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洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 摘要 论文根据国内外对陆架边缘海域悬浮颗粒有机质的研究现状，通过目前国际 上公认的对海水颗粒有机碳( p o e ) 、氮( p n ) 测定的先进方法，即利用元素分 析仪和m a t - 2 5 1 质谱仪和f i n n i g a nd e l t a p l u s 同位素比值质谱仪测量了黄东海及 长江河口区悬浮颗粒有机碳、氮含量和同位素组成，以再清1 9 9 8 年长江特大洪 水对黄东海悬浮颗粒物质输运的影响和三峡截流对长江口区悬浮颗粒有机物质 分布的影响。主要结果如下： 一、洪水事件对长江颗粒有机质入海扩散的影响 1 9 9 8 年秋季，在黄东海采集的五层悬浮体样品中，t s m 浓度与p o c 和p n 质 量浓度之间存在着显著的正相关性( r ：o 9 0 0 9 8 ) 的同时，t s m 浓度又与盐度 之间存在显著的负相关性( r = - 0 ，2 9 一0 5 9 ) ；而且p o c 与p n 质量浓度之间也存 在着显著的正相关性( r = 0 8 9 0 9 8 ) 。由此推断，在该航次采集的悬浮有机质 中碳氮主要是由t s m 浓度所控制。 颗粒有机质的c n 分子比值与p n 之间存在有显著的负相关性( r 一0 4 4 一0 7 1 ) ，但是，c n 分子比值与p o c 之间却无明显的相关性，说明c n 分子比值 主要是由p n 的变化所决定。 61 5 n 与表层p o c 、p n 之间都存在着显著的正相关性，相关系数r 分别为 0 3 6 和0 2 4 ( p 0 0 1 ) ，然而在更深的水层中这种关系就不复存在了，说明颗 粒氮容易受到除有机质降解以外的其它因素，诸如在水柱中营养盐的利用程度、 硝化作用、反硝化作用、不同来源物质的输入等的影响，而使其同位素值发生变 化。 由c n 分子比值的“谷形”和6 1 的“峰形”分布可以认为，在1 9 9 8 年夏 长江特大洪水期后长江入海悬浮颗粒可以直接被输运至冲绳海槽海区，这突破了 我国学者过去根据平常水文条件下所得出的长江入海悬浮颗粒物质不能直接输 运到冲绳海槽的认识。 二、三峡截流后长江口悬浮体及颗粒有机碳、氮的分布和来源 2 0 0 4 年秋末冬初，在具有高悬浮泥沙浓度的长江口区，p o c 、p n 质量浓度 和t s m 含量呈现正相关关系，相关系数分别为r = o 7 0 86 和r = o 6 4 83 ，表明长 江口t s m 和p o m 的物源一致性；而且悬浮体有机c n 比值大多数在1 2 以上， 显示了该区域t s m 及其p o m 的陆源性质。 对照了三峡截流前后长江口区的悬浮体和颗粒有机质的质量浓度分布数据， 说明迄今为止三峡截流尚未对长江口区悬浮颗粒分布特征造成明显的影响。 关键词：黄东海长江口t s mp o cp nc n6 ”c6 1 6 n t h ee f f e c to f 9 8y a n g t z eg r e a tf l o o da n dt h et h r e eg o r g e s p r o j e c to nt h ed i s t r i b u t i o n sa n dt r a n s p o r to fs u s p e n d e d o r g a n i cm a t t e r sf r o my a n g t z e r i v e r a b s t r a c t w a t e rc o l u m nc o n c e n t r a t i o n so ft o t a ls u s p e n d e dm a t t e r ( t s m ) ，p a r t i c u l a t e o r g a n i cc a r b o n ( p o c ) ，p a r t i c u l a t e n i t r o g e n ( p n ) a n d t h e i rs t a b l e i s o t o p i c c o m p o s i t i o n s ( 5 1 3 ca n d5 1 氐) a m e a s u r e da tt w ot of i v ed i f f e r e n td e p t h si nt h ey e l l o ws e aa n d e a s tc h i n as e a sa n dy a n g t z ee s t u a r yt oc l a r i f yt h ee f f e c to ft h ey a n g t z er i v e rc l o s e o f fa tt h et h r e eg o r g e sp r o j e c to nt h ed i s t r i b u t i o no fs u s p e n d e dm a t t e ri nt h ec s t u a r y a n dt h ee f f e c to f 9 8y a n g t z eg r e a tf l o o do