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碳是构成生命的基础，在生物圈物质和能量循环中承担着主要作用[1-2]. 溶解无机碳（DIC）是海洋CO2体系的重要参数，占海水总碳的95%以上，对研究全球气候变化和碳循环具有重要的意义[3]. 沉积物是海水中DIC的重要来源之一[4]，沉积物-水界面是有机物质在地球化学循环和生物系统之间进行耦合过程的主要场所[1,5]，是DIC转移和储存的重要场所，研究沉积物-水界面DIC的交换通量对研究海水中DIC的循环具有重要作用.
目前，国内对沉积物-水界面DIC交换通量的研究主要集中在水产养殖塘[1,6]、湖泊[2,7]等生态系统，但关于沉积物-海水界面DIC交换通量的研究还鲜见报道. 国外报道，Lehrter等[8]研究了路易斯安那陆架海的沉积物-水界面DIC通量，认为沉积物-海水界面DIC通量对于大陆架碳循环具有重要意义，沉积物可能是初级生产的重要营养源. 另外，沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差、温度、盐度和pH等因素会影响沉积物-水界面的交换通量，改变上述条件会使沉积物-水界面交换通量发生显著变化[1,6,9].
陆架海对大气CO2的碳汇/源作用是导致全球CO2收支不确定性的重要因素之一[10]，东海对大气CO2的碳汇/源作用具有季节性，长期以来是海洋碳循环研究的热点海域[11]. 长江口外海域是物理、化学和生物因素相互作用的例证，产生了特定的沉积物-水界面交换的空间格局[12].
本文研究了2021年夏季和秋季长江口外海域沉积物-水界面DIC的交换通量，并探究了DIC交换通量的影响因素，对于研究中国近海大陆架海水中DIC的迁移和转化、为东海陆架海碳循环体系研究提供数据支持，具有重要的实际意义.
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研究海域覆盖长江口附近舟山海域至东海陆架边缘处（图1），每个季节的采样站位见表1.
（1）柱状沉积物样品采集 使用0.25 m3箱式采泥器采集沉积物，利用有机玻璃管（直径D=3.5 cm，高H=19 cm）采集沉积物柱状样品. 柱状样品两端用橡胶塞密封，瓶身用铝箔纸包裹避光[1]. 每站采集柱状沉积物2份，1份用于DIC交换通量的培养实验，另1份用于沉积物粒度和间隙水DIC浓度的测定（N2、M2和S2采集12份柱状沉积物，另外10份用于温度、盐度和pH对交换通量影响的培养实验）.
（2）底层水样品采集 水样用Sea-Bird 911型采水器（Sea-bird Electronics，USA）采集，每个站位采集原位底层海水2 L于水袋用于沉积物培养，每个站位样品采集后立即到实验室进行沉积物-水界面DIC交换通量的培养实验. 用于直接测量DIC浓度的底层海水紧跟溶解氧（DO）之后采样，取水样于60 mL棕色螺旋纹顶空瓶中至溢满，旋紧瓶盖并用Parafilm膜封口，4 ℃冷藏保存. 底层水样品的测试在岸上实验室进行.
（3）现场测定 现场底层海水的温度、盐度和深度由温盐深仪（CTD）测得.
（4）实验室测定 水体温度和盐度采用YSI-30型便携式盐度计（YSI, USA）测定，pH值由PHS-3C型pH计（精度为0.01）测定，DO采用LDO II AQS型溶解氧测定仪探头（HACH, USA）测定.
