2021年夏季珠江口颗粒有机碳空间分布特征及其影响因素❋

包孝涵, 毕 蓉❋❋, 朋 鹏, 李 超, 张海龙, 金贵娥, 赵美训,

(1. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519000)

颗粒有机碳(Particulate organic carbon, POC)是有机碳在海水中存在的主要形式之一,是生物地球化学循环过程重要变量之一[1-3],对评估全球碳循环CO2通量至关重要[4]。河口连接着陆地、河流、大洋和大气,是全球生物地球化学循环最活跃的区域[2]。河口碳循环是全球碳循环的重要组成部分[3],全球河流通过河口每年向海洋输送约200 Tg POC,占有机碳总量的45%[5]。河口POC组成较为复杂,包括陆地植物碎屑和土壤、淡水浮游植物生产和海洋生物原位生产[3]。同时,河口POC浓度的空间分布受到物理(河流淡水输入、表层沉积物再悬浮等)、化学(氧化降解、絮凝沉降、矿化等)以及生物(浮游生物合成、微生物降解等)因素的强烈影响[6],不同年份、不同海域以及不同水层间POC浓度存在差异[7-12]。因此,厘清河口区域POC的空间分布特征及其影响因素,是深入理解河口碳循环过程的关键。

珠江按径流量是中国第二大河流,世界第十三大河,主要由东江、西江和北江三大支流组成,年径流量3.3×1011m3,年输沙量8.5×107t[13],4—9月为丰水期,期间径流量占年径流量的80%,10月至次年3月为枯水期[14]。珠江口是位于中国南部海岸的典型亚热带河口,主要由伶仃洋(Lingdingyang)、黄茅海(Huangmaohai)和磨刀门(Modaomen)三个次级河口组成。珠江三角洲是中国人口最稠密的地区之一,是华南地区最重要的经济带,频繁的人类活动对这一区域的生态环境产生了巨大的影响[13]。珠江口是珠江向南海北部输送陆源有机碳的主要区域[15],珠江口每年接收来自珠江输送的102 Mt 陆地沉积物和0.54 Mt POC,总有机碳(TOC)入海通量约为9.2×105t·a-1,约占全球河流总通量的0.1%～0.2%[16]。在过去三十年间,珠江流域水库和大坝的建立截留了大量泥沙和悬浮颗粒物,导致珠江输送的POC通量减少[17]。同时,由于工农业活动和城市化的快速发展,大量营养盐输入珠江口[18],加重了珠江口水体富营养化程度并影响了生物过程[19]。在这些因素共同作用下,珠江口POC的来源与分布更为复杂。

前人对珠江口POC空间分布及其影响因素已开展了一定的研究。陈金斯等[7]、陈绍勇等[20]和蔡艳雅等[21]探讨了珠江口表层POC浓度的分布特征及季节变化。刘庆霞等[8]报道了2010年夏季珠江口POC空间分布特征,指出伶仃洋POC主要来自陆源输入,南部海域POC主要来自海洋自生。郭威等[9]报道了伶仃洋表层水体POC分布的季节变化,并结合叶绿素a(Chlorophylla, Chla)、C/N摩尔比和溶解氧等参数,指出伶仃洋表层水体POC主要受到水体自生浮游植物有机碳输入的影响。Ye等[22]根据伶仃洋海域四个季节的表层水体POC数据,结合δ13C和δ15N三端元混合模型得出湿季POC主要来自河流淡水输入,而枯季则主要来自海洋浮游植物。综上,前人主要对伶仃洋海域表层水体POC来源及分布特征进行了研究,对珠江口大范围区域,尤其是不同水层POC的空间分布及其影响因素认识不足,限制了对珠江口大范围区域碳循环过程和机制的深入解析。

本文依据2021年7月(珠江丰水期)在珠江口获取的POC数据及水文调查资料,系统分析该区域POC浓度的水平和垂直分布特征,并与多种环境和生物因素进行相关性分析,主要对POC浓度与盐度、悬浮颗粒物(Suspended particulate matter, SPM)和浮游植物类脂生物标志物总浓度(Sum of phytoplankton biomarkers concentrations, ΣPB)的相关性进行讨论。研究结果为进一步厘清珠江口夏季POC空间分布特征及其影响因素,丰富珠江口有机碳研究资料、探讨河口区域碳循环提供基础。

