磨刀門腔枯季咸淡水混合特征與二氧化碳分壓關系研究

磨刀門腔枯季咸淡水混合特征與二氧化碳分壓關系研究

1河流碳排放過程隨著大量石化燃料的使用，溫室二氧化碳濃度持續(xù)增加，溫室效應的改善導致一系列全球環(huán)境問題，這對人類社會的可持續(xù)發(fā)展構成了重大挑戰(zhàn)。圍繞地球系統(tǒng)各界面上的碳交換過程,科學界正在努力構建全球碳循環(huán)模式。在河-海作用強烈的河口區(qū)表層水體碳的源/匯作用的轉變過程復雜:“弱源”(河流)?“強源”(河口)?“匯”(海洋)。一方面河流在向海洋和湖泊輸送碳的同時,從上游到下游水體中的二氧化碳分壓復雜多變,但是在大部分時間多數(shù)河段水體中的二氧化碳處于過飽和狀態(tài),不斷向大氣排放二氧化碳,很多河流水體二氧化碳分壓在河口區(qū)達到最大值;另一方面,隨著鹽度增加,從河口經(jīng)邊緣海到大洋,表層水體二氧化碳分壓逐漸減小,海洋水體對大氣的“源/匯”角色逐漸發(fā)生轉變。珠江流量居世界河流的第13位,珠江有復雜的河口水系,其河流碳的循環(huán)過程正受到學術界的關注。西江是珠江的重要支流,磨刀門的入海水量占八大口門入?？偹康?8.3%,但是由于西江徑流的季節(jié)變化,在枯季咸潮入侵磨刀門水道,已經(jīng)嚴重影響到當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)、生活。本文以西江干流河口段磨刀門—大鰲水道(即磨刀門水道,圖1)為例,探討枯季河流河口淡水端表層水體二氧化碳分壓分布的規(guī)律,揭示咸水入侵情況下西江河道生態(tài)系統(tǒng)中的碳行為,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展決策提供參考。2材料和方法2.1門潮型河口磨刀門為西江干流的主要入?？?在珠江八大口門中它的輸水、輸沙量最大(見圖1)。磨刀門是典型的河流優(yōu)勢型河口,其徑潮比為5.78,潮流作用相對較弱。西江徑流的季節(jié)性變化很大,導致河口“三界”(潮區(qū)界、潮流界和咸水界)的巨大變化。在枯水期河口“三界”(分別為梧州德慶、三榕峽和掛碇角)比洪水期(分別為外海、燈籠山和攔門沙)更深入內陸。2.2水質和水質的二氧化碳分壓本次采樣時間為2006年12月18日10:46～17:12。采樣時天氣晴,風力小于3級,平均氣溫為20°C。從磨刀門(22.11°N,113.46°E)沿磨刀門水道向上每隔一段時間采集表層水樣,并且用GPS確定采樣點位置(圖1)?，F(xiàn)場測定航距(d)、日照時間(tds)、pH,水溫(θ)、電導率(γ)、氧化還原電位(Eh)、鹽度(S)、總堿度(A)和水體的二氧化碳分壓[p(CO2)](表1),其中pH,水溫、電導率和氧化還原電位使用美國MyronL.Company生產(chǎn)的UltrameterⅡ(6P)儀器測得。利用GPS實測樣點的地理坐標,采用兩點間的球面距離公式計算第n點航距。日照時間以06:00為起點計算。利用水體電導率、溫度和壓強等參數(shù)計算、查表得到鹽度。使用稀鹽酸滴定法測定總堿度。采用河道碳酸鹽平衡體系中的總堿度、溫度和pH等參數(shù)計算二氧化碳分壓。統(tǒng)計分析在SPSS12.0軟件上進行。因所測參數(shù)樣本不符合正態(tài)分布,故所有的相關系數(shù)都是Spearman秩相關系數(shù)。3水溫、電導率、總堿度12月18日從磨刀門到橫欄鎮(zhèn)的大鰲碼頭(22.5°N,113.23°E)航測距離約54km,共采樣36個(圖1,表1)。pH為7.64～7.87,水溫、電導率、氧化還原電位、鹽度、總堿度的值分別為16.4～18.5℃,257.4～21520μS/cm,57～118mV,0.18～19.67,1741.74～2517.52μmol/dm3。鹽度和電導率隨航距有明顯的漸減趨勢,而氧化還原電位隨航距有明顯的漸增趨勢;pH,水溫、總堿度和二氧化碳分壓的變化復雜(表1)。