夏季洪水对长江口及邻近海域颗粒有机碳分布与来源的影响

罗 颖，金海燕*,3,4，李德望,5，季仲强,5，王 斌,5，杨 志,5，张 扬,5，庄燕培，李杨杰，陈建芳，郑侦明,4

(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.广西北部湾海洋资源环境与可持续发展重点实验室，广西 北海 536000； 4.自然资源部第四海洋研究所,广西 北海 536000； 5.自然资源部长三角海洋生态环境野外科学观测研究站, 浙江 舟山 316021； 6.集美大学极地与海洋研究院，福建 厦门 361000)

0 引言

河口及邻近海域是陆地向海洋的过渡地带，水动力环境高度复杂，被认为是海洋环境中生物地球化学最活跃的系统之一[1-3]。浮游植物生产和河流输入是河口有机质的主要来源[4]，有机质在此经历复杂的迁移和转化过程，最终被埋藏在近海陆架或输运至大洋[5-6]。同时，河口也是受气候变化影响显著的系统之一，气候变化可能改变有机碳转化和运输过程从而影响碳循环[7]。洪水是全球气候变化加剧的产物，诸多模型预测未来世界各地夏季发生暴雨的频率将会增加，洪涝灾害事件将会越发频繁[8-10]。暴雨引起的洪水事件改变了河流向河口输送陆源物质的组成[11-12]和通量[13-14]，进而影响河口及邻近海域有机碳生物地球化学过程[15-17]。了解洪水事件下河口及邻近海域有机碳的生物地球化学过程对深入了解全球气候变化下的河口碳循环具有重要作用。

长江口及邻近海域位于东海西侧，受河流影响显著，是高度动态的河口。长江向长江口及邻近海域输送淡水约9×1011m3/a，淡水与东海水混合形成长江冲淡水(盐度<31)[18]。长江冲淡水在东海的分布范围与长江径流量有关，径流量一般夏季最高，冬季最低，季节性变化和年际变化显著。此外，大量的陆源物质如营养盐和颗粒有机碳也随淡水一起输送至长江口[19-21]，经长江冲淡水在长江口及邻近海域输运，影响该区生态系统[22-24]。长江流域易发生暴雨引起的洪水事件，导致长江径流量显著升高。关于夏季洪水年份长江口及邻近海域颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon，POC)的研究主要集中于陆源POC的组成、归宿和通量等方面[12,25]，洪水对其分布和来源的影响研究仍较少。

2020年是典型的洪水年份(图1)，本文基于2020年7月洪水期长江口及邻近海域航次获取的总悬浮物(Total suspended matter，TSM)质量浓度、POC质量浓度、颗粒有机碳稳定同位素(δ13CPOC)及其他环境参数，探究夏季洪水对长江口及其邻近海域POC分布和来源的影响。

图1 大通水文站1998—2020年月均流量Fig.1 Monthly average discharge of Datong Hydrological Station from 1998 to 2020

1 研究区域及方法

1.1 调查站位

2020年夏季，受长江流域持续暴雨影响，长江径流量较往年大幅增加。长江水利网(http://www.cjw.gov.cn/)的数据显示，2020年7月大通水文站(30.77°N，117.62°E)记录的流量为71 400 m3/s，远高于同期非洪水年份。

2020年7月12日至23日，搭载“科学三号”科考船在长江口及其邻近海域开展科学调查，采样站位共计37个(图2)。温度和盐度数据由温盐深仪(SBE 911 CTD)测得。分别采集表层、10 m、20 m、30 m、50 m 和底层水样，其中表层水样采集深度为2 m，底层水样采集深度为距底部2 m。水样采集后迅速用经450 ℃灼烧4 h的玻璃纤维膜(GF/F, 0.7 μm, Whatman)过滤，滤膜冷冻保存于-20 ℃冰箱中带回实验室分析。测定参数包括POC质量浓度、δ13CPOC和TSM质量浓度。