nt h et r a n s p o r to fs u s p e n d e dm a t t e ri nt h e y e l l o ws e aa n de a s tc h i n as e a t h er e s u l t sa r ef o l l o w e d ： i t h ee f f e c t 9 8y a n g t z eg r e a tf l o o d0 1 1t h et r a n s p o r to f s u s p e n d e dm a t t e ri nt h e y e l l o ws e aa n de a s tc h i n as e a s u s p e n d e dm a t t e r sa r ec o l l e c t e dt oa n a l y z et h ed i s t r i b u t i o n so ft s m ，p o c ，p n a n dst h r o u g h o u tt h ey e l l o ws e aa n de a s tc h i n as e ai nt h ea u t u m no f1 9 9 8 t h e r ea r e m a r k e dp o s i t i v ec o r r e l a t i o n s ( r = o 8 9 o ，9 8 ) a m o n gt s m ，f o ca n dp n ，b u tn e g a t i v e r e l a t i o n s h i p sf r ；一0 2 9 一0 5 9 ) b e t w e e nt s m a n ds a l i n i t y t h e s er e s u l t sc o n c l u d et h a t t h ep o ca n dp nw e r ec o n t r o l l e dp r i m a r i l yb yt h ec o n c e n t r a t i o n so f t s m t h ec nr a t i o so fp a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e rh a v ean e g a t i v el i n e a rc o r r e l a t i o n w i t hp n o = 一0 4 4 - 0 7 1 ) ，b u tn oc o r r e l a t i o nw i t hp o c ，w h i c hs u g g e s t sc n r a t i o sa r em a i n l yc o n t r o l l e db yp n t h e r ea r ed i s t i n c tp o s r i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e n6 1 ，na n dp o c o rp n i n s u r f a c ew a t e “r = 0 3 6a n d0 2 4 ，p 1 2 ，s u g g e s t i n gt h eb o t ht s ma n dp o mi nt h i sr e g i o na l em a i n l yo ft e r r e s t r i a l o r i g i n c o m p a r i n gt h ed a t ao fc o n c e n t r a t i o n so ft s ma n dp o ci nt h ey a n g t z er i v e r e s t u a r yb e f o r ea n da f t e rt h et h r e eg o r g e sp r o j e c t , i ti n d i c a t e st h a tt h ey a n g t z er i v e r c l o s eo f fa tt h et h r e eg o r g e sh a sn o ti n f l u e n c e do i lt h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r eo ft s m a n dp o ci nt h ey a n g t z er i v e re s t u a r y k e y w o r d s ：y a n g t z er i v e re s t u a r y , y e l l o ws e a ，e a s tc h i n as e a ，t s m ，p o c ，p n ， c n , 6 1 j c 6 1 5 n i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；王厨移签字日期： 刁年6 月s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 互阳氛 导师签字： 签字日期：? 