南海北部海盆区及邻近西太平洋黑潮区溶解有机物的光谱特性及调控因素

摘要

有色溶解有机物(CDOM)是海洋碳库的重要组成部分，在海洋真光层内发生的光化学、光生物学过程中扮演着重要的角色，同时也可用来示踪深海生物地球化学循环过程。南海是典型的大洋主控型边缘海，其北部海盆区通过吕宋海峡与邻近的西太平洋黑潮区进行着活跃的物质和能量交换，对整个南海及西太平洋碳的生物地球化学过程有着重要影响。但是，利用CDOM的光谱指纹特征来示踪两个海区碳循环过程的研究还未见报道。本文在搭建海水低浓度CDOM吸收光谱测试系统的基础上，结合三维荧光光谱测定与平行因子分析、主成分分析等手段，系统研究了2014年3～4月南海北部海盆区及邻近西太平洋黑潮区CDOM的光谱特性及其空间分布规律，并结合等密度混合模型、海表高度及表观耗氧量等参数，讨论了黑潮水入侵对南海表层CDOM分布的影响，对比了南海水与黑潮水两个端元CDOM的储量差异，分析了中尺度过程和上升流对海洋真光层CDOM分布的影响，探讨了真光层以下中、深层水体腐殖质组分的产生与积累，初步构建了边缘海CDOM生物地球化学循环的基本框架。主要研究结果如下:
　　(1)搭建了用于开阔大洋海水中低浓度CDOM吸收光谱测定的液芯波导系统，规范了CDOM吸收光谱测试流程及液芯波导管路清洗维护方法，提出了排除气泡干扰的经验措施，完善了液芯波导系统测定海水CDOM吸收光谱的校正方法。对高浓度CDOM样品，该方法的精密度优于4％，对CDOM含量极低的表层海水，CDOM吸收系数及光谱斜率的相对标准偏差也＜6.5％，表明本文搭建的液芯波导系统在测定边缘海及开阔大洋海水CDOM吸收光谱上的稳定性和可靠性。
　　(2)通过PARAFAC方法共鉴别出5种荧光组分，包括2种类腐殖质荧光组分和3种类蛋白质荧光组分。水平分布上，南海北部海盆区各荧光组分强度及吸收系数a350均高于邻近黑潮区;垂直分布上，两个海区各组分垂直分布趋势均与开阔大洋区类似;断面分布上，南海北部海盆区真光层内CDOM局部分布特征明显受到中尺度涡和上升流的影响。南海北部海盆区及邻近西太平洋黑潮区CDOM主要来自海洋自生源和大洋本底信号，没有陆源输入的影响。结合吕宋海峡中层水通量和两个海区中层水体CDOM的丰度差异，计算得出南海北部海盆中层水长波激发类腐殖质荧光组分C1向西太平洋的输出通量约为(2.89±1.70)×1011 R.U.m3/yr，短波激发类腐殖质组分C2向西太平洋的输出通量为(1.71±0.33)×1011 R.U.m3/yr，CDOM发色团的输出通量约为(1.13±0.28)×1013 m2/yr（a350）。
　　(3)春季南海北部海盆区黑潮入侵信号明显，真光层内2个类腐殖质组分的分布主要受控于物理混合过程，但类色氨酸组分的分布主要受控于生物活动，而CDOM发色团的分布受物理混合和生物活动共同影响。根据等密度混合模型计算得知，典型南海水端元上层100m水柱CDOM储量明显高于黑潮水端元，其中C2组分的储量差值最大，高达82％，类色氨酸组分的储量差值最小，约为23％，不同组分储量差值的大小主要反映了光化学降解和生物活动产生两个过程综合作用的结果。此外，南海北部海盆区活跃的中尺度涡对模型计算结果有显著影响，暖涡会导致黑潮水比例（Rk）计算值偏高，冷涡则相反。
　　(4)中层水体长波激发类腐殖质组分C1的荧光强度、吸收系数a350与表观耗氧量(AOU)之间有着较为显著的正相关关系，而短波激发类腐殖质组分C2与AOU之间的相关性不显著，表明中层水C1组分生成速率明显高于C2组分，且南海北部海盆区中层水C1组分、CDOM发色团的产生速率略高于西太平洋黑潮区，反映出两个海区颗粒有机物的输出通量差别。SEATS站深层水中C1、C2组分存在明显的积累过程，其产生速率分别为46.7×10-5 R.U./(μmol/kg)、29.7×10-5 R.U./(μmol/kg)，与日本海深层水相当，明显高于南海北部海盆中层水。
　　(5)利用C1、C2两个类腐殖质组分生、消过程的差异，本文构建了腐殖质比值指数(CMR)，该指数不仅对南海北部海盆活跃的中尺度过程（暖涡）存在迅速的响应，也可反映出不同水团的CDOM性质差异，因此具有潜在的水团示踪意义。

