磨刀门腔枯季咸淡水混合特征与二氧化碳分压关系研究

磨刀门腔枯季咸淡水混合特征与二氧化碳分压关系研究

1河流碳排放过程随着大量石化燃料的使用，温室二氧化碳浓度持续增加，温室效应的改善导致一系列全球环境问题，这对人类社会的可持续发展构成了重大挑战。围绕地球系统各界面上的碳交换过程,科学界正在努力构建全球碳循环模式。在河-海作用强烈的河口区表层水体碳的源/汇作用的转变过程复杂:“弱源”(河流)↔“强源”(河口)↔“汇”(海洋)。一方面河流在向海洋和湖泊输送碳的同时,从上游到下游水体中的二氧化碳分压复杂多变,但是在大部分时间多数河段水体中的二氧化碳处于过饱和状态,不断向大气排放二氧化碳,很多河流水体二氧化碳分压在河口区达到最大值;另一方面,随着盐度增加,从河口经边缘海到大洋,表层水体二氧化碳分压逐渐减小,海洋水体对大气的“源/汇”角色逐渐发生转变。珠江流量居世界河流的第13位,珠江有复杂的河口水系,其河流碳的循环过程正受到学术界的关注。西江是珠江的重要支流,磨刀门的入海水量占八大口门入海总水量的28.3%,但是由于西江径流的季节变化,在枯季咸潮入侵磨刀门水道,已经严重影响到当地人民的生产、生活。本文以西江干流河口段磨刀门—大鳌水道(即磨刀门水道,图1)为例,探讨枯季河流河口淡水端表层水体二氧化碳分压分布的规律,揭示咸水入侵情况下西江河道生态系统中的碳行为,为区域可持续发展决策提供参考。2材料和方法2.1门潮型河口磨刀门为西江干流的主要入海口,在珠江八大口门中它的输水、输沙量最大(见图1)。磨刀门是典型的河流优势型河口,其径潮比为5.78,潮流作用相对较弱。西江径流的季节性变化很大,导致河口“三界”(潮区界、潮流界和咸水界)的巨大变化。在枯水期河口“三界”(分别为梧州德庆、三榕峡和挂碇角)比洪水期(分别为外海、灯笼山和拦门沙)更深入内陆。2.2水质和水质的二氧化碳分压本次采样时间为2006年12月18日10:46～17:12。采样时天气晴,风力小于3级,平均气温为20°C。从磨刀门(22.11°N,113.46°E)沿磨刀门水道向上每隔一段时间采集表层水样,并且用GPS确定采样点位置(图1)。现场测定航距(d)、日照时间(tds)、pH,水温(θ)、电导率(γ)、氧化还原电位(Eh)、盐度(S)、总碱度(A)和水体的二氧化碳分压[p(CO2)](表1),其中pH,水温、电导率和氧化还原电位使用美国MyronL.Company生产的UltrameterⅡ(6P)仪器测得。利用GPS实测样点的地理坐标,采用两点间的球面距离公式计算第n点航距。日照时间以06:00为起点计算。利用水体电导率、温度和压强等参数计算、查表得到盐度。使用稀盐酸滴定法测定总碱度。采用河道碳酸盐平衡体系中的总碱度、温度和pH等参数计算二氧化碳分压。统计分析在SPSS12.0软件上进行。因所测参数样本不符合正态分布,故所有的相关系数都是Spearman秩相关系数。3水温、电导率、总碱度12月18日从磨刀门到横栏镇的大鳌码头(22.5°N,113.23°E)航测距离约54km,共采样36个(图1,表1)。pH为7.64～7.87,水温、电导率、氧化还原电位、盐度、总碱度的值分别为16.4～18.5℃,257.4～21520μS/cm,57～118mV,0.18～19.67,1741.74～2517.52μmol/dm3。盐度和电导率随航距有明显的渐减趋势,而氧化还原电位随航距有明显的渐增趋势;pH,水温、总碱度和二氧化碳分压的变化复杂(表1)。3.1潮位和磨刀门的碱度从航测过程看,河道表层水体碱度平均值为1029.50μmol/dm3。碱度沿河道随航距有逐渐变小的趋势,但是在28～30km处发生异常增大(图2)。