黑潮化学物质输入东海的途径与通量
刘伟1,2,3, 宋金明1,*, 袁华茂1, 李学刚1, 李宁1, 段丽琴1, 左九龙1,3
1.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室,山东 青岛266071
2.山东省分析测试中心,山东 济南 250014
3.中国科学院大学,北京 100049
*通讯作者:宋金明(1964-),男,河北枣强人,研究员,主要从事环境海洋学和海洋生物地球化学研究. E-mail:jmsong@qdio.ac.cn

作者简介:刘伟(1981-),男,山东寿光人,博士研究生,主要从事环境海洋学研究. E-mail:ll_liuwei@163.com

摘要

在对黑潮水文特征分析的基础上,探讨了黑潮对中国近海化学物质输入途径,归纳总结了黑潮对东海生源要素、痕量元素、同位素及其他化学物质的输入特征,提出了黑潮对中国近海化学物质输入研究应着重关注的问题。主要的结论包括:吕宋海峡、中国台湾东北部及日本九州西南海域是黑潮向中国近海输送化学物质的3个关键区域;黑潮表层水向东海陆架的扩展、次表层水和中层水的涌升以及黑潮季节性流轴摆动是黑潮向东海输送化学物质的基本途径。黑潮主体生源要素的浓度随深度的增加而增大。黑潮对东海生源要素的影响夏季最弱、春季次之、秋冬季最强,其对东海生源要素的输入通量要远高于河流、大气等其他输入源,并且各水层中以中层水的生源要素输入通量为最大。痕量元素在黑潮主体的分布、对东海的输入通量等方面均表现出了与生源要素的差异,各痕量元素的分布及输入通量随痕量元素的不同而不尽相同,其中次表层水的涌升在对邻近海域痕量元素分布的影响中起到了重要作用。同位素可指示黑潮对东海陆架的入侵程度及变化规律,并与营养盐等有一定的相关性。黑潮是东海微量温室气体N2O,CH4等其他化学物质的重要输入源,进而对东海生态环境产生影响。进一步研究应着重从系统性外海观测、痕量元素及同位素等化学物质调查、黑潮对中国近海输入化学物质的控制过程等方面深入开展。关键词:黑潮; 东海; 化学物质; 输入途径; 通量

关键词: Kuroshio; The East China Sea; Chemical substances; Inputting pathway; Flux.
中图分类号:P505 文献标识码:中图分类号:P505;X-1 献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)08-0904-11 文章编号:1001-8166(2015)08-0904-11
Pathway and Flux of Inputting Chemical Substances from the Kuroshio to the East China Sea
Liu Wei1,2,3, Song Jinming1, Yuan Huamao1, Li Xuegang1, Li Ning1, Duan Liqin1, Zuo Jiulong1,3
1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071
2 .Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 10049
Abstract

The inputting pathway of chemical substances from the Kuroshio to China Margin seas and inputting characteristics of biogenic elements, trace elements, isotopes and other chemical substances from the Kuroshio to the East China Sea (ECS) were reviewed on the basis of hydrological analysis of the Kuroshio, and some important issues which should be concerned in this research field were put forward in the end. Luzon Strait, Sea off Northeastern Taiwan and Southwestern Kyushu are the critical areas for the Kuroshio input. Extension of the Kuroshio surface water, upwelling of the Kuroshio subsurface water and intermediate water, seasonal axial swing are the basic means for the input of chemical substances. The concentration of biogenic elements in the Kuroshio water increases with depth. For biogenic elements in the ECS, the influence of the Kuroshio is the weakest in summer, then in spring, and strongest in autumn and winter. The influx of biogenic elements from the Kuroshio is higher than other sources like river and atmosphere, and the intermediate water owns the largest share among all layers. The distribution and influx to the ECS of trace elements show difference with biogenic elements, and differ from each other under the impact of the upwelling of Kuroshio subsurface water. Isotopes can indicate the incursion of the Kuroshio and show certain correlation with nutrition. The Kuroshio is also an important source for some green house gas like N2O, CH4, which will further affect the ecosystem of the ECS. The future research should focus on systematical offshore observation, investigation of chemical substances like trace elements and isotopes, controlling process of chemical substances input from the Kuroshio to China margin seas.

Keyword: Kuroshio; The East China Sea; Chemical substances; Inputting pathway; Flux.

