宋金明, 王啟棟

1. 中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071;

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237;

3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071

南海由中國(guó)華南大陸、中南半島、馬來(lái)半島和馬來(lái)群島所圍繞, 周邊分布中國(guó)、越南、柬埔寨、泰國(guó)、馬來(lái)西亞、新加坡、印度尼西亞、文萊和菲律賓等9 個(gè)國(guó)家, 其面積約3.56×106km2, 平均水深1212m, 最大水深 5559m。南海地處熱帶—亞熱帶,其航運(yùn)、油氣、漁業(yè)等海洋資源豐富, 位于北部和西部的珠江、紅河、湄公河和昭披耶河4 條重要河流輸入南海, 周邊國(guó)家沿岸區(qū)域人口稠密, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。南海作為我國(guó)最大和全球重要的陸架邊緣海, 在全球特別是東亞區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所起的作用巨大, 更直接關(guān)系我國(guó)的國(guó)家安全, 南海海洋學(xué)研究在國(guó)際海洋學(xué)中占據(jù)重要地位, 所以, 南海及其海洋學(xué)研究也一直是全球關(guān)注的熱點(diǎn)。

南海的化學(xué)海洋學(xué)研究與我國(guó)近海研究幾乎同步, 新中國(guó)成立后, 特別是近40 年來(lái), 南?；瘜W(xué)海洋學(xué)經(jīng)歷了從大面上的廣譜調(diào)查, 再到持續(xù)的定點(diǎn)觀測(cè), 發(fā)展到近年的系統(tǒng)深入過(guò)程研究, 從發(fā)現(xiàn)南海環(huán)境化學(xué)的自然現(xiàn)象和規(guī)律, 到探究南海化學(xué)過(guò)程的變化機(jī)理, 產(chǎn)出了大量原創(chuàng)新的論著, 據(jù)中國(guó)知網(wǎng)的統(tǒng)計(jì), 至今發(fā)表的涉及南海的學(xué)術(shù)論文約有5.89 萬(wàn)篇(占全部海洋學(xué)論文86 萬(wàn)篇的6.85%),其中涉及南海博士學(xué)位論文994 篇(1990～1999 年間4 篇, 2000 年后990 篇; 占海洋學(xué)博士學(xué)位論文6887 篇的14.4%)、碩士學(xué)位論文4431 篇(占海洋學(xué)碩士學(xué)位論文3.21 萬(wàn)篇的13.8%, 均為2000 年后)。這其中涉及南?；瘜W(xué)的論文309 篇（1999 年以前82 篇, 2000 年及以后227 篇；其中博士學(xué)位論文30 篇、碩士學(xué)位論文41 篇, 均為2000 年后發(fā)表, 從這些數(shù)據(jù)足以看出南海及其化學(xué)海洋學(xué)在我國(guó)海洋學(xué)研究中的重要性。

近40 年來(lái), 南海的化學(xué)海洋學(xué)研究取得了系統(tǒng)性的新認(rèn)識(shí), 既包括自然現(xiàn)象和規(guī)律的發(fā)現(xiàn), 也包括過(guò)程機(jī)理機(jī)制解析研究的新論點(diǎn)。本文從南海次表層躍層生態(tài)系的發(fā)現(xiàn)、南海碳源匯研究發(fā)展、珠江口低氧脆弱生態(tài)區(qū)系統(tǒng)演變、南沙珊瑚礁維持高生產(chǎn)力新論點(diǎn)以及南海生態(tài)環(huán)境歷史演變探析等五個(gè)方面, 系統(tǒng)地總結(jié)并歸納了南海近40 年來(lái)化學(xué)海洋學(xué)研究的重要進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上, 分析展望了南?；瘜W(xué)海洋學(xué)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域, 以期為進(jìn)一步探明南海的生態(tài)環(huán)境變化特征, 持續(xù)利用南海資源環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

1 南海次表層海水存在著以亞硝酸鹽為代表的生態(tài)環(huán)境參數(shù)極值現(xiàn)象, 不同參數(shù)出現(xiàn)極值的水層深度范圍不同, 由此形成的躍層生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)顯著不同

20 世紀(jì)80—90 年代, 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所韓舞鷹研究團(tuán)隊(duì), 通過(guò)對(duì)南海北部、南沙群島海域等不同南海區(qū)域的多次調(diào)查, 系統(tǒng)研究了南海水體理化參數(shù)的分布特征(圖1), 發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽等在次表層出現(xiàn)最大值, 提出了“躍層生態(tài)系”的概念(林洪瑛 等, 2001)。自20 世紀(jì)80 年代初開(kāi)展的多次調(diào)查發(fā)現(xiàn), 在南海的不同區(qū)域海水的次表層存在亞硝酸鹽的最大值“薄層”, 這些薄層平均厚度一般為20～35m, 處于40～100m 的水層, 其亞硝酸鹽濃度平均為0.19～0.23μmol·dm-3。而在薄層上下的水體中, 海水亞硝酸鹽含量幾乎檢測(cè)不出。同時(shí), 亞硝酸鹽最大值的上層存在葉綠素最大值和光衰減系數(shù)最大值, 再向上(海表面方向)則依次是溶解氧最大值和密度躍層。薄層中的亞硝酸鹽可能是銨硝化或厭氧銨氧化過(guò)程的中間產(chǎn)物, 銨則是來(lái)自生物代謝及殘?bào)w含氮有機(jī)物的分解。亞硝酸鹽薄層存在的另一個(gè)重要原因是浮游生物在躍層下形成的高密度層與下部的水體形成分層, 阻礙了代謝有機(jī)物的下沉和向上傳遞。所以,初級(jí)生產(chǎn)水平、生物代謝沉降與分解、銨向硝酸鹽的轉(zhuǎn)化等多因素的綜合作用決定了亞硝酸鹽薄層形成的厚度和所在的深度(韓舞鷹 等, 1991)。

