河流-河口-近海連續體碳循環研究進展

陳建芳，翟惟東，王 斌，李德望，熊天琦，金海燕，李宏亮，劉沁宇，苗燕熠

(1.自然資源部海洋生態系統動力學重點實驗室，浙江 杭州 310012； 2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.山東大學海洋研究院，山東 青島 266237； 4.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101)

0 引言

減少向大氣排放CO2(減排)和增加對大氣CO2的吸收(增匯)是“碳中和”的兩條根本路徑。相關的氣候談判不僅是各國或各利益集團之間政治力量的較量，更是各自在生態系統碳循環、碳源/匯格局與增匯/減排等方面科學知識儲備和技術實力的抗衡。提高陸地和海洋生態系統的碳匯能力是增匯的關鍵環節。目前，各國政府都在加大包括管轄海域在內的生態系統碳源/匯特征與碳收支平衡的研究力度。

人類活動加大了CO2在大氣圈、陸地和海洋生態系統之間的交換量，加劇了河流向海洋的直接碳輸運，加速了陸地的碳流失，也改變了近海生物泵和微型生物碳泵的運轉。因此，為了深入、系統地理解陸地-海洋生態系統的碳循環過程，總體把握這一潛在的國家自主貢獻碳收支狀況，有必要深入認知河流-河口-近海連續體的碳循環過程。

海洋是地球上最大的活躍碳庫之一，有著巨大的碳匯潛力和增匯前景。據估算，海洋吸收了CO22.5 Pg C·a-1(1 Pg C=109t C)，約占人類排放CO2的 22.7%[1-3]。盡管陸地每年的碳吸收與海洋相當，但海洋儲存的碳卻遠遠超過陸地，在全球變暖的背景下，近海和海洋上層碳匯的不確定性增加，有可能對全球碳減排產生巨大影響。

包括河口濕地在內的海岸帶-近海是全球海洋碳循環的重要組成部分[4-5]，其面積占全球海洋面積不到8%，卻貢獻了全球海洋高達10%～30%的初級生產力，對大氣凈碳匯可以達到0.2～0.4 Pg C·a-1[5-6]，其沉積物中有機碳埋藏量，更是占全球海洋的80%以上[7-10]。陸架海不僅埋藏了近海生物泵過程產生的海源有機質，而且也是陸源有機質的重要匯區[11-15]，在全球碳循環中扮演著重要角色。

1 河流-河口-近海連續體是碳源/匯估算最薄弱的環節之一

河流-河口-近海連續體連接了陸地和大洋。其一方面通過光合作用、溶解作用吸收大氣中的CO2；另一方面也接收了陸地和流域光合作用或化學風化作用固定的碳[16-19]；同時，連續體還和沉積物之間不斷進行著界面物質交換[20]。

盡管連續體在全球碳循環中的重要性已經得到了廣泛認可，但由于缺乏足夠的觀測資料，目前連續體中各個界面碳通量的估算還存有很大的不確定性[5-6,20-23]。連續體碳源/匯格局具有很強的地理差異和季節變化。河流輸入、內部循環和海洋交換之間的相互作用，是導致這種時空差異的主要原因[24]。世界典型大河河口區，通常上游二氧化碳分壓(pCO2)很高，是大氣的強源。海-氣pCO2差異從河口上游到下游逐漸減小，在河口下游以及大陸架的河口羽流區內甚至會從碳源轉變成碳匯[22,25]。在全球范圍內，內陸水域(包括河流與湖泊)和河口分別向大氣排放CO21.1 Pg C·a-1和0.25 Pg C·a-1，而陸架海域則吸收0.2 Pg C·a-1[20]。但不同的河流-河口-近海連續體碳的源/匯格局有較大的差異。一般認為，有大河輸入的陸架海通常都是碳匯[26]。目前對于河口及近岸水體總體的碳源/匯格局，已經有了一定的認識[5-6,22,25]，但對于連續體碳源/匯格局及其調控機制的認知還很不完整[5-6,23-24,27]。