作为北太平洋的西部边界流, 黑潮发源于中国台湾东部和吕宋海峡以东的菲律宾海域, 具有流量大、流速强、高温高盐、流幅狭窄、透明度高、流向稳定等特点, 自上而下分为表层水(0~100 m)、次表层水(100~400 m)、中层水(400~800 m)及深层水(800 m以下)[1]。中国的近海(包括渤海、黄海、东海和南海)均受到黑潮及其分支的影响。黑潮主体流经东海东部, 东海受其影响最大。黑潮对我国近海水文状况的分布变化、生物区系分布、污染物扩散、海底沉积类型及我国东部沿海地区的气候变迁等都有着直接或间接的影响[1, 2]。因此, 开展对黑潮的研究有着十分重要的意义。

黑潮水系在温度、盐度、营养盐及其他化学物质等方面明显不同于流经海域的其他水系。其具有巨大的水体输送量, 流动过程中通过涡旋等方式向流经海域输送大量的营养盐及其他化学物质[3, 4]。研究黑潮向近海的物质输入是探明黑潮影响下我国近海生态系统变化的过程、机制和趋势的重要一环。本文针对源区与中国台湾以东黑潮、东海黑潮(20° ~30° N; 120° ~130° E)进行研究, 在对黑潮主体水文特征分析的基础上, 系统分析黑潮对中国近海物质的输入通道、探讨黑潮对东海生源要素、痕量元素、化学同位素及其他化学物质的输入范围、程度及规律, 为进一步明确黑潮对中国近海生态系统的影响提供依据。

1 黑潮主体及主要分支的水文特征要素

黑潮是太平洋西侧北赤道流在太平洋西部12° ~14° N附近分出的北向分支, 黑潮主体自发源地菲律宾吕宋岛东部海域开始, 沿中国台湾岛东部北上进入东海, 沿东海大陆架外缘向东北向流动, 在吐噶喇海峡折向东返回太平洋。黑潮主体以外还存在着若干分支, 包括吕宋海峡处的西向分支、中国台湾东北部的台湾暖流、日本九州西南的对马暖流及黄海暖流[1, 2, 5]。黑潮主干及分支流径见图1。黑潮各段的流轴、流幅、流速及流量等水文特征要素如下。

1.1 黑潮源区与中国台湾以东的黑潮主干区域

自菲律宾吕宋岛至中国台湾岛之间的黑潮部分为源区黑潮, 其对南海动力环境和东海黑潮强弱有着显著影响[6]。黑潮自菲律宾吕宋岛北上经过吕宋海峡时发生形变而作用于南海。中国台湾以东黑潮海域指26° N以南的台湾东岸近海, 黑潮在此区域的流径基本平行于中国台湾东岸海岸线, 呈NNE方向, 且比较稳定。此区域黑潮主轴宽为112~167 km, 离岸距离60~100 km, 流量平均21~33 Sv(Sv=106m3/s)[7]

图1 黑潮主体及分支示意图(修改自参考文献[5])Fig.1 Main stream and branch of the Kuroshio(modified from reference [5])

1.2 东海黑潮

东海黑潮通常是指中国台湾东北端起至吐噶喇海峡的一段黑潮。东海黑潮的主轴沿大陆架外缘流动, 位置基本稳定, 流动范围大体在100~2 000 m等深线之内。综合以往研究成果来看, 东海黑潮的流幅约为100 km, 年平均流量约为25 Sv。东海范围内的黑潮主体存在明显的季节变化, 夏季的流幅和流速最大, 秋季最小[8]。分段来看的话, 中国台湾东北海域段黑潮的流幅最小(约74 km), 往北流幅又逐渐增大(约77 km); 中国台湾东北侧表层流速相对较小(l02 cm/s), 至PN断面(从东海西北角长江口至东南角琉球群岛的西北东南走向断面, 与纬线大致成40° 夹角)附近, 流速增加(110 cm/s)。吐噶喇海峡处的北段黑潮, 最大流速的多年平均值达129 cm/s, 为整个东海黑潮流速最大处[9]

