中国湛江湾河口-海湾水域水体碱度的变化及其影响因素

《Water》：Variation and Influencing Factors of Water Alkalinity in Estuary-Bay Waters of Zhanjiang Bay, China

　　

本研究利用2023年夏季和冬季的高频季节性采样，调查了湛江湾（ZJB）表层海水碱度（Alk）的空间分布、季节变化及其驱动因素。表层Alk范围为525.3至2213.3 μmol·L^?1，平均值为1373.1 ± 420.9 μmol·L^?1（夏季，n = 28）和1612.3 ± 343.7 μmol·L^?1（冬季，n = 20）。空间上，Alk从河口向湾内再到湾口逐渐增加，反映了典型的稀释梯度。相关性分析显示，夏季Alk与盐度呈正相关（ρ = 0.706，p < 0.001），表明与保守混合相关的盐度变化是主要控制因素，而冬季相关性较弱（ρ = 0.473，p < 0.001）则表明生物过程可能发挥更重要作用。潮汐强迫与Alk的日变化显著相关，尤其是在河口和湾内区域。在河口，高Alk出现在高潮期，与潮汐混合一致；在湾内，低潮期观测到较高的Alk，提示可能存在潮汐泵送效应。这些发现为亚热带河口湾的Alk动态提供了基线数据，有助于理解类似沿海系统的碳酸盐系统和缓冲能力。然而，由于缺乏溶解无机碳和pCO₂的测量数据，碳汇能力的定量评估仍需进一步研究。

# 论文解读：《中国湛江湾河口-海湾水域水体碱度的变化及其影响因素》

## 研究背景与目的

自工业革命以来，城市化进程加速导致大气二氧化碳（CO₂）浓度上升，引发全球变暖和极端天气事件。海洋作为最大的碳汇，吸收了约三分之一的人为CO₂排放，但过量吸收改变了海洋碳酸盐系统并加剧了海洋酸化。碱度（Alk）是量化海水质子亏缺的指标，表征海水缓冲能力，是控制碳酸盐系统的关键变量。沿海和河口区域作为陆海物质交换通道，具有高CO₂通量、复杂碳酸盐化学动力学和快速有机物生产/分解等特点，导致碳酸盐系统变化机制复杂。湛江湾（ZJB）是中国南方典型半封闭海湾，受城市发展、工业活动和大规模海水养殖影响，面临富营养化、浮游植物水华和重金属污染等问题。湾顶遂溪河河口是重要牡蛎养殖基地，牡蛎生长消耗碳酸根离子，排泄物降低pH，而钙化物质溶解则增加Alk。然而，Alk变化的具体过程、关键影响因素和机制尚不明确。因此，本研究旨在：（1）表征ZJB中Alk的时空分布特征；（2）识别引起Alk变化的因素；（3）阐明从河口到湾区再到近岸海域的碳汇变化过程及影响机制。该论文发表在《Water》期刊上。

## 主要技术方法

研究人员于2023年夏季（5-9月）和冬季（12月）在湛江湾（ZJB）进行了季节性野外调查，共设22个采样站位（分为河口区、湾内区、湾中区和湾口区四个区域）。夏季包含两次独立航次：5月12-15日采集22站58个水样，9月16-17日对6个代表站进行每4小时一次的连续潮汐观测（36个水样）；冬季于12月28-29日在20站进行连续潮汐观测（102个水样）。使用多参数水质仪现场测量水温、盐度、pH和溶解氧；采用分光光度法测定叶绿素a（Chl-a）；使用自动滴定仪（Metrohm Titrando 905）依据《海水碱度测定》（HY/T 178-2014）测定Alk。采用双端元混合模型区分物理混合与生物化学过程贡献，通过主成分分析（PCA）识别环境因子关联，利用Spearman秩相关和Mann-Whitney U检验进行统计分析。

## 研究结果

### 3.1 ZJB海洋环境状况
通过现场测量发现，ZJB表层水温和盐度呈现明显季节差异：夏季平均温度28.2±0.6°C，冬季18.7±0.5°C；夏季盐度17.5±7.8，冬季23.9±4.9。盐度空间上从河口（8.6±7.6）向湾口（24.6±4.3）递增，受河流输入主导。溶解氧（DO）夏季较低（均值5.63 mg·L^?1），尤其河口区（3.7 mg·L^?1）；冬季较高且均一（7.16 mg·L^?1）。Chl-a夏季高于冬季，河口区最高（9.04 μg·L^?1）。pH夏季范围6.94-8.93（均值7.84），冬季7.26-8.20（均值7.68）。