連續體海-氣碳源/匯格局，主要與河流輸入及其系統內部的生物地球化學過程有關。LI et al[28]估算全球河流向海洋輸送碳大約1.06 Pg C·a-1，包括0.24 Pg C·a-1的溶解有機碳(DOC)，0.24 Pg C·a-1的顆粒有機碳(POC)，0.41 Pg C·a-1的溶解無機碳(DIC)，以及0.17 Pg C·a-1的顆粒無機碳(PIC)。碳賦存形態的遷移轉化，特別是有機和無機之間的遷移轉化，可以影響海-氣CO2通量。連續體碳交換和循環非常復雜，主要有兩點原因：(1)連續體陸海相互作用過程復雜多變：來自河流的淡水和來自海洋的咸水在連續體混合，鹽度、營養鹽、有機碳和無機碳等生化參數有很大的水平梯度；河口鋒面受沖淡水和環流控制，地理位置有強烈的時空變化；光合作用、有機質分解作用等生物地球化學過程與吸附、解吸、溶解等物理化學過程交織在一起，使得連續體內碳通量估算有很大的挑戰性。(2)連續體有機碳來源和轉化過程十分復雜：有機碳是大氣CO2固定后主要的、相對穩定的存在形式，連續體有機碳有些來自河流攜帶的陸源有機碳，有些來自人為排放的廢水，有些來自海洋和河口浮游植物的光合作用；同時，有機碳也會在溶解態和顆粒態之間相互轉化[29-30]，也會因為微生物降解、光化學氧化而減少，或因河口絮凝作用而沉淀[31-32]。

河流除了攜帶碳以外，還向河口近海排入大量的氮、磷營養鹽，這些營養鹽在河口近海被光合作用利用后，則會引起向下的海-氣CO2通量。但是，陸源無機碳、有機碳和營養鹽輸入河口近海后，三者相關的各個過程綜合起來，最終對大氣貢獻多少凈碳匯？目前還鮮少評估。

連續體通過海-氣界面吸收的CO2，主要歸宿是垂直方向上的沉積物沉降埋藏和水平方向上的洋流輸運及陸架泵。據估算，每年在河口和陸架近海沉積的碳通量約為0.45 Pg C·a-1，其中河口區域為0.1 Pg C·a-1，其余0.35 Pg C·a-1在陸架近海區域[20]。在橫向輸送方面，除了洋流水平輸運以外，陸架泵也可能是碳向外海輸運的另一個潛在機制[33]。陸架泵通常發生在冬季，由于陸架水比外海上層水溫度更低、密度更大，陸架上的水將沿等密度面向外海密度躍層以下輸送。全球近海每年向大洋輸送碳約1 Pg C·a-1，其中有機碳約0.15～0.35 Pg C·a-1，無機碳約0.5～ 0.7 Pg C·a-1[6]。

無論是連續體海-氣碳源/匯格局，還是體系內碳的最終歸宿，目前的數據仍不足以給出清晰的結論[5,26,34]，必須開展具有足夠空間和時間覆蓋范圍的、陸海統籌的跨界面觀測和研究，才能得出可靠的結論[23,26,35]。

2 河流-河口-近海連續體碳源/匯格局研究現狀

世界大河河口區通常呈現淡水端向大氣釋放CO2，而海水端從大氣吸收CO2的分布格局[22,36-42](圖1)，這主要是由河口最大渾濁帶以外的凈群落生產(NCP)活動造成的[43-45]。但不同河口的地理位置、水文狀況及生物化學過程不同，其碳源/匯情況需系統分析。

圖1 世界典型連續體表層CO2分壓(pCO2)分布格局Fig.1 Distributions of sea surface pCO2 in typical aquatic continuums(圖a引自文獻[38]，圖b引自文獻[36]，圖c引自文獻[42]，圖d引自文獻[37]。)(Fig.a is cited from reference[38], fig.b is cited from reference[36], fig.c is cited from reference[42], and fig.d is cited from reference[37].)

美國切薩皮克灣(Chesapeake Bay)是典型的溺谷型河口灣[46]，是目前國際上碳循環觀測與研究較為系統的連續體。切薩皮克灣表層pCO2的年際變化范圍為43～3 408 μatm。低鹽度的內灣是大氣的凈碳源(CO2通量為31.2 mmol·m-2·d-1)，主要是由于薩斯奎哈納河輸入的淡水具有較高的游離CO2，其帶來的有機質被呼吸降解產生更多CO2。在向下游遷移過程中，由于水體停留時間長，水體分層以及與低pCO2水團的混合，加上浮游植物光合作用對CO2的吸收，pCO2逐漸降低(圖2)。中等鹽度的中灣區域，整體是一個CO2凈匯(CO2通量為-5.8 mmol·m-2·d-1)。而高鹽度的外灣區域pCO2與大氣接近平衡(CO2通量為1.0 mmol·m-2·d-1)。整體來說，切薩皮克灣是非常弱的大氣CO2的源[47]。

圖2 切薩皮克灣表層水體pCO2分布[47]Fig.2 Distributions of sea surface pCO2 in the Chesapeake Bay[47]