2 黑潮化学物质输入中国近海的通道

在研究黑潮对中国近海化学物质输入问题上, 有必要将中国南海、中国台湾海峡及东中国海作为一个整体来考虑。黑潮对中国近海的入侵包括其主体和其分支。黑潮从菲律宾吕宋岛开始, 向北流经吕宋海峡时, 有一个分支向西北进入吕宋海峡, 然后又分为两支, 主要的一支由西南方向进入南海, 另一支则经中国台湾海峡向东北流动。黑潮主干沿中国台湾以东进入东海, 在中国台湾东北部有一分支向浙江近海流动, 形成台湾暖流, 主干继续沿陆架边坡向东北方向流动。在日本九州西南海域, 有一分支北上形成对马暖流, 它在济州岛向西北方向形成另一分支黄海暖流, 侵入黄海[1, 2, 5]

因此, 可以认为黑潮对中国近海的化学物质输入主要通过3个关键区域— — 吕宋海峡、中国台湾东北部海域及日本九州西南海域[5, 10, 11]; 季风、水量等因素导致的黑潮季节性流轴摆动、表层水向东海陆架的扩展、次表层水和中层水的涌升是黑潮对东海化学物质输入的重要途径[12~15]

2.1 黑潮对中国近海物质输入的3个关键区域

2.1.1 吕宋海峡

吕宋海峡水深2 000 m左右, 研究表明, 黑潮水会从吕宋海峡终年进入南海。冬季黑潮水通过吕宋海峡的上层流入南海, 通过下层流出南海, 而在夏季则正好相反。流入、流出南海的纬向流位于海峡的中南部位置。黑潮经120° E向西进入南海的体积输送量为11× 106~12× 106 Sv[10]

2.1.2中国台湾东北部海域

中国台湾东北部陆架边缘海域的冷涡(上升流)是黑潮和陆架溶解态和颗粒态物质交换的一个重要途径, 这些冷涡具有低温、高盐、高密度、低氧、高磷、高硅、高氮等特性。在此处, 黑潮次表层水常年入侵东海陆架, 这不仅改变了东海陆架海域的温盐场和流场分布, 而且向东海输送了大量的磷酸盐等营养物质, 为该海域的初级生产力做出贡献。季节变化上, 在中国台湾东北海域, 黑潮次表层水入侵在春末夏初开始加强, 夏季最强, 秋季开始减弱, 冬季最弱[16]。该海域海水的涌升可显著影响海洋化学要素的分布, 各化学要素等值线从200 m深度起向上隆起可达30 m深度[17]。中国台湾东北部海域在一年四季中均存在营养盐的高值中心[18~20]

2.1.3日本九州西南海域

黑潮在日本九州西南海域呈反气旋状流动, 一部分海水入侵陆架, 另一部分呈反气旋状回到黑潮主轴。在此处, 黑潮水入侵陆架, 并成为对马暖流的一部分北上影响黄海[13, 14]。与中国台湾东北部海域类似, 受黑潮水入侵的影响, 九州西南海域一年四季中均存在营养盐的高值中心[20, 21]

2.2 黑潮东海段对陆架的入侵

东海黑潮在不同季节入侵东海陆架抵达的范围不同。卫星红外图像分析发现, 在冬季黑潮前沿扩展到大陆架, 而在夏季和秋季则退回到陆架边缘[12]。黑潮水和陆架水相互作用在不同季节的空间变化很大, 二者之间边界面出现不同程度地凸向陆架或凹向黑潮的现象, 春、秋季黑潮水和陆架水相互作用比冬、夏季空间变化剧烈; 100 m以浅的黑潮水在中国台湾东北海域和日本九州西南海域侵入陆架较远, 而100~200 m的黑潮水在东海黑潮中部(125° ~126.5° E)入陆架较远[13]

黑潮水对东海陆架的海水输入量是巨大的, 并且存在季节上的变化。夏季黑潮、台湾海峡水、河流、降雨等向东海陆架的水输入通量共为3.35 Sv, 其中黑潮水入侵占到了26%的比例, 为0.89 Sv, 而到冬季, 黑潮的入侵水量则增加到了1.81 Sv, 所占比例提高至59%[14]。Isobe[22]指出在整个东海陆架东边缘, 黑潮向陆架入侵的流量约为1.4 Sv。林葵等[23]在流量分析和T-S点聚图分析的基础上, 对中国台湾东北部IS断面(台湾东北部西北东南走向断面)和东海中部PN断面进行了分析, 得出参与IS断面分界面(陆架坡折处纵剖面)和PN断面分界面(200 m等深线处纵剖面)的海水交换总量的年平均是夏季最大, 春、秋季次之, 冬季最小, 黑潮水经上述两分界面向陆架区输运量年平均值为0.58 Sv。