盐度随着航距的增大呈指数快速降低,在航距33km处附近出现了异常波动(图2),盐度的异常波动与潮汐作用密切相关。虽然磨刀门河口是径流优势型河口,但是西江径流随季节变化大,枯季磨刀门水道咸水入侵活动频繁。由于磨刀门河口为不规则半日潮汐类型,采样时段(18日10:46～17:12)为伶仃洋大万山潮汐站的低高潮退水至高高潮涨水期间,同时上游天河水文站的水位曲线处于枯水期天文大潮前期的天文小潮的潮汐周期内,对比天河站与大万山站的潮位,两站间的潮位相差(2.5±1.0)h。在距磨刀门口门28～30km处两样点电导率和盐度明显减小(见表1,图2),这与退潮淡水流的冲淡作用有关,因为其采样时刻分别为14:44和14:51,与大万山站高低潮位111cm的12:24相差约2.5h。从30到40km区段,盐度随航距先上升至峰值(航距33km附近)后再逐渐下降,盐度的这种波动与潮汐从高低潮到高高潮的涨潮阶段相对应,说明潮汐作用控制磨刀门水道水位的同时,也影响着其盐度的空间分布(图2)。从航测结果看,磨刀门水道的碱度与盐度总体上呈正相关(表2,图3),说明碱度是保守的,河道内的咸淡水混合过程明显存在,但是在盐度为3～6(航距38～24km)时,盐度与碱度的关系复杂(图3),碱度出现不保守现象,说明该河道在采样时段除了受咸淡水混合过程控制外,还受到其他因素的影响。从采样现场和实测的数据看,出现碱度不保守行为的主要原因是潮汐导致河段水位升降,刷洗河床沉积物,使河道溶解无机碳发生急剧变化,因为采样是沿着主河道进行的,避免了两岸污染源的直接影响,并且出现碱度不保守的河段并不对应于城镇密布的下游。对比伶仃洋的大万山潮汐站和上游天河水文站的水位,出现碱度不保守的时段刚好处于高低潮退水附近,这进一步证实潮汐不仅控制了河道水位的变化,同时涨落潮的动力冲刷还影响河道盐度、碱度的空间分布。综合盐度和碱度的空间变化,磨刀门水道枯季总体上受咸淡水混合过程控制,同时局部时空段的涨落潮动力作用冲刷河床沉积物使碱度在咸淡水混合过程中出现了不保守行为。3.2盐度和碱度沿程变化从航测过程看,河道表层水体二氧化碳分压值为147.24～364.15Pa,其平均值为200.87Pa,相当于通常状况下大气二氧化碳分压的3～10倍左右,所测河段是大气二氧化碳的“源”,向大气排放大量二氧化碳。样点水体二氧化碳分压沿河道变化复杂,随着航距增大二氧化碳分压呈先振荡上升后逐渐下降的趋势(图4)。盐度、碱度沿河道逐渐减小并在局部地段出现异常波动。相关分析(表2)表明,盐度与温度、pH关系不明显,与电导率、碱度、二氧化碳分压呈显著正相关,而与氧化还原电位呈显著负相关。综合分析认为河-海相作作用波及河道,影响了水体的电导率、碱度、氧化还原电位、二氧化碳分压的变化。从表2可以看出:二氧化碳分压与温度、氧化还原电位关系不明显,与电导率、碱度、盐度呈显著正相关,而与pH呈显著负相关。结合盐度和碱度沿程变化规律来看,二氧化碳分压沿河道随盐度也发生相应的变化,出现了沿程先振荡上升再逐渐下降的趋势(见图4)。二氧化碳分压在航距28km附近急剧上升出现最大值,对应于盐度的异常低值(见图4)和碱度的异常高值(见图2),与落潮淡水流对河床沉积物的动力冲刷作用相关。上述分析表明,河-海作用规律控制着盐度、碱度的空间变化,同时对河道二氧化碳分压的沿程空间分布也具有重要影响。3.3河道水体理化指标与航距的关系由于西江径流作用的减弱、海洋作用加强导致磨刀门水道枯季咸淡水混合频繁。河口表层水体的电导率和盐度随航距增大有明显的递减趋势(见表1,图2),三者具有显著的正相关关系(表3)。与电导率和盐度的空间变化趋势不同,pH和温度的变化趋势不明显,而且氧化还原电位随航距有增加的趋势(图5)。