圖1 1991 年12 月南沙群島海域上層水理化參數(shù)的極值現(xiàn)象(林洪瑛 等, 2001)Fig. 1 Vertical profiles of environmental parameter extremums in the upper-layer waters of the Nansha Islands during December 1991. After Lin et al (2001)

1985—1999 年間對(duì)南沙群島海域的12 個(gè)航次的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 從海洋表面開(kāi)始垂直向下20～100m 深度處分別存在亞硝酸鹽、溶解氧、氧飽和度、pH、葉綠素a 和光衰減系數(shù)的極大值薄層現(xiàn)象, 以及海水二氧化碳分壓的極小值。這些極值現(xiàn)象可終年存在, 但由極值的特征值及其與表層含量的差值所反映的極值強(qiáng)度在不同的季節(jié)稍有不同。另外,冬季調(diào)查的結(jié)果顯示, 放射性核素氚3H 的含量以及234Th/238U 比值在75～100m 深度存在極大值, 而二甲基硫(dimethyl sulfide, DMS)的含量在20～75m深度存在極大值(圖1)(林洪瑛 等, 1989, 2001)。南沙群島海域次表層海水生物密集和化學(xué)參數(shù)極值的存在, 表明該海域上層水的生境獨(dú)特(林洪瑛 等,1989, 2001, 2003)。

上述現(xiàn)象的緣由, 可能是南沙群島海域表層海水光照強(qiáng)烈且海水溫度高, 強(qiáng)光照對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制, 再疊加上溫躍層常年存在, 阻礙了深層海水對(duì)上層海水營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充。表層海水的營(yíng)養(yǎng)鹽含量很低, 導(dǎo)致上層海水的初級(jí)生產(chǎn)水平低下。由于次表層存在內(nèi)波等中小尺度的動(dòng)力學(xué)作用過(guò)程,海水垂直混合較好, 浮游生物可在此處獲取相對(duì)充足的營(yíng)養(yǎng)鹽, 且該處光照和溫度適宜, 因此該水層的浮游植物生長(zhǎng)旺盛, 其生物量聚集和葉綠素含量也呈現(xiàn)極大值。懸浮在次表層的大量生物顆粒和其他微粒使光的散射加強(qiáng), 產(chǎn)生海水消光值的最大值;主要產(chǎn)生于浮游生物細(xì)胞的二甲基硫的含量也在此處出現(xiàn)極大值, 這都反映了在此范圍的深度層存在浮游生物的密集層(林洪瑛 等, 2001)。浮游植物的光合作用吸收海水中的二氧化碳, 使躍層深度層出現(xiàn)海水二氧化碳分壓的極小值和pH 的極大值。在均勻?qū)拥纳喜克w中, 光合作用產(chǎn)生的氧加上海氣交換溶解的氧使得上層海水氧飽和度提高; 而在次表層, 海水溫躍層和密度躍層阻礙了上層溶解氧的補(bǔ)充, 浮游生物呼吸和大量有機(jī)物質(zhì)的降解消耗了光合作用產(chǎn)生的氧, 使該層海水溶解氧含量降低,因而溶解氧的極大值往往出現(xiàn)在躍層上界深度處。研究顯示, 在南沙群島海域, 上準(zhǔn)均勻?qū)又泄夂献饔卯a(chǎn)生的顆粒有機(jī)物質(zhì)絕大部分輸送至次表層,50m 深度的輸出效率可達(dá) 95%, 在約80m 深度的真光層底部仍可達(dá)65% 。因此, 南沙群島海域海水次表層的“生物泵”作用比其他海域更強(qiáng)烈, 使“貧瘠”的南沙群島熱帶海域次表層形成一片“綠洲”?；谶@些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn), 林洪瑛等(2001)指出南海次表層海水躍層極值現(xiàn)象的本質(zhì)是存在“躍層生態(tài)系”, 繼而提出了“躍層生態(tài)系”的概念。

南海次表層海水存在生態(tài)環(huán)境參數(shù)極值現(xiàn)象是近40 年來(lái)南?；瘜W(xué)海洋學(xué)研究的重要發(fā)現(xiàn), 對(duì)研究河口-陸架邊緣海-深海盆復(fù)雜構(gòu)造海域的海洋學(xué)過(guò)程具有重要的啟示作用。