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沉积物-水界面DIC交换通量的实验室模拟研究采用SONE （Sediment-water oxygen and nutrient exchanges）方法[13]，参照陈朱虹等[14]和杨平等[1]的实验设计. 调整沉积物样品的深度为10 cm，将75 mL原位底层海水通过重力溢流的方式缓慢加入到沉积物上方，加水过程应避免破坏表面沉积物，同时以不加沉积物的原位海水作为对照. 再次将培养管上端用橡胶塞密封，连接取样管和加样管. 实验在电热恒温水浴锅中进行，避光处理，沉积物样品原位培养温度与现场上覆水温度相同. 将引流硅胶置于培养管中部获取代表性样品，在出水口一端连接医用二通阀，以加入上覆水的时刻开始计时，第一天分别于4 h、8 h、12 h、24 h对上覆水进行取样，之后每隔24 h进行取样，共取6次样. 每次取样时检测上覆水DO的含量，确保有氧环境. 取样使用一次性注射器抽取10 mL沉积物上覆水，缓慢注射入10 mL棕色螺旋纹顶空瓶，避免产生气泡，旋紧瓶盖并用 Parafilm膜封口，4 ℃冷藏避光保存，与底层水样一同在岸上实验室进行测试. 每次取样完成后向培养管中补充相同体积的原位上覆水，保持培养管中上覆水总体积不变. 取各站位沉积物50 g进行离心,获得沉积物间隙水，测得沉积物间隙水DIC浓度，此过程尽量避免水样与空气接触. 沉积物粒径采用纳米粒度及Zeta 电位分析仪（NaNo-ZS90, UK）测定，沉积物样品用H2O2和HCl预处理用以去掉有机物和碳酸盐，取适量沉积物样品加入适量去离子水和0.05％六偏磷酸钠（NaPO3）放置12 h，并在测试前超声处理10 min使样品充分分散[15]. 将样品分为黏粒（<2 μm）、粉粒（2—20 μm）和砂粒（>20 μm）[1].
为验证温度、盐度和pH对DIC交换通量的影响，对秋季N2、M2和S2站位的样品设置了温度、盐度和pH梯度. 温度梯度为20、22、23、25 ℃；盐度梯度为33、22和11；pH梯度为7.70、7.96和8.00. 培养温度通过设置水浴锅的温度来控制，盐度通过配置人工海水来调节，pH通过HCl或NaOH调节[16]，每次取样后检测上覆水的温度、盐度、pH、DO等参数的稳定性，pH在整个实验周期变化幅度控制在0.01. 分别在0、24、48和72 h进行取样，计算0—72 h内的交换通量.
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DIC使用非色散红外吸收法测定[17]，仪器为AS-C3型总溶解无机碳分析仪（Apollo，USA）. DIC在沉积物-水界面的交换通量公式为[1,6]：
式中，F（μmol·m−2·h−1）表示DIC在沉积物-水界面的交换通量；ΔC（μmol·L−1）表示培养前后DIC浓度的变化量（ 同时用空白对照校正）；V表示培养管中上覆水的体积（L），A表示培养管的截面积（m2）；Δt表示培养时间. 每次取样后加入上覆水采用[（C取×65+C加×10）/75]进行校正.
计算结果的正负分别表示DIC由沉积物向上覆水释放和DIC被沉积物吸收.
用ODV 2020和Origin2018软件进行绘图. 不同季节上覆水DIC浓度、间隙水DIC浓度的差异性利用SPSS 25 软件的独立样本T检验进行统计分析. 以P<0.05作为差异显著水平. 沉积物-水界面DIC交换通量与环境变量间的相关系数使用SPSS 25软件的Pearson相关分析法得到. 以P<0.05为显著相关，P<0.01为极显著相关.
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夏、秋季调查海域底层水体主要理化性质的比较如表2所示,夏季研究海域水体温度、盐度高于秋季，而pH、DO则低于秋季.
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研究海域沉积物粒级范围在1—8 Ф之间，研究海域不同站位沉积物形态存在差异（表3）. 近岸海域沉积物以粉粒为主，占比可达79.4％，其中M0站位的粉粒占比达到了93.1％；远海海域沉积物以砂粒和粉粒为主，分别占比49.6％和47.6％，其中N4站位的砂粒占比达到了88.7％.
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不同季节的沉积物上覆水和沉积物间隙水DIC浓度分布如图2所示. 夏季，上覆水和沉积物间隙水DIC浓度变化范围分别为1854.30—2059.40 μmol·L−1和3444.85—6954.90 μmol·L−1，平均值分别为（1976.40±51.10） μmol·L−1和（4936.52±907.45） μmol·L−1，上覆水DIC浓度整体呈现显著近岸低远海高的趋势（P<0.05），沉积物间隙水DIC浓度近岸和远海整体无显著差异（P>0.05）. 秋季，上覆水和沉积物间隙水DIC浓度变化范围分别为1934.65—2082.05 μmol·L−1和2875.45—4962.55 μmol·L−1，平均值分别为（2003.49±37.32） μmol·L−1和（3627.66±572.40） μmol·L−1，上覆水DIC浓度呈现显著近岸低远海高的趋势（P<0.05），沉积物间隙水DIC浓度呈现显著近岸高远海低的趋势（P<0.05）. 夏季上覆水DIC浓度与秋季无显著差异（P>0.05），而夏季间隙水DIC浓度显著高于秋季（P<0.05），秋季上覆水和间隙水DIC浓度分布相对均匀.