3.1潮位和磨刀門的堿度從航測過程看,河道表層水體堿度平均值為1029.50μmol/dm3。堿度沿河道隨航距有逐漸變小的趨勢,但是在28～30km處發(fā)生異常增大(圖2)。鹽度隨著航距的增大呈指數(shù)快速降低,在航距33km處附近出現(xiàn)了異常波動(圖2),鹽度的異常波動與潮汐作用密切相關。雖然磨刀門河口是徑流優(yōu)勢型河口,但是西江徑流隨季節(jié)變化大,枯季磨刀門水道咸水入侵活動頻繁。由于磨刀門河口為不規(guī)則半日潮汐類型,采樣時段(18日10:46～17:12)為伶仃洋大萬山潮汐站的低高潮退水至高高潮漲水期間,同時上游天河水文站的水位曲線處于枯水期天文大潮前期的天文小潮的潮汐周期內,對比天河站與大萬山站的潮位,兩站間的潮位相差(2.5±1.0)h。在距磨刀門口門28～30km處兩樣點電導率和鹽度明顯減小(見表1,圖2),這與退潮淡水流的沖淡作用有關,因為其采樣時刻分別為14:44和14:51,與大萬山站高低潮位111cm的12:24相差約2.5h。從30到40km區(qū)段,鹽度隨航距先上升至峰值(航距33km附近)后再逐漸下降,鹽度的這種波動與潮汐從高低潮到高高潮的漲潮階段相對應,說明潮汐作用控制磨刀門水道水位的同時,也影響著其鹽度的空間分布(圖2)。從航測結果看,磨刀門水道的堿度與鹽度總體上呈正相關(表2,圖3),說明堿度是保守的,河道內的咸淡水混合過程明顯存在,但是在鹽度為3～6(航距38～24km)時,鹽度與堿度的關系復雜(圖3),堿度出現(xiàn)不保守現(xiàn)象,說明該河道在采樣時段除了受咸淡水混合過程控制外,還受到其他因素的影響。從采樣現(xiàn)場和實測的數(shù)據(jù)看,出現(xiàn)堿度不保守行為的主要原因是潮汐導致河段水位升降,刷洗河床沉積物,使河道溶解無機碳發(fā)生急劇變化,因為采樣是沿著主河道進行的,避免了兩岸污染源的直接影響,并且出現(xiàn)堿度不保守的河段并不對應于城鎮(zhèn)密布的下游。對比伶仃洋的大萬山潮汐站和上游天河水文站的水位,出現(xiàn)堿度不保守的時段剛好處于高低潮退水附近,這進一步證實潮汐不僅控制了河道水位的變化,同時漲落潮的動力沖刷還影響河道鹽度、堿度的空間分布。綜合鹽度和堿度的空間變化,磨刀門水道枯季總體上受咸淡水混合過程控制,同時局部時空段的漲落潮動力作用沖刷河床沉積物使堿度在咸淡水混合過程中出現(xiàn)了不保守行為。3.2鹽度和堿度沿程變化從航測過程看,河道表層水體二氧化碳分壓值為147.24～364.15Pa,其平均值為200.87Pa,相當于通常狀況下大氣二氧化碳分壓的3～10倍左右,所測河段是大氣二氧化碳的“源”,向大氣排放大量二氧化碳。樣點水體二氧化碳分壓沿河道變化復雜,隨著航距增大二氧化碳分壓呈先振蕩上升后逐漸下降的趨勢(圖4)。鹽度、堿度沿河道逐漸減小并在局部地段出現(xiàn)異常波動。相關分析(表2)表明,鹽度與溫度、pH關系不明顯,與電導率、堿度、二氧化碳分壓呈顯著正相關,而與氧化還原電位呈顯著負相關。綜合分析認為河-海相作作用波及河道,影響了水體的電導率、堿度、氧化還原電位、二氧化碳分壓的變化。從表2可以看出:二氧化碳分壓與溫度、氧化還原電位關系不明顯,與電導率、堿度、鹽度呈顯著正相關,而與pH呈顯著負相關。結合鹽度和堿度沿程變化規(guī)律來看,二氧化碳分壓沿河道隨鹽度也發(fā)生相應的變化,出現(xiàn)了沿程先振蕩上升再逐漸下降的趨勢(見圖4)。二氧化碳分壓在航距28km附近急劇上升出現(xiàn)最大值,對應于鹽度的異常低值(見圖4)和堿度的異常高值(見圖2),與落潮淡水流對河床沉積物的動力沖刷作用相關。上述分析表明,河-海作用規(guī)律控制著鹽度、堿度的空間變化,同時對河道二氧化碳分壓的沿程空間分布也具有重要影響。3.3河道水體理化指標與航距的關系由于西江徑流作用的減弱、海洋作用加強導致磨刀門水道枯季咸淡水混合頻繁。河口表層水體的電導率和鹽度隨航距增大有明顯的遞減趨勢(見表1,圖2),三者具有顯著的正相關關系(表3)。