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河流河口同步观测揭示洪水过程氮磷的陆海界面转运机制

2022/08/31点击次数:

近日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室、环境与生态学院陈能汪教授课题组在海陆界面生态环境研究方面取得新进展,并在Journal of HydrologyJournal of Geophysical Research: Biogeosciences期刊上发表了题为“Simultaneous observations revealed the non-steady state effects of a tropical storm on the export of particles and inorganic nitrogen through a river-estuary continuum”和“Effects of a storm on the transformation and export of phosphorus through a subtropical river-turbid estuary continuum revealed by continuous observation”的论文。该研究基于一次洪水事件的全过程精细化观测,对河流-河口系统进行了氮磷形态浓度与通量的多学科综合分析,阐明了极端水文条件下陆源物质向海输运与基流条件的显著差异,揭示了流域-河口-近海连续体的水、沙和营养物质跨界面转运过程及其水文-生地化耦合驱动机制,为陆海统筹与流域-海域精准治污提供了科学依据。

在全球气候变化影响下,极端天气(如暴雨)发生的频率和强度总体呈增加增强趋势。洪水期间河流向河口及近海输出大量的颗粒态和溶解态物质(如生源要素氮和磷)。近海水体中氮和磷的增加可加速富营养化,也是形成有害藻华(如赤潮)的必要条件。现有研究对洪水径流脉冲形成河口冲淡水向外海扩展的现象已有明确的认知,但对洪水如何影响河流-河口系统氮磷的输出形态和通量尚不清晰。因此,本研究采用河流与河口同步采样的观测策略,获取洪水过程高频连续观测的多学科参数数据,从而系统研究氮和磷的陆海界面转运过程与机制,科学理解近海环境与生态对陆源氮磷污染输入的响应关系。研究结果对于流域-海域生态环境综合治理有重要的理论指导意义。

本研究于2019年6月在亚热带河流九龙江流域北溪与西溪出口、河口最大浑浊带分别设置定点观测站位,结合布放在九龙江口(鸡屿)和厦门湾南部海域两个浮标的观测资料,完整捕捉到一场洪水过程(初始、涨水、退水和结束四个阶段,历时14天)流量和营养盐等多个参数的脉冲信号。基于过程分析与关键界面通量计算,研究了河流-河口系统氮和磷的来源、转化与输出。研究发现:

洪水过程导致九龙江河流-河口连续体浊度表征的颗粒物、氨氮和硝氮浓度与通量发生显著变化(图1)。期间径流量快速增加,导致河口淡-咸水交汇界面(形成最大浑浊带的区域)向下游移动,快速改变了悬浮颗粒物(SPM)的空间分布和河口浊度最大值的位置。河流站位SPM和无机氮浓度的增加,与流域土壤侵蚀、土地利用和河床冲刷有关。观察整个洪水过程,河口站位的氨氮到达峰值的速度比硝氮到达峰值的速度更快,这与两种形态氮的来源与水文输移路径(地表与地下)不同有关。从流域出口(河流)到河口最大浑浊带之间(感潮河段与河口上游),溶解无机氮通量增加了约40%,推测其主要来自沉积物的再悬浮和沿岸面源污染输入(含地下水输入)。基流状态下,河口无机氮的主要形态为硝氮,而洪水期间氨氮和硝氮均有所增加,氨氮占无机氮比例在涨水期因初期雨水冲刷效应有所增加,在退水之后因稀释效应下降(图1)。基于氮的各个形态浓度、氮氧双同位素和氮功能菌基因丰度数据分析,发现洪水过程导致河口水中的硝化作用有所增强,但反硝化作用明显减弱。

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图1. 暴雨洪水过程九龙江河流-河口连续体中浊度和无机氮输出形态与通量变化

洪水期间磷的输出也因形态而异。洪水导致河流的总颗粒态磷(TPP)浓度比降雨前增加约一倍(平均达100 μg/L),但单位颗粒物上的含磷量降低约三分之一,而溶解态无机磷(DIP)的浓度上升25%。从流域出口(河流)到河口最大浑浊带之间(感潮河段与河口上游),TPP通量增加了约60%,推测主要与沉积物的再悬浮和沿岸湿地沉积物的降雨径流冲刷有关。基流条件(无降雨)下河口沉积物是一个微生物驱动的生化反应器,洪水期间的强径流促进表层沉积物的冲蚀与再悬浮作用,使得沉积物中的还原性铁进入水柱,并被氧化为活性的铁氧化物,增强水中悬浮颗粒物对活性磷的吸附性能,最终增加向近海输出的活性颗粒态磷的通量。近海较高的盐度与pH值,有利于颗粒态磷解吸,导致水中活性磷酸盐增加。总之,洪水导致河流-河口系统无机氮和无机磷的输出通量均有显著增加,但由于无机磷的通量相对更大,导致向海输出的氮磷比值与基流相比有降低现象。与此同时,在河口和厦门南部海域观察到洪水结束后水中盐度回升、浊度下降、无机磷增加、叶绿素a上升的趋势(图2)。

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图2. 洪水期间九龙江河流-河口-近海同步观测的盐度、浊度、无机磷(DIP)与叶绿素(Chl a)变化过程E为九龙江口上游最大浑浊带站位,jy#和xm#分别为九龙江口(鸡屿)站位和厦门湾南部海域浮标站位

以上研究表明,在基流条件下河口是陆源有机颗粒态氮和磷的临时沉积场所有机颗粒态氮和磷通过矿化、硝化、反硝化等生物地球化学过程转化为浮游生物可直接利用的无机氮和无机磷。在洪水冲刷作用下,这些经转化的氮和磷被快速转运至近海,进而改变近海水体中营养盐的形态比例。洪水过程氮磷的陆海界面转运,会加剧近海富营养化并增加有害藻华发生的风险。研究暗示洪水极端水文过程驱动流域-近海物质输运,同时扰动生物地球化学过程与生态过程,由此带来的近海生态风险,需要纳入海岸带可持续发展研究框架。

两篇论文的第一作者分别为厦门大学博士生林静婕、硕士生张明真,通讯作者均为陈能汪教授,共同作者包括厦门大学程鹏教授、余其彪博士和英国利兹大学Michael D. Krom教授。厦门大学海洋监测与信息服务中心黄水英为本研究提供了浮标观测支持。本研究获得了国家自然科学基金项目(41676098、51961125203)的资助。


论文来源

Lin JJ, Krom MD, Wang FF, Cheng P, Yu QB, Chen NW*. 2022. Simultaneous observations revealed the non-steady state effects of a tropical storm on the export of particles and inorganic nitrogen through a river-estuary continuum. Journal of Hydrology, 606: 127438-127450.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169422000130

Zhang MZ, Krom MD, Lin JJ, Cheng P, Chen NW*. 2022. Effects of a storm on the transformation and export of phosphorus through a subtropical river-turbid estuary continuum revealed by continuous observation. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 127, e2022JG006786.

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JG006786