极端干旱导致长江口及其邻近东海地区颗粒有机碳（POC）显著减少，进而影响了表观氧利用率（AOU）

《Marine Pollution Bulletin》：Extreme drought-induced significant reduction of particulate organic carbon (POC) and its impact on apparent oxygen utilization (AOU) in the Changjiang Estuary and adjacent East China Sea

全球气候变化加剧极端天气事件，研究长江口2022年干旱对颗粒有机碳（POC）输入、转化及生态响应的影响。结果显示：POC最大浓度（878.3 μg·L?1）较正常年（2021）下降一个数量级，净初级生产力（NCP）降至138–151 mg C·m?2·d?1（占正常年37%–41%），近岸POC输入减少63%，水动力变化导致浑浊锋面与盐水锋面位置偏移及上涌强度减弱，但底层缺氧仍发生，δ13C分析表明海洋POC矿化是缺氧主因，混合模型显示干旱加剧夏季分层，导致底层缺氧。

　　

宁晓宇|金海燕|季中强|李德旺|王鹏斌|王斌|杨志|陈玲|罗颖|陈家琴|孙倩文|曾江宁|陈建芳

上海交通大学海洋学院，上海，200230，中国

摘要

全球气候变化增加了极端气候事件的频率，使得河口系统中营养物动态、有机碳循环和氧气消耗之间的相互作用变得更加复杂。然而，干旱对颗粒有机碳（POC）输入、转化及其相关生态系统响应的影响仍知之甚少。本研究通过多指标地球化学调查，研究了2022年干旱对长江口（CE）POC来源、分布和生态效应的影响。结果显示，最大POC浓度（878.3 μg?L^?1）比正常年份（2021年，5161.7 μg?L^?1）低一个数量级，净群落生产力（NCP）下降到138–151 mg C?m^?2?d^?1，仅占正常年份的37%–41%。干旱使POC输入减少了约63%，并改变了浊度和盐度锋面的位置以及上升流强度，从而重塑了不同来源POC的空间分布。尽管POC输入大幅减少，但在干旱年份仍出现了底部缺氧（溶解氧<2 mg?L^?1）现象。统计分析表明，原位产生的海洋POC对水柱中氧气消耗的贡献大于陆源POC。混合模型结果进一步表明，干旱年份低氧大陆架底层水的入侵加剧了CE的低氧背景，在强烈的夏季分层条件下，POC分解产生的氧气消耗有限，从而引发了缺氧。我们的发现有助于深入理解干旱对河口水中POC循环和氧气消耗的影响，对沿海环境管理具有启示意义。

引言

河口及其相邻的大陆边缘海域占海洋总面积的10%–20%，贡献了10%–30%的初级生产力以及大约90%的海洋有机碳（OC）埋藏（Hedges和Keil，1995；Laruelle等人，2013；Premuzic等人，1982）。这些地区受到陆源输入的强烈影响，是陆海相互作用的关键热点。目前估计，全球河流每年向海洋输送约0.23 Pg的溶解有机碳（DOC）和0.20 Pg的颗粒有机碳（POC），占从陆地输送到海洋的有机碳总量的约80%（Bianchi，2011；Huang等人，2012）。POC在碳循环中起着关键作用，因为它将表层初级生产力与沉积物碳埋藏联系起来（Kharbush等人，2020；Zhao等人，2024）。此外，水柱中POC的再矿化是溶解氧（DO）消耗的主要驱动力，可能导致河口水域出现缺氧（DO<2 mg?L^?1）（Wang等人，2017；Wei等人，2022；Zhu等人，2011）。因此，了解河口系统中POC的来源、组成、行为和预算对于河口环境管理和进一步表征全球碳循环模式至关重要（Gao等人，2014；Kharbush等人，2020）。

河口中的POC主要来源于降解的陆源POC和由浮游植物产生的新鲜海洋来源POC（Gao等人，2014；Wang等人，2004），可以通过δ¹³C特征进行区分（Kwon等人，2026；Zhang等人，2007）。陆源径流是控制河流物质输入的主要因素，决定了近岸POC池的组成（Bauer等人，2013；Cavalcante等人，2021）。在这种情况下，气候变化和降水量变化被认为在不同时间尺度上对全球河流物质输送和碳供应有显著影响。例如，洪水事件可以显著增加河流POC的输送，在短时间内可占到年输送量的45%（Sun等人，2007）。相反，干旱事件会大幅减少河流POC的输送，据报道Jaguaribe河口的有机碳减少了高达50%（Cavalcante等人，2021）。此外，陆源径流还会影响近岸的中尺度现象，如锋面的位置和形态（Yankovsky和Chapman，1997）以及上升流的强度（Chen等人，2019），从而影响河流河口及其相邻海域中POC的分布（Li等人，2021；Zhao和Gao，2019）。