2 南海碳循環(huán)過(guò)程十分復(fù)雜, 動(dòng)力作用下的生物泵過(guò)程以及碳源匯區(qū)域和季節(jié)變化巨大, 在不同的區(qū)域不同的時(shí)間南海碳源匯的性質(zhì)和強(qiáng)度迥異, 全年尺度上總體表現(xiàn)為大氣二氧化碳的弱源

南海碳循環(huán)研究是我國(guó)海洋碳循環(huán)研究的重要組成部分, 近40 年來(lái)國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從碳通量、碳源匯及控制因素、碳循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程等角度開(kāi)展了大量研究(Song, 2010), 與渤黃東海碳循環(huán)研究一起構(gòu)成了我國(guó)近海碳循環(huán)研究的主框架(宋金明 等, 2018; Song et al, 2018)。韓舞鷹團(tuán)隊(duì)對(duì)南海碳循環(huán)的早期研究主要基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的南海碳循環(huán)箱式模型, 其研究結(jié)果表明, 南海碳的收支其輸入通量從大到小分別為中層水、底層水、河流和雨水, 輸出南海的碳通量則為上層水、沉積埋藏和海氣界面交換。其中, 99%的碳輸入主要通過(guò)中層水和底層水進(jìn)入南海, 然后隨上升流進(jìn)入上層水體, 而河水和雨水輸入的1%的碳則直接進(jìn)入上層; 這些輸入到南海上層水體的碳, 約有91%從南海流出至鄰近大洋區(qū)域,少部分以顆粒態(tài)的形式垂直輸送至下層。而垂直向下輸送的顆粒態(tài)碳分別有93%和0.6%在南海中層和底部被分解, 進(jìn)入再循環(huán)并返回上層, 最終約有 6%沉降至海底, 被沉積物埋藏(韓舞鷹,1998)。南沙海域真光層內(nèi)海水顆粒有機(jī)碳生成速率為298mg·m-2·d-1, 其中約三分之一在真光層內(nèi)分解參與再循環(huán), 剩下近三分之二離開(kāi)真光層向下輸送;總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)碳穿過(guò)躍層垂直向上輸送通量為3600mg·m-2·d-1, 而真光層顆粒無(wú)機(jī)碳向下輸送通量為27mg·m-2·d-1; 總的來(lái)看, 大氣二氧化碳經(jīng)海氣界面進(jìn)入海洋的凈通量為13mg·m-2·d-1(韓舞鷹 等,1994)。

在南海碳源匯研究方面, 前期研究總體認(rèn)為南海是大氣二氧化碳的碳匯, 但后來(lái)的研究大多認(rèn)為南海是大氣二氧化碳的弱源, 南海北部的珠江口及其鄰近海域由于初級(jí)生產(chǎn)力較高, 可吸收大氣CO2,體現(xiàn)為大氣的較強(qiáng)碳匯。而隨著離岸距離不斷增加,南海外陸架海域在“高溫-寡營(yíng)養(yǎng)”的影響下轉(zhuǎn)而成為大氣CO2的源(焦念志 等, 2018)。從總體而言, 夏季南海北部海域是大氣 CO2的一個(gè)顯著的源, 如在臺(tái)灣海峽南部海域海水向大氣釋放CO2的通量以碳計(jì)為 5.28～37.11mg·m-2·d-1, 其釋放通量在不同的時(shí)間和空間上也有差異。2002 年7 月10 日的調(diào)查結(jié)果顯示, 臺(tái)灣海峽南部海水向大氣釋放CO2通量以碳計(jì)為5.28～16.58mg·m-2·d-1。如將南海分為受珠江沖淡水影響的北部陸架、南海北部陸坡及海盆、南海中南部海盆和呂宋海峽西側(cè)海域四個(gè)區(qū)域,可以發(fā)現(xiàn), 北部陸架海域PCO2較低且季節(jié)變化不明顯(320～390μatm), 南海北部陸坡和海盆區(qū)則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)性變化特征, 即呈現(xiàn)氣溫高時(shí)表層海水PCO2高, 氣溫低時(shí)表層海水PCO2低, 南海中南部海盆區(qū)域海水全年P(guān)CO2相對(duì)較高(360～425μatm), 而在呂宋海峽西側(cè)海域, 冬季在渦旋/上升流偶發(fā)事件的影響下海水向大氣凈釋放CO2, 四個(gè)區(qū)域面積加權(quán)后其CO2平均通量以碳計(jì)為13.21± 20.42mg·m-2·a-1,每年釋放(1.80±2.76)×1013gC 的CO2, 如外推至除北部灣和泰國(guó)灣外的整個(gè)南海海域, 釋放通量則為(3.36±5.13)×1014gC·a-1(劉茜 等, 2018)。這些數(shù)據(jù)表明, 南海碳源匯性質(zhì)和強(qiáng)度具有明顯的區(qū)域性和時(shí)間變化性, 陸架邊緣海特征十分明顯。許多研究者還對(duì)碳循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了剖析, 譬如發(fā)現(xiàn)南海熱帶氣旋發(fā)生前后, 底層富含CO2的水體上涌, 對(duì)南海從碳匯轉(zhuǎn)而變成碳源有重要影響; 碳通量的大小與季風(fēng)強(qiáng)弱有關(guān), 外源輸入的碳僅占初級(jí)生產(chǎn)碳的1.4%～1.6%; 硝酸鹽濃度較高的水域, 碳生產(chǎn)的輸出較低, 輸出碳的生產(chǎn)與初級(jí)生產(chǎn)呈正相關(guān)關(guān)系。

