（环境科学专业论文）黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征.pdf

黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 湾的中部递减，黄河口附近受黄河输入陆源物质的影响由河口向外递减；d l c 表 层浓度高于底层浓度，整体呈现由西南向东北递减的趋势，可能是小清河河流带 入的有机物发生了降解导致湾西南部区域d i c 含量较高；p i c 的分布，表层从 黄河口向东南呈舌状递减，底层以黄河口为中心，向东和东南方向递减。 4 7 月份黄河调水调沙期间和9 月份秋汛期相比，受径流量的影响，7 月份黄河 对莱州湾的影响较大，而9 月份黄河的影响有所减弱，小清河的影响却显现出来。 主要表现为：d o c 及表层p o c 的水平分布基本呈由西南向东北递减，而底层 p o c 的分布呈由黄河口向东和东南方向递减；7 月份受调水调沙带来大量高碳酸 盐含量的黄河冲淡水的影响，河口附近及莱州湾的中上部区域d i c 浓度高于9 月份d i c 浓度，而9 月份在西南部小清河带入有机物可能发生了降解，致使此 处d i c 浓度高于7 月份d i c 浓度；悬浮颗粒物的分布并无大的区别，但p i c 却表现出与7 月份不一致的行为，含量有所上升，且不再完全受泥沙的控制， p i c 与t s s 的关系表明t s s 的组成发生了变化，以细颗粒成分为主。 关键词：有机碳；无机碳；调水调沙；黄河；莱州湾 i v 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 p a r ti1 3 1 1ia t eo r g a nicc a l b o r lc o n t e n tint o t ais u s p e n d e d s o ii dd u r i n gw a t e ra n ds ii td i v e r s i o n t e s ti nt h e h u a n g h er i v e ra n dt h eb e h a v i o ro fc a r b o ni nl a i z h o ub a y a b s t r a e t c a r b o nw a si n v e s t i g a t e di ne s t u a r yo f t h eh u a n g h er i v e ra n dl a i z i l o ub a y b a s e d o i lt h ed a t a , t h eb e h a v i o ro ft h ep a r t i e u l a t e do r g a n i cc a r b o nc o n t e n ti ns i z e - f r a e t i o n e d t o t a ls u s p e n d e ds o l i d sd t n i n gw a t e ra n ds i l td i v e r s i o nt e s ti nt h eh u a n g h er i v e ra n dt h e b e h a v i o ro ft h ec a r b o ni nl a i 出o ub a yw e r ed i s c u s s e d t h em a i ne 0 1 1 e l u s i o n sa l - e ： f o l l o w e d ： 1 d u r i n gw a t e ra n ds i l td i v e r s i o nt e s ti nt h et t u a n g h er i v e r , t h ew e i g h tp e r c e n t a g eo f p a r t i c u l a t eo r g a n i cc a r b o n 口0 c ) i nt s so f t h ef r e s h w a t e rr a n g e df r o m0 6 t oo 4 f o rf i n e p a r t i c l e s ( 6 3 i l i l lp a r t i c l e st h ev a l u e sw e 0 1 1 l y0 0 5 * * a n d0 0 0 5 r e s p e c t i v e l y ，n l o r e t h a n8 0 o f p o ca r e c o n c e n t r a t e d i n t h e f i n e p a r t i c l e s ( 1 6 岬- n ) w h i l e o v e r 9 5 o f p o c w e l - e c o n c e n t r a t e di np a r t i c l e so fs i z e3 2 i l l ：n a l l dt h ed a i l yp o cf l u x 幻t l l es 龃i ns i z e - f r a c t i o n e d t s sw