Distributions of POC and DOC in the Changjiang (Yangtze) River Estuary in response to the extreme flood occurring in the river basin in summer of 2020
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摘要:
为了追踪2020年夏季长江流域特大洪水对长江口及其邻近海域重要生源要素的影响，本研究于2020年7月和2020年8月在该区域连续进行了两个航次的系统观测，测定了表层海水样品中悬浮颗粒物（suspended particulate matter，SPM）、颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC）和溶解有机碳（dissolved organic carbon，DOC）的浓度，并将上述两个航次的结果与长江普通洪季月份（2019年7月）的相关结果进行了对比。结果表明，极端洪水导致口门内长江输出较高浓度的SPM、POC和DOC；长江增加的径流量和增加的上述3种陆源物质的输出通量对邻近海域的影响具有滞后性。与其他两个航次相比，在极端洪水影响下的2020年8月，外海海域也具有更高的SPM、POC和DOC浓度。另外，SPM中有机物占比POC（%）、POC/DOC（mol/mol）和POC/PN（mol/mol）3个指标的分布变化结果显示，2020年8月，长江口及其邻近海域具有最为强烈的陆源物质分布信号。
Abstract:In order to trace the influence of this extreme flood which occurred in 2020 on the river-dominated marine ecosystem, two cruises were carried out in the Changjiang (Yangtze) River Estuary and the adjacent area. During the cruises the concentrations of suspended particulate matter (SPM), particulate organic matter (POC), and dissolved organic matter (DOC) were measured in the surface samples collected at all stations. We compared the results of the above two cruises with those obtain in July 2019. Our results showed that, the flood event in July 2020 greatly elevated the concentrations of SPM, POC and DOC in the Changjiang that were ready to be transported out to the adjacent oceans. There existed a time lag for the influence of the flood on the adjacent area. In the pelagic oceans with higher salinities, concentrations of SPM, POC, and DOC generally showed highest values in July 2020, when compared with the other two cruises in July 2019 and July 2020. During the August 2020 cruise, the three parameters indicating the chemical properties of organic matter, i.e., POC (%), POC/DOC (mol/mol) and POC/PN (mol/mol), also showed the strongest terrestrial signals among the three cruises conducted in the study area.
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海洋是全球最重要的碳库，海洋碳循环过程也是全球碳生物地球化学循环的重要组成部分[1]。作为陆海交互作用的重要地带，河口海岸地区的生源要素循环非常复杂[2-3]。作为水体中有机碳最重要的两个组成部分，颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC）和溶解有机碳（dissolved organic carbon，DOC）在大河河口的传输、收支、归宿以及相互作用机制历来是海洋学研究的热点和难点[4-5]。