1 材料和方法

1.1 研究区域与样品采集

2021年7月12—23日搭载“海科68调查船”在珠江口海域进行样品采集。本航次设置28个采样站位,根据水深划分了表层(水深约1～2 m)、叶绿素最大层(通过CTD测得水深范围约为4～22 m)和底层(距离海底约1～3 m),共获得74个POC样本,其中表层28个,叶绿素最大层20个,底层26个。根据三个重要口门划分了A、B和C三个断面:A断面位于黄茅海至珠江口外侧,B断面位于磨刀门至珠江口外侧,C断面位于伶仃洋至珠江口外侧(见图1),这三个断面分别代表本研究区域的西部、中部和东部海域。

(蓝色圆点为采样站位,黑色虚线连接三个断面。The blue dots represent sampling stations, and the black dotted lines denote the three sections.)

使用经过校准的CTD(Seabird 25 plus,海鸟电子公司,美国)测量海水温度、盐度、溶解氧和浊度等参数。使用CTD采水瓶(Niskin bottles)采集不同水层的海水,通过Whatman GF/F膜(直径:25 mm;预先450 ℃灼烧6 h)过滤,滤膜储存于-20 ℃,用于分析POC和SPM。使用深水泵采集不同水层海水,通过Whatman GF/F膜(直径:150 mm;预先450 ℃灼烧6 h)过滤,滤膜储存于-20 ℃,用于分析类脂生物标志物。

1.2 样品分析

SPM样品经过冷冻干燥72 h后置于干燥器中,待恒重后称重,根据质量差与过滤海水的体积计算SPM浓度(mg/L)。将6 mol /L HCl滴加到称重后的滤膜去除无机碳,反应2 h,然后在55 ℃烘箱中烘干,使用元素分析仪(Thermo Flash EA 2000,美国)进行分析,得出POC的质量百分含量(POC%)。POC的测定利用空白样、标准样进行质量控制,标准样的标准偏差为0.05% (wt.%) (n= 11)。SPM浓度乘以POC%得到POC浓度(mg/L)。

类脂生物标志物根据Zhao等[23]的方法进行提取和测定。将GF/F滤膜冻干,加入40 μL C19烷醇内标,加入二氯甲烷:甲醇(3∶1, vol/vol)混合溶液,进行超声萃取8次,再加入20 mL 6% KOH的甲醇溶液进行碱水解12 h,然后使用正己烷溶液萃取得到提取物。用硅胶色谱法分离提取物中极性组分,并用22 mL二氯甲烷:甲醇(95∶5, vol/vol)溶液淋洗得到目标组分,然后在柔和的N2下干燥。洗脱后转移至2 mL细胞瓶,再在柔和的N2下干燥,分别加入40 μL二氯甲烷和N,O-双(三甲硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA),70 ℃条件下进行衍生化反应1 h。在配备氢火焰离子化检测器(FID)的Agilent 8890气相色谱仪上分析,使用HP-1毛细管柱(50 m×0.32 mm内径×0.17 μm膜厚度)。通过对比目标峰面积与内标峰面积,对类脂生物标志物浓度进行量化。ΣPB为类脂生物标志物菜籽甾醇、甲藻甾醇和C37长链烯酮总量,单位为ng/L;菜籽甾醇、甲藻甾醇和C37长链烯酮各自浓度引自Bao等(未发表数据)。

1.3 数据统计分析

采用ODV 5.3.0(Ocean Data View)软件绘制水文参数(温度、盐度和浊度)、SPM、POC浓度、POC%和ΣPB平面与垂直分布图。使用IBM SPSS 26软件进行Spearman秩相关分析(双尾显著性检验),定量评估POC浓度与水文参数(温度、盐度、溶解氧和浊度)、营养盐(DIN、DIP和Si)浓度(张劲等,未发表数据)、SPM浓度和ΣPB之间的关系,显著性水平设置为p<0.05。使用Origin 2021软件绘制盐度与POC浓度、SPM与POC%的相关图。

