（环境科学专业论文）长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量.pdf

并不平衡，丰水期远大于枯水期；并结合文献，提出全球现有d o c 入海通量可 能高估。 关键词：溶解有机碳；行为通量；长江、珠江口 a b s t r a c t & v e m e e x p o r to fd i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ( d o c ) r e p r e s e n t s 锄i m p o r t a n t c o m p o n e mo fg l o b a lc a r b o nc y c l i n g d o cs t u d i e si nt w oc h i n e s e l a r g er i v e r e s t u 撕e s ( c h a n g j i a n ga n dz h u j i a n g ) r e m a i nv e r yl i m i t e d ，t h ec o n s e q u e n c eo f 、h i c hi st h a tt h e b l o g e o c h e r o i c a lb e h a v i o ro fd o ci nt h e s et w ol a r g ew o r l de s t u 撕e si s s t i l ln o tw e l l 眦d e r s t o o d ，a n dt h ed o c e x p o r tf l u x e sf r o mt h e s et w or i v e r sa r en o tw e l lc o n s t r a j n e d it l i s1 s c o m p o u n d e db yt h e i n c r e a s i n g a n t h r o p o g e n i ci n f l u e n c eo nt h e s et w o n v e r e s 咖s y s t e m sw i t ht h ee x t r e m e l yr a p i de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti n t h e s er e g i o n s i nt h i st h e s i s ，w ee x a m i n et h ed o c a n dt o t a lo r g a n i cc a r b o n ( t o c ) i nt h e c h a n 目1 a n gr i v e re s t u a r y ( c j e ) a n dt h ez h u j i a n gr i v e re s t u 唧( z j e ) b a s e d 0 n6 c m l s e si nt h ec j ec o v e r i n gf o u rs e a s o n sa n d3c r u i s e si n s p 血g ，s u m m e r 锄dw i i l t e r i i l t h e z 厄 t h en v e re n d m e m b e ro fd o ci n t h e c j es h o w sas e a l s o n a l v a r i a t i o n 勰 s p 册g s u 咖e r 北江 西江，魏秀 国的采样点位于西江马口站和北江的河口站以及东江的博罗站 3 0 1 ，即珠江各支流 汇入三角洲河网以前。c a u w e t 等( 2 0 0 2 ) 对珠江的d o c 碳通量所做的估算为1 1 t g a t 6 1 。 总之，长江口和珠江口的d o c 研究才起步，对两大河口的d o c 行为尚缺乏 季节变化的研究，通量的研究尤其缺乏。 