3 黑潮化学物质输入东海的通量及其影响

黑潮主流径对东海影响最大, 是东海化学物质的重要输入源。从历史研究资料来看, 黑潮对中国近海作用的主要研究区域也大多集中在东海。下述着重分析生源要素、痕量元素、同位素及其他化学物质在黑潮主体的分布、黑潮对上述物质在东海分布的影响及对东海的输入通量。

3.1 生源要素

生源要素是指与海洋生物生长息息相关的N, P, Si等营养元素, 是海洋初级生产力最重要的影响因子, 是研究海洋生态系统的关键要素。在黑潮对中国近海物质输入研究涉及的化学物质种类方面, 生源要素的研究报道最多。

3.1.1黑潮主体中的生源要素

东海黑潮主体各层生源要素含量差异较大, 且存在季节上的变化。夏季时, 126.5° E以东黑潮主流干区域, 生源要素浓度深层水> 中层水> 次表层水> 表层水, 深层水NO3-N为37.70 μ mol/L以上, 中层水为15.30~37.70 μ mol/L, 次表层水为0.08~15.30 μ mol/L, 而表层水则至0.14 μ mol/L以下[24, 25]。到了冬季, 黑潮主流干区域的表层水和次表层水因强东北季风影响而混为一体, 营养盐含量依然很低; 300 m以深黑潮水营养盐分布与夏季的分布基本一致[25]。根据美国国家海洋数据中心(National Oceanographic Data Center, NODC)2010 年发布的全球海域营养盐数据库(World Ocean Atlas 2009) [26], 东海黑潮区海水每层溶解态硝酸盐(NO3-N), 磷酸盐(PO4-P), 硅酸盐(SiO3-Si)的平均浓度最大值随深度的变化趋势见图2。由图2可见, 东海黑潮区全年NO3-N, PO4-P, SiO3-Si的平均浓度最大值自表层至深层逐步增高, 其中NO3-N浓度增大较快, 500 m层处的NO3-N浓度是表层的17.2倍, PO4-P和SiO3-Si的增大相对较慢, 500 m层处浓度分别为表层的7.45倍和6.9倍。

图2 东海黑潮区水体NO3-N, PO4-P, SiO3-Si的垂直分布[26]Fig.2 Vertical distribution of NO3-N, PO4-P, SiO3-Si of the Kuroshio water in the ECS[26]

3.1.2黑潮对东海生源要素分布的影响

黑潮对东海生源要素分布的影响随季节而不同, 并且东海同时受到长江冲淡水、台湾暖流及季风等多方面的影响, 体现在东海生源要素在平面分布、垂直分布及季节分布的显著差异。

夏季时, 黑潮主轴远离陆架, 黑潮表层水主要分布在冲绳海槽海域, 尚未入侵东海陆架区[3]。但富含营养盐的黑潮次表层水和中层水却大举入侵东海陆架, 最远处甚至能达到50 m等深线[14], 这直接造成了东海陆架区底层水的高营养盐浓度。东海陆架表层水受到势力强劲、富含营养盐的长江冲淡水的影响, 表层海水生源要素向外海浓度降低趋势明显。

秋季和冬季, 受势力强劲的东北季风的影响, 黑潮主轴向西偏, 低营养盐含量的黑潮表层水(NO3< 2 μ mol/dm3, PO4< 0.2 μ mol/dm3, SiO2< 5 μ mol/dm3)向西入侵的程度加大, 可入侵至100 m等深线甚至以西的位置[27]。同时, 伴随着长江径流量的减小和东北季风的增强, 东海陆架垂向混合加强, 表层海水生源要素含量要高于夏季, DIN含量为2~6 μ mol/L, PO4-P含量为0.2~0.4 μ mol/L, SiO3-Si含量为5~10 μ mol/L[28]

春季时, 黑潮对东海陆架生源要素的影响介于夏季和秋冬季之间, 表层水入侵减弱, 而次表层水和中层水的入侵开始加强。东海海水营养盐的分布与秋季时相似, 但陆架区(< 200 m) 表层的营养盐含量低于秋季, 如表层NO3-N平均含量仅为春季的1/3左右; 外陆架区(> 200 m)表层营养盐含量与秋季时接近。