2 结果

2.1 温度、盐度和浊度空间分布

海水温度在整个调查区域内变化范围为21.9～31.8 ℃,均值(平均值±SD)为(28.2±2.9) ℃(见表1),平均海水温度随深度的增加而降低,表层平均海水温度比底层高4.5 ℃。水平分布上,表层海水温度在西部海域有高值,在伶仃洋海域有低值(见图2(a));叶绿素最大层海水温度在西部海域有高值,在东部海域有低值(见图2(d));底层海水温度近岸有高值,随着离岸距离的增加海水温度逐渐减小(见图2(g))。垂直分布上,三个断面剖面图均显示海水温度存在分层现象,随深度的增加而降低(见图3(a)—3(c))。

表1 2021年夏季珠江口水文参数(温度、盐度、浊度和溶解氧)、SPM、POC浓度、POC%和ΣPB范围及平均值

((a)表层温度;(b)表层盐度;(c)表层浊度;(d)叶绿素最大层温度;(e)叶绿素最大层盐度;(f)叶绿素最大层浊度;(g)底层温度;(h)底层盐度;(i)底层浊度。(a) Surface layer temperature; (b) Surface layer salinity; (c) Surface layer turbidity; (d) Deep chlorophyll maximum layer temperature; (e) Deep chlorophyll maximum layer salinity; (f) Deep chlorophyll maximum layer turbidity; (g) Bottom layer temperature; (h) Bottom layer salinity; (i) Bottom layer turbidity. )

((a)A断面温度;(b)B断面温度;(c)C断面温度;(d)A断面浊度;(e)B断面浊度;(f)C断面浊度;(g)A断面POC浓度;(h)B断面POC浓度;(i)C断面POC浓度;(j)A断面盐度;(k)B断面盐度;(l)C断面盐度;(m)A断面SPM;(n)B断面SPM;(o)C断面SPM;(p)A断面ΣPB;(q)B断面ΣPB;(r)C断面ΣPB。(a) Section A temperature; (b) Section B temperature; (c) Section C temperature; (d) Section A turbidity; (e) Section B turbidity; (f) Section C turbidity; (g) POC concentrations of section A; (h) POC concentrations of section B; (i) POC concentrations of section C; (j) Section A salinity; (k) Section B salinity; (l) Section C salinity; (m) SPM of section A; (n) SPM of section B; (o) SPM of section C; (p) ΣPB of section A; (q) ΣPB of section B; (r) ΣPB of section C.)

盐度的变化范围为7.8～34.6,均值为(28.2±7.9),叶绿素最大层和底层平均盐度相近,分别比表层高10.0和8.8(见表1)。表层盐度在南部及东南部海域有高值,随着离岸距离的增加不断增大(见图2(b));叶绿素最大层盐度在磨刀门近岸海域较低(见图2(e));而底层盐度伶仃洋海域较低(见图2(h))。垂直分布上,底层平均盐度比表层平均盐度高10.3(见表1),三个断面剖面图均显示盐度存在着分层现象,随深度的增加而升高(见图3(j)—3(l))。

浊度的变化范围为0.1～24.5 mg/L,均值为(3.1±4.7) mg/L,底层浊度平均值最高,分别比表层和叶绿素最大层高2.5和4.3 mg/L(见表1)。水平分布上,表层浊度高值区集中在近岸海域(见图2(c));叶绿素最大层浊度整体偏低,分布较为均匀(见图2(f));底层浊度与表层分布相似,高值区集中在近岸海域(见图2(i))。垂直分布上,A断面浊度在底层明显高于表层(见图3(d)),B和C断面近岸区域浊度较高,河口外部浊度较低(见图3(e)—3(f))。浊度的上述分布特征受到珠江河水输入以及河口较强水动力的影响,即:近岸海域浊度总体高于离岸区域,底层浊度高于表层浊度。

2.2 SPM和POC浓度空间分布

SPM浓度的变化范围为6.0～63.3 mg/L,均值为(18.7±10.2) mg/L,平均值SPM浓度底层比表层高13.0 mg/L(见表1)。水平分布上,SPM浓度在表层呈现出随着离岸距离的增加先增加后减少的趋势(见图4(a)),在叶绿素最大层呈现出近岸浓度高,外海浓度低的分布趋势(见图4(e)),在底层高值区集中在研究海域的中部和西北部(见图4(i))。垂直分布上,A断面SPM浓度随着深度增加有增加的趋势(见图3(m)),B断面表层SPM浓度较低,近岸SPM浓度相对较高(见图3(n)),C断面SPM在近岸底层有高值区(见图3(o))。