對(duì)多年調(diào)查結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析, 可以發(fā)現(xiàn)南海海盆是大氣CO2的弱源區(qū), 海洋向大氣釋放的碳通量以碳計(jì)為25.22±3.60mg·m-2·d-1, 南海北部陸架海域是碳匯區(qū), 海水吸收大氣的碳以碳計(jì)為-26.42±42.04mg·m-2·d-1, 南?？傮w上每年向大氣釋放的碳約為(1.33±1.88)×1012g(圖2)。南海海盆和北部陸架分別為大洋主控型的邊緣海和河流輸入主控型陸架海, 分別接受大洋和河流輸入的外源無(wú)機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽, 經(jīng)由一系列動(dòng)力過(guò)程進(jìn)入真光層后被生物消耗, 浮游生物對(duì)無(wú)機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽利用差異以及它們來(lái)源/除去途徑的不同最終決定了CO2的源匯格局。在南海海盆, 海水無(wú)機(jī)碳相對(duì)過(guò)剩, 部分以CO2形式向大氣釋放, 即為源; 而在南海北部陸架,無(wú)機(jī)碳相對(duì)缺乏, 海水需從大氣補(bǔ)充CO2, 即為匯(戴民漢 等, 2020)。

綜上所述, 由于南海區(qū)域性差異太大, 在不同時(shí)間和不同區(qū)域, 碳源匯的性質(zhì)和強(qiáng)度會(huì)有巨大的差異(Song, 2010), 現(xiàn)有的結(jié)論也是基于有限調(diào)查數(shù)據(jù)的擴(kuò)展評(píng)估。深層次了解南海的碳源匯特征, 揭示南海碳循環(huán)的控制過(guò)程還有大量的工作要做。

圖2 南海海氣界面碳通量(戴民漢 等, 2020)Fig. 2 CO2 fluxes across the water-air interface in the South China Sea. After Dai et al (2020)

3 南海北部的珠江口鄰近海域和深海盆的生態(tài)環(huán)境特征與化學(xué)物質(zhì)循環(huán)和陸架邊緣海、珊瑚礁等密切相關(guān), 但又與陸架邊緣海、珊瑚礁等顯著不同, 珠江口底層海水明顯低氧, 珠江口海域是一個(gè)以低氧為特征生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)

從1980 年代至今, 調(diào)查表明, 珠江口海水存在持久性缺氧區(qū), 即一年四季持續(xù)低氧, 但低氧強(qiáng)度的季節(jié)性變化很明顯。2000—2001 年的調(diào)查結(jié)果表明, 水質(zhì)惡化導(dǎo)致珠江口下游出現(xiàn)明顯的季節(jié)性低氧現(xiàn)象, 其中河口下游至香港外側(cè)區(qū)域低氧最為嚴(yán)重, 缺氧主要出現(xiàn)在6 月至9 月, 而長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示珠江口下游水體低氧正在逐年加劇(圖3), 其底層水溶解氧(dissolved oxygen, DO)每年每升約下降0.06mg, 在虎門到廣州后航道存在嚴(yán)重的表層低氧區(qū), DO 最低達(dá)0.48mg·L-1以下, 其生物群落明顯受到低氧影響。

圖3 珠江口(22°9'12.7″N, 3°57 '43.6″E, 深度21m)O2飽和度的變化(Qian et al, 2018)Fig. 3 Temporal variation of bottom-water dissolved oxygen saturation (22°9'12.7″N, 3°57 '43.6″E, 21 m depth).After Qian et al (2018)

2011 年春季, 珠江口上游出現(xiàn)顯著低氧區(qū), 范圍從東莞江入海口往北至東江干流入?？? 多數(shù)站位海水中DO 含量低于 3.5mg·L-1, 且表、底層水體中溶解氧含量相差不大, 表層低氧面積略大于底層。這些結(jié)果表明此時(shí)該區(qū)域水體垂向混合充分, 層化不明顯, 對(duì)低氧形成的影響不大, 因此徑流排放的有機(jī)污染物降解耗氧可能是低氧形成的主要原因, 而沿著徑流方向, 有機(jī)污染物受到海水的稀釋作用而逐漸降低, 耗氧能力隨之降低, DO含量則在海水帶來(lái)的新鮮氧氣輸入和化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)降低的雙重作用下而逐漸升高(李秀芹 等, 2014)。也有研究認(rèn)為, 在珠江口伶仃洋特別是萬(wàn)山群島附近海域, 由溫鹽差造成的水體層化是夏季底層DO 偏低的主要原因(葉豐 等, 2012)。以珠江口為代表的南海北部海域水體生態(tài)環(huán)境與陸架生態(tài)系統(tǒng)有相似之處, 生態(tài)環(huán)境參數(shù)明顯受控于陸地物質(zhì)輸入、上升流混合、近岸海洋工程與海域利用(包括海水養(yǎng)殖等)等因素影響(龍愛(ài)民 等, 2006), 同時(shí)這些因素又與珠江口特異的地形地貌相耦合, 影響了珠江口海域低氧的形成及規(guī)模。