陆地和沿海地区极易受到与气候相关的极端事件的影响（Song等人，2023）。然而，以往的研究主要集中在台风（Chen等人，2013；Hung等人，2010；Wang等人，2017）或洪水事件（Sun等人，2021，Sun等人，2023）的影响上，由于直接观测数据有限，极端干旱对海洋碳循环的影响研究较少。这些知识空白在估算陆源碳通量方面带来了很大的不确定性，从而限制了我们对气候驱动的干旱事件在全球碳循环和近岸生态系统中的作用的理解。因此，需要进一步研究以阐明极端干旱对河流河口及其相邻海域中POC循环及其潜在生态后果的影响。

长江（CR，又称扬子江）是世界最大的河流之一，发源于青藏高原，全长超过6300公里，流域面积达1.8 × 10⁶平方公里。据统计，每年通过长江输送到河口的POC通量约为5.5–13百万吨（Li等人，2015），夏季（6月至8月）是POC输送的高峰期（约72%，Wang等人，2012）。此外，夏季也是长江口（CE）频繁发生缺氧的季节，这是由于POC输入增加（Zhu等人，2011）和水体分层加剧（Miao等人，2023；Zhang等人，2025）所致。根据中国气象局（CMA，2022）的数据，2022年夏季长江流域（CB）经历了自1961年以来最严重的干旱。7月至8月的平均降水量比历史平均水平低了50%（Liu等人，2023；Ma等人，2022）。截至8月25日，干旱影响区域达到峰值时，7月15日至8月25日的累计降水量比1961–2021年的平均水平减少了50%–80%（Ma等人，2022）。位于河口上游约624公里处的长江大同水文站的径流量也减少了约52%（CWRC，2026a）。此外，这次干旱期间还记录到了前所未有的36.1天极端高温（日最高温度≥35°C）（Duan等人，2024）。最近的一项研究表明，由于海表温度（SST）异常和浮游植物生长吸收CO₂能力的下降，2022年下半年东海（ECS）的CO₂吸收减少了17%（Yu等人，2024）。根据气象干旱指数和GRACE/GRACE-FO卫星观测数据，2022年的干旱导致长江流域（CB）的水量亏缺约为158 ± 22立方公里（约为三峡大坝容量的4倍），是自GRACE发射以来观测到的最严重和最广泛的干旱事件之一（Duan等人，2024）。这一事件为研究极端干旱条件下的河口POC循环过程及其生态响应提供了宝贵的机会。

在这项研究中，我们调查了极端干旱对长江口（CE）中POC来源、分布及其相关生态效应的影响。样本采集于2022年8月和2021年8月。我们整合这些数据以揭示：（1）干旱年份陆源输入减少对POC的变化及其响应；（2）POC在水柱中氧气消耗中的作用，为干旱条件下缺氧的发展提供了新的见解。

研究区域

研究区域

东海（ECS）是西北太平洋最大的边缘海域，以广阔的浅层大陆架为特征，平均深度小于130米，宽度超过500公里。它受到长江（CR）的强烈影响，长江的年平均径流量为9 × 10¹¹立方米/年，沉积物输送量为4.9 × 10⁸吨/年，在全球范围内分别排名第三和第四（Liu等人，2007）。来自西部的低盐度、温暖且富含营养的淡水流入是影响东海的主要因素

干旱的水文特征

2021年的年降水量（1152.8毫米）与长期平均值（1104.3毫米）相似（图2a）。同样，大同站测量的年径流量（964.6 × 10⁸立方米）和沉积物输送量（1.0 × 10⁸吨）也接近其长期平均值（分别为879.4 × 10⁸立方米和1.1 × 10⁸吨）（图2b，c），表明这是一个正常的水文年份。2022年是干旱年份，整个流域的降水量降至969.6毫米，随之水和沉积物输送量也有所下降

极端干旱条件下河口POC供应的减少

通过δ¹³C-POC分析，我们量化了各站点的POC来源组成（图S3）。陆源POC主要由长江提供，TSM是其主要载体，这通过它们之间的显著正相关关系得到证实（r² = 0.76，p < 0.01）。因此，干旱年份河流径流的减少导致输送到CE的陆源POC大幅减少（约71%）。

相比之下，海洋来源的POC主要由浮游植物生产提供。

结论

本研究揭示了极端干旱事件期间长江口中不同来源POC的分布和生态效应，揭示了这一罕见事件的独特特征，并探讨了干旱引起的环境强迫与POC动态之间的内在机制。我们提出，在极端干旱条件下，陆源营养输入的减少导致光合带的初级生产力仅减少了34%–45%

作者贡献声明

宁晓宇：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，调查，概念构思。金海燕：写作——审稿与编辑，监督，资金获取。季中强：写作——审稿与编辑。李德旺：写作——审稿与编辑，调查，资金获取。王鹏斌：写作——审稿与编辑。王斌：写作——审稿与编辑，方法学。杨志：方法学。陈玲：写作——审稿与编辑，调查。罗颖：写作——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢Runjiang I号考察队的所有成员在两次考察期间提供的帮助。同时感谢第二海洋研究所的同事们提供的数据：Miao Yanyi和Zhang Yixing提供了溶解氧数据，Jiang Zhibing提供了透明度和叶绿素-a数据，Zhou Feng和Ma Xiao提供了CTD数据。本研究得到了中国浙江省自然科学基金（项目编号LD24D060001）和浙江省第二科学院科研基金的支持