大河径流量至少在两个方面对河口及其邻近海域生源要素的生物地球化学行为产生重要影响。一方面，大河径流量可通过冲刷或稀释作用改变生源要素在长江中的浓度，从而进一步改变其输出通量[6]。例如，先前的研究发现，在一年之内，长江月径流量与DOC浓度呈正相关关系[7]，长江径流量表现为冲刷作用；而与NO3−和PO43−等呈负相关关系，长江径流量表现为稀释作用[8]。输出的生源要素通量可直接改变长江口及其邻近海域生态系统的运行和状态。另一方面，长江径流量的大小可改变长江冲淡水在邻近海域的扩展范围和滞留时间，也可极大地影响当地的环流模式，从而改变研究区域在强势物理海洋学影响下的生物地球化学过程[9-10]。
长江流域分别于2016年和2020年发生了历史罕见的洪水事件，导致长江下游大通站在2016年7月和2020年7月的径流量仅次于过去60年中出现的两次流域性特大洪水（1998年7月和1999年8月）[11]。近年来极端洪水事件的频繁发生可能与全球尺度的气候变化有关[12-13]。以往的研究表明，极端气候事件的频繁发生对河流向海洋输送的有机碳通量造成严重影响[14-15]。Pang等[16] 的研究还提出，洪水时期（非极端洪水事件），长江流域陆源有机物的大量输入会改变邻近海域有机物的组成和生物活性。已有研究结果显示，在极端洪水事件等因素造成长江径流量增大的背景下，对于重要生源要素（如有机碳）输出模式的特殊改变以及长江口生态系统对大量陆源生源要素输入的基本响应等关键科学问题，还缺乏相关的研究。
基于以上考虑，本研究于2020年夏季（2020年7月和8月，长江流域特大洪水发生时期），从长江淡水端元经过长江口到东海陆架进行了两个航次的系统观测；此外，在2020年7月洪水期间，对徐六泾站点（31°47ʹN，120°56ʹE，位于长江南支和北支交叉口前端）进行了为期半个月的每日观测。本文将上述观测结果与没有发生洪水的2019年7月进行对比，试图回答上述两个关键科学问题。
1 材料与方法
1.1 采样
本研究在2020年特大洪水期间（2020年7月和8月）以及一般洪季月份（2019年7月），从长江淡水端元徐六泾站点经过长江口到东海陆架，进行了3个航次的观测和采样（3个航次的采样站位见图1）。在每个站位采集表层水样，并用HACH手持式盐度计（型号：HQ40d）现场测定水样的盐度（1978年实用盐度标度）。测定盐度后，摇匀的表层水体样品立即使用预先灼烧（450 ℃，4 h）并称重的玻璃纤维膜（型号：Whatman，GF/F，孔径为0.7 µm）过滤。所有过滤过程中用到的器皿均使用Milli-Q水仔细清洗至少3遍，再用样品润洗，以确保数据质量。过滤结束后，记录过滤体积，并在−20 ℃条件下保存滤膜和滤出液。
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图 1 3个航次表层盐度和SPM浓度的分布Fig. 1 Distributions of salinity and SPM concentration at the surface layers during the three cruises此外，在2020年7月长江特大洪水期间，本研究还在徐六泾站点进行了表层样品的每日采集（2020年7月15日－27日），样品的预处理方式与上述3个长江口航次相同。在徐六泾固定站点的观测有助于更加深入了解洪水期间长江淡水端元相关指标的每日变化。
1.2 样品测定
滤膜在50 ℃条件下烘干48 h以上直至恒重后再次称重，用差值法测定过滤水体中悬浮颗粒物（suspended particulate matter，SPM）的质量，并计算其浓度（单位：mg/L）。为除去样品中的无机碳，烘干后的滤膜随即在浓盐酸蒸汽中熏72 h以上，酸熏后再次烘干，然后包入锡舟中并紧密压实待测。使用CHNOS元素分析仪（型号：Vario EL III，Elementar公司）测定SPM中POC和颗粒氮（particulate nitrogen，PN ）的含量，具体的测定细节可参见文献[5]。该仪器POC和PN的检出限分别为7.5和8 µg[17]。
滤出液在黑暗条件下解冻并恢复至室温，使用总有机碳分析仪（型号：TOC-VCPH，岛津公司）测定样品中DOC的浓度，测定细节可参见文献[18-19]。测定过程中，在样品中加入盐酸（优级纯，2 mol/L）使pH小于2。此外，测定过程中插入DOC标准海水溶液（Florida Strait海水样，由Dennis A Hansell实验室制备，样品批号为Hatch47）进行样品质量监控。
2 结果与讨论
2.1 盐度和SPM分布特征
2019年7月、2020年7月和2020年8月，长江下游大通站月径流量分别为1.6 × 1011 m3/月、1.9 × 1011 m3/月和1.7 × 1011 m3/月[11]。2020年夏季长江特大洪水的峰值发生在7月，并且2020年7月和8月的月径流量均大于2019年7月（2019年洪季月份）。
夏季，研究区域海水往往呈现层化状态[20]，长江冲淡水（盐度<31）主要沿东北和东南两个方向扩展[20]。因此，本研究重点关注长江冲淡水携带的SPM、DOC和POC等陆源物质在表层海水中的分布和性质变化特征。