图2 调查区域和采样站位Fig.2 Study area and sampling stations

1.2 分析方法

TSM质量浓度的测定用重量分析法，滤膜经过冷冻干燥后的重量与过滤前膜重量的差值除以过滤海水体积即为TSM质量浓度。POC质量浓度和δ13CPOC由元素分析仪-同位素比质谱仪(Thermo Delta V Advantage, EA-IRMS)测定。测定前，冷冻干燥后的膜用浓盐酸酸雾熏蒸除去无机碳，用超纯水洗去盐酸后冻干。同位素丰度的计算方法为

δ13C(‰)=(R样品/R标准- 1)×1 000

(1)

式中：δ13C(‰)表示所测定样品稳定碳同位素组成，R样品和R标准分别代表样品和标准样品中的13C/12C值。目前国际通用的碳同位素分析标准为美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组美洲箭石(PDB)，其δ13C值被定义为0‰。

δ13CPOC分析精度为±0.2‰，POC含量通过测量标准物质(CH4N2O)建立的碳含量与峰面积的工作曲线计算获得。

在河口和边缘海中，δ13CPOC被用来区分陆源输入和海洋来源的POC[26-28]，长江陆源输入POC的δ13CPOC值为 -29.9‰ ～-25‰，而海源POC的δ13CPOC值一般在-20‰左右[29-30]。采用二端元混合模型[31]估算水柱中长江陆源输入POC和海洋浮游植物生产POC在表层海水中的占比。河流淡水端元值取ZHANG et al[32]在河道内调查得到的-28.70‰，海洋端元值取在本次研究区域外海区表层测得的 -19.52‰。二端元混合模型计算公式为

(2)

式中：fc代表长江输入POC对总POC的贡献率，其与海洋自生POC的贡献率相加为1；δ13Cm代表海洋端元值；δ13Cc代表长江输入端元值；δ13C代表样品测得值。

2 结果

2.1 温、盐分布特征

研究区域温度为17.36～26.27 ℃，平均值为 22.24 ℃，表层温度在21.96～26.27 ℃之间，底层温度在17.36～25.91 ℃之间。研究区域盐度在0.16～34.60之间，表层盐度为0.16～31.64，底层盐度为 0.16～34.60。从河道内至外海，盐度呈现梯度变化，表层盐度随着离岸距离的增大逐渐增加，但基本都小于31。河道内表、底层盐度分布均匀，显示为淡水盐度信号。河道外表、底层盐度差值较大，分层明显。由于夏季长江入海径流量增加和夏季增温效应，研究区域已形成较强的密度跃层。密度较低的长江冲淡水分布在水深 10 m 以内。

2.2 TSM和POC分布

研究区域TSM质量浓度为0.50～217.33 mg/L，平均值为15.12 mg/L。表层TSM质量浓度为 1.10～ 95.80 mg/L，平均值为12.66 mg/L；底层TSM质量浓度为1.80～217.33 mg/L，平均值为 29.12 mg/L，底层质量浓度高于表层。与盐度分布相反，在向海输运过程中，表、底层TSM经最大浑浊带后质量浓度迅速降低，口门附近的TSM质量浓度显著高于外海区(图3a和3e)。

调查区域POC质量浓度为20.86～1 600.94 μg/L，平均值为186.73 μg/L，其中表层质量浓度为20.86～924.54 μg/L，平均值为215.00 μg/L；底层质量浓度为30.23～1 600.94 μg/L，平均值为285.76 μg/L。垂向分布上，长江口门附近POC底层质量浓度高于表层，随着离岸距离的增大这一分布态势发生改变，外海大部分区域表层POC质量浓度高于底层。水平分布上，长江口门附近POC质量浓度最高，随着离岸距离增大，POC质量浓度降低。从最大浑浊带向外海，底层POC质量浓度从1 600.94 μg/L迅速降至900 μg/L以下，表层POC质量浓度从654.14 μg/L迅速降至200 μg/L以下。而在研究区域东北部表层有一个POC质量浓度高值区(>200 μg/L，图3b)，该高值区在J断面尤为明显(图4b)。