e mc s t i m l t t e di nj u n e , 2 0 0 5 2 d u r i n gw a t e ra n ds i l td i v e r s i o nt e s ti nt h eh u a n g h er i v e r , m u c hf i e s h w a t e rw e r e i m p o r t e di n t ol a i z h o ub a y n 圮s a l i n i t yi nt h el a i z h o ub a yw a su n d e r3 0 ；t h e v a r i a t i o nb e t w e e np i c a n dt s si ss a m e ；a n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h ed o cw 雒i n f l u e n c e db y t h ee v o l u t i o no f t h el a i t j l o ub a y ；p o cw a si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t s sc o n e e n l r a t i o n i nt l a eb o t t o m , b u ti nt h es u r f a w a t e r , t h e r ea ”1 w os l o p e sb c t w e 日lp o ea n dt s s 3 i ns e p t e m b e r , 2 0 0 5 ，b e c a u s eo f1 t 1 - i n c r e a s i n go ft h ex i a o q i n g h er i v e r , m u c hc o n t a m i n a t i o n w a si m p o r t e di n t ol l 汹o ub a y d o ce o n e e n t r a l i o nw a 3d e c r e a s e d 矗o ms o u t h - w e s tt o n o r t h - w e s t , a n dt h e r e 哪a i g u l ed i s t r i b u t i o ni nt h ea d j a c e n te s t u a r yo f t h ex i a o q i n g h er i v e r a n dt h e r ew i l l sa l s ot w os l o p e sb e t w e e np o ca n dt s s 4 t h ed i f f u s er a n g eo ff r e s h w a t e ri nl a j t j l o ub a yw a sm i n i s h e dw i l l at h ed e c r e a s i n go ft h e v 黄 可调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及菜州湾碳的行为特征 h u a n g h er i v e rf l u x i n f l u e n c e db yt h eh u a n g h er i v e r , p c 0 2w a sd e c r e a s e df r o mj u l yt o s e p t e m b e r a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fd i cw a si n c r e a s e di nt h ea d j a c e r l te s t u a r ya n d t h em i d d l eo ft h el a i z h o ub a y t h e r ew a sar e m a r k a b l ei n c r e a s i n go ft h ep i c ， e s p e c i a l l yi nt h ea r e ai n f l u e n c e ds t r o n g l yb y t h eh u a n g h er i v e r k e y w o r d ： o r g a n i c c a r b o n ：i n o r g a n j cc a r b o n ： w a t e r a n ds j j t d i v e r s i o n ：h u a n g h er i v o r ：l a i z h o ub a y v i 黄河调水调沙期问悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 前言 碳元素在大气、海洋与陆地生物圈之间的循环与全球气候变化之间的密切联 系越来越引起科学工作者的重视。