中国南海北部与东海陆架区冬季海底地下水排放通量及其生物地球化学效应的比较

摘要

海底地下水排放(Submarine Groundwater Discharge，SGD)是海陆相互作用和水循环的重要过程，是陆地向海洋输送水量和物质的重要通道，对沿海生态环境有着不可忽视的作用，也因此受到越来越多的关注和重视。近年来，SGD相关的研究工作主要集中在物质的入海通量及其对海洋生态环境和物质循环的影响，然而，在陆架尺度上SGD及其生物地球化学影响的研究仍然较少。为了评估冬季陆架尺度的SGD对中国南海北部以及东海陆架区生物地球化学循环的影响，本研究调查了南海北部和东海陆架区海水及其沿岸地下水中镭同位素、总碱度(Total Alkalinity, TA)、溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon，DIC)、营养盐，包括溶解无机氮(Dissolved Inorganic Nitrogen，DIN)、活性磷酸盐(SolubleReactive Phosphorus，SRP)、以及溶解硅酸盐(Dissolved Silicon，DSi)浓度的分布，以天然放射性镭同位素作为示踪剂，应用两种独立的方法来估算南海北部和东海陆架区SGD通量，及其携带的TA、DIC及营养盐通量。主要研究结果如下:
　　南海北部和东海陆架区镭同位素的分布呈现相同的规律，四种镭同位素的活度随着离岸距离的增加而减少，在近岸受到河流和地下水输入的影响比较大，因而活度较高，且地下水的输入是镭的主要来源;离岸时，自身的衰变和与外海水的混合导致镭的活度降低。此外，南海北部陆架区近岸水体中的镭还受到闽浙沿岸流的影响，活度较高。根据镭同位素不同的来源，在南海北部陆架区以珠江口外断面为界建立南北两个箱子用于箱式模型的计算，分别命名为Box1和Box2;而东海陆架区则根据研究站位建立箱式模型计算。
　　利用223Ra/ex228Ra活度比值建立水体年龄计算模型，南海北部陆架区水体的停留时间为4-34天，其中Box1的平均水体停留时间为17.8±10.0天，Box2的平均水体停留时间为18.5±8.2天;而东海陆架区水体停留时间为6-26.9天，平均为17.2±11.6天。
　　结合三端元混合模型和镭箱式模型估算的结果，我们得出输入南海陆架区Box1的SGD通量用其平均值表示为(7.68±3.54)×109 m3 d-1或0.12±0.05 m3m-2 d-1; Box2的SGD通量为(1.74±1.14)×109 m3 d-1或0.05±0.03 m3 m-2 d-1;东海陆架区的SGD通量为(15.63±5.81)×109 m3 d-1或0.10±0.04 m3 m-2 d-1。值得注意的是，这里估算的SGD通量包括陆源的地下水和再循环海水。
　　利用DIC、TA及营养盐在海水与地下水中浓度的差异，得出各研究区域SGD所携带的净DIC、TA及营养盐通量。在Box1，Box2和ECS内SGD-DIC通量分别为0.30±0.42、0.13±0.21和0.26±0.47 mol m-2 d-1; SGD-TA通量分别为0.29±0.45、0.12±0.22和0.25±0.40 mol m-2 d-1。由SGD携带的碳通量进入海洋后，能使Box1、Box2、东海陆架区海水中DIC的浓度分别增加49-63μmol L-1、30-40μmol L-1和54-66μmol L-1，是海洋碳收支中的一个重要来源。
　　此外，在Box1、Box2和东海陆架区SGD-DIN通量分别为0.01±0.02、0.01±0.01和0.01±0.01 mol m-2 d-1; SGD-SRP通量分别为0.05±0.09、0.03±0.04和0.05±0.14 mmol m-2 d-1; SGD-DSi通量分别为0.02±0.02、0.01±0.01和0.02±0.02 mol m-2 d-1。因为SGD携带的氮磷比远大于16，根据经典Redfield比值，地下水输入的营养盐最高可以产生新生产力分别为0.17 g C m-2 d-1、0.06 g C m-2d-1和0.24 g C m-2 d-1，相应消耗的DIC通量最大分别为9.64×108 mol C d-1、2.06×108 mol C d-1和3.17×109 mol C d-1，分别相当于SGD输入DIC量的4.7％、4.4％和7.8％，仅占SGD输入DIC通量的极小部分。
　　综上，在陆架尺度上，南海北部和东海陆架区的SGD都具有显著的营养盐和碳通量，说明陆架尺度的SGD是陆架水体重要的营养盐和碳来源，对陆架区生物地球化学循环和碳酸盐系统具有重要的影响，在全球碳收支研究中不可忽略。

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声明

摘要

缩略词表

图目录

List of Figures

表目录

List of Tables

第1章 绪论

1．1 海底地下水排放(SGD)的定义

1．2 SGD研究方法

1．2．1 水文地质模型法

1．2．2 原位测定技术

1．2．3 地球化学元素示踪法

1．2．4 不同方法之间的比较

1．3 SGD研究发展历程、现状和意义

1．3．1 SGD研究发展历程及现状

1．3．2 SGD的环境意义

1．4 科学问题及研究内容

1．5 研究框架

第2章 研究区域和方法

2．1 研究区域概况

2．1．1 南海北部陆架区

2．1．2 东海陆架区

2．2 航次概况和样品采集

2．2．1 航次概况

2．2．2 样品采集

2．3 样品分析方法

2．3．1 短半衰期镭同位素测定

2．3．2 长半衰期镭同位素测定

2．3．3 溶解无机碳和总碱度的测定

2．3．4 营养盐的测定

2．4 SGD估算方法

2．4．1 三端元混合模型

2．4．2 镭箱式模型

第3章 南海北部和东海陆架区SGD通量及其生物地球化学影响

3．1 陆架区基本水文特征

3．1．1 南海北部陆架区基本水文特征

3．1．2 东海陆架区基本水文特征

3．2 镭同位素在陆架区海水、地下水中的分布

3．2．1 镭同位素在南海北部陆架区海水、地下水中的分布

3．2．2 镭同位素在东海陆架区海水、地下水中的分布

3．3 陆架区沿岸地下水中营养盐的分布

3．3．1 南海北部陆架区沿岸地下水中营养盐的分布

3．3．2 东海陆架区沿岸地下水中营养盐的分布

3．4 陆架区沿岸地下水中溶解无机碳和碱度的分布

3．4．1 南海北部陆架区沿岸地下水中溶解无机碳和碱度的分布

3．4．2 东海陆架区沿岸地下水中溶解无机碳和碱度的分布

3．5 基于镭同位素比值(223Ra／228Ra)计算的水体年龄

3．5．1 南海北部陆架区水体年龄

3．5．2 东海陆架区水体年龄

3．6 南海北部陆架区SGD通量的计算

3．6．1 三端元混合模型计算SGD通量

3．6．2 镭箱式模型计算SGD通量

3．6．3 两种方法的不确定性分析

3．7 东海陆架区SGD通量的计算

3．7．1 三端元混合模型计算SGD通量

3．7．2 镭箱式模型计算SGD通量

3．7．3 两种方法的不确定性分析

3．8 SGD携带的营养盐和无机碳通量

3．8．1 南海北部陆架区SGD携带的营养盐和无机碳通量

3．8．2 东海陆架区SGD携带的营养盐和无机碳通量

3．9 南海北部陆架和东海陆架SGD通量及其影响比较

3．10 小结

第4章 结论和展望

4．1 论文结论

4．2 特色和创新

4．3 待解决的科学问题和展望

参考文献

硕士期间参加的科研活动

致谢