研究表明, 大量有機(jī)物和銨的輸入是造成珠江口鄰近海域強(qiáng)烈局部缺氧的重要誘因, 但就綜合而言, 近海低氧形成的根本原因正如作者一直認(rèn)為的是由于海洋區(qū)域地形地貌的“凹槽”、“凹溝”或“被水坡”的“靜水作用”所致, 這種特殊的地形地貌使水體交換受到阻礙, 水體分層, 有機(jī)物沉降分解以及陸源污染物輸入等, 加重了在這種區(qū)域水體缺氧的程度或范圍(宋金明, 1997, 2004; 宋金明等, 2020)。正如珠江口海域的灘多、槽(水道)多、島嶼多, 內(nèi)伶仃洋水下地形呈現(xiàn)三灘(西灘、中灘和東灘)兩槽(西槽和東槽), 許多小地貌類型如槽溝、沙波、洼地和淺灘等在多處出現(xiàn), 該區(qū)域位于礬石水道以北最大的洼地, 面積約為4.34km2, 有的洼地很小, 面積僅有0.05km2, 珠江水下地形變化大。伶仃洋地形地貌 “三灘二槽”的演變可分為兩大階段的5 個(gè)演變時(shí)期, 包括自然沖淤階段的2 個(gè)時(shí)期:(1)形成期, 至1936 年, 中槽淤淺成為現(xiàn)在的中灘,初步形成“三灘二槽”的格局; (2)穩(wěn)定期, 西灘不斷淤積, 深槽不斷加深, 至1984 年, 顯著的“三灘二槽”形成并穩(wěn)定存在, 總體呈現(xiàn)“西淤東沖”地貌變化趨勢(shì)。人為活動(dòng)干擾階段的3 個(gè)時(shí)期: (3)中灘淤積加劇期, 1984—1997 年期間, 由于上游采沙導(dǎo)致分流比變化, 中灘淤積加劇; (4)中灘蝕淤過(guò)渡期,1997—2004 年期間, 泥沙來(lái)源大幅減少, 中灘由淤積狀態(tài)變?yōu)橛袥_有淤的不穩(wěn)定狀態(tài); (5)中灘沖刷加劇期, 2004 年至今, 西部口門及水道則為沖刷地貌,伶仃航道和東槽因海砂開(kāi)采和疏浚, 顯著下蝕(李團(tuán)結(jié), 2017)。

由此可以推知, 珠江口海域的低氧盡管一直存在, 但其分布的范圍、強(qiáng)度等在不同季節(jié)、年代是不同的(Qian et al, 2018)。

深入的過(guò)程研究對(duì)揭示南海北部生態(tài)環(huán)境變化機(jī)制至關(guān)重要(Song, 2010)。有機(jī)質(zhì)降解和硝化作用是造成溶解氧含量下降的重要過(guò)程, 而穩(wěn)定碳、氮同位素可用于評(píng)估其對(duì)溶解氧消耗的相對(duì)貢獻(xiàn)。相關(guān)研究結(jié)果顯示, 陸地和海洋來(lái)源的有機(jī)碳均是水體有氧呼吸的主要碳源, 分別可占呼吸耗氧的38%～60%和40%～62%; 銨鹽的硝化作用是導(dǎo)致溶解氧降低的另一重要過(guò)程, 根據(jù)銨鹽濃度、氮同位素及實(shí)際耗氧過(guò)程的化學(xué)計(jì)量比, 可以估算出硝化作用在夏季珠江口上游和中游分別貢獻(xiàn)34%～64%和17%～32%的溶解氧消耗, 而冬季硝化作用對(duì)上游溶解氧消耗的貢獻(xiàn)可達(dá) 60%(葉豐 等,2019)。

南海海盆在800～1000m 出現(xiàn)溶解氧極低值層(oxygen minimum zone, OMZ), 在1000m 以深DO 又隨深度的增大而略微升高。南沙深海盆具有明顯的深海大洋特征, 又與高生產(chǎn)力的珊瑚礁生態(tài)系密切關(guān)聯(lián), 上層水體生態(tài)環(huán)境與南海北部陸架區(qū)域相似,呈現(xiàn)次表層的“躍層生態(tài)系”特征, 下層水具有明顯的大洋屬性, 且下層水溶解氧含量較高(宋金明,2004)。

4 南沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)快速, 生物過(guò)程控制著化學(xué)物質(zhì)的垂直轉(zhuǎn)移, 提出了維持珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)高生產(chǎn)力的新機(jī)制-“擬流網(wǎng)理論”