長江口受長江、外海流系及沿岸沖淡水影響，其表層pCO2分布存在劇烈的空間差異，總體上呈現隨離岸距離增加，pCO2減小的特征。長江下游pCO2范圍為610～1 445 μatm；長江口門水體受到有機質降解、黃浦江等影響，pCO2迅速上升，高達800～3 120 μatm[38]；越過濁度鋒面后，浮游植物旺發導致長江口表層pCO2快速下降至低于 300 μatm，呈現為大氣CO2的強匯。圣勞倫斯河口、珠江口pCO2的空間變化與長江口相似，都表現為表層pCO2從內陸架往外?？焖俳档蚚39,42]。珠江上流接納了大量陸源有機質，受強烈的呼吸作用及有機質降解作用影響，珠江河口上游及混合區的pCO2都較高。從全年綜合來看，珠江口上段為較強的大氣碳源，而在河流入海后，pCO2逐漸降低，成為大氣碳匯[36]。

路易斯安那陸架是墨西哥灣北部一個典型的中緯度河控型陸架。從內陸架的密西西比河口向外海，表層pCO2呈迅速減小，其后又緩慢增加的趨勢[37]。近岸海域是大氣CO2的碳源，向外海延伸則逐漸轉變成大氣碳匯，直至外海逐漸與大氣平衡。其主要原因是河口區往里一側由于濁度較大，存在光限制，而在河口沖淡水鋒面附近，則由于強烈的浮游植物光合作用消耗了CO2。與長江口和珠江口相比，路易斯安那內陸架pCO2相對較低。整體而言，路易斯安那陸架是弱的大氣碳匯，年平均通量為 -0.96±3.7 mol·m-2·a-1。

3 長江-長江口-東海是開展連續體碳循環研究的最佳場所之一

長江是世界第四大河流，也是中國最大的河流[48]，其攜帶大量的淡水和陸源物質匯入東海[49]?；凇吨袊恿髂嗌彻珗蟆穂50]，1965—2005年，中國河流入海顆粒態碳通量平均為29.57 Tg C·a-1(1 Tg C=106t C)，其中有機碳占36.02%，無機碳占 63.98%。長江是東海的主要輸入河流，其入海的碳通量中POC為(1.51±0.80)Tg C·a-1[51]，DOC為1.62 Tg C·a-1[52]，DIC為14.60 Tg C·a-1[52]。東海的年平均海-氣碳通量為(-6.92～-23.30)Tg C·a-1，其碳匯潛力大于其他幾個中國邊緣海[53-54]。根據最新估計，東海每年吸收大約2 200多萬噸碳，相當于 8 000 多萬噸CO2，是中國近海生態系統碳匯最大的海域[55]。從大氣CO2吸收量[55]、沉積物埋藏通量[56-57]以及東海漁業捕撈量(1981—2020年《中國漁業統計年鑒》[58])來看，東海的生態系統碳匯均是中國近海最強的。

東海之所以有如此高的生態系統碳匯，與東海有大量的長江輸入的氮、磷營養鹽有關。近期的研究結果顯示，包括我國東海長江沖淡水海域和南海北部陸架海域在內的一些陸架邊緣海，CO2吸收呈現增加的趨勢[47,59-62]。顯示出近海系統在富營養化加劇、全球大氣CO2升高、海水碳酸鹽體系響應有所滯后的背景下，近海碳匯增強的可能性。以長江沖淡水區域為例，20世紀90年代，長江口外表層pCO2最低值約為200 μatm[33,63-66]；21世紀初期，長江口外表層pCO2低值下降至110～140 μatm之間[67-69]；而近10年以來，在長江沖淡水區域頻繁地觀測到極低的海表pCO2，在30～80 μatm之間[47,53,70-71]，僅為大氣平衡水平的10%～20%。這與過去幾十年間長江近10倍增長的無機氮通量、近6倍增長的無機磷通量[72-74]以及頻繁爆發的藻華現象[75-77]可能存在著緊密的聯系。富營養化加劇和藻華增加的另一個后果是，夏季底層水體缺氧也呈現越來越嚴重的趨勢[24,78-79]，缺氧水體形成酸化的高碳水，有可能在冬季通過陸架泵向外輸送。同時，水體缺氧也可能為有機碳埋藏保存提供了有利條件。東海的有機碳埋藏量從20世紀80年代之前的每年700多萬噸[80]，提高到了每年800多萬噸[57,81-82]。

