河口和沿海环境中有机碱度的动态变化

《Limnology and Oceanography》：Dynamics of organic alkalinity in estuarine and coastal environments

本研究分析了韩国五种不同沿海环境中有机碱性（A_DOM）的动态变化，发现A_DOM浓度范围为5-29 μmol/kg，占总碱性不足2%，并主要来源于羧基（pKa1≈4.6）和酚羟基/胺类（pKa2≈7.0）。区域分析显示，淡水影响区（如潟湖和河口）A_DOM与溶解有机碳（DOC）强相关（r>0.8），而海湾和盐沼相关性较弱（r≈0.5-0.7）。在宏观藻类栖息地，A_DOM和DOC季节性变化同步，但受海洋水入侵和藻类分解影响显著。尽管环境差异大，所有区域A_DOM的官能团组成保持稳定，羧基贡献占比40-60%。研究结果揭示了沿海环境中A_DOM的组成特性和动态调控机制，为海洋酸化评估和碳酸盐系统模型修正提供了依据。

　　本研究探讨了溶解有机质（DOM）对韩国不同海岸环境酸碱化学特性的影响，特别是有机碱度（A_DOM）的区域性分布、季节性变化以及组成特征。通过在潮汐平坦的盐沼、河口以及沿海地区采集样本，研究人员发现DOM的酸碱行为在不同生态系统中存在显著差异，但其核心的化学机制表现出一定的共性。这些发现不仅加深了我们对DOM在海洋酸碱平衡中作用的理解，还为评估海洋碳循环、人类活动对二氧化碳吸收的影响以及碳酸钙和方解石的饱和状态提供了新的视角。

在沿海生态系统中，总碱度（A_T）是描述碳酸盐系统的关键参数，主要由无机酸碱物种如碳酸氢盐（[HCO3^-]）、碳酸盐（2[CO3^2-]）和硼酸盐（[B(OH)4^-]）贡献。这些无机组分的浓度和离解常数决定了A_T的水平。此外，DOM通过其功能基团的质子化与去质子化过程也对A_T产生一定影响。这种由有机物引起的碱度变化被称为有机碱度（A_DOM），它反映了特定功能基团在海水pH条件下的酸碱平衡。然而，由于A_DOM的贡献通常较小，其在海洋化学研究中长期被忽视。近年来，随着测量技术的进步，尤其是改进的回滴法的应用，A_DOM的量化变得更加精确，从而揭示了其在沿海环境中的重要性。

研究结果显示，在韩国的淡水影响区域，A_DOM的浓度范围为5至29 μmol/kg，占总碱度（A_T）的比例小于2%。溶解有机碳（DOC）的浓度则在51至359 μM之间。A_DOM与DOC之间的相关性在河口和湖泊中较强（r > 0.8），但在海湾、盐沼和宏藻主导的环境中较弱（r ~ 0.5–0.7），这可能反映了DOM来源和组成的变化。进一步的回滴分析显示，不同区域和季节中，A_DOM的酸离解常数（pKa）保持一致，主要由羧基（pKa1 ~ 4.6）和酚基或氨基（pKa2 ~ 7.0）组成。这两个功能基团在所有栖息地和季节中对DOM的酸碱行为贡献几乎相等，表明尽管韩国沿海环境多样，但A_DOM的形成基础具有共性。

研究还发现，A_DOM与DOC在不同区域和季节中的关系呈现出复杂的变化模式。例如，在淡水影响的系统中，如Gyeongpo湖和Hyeongsan河口，A_DOM和DOC之间存在显著的正相关，这可能意味着这些区域的DOM主要来自陆源有机物。而在Masan湾和Suncheon湾，这种相关性较弱，表明DOM的来源更加多样，可能包括地下水输入、海洋有机物以及污染物。在Suncheon湾中，低盐度样本的排除使得A_DOM与DOC之间的关系更加显著，这表明淡水端元中的DOM具有独特的酸碱特性，可能与当地微生物活动或有机物的生物合成有关。

在宏藻主导的沿海环境中，A_DOM和DOC的季节性变化受到多种因素的影响，包括海洋水体的侵入和宏藻的生长与分解。当海洋水体进入时，由于其低DOC和低A_DOM的特性，沿海的DOM浓度会相应降低。然而，在宏藻生长旺盛的季节，如冬季和春季，DOM的释放会显著增加，从而提高A_DOM的值。相反，夏季由于高温和分解作用，DOM的酸碱特性可能发生变化，导致A_DOM的下降。这些季节性变化表明，DOM的组成和反应性在不同时间尺度上存在差异，这进一步突显了研究DOM动态变化的重要性。

此外，研究还分析了不同功能基团对A_DOM的贡献。结果表明，尽管各区域的DOM浓度和来源存在差异，但羧基（pKa1）和酚基或氨基（pKa2）在A_DOM中始终占据主导地位，其比例范围在40%至60%之间。这一发现强调了这些功能基团在沿海碳酸盐系统中的基础作用，无论DOM是来源于陆源还是海洋。这种一致性表明，DOM的功能基团构成在不同的环境条件下保持相对稳定，这为理解沿海酸碱化学提供了重要的参考。

本研究的结论指出，A_DOM的变化不仅仅取决于DOC的浓度，还受到水文混合、DOM组成以及生物过程的共同影响。因此，在评估海洋碳循环和人类活动对海洋化学的影响时，必须考虑到A_DOM的贡献。忽视这一因素可能导致对海洋酸化趋势、二氧化碳吸收以及碳酸盐饱和状态的误判。未来的研究应进一步探讨DOM的转化路径、微生物调控机制以及环境因素对A_DOM缓冲能力的影响，以更准确地评估高生产力沿海和边缘海的碳酸盐化学特性。这不仅有助于提高我们对海洋酸碱平衡的理解，也为应对全球气候变化和海洋生态系统的可持续管理提供了科学依据。