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模拟现场条件，各站位沉积物-水界面DIC交换通量见表4. 通过计算，夏季和秋季研究海域沉积物-水界面的DIC交换通量变化范围分别为196.88—901.31 μmol·m−2·h−1和89.29—520.56 μmol·m−2·h−1，平均值分别为（432.45±190.78） μmol·m−2·h−1和（223.05±110.39） μmol·m−2·h−1. 各站位DIC交换通量均大于零，表明DIC由沉积物释放到上覆水，即沉积物表现为DIC的“源”，是研究海域海水DIC的重要来源. 培养期间，上覆水DO浓度下降至0.12—0.16 mmol·L−1（图3，选取N2、M2和S2站位），沉积物中微生物的呼吸及有机碳的降解过程是一个耗氧过程.
沉积物-水界面DIC交换通量等值线图见图4，DIC交换通量总体表现为夏季高于秋季，近岸高于远海的趋势. 近岸受人类活动影响较大，陆源物质输入较多，沉积物所含有机质更加丰富，环境更适合有机质分解为CO2，扩散到底层水中[12,18]. N0、N1站位处于长江口上升流核心区附近[19]，出现这2处的DIC交换通量高值区可能与上升流也有一定关系，底层的低温高盐水体上涌使得DIC交换通量增加. 而夏季在S7站位出现间隙水DIC浓度最高值，这可能是因为高温的黑潮深层水使得表层沉积物分解速率加快[20]. 其它部分原因会在讨论中提到.
表5列出了长江口外海域与路易斯安那大陆架（Louisiana continental shelf）以及国内一些湖泊（乌素里海和岱海）沉积物-水界面DIC的交换通量. 与其他地区相比，长江口外海域DIC交换通量处于较低水平，长江口外海域离岸最远，有机质含量少[12,18]. 沉积物-海水界面DIC交换通量明显低于湖泊水-沉积物DIC交换通量，其中，岱海表层沉积物表现为DIC的汇，其他区域沉积物均表现为DIC的源,这可能是因为湖泊富营养化现象严重，初级生产力高于海洋,而岱海水深较乌素里海深，沉积物不易受到水生植物的影响[2]. 各区域沉积物-水界面DIC交换通量的差异反映了DIC循环受诸多因素影响.
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采用Pearson相关分析法[6,21]，得到DIC在沉积物-水界面的交换通量与上覆水DIC浓度、沉积物间隙水DIC浓度、温度、盐度和pH的相关系数（表6）. 结果显示，DIC交换通量与沉积物间隙水DIC浓度和温度呈显著正相关关系（P<0.05），与盐度、上覆水DIC浓度和pH呈显著负相关关系（P<0.05）.
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相关分析结果显示，沉积物-水界面DIC交换通量与沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差呈现显著正相关关系，且夏季和秋季存在显著季节性差异（图5）.
间隙水中的DIC直接参与交换过程，王伟颖等[2]在研究湖泊水-沉积物界面DIC交换通量时，表明浮游植物对DIC的吸收利用形成沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差，浓度梯度有利于DIC向上覆水释放，类似的研究也被杨平等[21]报道；董慧等[22]在研究营养盐的扩散过程中，表明当其它环境条件受到限制时，交换主要依靠沉积物间隙水-上覆水的初始浓度差，DIC浓度差促使了沉积物间隙水中的DIC在向上覆水中释放. 夏季浮游植物初级生产力旺盛[23]，同时长江口外海域受到长江冲淡水的影响，夏季海水DIC浓度处于较低水平，夏季沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差较大，所以DIC浓度差对夏季DIC交换通量的影响更加显著，同时DIC交换通量呈现夏季高于秋季的特点（图4）.