((a)表层SPM;(b)表层POC;(c)表层POC%;(d)表层ΣPB;(e)叶绿素最大层SPM;(f)叶绿素最大层POC浓度;(g)叶绿素最大层POC%;(h)叶绿素最大层ΣPB;(i)底层SPM;(j)底层POC浓度;(k)底层POC%;(l)底层ΣPB。(a) SPM in the surface layer; (b) POC concentrations in the surface layer; (c) POC% in the surface layer; (d) ΣPB in the surface layer; (e) SPM at the deep chlorophyll maximum layer; (f) POC concentrations at the deep chlorophyll maximum layer; (g) POC% at the deep chlorophyll maximum layer; (h) ΣPB at deep chlorophyll maximum layer; (i) SPM at the bottom layer; (j) POC concentrations at the bottom layer ; (k) POC% at the bottom layer; (l) ΣPB at the bottom layer. )

POC浓度的变化范围为0.05～0.85 mg/L,均值为(0.29±0.19) mg/L,平均浓度表层最高,比叶绿素最大层和底层高0.07～0.09 mg/L(见表1)。水平分布上,表层POC浓度高值区集中在西北部和香港南部海域,最高值站位是T53和T39站位,位于磨刀门东、西两侧海域(见图4(b)),叶绿素最大层POC浓度高值区在近岸区域(见图4(f)),而底层高值区集中在西北部近岸海域(见图4(j))。垂直分布上,POC浓度在A和B断面近岸海域分布较为均匀,随着离岸距离的增加出现分层现象(见图3(g)—3(h)),C断面在香港以北海域垂向分布较为均匀,到了香港南部海域水体POC浓度增大,再向外海POC浓度减小且底层POC浓度增大(见图3(i))。

2.3 ΣPB浓度空间分布

ΣPB浓度的变化范围71.8～545.6 ng/L,均值(219.8±121.6) ng/L,表层与叶绿素最大层浓度相似且大于底层,表层平均值浓度比底层高47.2 ng/L(见表1)。水平分布上,ΣPB高值区与POC浓度高值区分布相似,表层在磨刀门及香港南部海域(见图4(d)),叶绿素最大层在磨刀门邻近海域及香港以南海域(见图4(h)),底层在西北部近岸海域(见图4(l))。垂直分布上,ΣPB 在A断面近岸区域底层较高,随着离岸距离的增加转变为表层较高(见图3(p)),在B断面随着深度的增加浓度逐渐降低(见图3(q)),在C断面整体上ΣPB浓度垂直分布较为均匀(见图3(r))。

2.4 相关性分析

总体上,在某些海域和水层,温度、浊度、溶解氧、营养盐浓度、SPM以及ΣPB等参数与POC浓度具有显著正相关,而盐度与POC浓度具有显著负相关(见表2)。具体而言,盐度与POC浓度具有极显著负相关(p<0.001),其中在表层(p=0.001)和叶绿素最大层(p=0.005)和B断面(p=0.002)具有极显著负相关,在底层具有显著负相关(p=0.013)。SPM与POC浓度在底层具有极显著正相关(p=0.004),在伶仃洋具有显著正相关(p=0.011)。ΣPB与POC浓度具有极显著正相关(p<0.001),其中在表层(p=0.001)和C断面(p=0.008)具有极显著正相关,在底层(p=0.046和B断面(p=0.038)具有显著正相关。

表2 POC 与多种环境与生物因子之间的斯皮尔曼相关系数

3 讨论

3.1 POC的空间分布特征

河口及邻近海域水动力环境复杂,POC浓度空间分布受到多种因素的影响。本研究表明,2021年7月(珠江丰水期)珠江口大范围海域POC浓度具有明显的水平和垂直分布特征。我们将结合前人研究系统地讨论珠江口POC浓度的水平和垂直分布特征。