一年6 月f 日 签字日期：) i 1 年f 月s 阳 学位论文作者毕业后去向：国家海洋局第一海洋研究所 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 洪水及截流埘长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 前言 大气二氧化碳( c 0 2 ) 的不断增加及所导致的气候变暖，已严重影响到地球 环境、生态系统及人类社会的可持续发展及生存条件。碳既是最主要的生源要素， 又是生命活动能流物流中最重要的元素，在许多陆地和水生生物地球化学循环中 扮演着重要的角色( l i k e n se ta 1 ，1 9 8 1 ) ，几乎所有的生物地球化学循环过程都与 它有关。因此，研究全球碳及其它生源要素的生物地球化学循环成为近2 0 年来 生物地球化学领域最为庞大、活跃的研究领域。国际地圈生物圈计划( i g b p ) 将全球碳循环列为其三大研究主题之_ 。 作为覆盖地球表面7 2 的海洋，是大气c 0 2 的主要汇。目前，人类每年排 入大气的c 0 2 以碳计为5 5 g t ，有约2 0 g t 被海洋吸收，占总排放量的3 6 ( f a s h a m e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，从而缓和气候的变化，海洋碳循环无疑已成为研究全球碳循环的一 个焦点。为此，相继制定了一系列大型国际合作研究计划，即全球海洋通量联合 研究计划( j g o f s ) 、全球海洋生态动力学( g l o b e c ) 、陆海相互作用( l o c i z ) 以及上层海洋与低层大气研究( s o l a s ) 等，随着这些计划的实施，人类已对 整个海洋在全球碳循环中的作用及对大气c 0 2 的收支作用有了一个相当全面的 认识和了解，但在多年的海洋碳循环研究中，一个目前尚未解决的关键问题是： 海洋碳的源汇收支平衡没有解决，海洋作为大气c 0 2 源汇的区域分布很不平衡， 对陆架边缘海在海洋及全球碳循环中的作用则了解的太少，而近年来陆架边缘海 被认为可能是海洋吸收大气c 0 2 的一个重要部分。因此开展对陆架边缘海的碳 循环研究已成为近年来具有挑战性的国际前沿研究领域，受到很多国家的重视。 “浅海”和“陆架”是我国海域的显著特点，东、黄海拥有世界海洋最为广 阔的陆架，地理环境的区域特点显著，西有长江等河流携入大量的陆源物质，东 南受黑潮暖流的强烈影响，同时又承受东亚季风的交替作用，是研究陆架海碳循 环及生物地球化学过程的理想天然实验室。尽管多年来已在该海区开展很多的生 物地球化学研究工作，但对碳循环的研究，特别是有机碳，及其碳氮稳定同位素 的研究还是很局限的，本论文将对长江口、南黄海和东海进行区域较全面的研究。 希望能对我国边缘海碳循环的进一步研究提供基本的资料。 由于本人能力、知识水平及其接触时间的限制，对问题的认识比较肤浅，论 文中尚存在许多不足之处，恳请各位专家批评指正l 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 第一部分文献综述 1 1 陆架边缘海颗粒有机碳研究的进展 从地质角度，陆架边缘海是指水深小于2 0 0 m 的大陆架部分，包括海湾、河 口、泻湖、近岸浅滩等。从模型的角度，边缘海被定义为既没有被陆地生态系统 覆盖，又不能用全球海洋生物化学模型描述的在开阔大洋与陆地之间的部分海域 ( l i ue ta l ，2 0 0 0 ) 。 陆架边缘海不仅是连接陆地与大洋的过渡海区，同时也是海陆气相互作用 最强烈的区域，为陆地和开阔海洋之间的一个屏障，受人为因素的影响较严重， 全球变化的信号在相当程度上为边缘海的局部特点掩盖而变得复杂化。陆架边缘 海虽然只占整个海洋表面积的1 0 ，但初级生产力却在整个海洋中占2 5 左右 ( w a l s h , 1 9 9 1 ) 。很多研究已证实，近3 0 0 年来由于人类活动的影响及大量c 0 2 气体及化学性物质的排放，已造成陆架边缘海区初级生产力及相应的生物地球化 学过程的明显变化；而陆架边缘海对陆地输入到海洋中的物质又有过滤和捕集的 作用，m a n t o u r ae ta l ( 1 9 9 1 ) 和m i l l i m a n ( 1 9 9 4 ) 研究表明，至少有8 0 的陆源物 质在边缘海沉积。陆源有机碳的大量输入已导致大部分陆架边缘海区沉降物中的 碳循环处于一种非平衡状态，这些变化使整个海洋碳循环受到很大的影响。 河口是陆架边缘海的一个重要的组成部分，也是其与陆海相互作用的重要纽 带之一。在河口区咸淡水混合过程中，河水携带的颗粒态及溶解态物质由于盐度、 p h 、e h 、离子强度的迅速变化而在此絮凝、吸附、解析、沉积甚至矿化，同时 影响化学元素的存在形式。相对于宽阔海洋，河口区受潮汐和径流双重冲刷作用， 水体存留时间较短，溶解态物质的周转率快，是研究碳源和循环最复杂的水体之 一( h a r w e y e ta l ，2 0 0 1 ) 。同时，河1 ：3 区水体的c 、n 、p 、s i 等营养盐含量丰富， 现场的生物生产过程对有机碳与其他生源化学要素的迁移转化具有重要影响，河 口生态地球化学系统是一个特殊的包括生物个体与群落、环境参数相互制约的 物质能量循环体系( 张经，1 9 9 6 ) 。