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温度和盐度是影响海水无机碳体系的两个重要因子，一般情况下，海水DIC更易保存于低温高盐海水中[24]. 改变温度条件对各站位DIC交换通量具有显著影响，表现为随着温度升高，交换通量增加（图6）. 一般情况下，温度越高，沉积物中有机质分解的速率越快. DIC在沉积物-水界面的交换过程主要依靠有机质的分解和矿化，并在矿化过程中碳以DIC形式释放至上覆水中[18]. 高温的条件会促进微生物对有机碳的分解[25]，低温条件微生物活性比较低，影响有机质分解和矿化的强度，不利于DIC的扩散. 长江口外海域同时受到长江冲淡水、沿岸流、台湾暖流和黑潮支流的综合影响[26]，从而导致该海域水体盐度有所差异. 盐度培养结果显示，随着上覆水盐度的增大，DIC的交换通量减小（图6）. 这与王聪[27]的海水盐度与DIC浓度呈正相关关系的研究结果一致，高学鲁等[28]在研究长江口和杭州湾的DIC浓度时得到相同的结论. 当海水中的盐度增加，即海水中的DIC浓度增加，从而减小了沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差，使DIC由沉积物向上覆水中扩散的速率变慢. 由于长江冲淡水的影响，长江口近岸盐度较低[29]. 在本研究中，测得秋季N0、M0和S0站位底层水盐度分别为为12.15、18.91和27.20，均处于较低水平. 相应的，DIC交换通量近岸较高，在N0站位达到最高（图4）.
海水pH值变化不大，但仍然存在小的波动[30]. 培养期间随着上覆水pH的增加，DIC的交换通量减小（图6）. 在设置的pH范围内，随着pH的升高，会使H2CO3水解为HCO3－[31]. DIC在海水中主要以HCO3-的形式存在[32]，海水中的DIC随着pH的上升而上升，从而使交换通量减小. 这与熊莹槐等[6]研究的结论一致.
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DIC交换通量与沉积物粒度特征的相关系数如表7所示. 研究表明，沉积物中粉粒和黏粒的含量与DIC交换通量呈显著正相关关系（P<0.05），砂粒含量与DIC交换通量呈显著负相关关系（P<0.05），这表明不同粒径的沉积物对沉积物-水界面DIC交换过程的影响存在差异. 沉积物中有机质的含量主要受到小粒径沉积物的影响，黏粒级沉积物中所含有机质含量最多[33-35]. Lin等[36]研究表明，黏粒粒径小，含量增多使得比表面积增大，从而吸附较多有机质含量. 近岸沉积物中黏粒和粉砂占比达到了85.3％（表2），而黏粒和粉砂中有机质较砂粒丰富，所以近岸沉积物-水界面DIC交换速率更快（图4）.
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（1）沉积物-水界面DIC交换过程在碳的迁移和转化中有着十分重要的作用. 以上研究结果表明，夏季和秋季长江口外海域沉积物-水界面的DIC交换通量变化范围分别为196.88—901.31 μmol·m−2·h−1和89.29—520.56 μmol·m−2·h−1，平均值分别为（432.45±190.78） μmol·m−2·h−1和（223.05±110.39） μmol·m−2·h−1，均表现为由沉积物向上覆水释放，表明沉积物整体表现为DIC的“源”. 长江口外海域沉积物-水界面DIC交换通量呈现夏季高于秋季，近岸高于远海的趋势.
（2）DIC交换通量与沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差呈显著正相关关系（P<0.05），DIC浓度差会促使沉积物间隙水中的DIC向上覆水中释放，交换通量增加. 沉积物-水界面DIC交换过程伴随沉积物的耗氧过程，且温度、盐度和pH对DIC交换通量具有显著调节作用，培养温度升高，或上覆水盐度降低，或pH下降，交换通量增加. 此外，不同粒径的沉积物对沉积物-水界面DIC交换过程的影响存在差异，粉粒和黏粒的含量与DIC交换通量呈显著正相关关系（P<0.05），砂粒含量与DIC交换通量呈显著负相关关系（P<0.05）.
