（海洋化学专业论文）南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素.pdf

南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 摘要 近年来，随着一些大型国际项目的兴起( j g o f s 、s o l a s 等) ，海洋有机碳 循环研究逐渐成为人们研究的热点，而陆架边缘海的碳循环在这一研究中占有相 当重要的地位。本文从海水中的总有机碳在整个南黄海4 个季节的含量、变化入 手，利用2 0 0 6 - 2 0 0 7 年4 个季节进行的大面调查所得结果，对不同季节南黄海 总有机碳的含量、分布特征及其影响因素进行研究，主要结论如下： ( 1 ) 春季南黄海北部t o c 含量高于南部，其分布特征是高值区一般位于近岸海 域，南部长江口及中部外海t o c 含量较低；西部近岸和南部浅海区，t o c 在各水层的平面分布趋势相似，中部海域t o c 表层与底层的分布有一定的 差异；在垂直方向上，t o c 量值随深度的变化不明显，主要有4 种典型的 分布类型。 近岸t o c 高值可能是由沿岸流输运或是生物活动生产造成的，底层t o c 的低值则主要受黄海暖流变性水的冲淡稀释影响。 ( 2 ) 夏季t o c 分布南北差异比较明显，北部t o c 含量高，且由近岸向外海浓 度递减，而南部海域t o c 含量较低，且由近岸向外海1 o c 浓度递增。高值 区出现在北部近岸，而苏北近岸、长江口以北海域及中部的深层水均出现较 大范围的t o c 低值区。此外，其在垂直方向的分布出现明显的分层现象， t o c 高值区一般出现在表层或是1 0m 层，温跃层以下( 2 0m ) 水体中的 t o c 含量较低 西部近岸t o c 的表层分布的趋势与该海域逆时针的黄海环流走向十分 相似，说明南黄海西部环流是影响近岸t o c 表层分布趋势的主要因素。此 外，通过相关分析，发现环流影响海域水体中1 o c 的含量仅与悬浮物呈显 著负相关，与其他参数相关性不大。 苏北沿岸水、长江冲淡水及黄海冷水团对影响区域t o c 的含量均起到稀 释作用。通过相关性分析，发现长江冲淡水中t o c 含量随着悬浮物的增多 而减少，尽管与叶绿素a 的相关性不明显但随着水体中营养盐的消耗，t o c 含量也有所增加。而黄海冷水团中t o c 主要与盐度和叶绿素a 关系密切， ： 浮游植物生产释放使水体中t o c 增加，高盐的外海水对冷水团内t o c 的含 量起到一定的稀释作用。 ( 3 ) 秋季调查海域t o c 的南北差异也比较明显，北部海域t o c 质量浓度值较 低，近岸和外海没有明显的差异；南部海域t o c 含量较高，高值区出现在 江苏的南部长江口附近海域，最高值可达1 3 8 m g l ，比全区的平均值1 9 9 m g l 高出1 个数量值。在垂直方向上，各断面t o c 的分布各有特点，表现 为4 种不同的分布类型；在量值方面，底层最高，表层和1 0 m 层次之，3 0 m 层最小。 南部t o c 高值区主要是由沉积物表层有机碳再悬浮造成的，高值区底层 t o c 含量要明显高于其它水层也说明了这一结论。此外，随着长江冲淡水 的南缩，水体透明度增大，生物活动生产对该海域t o c 含量也有一定的贡 献。 ( 4 ) 冬季北部海域t o c 的含量仍较低，近岸和外海没有明显的差别；而南部 t o c 质量浓度均值较高；t o c 高值区出现在苏北浅滩外侧，低值区则出现 在中南部海域；由于水体混合均匀，各水层t o c 的平面分布趋势基本一致； 在垂直方向上，各断面t o c 的分布不尽相同，t o c 在各水层含量相当，随 深度的变化不明显。 ( 5 ) 南黄海t o c 的季节变化为：t o c 质量浓度均值秋季最高，冬季最低，具 体表现为：秋季 夏季 春季 冬季；春季和夏季北部海域t o c 含量较高， 且高值区出现在西部近岸，而南部海域t o c 含量较低，低值区出现在苏北 近岸及长江口北部海域，而秋季和冬季北部海域t o c 含量反而低，南部t o c 值较高；在影响因素方面，各季节t o c 的分布均受到水团活动的影响，夏 冬两季尤为明显； 关键词：南黄海；有机碳；影响因素；季节变化 dis t rib u tio na n dv a ria tio no fo r g a nicc a r b o na n dit s in f m e r ein gf a c t o r sins o u t hy el lo wseiu ea c t o r so u t h eo a n t in gill a b s t r a c t w i t ht h el a u n c ho fas e r i e so f l a r g ei n t e r n a t i o n a lp r o j e c t ss u c ha sj g o f s a n ds o l m a r i n eo r g a n i cc a r b o nc y c l i n gr e c e i v e sc o n s i d e r a t ea t t e n t i o n ，i np a r t i c u l a r , c a r b o n c y c l i n gi nc o n t i n e n t a lm a r g i ns e a t h et h e s i sl o o k e da tt o t a lo r g a n i cc a r b o nf f o c ) c o n c e n t r a t i o n sa n dt h e i rs e a s o n a lv a r i a t i o nt h r o u g h o u tt h ew h o l es o u t hy e l l o ws e a , b a s e do nt h ef o u r - s e a s o ni n v e s t i g a t i o nf r o m2 0 0 6t o2 0 0 7 t o cc o n c e n t r a t i o n s ， d i s t r i b u t i o na n dt h e i ri n 丑u e n d n gf a c t o r si ns o u t hy e l l o ws e aw e r ea n a l y z e d m a j o r c o n c l u s i o n sa r ci t e m i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i ns p r i n g ，t o cc o n c e n t r a t i o nc o l l e c t e di nn o r t h e r np a r tw a sh i g h e rt h a nt h a