长江口缺氧区耗氧有机物的来源

【摘要】20世纪50年代以来,随着经济的高速发展,人类活动已经严重影响了区域生态环境,近海环境中缺氧区的报道不断增多,已成为全球性的重大环境问题。普遍认为,水体的层化和营养盐的大量输入引发的藻类过度繁殖及其后续的降解耗氧是造成近海区域缺氧的主要原因；但也有研究认为,河流直接输入的有机物是缺氧区耗氧有机物的另一种可能的来源；目前对河流输入的外源有机物和浮游植物自生的有机物在维持河口、湖泊耗氧呼吸作用的相对重要性还不清楚,所以,甄别和定量研究缺氧区耗氧有机物来源意义重大。本论文以长江口缺氧区作为主要研究案例,通过端元混合模式,甄别水团混合和生物地球化学反应对溶解无机碳浓度和同位素组成的影响,对有机碳的碳同位素(δ13CPOC)及其降解产物溶解无机碳的碳同位素组成(δ13CDIC)的耦合分析,定量区分陆源和现场自生两个过程对缺氧区耗氧有机物的贡献。此外,本论文选择厦门大学情人湖作为辅助案例,定量评估了湖泊季节性缺氧区的耗氧有机物来源,并与长江口缺氧区开展比较研究。2011年8月15～25日在长江口开展了现场研究,该航次观测到为期10天的缺氧恢复过程。因为航次前台风通过研究区域,我们在航次初期没有观测到明显的缺氧现象,底层溶解氧均大于3mg/L;但航次后期,在往年缺氧区底层观测到明显的缺氧现象,底层溶解氧在2-3mg/L。缺氧站位存在明显的层化现象,表层颗粒有机碳(POC)浓度较高,受有机物矿化分解影响,底层溶解无机碳(DIC)高于表层,且底层δ13CDIC小于表层δ13CDIC。本研究基于本航次实测数据和历史温盐数据建立三端元混合模型。首先模拟了长江冲淡水、东海表层水和东海底层水的混合作用,并应用保守型常量元素钙离子对混合模型进行了校验。结果显示,模型预测值与实测值吻合度相当好。为了进一步检验本模型的有效性,分别将碱度(TA),溶解无机氮(DN),溶解无机磷(DIP)的实测值和模型预测值相减得到△TA,△DIN,△DIP,△(Si(OH)4)。其中,ΔTA在表观耗氧量(AOU)大于100μmol/kg的站位均为负值(-30～0μmol/kg);△DIC和AOU,△(Si(OH)4)和△DIN,△DIN和ΔDIP的斜率分别为0.78,0.83和21,与经典的Redfield比值吻合,故认为三端元模型可以很好地区分本航次研究区域的水团混合和生物地球化学作用。假设生物作用(光合作用和呼吸作用)是导致实测DIC和δ13CDIC偏离模型预测值的唯一原因,根据浓度和同位素组成的质量守恒,可计算出底层站位的耗氧有机物的碳同位素组成(δ13COCx)为-17(±3)‰。以-24.5(±0.5)‰和-18.5(±1)‰分别作为陆源和海源有机物的同位素组成,则海源有机物对于缺氧区的有机物贡献在36-100%,平均值86%,陆源有机物贡献的平均值为14%。同时,本文2011年6月到2012年2月在厦门大学水库(情人湖)开展了一系列的研究,作为研究缺氧的辅助案例。该研究观测到情人湖2011年夏季3m以深存在严重的缺氧现象,底层DIC和δ13CDIC垂直分布受控于生物再矿化作用。根据同位素和浓度质量守恒,假设有机物再矿化作用是导致夏季DIC和δ13CDIC偏离冬季为唯一原因,则3.5m以深耗氧有机物的δ13COCx=-27.7‰,与春夏季表层的δ13CPOC(-27.1‰)几乎相等,说明春夏季表层新生成的有机物的耗氧分解导致夏季底层缺氧,而其他来源的有机碳贡献不明显。本论文还观测到2011年8月30日强降水15天内3-5.5m之间的有机物耗氧分解过程,采用类似的计算方法,可以得到强降水后中层耗氧有机物中的65%来源于入流水有机物的直接输入,剩余的35%则来自表层新生成有机物。两个案例均利用DIC和δ13CDIC的质量守恒原理,计算公式虽略有不同,但思路完全一致：长江口缺氧区是基于三端元混合模型计算出DIC和δ13CDIC的“本底值”,通过实测值和“本底值”的差值计算出有机物再矿化作用的强度;情人湖缺氧区由于水体性质单一,直接将冬季的DIC和δ13CDIC分布作为“本底值”,夏季与冬季的差值作为生物作用强度,然后均根据DIC和δ13CDIC在“本底值”上的耦合变化得到δ13COCx,而且结论类似,互为印证。本研究从同位素的角度定量验证长江口缺氧区耗氧有机物主要为入流水携带的营养盐刺激生成的表层有机物,陆源直接输入的有机物在缺氧区贡献较小,平均值仅为14%；情人湖夏季底层缺氧区的耗氧有机物几乎全部来自春夏季表层水华;但突发事件,中层耗氧有机物主要来自入流水有机物的直接输入。总之,基于本论文的两个缺氧区案例,得到富营养化驱动的有机物生产是近岸环境缺氧的主要原因。本论文的研究思路具有较广泛的应用性,其结论可为管理和保护河口和湖泊环境提供了较好的数据支持：即控制营养盐输入是控制河口缺氧区有效手段。
【作者】王洪杰；
【导师】戴民汉；
【作者基本信息】厦门大学，海洋化学，2014，硕士
【关键词】长江口缺氧；湖泊缺氧；稳定碳同位素；富营养化；

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