3.1.3黑潮对东海生源要素的输入通量

黑潮主体携带了大量的N, P, Si等生源要素, Guo[29]的研究表明黑潮主体NO3-N, PO4-P向下游的输送量分别为170.8, 12.5 kmol/s, 是向东海陆架NO3-N, PO4-P输送量的18倍。然而对东海陆架来说, 黑潮的输入量比河流、大气及海底沉积物等的输入量均高, 如PO4-P的贡献是长江输入的近20倍, NO3-N, SiO3-Si的输入量是河流输入的2~3倍[14]。从某一断面或某一区域的研究结果来看, 黑潮向东海NO3-N, PO4-P和SiO3-Si的输入通量分别在10, 1和20 kmol/s的数量级上(表1[14, 30, 31]

从季节变化上来看, 黑潮对东海陆架生源要素的输入通量不同季节有差异, 冬季的输入通量要高于夏季, 其中SiO3-Si的冬季输入量是夏季的3.82倍, PO4-P是2.42倍, NO3-N是2.32倍, NH4-N是2.06倍[14]

从黑潮各水层对东海陆架生源要素的输入通量来看, 表层水最少, 次表层水次之, 中层水生源要素输入通量最大[32]图3)。据Fang[33]的研究, 黑潮中层水对东海陆架磷的输入能占到总输入量的43%, 是东海陆架区磷的最主要来源。巩瑶等[34]的研究显示黑潮中层水向东海陆架SiO3-Si输入通量占总输入量的51.3%。这些都说明黑潮各水层中, 中层水对东海生源要素的输入通量所占比例最大。

表1 黑潮对东海生源要素的输入通量 Table 1 Influx of biogenic elements from the Kuroshio to the ECS

图3 黑潮各水层对东海生源要素的输入通量[32]Fig.3 Influx of biogenic elements from each layer of the Kuroshio to the ECS[32]

3.2 痕量元素

痕量元素是控制海洋生态系水体系统能量流动和物质循环的关键因子之一[35]。痕量元素的环境地球化学特征对近海生态系统的结构和功能研究有重大理论与应用价值。从现有文献资料来看, 专门针对黑潮进行的痕量元素研究尚不多, 大部分研究是在黑潮邻近海域如东海、黄海进行的, 其中部分站位涉及到黑潮主体, 涉及到的痕量元素主要有As, Mn, Al, Cd, I和Mo等。

3.2.1黑潮主体水体中的痕量元素

不同痕量元素在黑潮主体的浓度不同。As, Mn, Al, Cd, I, Mo和Pb等元素在黑潮主体的浓度范围及分布特点见表2。由表2可以看出, 黑潮主体中各痕量元素的含量差异较大, 其中I和Mo的浓度最大, 在100 nmol/L左右, 其中IO3-甚至达到了420 nmol/L; As, Al, V及U的浓度水平基本相当, 在10~40 nmol/L之间; Mn的浓度较低为1~15 nmol/L; Cd及Pb的浓度很低, 在1.0 nmol/L左右; W的浓度最低, 最高值仅为0.107 nmol/L, 上述元素在黑潮主体中的含量差异与海水中各元素的天然分布基本一致。

从垂直分布上来看, 各元素随深度的变化趋势是不同的(表2)。根据Bruland[36]提出的痕量元素划分类型, 属于表层富集型的As, Pb, I和Mn的表层和次表层浓度存在一定差异, As, Pb和IO3-的垂直分布是表层浓度低, 次表层浓度高; Mn和I-则是表层浓度高, 次表层浓度低。Al, Cd, W, Mo, V和U垂直浓度分布与上述痕量元素的划分类型一致性较好。造成这种现象的原因与痕量元素在有关生物地球化学过程中所起的作用不同有关。

对同一种元素来说, 不同价态形式在黑潮主体的分布也有差异。如I-的浓度要低于IO3-的浓度, 且垂直方向上, I-表层高、次表层低, 而IO3-则是表层低, 次表层高[40]

表2 黑潮主体海水溶解态的痕量元素 Table 2 Dissolved trace elements of the Kuroshio main stream water

3.2.2黑潮对东海痕量元素分布的影响

与生源要素的分布类似, 黑潮邻近东海海域痕量元素的分布既受到黑潮的影响, 同时又受到长江冲淡水、台湾暖流及季风等多方面的作用。其中部分元素如As, I-和Mo等在黑潮主体的浓度要高于邻近海域, 部分元素如Cu, Mn和IO3-等则呈现出黑潮主体浓度低, 陆架方向海域高的趋势[38, 41, 44, 45]