ti n s o u t h e m p a r t h i g hv a l u ea r e a sw e r ef o u n do f f s h o r ew h i l et o c c o n c e n t r a t i o n si n s o u t hc h a n g j i a n ge s t u a r ya n dm i d d l eo p e ns e aw e r er e l a t i v e l yl o w h o r i z o n t a l d i s t r i b u t i o no ft o ch a ds i m i l a rp a t t e r n si nw e s t e r no f f s h o r ea n ds o u t h e ms h a l l o w s e a , b u ti nm i d d l es e aa r e a , t o ci nt h es u r f a c el a y e rd i s t r i b u t e dw i t hd i f f e r e n c e f r o mt h o s ei nb o t t o ml a y e r i nv e r t i c a ld i r e c t i o n , t o cc o n c e n t r a t i o n sd i dn o tv a r y m u c ha st h ed e p t h ，a l t h o u g ht h e r es e e m e dt ob ef o u rt y p i c a ld i s t r i b u t i o np a t t e r n s ； t h er e a s o no fh i g ho f f s h o r et o cv a l u e sc o u l db ed u et ot h el o n g s h o r e t r a n s p o r t a t i o no rb i o l o g i c a lp r o d u c t i o n , a n dv e r yl i k e l yt h el o wv a l u e so ft o c i n b o t t o ml a y e rw e r et h er e s u l to fd i l u t i o nf r o mm o d i f i e dw a t e ri ny e l l o ws e aw a r m c u r r e n t ( 2 ) i ns u m m e r , t o cd i s t r i b u t i o nh a ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c ef r o ms o u t ht on o r t h et o cc o n c e n t r a t i o n si nn o r t h e r na r e aw e r eh i g ha n dd e c r e a s e ds h a r p l yf r o m o f f s h o r et oo p e ns e a , w h i l et h et o ci ns o u t hw e r er e l a t i v e l yl o wa n di n c r e a s e d f r o mo f f s h o r et oo p e ns e a h i g hv a l u ea r e a sw e r ef o u n di nn o r t h e r no f f s h o r e ，o n t h eo t h e rh a n d , n o r t h e r nj i a n g s uo f f s h o r ea r e a , n o r t h e r nc n a n g i i a n ge s t u a r ya n d c e n t r a ls o u t hy e l l o ws e ah a dl a r g e s c a l el o wv a l u e si nt h e i rb o t t o ml a y e r s i n a d d i t i o n ，t o cp r e s e n t e ds i g n i f i c a n ts t r a t i f i c a t i o n , a sh i g ht o cv a l u e sw e r e u s u a l l yi ns u r f a c el a y e ro rt h e1 0md e p t hl a y e rw h i l et o cc o n c e n t r a t i o n sb e l o w m t h e r m o c l i n e ( 2 0 md e p t h ) w e r el o w w i t h i nw e s t e r no f f s h o r ea r e a , t o cd i s t r i b u t i o n p a u e r n i ns u r f a c e l a y e r r e s e m b l e da n t i c l o c k w i s ec i r c u l a t i o np a r e r ni ny e l l o ws e a , w h i c hi n d i c a t e dt h a t w e s t e r nc r c u l a t i o ni ns o u t hy e l l o ws e aw a st h em a j o rr e a s o nf o rt h et o c d i s t r i b u t i o ni no f f s h o r es u r f a c el a y e r i na d d i t i o n , t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e i m p a c to fc i r c u l a t i o n t ot o cc o n c e n t r a t i o n si ns e aw a t e ro n l yh a dn e g a t i v e r e l e v a n c et os u s p e n d e dp a r t i c l e s ，a n dh a dl i t t l ec o n n e c t i o nt oo t h e rp a r a m e t e r s n o r t h e r nj i a n g s uo f f s h o r ec u r r e n t s ，c h a n g j i a n gd i l u t e