不同年份间,夏季(5—8月)POC浓度差异较小(见表3)。本研究中POC浓度在水体中的变化范围为0.05～0.85 mg/L,75个样本平均值为(0.29±0.19) mg/L。在伶仃洋表层水体的变化范围为0.17～0.64 mg/L,平均值(0.30±0.15) mg/L,这一变化范围与前人的研究结果一致(见表3),例如刘庆霞等[8]和郭威等[9]对伶仃洋海域表层水体的研究,以及陈金斯等[7]和Huang等[10]在珠江口的研究发现,除了个别站位外,POC浓度范围与本研究接近。同时,上述研究的POC平均浓度比本研究结果略高。例如,陈金斯等[7]和刘庆霞等[8]的研究区域包含了一些河流站位,这些站位位于盐度较低的区域,河流淡水源有机碳比例较高。另外,对比不同年份数据发现,并且近十几年POC浓度明显降低。近几十年来,珠江口流域输沙量明显减少[24],这与珠江流域大型水库的建设有关,导致河口悬浮泥沙浓度降低[24],河流淡水源POC贡献减少[17],不同月份间河流径流量差异使河流淡水源POC输入不均匀导致POC浓度差异[11, 22];另外,水体富营养化使海洋自生POC增加也会导致POC浓度的差异[19]。上述因素可能导致本研究中POC浓度与前人研究结果的差异。在其他受大河影响的河口区域,如长江口及邻近海域[11, 25]以及黄河口[12]的研究也发现大型水库的建设使河流输送的悬浮泥沙量减少,导致河流淡水输送的POC通量降低。

表3 不同研究区域和不同调查时间POC浓度的比较

水平分布上,不同区域间存在明显差异。POC浓度高值区集中在磨刀门近岸海域和香港南部海域,低值区集中在伶仃洋及南部海域(见图4(b), 4(f), 4(j)),POC%也有相似的分布(见图4(c), 4(g), 4(k))。A和B断面结果显示,POC浓度从近岸到河口外部区域逐渐降低(见图3(g)—3(h)),而在C断面POC浓度呈现先增加后降低的分布趋势,在香港南部有高值区(见图3(i))。上述结果与前人研究一致,Li等[26]在2015年7月的研究显示POC浓度磨刀门海域大于伶仃洋海域。刘庆霞等[8]在2010年8月的研究显示POC浓度香港南部海域大于伶仃洋海域。本研究中,磨刀门近岸海域ΣPB浓度较高(见图4(d), 4(h), 4(l)),表明浮游植物生物量较高,并且该区域毗邻入海口门河流淡水源贡献率较高[10],所以该区域POC浓度较高。香港南部海域浊度相对较低(见图2(c), 2(f), 2(i)),光限制减弱,并且营养盐充足[27],ΣPB浓度较高(见图3(r), 4(d), 4(h), 4(l)),表明浮游植物生物量较高,海源自生有机碳贡献较高[8],因此该区域POC浓度较高。伶仃洋海域盐度较低,表明受到淡水输入的强烈影响,在混合区域陆源输入POC被大量降解和矿化[9],并且水体也相对浑浊(见图2(c), 2(i)),ΣPB浓度较低(见图3(r)),浮游植物生物量较低,海源有机碳贡献较小,因此伶仃洋海域POC浓度较低。外海海域POC浓度较低的原因为受河流淡水输入影响较小,营养盐浓度较低[28],ΣPB浓度较低(见图4(d), 4(h), 4(l)),有研究表明外海海域陆源有机碳贡献率仅为27%[10],因此导致了该区域POC浓度较低。