每年约有( 1 8 - - i = 1 4 ) g t c 在预算清单上无明确归 属，成为困扰学术界的所谓的“未知汇 ( m i s s i n gs i n k ) f i 司题( s c h i n d l e rdw ，1 9 9 9 ) 。已 有的研究结果表明，“未知汇极有可能大部分归诸于北半球中高纬度森林在升高 了的大气c 0 2 浓度下的再生长( r e g r o w t h ) ，并最终固定在陆地生态系统及其因流 域侵蚀而向河口和近海水域输出的沉积物中( b o u s q u e s t p e ta 1 ，2 0 0 0 ；s t a l l a r d r e 1 9 9 5 ) 。 全球河流每年向海洋输送的总碳量约为i p g ，其中约6 0 为无机碳，4 0 为 有机碳，大致相当于全球陆地生态系统的1 0 , - 2 ( m e y b e c kc ta 1 ，1 9 8 2 ) 。这使 得近海水域陆源碳的沉积速率增加，许多大河三角洲和近岸带已成为重要的碳埋 藏区( 汇) 。尽管如此，人们对陆源碳经河口搬运至外海的过程及其后期变化了解 极为有限，以至于至今在海水和海洋沉积物中找不到足够的陆源碳的踪迹来平衡 每年的巨大入海量，显然陆源碳在到达海洋之前在数量和性质方面发生了显著的 变化。陆架边缘海介于陆地和开阔大洋之间，陆源及污染物质经此向大洋传输， 沿岸海流的循环、混合及涌升和陆地河水径流带来的丰沛的营养盐，促使边缘海 生物生产率远高于开阔海域。一方面，生产率高的边缘海区，其生物固碳作用( f i e 物泵) 可加速海水吸收大气中c 0 2 ，将c 0 2 转化成颗粒态的碳化合物，沉积在 边缘海区，或经由侧向传输流入大洋深部。但另一方面，边缘海异养细菌生产力 很高，将大量自生或陆源输入的有机物分解，释放出c 0 2 ，也可能使边缘海区海 水中c 0 2 呈过饱和状态，而成为大气c 0 2 的源( l i ue t a l ，2 0 0 0 ；l e f e v e r e t a l , 2 0 0 2 ) 。 河流输入( 包括陆地污染物的输入) 是大河口碳循环的关键控制环节，对河 口临近海域碳源汇强度产生重要的影响。大量的生源要素随河流淡水入海，河流 淡水除了携带大量的溶解态和颗粒态碳对河口区碳的生物地球化学产生影响以 外，其携带的泥沙和n 、p 等营养要素可通过调节浮游植物的初级生产影响海洋 生物泵的运作来调控河口区的碳源汇强度。对我国近海而言，黄河、长江、珠江 等的淡水输入对其河口区碳源汇的强度有重要影响。黄河以多沙而闻名，其含沙 量世界著称，众多学者对黄河口的水文、化学、地质等进行了比较深入的研究。 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 莱州湾位于渤海南部，是山东省境内最大的海湾，沿岸有黄河、小清河、胶莱河 等l o 余条河流在此入海。1 9 7 6 年黄河改道清水沟流路，向东流入莱州湾，1 9 9 6 年，经人工改道，黄河由清8 断面处向东北方向入海，转而从新的入海口处向外 扩展，但在科氏力影响下，仍然有转向东南的趋势，高浑浊度的黄河冲淡水出口 门后流入莱州湾的迹象仍然较为明显。 近年来黄河入海径流量和输沙量急剧减少，导致河流断流频繁，下游河道淤 积严重，河床抬高，行洪能力降低。2 0 0 2 年7 月黄河水利委员会首次利用黄河 干流大型水库实施调水调沙，通过调控水库泄水，以人造洪峰冲刷黄河河道，把 淤积在黄河河道和水库中的泥沙输送入海，并确定黄河下游冲淤变化的临界流量 ( 李国英，2 0 0 2 ) 。自2 0 0 2 年以来黄河调水调沙期间成为水沙入海的主要时期。 黄河调水调沙对下游河道进行冲刷，大量的泥沙和径流快速入海，必然会对莱州 湾的碳的行为特征产生一定的影响。2 0 0 5 年6 月1 6 日至7 月1 日黄河进行了第 四次调水调沙实验，在自然因素的基础上更加强调人为因素的影响。本文研究了 2 0 0 5 年6 月黄河调水调沙期间河口淡水端不同粒径悬浮颗粒物中有机碳的含量 特征，并于2 0 0 5 年7 月黄河调水调沙期间和2 0 0 5 年9 月对莱州湾进行观测，初 步探讨了莱州湾碳的行为特征。 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 第一章文献综述 工业革命以来，随着人类活动和化石燃料的消耗，大气二氧化碳( c 0 2 ) 增加、 全球变暖已对地球生态系统，人类生存环境和社会发展构成严重威胁。我国人均 c t h 排放量远远低于发达国家( 世界平均水平的6 6 呦，但1 9 9 7 年c 0 2 总排放量 约为8 1 7 8 5 3 亿t ，占全球的1 3 7 ，是仅次子美国的第二大温室气体排放国， 预测结果表明2 0 3 0 年的c 0 2 排放量将达刭1 0 1 9 1 9 2 5 亿t 。随着我国经济的快 速发展，温室气体的捧放还会增加，因此我们必须投入足够的人力和物力，提高 研究水平，能够较准确的回答我国陆地及近海生态系统的固碳能力有多大，为政 府的决策提供有力的数据和科技支持，为应对国际谈判，维护国家利益提供可靠 的科学依据，保障国家的可持续发展。 