黑潮次表层水的涌升在对痕量元素分布的影响中起到了重要的作用。黑潮对TDIAs(总溶解态无机砷)分布的影响可以向西到达126° E的位置。在此位置以东, 受黑潮次表层水影响, TDIAs出现高值, 并且表层和底层受黑潮次表层水的影响程度相近, 最高值在18 nmol/L左右, 这预示着黑潮水是东海东部TDIAs的一个重要来源[37, 38]。受含低浓度Al的黑潮次表层水的影响, 在次表层水涌升的东海陆架陆坡处出现溶解态Al的低值中心, 约为19 nmol/L[42]。Pb与Al的分布趋势基本相似, Li等[39]的研究表明, Pb在东海陆架外侧海域也出现了低值。根据Sohrin等[44]的报道, W和Mo在受黑潮次表层水影响的东海海域, 表层海水痕量元素的浓度要略高于其在黑潮主体和东海陆架的浓度。上述研究均说明黑潮次表层水的涌升对痕量元素在邻近海域分布有着显著影响。

3.2.3黑潮对东海痕量元素的输入通量

黑潮向东海陆架输入N, P和Si等生源要素的同时, 也输送了大量的痕量元素, 是东海陆架痕量元素的一个重要来源。但与生源要素相比, 黑潮对东海陆架痕量元素的输入通量相对于河流、台湾暖流及大气等其他输入源并不都是最高的(表3)。

表3 黑潮对东海痕量元素的输入通量 Table 3 Influx of trace elements from the Kuroshio to the ECS

黑潮表层水和次表层水对东海痕量元素的输入通量也存在差异(表4)。由表4可见, 黑潮表层水和次表层水对邻近海域痕量元素的输入通量再次显示出与生源要素不同的特点。如前文所述, 黑潮次表层水对生源要素的输入通量要高于表层水, 但对痕量元素的输入则随元素而不同。黑潮次表层水对东海陆架Al和IO3-的输入通量分别是表层水的1.94和1.16倍, 但对Mn和I的输入通量却小于表层水, 其中次表层水对东海陆架Mn的输入是表层水的一半, I-的输入仅是表层水的1/36。这与各痕量元素在黑潮表层水和次表层水中含量多寡有明显关系。

表4 黑潮各水层对东海痕量元素的输入通量 Table 4 Influx of trace elements from each layer of the Kuroshio to the ECS
3.3 同位素

海洋中的放射性和稳定同位素在研究水团年龄与组成、水体混合与交换、以生物地球化学为中心的各种界面过程及通量等方面发挥着重要的作用。某些同位素在黑潮主体的含量高于邻近海域, 如10Be和18O, 而很多同位素如226Ra, 210Pb和210Po则含量较低。利用同位素研究黑潮对东海入侵的部分研究及主要结论见表5

表5可见, 利用同位素能够指示黑潮对东海陆架的入侵程度及变化规律, 研究黑潮向邻近海域同位素的输入, 是研究黑潮向邻近海域化学物质输入的重要一环。

表5 黑潮区域部分溶解态同位素研究结果 Table 5 Research results of some dissolved isotopes in the Kuroshio area
3.4 其他

海洋中还存在着一些物质, 它们的分布受黑潮等洋流影响明显, 同时又与生态环境关系明显。如微量温室气体氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)、氯甲烷(CH3Cl)及溴甲烷(CH3Br)等, 它们在大气化学中扮演十分重要的角色, 同时海洋是上述气体重要的自然排放源, 因此对海洋中上述物质的研究得到了越来越多的关注。海洋二甲基硫(DMS)及其衍生盐类(DMSP)因是大气硫化物的重要来源, 也成为学术界关注的热点。

相对于邻近海域, 黑潮主体溶解态N2O的浓度相对较高, 一般在10 nmol/L左右, 夏季浓度要高于冬季, 并且次表层水浓度要高于表层水。黑潮向东海输送N2O的通量夏季4.09× 108mol/a、冬季5.77× 109mol/a, 其中次表层水分别占到75%和88%。黑潮对东海N2O的输送通量分别是降雨、河流输送通量的73倍和52倍, 是东海N2O的主要输入源[54]。黑潮水CH4的含量相对贫乏, 浓度一般在2~3 nmol/L之间, 次表层水和表层水浓度相差不大。根据Wong 等[47]采用的水体交换量, 计算可得黑潮向东海陆架输送CH4的通量春季、夏季分别为6.97× 107mol/a、8.42× 107mol/a, 表层水和次表层水的输入通量相差不大[54]