dw a t e ra n dc o l dw a t e r m a s sf r o my e l l o ws e ah a dd i l u t i o ne f f e c t st ot o cc o n c e n t r a t i o n si nt h ea r e a i t w a sf o u n do u tt h a tt o cc o n c e n t r a t i o n si nc h a n g i i a n gd i l u t e dw a t e rd e c r e a s e da s t h ei n c r e a s eo fs u s p e n d e dp a r t i c l e s , a n da l t h o u g ht h ec o r r e l a t i o nt oc h l o r o p h y l la ( c h l 呕) w a sn o ts i g n i f i c a n t , t o cc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s e d 谢t hc o n s u m p t i o no f n u t r i e n t si ns e aw a t e r i ny e l l o ws e ac o l dw a t e rm a s s ，t o ch a dc l o s er e l a t i o nt o s a l i n i t ya n dc l d - a ，p r i m a r yp r o d u c t i o n f r o mp h y t o p l a n k t o ni n c r e a s e dt h et o c i n ! s e aw a t e r , w h i l eh i i g h s a l i n i t yw a t e ri no p e n ah a dd i l u t i o ne f f e c t st ot o c c o n c e n t r a t i o n si nc o l dw a t e rm a s s ( 3 ) i na u t u m n , s o u t h e r na n dn o r t h e r na r e a sh a dl a r g ed i f f e r e n c ei nt o c ，i e ，t o c c o n c e n t r a t i o n si nn o r t hw e r el o w e r 、) l r i t hn ov a r i a t i o nf r o mo f f s h o r et oo p e ns e a , w h i l et h ec o n c e n t r a t i o n si ns o u t hw e r er e l a t i v e l yh i g h t h eh i g hv a l u ea r e a sw e r e f o u n di ns o u t h e r nc h a n g j i a n ge s t u a r yo i a n g s u ) ，w i t ht h eh i g h e s tv a l u eo f 1 3 8 m g 几w h i c hw a so n eo r d e rh i g h e rt h a nt h ea v e r a g ev a l u e ( 1 9 9 m g n 。) v e r t i c a l l y , t o cc o n c e n t r a t i o n sv a r i e dl a r g e l ya m o n gv a r i o u ss e c t i o n s ，谢t hf o u r d i f f e r e n ts c e n a r i o s i nt e r m so fa v e r a g ev a l u e s ，t o cc o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s e d a c c o r d i n g l yf r o mb u t t o nl a y e rt o1 0 md e p t hl a y e r , s u r f a c el a y e r , w h i l et h e3 0 m d e p t hl a y e rh e l dt h es m a l l e s tv a l u e 磁g ht o ca r e a sf r o ms o u t h e r np a r ts e e m e dt ob ed u et or c - s u s p e n s i o nf r o m t h es e d i m e n t a t i o ns u r f a c e ，w h i c hi sc o n s i s t e n tt ot h eo b s e r v a t i o nt h a tt o c c o n c e n t r a t i o n sf r o mb u t t o nl a y e rw e r em u c hh i g h e rt h a no t h e rl a y e r s ha d d i t i o n , a st h ec h a n g i i a n gd i l u t e dw a t e rs h i f t e ds o u t ha n dt h ew a t e rt r a n s p a r e n c yg o t i n c r e a s e d , b i o l o g i c a lp r o d u c t i o nc o n t r i b u t e dal o tt ot h et o c c o n c e n t r a t i o ni nt h e s e aa r e a ( 4 ) i nw i n t e r , t o cc o n c e n t r a t i o n si nn o r t hr e m a i n e dl o ww i t hl i t t l ed i f f e r e n c ef r o m o f f s h o r et oo p e ns e a ，h o w e v e r , i nt h es o u t h ，t o cc o n c e n t r a t i o n sw e r eh i g h h i 曲 v a l u ea r e a sf o rt o cw e r ef o u n di no f f s h o r en o r t h e r nj i a n g s ut i d a lf l a tw h i l et h e l