目录

声明

摘要

缩略语表

第1章 绪论

1．1 溶解有机物及其在海洋生态系统中的作用

1．2 海洋有色溶解有机物

1．2．1 有色溶解有机物概述

1．2．2 海洋CDOM的光吸收特性

1．2．3 海洋CDOM的荧光特性

1．2．4 海洋CDOM的化学特性

1．3 海洋CDOM的收支及示踪意义

1．3．1 海洋CDOM的来源

1．3．2 海洋CDOM的去除

1．3．3 海洋CDOM的积累

1．3．4 海洋CDOM的示踪意义

1．4 开阔大洋CDOM光谱特性研究进展

1．4．1 开阔大洋表层CDOM水平分布

1．4．2 开阔大洋CDOM垂直分布

1．5 边缘海CDOM光谱特性研究进展

1．5．1 河流主控型边缘海

1．5．2 大洋主控型边缘海

1．6 研究背景与科学问题

第2章 研究区域与方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 南海水文气候特征

2．1．2 南海水团特征

2．2 样品采集与预处理

2．3 样品测定与数据处理

2．3．1 吸收光谱测定

2．3．2 三维荧光光谱EEMs测定与平行因子分析

2．3．3 其他参数

第3章 基于液芯波导技术的海水CDOM吸收光谱测定

3．1 前言

3．1．1 液芯波导概述

3．1．2 液芯波导在海水低浓度CDOM检测上的应用

3．2 基于液芯波导技术的海水CDOM吸收检测系统

3．2．1 系统组件与集成

3．2．2 液芯波导管清洗流程

3．2．3 CDOM吸收光谱测定流程

3．2．4 消除气泡干扰的经验措施

3．3 结果与讨论

3．3．1 基线漂移检测

3．3．2 细微温度变化、微型气泡效应的校正

3．3．3 海水本底吸收校正

3．3．4 精密度检测

3．3．5 与传统分光光度计比较

3．4 本章小结

第4章 南海北部海盆及邻近西太平洋黑潮区CDOM光谱特性

4．1 水文要素分布特征

4．1．1 水平分布

4．1．2 垂直分布

4．1．3 断面分布

4．2 CDOM荧光特性统计分析

4．2．1 EEMs-PARAFAC分析

4．2．2 主成分分析

4．3 CDOM水平分布特征

4．4 CDOM垂直分布特征

4．5 CDOM断面分布特征

4．5．1 南海北部海盆区18°N断面

4．5．2 西太平洋黑潮区122．5°E断面

4．6 CDOM荧光与吸收的关系

4．6．1 荧光强度与吸收系数之间关系

4．6．2 荧光强度、吸收系数与光谱指数之间的关系

4．7 南海北部海盆区CDOM中层输出通量估算

4．8 本章小结

第5章 南海北部海盆与邻近西太平洋黑潮区CDOM调控因素

5．1 黑潮入侵对南海北部海盆区CDOM分布的影响

5．1．1 上层100 m黑潮入侵比例(等密度混合模型)

5．1．2 模型计算结果与实测结果比较

5．1．3 模型计算结果偏差及其海洋学意义

5．1．4 涡旋对模型计算结果的影响

5．1．5 南海与黑潮水端元特征比较

5．2 中尺度涡对局部海区CDOM分布的影响

5．3 中层水体CDOM的产生

5．4 深层水体CDOM的积累

5．5 腐殖质比值CMR指数的水团示踪意义

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 存在不足与研究展望

参考文献

在学期间主要工作

致谢