### 3.2 ZJB表层Alk的时空变化特征
通过对22站定点采样和连续潮汐观测数据进行分析，发现Alk空间梯度明显：河口区（1071.7±351.1 μmol·L^?1）<湾内区（1541.4±295.8 μmol·L^?1）<湾中区（1748.4±288.8 μmol·L^?1）≈湾口区（1671.5±309.2 μmol·L^?1）。最小值（525.3 μmol·L^?1）出现在河口，最大值（2213.3 μmol·L^?1）在湾中。冬季平均Alk（1612.3±343.7 μmol·L^?1）显著高于夏季（1373.1±420.9 μmol·L^?1）（Mann-Whitney U=3460.0, p<0.01）。夏季Alk从河口向湾内递增至最高（1851.9 μmol·L^?1）后稳定；冬季从河口至湾中达最高（1881.8 μmol·L^?1）后向湾口递减。

### 3.3 潮汐变化下ZJB表层水Alk的日变化
通过4个断面（A、B、C、D）的连续潮汐观测（约24小时），发现潮汐驱动下Alk出现日变化。夏季日变化范围704.5-2173.4 μmol·L^?1（均值1502.5），冬季1134.3-1970.3 μmol·L^?1（均值1566.0）。夏季高潮期河口、湾内和湾中Alk最高，湾口最低；冬季高潮期河口、湾中和湾口Alk最高，但湾内低潮期Alk最高。相关性分析显示：夏季河口（R=0.791, p<0.05）和湾内（R=0.862, p<0.05）Alk日变化与潮高呈显著正相关；冬季仅河口呈显著相关（R=0.811, p<0.05）。

### 3.4 Alk变异影响因素的整合分析
通过dAlk（实测Alk与保守混合线偏差）分析，发现dAlk范围为?910.27至600.74 μmol·L^?1，约50%数据在±100 μmol·L^?1内，表明物理混合和非保守过程共同影响Alk。夏季低盐区（S<10）以净碱度添加（dAlk>0）为主；冬季高盐区（S>20）以净碱度去除（dAlk<0）为主。PCA分析显示第一主成分（PC1）解释54.13%方差，Alk与盐度强正载荷，与pH、Chl-a、温度负载荷，表明保守混合解释约50%变异；第二主成分（PC2）解释16.84%，以pH和Chl-a正载荷为主，指示生物活动和热力变化为独立次要梯度。

## 总结讨论与研究结论

讨论部分将ZJB的Alk与其他河口湾对比，发现ZJB总体Alk低于温带系统（如Narragansett Bay），但与亚热带受季风影响的Patos Lagoon Estuary相似，归因于大量淡水输入导致低盐度和低Alk。盐度- Alk关系显示夏季相关性显著强于冬季（Fisher's z检验p=0.012），表明夏季保守混合主导，冬季非保守过程（生物呼吸、矿化、光合作用）更重要。夏季高温和台风促进藻华，有机物分解消耗氧、释放CO₂可能降低Alk，但混合作用仍是主控。湾内牡蛎养殖区由于钙碳酸盐（CaCO₃）溶解可能增加Alk，但缺乏沉积碳酸盐数据。冬季DO-pH弱负相关表明生物呼吸与碳酸盐化学耦合更紧密。潮汐强迫方面，河口区潮汐混合驱动Alk日变化，湾内低潮期高Alk可能与潮汐泵送效应（潮间带再矿化有机物输入）有关。

研究结论翻译如下：（1）受降水和河流排放驱动，ZJB夏季平均表层Alk为1373.06 ± 420.95 μmol·L^?1，冬季为1612.31 ± 343.71 μmol·L^?1。与全球其他河口湾相比，ZJB总体Alk较低，但时空变化模式大致相似。（2）盐度、温度和溶解氧（DO）与ZJB的Alk变化显著相关。夏季Alk与盐度的显著正相关表明高盐度海水输入是主要影响；冬季较弱的Alk-盐度相关则表明与DO变化相关的生物过程可能在调节Alk动态中发挥更重要作用。（3）潮汐强迫与河口和湾内Alk日变化显著相关（p<0.05）。这些日变化的机制在区域间存在差异：河口区潮汐驱动的淡咸水混合是主要因素，而湾内低潮期的高Alk可能由潮汐泵送解释。本研究提供了ZJB表层Alk时空变化的基础数据，识别了潜在的环境驱动因素，增进了对亚热带河口湾无机碳循环和缓冲能力的理解。但需注意：生物活性河口中有机碱度可能带来测量不确定性；缺乏沉积物Alk数据及关键碳酸盐系统参数（如CO₂分压、溶解无机碳）限制了生物效应评估。未来需进行长期系统监测以更好约束Alk变化机制。