至此，笔者找到验证科学假设的方法，即以长江口和珠江口为研究对象，通 过多个航次，摸清两大河1 3 d o c 的行为，进而准确估算d o c 通量，然后以此为 基础，与现有数据相比较，如果可以证明现有数据高估，而结果又具有普遍意义 的话，则科学假设至少将得到部分验证。 因此，本论文拟解决具体的科学问题为：长江口和珠江口d o c 行为特征如 何? 长江口和珠江口d o c 的年通量是多少? d o c 与初级生产的潜在关系如何? 通过本论文研究，较深入地了解长江口、珠江口d o c 时空分布特征及季节 变化规律，并初步探讨长江口、珠江口d o c 的生物地球化学的异同点，重点解 决d o c 通量的问题。 本论文的框架安排如下： 第一章主要是文献综述，分别概述了海洋碳循环研究、河口d o c 研究的意 义，长江口和珠江口d o c 研究现状，并明确提出本论文所要解决的科学问题。 第二章介绍研究区域和方法，包括长江和珠江流域特征、水系、河口的潮流 潮汐以及水化学要素和季节变化等，并介绍了本研究所涉及的航次的基本情况； 长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量 航次的基本情况：研究方法包括走航采样法的介绍，数据比对结果，并简单介绍 了d o c 和其它参数的测定方法。 第三章介绍长江口和珠江口各季节d o c 的分布及混合行为。在长江口，分 别探讨了长江淡水端的d o c 及季节变化( 简单介绍了黄浦江的d o c ) ，以及咸淡 水混合区的d o c 及季节变化。在珠江口，分别就d o c 在春、夏、冬三个季节 的分布、混合行为进行了探讨；并利用三端混合模型计算虎门上游稀释和降解絮 凝对d o c 降低的贡献。 第四章主要是有关d o c 碳通量的探讨。在充分了解了长江口、珠江口d o c 行为及季节变化的基础上，估算出长江口和珠江口d o c 的年通量并与世界主要 河流比较。 第五章主要是有关d o c 行为的探讨，重点讨论d o c 与浮游植物生产的关 系。 最后，总结了本论文所得到的主要结论，并提出本论文尚未解决的科学问 题，提出今后需要重点解决的研究课题。 第一$ 研究e 域厦实验方法 第二章研究区域及实验方法 第一节研究区域和航次简介 2 1 1 长江口 长江是中国第一大河，流域面积l8 x 1 0 6k m 2 ，约占全国陆域总面积的1 87 5 。长度为6 3 0 0k m ，位居世界第三；流量为92 4 1 0 1 1n ，a 川，占中国河川径 流总量的3 6 左右：长江流域平均年降水量为1 0 6 7m m ，流域的降水受季风影 响，年内分配很不均匀，约有7 0 9 0 集中在5 1 0 月4 。 长江口位于副热带季风气候区，风向季节性变化十分明显，夏季盛行偏南 风，冬季盛行偏北风，长江口设太通和徐六泾两个水文站，长江口地图见图1 。 图1 长江口地e f l ( g o o g l ee a r t h 截图l f i g 1s k e t c h m a po f t h e c h a n g j i a n g r i v e r e s t u a r y 资料来源：h 郇：撕w w l i b w h ue d u 刮瞄a r d 帆k ，q h 口b t m 7 长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量 长江口呈“三级分汉，四口入海 的格局。长江河口口门宽阔，径潮流强劲、 泥沙运动复杂、是世界上典型的沙岛型多级分汉中等潮汐河口。长江口口外潮汐 属正规半日潮，潮周期为1 2h 2 4 分钟，潮波进入长江口以后，由于水深变浅， 加上径流作用逐步发生变形而成为非正规半日潮。长江口进出潮量巨大，约为多 年平均径流量的9 倍，达2 6 3x1 0 5m 3 s ，且冬季海水入侵较夏季显掣3 1 1 。 长江口的水文结构非常复杂，除长江冲淡水外，尚有北上的台湾暖流和南下 的黄海沿岸流。长江径流量最大变幅可达2 0 倍，年内变幅一般为7 倍左右f 3 i j 。 