因此，河口边缘海的生物地球化学的研究受 到许多学者的重视。 颗粒有机碳( p a r t i c u l a t eo r g a n i cc a r b o n ，简称p o c ) 是生物食物链中一个 2 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 重要的物质基础，它与生物的生命过程、初级生产力密切相关，是近海生态系统 能、物流的重要环节和通道，并且在海洋碳通量中起着关键作用。就海洋对c 0 2 的调节而言，碳的垂直转移过程是最重要的在垂直方向上，碳的转移主要是通 过生物泵，碳酸盐泵和溶解度泵来进行的，而由有机物生产、消费、沉降和分解 等一系列生物学过程完成的碳由表层向深层转移的生物泵过程是最主要的，因 此，颗粒有机碳是海水中碳固化和迁移输出的主要形式，所以研究颗粒有机碳的 循环也成为了解所有生物地球化学循环过程中非常关键的一环( 张正斌，2 0 0 4 ) 。 目前，对陆架边缘海颗粒有机碳的研究主要有以下几个方面： l 、了解颗粒有机碳的分布和来源国内外学者对河口和边缘海有机碳的分布都 已进行了大量的研究，而国外学者也对其来源进行了分析( j a c ke t a l ，1 9 9 8 ；s h e l l ye ta l ，2 0 0 4 ；m i g u e le ta l ，2 0 0 6 ) ，但我国在这方面的研究很少见诸 报道( 蔡德陵，1 9 9 2 ；1 9 9 3 ；吴莹，2 0 0 2 ；k a oe ta l ，2 0 0 3 ) ，特别是对黄东 海颗粒有机碳的来源研究更少( 刘文臣，1 9 9 7 ) 。 2 、了解河口及其边缘海颗粒有机碳的迁移转化及生物地球化学循环过程和机理 等。 3 、了解边缘海中悬浮体与颗粒有机碳的垂直通量和水平通量及其影响因素。关 于长江入海物质、东海陆架物质通量及其输运规律的研究，中国学者已有了 初步认识： 4 、人类活动( 三峡水利工程，海水养殖等) 对河口和陆架边缘海有机碳及生源 要素分布、转移和归宿的影响。 中国陆架边缘海是世界上最独特的陆架边缘海，它不但受到宽阔陆架水体的 作用，而且还受到西界边流黑潮暖流的强烈影响，同时长江黄河等大径流携带大 量的悬浮泥沙在边缘海区形成高浊度的沿岸峰区。因此研究中国陆架边缘海有机 碳物理过程和生物地球化学循环对全球碳循环的研究具有非常重要的作用。 1 1 1 颗粒有机碳定义 海水中有机碳以溶解有机碳( d o c ) 、颗粒有机碳( p o c ) 和挥发性有机碳 ( v o c ) 3 种形式存在。挥发性有机碳因含量低、易挥发、未找到统一可靠的取 样、分离、保存等方法，因而未得到广泛深入的研究。而d o c 和p o c 的分析方 洪水及裁流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 法却已经很成熟，因此二者也得到了普遍的关注。 广义上讲，颗粒有机碳是指从最小的胶体微粒到浮游生物、鱼等所有的颗粒 物质。但在实际操作，颗粒有机碳一般是采用滤膜过滤海水来收集的，把收集在 滤膜上的有机物所含的碳称作颗粒有机碳，透过滤膜的有机碳称作溶解有机碳， 并且为了便于数据比较，滤膜的孔径一般定为0 4 5nm 。但现在国际上采用的滤 膜孔径不完全一致，基本范围为1 o 4 5um 。 1 1 2 颗粒有机碳的分类 p o c 可分为生命与非生命两部分，目前很多人通过测定c h l a ，核酸、a t p 的量来定量表征生命态的p 0 c ，并且取得了很好的效果。生命p o c 早已引起普 遍重视，但非生命p o c 的研究却较少，而事实上，河口和边缘海非生命的p o c 的现存量远远大于生命p o c 。 河流p o c 又可分为性质活跃的( 1 a b i l ef r a c t i o n ) 和性质稳定的( r e s i d u a l f r a c t i o n ) 两类，前者在输移过程中易于发生变化，被氧化消失在河流、边缘海 中；后者已属高度降解的成分，稳定的汇入海洋，成为海底沉积物中有机碳的一 个重要来源( 1 t t e k k o t ，1 9 8 8 ) 。 1 1 3 颗粒有机碳的来源 陆架边缘海中p o c 的来源是非常复杂的，总的来说，主要包括四部分：河 流输入，大气输入，现场形成和底质再悬浮。 ( 1 ) 河流输入：相对于开阔大洋来说，河流输入是陆架边缘海非常重要的 陆源输入，包括地表径流对岩石风化产物、土壤有机质( 植物凋落物、木质碎片、 土壤颗粒有机质等) 的侵蚀和人为排放的有机物( 工、农业及生活排污) 等。而 我国的长江和黄河等大河携带的颗粒有机物质对黄东海生物地球化学过程的影 响是非常重要的。 ( 2 ) 现场形成：水体浮游生物产生的有机物质，包括海洋生物碎屑及活的 生物( 浮游植物、大型水生植物和细菌菌团) 等。陆架区初级生产力平均值约为 1 0 0 9 n l - 2 a 1 ，河口的某些区域初级生产力可达5 0 0 1 0 0 0g m - 2 a 1 。 ( 3 ) 大气输入：大气中的有机物质以气态或固体颗粒物质形式存在，通过 4 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 降雨、干式散落以及直接气体交换等方式进入海洋，但对现在大气输入的p o c 中的c 的数量尚不太确定。 ( 4 ) 底质再悬浮；对边缘海区域，特别是河口等水深较浅的区域，由于风 浪和潮汐的作用，从而使底质再悬浮成为p o c 的一个重要的来源。 强大的物理动力和潮汐能量，以及人为活动的影响，使得认识陆架边缘海有 机物向海输运的过程更具有挑战性。而判别边缘海有机物质的不同来源及其贡献 成为深入探讨有机物输入、生成、降解和再生等行为机制的首要问题。 1 1 4 颗粒有机碳来源的判别方法 鉴于近海有机碳来源的复杂性，如何判别有机碳的来源及其贡献成为中外学 者研究陆架边缘海碳循环的重点和难点。目前可以定性分析有机碳来源的方法主 要为有机分子示踪法和稳定碳同位素法，而天然存在的稳定碳、氮同位素作为示 踪剂对于研究全球碳、氮循环有着非常重要的作用( f o n t u g e ，1 9 8 7 ：f r y ，1 9 8 4 ) 。 1 1 4 1 分子示踪法 有机分子示踪法是根据生物体死亡后分子标志物在沉积埋藏作用及早期成 岩作用过程中，受到微生物作用、埋藏作用、无机催化作用的影响，经过复杂的 物理化学反应，最终生成稳定的有机化合物，它与对应的生源前身有一定的结构 联系或相关性，从而具有指示环境与物源的作用。分子标志物主要包括正构烷烃、 脂肪酸、醇类、多环芳烃、木质素等。 国内外学者通过分子标志物探讨了不同河流和海域有机碳的来源，h o s t e t f l e ( 1 9 9 9 ) 对世界上最大的都市化河1 ：3 之一的s a nf r a n c i s c ob a y 的表层沉积物进行 了测定，发现其中大多数有机物质为陆源高等植物和人为源的输入。郭志刚、杨 作升等( 2 0 0 1 ) 对东海陆架泥质区沉积物中正构烷烃、姥鲛烷、植烷、藿烷以及 甾烷的污源进行了对比分析，表明该泥质区沉积有机质主要来自海洋低等生物和 陆源高等植物。 1 1 4 2 碳稳定同位素法 ( 1 ) 碳稳定同位素简介 5 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 碳在自然界中存在两种稳定同位索：把c 和c ，二者比值被用来作为不同 来源有机物质的示踪剂。 同位素比值r 为某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度之比， 天然物质中碳同位素比值通常用6 ”c 表示( 郑永飞等，2 0 0 0 ) ： 8 j 3 c ( ) = ( ”c 1 2 c ) 轴( 1 j c ，1 2 盘c ) 吼一1 x 1 0 0 0 s a ，s t 分别代表待测样品和标准样品。 碳同位素分析标准早期使用p d b ，为美国南c a r o l i n a 州白垩纪p e ed e e 组的 美洲拟箭石化石，其“绝对”碳同位素比值r ( 1 3 c 1 2 c ) = ( 1 1 2 3 7 2 + 9 0 ) 1 0 - 6 ( h a y e s ，1 9 8 2 ) ，定义其8 ”c = 0 o ( 郑永飞等，2 0 0 0 ) 。二十多年前，在p d b 标准物质上被耗尽之后，i a e a 组织引入v - p d b ，同时定义n b s 1 9 相对于 v - p d b ，其81 3 c 为+ 1 9 5 ，61 8 0 为2 2 0 。目前，国际上对碳同位素数据的 报道广泛使用v - p d b 作标准。 ( 2 ) 碳稳定同位素的示踪作用 由于同位素分馏作用，从而使海洋生物和陆源植物具有不同的同位素比值， 海洋浮游生物的为8 1 3 c 暑1 9 o , - , 2 2 o ，而大陆的腐殖质土壤碳同位索比值比海洋 生物的低，其值为6 ”c = - 2 5 o , - - 2 6 o 。因而碳稳定同位素比值被用来鉴别海洋悬 浮体和现代沉积物有机质的来源。 s h u l t z ( 1 9 7 6 ) 利用这种特性对密西西比河进行研究时提出一个近岸沉积物 中海洋与陆源有机碳的简单的线性混合模型，据此可推断近岸区域中海洋和陆源 有机碳的贡献，并且也可计算陆源有机物在河口区中由河向海输送的距离。s t r a i n 和t a n ( 1 9 7 9 ) 进步提出了一个保守性的非线性两组分混合模式，可用于检验 颗粒有机碳的行为是否是保守性的。蔡德陵( 1 9 8 8 ) 对亚马逊河口区的颗粒有机 物质进行了研究发现，在中盐度段颗粒有机碳稳定同位素值是偏离保守性的，而 在低盐度和高盐度段则是符合保守性的；c a u w e c ( 1 9 9 3 ) 等对长江和黄河口所进 行的有机碳研究显示，河口浑浊区悬浮物与有机碳含量呈明显的正相关关系；陶 贞( 2 0 0 4 ) 等研究了增江流域颗粒有机碳的来源、含量变化以及输出通量，结果 显示，增江河流悬浮体中的有机碳主要来源于水体藻类的生物量，其输出通量为 0 8 3 x 1 0 6g k m - 2 a 1 ：m i d d e l b u r g 等( 1 9 9 8 ) 利用碳、氮两种同位素研究了s c h e l d e 河口的悬浮物和沉积颗粒物质，从中识别了4 种主要的有机物质：河流有机质 6 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 ( 6 1 3 c g - 3 0 o ，8 1 5 n , - 9 o ) ，河口有机质( 8 1 3 c - 2 9 o ，6 1 s n 1 5 ) ，海洋有机 质( 6 ”c 声- 1 8 o ，6 1 s n 9 o ) 和陆源有机质( 6 n c 7 - - - 2 6 o ，8 1 5 n 3 5 ) ：前三者 为悬浮体有机质的主要来源，而沉积物中的有机质主要来自陆源； ( 3 ) 有机c n 比值和碳稳定同位素共同判别有机物质的来源 有机c n 比值作为示踪剂对河口和陆架边缘海现代沉积有机质的来源分析 的应用也较广泛( t a n ，1 9 7 9 ；g r a h a m ，2 0 0 1 ；m e g c n t s ，2 0 0 2 ) 。