中国临近海域占全球陆架的1 3 ，其东部的渤海、黄海、东海，南部的南海 总面积达4 7 0 万平方公里，是世界上最宽、生产力最高的陆架海之，上有季风 影响，内有大河输入，外有黑潮强流与之交换，集中了陆架边缘海的典型特征， 是研究近海碳循环的理想海域。对我国临近海域进行碳循环研究，对正确估计全 球陆架边缘海在碳循环中的作用和确立我国在s o l a s 研究中的国际地位都具有 重要意义。 1 1 陆架边缘海对全球碳循环的可畿贡献 碳是最主要的生源要素，更是生命活动能流、物流中最重要的元素，在许多 陆地及水生生物地球化学循环中扮演着重要的角色( l i k e n s 毗a l ，1 9 8 1 ；s c h i n d l e r , 1 9 8 1 ) ，几乎所有的生物地球化学循环过程都与它有关，因而有关碳循环的研究 是目前全球变化研究的热点，许多国际研究计划均以此为核心。如：国际地圈与 生物圈计划( i g b p ) 中的全球海洋通量联合研究( j g o f s ) 、全球生态系统动力学 ( g l o b e c ) 以及上层海洋与低层大气研究计划( s o l a s ) 等( 宋金明，2 0 0 0 ) 。碳循环 研究以j c , - o f s 计划2 0 0 1 年基本结束为标志，通过近十几年的研究，取得了丰硕 的成果，系统了解了海洋碳循环的过程以及界面碳通量，对全球碳循环有了一定 的了解。 黄河调水调j 多期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 海洋是地球碳的最重要贮存库之一，是全球碳循环系统的一个至关重要的子 系统，其总体是大气c o z 的汇。海洋碳循环研究是海洋生物地球化学过程研究 的关键之所在，其在全球变化研究中的重要性体现在两个方面：( 1 ) 海洋碳循环 在很大程度上决定了全球气温乃至气候的变化趋势；( 2 ) 碳循环也是海洋生态系 统持续发展的基础，因此决定了海洋生态环境变化的走向( 宋金明，2 0 0 4 ) 。 海洋碳循环过程不仅涉及海洋生物生产过程、化学能流与物流过程，还与不 同时空尺度的海洋环流、大气动力学过程密切相关。大洋碳循环是海洋碳循环的 主题。陆架边缘海是陆地与大洋的连接带。虽然其面积远比大洋小，但由于人类 活动的影响以及河流径流不断向其输入丰富的营养物质，致使其中发生的生物地 球化学过程比大洋更为复杂，在海洋碳循环中起着非常重要的作用所以，探明 近海碳循环过程是全世界海洋科学家必须要面对的比大洋碳循环更复杂、更具挑 战性的研究课题。 l i ue ta 1 ，( 2 0 0 0 ) 从模型的角度将边缘海定义未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。在地 质上，陆架边缘海是指水深 o 0 5 r a m ) ，中沙( o 0 2 5 m m d 潍河，其中小清河c o d 、悬浮物、无机氮、无机磷、石油类等污染 黄河调水调沙期问悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 物入海通量较虞河、潍河大的多，可认为对莱州湾的污染贡献主要以小清河污染 为主。小清河已经成为莱州湾的主要污染源( 崔毅，2 0 0 3 ；童均安，1 9 9 4 ) 。莱州 湾近岸水域有机污染综合指数在4 0 5 ，呈重污染状态；中部水域和外部水域有机 污染指数在2 - 4 之间，呈轻污染和中污染状况。而关于莱州湾有机碳及无机碳的 研究尚未见有报道。 1 4 本论文的研究意义 黄河调永调沙对水库和下游河道进行冲刷，大量径流和泥沙被输送入海，租 颗粒泥沙在河口口门附近迅速沉积，细颗粒泥沙在向海输送的过程中逐渐沉积， 随径流量的加大，高混浊度的黄河水出口门后流入莱州湾的迹象更为明显，且黄 河水体碳酸盐含量较高，大量的冲淡水涌入莱州湾必然会对莱州湾海域碳的行为 特征产生一定的影响。本文根据2 0 0 5 年6 月黄河调水调沙期间对河口淡水端悬 浮颗粒物中有机碳的调查，以及2 0 0 5 年7 月和9 月对莱州湾海域进行的两次大 面观测，结合水文、化学、生物等要素的同步观测资料，初步探讨了黄河调水调 沙期间河口淡水端不同粒径悬浮颗粒物中有机碳的含量特征和莱州湾各种形态 碳的行为特征，在揭示近海碳的分布及输运规律时，在自然因素的基础上更加强 调人为因素的作用。 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及菜州湾碳的行为特征 第二章研究内容、实验方法 2 1 采样航次及站位设置 2 0 0 5 年6 月1 6 日至7 月1 曰，黄河进行了第四次调水调沙试验。我们分别 于2 0 0 5 年7 月初及2 0 0 5 年9 月末对莱州湾及黄河口附近海域进行了两次较为全 面的碳及相关化学参数的大面观测分析。 2 1 12 0 0 5 年7 月航次 在正式调水调沙之前，小浪底水库已于2 0 0 5 年6 月9 日开始预泄，流量达 1 6 0 0 m 3 s ，至6 月1 4 日利津站方有明显反应，流量达到1 4 2 0 m 3 s 。6 月1 6 日黄 河调水调沙正式开始，7 月1 日5 时，随着小浪底水库下泄流量骤减至5 7 0 m 3 s ， 轰鸣了2 0 多天的小浪底库区又恢复了往日的宁静，正式转入汛期正常调度，同 时为2 0 0 5 年黄河调水调沙水库调度阶段工作画上了圆满句号。