致谢：感谢浙江海洋大学“海洋锋面与渔业资源长期调查计划”提供的航次支持（SOPHI2021-01和SOPHI2021-02），感谢“浙海科2”号海洋调查船全体人员在采集样品时提供的帮助. 感谢浙江海洋大学石油化工与环境学院王北福老师和Y20级石油与天然气工程专业研究生闫江毅同学在沉积物粒度分析方面提供的支持和帮助.
夏、秋季长江口外海域沉积物-水界面溶解无机碳的交换通量
Study on the exchange flux of dissolved inorganic carbon at the sediment-water interface off the Yangtze River Estuary in summer and autumn
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摘要: 沉积物-海水界面是海洋中溶解无机碳（DIC）转移和储存的重要场所，长江口外海域拥有特定的沉积物-水界面交换的空间格局，研究其沉积物-水界面DIC的交换过程对于碳的循环和转化具有重要意义. 本研究于2021年8月和2021年10月在长江口外海域采集沉积物样品及原位底层海水，通过实验室模拟培养法计算了该海域沉积物-水界面DIC的交换通量，并研究了沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差、温度、盐度和pH对DIC交换通量的影响. 结果表明，夏季和秋季研究海域沉积物-水界面DIC交换通量平均值分别为（432.45±190.78）μmol·m−2 ·h−1和（223.05±110.39）μmol ·m−2·h−1. 夏季交换通量高于秋季，DIC扩散方向均由沉积物向上覆水释放，表明沉积物表现为DIC的“源”. 此外，交换通量会随着DIC浓度差或温度升高而升高，随着盐度或pH升高而降低.
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关键词:
- 长江口外海域 /
- 溶解无机碳(DIC) /
- 沉积物-水界面 /
- 交换通量.
Abstract: The sediment-seawater interface is an important zone for the transfer and storage of dissolved inorganic carbon (DIC) in the ocean. The sea area off the Yangtze Estuary has a specific spatial pattern of sediment-water interface exchange, which makes great significance to study the process of DIC exchange at the sediment-water interface for carbon cycle and transformation. The sediments and bottom seawater in situ were collected from the sea area off the Yangtze River Estuary in August 2021 and October 2021. The exchange flux of DIC at the sediment-water interface in the sea area was calculated by laboratory incubation method. Furthermore, the effects of the DIC concentration difference between the sediment interstitial water and the overlying water, temperature, salinity, and pH on the exchange flux of DIC were also studied. The results showed that the average value of DIC exchange fluxes at the sediment-water interface in the sea area in summer and autumn were (432.45±190.78) μmol·m−2· h−1 and (223.05±110.39) μmol· m−2 ·h−1, respectively. The exchange flux of DIC in summer was higher than that in autumn. The direction of DIC diffusion was released from the sediment to the overlying water, which indicated that the sediment appeared as the DIC “source”. In addition, the exchange flux of DIC would correspondingly increases with the increase of DIC concentration difference or temperature, and decreases with the increase of salinity or pH. -
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图 1 采样站位（图中所设站位均采集沉积物样品并进行培养实验）
Figure 1. Location of the sampling stations （Sediment samples for culture experiments are collected from all stations in the figure ）
图 2 夏季和秋季上覆水和沉积物间隙水DIC浓度分布
Figure 2. Distribution of DIC concentration in overlying water and sediment interstitial water in summer and autumn
图 4 夏季与秋季沉积物-水界面DIC交换通量分布
Figure 4. Distribution of DIC exchange fluxes at sediment-water interface in summer and autumn
图 5 夏秋季沉积物-水界面DIC交换通量与沉积物间隙水-上覆水的DIC浓度差的相关性
Figure 5. Correlation between the DIC exchange fluxes at the sediment-water interface and the DIC concentration difference between the sediment interstitial water and the overlying water in summer and autumn
图 6 不同温度、盐度和pH下的交换通量
