地每年的碳吸收与海洋相当，但海洋储存的碳却远远超过陆地，在全球变暖的背景下，近海和海洋上层碳汇的不确定性增加，有可能对全球碳减排产生巨大影响。

包括河口湿地在内的海岸带-近海是全球海洋碳循环的重要组成部分[4-5]，其面积占全球海洋面积不到8%，却贡献了全球海洋高达10%～30%的初级生产力，对大气净碳汇可以达到0.2～0.4 Pg C·a-1[5-6]，其沉积物中有机碳埋藏量，更是占全球海洋的80%以上[7-10]。陆架海不仅埋藏了近海生物泵过程产生的海源有机质，而且也是陆源有机质的重要汇区[11-15]，在全球碳循环中扮演着重要角色。

1 河流-河口-近海连续体是碳源/汇估算最薄弱的环节之一

河流-河口-近海连续体连接了陆地和大洋。其一方面通过光合作用、溶解作用吸收大气中的CO2；另一方面也接收了陆地和流域光合作用或化学风化作用固定的碳[16-19]；同时，连续体还和沉积物之间不断进行着界面物质交换[20]。

尽管连续体在全球碳循环中的重要性已经得到了广泛认可，但由于缺乏足够的观测资料，目前连续体中各个界面碳通量的估算还存有很大的不确定性[5-6,20-23]。连续体碳源/汇格局具有很强的地理差异和季节变化。河流输入、内部循环和海洋交换之间的相互作用，是导致这种时空差异的主要原因[24]。世界典型大河河口区，通常上游二氧化碳分压(pCO2)很高，是大气的强源。海-气pCO2差异从河口上游到下游逐渐减小，在河口下游以及大陆架的河口羽流区内甚至会从碳源转变成碳汇[22,25]。在全球范围内，内陆水域(包括河流与湖泊)和河口分别向大气排放CO21.1 Pg C·a-1和0.25 Pg C·a-1，而陆架海域则吸收0.2 Pg C·a-1[20]。但不同的河流-河口-近海连续体碳的源/汇格局有较大的差异。一般认为，有大河输入的陆架海通常都是碳汇[26]。目前对于河口及近岸水体总体的碳源/汇格局，已经有了一定的认识[5-6,22,25]，但对于连续体碳源/汇格局及其调控机制的认知还很不完整[5-6,23-24,27]。

连续体海-气碳源/汇格局，主要与河流输入及其系统内部的生物地球化学过程有关。LI et al[28]估算全球河流向海洋输送碳大约1.06 Pg C·a-1，包括0.24 Pg C·a-1的溶解有机碳(DOC)，0.24 Pg C·a-1的颗粒有机碳(POC)，0.41 Pg C·a-1的溶解无机碳(DIC)，以及0.17 Pg C·a-1的颗粒无机碳(PIC)。碳赋存形态的迁移转化，特别是有机和无机之间的迁移转化，可以影响海-气CO2通量。连续体碳交换和循环非常复杂，主要有两点原因：(1)连续体陆海相互作用过程复杂多变：来自河流的淡水和来自海洋的咸水在连续体混合，盐度、营养盐、有机碳和无机碳等生化参数有很大的水平梯度；河口锋面受冲淡水和环流控制，地理位置有强烈的时空变化；光合作用、有机质分解作用等生物地球化学过程与吸附、解吸、溶解等物理化学过程交织在一起，使得连续体内碳通量估算有很大的挑战性。(2)连续体有机碳来源和转化过程十分复杂：有机碳是大气CO2固定后主要的、相对稳定的存在形式，连续体有机碳有些来自河流携带的陆源有机碳，有些来自人为排放的废水，有些来自海洋和河口浮游植物的光合作用；同时，有机碳也会在溶解态和颗粒态之间相互转化[29-30]，也会因为微生物降解、光化学氧化而减少，或因河口絮凝作用而沉淀[31-32]。

河流除了携带碳以外，还向河口近海排入大量的氮、磷营养盐，这些营养盐在河口近海被光合作用利用后，则会引起向下的海-气CO2通量。但是，陆源无机碳、有机碳和营养盐输入河口近海后，三者相关的各个过程综合起来，最终对大气贡献多少净碳汇？目前还鲜少评估。