7 月5 日小浪底 水库放水排沙，6 日1 2 ：0 0 洪峰流量为2 3 s o m ，进行汛期调度阶段。 2 0 0 5 年7 月7 日- 1 0 日，我们以大面站的形式对莱州湾进行调查，布设站位 2 4 个，表、底层采水。采样期间黄河利津水文站的流量分别为：7 7 0 、8 8 0 、1 5 4 0 、 2 7 8 0 m 3 s ，7 月5 日，黄河中上游遭遇入夏以来的第一场自然大洪水，使径流量 大增。所有样品带回实验室后过滤及固定，p h 第一时间测定。获得参数：p h 、 a l k 、d o 、r c 0 2 、d i c 、d o c 、p i c 、p o c 、盐度、温度、营养盐等。调查站位 如图2 1 所示。 图2 12 0 0 5 年7 月莱州湾调查站位图图2 22 0 0 5 年9 月莱州湾调查站位图 1 4 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 2 1 22 0 0 5 年9 月航次 2 0 0 5 年9 月2 2 2 6 日，在小浪底停止放水多日后，我们对莱州湾海域再次进行了调 查，采样站位如图2 2 所示，站位布设与2 0 0 5 年7 月基本一致，只有靠近口门的e l 和 f 1 点，由于口门附近水深太浅，船无法到达，故在距离口门稍远处取样。采样期间， 黄河利津水文站的流量分别为：3 4 8 、3 9 8 、5 6 2 、5 2 0 、4 4 2 m 3 ，s ，流量较7 月份已大大 降低。获得参数：p h 、a l k 、d o 、p c 0 2 、d i c 、d o c 、p i c 、p o c 、盐度、温度等。 2 2 采样与分析方法 2 2 1 采样 各站位用5 l 南森采水器采集底层水，表层水用硬质塑料桶直接采样。水样分装次 序按照海洋监测规范依次为：溶解氧，p h 、a l k ，有机碳( 无机碳) ，营养盐，叶绿 素。 p c 0 2 采样及测定方法：用南森采水器采水，参照溶解氧的采样方法，将海水转移 至5 l 的硬质塑料桶中。加入饱和h g c l 2 ( 4 m 1 ) 固定，并将桶进行密封，避免桶内外气体 发生交换。返航后立即用喷淋鼓泡式平衡器非分散红外检测器( l i c o r - 7 0 0 0 ) 系统进行 分析( 王峰，张龙军等，2 0 0 2 ) 。 2 2 2 分析方法 p h ：p h s - 2 型酸度计测定； a l k ：电势滴定法。准确量取2 5 m l 水样置于小烧杯中，用盐酸滴定。盐酸溶液的浓度 通过标准海水来标定，整个滴定过程由r o s s 玻璃电极监控，a l k 数值通过加入 盐酸的体积和e 、m 、f 数据计算得到。 t s s ：过滤法测量。滤膜为0 4 5 i t m 的醋酸纤维膜，过滤体积依浓度不同取2 0 0 - 1 0 0 0 r a l 。 滤膜在烘箱中4 5 5 0 低温烘2 4 小时，以电子天平称重； s 、t 、d o ：由意大利生产的便携式3 0 1 型c t di d r o n a u t l a b s 直接测出。 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 有机碳、无机碳测定： 水样用预先4 5 0 c 灼烧并称重的玻璃纤维滤膜过滤，保留滤膜和滤液。滤膜4 5 1 3 低温烘干，称重。对p o c 滤膜进行预处理，滴加几滴2 m o l l 盐酸( 至膜上颗粒物全 部浸润为止) ，置于含浓盐酸蒸气的干燥器( 其底部放有两个盛有浓盐酸的小烧杯) 中熏蒸2 4 h ，以除去样品中的无机碳。然后再于4 5 c 低温烘干，除去过量的盐酸， 干燥器中保存，待测。 p o c 、p i c 测定：使用日本岛津公司t o c - v c m 总有机碳分析仪( 图2 3 ) 及 s s m - 5 0 0 0 a ( 固体试样燃烧装置) 测定。p o c 采用9 0 0 ( 3 高温燃烧催化氧化非分散 红外吸收( n d m ) 法测定；p i c 采用2 0 0 c 酸化- 非分散红外吸收( n d m ) 法测定。 测定量程p o c ，o 1 - 3 0 m g c , p i c ，o 1 - 2 0 m g c 。精度较高，多次测量偏差 士1 。 载气为高纯氧，流量为5 0 0 m l m i n 。 逗) d o c 、d i c 测定：1 0 c v c 蹦总有机碳分析仪6 8 0 c 高温燃烧催化氧化非分散红 外吸收( n d i r ) 法测定。测定量程d o c ，0 - 2 5 0 0 0 m g l ；d i c ，0 - 3 0 0 0 0 m g l l 。最低检 测限d o c ，5 0 r t g l td i c ，4 i t g l 。仪器参数的设定：加酸2 ，吹气时间为1 5 r a i n ， 2 3 次测定变动系数c v 6 3 1 m a ( 2 m 埘o o o t m 0 ( m m m ) 位h m ) 图2 4 水淘选装置o v g l 堍dee ta 1 ，1 9 9 3 ) 将水体中的悬浮颗粒物分为五级，依据海洋地质标准( 海洋调查规范， 2 0 0 2 ) ，按粒径从小到大分别为：粘土和极细粉砂，o 。