同时m i g u e l 利用碳稳 定同位素并结合有机c n 比值对w m y a h 海湾悬浮有机物质来源进行了分析，发 现w i n y a h 海湾颗粒有机物质主要来自c 3 脉管植物和河流浮游植物。刘文臣 ( 1 9 9 7 ) 探讨1 9 9 4 年春季和秋季东海p o c 和p n 的平面分布特征时发现，春季 表层p o c 以东海陆架中部为高值区向周围递减，而且颗粒有机质的c n 比值较 低，说明春季p o c 受生物活动影响严重，秋季表层p o c 以长江口为高值区向外 海递减，c n 比值较高，说明秋季东海p o c 可能主要来自长江径流和沉积物的 再悬浮； t 2 海洋氮循环研究简析 氮是生物生命活动的基本营养元素，n 循环是整个生物圈物质和能量循环的 重要组成部分。近几十年来，环境和资源问题的日益突出促进了人们对海洋生态 系统的研究及对海洋资源的开发和利用，海洋中的n 循环亦受到了广泛关注。 科学家们对海洋沉积物中的氮的成岩过程、氮的去营养化作用、氮在沉积物海 水界面的转移过程及交换通量等进行了较深入的研究( 宋金明，1 9 9 7 ；h a m m o n d e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。随着研究的深入，沉积物中氮循环的控制机制、氮循环与其他生 源要素循环的关系及其生物地球化学功能等方面的研究已经成为目前研究的焦 点。以往的研究工作大多是对沉积物中氮循环的研究，对海水悬浮体氮循环的研 究，特别是对海水中氮稳定同位素的研究就更少，本论文对悬浮体中颗粒氮含量 及其氮稳定同位素组成做了简要分析。 7 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 1 3 本论文研究区域概况 1 3 1 长江口自然环境 图1 1 研究区域 长江是我国第一大河，其年径流量约为1 0 1 2 m 3 ，根据我国水利部在2 0 0 0 年 的中国河流泥沙公报第一期所公布的数据，1 9 5 0 2 0 0 0 年长江年均输沙量( 宜 昌站) 的统计值为5 o l x l 0 8t ，河水平均含沙量为l1 4 0m g l 。洪枯季径流量的 分配十分不均，夏季每月约占全年总流量的1 2 ，而冬季每月只占4 。所流经 的长江三角洲是我国最发达的经济区之一，其面积只占全国的1 ，人口占全国 的6 ，国内生产总值却占全国的1 6 。长江巨量的径流和它携带的大量泥沙、 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 营养盐、污染物等，对东海的环流结构、水团组成、泥沙沉积、海洋生产力等产 生巨大影响。2 0 0 3 年6 月三峡工程开始拦蓄上游来水来沙，从而使下泄的江水 变清，泥沙含量呈持续减少之势。 长江冲淡水冬季限制在闽、浙近岸的强盐度峰面以内顺岸南下。进入仲春季 节后，长江入海径流起初顺河口朝向直下东南，至离岸稍远处发生气旋式偏转。 夏季长江冲淡水一般指向东北，洪水期长江冲淡水舌可延伸到济州岛附近，几乎 遍及东海西北部，还影响到南黄海南部，甚至南黄海中部。秋季又开始向南偏转。 1 3 2 黄东海自然环境 黄海为半封闭陆架浅海，位于3 1 0 4 0 q 9 0 5 0 n ，1 1 9 0 1 0 一1 2 6 0 5 0 e 之 间，北接辽宁，西与渤海相通，南与东海相连，以长江口北角与韩国济州岛西南 角连线为界，面积为3 8 万平方公里，平均水深4 4 米，海底地形平坦，最大水深 1 4 0 米，位于济州岛北侧。黄海海底地形从岸向外倾斜，水深等值线基本上是南 北走向，在中部有一个7 0 8 0 米深的黄海海槽，地势平坦。 东海是西北太平洋北部一个比较开阔的陆架边缘海，位于2 1 0 5 4 3 3 0 1 7 n ， 1 1 7 0 0 5 1 3 1 。0 3 e 之间，北与黄海相连，南以福建的东山岛南端至台湾的猫鼻头 连线为界与南海相通，面积7 7 万平方公里，其中大陆架面积约为5 7 万平方公里， 平均水深7 2 米。东海大陆架在我国各海区最宽阔，略呈扇形，水深大部分在 6 0 - 1 4 0 米，陆架边缘海转折处水深多为1 4 0 1 8 0 米。南部台湾海峡大部分在1 0 0 米以内，平均水深6 0 米，地形地貌较复杂，海底有许多宽阔低矮的海山或隆起 及一些浅海槽。 黄东海的主要年海流系统有沿岸流、陆架流和黑潮暖流。黄海沿岸流终年自 北往南流动，而浙闽沿岸流冬季向南夏季向北。在黄海深槽冬季有北上的黄海暖 流，其源头可追溯至藕东海东北部，而在东海陆架上则有终年北上的台湾暖流。 