刘新成等( 2 0 0 2 ) 计算了长江大通站( 位于长江河口潮区界附近，距口门约6 2 0 k m ) 从1 9 6 3 年1 月至1 9 9 9 年1 2 月之间的月平均流量( 图2 ) ：长江丰水期在每年 4 月1 0 月之间，其中7 月流量最高，多年的平均值为5 2 1 8 3m 3 s ；枯水期在每年 1 1 月至奕年3 月，其中1 月份流量最低，多年的平均值为1 1 0 0 8m 。每年丰水 期的流量占到全年流量的7 1 7 f 3 2 1 。必须指出的是，长江大通站的流量与长江的 入海流量并不完全一致，这是因为大通水文站距长江入海口6 2 0k m ，其间既有 较大的支流汇入，也有人为取水工程的流出：大的支流如黄浦江，水量占长江总 水量的l 左右；而人为取水能力已达7 0 0 0m 3 s ，日平均抽水能力达4 6 0 0 矗s 1 3 3 】。实际上，由于同样的抽水量在枯水期所占长江流量的比例增加，枯水期人为 调控的影响更加显著。但大通水文站的资料较徐六泾水文站( 距口门约l1 0k m ) 更完整，故本研究在进行计算时仍采用大通站的资料。 第二章研究区域及实验方法 圣5 0 0 0 0 目 。4 0 0 0 0 营 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o j a mf e b a p r m a yj u n j u l a u g s e p o c t n o v d e c 图2 长江大通站3 7 年平均流量【数据来自刘新成等( 2 0 0 2 ) 】 f i g 2l o n g - t e r mw a t e rd i s c h a r g eo fc h a n g j i a n ga td a t o n g 长江冲淡水在不同季节同时向北或南形成两条水舌，它同时受长江本身入 海径流量，台湾海峡的台湾暖流及东海高密水环流( 冬季有一高密度水核心存在 于长江口外东南、水深为5 0 1 0 0m 的区域) 的影响，即东海高密水环流愈强，长 江冲淡水向外海扩展得愈远阱, 3 s l 。长江口咸淡水混合存在不同的混合形式，如高 度分层型，出现在径流大的夏季；强混合型，出现在径流量小的冬季；其余时间 为盐楔型，据估算，全年出现盐楔型的概率为6 0 7 0 1 3 6 1 。 长江硝酸盐的年入海通量2 0 0 0 年为1 4 9 9 1 0 5t ，而1 9 6 3 年为1 0 x1 0 5 0 3 刀， 4 0 年间增长了1 0 倍以上，这可能极大地改变长江口的生态环境；此外，三峡工 程对长江口生态环境的影响也很大，已有报道长江三峡蓄水后，夏季c h l 口浓度 值偏低且高值区向口门方向西移1 3 9 1 ，与此同时，从5 0 年代至9 0 年代每年发生赤 潮的数量增加2 5 倍f 3 9 】。 长江的支流一黄浦江流经上海市区，受人为排放的影响显著，但黄浦江的水 量不大，约占长江总水量l b 。 。资料来源：h t t p ：w w w e n v i r o n l i n e s l l c n c e c t 2 0 0 0 - 2 1 2 h t m - 9 - 享。口q基o函lii葛。芝 垦些! 、壁垩! 塑鳖鱼! 堡堕塑塑羔望里 2 1 2 珠江口 珠江流域， 位于东经1 0 2 1 41 1 5 。5 3 + ，北纬2 l 3 12 6 。4 9t 之间流域总 面积0 , 4 5 1 0 6 k m 2 ，受亚热带气候控制。珠扛全长2 2 1 4h n 河口处年平均径流 量33 6 1 07 i t i j a 。珠江流域地图见图3 。 图3 珠江口地图( g o o g i ee a r t h 截图) f i g 3s k e t c hm a po f t h ez h u j i a n gr i v e re s t u a r y 珠江流域由西江、东江、北江、珠江三角洲诸河四大水系组成。西江是珠江 的十流，全长2 2 1 4k m ，年径流量2 0 0 1 0 3m ，占年径流总量6 58 4 。西江流 域有两个特点，一方面，季风气候导致的高温多雨和温湿同季的环境特征使西江 流域成为北半球中低纬度少有的生物高产地区，生物地球化学反应强烈：另一方 面，境内多为高原和山地丘陵，地形起伏大，加之人口密度大和长期的耕作农业 历史，使得流域内表上的机械侵蚀作用也较为强烈捌。