在河-海作用的咸淡水混合过程中,水体pH和温度变化较小。在口门附近氧化还原电位较低,随航距增加氧化还原电位逐渐上升。在20～24km河段,受潮汐涨落的影响,氧化还原电位迅速变大(图5)。从相关分析的结果(表3)可以发现pH和温度与航距没有明显相关性,而氧化还原电位与航距和日照时间有显著的正相关关系,因此可以推断氧化还原电位不仅受日照时间的控制,同时还受到潮汐涨落作用的影响。河道水体中二氧化碳分压的变化不仅体现了河流碳排放的规模,而且还反映了河道体系中无机碳和有机碳之间的循环转化规律,它是河道系统碳循环活动的重要指标。磨刀门水道的河口过程控制了河道水体中各物理、化学、生物参数的变化,使河道系统内的碳发生一系列的转换和输移。航距与河道水体中各种理化参数的关系在量上表征了河口动力过程的空间分布规律。样点的理化参数与航距的相关分析(表3)表明,电导率、盐度、二氧化碳分压与航距呈显著相关。随着航距的增大、海洋作用的减弱,河道水体电导率和盐度有变小的趋势。航距和日照时间与氧化还原电位呈显著正相关,说明随着航距和日照时间的增大,水体氧化还原电位值逐渐增大,而航距和日照时间与二氧化碳分压呈显著负相关,水体中的二氧化碳分压先振荡变大再逐渐变小,河道水体的碳排放强度在时间上呈现出复杂多变的渐减趋势。河道表层水体二氧化碳分压与盐度总体上有显著的正相关关系(见表2),但是图6表明在盐度为3～19,尤其在3～6时水体二氧化碳分压变化复杂,二氧化碳分压与盐度的关系不明显。在盐度为3～6(即航距为24～38km的河道内)时,水体中的二氧化碳分压有复杂的突变,这跟长江口二氧化碳分压突变出现在盐度0.6的研究结果有所不同,说明在不同河流的河口段河道水体二氧化碳分压剧变发生处的盐度范围不同。另外,对应于二氧化碳分压剧变发生处在航距24～38km的河道内,采样时正处于河道的涨落潮转换之际,样点水体受潮汐与咸淡水混合作用的影响,其理化参数也会处于剧变之中,导致水体中各种碳转化频繁,尤其在航距27～36km的河道内,涨落潮作用使河道表层水体二氧化碳分压处在169～364Pa的剧烈变化中(见表1,图4)。因此,枯季在磨刀门水道口门以内24～38km处,其盐度为3～6时水体二氧化碳分压急剧变化,出现了二氧化碳分压最大值364Pa,其主要原因是河口过程中涨落潮的潮汐冲刷作用,尤其是潮汐对河床及两岸滩地的冲刷作用使沉积在河床上的大量有机质上涌而氧化分解释放大量的二氧化碳。这与河-海相互作用发生在口外混合带的碳效应明显不同。图5表明表层水体的pH,温度随航距的变化趋势不明显,与航距和日照时间的相关性不显著,而氧化还原电位与航距和日照时间的正相关关系显著(见表2),其关系为Eh=0.0729d+6.8225(r2=0.6545)(见图5)。这表明受到日照和混合作用减弱的影响,航测区域表层水体的光合作用增强,水体氧化还原电位随航距有上升的趋势,但是从氧化还原电位与二氧化碳分压的关系不显著(见表2)来看,水体中二氧化碳分压与水体内部碳的涉氧作用(即好氧呼吸和光合作用)关系不明显,其来源很复杂,这与珠江虎门口河道水体二氧化碳分压来源于有机质的耗氧呼吸作用的情况不同。二氧化碳分压可能还与水体的外源输入有关,如感潮河道咸淡水混合输移、涨落潮对两岸潮滩湿地和河床的洗刷以及沉积物有机质的上涌释放等,这跟美国的Satilla和Altamaha河口的二氧化碳分压来源相似。4月的水质作用枯季磨刀门入海水道表层水体二氧化碳分压值约为大气的3～10倍,是大气二氧化碳的“源”,并且二氧化碳分压随航测距离呈现出复杂多变的渐减趋势。(1)河道水体碱度的保守行为表明,磨刀门水道在枯季具有明显的咸淡水混合作用,并且这种混合作用控制了水体理化参数