连续体通过海-气界面吸收的CO2，主要归宿是垂直方向上的沉积物沉降埋藏和水平方向上的洋流输运及陆架泵。据估算，每年在河口和陆架近海沉积的碳通量约为0.45 Pg C·a-1，其中河口区域为0.1 Pg C·a-1，其余0.35 Pg C·a-1在陆架近海区域[20]。在横向输送方面，除了洋流水平输运以外，陆架泵也可能是碳向外海输运的另一个潜在机制[33]。陆架泵通常发生在冬季，由于陆架水比外海上层水温度更低、密度更大，陆架上的水将沿等密度面向外海密度跃层以下输送。全球近海每年向大洋输送碳约1 Pg C·a-1，其中有机碳约0.15～0.35 Pg C·a-1，无机碳约0.5～ 0.7 Pg C·a-1[6]。

无论是连续体海-气碳源/汇格局，还是体系内碳的最终归宿，目前的数据仍不足以给出清晰的结论[5,26,34]，必须开展具有足够空间和时间覆盖范围的、陆海统筹的跨界面观测和研究，才能得出可靠的结论[23,26,35]。

2 河流-河口-近海连续体碳源/汇格局研究现状

世界大河河口区通常呈现淡水端向大气释放CO2，而海水端从大气吸收CO2的分布格局[22,36-42](图1)，这主要是由河口最大浑浊带以外的净群落生产(NCP)活动造成的[43-45]。但不同河口的地理位置、水文状况及生物化学过程不同，其碳源/汇情况需系统分析。

图1 世界典型连续体表层CO2分压(pCO2)分布格局Fig.1 Distributions of sea surface pCO2 in typical aquatic continuums(图a引自文献[38]，图b引自文献[36]，图c引自文献[42]，图d引自文献[37]。)(Fig.a is cited from reference[38], fig.b is cited from reference[36], fig.c is cited from reference[42], and fig.d is cited from reference[37].)

美国切萨皮克湾(Chesapeake Bay)是典型的溺谷型河口湾[46]，是目前国际上碳循环观测与研究较为系统的连续体。切萨皮克湾表层pCO2的年际变化范围为43～3 408 μatm。低盐度的内湾是大气的净碳源(CO2通量为31.2 mmol·m-2·d-1)，主要是由于萨斯奎哈纳河输入的淡水具有较高的游离CO2，其带来的有机质被呼吸降解产生更多CO2。在向下游迁移过程中，由于水体停留时间长，水体分层以及与低pCO2水团的混合，加上浮游植物光合作用对CO2的吸收，pCO2逐渐降低(图2)。中等盐度的中湾区域，整体是一个CO2净汇(CO2通量为-5.8 mmol·m-2·d-1)。而高盐度的外湾区域pCO2与大气接近平衡(CO2通量为1.0 mmol·m-2·d-1)。整体来说，切萨皮克湾是非常弱的大气CO2的源[47]。

图2 切萨皮克湾表层水体pCO2分布[47]Fig.2 Distributions of sea surface pCO2 in the Chesapeake Bay[47]

长江口受长江、外海流系及沿岸冲淡水影响，其表层pCO2分布存在剧烈的空间差异，总体上呈现随离岸距离增加，pCO2减小的特征。长江下游pCO2范围为610～1 445 μatm；长江口门水体受到有机质降解、黄浦江等影响，pCO2迅速上升，高达800～3 120 μatm[38]；越过浊度锋面后，浮游植物旺发导致长江口表层pCO2快速下降至低于 300 μatm，呈现为大气CO2的强汇。圣劳伦斯河口、珠江口pCO2的空间变化与长江口相似，都表现为表层pCO2从内陆架往外海快速降低[39,42]。珠江上流接纳了大量陆源有机质，受强烈的呼吸作用及有机质降解作用影响，珠江河口上游及混合区的pCO2都较高。从全年综合来看，珠江口上段为较强的大气碳源，而在河流入海后，pCO2逐渐降低，成为大气碳汇[36]。

