北东海不同水团影响下表层甲烷与氧化亚氮的季节变化特征

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Seasonal variability of surface methane and nitrous oxide under contrasting water–mass influences in the northern East China Sea

　　

大陆架区域受自然与人为强迫驱动，表现出强烈的物理与生物地球化学变率。在北东海（nECS），长江冲淡水（CDW）与对马表层水（TSW）相对影响的季节变化伴随截然不同的水文条件，但表层氧化亚氮（N2O）与甲烷（CH4）动态仍缺乏约束。研究人员基于2022年5月、8月、11月与2023年2月四次调查，给出表层N2O与CH4浓度及海-气通量的季节观测。站位依据既往研究的水团特征划分为CDW影响组与TSW影响组。CDW区营养盐可用性及表层N2O、CH4浓度总体高于TSW区。四次季节调查的平均海-气通量在CDW区均高于TSW区。基于四次季节调查的样本域一阶年排放估计为N2O 2.8×10-4 Tg yr-1、CH4 2.0×10-4 Tg yr-1。尽管限于空间受限域的表层观测，本研究为理解nECS季节水文对比与表层N2O、CH4分布及其海-气交换的联系提供了区域基线。

研究背景与立项依据：氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH₄）与二氧化碳（CO₂）是强效温室气体（GHGs），百年尺度全球增温潜势分别约为273、27和1。海洋是人为CO₂长期汇，却是N₂O（硝化副产物与反硝化中间体）和CH₄（缺氧沉积物有机质分解产甲烷为主，含有氧水柱甲基膦酸脂分解等途径）的天然源。大陆架仅占全球海表约8%，却贡献海洋N₂O约15%、CH₄约51%。东海（ECS）陆架浅于200 m，受长江冲淡水（CDW）与对马暖流（TWW）/对马表层水（TSW）共同控制，是高效“大陆架泵”CO₂汇，但为非CO₂温室气体净源。北东海（nECS）位于济州以西黄东海过渡带，既往CO₂研究较多，而N₂O与CH₄仅Zhang等（2008a）在盛夏做过同步评估，季节观测稀缺，且采样域距长江口逾200 km、受河口强迫较弱，水团对比下气体响应不明。研究人员由此假设：CDW与TSW相对影响的季节更替将关联对比性水文-生物地球化学条件，并驱动表层N₂O、CH₄分布与海-气通量差异，进而开展四季同步表层观测以提供区域基线。

主要技术方法概览：研究依托韩国国立水产科学院R/V Tamgu-3于2022年5月、8月、11月及2023年2月在nECS（31.5–32.5°N，124.5–126.5°E）NIFS 315/316/317测线12个站位作业。物理参数由CTD（SBE 911 plus）获取；表层溶解N₂O与CH₄用125 mL玻璃瓶加HgCl₂抑制生物活动，顶空气相平衡法配Picarro G2308腔衰荡光谱仪（CRDS）定量，溶解度校正采用Weiss and Price（1980）与Wiesenburg and Guinasso（1979）方程；营养盐由QuAAtro自动分析仪、叶绿素a（Chl-a）由Turner 10-AU荧光计测定。海-气通量按F = k_w·(C_sw?C_eq)计算，大气摩尔分数取济州高山站（Gosan）月度均值，风速由船载8 m气象仪测得并对数廓线订正至U₁₀，施密特数（Sc）按Wanninkhof（2014），气体传输速度（k_w）并行Liss-Merlivat（1986）、Wanninkhof（1992, 2014）、Nightingale（2000）等六方案，以Wanninkhof（2014）为代表。水团分组依季节T-S特征与既往盐度阈值：8月全域归CDW影响，5/11/2月以S<33.5/33.4/33.6 psu划CDW影响组，其余为TSW影响组。