另一方面，水庫大壩修建、蓄水后，流域的生物地球化學循環發生了明顯改變，進而對連續體的碳輸運產生顯著影響。修建水庫大壩減緩了河水流速，使泥沙及顆粒物從河流中去除。同時水庫大壩使水體停留時間增長，足以支持浮游植物在水庫中吸收營養鹽而大量繁殖，這在一定程度上會減少河流向海輸送的營養鹽。大通水文站顆粒有機碳(POC)質量濃度和通量均呈指數下降，且年內的變異逐漸減小，洪水季與枯水季的POC質量濃度比由2000年的4.04倍降低至2015年的1.04倍[83]。長江輸入東海營養鹽通量經歷了長期的增長趨勢后，目前仍居于高位。因而，在泥沙輸入減少引起光限制減弱和營養鹽輸入改變的共同影響下，長江口連續體的浮游植物生產引起的碳匯格局可能正在發生變化，其碳匯的潛力(尤其是生物泵增強引起的碳匯潛力)亟需進一步的科學分析和客觀評估。

長江-長江口-東海連續體發育于世界著名的大河口-寬陸架區，是我國近海碳匯最強的海域之一，在我國陸海統籌“碳中和”研究中具有重要的地位。選取此連續體開展多界面碳傳輸過程觀測和機制研究，具有代表性與引領性，將對國際上大河口連續體碳交換和循環研究起到示范作用。

4 認知連續體碳傳輸過程與調控機制的主要觀測和研究方法

探討連續體碳源/匯格局及其背后的驅動過程，需要掌握各形態碳通量與收支情況，系統考慮連續體內部碳循環，以及海-氣、河流-河口、河口-近海、水柱-沉積物、連續體與鄰近開闊海域等各界面的碳傳輸關鍵過程與調控機制(圖3)。由于受陸源輸入、潮汐、環流共同作用，河口近海水體具有快速動態變化的特點，亟需發揮現場觀測、遙感觀測、數值模擬、化學計量學、沉積記錄學等方面的優勢，整體認知碳交換和循環過程。

圖3 長江-長江口-東海連續體碳交換與碳循環過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of carbon exchanges and carbon cycles in the Changjiang-Changjiang Estuary-East China Sea continuum(其中關鍵界面包括：海-氣界面、河流-河口界面、河口-近海界面、水柱-沉積物界面和連續體與鄰近開闊海的界面。)(The key interfaces include air-sea interface, river-estuary interface, estuary-coastal ocean interface,water column-sediment interface, and the interface between the continuum and adjacent open ocean.)

4.1 陸海統籌的海上立體觀測

連續體碳交換發生在河口，主要原因在于陸地既受控于復雜的海洋氣象動力過程，也與海洋生物地球化學循環密切相關，因此，開展陸海統籌、天海一體、上下協同、要素完整的系統觀測，才能對其生態系統碳源/匯進行通量估算，通過多學科交叉融合研究才能把握其內在的規律。

長江-長江口-東海連續體海洋觀測已經有大量數據積累，但系統性相對不足。自然資源部第二海洋研究所聚焦連續體碳匯及缺氧、酸化核心科學問題，建立了一套融合長江岸基觀測(長江大通、徐六涇)、區域斷面和核心斷面走航觀測、關鍵站點的浮標-剖面-海床基時間序列觀測的立體觀測系統，基本實現了長江-長江口-東海連續體富營養化-藻華-碳匯-缺氧-酸化的實時監測。

4.2 遙感觀測

立體監測非常昂貴，不易實現對河流-河口-近海連續體大空間尺度、長時間尺度的研究。遙感觀測具有監測范圍廣、監測頻率高、獲取資料速度快等優點。相對于船基觀測，遙感觀測可以獲取全海區日、周、月、年尺度上的海水表層溫、鹽、風場、溶解有機質和葉綠素等要素?；谏鲜鏊募吧胤囱萏佳h相關參數，解析不同時間尺度下，物理過程及生物地球化學過程對海洋碳循環及海-氣CO2交換的影響，可為準確評估海洋碳源/匯過程及通量提供技術支持。因此，基于衛星遙感的高時空分辨率、全海區的觀測和反演是厘清長江-長江口-東海連續體碳源/匯格局的重要手段之一[84-86]。

但另一方面，河口碳循環控制機制復雜，基于遙感的溫度、葉綠素a及有色溶解有機物等指標反演近岸復雜水域的生物過程、水團混合尚有較大不確定性；另外，遙感觀測易受云層或大氣中氣溶膠影響，基于此的遙感碳參數計算結果尚有較大誤差[87]。因此，需通過實測資料的驗證，不斷提升遙感反演的精度，進而從宏觀上把握連續體碳交換的動態變化[84]。

