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大型亚热带河口-陆架系统中富营养化、缺氧与海洋酸化的相互作用
发布日期:2020-3-19      浏览次数:1429

经河流输入到近海的人为营养盐刺激浮游植物的大量繁殖与生长,造成富营养化;由此产生的有机物经沉降、输运至次表层水体并被微生物降解矿化,从而不断消耗水体中的氧气,形成低氧环境甚至缺氧。同时,生物新陈代谢过程和河-海水混合过程均会引起水体酸度变化。近海富营养化、缺氧和酸化是工业革命以来全球性的环境问题,对水生生态系统构成严重威胁。

然而,目前对富营养化、缺氧和海洋酸化的相互作用及其机制的认识尚存不足,缺乏定量刻画。基于珠江口-南海北部陆架夏季航次观测数据,研究通过半分析诊断方法结合多端元混合模型和碳稳定同位素质量守恒,评估了表层富营养化产生的有机物对底层水体耗氧的贡献,并进一步估算了底层海源耗氧有机物占表层净群落生产的比值,通过酸-碱缓冲因子评估了富营养化、缺氧以及河-海水混合作用对近岸水体酸化的影响。

研究于2017年夏季在珠江口-南海北部陆架近岸水域采集了表、中、底层海水样品,测定了溶解无机碳(DIC)及其碳稳定同位素(δ13CDIC)、pH、总碱度(TA)和溶解氧(DO)等参数,以期通过DIC和pH的空间分布及其变化解析表层富营养化与底层缺氧的耦合关系以及两者与海洋酸化之间的相互作用过程。

盐度、温度、溶解无机碳(DIC)及其碳稳定同位素(δ13CDIC)、溶解氧(DO)、叶绿素浓度(Chl a)、25℃时总标度下pH(pHT,25)和酸-碱缓冲因子(βDIC)在珠江口及其邻近陆架水域表层(a-d,i-l)和底层(e-h,m-p)的分布。图(m)中白色和洋红色等值线表示缺氧(DO < 63 μmol kg-1)和低氧(DO < 94 μmol kg-1)区域(来源:ASLO)

受珠江径流和风生流的影响,珠江口及其邻近陆架水域在垂向上呈明显的双层结构。在表层,河水与海水混合形成的冲淡水集中在珠江口西侧,表现为低DIC、高pH特征;同时,溶解氧过饱和与高叶绿素浓度指征强烈的初级生产。而在底层,珠江口口门外的20至30米等深线区域存在严重缺氧,表现为高DIC、低pH特征。

珠江口及其邻近陆架水域表、底层(a)DIC、(b)pHT,25、(c)δ13CDIC和(d)βDIC对盐度作图。蓝色标记为实测值,粉色标记为根据多端元混合模型计算得到的保守混合值(来源:ASLO)

 

采用多端元混合模型,可计算得到由不同水团物理混合产生的保守混合量。实测值相对于保守混合量,表层冲淡水区表现为DIC亏损、pH与δ13CDIC增加、水体酸-碱缓冲能力增强(βDIC增大);而底层各参量的变化趋势恰好相反。

珠江口及其邻近陆架水域实测δ13CDIC和DIC浓度相对于保守混合的偏离值(分别表示为Dδ13CDIC和RDIC)。三角形和圆形标记分别代表陆架水域表层和底层样品,而灰色方形标记代表珠江口内-伶仃洋样品。计算得到的矢量表示可能影响DIC变化的不同过程,其中矢量1表示初级生产,矢量2表示向大气释放CO2,矢量3和4分别表示海源和陆源有机物的降解矿化(来源:ASLO)

 

结合DIC和δ13CDIC的非保守变化量,我们发现表层冲淡水区DIC亏损主要由初级生产和向大气释放CO2等过程造成,而底层DIC添加主要是由陆源和海源有机物共同降解矿化产生。从拉格朗日观测角度,向大气释放CO2是水团在内河口释放CO2和在河口外冲淡水吸收CO2的净结果。

珠江口及其邻近陆架水域底层实测δ13CDIC×DIC和DIC相对于保守混合的偏离值(分别为D13CDIC×DIC)和DDIC)。底层样品水深大于12 m。粉色方形标记为Su et al. (2017)报道的2014年夏季珠江口数据。黑色实线和红色虚线分别为基于2017年和2014年数据的线性回归曲线,其斜率指征耗氧有机物的δ13C值(来源:ASLO)

基于DIC同位素的质量守恒,表层富营养化产生的海源有机物对底层氧气消耗的贡献为67±18%。该研究进一步采用双层箱式模型估算得到,这部分支持底层耗氧以及缺氧形成的海源有机物占表层富营养化产生的有机物总量约为45±13%。考虑到表层存在CO2向大气释放造成的DIC亏损,因此该比值为下限。

珠江口及其邻近陆架水域(a)ΔDIC vs. ΔDO、(b)ΔpHT,25 vs. ΔDIC、(c)ΔpHT,25 vs. ΔDO、(d)保守混合βDIC(βDICcons)vs. ΔDIC、(e)ΔβDIC vs. ΔDO和(f)βDICcons vs. ΔDO的关系。三角形和圆形标记分别代表陆架水域表层和底层样品,而灰色方形标记代表珠江口内伶仃洋样品。(a)图中蓝色、黑色和红色实现分别指示陆架水域表层、底层以及伶仃洋样品的ΔDIC相对于ΔDO的变化速率。(b)图中黑色和红色实线分别指示陆架水域底层和伶仃洋样品的ΔpHT,25相对于ΔDIC的变化速率;而蓝色虚线表示陆架水域表层样品的ΔpHT,25相对于ΔDIC的变化速率范围。图中均采用II型线性回归(来源:ASLO)

富营养化使表层pH升高、减缓海洋酸化,而缺氧使底层pH降低、加速海洋酸化。然而,表层富营养化和底层缺氧所引起的海水酸-碱缓冲能力增强/减弱对海洋酸化的减缓/增强都具有放大效应;同时,这两者对海水酸-碱缓冲能力的影响比河流淡水输入弱。

以上研究成果于2020年1月发表于LIMNOLOGY AND OCEANOGRAPHY,实验室博士研究生赵秧秧为第一作者,戴民汉院士为通讯作者。

 

论文来源

Zhao, Y., J. Liu, K. Uthaipan, X. Song, Y. Xu, B. He, H. Liu, J. Gan and M. Dai, 2020. Dynamics of inorganic carbon and pH in a large subtropical continental shelf system: Interaction between eutrophication, hypoxia and ocean acidification. Limnol. Oceanogr. doi:10.1002/lno.11393.

 

 

原文链接

https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lno.11393