垂直分布上,不同区域存在明显差异(见图3(g)—3(i))。A断面POC浓度最大值出现在近岸及叶绿素最大层(见图3(g)),B断面POC浓度最大值出现在表层(见图3(h)),而C断面大部分站位垂直分布较均匀(见图3(i))。上述结果与前人研究结果相似,例如Huang等[10]在2017年6月的研究显示,黄茅海(本研究A断面)近岸POC浓度较高且垂直分布均匀。刘庆霞等[8]在2010年8月在伶仃洋的研究结果与本研究C断面相同,伶仃洋上游至香港南部海域POC浓度垂直分布较均匀,香港南部海域至南部海域底层POC浓度明显高于其他水层。同样,在长江口及邻近海域的研究也发现了A和B断面类似的POC分布,口门附近底层大于表层,随之离岸距离的增大转变为表层POC浓度大于底层[11]。本研究POC浓度呈现出三种不同的垂直分布格局,表明这三个断面POC浓度垂直分布受到不同因素的调控。一方面受到河流淡水输入的影响,上层水体受到河流冲淡水影响显著而底层受影响较小(见图3(a)—3(c), 3(j)—3(l)),珠江中POC浓度显著高于珠江口[29],近岸浓度高于河口外部区域浓度。三个断面分别受到不同口门陆源来源POC的影响(见图1),A和B断面对应的口门POC输出通量高于C断面[16],通量越高表示受到河流淡水输入POC影响越显著,使A和B断面上层水体POC浓度要高于底层水体。另一方面受到浮游植物生物量的影响,B和C断面ΣPB浓度与POC浓度的垂直分布趋势相似(见图3(h), 3(i), 3(q), 3(r)),并且二者之间显著性正相关(见表2),表明浮游植物生物量对于POC垂直分布具有重要贡献。此外表层沉积物再悬浮也具有一定影响,A断面底层和叶绿素最大层SPM浓度较高(见图3(m)),底层浊度较高(见图2(i)),表示还受到了表层沉积物再悬浮作用的影响,使得叶绿素最大层POC浓度较高。

3.2 POC空间分布的影响因素

本文系统分析了多种因素与POC浓度的相关性。总体而言,盐度与POC浓度呈负相关,而其他因素与POC浓度呈正相关(见表2),上述相关性在不同水层和海域存在差异。前人研究表明,珠江口水体的盐度、SPM和浮游植物生物量等是影响POC浓度空间分布的重要因素[7-10, 21, 22, 30]。本文使用ΣPB表征浮游植物类群(包括硅藻、甲藻和定鞭藻),具有来源明确、化学稳定性较好和对环境变化敏感等优点,已被广泛应用于示踪浮游植物生物量[31-33]。本研究将主要围绕盐度、SPM和ΣPB与POC浓度的相关性进行详细讨论。总结影响POC空间分布的因素。

3.2.1 盐度与POC的相关性 本研究表明,总体上盐度与POC浓度具有极显著负相关,在表层和叶绿素最大层也具有极显著负相关,底层具有显著负相关(见表2),而且不同盐度梯度对POC浓度空间分布的影响存在明显差异(见图5(a))。当盐度<15,表层POC浓度随着盐度增加呈上升趋势,当盐度在15～25之间,表层和底层POC浓度随着盐度增加而减小,当盐度>25,表层和叶绿素最大层POC浓度随着盐度的增加而减小(见图5(a))。本文研究结果与前人研究相似,例如,李倩等[34]在春季长江口也发现表层和底层POC浓度分别在盐度在9和15时达到最大值,然后随盐度下降而迅速下降。郭威等[9]在伶仃洋海域、蔡艳雅等[21]在磨刀门海域的研究显示,表层POC浓度与盐度也呈显著负相关。上述盐度梯度的变化对POC浓度的影响主要是由不同盐度区间POC生物地球化学行为不同造成的,包括絮凝沉降、海水稀释作用[35],以及陆源输入和表层沉积物再悬浮等过程也产生一定影响[36]。珠江冲淡水携带大量泥沙和悬浮颗粒物与海洋高盐水混合,颗粒间会因为电化学作用而相互吸引絮凝成团[34],POC浓度随着絮凝沉降而减少,盐度的增加表示海水对陆源POC稀释作用增强。当盐度<15,此时为初始咸淡水混合阶段,站位靠近口门且受陆源输入影响较大,磨刀门和黄矛海陆源POC输出通量高于虎门[16],这两个口门邻近站位盐度和POC浓度相对伶仃洋较高(见图3(g)—3(h),图5(a)),此时受到陆源输入占主导。当盐度在15～25之间,咸淡水混合程度增强,水动力更为强劲,絮凝沉降作用较强,悬浮颗粒物在水层中做悬浮沉降、再悬浮再沉降的周期性运动[37],POC在底层有较长的停留时间,因为沉积物再悬浮也是SPM的重要来源[38],絮凝沉降和表层沉积物再悬浮占主导作用。当盐度>25,海水对河流淡水源POC稀释作用增强,尤其在表层和叶绿素最大层(见图2(b), 2(e)),POC随着盐度的增加而降低,此时海水稀释作用占主导因素。因此,表层和叶绿素最大层受絮凝沉降和海水稀释作用影响较大,所以盐度与POC浓度具有极显著负相关。