黑潮暖流沿东海陆架波折带向偏东北方向流动。 9 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 k ：黑潮；k c c ：黑潮逆流；t w c ：台湾暖流：t s w c ：对马暖流；c w c ：济州暖流； y 、c ：黄海暖流；l b c f ：鲁北沿岸流；s b c f z 苏北沿岸流；c d w ：长江冲淡水i m z c f ：闽浙沿岸流；s t c c ：副热带逆流 图1 2 黄、东海暖、冷半年的示意图 冬季表层和底层水温分布趋势一致，水温值由沿岸向外海，由北向南逐步升 高；夏季表层和底层的水温分布趋势不同，温跃层出现，底层温度梯度普遍较表 层大，而表层水温分布一般较均匀在2 5 - 2 8 ，由北向南略有增加。 盐度主要受外海高盐水和沿岸低盐水影响。由大陆径流流入海的沿岸低盐水 在沿岸区及河口附近形成较明显的低盐区，夏季长江口表层低盐水舌伸向东北 方。外海则主要受来自黑潮的高盐水影响，而呈高盐区。冬季由于雨水少，蒸发 量大，江河径流量小，盐度较高，大部分水域盐度垂直分布一致，水平分布差异 较小。夏季由于是降水的集中季节、河流的汛期，入海径流量剧增，沿岸水影响 范围扩大，表层盐度降到最低。在沿岸水表层伸展所及的海区，上下海水明显变 化，在河口区盐跃层强度显著增大。 i 0 洪水及裁流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 1 3 3 研究进展 长江入海物质在东海陆架上的输运过程和沉积通量是“中国主要河口及邻近 陆架海域相互作用”的核心研究问题之一许多学者已从悬浮物质的搬运 ( m i l l i m a ne ta 1 ，1 9 8 5 、1 9 8 9 ) 、沉积动力条件( h u ，1 9 8 4 ；q ue ta 1 ，1 9 9 3 ) ， 悬浮体含量分布及输运( 秦蕴珊等，1 9 8 9 ；郭志刚等，1 9 9 7 ；孙效功等，2 0 0 0 ) 、 悬浮体的粒度分布( 李军等，2 0 0 3 ) 、悬浮颗粒物的垂直通量( 郭志刚等，1 9 9 7 ； 张岩松等，2 0 0 4 、2 0 0 5 ；) 悬浮体的絮凝作用( 杨作升等，1 9 9 2 ；雷坤等，2 0 0 1 ) 等方面进行了研究。 郭志刚、杨作升等( 2 0 0 2 ) 认为，长江入海物质和东海陆架生成物质向外海 以至冲绳海槽输送主要是在冬季枯水期，而不是在夏季洪水期；其主要动力是季 风驱动的海洋垂直环流加冬季再悬浮过程，夏季大量入海物质沉积于河口附近； 偏南风产生上层向外海、底层向陆的垂直环流，阻止了沉积物向外输运。冬季， 偏北风产生了相反的垂直环流，加上强风引起的再悬浮，底层悬浮沉积物质向外 海直至冲绳海槽输运。 1 9 9 8 年6 月1 1 日至8 月2 9 日长江干支流多次遭遇、叠加组合成峰高量大的全流 域多峰型洪水过程，最大6 0 天洪量重现期超过1 0 0 年。由此，王保栋等( 2 0 0 2 ) 根据此次长江流域特大洪水期间黄海、东海的现场调查资料，讨论了洪水入海对 黄海和东海陆架区化学水文学的影响，得出长江冲淡水中的营养盐( 包括硝酸盐、 亚硝酸盐、硅酸盐) 向东扩展可接近1 2 8 。e 的认识。 而举世闻名的长江三峡一期蓄水工程于自2 0 0 3 年6 月1 日开始，到6 月1 0 日结束。为了研究长江三峡工程蓄水对长江口环境的影响，翟世奎等在6 月1 5 日至6 月2 4 日期间调查了长江口区悬浮体浓度和浊度的关系，发现二者成较好 的对数关系。 1 4 本论文的研究意义 本论文从有机地球化学角度，通过研究黄东海和长江口悬浮颗粒有机质及其 稳定碳、氮同位素组成的分布特征，以期了解天然因素( 1 9 9 8 年长江特大洪水) 对长江入海悬浮有机质在黄东海海域运移的影响和人为因素( - - 峡截流) 对长江 口区悬浮颗粒有机质元素含量分布的影响。 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 第二部分实验方法 本论文主要针对南黄海和东海区域及长江口口门区域的悬浮体资料，进行了 c 、n 元素及其稳定同位素组成的分析。 2 1 采样方法 利用5 l - n i s k i nc t d 系统分层采样，根据水深及实际情况，每个测站测量 1 5 层水样不等。采集的水样立即用负压抽滤法经w h a t m a ng f f ( 孔径0 7 u r n ) 滤膜抽滤并洗盐( 2 3 次) ，滤膜在4 5 0 下预灼烧2h ，并用l 驴电子分析天平 预先称量，按2 0 设置校正膜。各层水样抽滤量视悬浮体多少而定，一般在 1 0 0 0 - 2 0 0 0 m l 之间。过滤后的滤膜2 0 保存，直至进行室内的实验室处理。 在2 0 0 4 年航次对长江口的采样中，由于水深较浅，未能使用c t d 采样器， 因此只用采水器采集表底两层水样，没有温度和盐度参数。 2 2 分析方法 悬浮体样品带回陆地实验室后主要进行三部分内容的测定：( 1 ) 悬浮体称量 ( 2 ) 碳，氮元素分析( 3 ) 碳，氮稳定同位素组成测定 为避免实验室环境、试剂和器皿对悬浮体样品的污染，实验所用器皿均先用 稀酸或洗洁精浸泡，然后用蒸馏水冲洗干净，在4 5 0 灼烧至少2 小时；市购铝 箔、石英管以及c u o 直接在4 5 0 c 灼烧至少2 小时，铜丝需用石油醚浸泡除去 有机物质。 