POC%表示TSM中POC的百分含量。研究区域内的POC%值为0.28%～17.31%，平均值为 3.09%。表层值高于底层，表层值为0.75%～17.31%，底层值为0.59%～5.19%。水平方向上，POC%分布与TSM质量浓度和POC质量浓度分布模式相反，近岸低于外海区，在研究区域东北部表层POC质量浓度高值区POC%达到最高(图3b)。

2.3 颗粒有机碳稳定碳同位素分布

研究区域δ13CPOC为-27.07‰～-19.47‰，平均值为-22.85‰。表层δ13CPOC在-27.07‰～-19.52‰ 之间，平均值为-22.8‰；底层δ13CPOC在-26.32‰～-19.47‰之间，平均值为-22.98‰。表、底层δ13CPOC值的分布如图3c和3g所示，从近岸至外海区δ13CPOC值变化较大。表层，长江口门附近的δ13CPOC较轻，最轻的δ13CPOC出现在河道内，沿离岸方向δ13CPOC逐渐增重，尤其在研究区域东北部(J断面)，其δ13CPOC达到最重。J断面表层除近岸J1站位δ13CPOC较轻外，其余站位表层δ13CPOC都重于 -21‰(图4c)。

图3 TSM、POC、δ13CPOC和fc的平面分布Fig.3 Distribution of TSM,POC,δ13CPOC and fc(图b中白色线圈表示POC%>10%的高值分布区。)(The white coil in figure b indicates the high POC%>10% distribution area.)

图4 J断面TSM、POC、δ13CPOC和fc分布Fig.4 Profiles of TSM, POC, δ13CPOC and fc in section J

2.4 fc分布

fc表示陆源输入POC对总POC的相对贡献。端元混合模型估算的陆源POC比例(fc)如图3d和3h所示，与盐度趋势一致，随着离岸距离的增大，表、底层fc逐渐降低。在长江口门附近区域，如122.60°E以西，30.50°N—31.50°N范围内，陆源输入POC在表层占比高达0.5～1.0，说明该区域表层POC主要来源于长江陆源输入。表层fc值分布不同于POC质量浓度分布结果，外海区fc值普遍较低。表层fc高值的分布范围明显较底层广，北部fc值明显低于南部，初步指示北部POC并非源于长江陆源输入。

3 讨论

3.1 影响POC分布的主要过程

图5展示了POC与盐度、TSM之间的关系。POC与盐度呈显著负相关(整体r2=0.41，p<0.01；表层r2=0.45，p<0.01；底层r2=0.58，p<0.01)，这表明河口淡水和外海高盐水的混合过程是决定POC质量浓度分布和变化的重要过程。长江口及邻近海域受长江输入影响显著，每年接收长江输入的POC高达1.52×1012g[21]。大量陆源输入的POC与海洋自身POC混合影响长江口及邻近海域POC分布格局。POC与TSM之间呈极显著正相关关系(整体r2=0.92，p<0.01；表层r2=0.80，p<0.01；底层r2=0.95，p<0.01)，这表明TSM的动态变化是决定POC分布和变化的重要因素。TSM质量浓度变化除了受陆源输入影响以外，还受到最大浑浊带影响，最大浑浊带内沉积物的再悬浮作用会影响TSM质量浓度[33]。最大浑浊带内水体停留时间较长，有机质在此经历絮凝、沉降和再悬浮等作用，有机质的质量浓度和性质发生剧烈变化[34]。

图5 POC质量浓度与盐度和TSM质量浓度关系图Fig.5 Relationship of POC concentration with salinity and TSM concentration

图3b显示，研究区域东北部表层POC质量浓度(>200 μg/L)明显高于外海区其余区域，说明除了水团混合以外还有其他过程影响POC的分布。根据δ13CPOC分析POC的来源，该区域δ13CPOC值基本都在-20‰左右，为海源碳同位素信号。J断面 是东北部POC局部升高最明显的断面，选取该断面分析造成研究区域东北部POC分布变化的主要原因。由图4a可知J断面存在浊度锋面，J1和J3站位之间TSM质量浓度呈现锐减现象，表层TSM质量浓度差值为20 mg/L左右，底层质量浓度差高达40 mg/L。锋面内侧靠岸区域泥沙含量高，光照受到限制，锋面外侧外海区域水体解除光照限制，适合浮游植物的生长[35]。由 J断面 外海区表层明显偏向海源信号的δ13CPOC值、低fc值、低TSM质量浓度(低浊度)和高POC%值判断：生物过程(即浮游植物的生长)影响了该区域POC分布。