((a) 盐度与POC浓度的相关图; (b) SPM与POC%的相关图。(a) Correlations between salinity and POC concentrations; (b) Correlations between SPM and POC%. )

3.2.2 SPM与POC的相关性 SPM与POC浓度在底层和伶仃洋海域具有显著正相关,而在其他水层或区域都没有显著相关性(见表2)。前人也有相似的研究结果:在黄河口和长江口也发现底层POC浓度与SPM正相关性系数要显著高于其他水层[12, 39]。刘庆霞等[8]研究发现,在伶仃洋海域POC浓度与SPM浓度具有显著正相关,但南部海域相关性较差。当SPM浓度较大时,其与POC浓度的相关性较好[34, 39, 40]。同样,本研究底层SPM浓度较高(见表1),且在伶仃洋海域也具有较高浓度,在底层和伶仃洋海域我们也观察到SPM与POC浓度显著正相关。另一方面,SPM的来源可以用POC%来指示,POC%相似反映来源一致,反之则有多个来源[41]。本研究中,底层POC%变化范围最小(0.49%～2.53%,平均值(1.15±0.55)%),而表层变化范围最大(0.72～11.06%,平均值(3.16±2.34)%)(见表1,图5b),说明不同水层SPM来源有差别。本文底层水POC%与商博文等[42]研究表层沉积物TOC%值(范围:0.41～1.54%;平均值:(0.87±0.25)%)相近,伶仃洋海域以及研究区域整体底层水浊度较高(见图2i),都表明了表层沉积物再悬浮的重要影响,因此底层水SPM浓度较高、POC%变化范围较小且含量较低。上层水体较高的POC%表明受到了海洋自生增加的影响[43],此外陆源输入有机质在上层水体中被大量絮凝沉降[34]和矿物质稀释[9],导致SPM浓度较低。总之,底层水和伶仃洋海域受表层沉积物再悬浮的影响SPM浓度较高,SPM浓度和来源影响着POC的空间分布。

3.2.3 ΣPB与POC的相关性 ΣPB与POC浓度在整个研究区域水平分布模式相似(见图4(b),4(d)),且在整个研究区域水体及表层水中呈极显著正相关,在底层水中显著正相关,但在叶绿素最大层却无显著相关(见表2)。珠江通过八大口门源源不断为珠江口及邻近海域输送大量营养盐,造成水体富营养化[44],使浮游植物初级生产力水平较高[19],对POC的贡献会随之增加[10]。之前的研究表明,在珠江口海域POC中河流淡水源有机质贡献率是大于海源自生有机质的[7, 20],而最近的研究却表明,伶仃洋海域海源自生有机质贡献率超过了陆源输入[8, 30]。硅藻和甲藻是珠江口海域重要的浮游植物类群[26,45-46],本文使用的菜籽甾醇、甲藻甾醇和C37长链烯酮可分别指示硅藻、甲藻和定鞭藻。整个研究海域总体上,三种类脂生物标志物总浓度ΣPB与POC浓度呈显著正相关,表明类脂生物标志物可以指示POC浓度的空间分布,浮游植物生物量是影响POC浓度的重要因素。

在叶绿素最大层ΣPB与POC浓度缺乏显著相关,这可以归结于叶绿素最大层和生物量最大层形成的机制不同而深度通常不同(叶绿素最大层形成机制复杂,主要由光适应决定;生物量最大层出现在浮游植物生长速率与损失(如呼吸和捕食)和下沉速度的差异相平衡的水层)[33, 47, 48]。后续的研究中我们将深化珠江口类脂生物标志物对浮游植物生物量和群落结构指示作用的探讨。