2 2 1 悬浮体称量 冷冻保存的滤膜回到实验室后利用真空冷冻干燥机干燥，并且需要经过多次称量一干燥 的过程，直至前后两次称质量的误差在0 0 l i n g 之内，一般情况至少需要冷冻干燥2 4 小时。 称空滤膜质量和悬浮体质量用的天平为同一架天平，其精度为1 0 - 5 2 2 2 碳、氮元素分析方法干式燃烧法 颗粒有机碳、氮的分析方法主要有干法和湿法两种。本论文采用的是干式燃 1 2 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 烧法，此法所使用的仪器为元素分析仪，该仪器是一种快速、准确分析有机样品 中c 、h 、n 、s 、o 百分含量的现代分析仪器，并已广泛用于医药、生化、石油 化工、环境、海洋基质( 悬浮体、沉积物等) 和食品等领域的碳氮含量测定。 2 2 2 1 试剂和仪器 ( 1 ) 试剂 标准物质：乙酰苯胺( c7 1 0 9 ，h6 7 1 ，n1 0 3 6 ) ；高纯氧气( 9 9 9 9 5 ) ； 高纯h e 气( 9 9 9 9 ) 。 ( 2 ) 仪器设备 v a r i oe l 元素分析仪( 德国e l m e n t a r 公司) ，m 2 p 型微量电子自动分析天平 ( 1 0 6 ) 2 2 2 2 工作原理 有机质样品在燃烧管中高温燃烧，生成0 0 2 、h 2 0 和n o x 氧化物，然后经 自然铜还原和杂质去除过程，n o x 被转化为n 2 ，经吸附一解吸柱或色谱柱分离， 最后经t c d 检测，计算出c 、h 、n 的百分含量。v a r i oe l 1 l i 有机元素分析仪 结构原理图如下 图2 1v a r i oe l 一川有机元素分析仪结构原理图 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 2 2 2 3 分析过程 分析过程主要包含两个独立部分，其一：样品的前处理过程，即将样品酸化、 干燥的过程。将放在表面皿上的滤膜置于5 0 的电热板上，向其滴加1 0 h c i 除无机碳酸盐，直至滤膜上的气泡消失为止，然后继续在电热板上烘干，待元素 分析；其二：有机c 、n 元素分析，操作步骤如下： ( 1 ) 开机程序：仪器开机，选择c h n 模式，设定炉温分别为炉1 ：9 5 0 。c ；炉2 ： 5 0 0 ，炉3 ：0 c ，然后检漏。 ( 2 ) 选择标准样品( 乙酰苯胺) ；根据称样量的大小，选择合适的加氧方式。 ( 3 ) 用电光天平准确称取标样和待测样。样品测定顺序为：1 个空白，3 个 r u n - i n ( 约2 - 3 毫克) ，3 个标准样品( 约2 3 毫克) ，2 0 个样品 ( 4 ) 标样校正：检查3 个标样数据是否平行，若平行，则进行f a c t o r 校正；若 只有2 个标样数据平行，则只对这2 个数据校正；若3 个都不平行，则需重新称 样，直至至少有2 个数据平行。 ( 5 ) 样品分析完后保存数据。 ( 6 ) 关机程序：将炉l 温度降至7 5 0 ，关闭主机，关闭气体。 在仪器处于正常状态下，空白值直接影响着测定值，特别是对绝对含量较低 的组分来说，空白值的高低，稳定与否，对测定结果的准确度及精密度的影响更 大，所以在测定之前，必须做到空白值稳定，扣除空白值。 用电光分析天平称取样品时，需用锡舟包裹样品，此过程需特别小心，否则 导致样品损失，将产生较大误差甚至错误。 2 2 2 4v a r i oe l i i i 元素分析仪法测定有机碳、氮含量精密度和准确度的验证 精密度是指一段时间内连续测量所得测定值的重复性，通常用标准偏差s 来表示；而准确度指的是测量值偏离真值的程度，通常用回收率来表示。精密度 好是准确高的必要条件。在仪器正常运行之后，称取乙酰苯胺约3 - 4 m g ( 5 次) ， 按照操作程序进行测定。测定数据如表2 1 所示： 1 4 洪水及截流对长江入海悬浮有机质分布和扩散的影响 c ( )7 1 0 97 0 9 77 1 0 07 1 0 37 1 0 47 1 0 0 7 1 0 1 0 0 2 2 9 9 8 9 由表2 1 可以看出，用 c a r l oe l - i l l 元素分析仪测定颗粒有机碳、氮含量具 有很高的精确度，其标准偏差分别为0 0 2 2 和0 0 0 9 ，回收率都大于9 9 。 为了确保c 、h 、n 元素分析准确度，样品的进样量是非常关键的，一般情 况取样量为2 - 2 0 0 m g 。若取样量过少，由于仪器本身的灵敏度限制，则会使测试 结果产生较大的误差；如果取样量过多，则可能使样品燃烧不完全，这样测出的 结果比其真值偏低。 2 2 3 碳、氮稳定同位素组成的测定方法 在常规的稳定同位素分析中，所有的样品须先转换成纯气体产物后才能在质 谱仪上进行分析对碳和氮稳定同位素而言是要将样品中的碳和氮分别转化为 c 0 2 和n 2 ，然后再在质谱仪上分析。 实验分三大部分：样品的前处理过程、气体( c 0 2 和n 2 ) 的制备过程和质 谱仪的测量过程。气体的制取过程是非常关键的，直接决定着实验结果的正确与 否。近几十年以来