3 啦；细粉砂，m 3 - 1 6 p m 中 粉砂，锄2 m ；粗粉砂，( 1 ) 3 2 4 5 3 b l m ；砂和砾石，n 6 3 v a n 。 0 ) v o c 测定：方法同上。 ( 4 ) 粒度测定：各粒级样品用m a s t e r s i z e r - 2 0 0 0 ( 英国m a l v e r n 公司) 进行粒度 测定。该仪器的测试粒度范围为0 0 2 - 2 0 0 0 p r o ，多次重复测量误差小于3 。 1 7 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳吉量及莱州湾碳的行为特征 第三章黄河利津水文站不同粒径悬浮颗粒物中有机碳含量 特征 全球河流每年向海洋输送约1 g t ( 1 0 ”曲的碳，其中约4 0 为有机碳( l u d w i g we ta 1 。1 9 9 6 ) 。然而，在海水和海洋沉积物中却难以寻找到足量的陆源有机碳的 生物地球化学标记。显然，陆源有机碳在河流向海洋的输送过程中在数量和性质 等方面发生了显著的变化( 高全洲，2 0 0 3 ) 。河口作为陆地生态系统和海洋生态系 统的交接处，对陆地输入到海洋的物质起选择性的“过滤”或“缓冲”作用( h a r v e y h r e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。由于t s s 是参与水体生物地球化学循环中各种有机物、重金属 和营养盐等物质迁移转化过程的重要承载体，因此河口区发生的物理化学过程主 要集中在颗粒物与水体的固液界面。颗粒物的粒度决定着t s s 的总有效面积， 是各种反应的基本控制因素( w a l l i n g d ee t a l ，1 9 9 3 ；m a y e r l m ，1 9 9 4 ) 。认识河口 区淡水端t s s 粒径大小与承载的有机碳含量之间的关系及其比例变动，是研究 河口淡、咸水混合过程中颗粒有机碳形态变化及其输送距离和输运数量( 彭安国， 2 0 0 4 ；g i b b srje ta 1 ，1 9 8 9 ) 的基础。 黄河是世界上含沙量最高的河流，多年平均年输沙量高达9 x 1 0 s t 。c a u w e t 等1 9 9 3 年报道黄河p o c 的年输送量是4 5 x 1 0 6 t ，约占世界河流对海洋p o t 2 年 输送量的1 1 5 。如此大量的p o c 输入渤海，其河口行为及其对渤海生态系统的 影响是显著的。因此研究黄河入海淡水端不同粒径t s s 中p o c 的分布特征具有 非常重要的意义。而本研究的取样时间正值黄河第四次调水调沙期间，因此本次 调查结果在某种程度上可以反映人为因素对黄河水体碳参数的影响。 关于颗粒物粒径与p o c 含量的关系，k e i lr ge ta 1 ( 1 9 9 7 ) 等在研究亚马逊河 流的t s s 及其三角洲地区表层沉积物的有机质、b e r g a m a s e h ib ae ta l ( 1 9 9 7 ) i ) f 究 秘鲁海岸沉积物中有机物含量时，均指出：颗粒物越细，其表面积越大，p o c 含量就越高，即p o c 含量随颗粒粒径的增大而降低。a d r i nbb u r d , e ta l ( 2 0 0 0 ) 在对海洋表层沉积物的p o c 2 3 4 t h 比例研究中报道，对于颗粒粒径小于i x m 的 胶体而言，粒径越大，p o c 含量越高；但对于粒径大于l g m 的颗粒物来说， 1 - 1 0 0 t t m 的颗粒物所含p o c 的量远远大于1 0 0 t t m 以上颗粒物所含p o c 的量。 陶贞，高全洲( 2 0 0 3 ) 等对增江河流p o c 的研究中指出，细粒级中p o c 含量随t s s 1 8 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及菜州湾碳的行为特征 的增加呈指数趋势下降，粗粒级中p o c 含量随t s s 的增加呈缓慢线性下降。最 近l a u r e n tc o p p o l ae ta 1 ( 2 0 0 5 ) 分级测定了阿拉斯加河流、海湾，秘鲁、瑞典海湾 表层沉积物中p o c 的含量，研究发现，当颗粒物的粒径大于3 8 p m 时，由于各 地区沉积物类型不同，其p o c 含量随粒径变化的规律不一致；但当颗粒物的粒 径小于3 9 l a r e 时，粒径越小p o c 含量越高。总的来看，人们对颗粒物粒径大小 与承载的颗粒有机碳含量之间的关系有了一定的认识，但是仍存在着颗粒物粒径 分级方法不同且误差较大、分级不够细致和粒级交错程度大等弊端。 本实验中采用沉降法将t s s 分级后测其p o c 的含量，同时对各粒级颗粒物采 用激光粒度仪进行粒度测定，在此基础上，再用多元线性回归法( 祁辉，2 0 0 5 ) 对数 据进一步处理，准确得至4 不同粒径t s s 中p o c 的含量，并初步估算出不同粒径t s s 中p o c 的入海日通量。 