与2019年7月相比（图1A），发生特大洪水的2020年7月和8月，低盐度长江冲淡水的扩散范围明显增大（图1B和图1C）。2020年的两个航次，8月海水的扩散范围又明显大于7月。2020年7月，30盐度等值线扩展到了124°E区域；而8月，该区域的最高盐度为28左右，盐度>30的海水在整个航次的表层均未出现。
在盐度<10的低盐度区域，2020年7月的SPM浓度最高，其次是2020年8月，2019年7月最低（图1，表1）。这个顺序与径流量排序一致，大的径流量携带更多的SPM进入海洋。与淡水端元和低盐度海水区域不同的是，在高盐度区域（盐度>10），总体上SPM浓度的最高值出现在2020年8月，这与该月长江冲淡水扩散区域最大的事实一致。但是，与2019年7月相比，2020年7月高盐度海水的SPM浓度更低，这与2020年7月低盐度海水的扩散范围更大的事实并不相符。
表 1 2019年7月、2020年7月和2020年8月长江口和邻近东海陆架表层SPM、POC和DOC浓度Tab. 1 The concentrations of SPM, POC and DOC in the Changjiang River Estuary and the adjacent East China Sea shelf, during the three cruises in July 2019, July 2020 and August 2020航次 SPM/mg·L−1 POC/μmol·L−1 DOC/μmol·L−1 盐度< 10 盐度> 10 盐度< 10 盐度> 10 盐度< 10 盐度> 10 2019年7月 36.6 ± 21.3 20.1 ± 13.4 97.5 ± 52.4 49.7 ± 36.5 118.5 ± 18.3 84.4 ± 10.7 2020年7月 188.8 ± 75.6 17.5 ± 8.9 196.4 ± 36.0 47.8 ± 42.9 166.3 ± 22.6 90.9 ± 20.2 2020年8月 134.8 ± 19.4 68.6 ± 32.9 126.9 ± 41.5 89.1 ± 54.5 171.0 ± 13.9 104.0 ± 22.6 2.2 POC和DOC分布特征
3个航次POC浓度的变化（图2）总体上与SPM的变化较为一致。在低盐度区域，发生最大洪水的2020年7月的POC浓度最高，之后是2020年8月和2019年7月。在高盐度区域，3个航次POC与SPM浓度变化一致，2020年8月总体上POC浓度最高，其次是2019年7月，最后是2020年7月（表1）。但是，SPM和POC的浓度变化也有不同之处。例如，在2020年8月航次中，口门外侧122.5°E附近出现了一个POC浓度高值区（图2C），而该高值区并没有在同航次同站位的SPM浓度上反映出来（图1C）。
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图 2 3个航次表层POC浓度的分布Fig. 2 Distributions of POC concentration at the surface layers during the three cruises与POC主要受控于SPM的情况不同，3个航次DOC的浓度更多取决于径流量以及受其直接影响的低盐度海水的扩展情况[21]（图3）。在3个航次中，2020年7月的长江径流量最高，该月份淡水端元和低盐度区域DOC的浓度总体上也最高，其次是仍处于洪水期的2020年8月。淡水端元和低盐度区域DOC浓度的最低值出现在月径流量最低的2019年7月。在高盐度（盐度>10）外海区域，长江冲淡水扩展范围最大的2020年8月的DOC浓度总体上也最高。该月份长江冲淡水更多地向东北方向扩展，因此，外海北部站位的表层海水DOC浓度一般高于南部站位。在长江冲淡水扩展范围较大的2020年7月，外海DOC浓度一般也高于2019年7月（表1）。
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图 3 3个航次DOC浓度的分布Fig. 3 Distributions of DOC concentration at the surface layers during the three cruises2.3 2020年7月淡水端元的日变化
在2020年7月13日至27日长江流域特大洪水期间，本研究在徐六泾进行了连续15天的采样，期间，样品盐度始终小于0.2。日径流量的最大值出现在观测的第1天，此后，在整个观测期间径流量呈现持续下降的趋势（图4）。DOC浓度的最大值也出现在观测的第1天，在第2天和第3天明显下降，并在第3天（2020年7月15日）达到最低值。其后10多天内，DOC浓度呈现缓慢上升的趋势，但浓度始终未超过第1天的最大浓度值（图4）。