伶仃洋海域ΣPB浓度相对较低(见图4(d), 4(l)),可能由于浊度较高限制了浮游植物生长[49],海源自生有机质对POC贡献较低[8],所以ΣPB与POC浓度无显著相关。如前文所述,香港南部海域浊度降低(见图2(c), 2(i)),光限制减弱并且营养盐浓度相对充足[27],ΣPB浓度较高(见图3(r)),浮游植物生物量较高[48-49],海源自生有机碳对POC贡献较高[8]。此外C断面POC浓度和ΣPB垂直分布模式大体是相似的(见图3(i), 3(r)),POC浓度与ΣPB极显著正相关(见表2),所以ΣPB影响着C断面POC浓度的垂直分布。A断面底层和叶绿素最大层SPM浓度较高,表示了再悬浮作用的影响,使ΣPB对POC的贡献率降低,所以A断面ΣPB与POC无显著相关,ΣPB对POC浓度垂直分布相对影响较小。B断面ΣPB与POC浓度的垂直分布模式大体相似,ΣPB与POC浓度都相对较高(见图3(h), 3(q)),相关性结果也表明ΣPB与POC显著正相关(见表2),所以ΣPB在B断面影响POC垂直分布。总之,ΣPB作为示踪浮游植物生物量的生物标志物与POC有显著正相关,在不同水层和海域存在相关性差异,表明了ΣPB对POC空间分布具有重要影响。

3.2.4 其他因素与POC的相关性 除了上文讨论的盐度、SPM和ΣPB对POC浓度空间分布的影响外,其它因素也存在潜在的影响,比如:温度、浊度和营养盐等(见表2)。温度和营养盐与浮游植物的生物量密切相关,温度与POC浓度显著正相关,可能由于温度升高浮游植物生长加快,从而导致POC总量增加[49]。溶解氧在表层和叶绿素最大层与POC浓度显著正相关,在这两个水层溶解氧浓度升高,可能表示浮游植物光合作用增强,POC生产量增加。浊度与POC浓度具有显著正相关,浊度较高表示水体较浑浊,可能指示了水动力的扰动引起了表层沉积物再悬浮现象。浮游植物初级生产和群落演替与营养盐浓度密不可分,因此营养盐浓度影响POC空间分布。

在复杂的河口环境中,影响POC空间分布的各种因素相互交织。本文初步分析了多种环境和生物因素对POC空间分布的影响,后续研究还需进一步加强各种因素的定量区分及其机制研究,尤其是可以结合多种类脂生物标志物及碳同位素技术对河口碳循环过程及其机制进行深入探究。

4 结论

本文通过分析2021年7月(珠江丰水期)珠江口POC空间分布特征,探究了盐度、SPM和ΣPB等因素对POC空间分布的影响。主要有以下结论:

(1) 2021年夏季珠江口POC浓度范围为0.05～0.85 mg/L,均值(0.29±0.19) mg/L,总体呈现近岸浓度高、河口外部区域浓度低的分布趋势,平均POC浓度总体在表层最高,随着深度的增加先减小再增加。对比不同年份数据,POC浓度略低于前人在珠江口海域丰水期的研究结果,并且近十几年来POC浓度明显降低。

(2) 相关性分析表明盐度、悬浮颗粒物和浮游植物生物量影响着POC空间分布。高盐度引起悬浮物絮凝沉降、海水稀释使POC浓度随盐度的增加而降低。SPM浓度和来源控制着POC的浓度,表层POC受到新鲜有机质的影响较大,而底层POC浓度则受表层沉积物再悬浮作用影响明显。ΣPB与POC浓度具有极显著正相关以及空间分布相似,表明了浮游植物生物量是影响本研究区域POC空间分布的主要因素。类脂生物标志物作为示踪浮游植物的指标在河口区域中有巨大的应用潜力,未来在珠江口及其它河口需要结合多种类脂生物标志物参数和同位素技术进行深入研究。

致谢：感谢“海科68调查船”全体人员在航次期间的帮助,感谢中国海洋大学李莉和丁杨对测试样品提供的帮助,感谢中山大学吴加学和林姚坤提供的CTD数据,感谢中国海洋大学张劲、刘茜和李芳茹提供的营养盐数据,感谢中山大学刘双圆提供的样品采集帮助,感谢四川大学候鹏飞对数据处理的帮助,作者对以上人员表示诚挚谢意。