Figure 6. The exchange fluxes of different temperature, salinity, and pH
表 1 采样站位表
Table 1. Sampling stations table
航次Cruise 站位Station 夏季 N0、N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、M0、M1、M4、P1、P2 秋季 N0、N1、N2、N3、N4、N5、S1、S2、S3、S4、S5、M0、M1、M2、M3、P1、P2 
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表 2 夏季和秋季研究海域水体主要理化性质的比较
Table 2. Comparison of main physical and chemical properties of water column in the study sea area in summer and autumn and grain-size characteristics of sediments
长江口外海域
Yangtze River Estuary水体理化性质
Physicochemical properties of waters温度/℃
Temperature盐度
SalinitypH 溶解氧/
（mmol·L−1）
DO夏季 范围 19.96—27.78 13.62—34.32 6.31—7.44 0.09—0.20 均值 23.31±2.30 31.66±5.63 7.03±0.28 0.14±0.03 秋季 范围 20.02—23.64 12.15—34.28 7.86—8.02 0.10—0.27 均值 22.31±1.10 30.58±6.13 7.94±0.05 0.20±0.05
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表 3 沉积物理化性质
Table 3. Sediment physicochemical properties
长江口外海域
Yangtze River Estuary沉积物粒度
Sediment grain size砂粒/%
Sand粉粒/%
Silt黏粒/%
Clay近岸 M0 3.9 93.1 3.1 M1 53.9 41.5 4.6 P2 21.2 74.6 4.2 S1 13.4 82.1 4.5 S2 10.0 85.5 4.2 S3 15.6 81.2 3.1 N0 3.5 87.0 9.5 N1 5.6 83.2 11.2 N2 4.5 83.8 11.6 N3 15.6 81.2 3.1 平均 14.7±15.03 79.4±14.10 5.9±3.44 远海 P1 54.3 40.0 5.7 S4 21.7 75.3 3.0 S5 21.3 75.5 3.2 N4 88.7 11.3 0 N5 62.1 35.8 2.1 平均 49.6±28.66 47.6±27.66 2.8±2.06 注：选取夏秋季共同采样站位，以123.5°E为近岸和远海的分界线.
Note：Select the common sampling stations in summer and autumn, and take 123.5°E as the boundary between nearshore and open sea.
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表 4 各站位沉积物-水界面DIC交换通量
Table 4. DIC exchange fluxes at sediment-water interface at different stations
站位
Station交换通量/（μmol· m−2·h−1）
Exchange flux站位
Station交换通量/（μmol· m−2·h−1）
Exchange flux夏季 Summer 秋季 Autumn 夏季 Summer 秋季 Autumn M0 606.13 286.63 S5 417.50 202.31 M1 537.81 389.19 S6 347.81 — M2 — 197.98 S7 393.56 — M3 — 89.29 N0 877.94 520.56 M4 234.63 — N1 901.31 144.38 P1 351.13 232.50 N2 280.56 126.13 P2 425.00 159.50 N3 584.06 261.31 S1 383.44 305.50 N4 196.88 113.00 S2 338.94 165.75 N5 438.56 114.69 S3 432.13 236.31 N6 378.94 — S4 300.63 246.88 N7 222.00 —
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表 5 其他区域沉积物-水界面DIC交换通量的比较（μmol·m−2·h−1）
Table 5. Comparison of DIC exchange fluxes at sediment-water interface in other regions（μmol·m−2·h−1）
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表 6 DIC交换通量与不同环境变量之间的Pearson相关系数
Table 6. Pearson correlation coefficient between DIC exchange flux and different environmental variables
相关分析项目
Analysis item相关系数
Correlation coefficient上覆水DIC浓度 −0.494** 间隙水DIC浓度 0.718** 温度 0.398* 盐度 −0.500** pH −0.494** 注:**P<0.01极显著相关，*P<0.05显著相关.
Note: **P<0.01 extremely significant correlation, *P<0.05 significant correlation.
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表 7 DIC交换通量和沉积物粒度的Pearson相关矩阵
Table 7. Pearson correlation matrix for DIC exchange flux and sediment grain size
砂粒/%
Sand粉粒/%
Silt黏粒/%
ClayDIC交换通量
DIC exchange fluxes砂粒/% 1 粉粒/% −0.993** 1 黏粒/% −0.544** 0.443* 1 DIC交换通量 −0.451* 0.413* 0.510** 1 注：**P<0.01极显著相关，*P<0.05显著相关.
Note：**P＜0.01 extremely significant correlation，*P<0.05 significant correlation.
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