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图 4 长江淡水端元径流量、SPM、POC和DOC浓度的日变化Fig. 4 Daily variations in discharge and concentrations of SPM, POC and DOC at the Changjiang freshwater end-member station与DOC浓度不同，在观测期间径流量持续下降的背景下，SPM和POC浓度都没有表现出明显的趋势性变化。但这两个参数同时在2020年7月17日、21日和23日出现了峰值（图4），显示出SPM浓度对POC的控制作用。
2.4 极端洪水对 SPM、POC 及 DOC浓度及其空间分布特征的影响
以往研究表明，在年内的季节尺度上，长江较大的径流量会导致淡水端元输送较高浓度的SPM以及携带高浓度POC[22-23]；另外，由于径流量对DOC以冲刷效应为主，大的径流量往往对应较高的DOC浓度[7]。本研究的结果同样表明，在口门内（淡水端元和低盐度区域），无论是颗粒态（图1和图2）还是溶解态（图3），2020年特大洪水期间的浓度均高于2019年洪季（非特大洪水期间）。以上结果说明，即使在年际尺度上，与一般洪季年份相比，特大洪水期间增加的径流量对SPM、POC及DOC仍是以冲刷效应为主[6]。
虽然在低盐度海水中，极端洪水的影响主要体现在2020年7月的结果上。但口门外及其邻近海域的情况有所不同。与月径流量更大的2020年7月相比，长江冲淡水的扩展范围在2020年8月反而更大。从图5可以看出，与2019年7月相比，2020年7月和8月两个航次在各个盐度范围内的POC和DOC浓度大多数情况下均偏高。而且，外海2020年8月的SPM、POC和DOC浓度均高于7月（图1－图3，图5）。2020年7月外海的SPM和POC浓度甚至低于没有发生特大洪水的2019年7月。由此看出，在高盐度海水中，洪水的影响主要体现在2020年8月的结果上。以上现象主要归因于长江径流量在空间上对外海影响的滞后效应。以往的研究表明[24-26]，长江冲淡水从淡水端元到邻近东海的传输时间（或外海长江冲淡水的水龄）为一个月左右。因此，2020年8月口门外相关指标的分布正是2020年7月特大洪水影响的结果。
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图 5 3个航次不同盐度范围海水中POC和DOC浓度平均值的变化Fig. 5 Variations in average concentrations of POC and DOC in the seawaters with different salinity ranges during the three cruises2.5 极端洪水对有机物性质的影响
长江流域性特大洪水对邻近海域生态系统的影响，不仅体现在生源要素的浓度和分布特征上，而且还体现在有机物的组成和化学性质上。研究发现，与邻近海域相比，长江淡水端元输出的陆源有机物往往有较低的POC（%）（SPM中POC的占比）、较高的POC/DOC和POC/PN[5, 27]。在整个盐度范围内，与2019年7月相比，2020年洪水期间两个航次的上述指标均表明，增加的径流量能携带更多陆源性有机物进入长江口或更远的东海陆架海域（图6）。
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图 6 3个航次不同盐度范围海水中POC (%)、POC/DOC和POC/PN等指标平均值的变化Fig. 6 Variations in average values of POC (%), POC/DOC and POC/PN in the seawaters with different salinity ranges during the three cruises2020年7月和8月两个航次的结果表明，在整个盐度范围内，2020年7月有较高的POC（%）（图6A）以及较低的POC/PN（图6C）。另外，在低盐度范围内，2020年7月的POC/DOC高于8月，而在高盐度范围内，情况则相反（图6B）。以上结果说明，2020年8月的结果比7月更能体现极端洪水事件对邻近海域的影响。
图5和图6的结果表明，与以往一般洪季年份相比，2020年的特大洪水确实将更多的陆源性有机物带到了距陆地更远的海域。值得注意的是，这些增多的陆源性有机物可能导致该海域生态系统的碳循环发生变化，从而对该海域的生态系统物质循环、能量传递以及生物地球化学循环产生复杂而深刻的影响。
3 结 论
(1) 极端洪水事件使长江淡水端元SPM、POC和DOC浓度均有明显升高。此外，在外海相同盐度条件下，2020年8月的SPM[（68.6±32.9）mg/L]、POC[（89.1±54.5）μmol/L]和DOC[（104.0±22.6）μmol/L]的浓度高于2020年7月[（17.5±8.9）mg/L、（47.8±42.9）μmol/L和（90.9±20.2）μmol/L]。
(2) 极端洪水对长江口及其邻近海域生源要素空间分布的影响具有滞后性，表现为长江冲淡水的扩展范围在2020年8月明显大于长江径流量达到峰值的2020年7月。
(3) 极端洪水对外海生源要素分布的影响还表现在其化学性质上。POC（%）、POC/DOC和POC/PN这3个指标的结果均表明，与2019年7月和2020年7月相比，受极端洪水事件影响最大的是2020年8月，长江口及东海陆架海域表层海水中具有更强烈的陆源物质分布信号。