黑潮的入侵导致东海124° N以东出现了CH3Cl和CH3Br的低浓度区[55]。海水中DMS和DMSP则受到了黑潮高温、高盐特性而带来的高初级生产力的影响, 靠近冲绳海槽的海域DMS和DMSP出现高值[56]

由此可见, 黑潮对东海输送了大量N2O, CH4, CH3Cl, CH3Br及DMS等物质, 影响了上述物质在东海的分布和收支, 并进一步影响其生态环境。

4 结论与展望

黑潮在侵入中国近海过程中, 途径和方式复杂多样, 黑潮向中国近海特别是东海输送了大量的生源要素、痕量元素、同位素及其他化学物质。本文总结归纳了近年来黑潮化学物质输入东海的途径与通量方面的研究进展, 主要结论如下:

(1)吕宋海峡、中国台湾东北部及日本九州西南海域是黑潮向中国近海输送化学物质的3个关键区域。黑潮表层水向东海陆架的扩展、次表层水和中层水的涌升以及黑潮季节性流轴摆动是黑潮向东海输送化学物质的主要途径。

(2)化学物质在黑潮主体的分布、黑潮对邻近海域化学物质分布的影响程度及对东海各化学物质的输入通量因化学物质的种类、季节变化而异, 并且黑潮不同水层对东海化学物质的输入通量也不相同。①黑潮主体生源要素的浓度随深度的增加而增大。黑潮对东海生源要素的影响夏季最弱、春季次之、秋冬季最强。其对东海生源要素的输入通量要远高于河流、大气等其他输入源, 并且各水层中以中层水的生源要素输入通量为最大。②痕量元素在黑潮主体的分布、对东海的输入通量等方面均表现出了与生源要素的差异, 各痕量元素的分布及输入通量随痕量元素的不同而不尽不同, 这可能与各元素在海水中的天然分布及其在生物地球化学过程中的不同作用有关。黑潮次表层水的涌升在对邻近海域痕量元素分布的影响中起到了重要作用。③同位素能够指示黑潮对东海陆架的入侵程度及变化特征, 并与营养盐等有一定的相关性。④黑潮是东海某些化学物质如微量温室气体N2O和CH4的重要输入源, 进而对生态环境产生影响。

总体来看, 黑潮在中国近海化学物质输入源中占据重要地位, 对某些化学物质如生源要素、部分痕量元素等来说, 黑潮的输送通量要远高于河流、大气等其他输入源的输送通量, 这意味着中国近海生态系统可能受到了黑潮的强烈影响。因此, 进一步开展黑潮对中国近海特别是东海化学物质输入的研究意义重大。

到目前为止, 尽管黑潮向中国近海化学物质的输入进行了不少的研究, 但对黑潮向中国近海化学物质输入的过程、机制以及效应的许多问题还未查明, 存在的问题如下:

(1)对黑潮的水文动力过程研究已有较多积累, 但很多细节及观测的数据仍很缺乏, 如东海南部100~200 m等深线的陆架边缘区, 黑潮入侵的详细模式仍不清楚[22], 应从水文动力方面进一步弄清黑潮入侵中国近海的途径、水量、季节和年际变化等, 在长期外海观测上实现突破。

(2)对黑潮输送化学物质的研究主要集中在生源要素, 对痕量元素、同位素及其他化学物质的研究较少。现有报道大部分仅是针对某一特定化学物质, 并且研究的出发点不是针对黑潮的输入进行的。因此, 应尽快开展黑潮痕量元素、同位素等的系统性调查研究, 明确上述化学物质在黑潮主体的含量及对邻近海域的影响。

(3)黑潮输入中国近海化学物质(生源要素、痕量元素、同位素及其他化学物质等)的控制过程尚待揭示, 应在过程揭示上诠释动力因素、时空变化、化学物质的量等之间的关系, 一方面, 借助黑潮输入中国近海化学物质准确的观测结果, 构建指示黑潮化学物质输入中国近海的指标体系, 另一方面, 准确获取黑潮化学物质输入中国近海的通量, 为阐明其输入的效应奠定基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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