路易斯安那陆架是墨西哥湾北部一个典型的中纬度河控型陆架。从内陆架的密西西比河口向外海，表层pCO2呈迅速减小，其后又缓慢增加的趋势[37]。近岸海域是大气CO2的碳源，向外海延伸则逐渐转变成大气碳汇，直至外海逐渐与大气平衡。其主要原因是河口区往里一侧由于浊度较大，存在光限制，而在河口冲淡水锋面附近，则由于强烈的浮游植物光合作用消耗了CO2。与长江口和珠江口相比，路易斯安那内陆架pCO2相对较低。整体而言，路易斯安那陆架是弱的大气碳汇，年平均通量为 -0.96±3.7 mol·m-2·a-1。

3 长江-长江口-东海是开展连续体碳循环研究的最佳场所之一

长江是世界第四大河流，也是中国最大的河流[48]，其携带大量的淡水和陆源物质汇入东海[49]。基于《中国河流泥沙公报》[50]，1965—2005年，中国河流入海颗粒态碳通量平均为29.57 Tg C·a-1(1 Tg C=106t C)，其中有机碳占36.02%，无机碳占 63.98%。长江是东海的主要输入河流，其入海的碳通量中POC为(1.51±0.80)Tg C·a-1[51]，DOC为1.62 Tg C·a-1[52]，DIC为14.60 Tg C·a-1[52]。东海的年平均海-气碳通量为(-6.92～-23.30)Tg C·a-1，其碳汇潜力大于其他几个中国边缘海[53-54]。根据最新估计，东海每年吸收大约2 200多万吨碳，相当于 8 000 多万吨CO2，是中国近海生态系统碳汇最大的海域[55]。从大气CO2吸收量[55]、沉积物埋藏通量[56-57]以及东海渔业捕捞量(1981—2020年《中国渔业统计年鉴》[58])来看，东海的生态系统碳汇均是中国近海最强的。

东海之所以有如此高的生态系统碳汇，与东海有大量的长江输入的氮、磷营养盐有关。近期的研究结果显示，包括我国东海长江冲淡水海域和南海北部陆架海域在内的一些陆架边缘海，CO2吸收呈现增加的趋势[47,59-62]。显示出近海系统在富营养化加剧、全球大气CO2升高、海水碳酸盐体系响应有所滞后的背景下，近海碳汇增强的可能性。以长江冲淡水区域为例，20世纪90年代，长江口外表层pCO2最低值约为200 μatm[33,63-66]；21世纪初期，长江口外表层pCO2低值下降至110～140 μatm之间[67-69]；而近10年以来，在长江冲淡水区域频繁地观测到极低的海表pCO2，在30～80 μatm之间[47,53,70-71]，仅为大气平衡水平的10%～20%。这与过去几十年间长江近10倍增长的无机氮通量、近6倍增长的无机磷通量[72-74]以及频繁爆发的藻华现象[75-77]可能存在着紧密的联系。富营养化加剧和藻华增加的另一个后果是，夏季底层水体缺氧也呈现越来越严重的趋势[24,78-79]，缺氧水体形成酸化的高碳水，有可能在冬季通过陆架泵向外输送。同时，水体缺氧也可能为有机碳埋藏保存提供了有利条件。东海的有机碳埋藏量从20世纪80年代之前的每年700多万吨[80]，提高到了每年800多万吨[57,81-82]。

另一方面，水库大坝修建、蓄水后，流域的生物地球化学循环发生了明显改变，进而对连续体的碳输运产生显著影响。修建水库大坝减缓了河水流速，使泥沙及颗粒物从河流中去除。同时水库大坝使水体停留时间增长，足以支持浮游植物在水库中吸收营养盐而大量繁殖，这在一定程度上会减少河流向海输送的营养盐。大通水文站颗粒有机碳(POC)质量浓度和通量均呈指数下降，且年内的变异逐渐减小，洪水季与枯水季的POC质量浓度比由2000年的4.04倍降低至2015年的1.04倍[83]。长江输入东海营养盐通量经历了长期的增长趋势后，目前仍居于高位。因而，在泥沙输入减少引起光限制减弱和营养盐输入改变的共同影响下，长江口连续体的浮游植物生产引起的碳汇格局可能正在发生变化，其碳汇的潜力(尤其是生物泵增强引起的碳汇潜力)亟需进一步的科学分析和客观评估。