北江是珠江流域第二大水 系，北江干流从源头至思贤活全长4 6 8k m ，年径流量为5 1 0 x1 0 8 一a 占总年径 第二章研究区域及实验方法 流量1 5 2 ；东江是珠江流域第三大水系，全长5 2 0k m ，年径流量2 6 0 x1 0 8 m 3 a ， 占总年径流量7 6 ；三角洲诸河年径流量为2 9 0 1 0 8m 3 a ，占总年径流量8 7 。 径流的年内变化受降水支配，丰水期由于降水集中( 每年4 月至1 0 户j ) ，其径流量 可占全年的7 5 8 5 。 珠江水系各河径流汇集于三角洲后，通过八条水道注入南海，各水道之出口 称为“口门”，故珠江共有八大口门。东边注入伶仃洋的口门有四个，从东向西依 次为虎门、蕉门、洪奇( 沥) 门和横门；西边注入的有磨刀门、鸡啼门、虎跳门和 崖门。这里介绍一下航次中调查的虎门和崖门的基本情况：通过虎门注入伶仃洋 的径流包括东江的全部径流，西、北江的部分径流以及珠江三角洲本身的部分径 流，径流量为6 0 0 1 0 8m 3 a ，占珠江入海总径流量的1 8 5 ，输沙量6 6x1 0 6t a ， 占珠江入海总输沙量的9 3 ；崖门是珠江八大口门中最西边的一个口门，潭江流 域的径流主要通过银洲湖从崖门出海。崖门径流2 0 0 x1 0 8 m 3 a ，占珠江总入海径 流量的6 ，输沙量3 6 1 0 6t a ，占珠江入海总输沙量的5 1 ，最大涨潮差2 7 3m ， 最大落潮差2 9 5m 。其余口门的年均输水输沙量见表2 。 表2 珠江各口门水量年均水量，输沙量及平均总悬浮物 t a b l e2a v e r a g ea n n u a lw a t e r , s a n de x p o r ta n dt s mi ne i g h to u t l e t si nt h e z h u j i a n ge s t u a r y 资料来源：赵焕庭，珠江河口演变，海洋出版社，1 9 9 0 ，p 1 1 0 1 l l 。总悬浮物为本论文作者计算 伶仃洋平均潮差0 9 3 m ，属弱潮河口湾。八大口门中，以虎门和崖门的纳潮 量最大，二者之和超过了八大口门总纳潮量的7 0 ，9 0 年代以来，虎门径流在增 长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量 大，虎门和磨刀门占总流量近5 0 ，且虎门净泄量已与磨刀门相当 4 0 1 。 虎门上游河段有机物污染极为严重，有机污染物来源既有工业废水，也有生 活污水。珠江志( 1 9 9 1 ) 的资料表明在二十世纪八十年代，糖厂是珠江流域有机 污染来源的大户，每年枯季( 1 3 月) 开榨制糖，是造成此时局部河水黑臭的重要原 因；同时，珠江三角洲星罗棋布数以百计的工业卫星城镇，居民产生的生活污水 也是珠江三角洲有机污染加重的原因【4 l j 。 珠江入海水体的营养盐负荷以高n 、p 和高n p 比为特点，例如其中n 0 3 - n 为 世界河流平均含量的8 1 倍【4 2 j ，珠江1 2 1 及邻近南海北部海域存在从富营养到寡营 养环境的变化过程 4 3 1 。 2 1 3 长江、珠江口采样站位设置 图4 、图5 是在长江河口六个航次和珠江口三个航次的站位图。每个航次分 别沿江上溯调查长江淡水端和往口f - j 多 l - 调查海区的d o c ，同时，作为比较，在 各个航次中( 除2 0 0 3 年8 月外) 还调查了黄浦江中d o c 的分布情况( 黄浦江中采样 点的距离为采样点至吴淞口的距离。) 。2 0 0 6 年4 月春季航次，因海况恶劣，海向 水样的盐度最大只采到5 2 ，距离长江口门还不到3 0k m d ，故将2 0 0 6 年4 月2 6 、 2 7 日在c h i n a s o l a s 航次中位于黄海的g 0 3 ，g 0 5 站合并讨论。2 0 0 5 年9 1 0 月秋季航次中因采样点太少，淡水端采样点从距离口门8 0k m 起算。