3 1 各粒级颗粒物p o c 含量 对于样品l 、样品2 分别用m a s t e r s i z e r - 2 0 0 0 激光粒度仪进行全粒度测定，样 品1 的颗粒物组成为：q 6 3 1 m a ，1 8 9 ；中值粒径1 2 8 4 9 m 。样品2 的颗粒物组 成为：q 6 3 1 a n ，5 5 7 ；中值粒径1 8 5 6 9 m 。采用沉降法分级后，得到v 级 不同粒径的颗粒物，各粒级颗粒物的粒度组成及其相应的p o c 含量如表3 1 所 示。 表3 1 样品各粒级颗粒物p o c 含量及所占比例 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 样品经分级处理后，从中值粒径看，粒级范围明显的区分开来，从中。8 。的 中值粒径3 5 0 1 u n 左右到饥6 3 1 1 m 的7 1 5 0 f | u n 左右，分级效果极其显著。各样品的 p o c 含量则随着中值粒径的增大依次降低，反应了随着颗粒粒径的增大，p o c 含量降低的趋势e 订r g e t a l ，1 9 9 7 ；b e r g a m a s c h i b a e t a l ，1 9 9 7 ) ，如在样品l 中，o 。8 1 a n 中p o c 含量高达0 5 9 4 ，m 1 6 - 3 2 t m a i 辛降至0 2 6 2 ，饥6 3 。中仅为0 0 7 2 ， 样品2 中同样存在着这种降低的趋势。 但是各粒级颗粒物中仍然存在着不同比例的其他粒径颗粒物。如样品1 ， 西。8 p m 中9 8 p m 的颗粒物占到了8 4 2 1 ，效果极好；但0 8 1 6 p m 、m 1 6 - 3 2 岬、锄2 彤岬、 叭6 3 1 - 。的分级中，不同粒径颗粒物的交叉现象较为突出。西s 1 6 。中平：8 , - - 1 6 1 a m 的 颗粒物仅占有4 1 2 8 ，而甲 8 p m 的占4 0 8 7 ，t p ：1 6 - - 3 2 p m 占1 6 8 1 ；0 1 6 - 3 2 1 m 。 中q ) ：1 6 3 2 p m 仅占有4 1 4 0 ，而9 ：g - 1 6 p m 的颗粒物占1 7 1 8 ，t o ：3 2 , - 6 3 p m 的 占2 6 2 8 ，p 8 1 t m 的颗粒物仍有1 2 5 1 ，其他粒级颗粒物中也存在着类似的 现象。这是利用s t o k e s 原理的沉降分级法常常遇到的问题。 通过以上分析可以看出，样品采用沉降法分级后，达到了显著的分级效果， p o c 含量随t s s 粒径的变化规律也显现出来。但是若想确切的知道不同粒径t s s 中p o c 的含量则显得误差太大。因此采用多元线性回归法对数据进一步进行了 处理。 3 2 不同粒径t s s 中p o c 含量的线性回归处理 多元线性回归分析是研究变量间相关关系的一种统计方法，假设变量j ，为进 行预测和控制的对象，根据经验确定因变量y 依赖于p 个自变量毛，恐，x 。而 变化。如果它们之间具有某种线性关系，则问题可归结为p 元线性回归模型。 所测样品经分级处理后得到五级，每级样品均有通过激光粒度仪测定的各个 粒径的百分数和样品总的p o c 含量，符合多元线性回归处理的条件。选择沉降 所得各不同粒径颗粒物中各粒径的百分数作为自变量x ，每级样品测定的p o c 作为因变量y ，计算时共选用5 个自变量，可得到： n = 展+ 屈而t + 岛+ 屈t + 尼墨。( 后= 1 2 ，5 ) ( 1 ) 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 式中，反，玩，反为自变量回归系数；代表第t 级颗粒物中叩 8 岫颗粒 的百分数；而i 代表第 级颗粒物中印：8 1 6 岬颗粒的百分数。 考虑到黄河t s s 中p o c 含量较低，在数据处理的过程中，对于样品中占颞 粒总量 1 的大粒径的悬浮颗粒物忽略不计。 将表l 中样品l 、样品2 数据分剐代入式( 1 ) ，得到： 样品1 ： i8 4 2 1 f l l + 1 4 8 9 a + 1 2 0 a = 0 5 9 4 ( 1 ) l4 0 8 7 f l l + 4 m s a + 1 6 8 1 f 1 = o 5 0 8 ( 2 ) 1 2 5 1 a + 1 7 1 8 f 1 2 + 4 1 4 0 a + 2 6 2 8 p + 2 0 1 a = o 2 6 2 ( 3 ) 1 5 6 4 a + 1 4 9 9 f 1 3 + 5 9 0 7 p , + 2 0 2 2 f 1 5 = 0 1 0 0 ( 4 ) 1 3 2 0 a + 4 5 0 a + 3 8 8 2 f 1 4 + 5 3 8 4 a = 0 0 7 2 ( 5 ) 样品2 ： ， i8 7 1 5 p t + l1 7 9 0 , 6 a = 0 4 8 0 ( 1 ) ， j3 8 7 8 属+ 4 2 o o a + 1 8 7 2 0 , , 6 3 = 0 4 0 1 ( 2 ) 6 6 8 层+ 1 3 1 3 a + 4 4 8 4 a + 3 2 2 9 f 1 4 + 3 0 6 a = o 1 7 6 ( 3 ) i4 3 7 届+ 9 2 9 f 1 3 + 5 6 9 8 a + 2 9 2 0 f 1 5 = o 0 6 6 0 0 ( 4 ) i2 6 7 届+ 1 0 8 p 2 + 3 2 9 8 f 1 4 + 6 2 5 2 f 1 5 = 0 0 3 7 * , ( 5 ) 式中 层审( 6 3 黼浮颗粒中有机碳的百分含量 求解方程组，分别得到： 样品h 屈= o 6 0 6 ，屐：o 5 5 9 。