长江-长江口-东海连续体发育于世界著名的大河口-宽陆架区，是我国近海碳汇最强的海域之一，在我国陆海统筹“碳中和”研究中具有重要的地位。选取此连续体开展多界面碳传输过程观测和机制研究，具有代表性与引领性，将对国际上大河口连续体碳交换和循环研究起到示范作用。

4 认知连续体碳传输过程与调控机制的主要观测和研究方法

探讨连续体碳源/汇格局及其背后的驱动过程，需要掌握各形态碳通量与收支情况，系统考虑连续体内部碳循环，以及海-气、河流-河口、河口-近海、水柱-沉积物、连续体与邻近开阔海域等各界面的碳传输关键过程与调控机制(图3)。由于受陆源输入、潮汐、环流共同作用，河口近海水体具有快速动态变化的特点，亟需发挥现场观测、遥感观测、数值模拟、化学计量学、沉积记录学等方面的优势，整体认知碳交换和循环过程。

图3 长江-长江口-东海连续体碳交换与碳循环过程示意图Fig.3 Schematic diagram of carbon exchanges and carbon cycles in the Changjiang-Changjiang Estuary-East China Sea continuum(其中关键界面包括：海-气界面、河流-河口界面、河口-近海界面、水柱-沉积物界面和连续体与邻近开阔海的界面。)(The key interfaces include air-sea interface, river-estuary interface, estuary-coastal ocean interface,water column-sediment interface, and the interface between the continuum and adjacent open ocean.)

4.1 陆海统筹的海上立体观测

连续体碳交换发生在河口，主要原因在于陆地既受控于复杂的海洋气象动力过程，也与海洋生物地球化学循环密切相关，因此，开展陆海统筹、天海一体、上下协同、要素完整的系统观测，才能对其生态系统碳源/汇进行通量估算，通过多学科交叉融合研究才能把握其内在的规律。

长江-长江口-东海连续体海洋观测已经有大量数据积累，但系统性相对不足。自然资源部第二海洋研究所聚焦连续体碳汇及缺氧、酸化核心科学问题，建立了一套融合长江岸基观测(长江大通、徐六泾)、区域断面和核心断面走航观测、关键站点的浮标-剖面-海床基时间序列观测的立体观测系统，基本实现了长江-长江口-东海连续体富营养化-藻华-碳汇-缺氧-酸化的实时监测。

4.2 遥感观测

立体监测非常昂贵，不易实现对河流-河口-近海连续体大空间尺度、长时间尺度的研究。遥感观测具有监测范围广、监测频率高、获取资料速度快等优点。相对于船基观测，遥感观测可以获取全海区日、周、月、年尺度上的海水表层温、盐、风场、溶解有机质和叶绿素等要素。基于上述水文及生化要素反演碳循环相关参数，解析不同时间尺度下，物理过程及生物地球化学过程对海洋碳循环及海-气CO2交换的影响，可为准确评估海洋碳源/汇过程及通量提供技术支持。因此，基于卫星遥感的高时空分辨率、全海区的观测和反演是厘清长江-长江口-东海连续体碳源/汇格局的重要手段之一[84-86]。

但另一方面，河口碳循环控制机制复杂，基于遥感的温度、叶绿素a及有色溶解有机物等指标反演近岸复杂水域的生物过程、水团混合尚有较大不确定性；另外，遥感观测易受云层或大气中气溶胶影响，基于此的遥感碳参数计算结果尚有较大误差[87]。因此，需通过实测资料的验证，不断提升遥感反演的精度，进而从宏观上把握连续体碳交换的动态变化[84]。