在中國(guó)陸架邊緣海中, 南海具有渤海、黃海和東海所沒(méi)有的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng), 這是南海海洋科學(xué)研究中難得的探索領(lǐng)域。近40 年來(lái), 研究者在南沙珊瑚礁系統(tǒng)生物海洋學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造與沉積等領(lǐng)域發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文和著作, 在我國(guó)海洋科學(xué)研究進(jìn)程中占有重要一席。南沙珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)地處相對(duì)寡營(yíng)養(yǎng)的熱帶海域, 但其生產(chǎn)力卻很高, 如同熱帶海洋荒漠中的點(diǎn)片狀綠洲。我國(guó)海洋科學(xué)工作者聚焦這一領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 發(fā)現(xiàn)和提出了一些新的論點(diǎn)。

早期的研究認(rèn)為, 珊瑚礁是一個(gè)典型的自養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng), 毋需同外圍進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換, 但后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn), 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)可向外圍貧瘠海域輸送少量營(yíng)養(yǎng)鹽。因此, 從物質(zhì)守恒和維持珊瑚礁生產(chǎn)力的角度看, 珊瑚礁內(nèi)必定有外源的營(yíng)養(yǎng)鹽輸入(宋金明, 1999a)。隨著對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)研究的不斷深入, 科學(xué)家們從不同的學(xué)科角度提出了維持珊瑚礁營(yíng)養(yǎng)鹽供給與高生產(chǎn)力的4 種主要假說(shuō)和模型。具體假說(shuō)和模型如下。

1) 珊瑚礁內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)鹽高效循環(huán)模型, 認(rèn)為珊瑚礁內(nèi)的珊瑚和石灰藻類等生產(chǎn)者對(duì)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境高度適應(yīng), 憑借內(nèi)部環(huán)境中(礁體和鄰近沉積環(huán)境)保守而高效的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán), 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)可維持較高的總生產(chǎn)力, 但其凈生產(chǎn)力卻很低;

2) 珊瑚礁邊緣上升流與地?zé)?內(nèi)上升流模型,珊瑚礁及其沉積環(huán)境明顯受海洋和大氣物理過(guò)程控制, 海流受礁緣地形限制而產(chǎn)生的上升流可能是珊瑚礁營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來(lái)源;

3) 珊瑚礁水動(dòng)力與停留時(shí)間模型, 認(rèn)為水流速度能夠促進(jìn)生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)海水流速的加大與珊瑚礁內(nèi)生物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的量成正比,證實(shí)珊瑚礁內(nèi)的生物可通過(guò)潟湖內(nèi)、外海水的運(yùn)動(dòng)可以補(bǔ)充相當(dāng)量的營(yíng)養(yǎng)組分;

4) 珊瑚礁內(nèi)外動(dòng)力作用下的擬流網(wǎng)模型,認(rèn)為熱帶海洋中的珊瑚礁如同流網(wǎng), 其中相對(duì)固著的生物可以高效地富集、利用寡營(yíng)養(yǎng)海流中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 再加上珊瑚潟湖內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)鹽可快速、高效地循環(huán), 共同維持了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的高生產(chǎn)力。

據(jù)擬流網(wǎng)模型, 營(yíng)養(yǎng)鹽的原位再生多發(fā)生于珊瑚上部間隙水中和沉積物底部, 珊瑚礁特有的高孔隙率(20%～35%)、高滲透性特征為細(xì)菌降解、有機(jī)質(zhì)礦化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再生提供了一個(gè)巨大的流動(dòng)的水庫(kù), 大的礁洞中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易被水流帶走,而大量的小孔隙則為控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失發(fā)揮了巨大的作用, 固著的珊瑚礁體像流網(wǎng)一樣有效地從不斷流動(dòng)的海水中汲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 而且吸收量隨海水流速的增加而增加, 在寡營(yíng)養(yǎng)水體中起到了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)“富集器”的作用(宋金明, 1999a, 2004;Song, 2010)。同時(shí), 當(dāng)相對(duì)固著的生物富集了寡營(yíng)養(yǎng)海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后, 其旺盛的生命活動(dòng)和潟湖內(nèi)的特殊環(huán)境使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速再生, 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)速度可達(dá)外海的幾十倍至數(shù)百倍, 這對(duì)維持珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的高生產(chǎn)力至關(guān)重要(宋金明, 1999b, 2004)。在南沙渚碧礁的潟湖內(nèi), 兩個(gè)站位產(chǎn)生的顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon,POC)分別有93.55%和95.83%在水體中即被礦化分解, 沉降至沉積物中的POC 很少, 其中生物捕食和細(xì)菌腐解作用可將99%左右的生物碎屑POC轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)碳, 重新進(jìn)入循環(huán); 潟湖內(nèi)顆?？偟?particulate total nitrogen, PTN)和顆粒有機(jī)氮(particulate organic nitrogen, PON)釋放率分別超過(guò) 90% 和 86%, 顆 粒 總 磷(particulate total phosphorus, PTP)釋放率為58.7%、85.2%, 顆粒有機(jī)磷(particulate organic phosphorus, POP)的釋放率在90%以上(宋金明, 2004)。