4 ，历= o 1 7 6 ，履：0 0 6 5 ，层卸0 0 4 ； 样品2 ：届卸4 9 3 ，屈= o 4 3 0 * 4 ，尼卸1 5 7 ，屈：o 0 5 0 * 4 ，屈卸0 0 4 。 由于多元线性回归处理方法是将分散在不同样品组内的同一粒径所含p o c 的含量进行了加和处理，因而其结果更加可靠。 2 1 茎塑塑查塑芝塑塑墨堡壁塾塑! 查垫堕宣墨墨苎塑苎壁竺堡垄堑堡 3 3 沉降法和线性回归处理所得各粒级t s s 中p o c 之问的差异 善： 量0 5 骢 器 0 样品j s 唧j eo r e 0扣1 61 6 - - 3 2 3 2 - 6 3 6 3 顿馘径p a r t i e l es i z e p - ( a ) 0 - 6 誊o 5 暑o 4 型o 3 霉0 2 盏o 1 o s8 - - 1 61 6 - - 3 23 2 - 6 36 3 颗粒粒径p a r t i c l es i z e i t m 圈3 1 样品i ，2 沉降分级及线性回归处理所得p o e c o ) 标注： 一沉降分级所得p o c p o cv a l u e sb e f o r el i n e a r r e m - e s s i o n 一线性回归处理所得p o cp o cv a l u e sa t e rl i n e a rr e g r e s s i o n 图3 ，l ( a ) ，c o ) 是样品经沉降分级后测得的各粒级t s s 中p o c 与迸一步采 用多元线性回归法处理的结果的比较。可以看出，仅仅通过沉降分级测得p o c 值与多元线性回归法处理所得p o c 值相比，小粒径却 6 3 0 0 3 70 0 0 40 0 3 3 8 2 5 黄河调水调沙期间悬浮颗粒物中有机碳含量及莱州湾碳的行为特征 3 4 t s s 中p o c 含量与颗粒粒径大小的关系 采用多元线性回归法处理，得到不同粒径t s s 中p o c 的含量( 见图3 2 ) _，_-。-_-_-_-。-s_-_。_。1o 88 - - 1 61 6 啦3 2 6 3 6 3 颗粒粒径p a r t i c l es i z e p m 图3 2 p o c 与颗粒粒径的关系 从图3 2 中可以看出，对于黄河入海淡水端的t s s 而言，随着粒径的增大， t s s 中p o c 含量呈显著递减趋势，且甲 8 p m ，币：8 1 6 岬颗粒中p o c 含量相对 较高，而其它粒径的t s s 中p o c 含量很低。对于颗粒物的粒径与承载的p o c 含量的关系，l a m e m c o p p o l ae t a l ( 2 0 0 5 ) 对表层沉积物中p o c 的含量研究指出， 大多数p o c 主要集中在q 3 8 1 u n 的细颗粒物质中。而本文对黄河口淡水端水体 2 0 0 5 年6 月2 3 日及6 月2 9 日的t s s 研究表明，q 6 3 t t m 的砂 中p o c 含量仅为0 0 5 0 和0 0 0 4 左右。结合对样品全粒度组成测试的结果，可 以得到8 0 以上的p o c 主要集中在i p 1 6 1 _ i m 的t s s 中，而甲 6 3 1 u n 的除外) ， 样品1 均高于样品2 ，有可能是由于黄河调水调沙的人为因素影响所致。 3 5 黄河调水调沙期间不同粒径t s s 中p o c 的入海日通量估算 根据2 0 0 5 年6 月2 3 日及6 月2 9 日对黄河利滓水文站的调查数据平均结果， 水体t s s 约为6 6 4 6 k g m 3 ，百约为2 0 4 1 x 1 0 3 m 3 s ，并结合对水体全粒度测试的结 果，应用公式； = p o c x t s s x q x 2 4 x 3 6 0 0 ， 其中f 代表碳通量；p o c 代表每级颗粒物中p o c 的百分含量；两代表 水体中不同粒径颗粒物的含量，单位k g m 3 ；蚕代表平均流量，单位m 3 ，s 。 估算出本次黄河调水调沙期间不同粒径t s s 中p o c 的入海日通量分别约 为：q 8 1 a n ，2 3 8 x 1 0 3 t c ；币：8 1 6 9 m ，1 3 8 x 1 0 3 t c ；t p ：1 6 3 2 1 m a ，0 6 2 x 1 0 3 t c ； p ：3 2 “3 岬，o 1 4 x l o j t c 3 6 本章小结 通过对黄河利津水文站不同粒径悬浮颗粒物中有机碳含量的研究，得到以下结 论： 1 将沉降分