4.3 数值模拟

随着数值模拟技术的发展，生态模型为开展河流-河口-近海连续体碳源/汇格局与调控机制研究提供了可能性。海洋生态系统动力学数值模型是一种定量描述和分析海洋生态系统动力过程及其生态效应(包括碳汇效应)的科学工具[88]。数值模型可以弥补观测的时空不连续性，可以结合观测数据进行过程研究[89]。XUE et al[90]运用ROMS-CoSiNE模式(三维水动力-生态模式)模拟了珠江口及近岸海域环流与生态响应。ZHOU et al[91]运用该模式研究了长江口外的缺氧现象，将模拟结果与2006年多个月份的航次测量数据做比较，模式可以复现出季节性缺氧的生消过程和位置变化。ZHOU et al[92]利用生态模式发现，长江口底层水体缺氧落后于表层硅藻藻华约1～8周，浮游植物高生物量分布区域与底层缺氧区域并不完全对应。上述成果展现了连续体碳循环的生态模型过程研究和机制分析的良好前景。

利用数值模式进行情景分析，还可以评估气候变化与人类活动对碳循环系统的影响程度，弥补观测的时空不连续性。气候变化可能通过改变海-气热通量和风场结构等影响环流系统，进而影响碳的吸收、迁移与输运[93]；也可能通过光照强度变化、层化强度改变，影响初级生产力和生物碳泵过程，进而影响碳的循环与转化以及碳的流转与存储[94-95]。

但是河口连续体碳循环数值模拟尚有较大的不确定性。淡水生态系统向海水生态系统的转换过程中，碳酸盐参数如碳酸电离常数随盐度有剧烈的非线性变化，模型的演算结果可能存在较大误差。模型模拟生物过程结果的误差也将传递到无机碳参数中，增加碳循环模拟的不确定性。另外，高浊度水体中絮凝过程与水动力过程的耦合作用、沉积物早期成岩过程与水体碳酸盐体系的相互作用等都将影响模型的准确性。

4.4 化学计量学

4.5 沉积记录学

另外，运用沉积记录中硅藻、甲藻等微体化石、元素、分子及其同位素信号等[97-100]，可深化河流-河口-近海连续体碳循环特征认知。在对连续体海域沉积柱状样进行年代测定的基础上，通过柱状样中高分辨率的微体化石及元素地层学记录，结合生物硅，沉积有机碳、氮及其稳定同位素，生物标志物[木质素、甾醇等类脂化合物、绿素、甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)等)]及其单体碳、氢、氮同位素，放射性碳同位素等，可以指征河流-河口-海洋连续体有机碳来源、输运、降解与再矿化过程，解析连续体有机碳埋藏的关键过程和控制机制，重建近百年来不同来源、不同年龄有机质的演变，为从沉积物学角度预测河流-河口-近海海洋碳汇格局提供依据。

5 结语

陆地-河流-河口-近海生态系统的碳迁移与循环受人类活动和气候变化双重影响，时空差异显著，调控机制复杂，应开展陆海统筹、海空一体、点线面结合的立体观测，并发挥卫星遥感覆盖面大、时序长的优势，以及动力-生态数值模拟易于从总体上把握、可以进行历史回溯的特点，同时融合迭代现场数据、遥感反演、数值模拟、化学计量法及沉积记录等，进行多时空尺度过程机制分析研究，揭示跨界面碳交换的关键过程与影响因素，厘清连续体的碳传输通量和源/汇格局，探讨气候变化与人类活动双重压力下该连续体的碳汇潜力及演变规律，提升陆海交互带碳源/汇过程认知水平，为提出海洋生态系统增汇途径提供科学依据。

近几十年来长江-长江口-东海连续体在人类活动影响下出现了悬浮泥沙含量下降[101]、富营养化加剧[24,74,102]、营养盐组分比例变化[103]等现象，加上气候变化的叠加，长江口连续体的碳循环过程发生了显著的变化，迫切需要充分挖掘历史资料，结合陆海统筹的系统观测、遥感分析和模型模拟，梳理长江-长江口-东海连续体的碳源/汇时空格局，基于海洋调节气候变化的关键作用，加强其在我国国家自主贡献中所发挥的能力，助力我国实现“碳中和”目标。