與電導率和鹽度的空間變化趨勢不同,pH和溫度的變化趨勢不明顯,而且氧化還原電位隨航距有增加的趨勢(圖5)。在河-海作用的咸淡水混合過程中,水體pH和溫度變化較小。在口門附近氧化還原電位較低,隨航距增加氧化還原電位逐漸上升。在20～24km河段,受潮汐漲落的影響,氧化還原電位迅速變大(圖5)。從相關分析的結果(表3)可以發(fā)現(xiàn)pH和溫度與航距沒有明顯相關性,而氧化還原電位與航距和日照時間有顯著的正相關關系,因此可以推斷氧化還原電位不僅受日照時間的控制,同時還受到潮汐漲落作用的影響。河道水體中二氧化碳分壓的變化不僅體現(xiàn)了河流碳排放的規(guī)模,而且還反映了河道體系中無機碳和有機碳之間的循環(huán)轉化規(guī)律,它是河道系統(tǒng)碳循環(huán)活動的重要指標。磨刀門水道的河口過程控制了河道水體中各物理、化學、生物參數(shù)的變化,使河道系統(tǒng)內的碳發(fā)生一系列的轉換和輸移。航距與河道水體中各種理化參數(shù)的關系在量上表征了河口動力過程的空間分布規(guī)律。樣點的理化參數(shù)與航距的相關分析(表3)表明,電導率、鹽度、二氧化碳分壓與航距呈顯著相關。隨著航距的增大、海洋作用的減弱,河道水體電導率和鹽度有變小的趨勢。航距和日照時間與氧化還原電位呈顯著正相關,說明隨著航距和日照時間的增大,水體氧化還原電位值逐漸增大,而航距和日照時間與二氧化碳分壓呈顯著負相關,水體中的二氧化碳分壓先振蕩變大再逐漸變小,河道水體的碳排放強度在時間上呈現(xiàn)出復雜多變的漸減趨勢。河道表層水體二氧化碳分壓與鹽度總體上有顯著的正相關關系(見表2),但是圖6表明在鹽度為3～19,尤其在3～6時水體二氧化碳分壓變化復雜,二氧化碳分壓與鹽度的關系不明顯。在鹽度為3～6(即航距為24～38km的河道內)時,水體中的二氧化碳分壓有復雜的突變,這跟長江口二氧化碳分壓突變出現(xiàn)在鹽度0.6的研究結果有所不同,說明在不同河流的河口段河道水體二氧化碳分壓劇變發(fā)生處的鹽度范圍不同。另外,對應于二氧化碳分壓劇變發(fā)生處在航距24～38km的河道內,采樣時正處于河道的漲落潮轉換之際,樣點水體受潮汐與咸淡水混合作用的影響,其理化參數(shù)也會處于劇變之中,導致水體中各種碳轉化頻繁,尤其在航距27～36km的河道內,漲落潮作用使河道表層水體二氧化碳分壓處在169～364Pa的劇烈變化中(見表1,圖4)。因此,枯季在磨刀門水道口門以內24～38km處,其鹽度為3～6時水體二氧化碳分壓急劇變化,出現(xiàn)了二氧化碳分壓最大值364Pa,其主要原因是河口過程中漲落潮的潮汐沖刷作用,尤其是潮汐對河床及兩岸灘地的沖刷作用使沉積在河床上的大量有機質上涌而氧化分解釋放大量的二氧化碳。這與河-海相互作用發(fā)生在口外混合帶的碳效應明顯不同。圖5表明表層水體的pH,溫度隨航距的變化趨勢不明顯,與航距和日照時間的相關性不顯著,而氧化還原電位與航距和日照時間的正相關關系顯著(見表2),其關系為Eh=0.0729d+6.8225(r2=0.6545)(見圖5)。這表明受到日照和混合作用減弱的影響,航測區(qū)域表層水體的光合作用增強,水體氧化還原電位隨航距有上升的趨勢,但是從氧化還原電位與二氧化碳分壓的關系不顯著(見表2)來看,水體中二氧化碳分壓與水體內部碳的涉氧作用(即好氧呼吸和光合作用)關系不明顯,其來源很復雜,這與珠江虎門口河道水體二氧化碳分壓來源于有機質的耗氧呼吸作用的情況不同。二氧化碳分壓可能還與水體的外源輸入有關,如感潮河道咸淡水混合輸移、漲落潮對兩岸潮灘濕地和河床的洗刷以及沉積物有機質的上涌釋放等,這跟美國的Satilla和Altamaha河口的二氧化碳分壓來源相似。4月的水質作用枯季磨刀門入海水道表層水體二氧化碳分壓值約為大氣的3～10倍,是大氣二氧化碳的“源”,并且二氧化碳分壓隨航測距離呈現(xiàn)出復雜多變的漸減趨勢。(1)河道水體堿度的保守行為表明,磨刀門水道在枯季具有明顯的咸淡水混合作用,并且這種混合作用控制了水體理化參數(shù)