2 0 0 5 年1 2 月和2 0 0 6 年1 月分别进行长江口冬季两个航次调查，其中2 0 0 5 年1 2 月航次主 要调查了长江口淡水端、一部分海区以及黄浦江d o c 的分布；2 0 0 6 年1 月航次 时间为2 0 0 6 年1 月1 日1 月3 日，主要调查了长江口门外海区d o c 的分布。 珠江口三个航次中分别调查了珠江口虎门上游珠江广州段、东江分支、伶仃 洋、崖门d o c 的分布。当然，每个航次的航程不尽相同，2 0 0 6 年3 月2 6 日3 月3 1 日春季珠江口的调查范围从珠江口上游距虎f 3 7 0k m ( 7 0k m ，珠江广州段，位于 1 1 3 2 2 0 e ，2 3 1 1 0 n ) 至伶仃洋中距虎f - 8 8k m ( 8 8k m ，位于1 1 3 8 6 0 e ，2 2 0 0 0 n ) ， 并调查了东江的三个分支( 东江南支，东江中支，东江北支) d o c 的分布情况。2 0 0 5 年8 月2 日至8 月9 日珠江口调查同样上溯至珠江广州段并调查了东江的三个分支 d o c 的分布情况；伶仃洋中调查了主航道，最远至外伶仃洋1 1 0k m ( 1 1 4 0 1 0 e ， 2 1 8 2 0 n ) 的采样点，伶仃洋中发现水华并同时采集d o c 和t o c 样品，此外，还 。吴淞口( 1 2 1 5 。e ，3 1 4o n ) 在长江口f ( 1 2 2 0 0 0 0 。e ，3 1 1 0 0 0 。n ) 上游5 6 公里，为黄浦江在长江的出1 2 1 8 规定( 1 2 2 0 0 e ，3 1 1 0 n ) 为长江口门的经纬度以计算采样点至口门的距离，在此点以内的长江口采样点至口 门距离为负值，在此点以外的海区采样点至口门的距离为正值 第二章研究区域及实验方法 进入崖门采样。2 0 0 4 年2 月1 2 日至1 5 日冬季航次调查了珠江口虎门及伶仃洋。由 - ：2 0 0 4 年冬季珠江流域大旱m j ，船只上溯到离虎门5 0k m ( 1 1 4 1 0 e ，2 3 0 0 0 n ) 便 不再上行，本航次中还进行了虎门口的2 4h 连续观测站调查( 2 0 0 4 年2 月1 3 日2 月 1 4 日) 。2 0 0 4 年2 月在崖门中还采集了d o c 样品，但由于一些原因至今未测。 采样点设置：在长江中盐度不变，每2h 采样一次；在盐度产生变化的水域 将盐度划分为两个范围：在0 2 0 时，盐度每隔3 采样；若超过2 0 ，则每隔5 采 样。对于盐度大于2 0 或水华发生的区域，同时采集t o c 样品。在2 0 0 6 年1 月 初长江口冬季航次中，由于在海区盐度变化不大，采样每隔半个经度( 沿纬度线 航行时) 或纬度( 沿经度线航行时) 采样。 长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量 ，- 、 z 已 。 勺 = = 葛 一 3 5 3 3 3 2 3 l 1 1 91 2 01 2 1 1 2 21 2 31 2 4 l o n g i t u d e ( o e ) 图4 长江口各季节采样站位图内河口区位于两条竖线之间 ( 1 2 1 。0 0 一1 2 2 。0 0 ) 。 f i g 4s k e t c hm a po ft h es a m p l i n gs t a t i o n si nt h ec h a n g j i a n gr i v e r e s t u a r yi nv a r i o u ss e a s o n s ，i n n e re s t u a r yl o c a t e db e t w e e nt h et w od o t l i n e s ( 1 0 c a t e da t1 2 1 00 0 - 1 2 2 00 0 ) 2 3 5 2 3 2 2 5 2 2 2 1 5 l1 31 1 3 51 1 4 1 1 4 51 1 5 l o n g i t u d e ( o e ) 图5 珠江口春夏冬三个航次站位图 f i g 5s k e t c hm a p o ft h es a m p l i n gs t a t i o n si nt h ez h u j i a n gr i v e re s t u a r y i nv a r i o u ss e a s o n s 1 4 乞。