4.3 數值模擬

隨著數值模擬技術的發展，生態模型為開展河流-河口-近海連續體碳源/匯格局與調控機制研究提供了可能性。海洋生態系統動力學數值模型是一種定量描述和分析海洋生態系統動力過程及其生態效應(包括碳匯效應)的科學工具[88]。數值模型可以彌補觀測的時空不連續性，可以結合觀測數據進行過程研究[89]。XUE et al[90]運用ROMS-CoSiNE模式(三維水動力-生態模式)模擬了珠江口及近岸海域環流與生態響應。ZHOU et al[91]運用該模式研究了長江口外的缺氧現象，將模擬結果與2006年多個月份的航次測量數據做比較，模式可以復現出季節性缺氧的生消過程和位置變化。ZHOU et al[92]利用生態模式發現，長江口底層水體缺氧落后于表層硅藻藻華約1～8周，浮游植物高生物量分布區域與底層缺氧區域并不完全對應。上述成果展現了連續體碳循環的生態模型過程研究和機制分析的良好前景。

利用數值模式進行情景分析，還可以評估氣候變化與人類活動對碳循環系統的影響程度，彌補觀測的時空不連續性。氣候變化可能通過改變海-氣熱通量和風場結構等影響環流系統，進而影響碳的吸收、遷移與輸運[93]；也可能通過光照強度變化、層化強度改變，影響初級生產力和生物碳泵過程，進而影響碳的循環與轉化以及碳的流轉與存儲[94-95]。

但是河口連續體碳循環數值模擬尚有較大的不確定性。淡水生態系統向海水生態系統的轉換過程中，碳酸鹽參數如碳酸電離常數隨鹽度有劇烈的非線性變化，模型的演算結果可能存在較大誤差。模型模擬生物過程結果的誤差也將傳遞到無機碳參數中，增加碳循環模擬的不確定性。另外，高濁度水體中絮凝過程與水動力過程的耦合作用、沉積物早期成巖過程與水體碳酸鹽體系的相互作用等都將影響模型的準確性。

4.4 化學計量學

4.5 沉積記錄學

另外，運用沉積記錄中硅藻、甲藻等微體化石、元素、分子及其同位素信號等[97-100]，可深化河流-河口-近海連續體碳循環特征認知。在對連續體海域沉積柱狀樣進行年代測定的基礎上，通過柱狀樣中高分辨率的微體化石及元素地層學記錄，結合生物硅，沉積有機碳、氮及其穩定同位素，生物標志物[木質素、甾醇等類脂化合物、綠素、甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)等)]及其單體碳、氫、氮同位素，放射性碳同位素等，可以指征河流-河口-海洋連續體有機碳來源、輸運、降解與再礦化過程，解析連續體有機碳埋藏的關鍵過程和控制機制，重建近百年來不同來源、不同年齡有機質的演變，為從沉積物學角度預測河流-河口-近海海洋碳匯格局提供依據。

5 結語

陸地-河流-河口-近海生態系統的碳遷移與循環受人類活動和氣候變化雙重影響，時空差異顯著，調控機制復雜，應開展陸海統籌、?？找惑w、點線面結合的立體觀測，并發揮衛星遙感覆蓋面大、時序長的優勢，以及動力-生態數值模擬易于從總體上把握、可以進行歷史回溯的特點，同時融合迭代現場數據、遙感反演、數值模擬、化學計量法及沉積記錄等，進行多時空尺度過程機制分析研究，揭示跨界面碳交換的關鍵過程與影響因素，厘清連續體的碳傳輸通量和源/匯格局，探討氣候變化與人類活動雙重壓力下該連續體的碳匯潛力及演變規律，提升陸海交互帶碳源/匯過程認知水平，為提出海洋生態系統增匯途徑提供科學依據。

近幾十年來長江-長江口-東海連續體在人類活動影響下出現了懸浮泥沙含量下降[101]、富營養化加劇[24,74,102]、營養鹽組分比例變化[103]等現象，加上氣候變化的疊加，長江口連續體的碳循環過程發生了顯著的變化，迫切需要充分挖掘歷史資料，結合陸海統籌的系統觀測、遙感分析和模型模擬，梳理長江-長江口-東海連續體的碳源/匯時空格局，基于海洋調節氣候變化的關鍵作用，加強其在我國國家自主貢獻中所發揮的能力，助力我國實現“碳中和”目標。