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海洋作为地球上最大的碳库之一,在全球碳循环中起着非常重要的作用;溶解无机碳(DIC)和溶解有机碳(DOC)是海洋碳库的重要的组成部分,它们在海洋中的分布、迁移和转化是海洋碳循环的关键环节。近海陆架区连接陆地与大洋,受陆源径流输入、人为活动扰动、高生物生产力、复杂的水动力过程等多种因素的共同影响,碳循环过程及其机制比较复杂。因此,开展陆架海区DIC和DOC时空分布及其影响因素的研究,对于揭示海洋中碳的生物地球化学循环的调控机制具有重要的典型意义。本论文选取台湾海峡及其邻近海域为研究区域,利用2006年07月~08月、2006年12月~2007年02月、2007年4月~5月,2007年10月~2008年1月台湾海峡西部获取的pH、碱度和有色溶解有机物(CDOM)的资料,2009年06月、2009年08~09月于闽南粤东海域以及2009年2月、5月、8月及10~11月于厦门湾获取的pH、总碱度、DIC、TOC、DOC以及CDOM等资料,对台湾海峡及其邻近海域、以及典型河口海湾海水中碳酸盐体系及溶解有机碳的时空分布及其影响因素进行研究,以期为进一步研究河口、近海碳的迁移转化及循环机制提供更完整的参考资料。主要研究成果如下:
(1)台湾海峡西部表层水体全年总体表现为CO2的汇,海气CO2通量年均为-1.29mmol/(m2·d);春季、夏季、秋季和冬季平均海气CO2通量分别为-1.31、-0.34、-0.28和-3.23mmol/(m2·d)。
由于陆地径流以及水体垂直混合作用超过浮游植物活动的影响,春季、秋季和冬季近岸区域表层海水pCO2高于远岸区域;其中,秋季和冬季的近岸区域表现为净CO2源(秋季:1.95mmol/(m2·d);冬季:2.34mmol/(m2·d))。夏季由于浮游植物活动强度达到全年峰值的影响,近岸区域表层海水pCO2低于远岸区域,且表现为CO2汇;而远岸区域表现为弱的CO2源(~387.6μatm)。此外,由于夏季闽江口附近浮游植物活动强度强于九龙江口附近海域,使得闽江口附近富含过饱和CO2的表层海水的影响范围明显小于九龙江口。
(2)2009年06月和08~09月闽南粤东海域均表现为CO2的源,海气CO2通量分别为0.016和0.97mmol/(m2·d)。水团物理混合过程、浮游植物光合作用、上升流所携带有机物的矿化作用等是影响表层海水pCO2分布的主要因素;特别是由于08~09月上升流强度和影响范围大于06月,使得该季节水团混合、浮游植物以及有机物矿化对表层海水pCO2的影响程度均高于06月,其贡献率分别为39.6%、28.3%和22.7%。
(3)厦门湾表层水体pCO2变化表现出显著的时空差异:2009年春季表层水体pCO2最低,表现为净CO2汇;夏季、秋季和冬季均表现为CO2源,其中秋季达到全年的高值。有机物的好氧呼吸作用是春季和夏季九龙江河口淡水影响区域水体表层高pCO2的重要原因,而高盐度区表层水体pCO2的分布则主要受河海水混合作用影响。
(4)台湾海峡西部海域CDOM的光学特征表现出明显的时空变化特征:夏季水体CDOM的吸收系数α280和光谱斜率S275-295的均值分别为1.10m-1和30.6μm-1;而冬季吸收系数α280和光谱斜率S275-295的均值分别为1.47m-1和26.7μm-1;这表明台湾海峡冬季CDOM的丰度及其芳香度和平均分子量亦显著高于夏季。同样,近岸区域水体CDOM的丰度及其芳香度和平均分子量显著高于远岸区域。利用平行因子分析(PARAFAC)方法识别出台湾海峡西部水体CDOM有5种荧光组分,其中C1(345,245/484nm)、C2(330,245/408nm)、C4(335,275/432nm)为类腐殖质组分,C3(275/348nm)和C5(240/356nm)为类蛋白质组分。台湾海峡西部海域CDOM的时空分布格局主要受水团运动的影响;夏季近岸(S≤32.5)、冬季近岸(S≤32.0)和冬季远岸(S>32.0)区域水团混合作用的贡献率分别为52.0%、46.2%和56.7%,而夏季远岸区域(S>32.5)水团运动的贡献率(~32.5%)与浮游植物的贡献率(~35.9%)接近。其中,夏季主要受南海水输送的影响,冬季主要受闽浙沿岸流和黑潮支流的影响,而台湾海峡西岸大陆径流输入的影响小于5%;浮游植物的贡献率大约为25%左右。
(5)2009年06月以及08~09月闽南粤东海域水体中TOC主要受水团物理混合的影响;而DOC则受水团物理混合和浮游植物活动的双重影响,尤其在08~09月,浮游植物活动成为影响DOC分布的主要因素。
08~09月闽南粤东海域水体CDOM的平均含量高于06月,而06月CDOM空间分布的差异性及来源变异性则高于08~09月。水体中CDOM有5种荧光组分,其中组分C1(250,345/454nm)、C2(230,310/374nm)和C5(265,425/478nm)为类腐殖质荧光组分,组分C3(230/342nm)和C4(230,275/322nm)属于类蛋白质荧光组分。该区域影响水体中CDOM分布的因素与台湾海峡西部有所差异;浮游植物活动的影响明显高于水团的物理混合,其中06月和08~09月浮游植物活动的贡献率达50%~60%,而水团的物理混合的贡献仅为15%~25%;但随着上升流影响程度加剧和范围的扩大,水团物理混合贡献有所增强。
(6)2009年,厦门湾水体中DOC是TOC的主要组成部分;尤其是在秋季,陆源径流输入以及浮游植物生长活动等是影响厦门湾DOC和TOC时空分布格局的主要因素。
2009年,厦门湾水体中CDOM分布存在明显的季节差异;秋季CDOM平均含量最高,空间变化也最大,但来源相对固定、单一;冬季CDOM含量最低,空间变化最小,但来源变异性较为复杂。水体中CDOM的荧光组分与闽南粤东海域类似,也有5种荧光组分,包括3种类腐殖质荧光组分(C1:250,345/454nm;C2:230,310/374nm;C5:265,425/478nm)以及2种类蛋白质荧光组分(C3:230/342nm;C4:230,275/322nm)。九龙江是厦门湾CDOM的重要来源,九龙江陆源输入的CDOM的年均贡献率约为74.2%;其中陆源输入贡献率秋季最高(~83.6%),春季最低(~66.5%);而浮游植物的影响比较有限,其年均贡献率仅为21.3%。