百pr量_j 第二章研究区域及实验方法 第二节d o c 采样 2 2 。1d o c 采样准备 d o c 属于痕量分析的范畴，故获取高质量的d o c 数据实属不易，反过来说， d o c 样品极易玷污，丽玷污可能源自于现场采样手段或器具、样品处理以及分 析操作等各个过程，所以，如何采到高质量的d o c 样品是做好d o c 研究的第 一步，笔者在这方面傲了一些改进工作，详细介绍如下。 样品瓶的选择及预处理直接关系到样品的玷污问题。本文采用了4 0m l 硅 硼化玻璃瓶p y r e x ，此类样品瓶相比于磨口玻璃样品瓶，具有体积小、便于储藏 和运输，密封性强等优点。为防止塑料瓶盖及橡胶垫释放有机物对样品的玷污， 需外加聚四氟乙烯( t e f l o n ) 垫片。所有的用品及用具必须预先进行处理。瓶盖 用2m o l lh c i 冲洗三遍，m i l l i q 水冲洗三遍后，置于洁净室中洁净台( 洁净室 为1 0 0 0 级) 内吹干。t e f l o n 垫片耐强酸、强碱，经过2 0 0 m i c r o 洗涤剂( c o l ep a n n e r 公司) 、5 硝酸、2m o l l 盐酸分别浸泡2 3 天，用m i l l i q 水冲洗干净，置于洁 净室吹干后垫于盖子内。玻璃样品瓶先经m i l l i q 水冲洗3 次，于5 0 0 灼烧5h 后，加盖备用。g f f 滤膜使用前于4 0 0 。c 灼烧4h t 4 5 1 。 针对河口d o c 研究的特点( 站位密集，滤膜易堵塞) ，在实践中发展起走航 采样法。经过实验室空白实验及几个航次的实践，此法结果可靠，采样简单。 图6 是滤芯清洗系统示意图。溶液在水泵的作用下，经过循环从而将滤芯洗 净。 n。 一， _ 5 7 p u m p p pf i l t e r c a r t r i d g e r e s e r v o i r 、 ，、 图6 滤芯清洗示意图 f i g 6s k e t c hm a po ft h ep pf i l t e rc a r t r i d g er i n s i n gs y s t e m 1 5 - 长江口、珠江口溶解有机碳的行为与通量 图7 为滤芯空白随处理过程降低的过程。图( a ) 横轴为每个处理过程所用的 溶液，纵轴为清洗后溶液中d o c 浓度( 1 t m o l l ) 。首先用m i l l i q 水进行3 0 分钟 循环，发现m i u i q 水中d o c 的浓度上升为4 21 t m o u l ，说明原来滤芯吸附d o c ； 然后再用o 0 1m 0 1 l n a o h 溶液循环3 0 分钟，发现n a o h 溶液中d o c 浓度高达 6 1g m o l l ，说明用碱液可以更有效的洗脱滤芯吸附的d o c ，为了更彻底的洗脱滤 芯d o c ，总共用n a o h 溶液循环三次，最后再用盐酸溶液进行三遍处理之后， m i l l i q 中的d o c 浓度才降下来( 最终空白值为3j t m o l l ) 。图( ”滤芯经过即使 是6 0 0 0g m o l l d o c 溶液循环o 5h 后，通过一系列的处理步骤后，空白仍然可降 至极低，这就说明p p 吸附d o c 的过程是可逆的，在实际应用中，若先过滤大量 现场水，使滤芯吸附d o c 达到饱和，以后采样则不受滤芯的影响。 兰 兰一 i 呈 3 未一 暮罨 n 呈 i j i 暑 呈 暑l 呈 兰_ i i 墨_ ：； ii i 三一呈 蔓lx 匝= = 昌8 导昌 。 ( q | o m r ) d o ( 3 k，弓8l o目g专暑一：晨k4鲁=5m p i - c t 。- o = # 山暑(-，。二口目量_二koj口。暑卫=：百l一，i。目i o。口)#i