综上可知，咸淡水水团混合和浮游植物生产是影响长江口及邻近海域POC质量浓度分布的主要过程。

3.2 洪水对长江口POC分布的潜在影响

表1显示了本次洪水期POC质量浓度与以往研究的比较，以此探讨洪水对POC分布的影响。结果显示，在以陆源输入为主的区域，洪水年份的POC质量浓度明显低于非洪水年份。LIU et al[36]将2015至2016年每月大通水文站的POC质量浓度与径流量作图，发现POC质量浓度并非随着径流量的增大而增大，在2015年7月，高径流量对应低POC质量浓度，与本研究结果一致。较多研究[13,37-38]都指出暴雨能提高对土壤有机碳的物理侵蚀，洪水事件能提高陆地有机质向海洋的输送通量。洪水引起高径流量导致河流向河口输送高物质通量，高径流量对物质质量浓度形成负反馈，而高物质通量对物质质量浓度具有正反馈作用，洪水期间两个相反过程的相互作用决定陆源物质的质量浓度。已有研究表明，洪水事件能提高长江向河口输送的POC通量[12]，本次研究表明洪水期间，在超大径流量的稀释作用下，长江口POC质量浓度呈现偏低状态。

表1 不同研究中相似区域的表层POC质量浓度比较Tab.1 Comparison of POC concentrations in different studies in similar areas

长江水利网数据显示，航次调查期间，大通水文站日均流量均超过70 000 m3/s，整个7月径流量达到了1 912×109m3。这使得冲淡水边界甚至超过了本次研究区域的东部边界(123.5°E)。调查发现2010年长江冲淡水在东海的影响范围明显大于其他年份[39]，2010年同样为洪水年份(图1)，7月径流量(1 891×109m3)与本次调查相近。由此推断本次调查期间长江冲淡水的分布范围较非洪水年份会有所扩大。

图3d中fc表示陆源POC对总POC的相对贡献，fc值的高低表示受陆源POC影响的强弱。在长江口31°N断面，122.60°E以西基本为强的陆源有机质信号，以东海源有机质信号逐渐加强。SUN et al[12]2019年汛期的航次结果显示，在122.30°E附近，表层δ13CPOC值为海源信号，陆源有机质信号已基本消失。GAO et al[40]在2012年7月对长江口的调查结果显示：表层陆源δ13CPOC信号主要出现在河口约123°E，30°N—31°N以内，在30°N以南δ13CPOC已表现为海源信号。而本研究则显示，在30°N以南区域(图3d)，陆源δ13CPOC信号依然存在。这说明此次洪水期，陆源POC在长江口及邻近海域的分布范围扩大。

综上，洪水事件改变了研究区域POC质量浓度分布和来源，研究区域POC质量浓度降低，但陆源POC在东海表面分布范围更大。

4 结论

(1)在本研究区内，水团混合和浮游植物生产是影响POC质量浓度分布的重要因素。2020年7月洪水期，POC质量浓度与盐度、TSM显著相关，咸淡水混合是影响POC分布的重要因素。研究区域东北部的POC质量浓度升高表明：生物过程——浮游植物的生长是影响POC分布的另一重要因素。

(2)洪水期，高径流量形成的稀释效应导致该区域POC质量浓度与历史数据相比呈现降低现象。将本研究中的表层δ13CPOC值与前人研究进行比较，发现洪水事件使陆源有机质在东海呈现更大的分布范围。

致谢感谢东海环境监测中心提供的温、盐数据，感谢“科学三号”科考船全体人员在航次期间的帮助，感谢自然资源部第二海洋研究所刘洁在样品采集中给予的帮助，陈倩娜在同位素分析中给予的帮助。