對(duì)南沙珊瑚礁系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽利用的研究表明, 珊瑚的蟲(chóng)黃藻可“奢侈消費(fèi)營(yíng)養(yǎng)鹽”, 即當(dāng)大量營(yíng)養(yǎng)鹽在短期內(nèi)輸入到珊瑚礁區(qū)時(shí), 以珊瑚及藻類為主的珊瑚礁生物可以快速地過(guò)量吸收營(yíng)養(yǎng)鹽, 從而迅速降低海水營(yíng)養(yǎng)鹽水平。這不僅可避免珊瑚礁長(zhǎng)期處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài), 也在客觀上固定了寶貴的營(yíng)養(yǎng)源。這種營(yíng)養(yǎng)鹽調(diào)節(jié)機(jī)制很像沙漠中駱駝可一次性補(bǔ)充大量水, 而后可維持多天的無(wú)水補(bǔ)充狀態(tài)。珊瑚礁的這種“奢侈消費(fèi)營(yíng)養(yǎng)鹽”的機(jī)制對(duì)維持珊瑚礁的正常運(yùn)轉(zhuǎn)很重要(趙衛(wèi)東 等, 2001)。這就是我國(guó)研究者提出的“擬流網(wǎng)理論”(宋金明, 1999a, b; 2004;Song, 2010)的核心——“潟湖內(nèi)快速循環(huán)—奢侈消費(fèi)營(yíng)養(yǎng)鹽”。換言之, 盡管珊瑚礁外的海水寡營(yíng)養(yǎng),但隨海水流動(dòng), 寡量的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入固著的珊瑚礁就如同水流中的魚(yú)蝦進(jìn)入流網(wǎng), 被固著的蟲(chóng)黃藻等奢侈吸收下來(lái); 營(yíng)養(yǎng)鹽繼而在珊瑚礁內(nèi)進(jìn)行快速循環(huán),維持珊瑚礁的高生產(chǎn)力。

綜合的研究表明, 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)過(guò)程并不唯一, 其控制因素與珊瑚礁的發(fā)育環(huán)境有關(guān)。珊瑚礁形成的地質(zhì)構(gòu)造是其前提, 物理因素(如溫度、鹽度、波浪、光照、潮位和大氣過(guò)程等)是關(guān)鍵的制約性因素。珊瑚礁在周圍寡營(yíng)養(yǎng)的海水環(huán)境中發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)鹽, 主要靠珊瑚礁自身發(fā)展的多種營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)維持, 這些調(diào)節(jié)機(jī)制與珊瑚礁生長(zhǎng)的物理環(huán)境協(xié)同作用, 維持了其強(qiáng)大的生產(chǎn)力和豐富的生物多樣性。但在諸多因素中,哪些因素起主導(dǎo)作用, 不同區(qū)域的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)可能都不相同。

5 對(duì)南海沉積物化學(xué)的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn), 沉積物-水體化學(xué)物質(zhì)循環(huán)存在密切的耦合作用; 南海珊瑚礁或沉積巖心化學(xué)物質(zhì)分布變化可反演其歷史變化, 南海冰期表層海水古生產(chǎn)力高, 約為間冰期的1.6倍, 晚中新世南海南部發(fā)生了一次“生物勃發(fā)事件”, 其生產(chǎn)力主要受季風(fēng)和陸源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入量影響, 東北季風(fēng)與西南季風(fēng)在不同區(qū)域其影響程度不同

古海洋研究可了解過(guò)去海洋的變化, 更為重要的是可為預(yù)測(cè)未來(lái)變化奠定基礎(chǔ)(Song et al, 2020)。自2000 年以來(lái), 南海的古環(huán)境變化研究有諸多的進(jìn)展。

沉積物研究是探究南海古環(huán)境演變的基礎(chǔ), 南海表層沉積物有9 種類型, 呈條帶狀分布, 與等深線分布基本一致, 沉積物的類型與沉積物化學(xué)組成有十分密切的關(guān)系, 在南海北部陸架區(qū), 其表層沉積物由現(xiàn)代沉積、再造沉積、殘留沉積和少量的殘余沉積組成, 南部陸架區(qū)地處熱帶, 生物繁茂, 珊瑚礁發(fā)育良好, 生物沉積較為普遍, 半深海-深海區(qū)生物碎屑含量高。研究發(fā)現(xiàn), 1989—2004 年間南海北部陸架海域水體溶解無(wú)機(jī)氮含量明顯上升, 增幅為每年每升0.38～0.81μmol, 顯著高于同期無(wú)機(jī)磷的增量, 水體氮磷比從10 增加至16 左右(Ning et al,2009)。這些近岸水體的高氮隨動(dòng)力輸運(yùn)至開(kāi)闊海域,對(duì)南海深部產(chǎn)生影響, 如在南沙深海盆海域, 沉積物的埋葬效率只有0.63%, 因此表層沉積物幾乎全部的氮均可參與再循環(huán), 沉積物氮與葉綠素和初級(jí)生產(chǎn)力分布呈一定的正相關(guān), 由陸源輸入及N2的固定提供的氮均很低, 但由沉積物提供的氮源對(duì)新生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)為46%, 很大程度上補(bǔ)償了浮游植物對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗, 對(duì)維持該海域的初級(jí)生產(chǎn)起到重要作用(鄭國(guó)俠 等, 2006)。