研究结果

3.1 物理与生物地球化学参数的季节空间变率：春季（5月）东西向T-S对比明显，CDW区（西）温低盐低（T 17.06±0.70°C，S 32.54±1.88 psu）、DO高（261±8 μmol L^-1）、DIN（3.65±1.00 μmol L^-1）与Chl-a（0.55±0.35 mg m^-3）高于TSW区；夏季（8月）CDW东北扩占全域，高温低盐（29.25±0.89°C，30.09±0.66 psu）、DO降至195±7 μmol L^-1、DIN升至8.09±2.54 μmol L^-1而Chl-a未升（0.51±0.49）；秋季（11月）CDW影响减弱、对比再现，CDW区DIN 11.09±4.30、Chl-a 0.94±0.63居首；冬季（2月）垂直混合发育，CDW区DIN最高（11.47±4.75 μmol L^-1），Chl-a两区均低（0.33/0.26）。结论：CDW影响组全年营养盐与初级生产指标偏高，TSW组高盐暖水特征稳定。

3.2 表层N₂O与CH₄浓度及饱和度的季节空间变率：春季CDW组N₂O浓度高（10.03±0.33 nmol L^-1）但饱和度略低（115±4% vs 117±4%），因低温淡水平衡浓度高；CH₄浓度与饱和度均CDW高（4.34±1.31 nmol L^-1，166±50%）。夏季CDW主导下N₂O浓度最低（6.52±0.27）、饱和度106±2%，CH₄ 3.35±0.94 nmol L^-1、饱和度162±45%，西高东低呈冲淡梯度。秋季N₂O CDW高（8.80±0.30）饱和度两区均约108%，CH₄略高CDW（3.48 vs 3.20 nmol L^-1）。冬季N₂O浓度全年最高且CDW更高（11.40±0.39 vs 9.99±0.72），饱和度两区近等（106 vs 108%）；CH₄反常TSW高（4.15±0.87 nmol L^-1，饱和度151±30% vs 125±19%）。结论：N₂O浓度季节态受温度-溶解度主控、CDW组偏高；CH₄春夏季随CDW信号增强，冬季TSW组反超，表层观测尚不能直接归因次表层输入。

3.3 N₂O与CH₄海-气通量及年排放：以Wanninkhof（2014）计，春季N₂O通量TSW略高（1.84 vs 1.69 μmol m^-2 d^-1）因饱和度与U₁₀稍大，CH₄通量CDW高（2.94 vs 2.14）；夏季CDW域N₂O 0.64、CH₄ 1.97；秋季两区近等（N₂O~0.64，CH₄~1.0）；冬季N₂O CDW高（0.36 vs 0.27），CH₄ TSW高（0.86 vs 0.43）。四季平均通量CDW组N₂O 0.90、CH₄ 1.81 μmol m^-2 d^-1，TSW组0.65与1.12；全样域年均N₂O 0.83±1.09、CH₄ 1.61±2.56 μmol m^-2 d^-1。基于样域2.1×10⁴ km²推一阶年排放N₂O 2.8×10^-4 Tg yr^-1、CH₄ 2.0×10^-4 Tg yr^-1，分别约占全ECS年排放估计（6.3×10^-2与5.0×10^-2 Tg yr^-1）的0.4%。结论：CDW影响组年均通量高于TSW组，但绝对量低于长江口/上升流陆架极值，样域偏北偏外致数值偏低。

讨论与结论翻译：研究人员指出，nECS表层N₂O浓度季节态主要由温度-溶解度与水团盐度决定，CDW组因低温淡水属性常现高浓度低饱和度；CH₄春夏季受CDW富甲烷信号输运控制，冬季TSW组高值可能与混合及外海过程有关，但限于表层采样无法分辨次表层产甲烷贡献。四季平均海-气通量CDW影响组高于TSW影响组，一阶年排放估计为N₂O 2.8×10^-4 Tg yr^-1与CH₄ 2.0×10^-4 Tg yr^-1。尽管观测限于空间受限域的表层、未解析 subsurface 生产路径，该研究为nECS季节水文对比下N₂O与CH₄分布及海-气交换提供了区域基线，支持后续沿海环境管理与非CO₂温室气体收支评估。论文发表于《Estuarine, Coastal and Shelf Science》。