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图 1 3个航次表层盐度和SPM浓度的分布
Fig. 1. Distributions of salinity and SPM concentration at the surface layers during the three cruises
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图 2 3个航次表层POC浓度的分布
Fig. 2. Distributions of POC concentration at the surface layers during the three cruises
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图 3 3个航次DOC浓度的分布
Fig. 3. Distributions of DOC concentration at the surface layers during the three cruises
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图 4 长江淡水端元径流量、SPM、POC和DOC浓度的日变化
Fig. 4. Daily variations in discharge and concentrations of SPM, POC and DOC at the Changjiang freshwater end-member station
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图 5 3个航次不同盐度范围海水中POC和DOC浓度平均值的变化
Fig. 5. Variations in average concentrations of POC and DOC in the seawaters with different salinity ranges during the three cruises
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图 6 3个航次不同盐度范围海水中POC (%)、POC/DOC和POC/PN等指标平均值的变化
Fig. 6. Variations in average values of POC (%), POC/DOC and POC/PN in the seawaters with different salinity ranges during the three cruises
表 1 2019年7月、2020年7月和2020年8月长江口和邻近东海陆架表层SPM、POC和DOC浓度
Tab. 1 The concentrations of SPM, POC and DOC in the Changjiang River Estuary and the adjacent East China Sea shelf, during the three cruises in July 2019, July 2020 and August 2020
航次 SPM/mg·L−1 POC/μmol·L−1 DOC/μmol·L−1 盐度< 10 盐度> 10 盐度< 10 盐度> 10 盐度< 10 盐度> 10 2019年7月 36.6 ± 21.3 20.1 ± 13.4 97.5 ± 52.4 49.7 ± 36.5 118.5 ± 18.3 84.4 ± 10.7 2020年7月 188.8 ± 75.6 17.5 ± 8.9 196.4 ± 36.0 47.8 ± 42.9 166.3 ± 22.6 90.9 ± 20.2 2020年8月 134.8 ± 19.4 68.6 ± 32.9 126.9 ± 41.5 89.1 ± 54.5 171.0 ± 13.9 104.0 ± 22.6 
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1. 傅芳敏，姚爱林，明玥，王宪业，高磊. 2022年6月珠江流域洪水对下游溶解有机物浓度和组成的影响. 海洋与湖沼. 2024(02): 397-408 . 
百度学术
2. 陈灏，何贤强，李润，曹芳. 基于机器学习的长江口表层水体溶解有机碳遥感反演研究. 华东师范大学学报(自然科学版). 2024(04): 123-136 . 百度学术
3. 陈洁南，曹芳. 基于OLCI的长江口及其邻近海域表层水体颗粒有机碳反演. 海洋科学进展. 2023(04): 657-672 . 百度学术
4. 李明洋，王锐，李梓轩，黄清辉，尹大强. 长江口-东海陆架咸淡水混合影响下溶解性有机质的分布及荧光特征. 生态毒理学报. 2022(06): 15-28 . 百度学术
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