在歷史不同時(shí)期, 南海的不同區(qū)域均表明其古生產(chǎn)力有巨大變化, 即冰期較高, 間冰期較低。在對(duì)南 沙 南 部 海 域 重 力 柱 狀 樣 No.17962 (7°11′N,112°5′E)的研究中, 該處近30 萬(wàn)年來(lái)的末次冰期和全新世的輸出生產(chǎn)力比較分析結(jié)果表明, 冰期古生產(chǎn)力明顯更高, 約為全新世的 1.6 倍(房殿勇 等,1998) 。 南 海 南 北 陸 坡 兩 個(gè) 站 位(06°09′30″N,112°12′48″E; 20°07′N, 117°23′E)的柱狀樣中底棲有孔蟲(chóng)研究表明, 南海近4 萬(wàn)年來(lái), 末次冰期南海冬季風(fēng)增強(qiáng), 在南部陸坡產(chǎn)生上升流, 加上低海平面時(shí)陸源營(yíng)養(yǎng)物輸入增加, 使得該海區(qū)的表層古生產(chǎn)力急劇增大; 末次盛冰期結(jié)束后, 南海冬季風(fēng)明顯減弱, 夏季風(fēng)增強(qiáng), 并于全新世早期約10000a BP達(dá)到最強(qiáng), 這不僅可能在北部陸坡產(chǎn)生上升流, 而且其大量的夏季風(fēng)降雨導(dǎo)致河流輸入的營(yíng)養(yǎng)物增多,使南海北部的表層古生產(chǎn)力顯著提高(翦知湣 等,1999)。

南海南部 ODP1143 站12Ma 以來(lái)的表層生產(chǎn)力變化研究表明, 在 12.3—5.7Ma 期間, 表層生產(chǎn)力較高, 之后開(kāi)始降低; 在 5.7—0.7Ma 期間, 表層生產(chǎn)力降到最低; 自0.7Ma 以來(lái), 表層生產(chǎn)力又明顯升高。晚中新世生物生產(chǎn)力的分析證實(shí), 印度洋-太平洋的“生物勃發(fā)事件”在南海同樣發(fā)生過(guò)。南海南部的晚中新世“生物勃發(fā)事件”可能是由于較強(qiáng)的上升流導(dǎo)致了較高的生物生產(chǎn)力, 使得該站位的蛋白石堆積速率、碳酸鹽堆積速率和總堆積速率都表現(xiàn)出較高的水平(李建如 等, 2002)。

6 南?；瘜W(xué)海洋學(xué)研究展望

近40 年的南海化學(xué)海洋學(xué)研究對(duì)南海及其鄰近環(huán)境的化學(xué)組成、分布變化、控制因素和過(guò)程解析有了比較系統(tǒng)的了解。但由于南海既有陸架邊緣海的性質(zhì), 也有深海大洋特征, 如陸架邊緣特別是南海北部受到大河流的輸入影響, 南部南沙海域又有大量珊瑚礁分布, 因此南海生態(tài)環(huán)境異常復(fù)雜,許多海洋學(xué)過(guò)程尚不清楚, 如南海動(dòng)力過(guò)程和邊緣陸地影響究竟對(duì)其生態(tài)環(huán)境的控制分別有多重要？南海與鄰近太平洋的相互作用的過(guò)程究竟有何變化規(guī)律？南海資源環(huán)境利用對(duì)其生態(tài)環(huán)境的影響過(guò)程如何？等等, 了解這些復(fù)雜的過(guò)程需要多種有效的化學(xué)海洋學(xué)手段, 從這個(gè)角度來(lái)說(shuō), 南海的化學(xué)海洋研究還任重而道遠(yuǎn)。

近年來(lái), 健康海洋作為海洋資源環(huán)境可持續(xù)利用, 支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ), 得到了前所未有的重視。對(duì)南海而言, 探明南海海岸帶以及近海生態(tài)環(huán)境演變的過(guò)程與規(guī)律, 預(yù)測(cè)其發(fā)生的變化對(duì)健康海洋至關(guān)重要。需重點(diǎn)開(kāi)展的研究包括: 南海特別是南海北部環(huán)境污染管控與水環(huán)境安全; 南海資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)與預(yù)測(cè); 南海健康海洋過(guò)程研究與評(píng)估體系構(gòu)建; 南海生態(tài)系統(tǒng)、生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)全球變化的響應(yīng)及可持續(xù)發(fā)展; 南海陸地-近海-大洋-大氣耦合系統(tǒng)的運(yùn)作與發(fā)展趨勢(shì)以及南海海岸帶/近海的藍(lán)碳潛力及其對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化的響應(yīng)等。