o wv a l u ea r e a sw e r ei nt h ec e n t r a la n ds o u t hs i d e s i n c ew a t e ri nt h ea r e aw e r e h o m o g e n e o u s l ym i x e d ，t o cc o n c e n t r a t i o n so nv a r i o u sw a t e rl a y e r sp r e s e n t e d a l m o s ti d e n t i c a lp a t t e r n s i nv e r t i c a ld i r e c t i o n , t o ch o r i z o n t a lp a t t e r nf r o m d i f f e r e n ts e c t i o n sv a r i e d l a r g e l ya l t h o u g ht h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n s o fm o s t l a y e r sh a ds i m i l a rv a l u e s ( 5 ) s e a s o n a lv a r i a t i o no ft o ci ns o u t hy e l l o ws e a ：t o cc o n c e n t r a t i o n sh a dt h e h i g h e s tv a l u e si na u t u m na n dt h el o w e s ti nw i n t e r i ns p r i n ga n ds u m m e r , n o r t h e ms e aa r e ah a dh i g h e rt o cc o n c e n t r a t i o n 、析t ht h eh i g hc o n c e n t r a t i o na r e a i nw e s t e mo f f s h o r ew h i l et h et o cw e r el o w e ri nt h es o u 也w i t hl o wc o n c e n t r a t i o n a r e ai nn o r t h e r no f f s h o r ej i a n g s ua n dn o r t h e r nc h a n g i i a n ge s t u a r y h o w e v e r , d u r i n ga u t u m na n dw i n t e rt i m e ，n o r t h e r ns e aa r e ap r e s e n t e do p p o s i t es c e n a r i o s w h i l et h es o u t hh a dt h eh i g h e rt o c i nt e r m so fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t o c d i s t r i b u t i o nw e r es t r o n g l ya f f e c t e db ym a s sw a t e rm o v e m e n ti na l ls e a s o n s a l t h o u g ht h ee f f e c t ss e e m e dt om o r es i g n i f i c a n ti ns u m m e r a n dw i n t e r k e y w o r d s ：s o u t hy e l l o ws e a ；o r g a n i cc a r b o n ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ；s e a s o n a l v a r i a t i o n v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼；堑逡查基丝重要挂 别座盟趁：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位诠文作者签名：谢淋荤签字日期：矽哮年多月协日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：；射讳砖平 签字日期：如略年6 月j 日 导师签字 签字日期：年月 日 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 0 前言 人类大规模观测海洋中碳的历史可以追溯到上世纪七八十年代( f e e l ye ta 1 ， 2 0 0 1 ) 。随着国际j g o f s 计划的完成，我们对大洋碳循环生物地球化学过程( 碳 的源汇格局、海洋生物泵等) 有了比较明确的认识，但对近海碳的生物地球化 学过程还是不清楚。近十几年来，我国科学家对中国近海的有机碳循环及其生物 地球化学过程进行了研究，在海洋生物泵作用过程、海水中溶解一胶体一颗粒有 机物的形成与分解过程等方面，取得了长足的进步，但研究大多都集中在东海和 南海，对南黄海有机碳的研究不多，且系统性不强，对整个南黄海总有机碳的季 节变化的研究就更不多了。 为此，本文通过2 0 0 6 年8 月 2 0 0 7 年1 0 月对南黄海进行4 个航次的调查， 对不同季节南黄海t o c 的含量、分布趋势进行分析，并结合同航次的水文和生 物数据对各个季节影响南黄海t o c 分布的因素进行探讨，此项工作为研究南黄 海有机碳的生物地球化学过程，提供了一定的科学依据。 由于学术水平所限，本文在该领域的研究尚存在一定的不完善之处，仅是对 各个季节南黄海t o c 的分布趋势及其影响因素进行初步的探讨，在水文及生物 对水体中t o c 含量影响的定量估计方面还有待于进一步研究。在此，真诚的希 望各位专家、老师及同学们对本文提出宝贵意见。 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 1 文献综述 人类大规模观测海洋中碳的历史可以追溯到上世纪七八十年代( f e e l y e t a l ， 2 0 0 1 ) 。近年来，国际大型研究计划的兴起，特别是i g b p 的核心计划j g o f s ， g l o b e c ，s o l a s 等的实施，使我们对海洋碳循环的生物地球化学过程有了一个 从未有的系统认识，特别是在海洋吸收大气二氧化碳机理和海洋生物泵过程上有 了定量的认识和了解( 孙云明等，2 0 0 2 ) 。 1 1 海洋中碳的存在形式 碳是主要的生源要素，更是生命活动能流物流中最重要的元素，几乎参与所 有的生物地球化学循环过程。海洋中各种形态的碳主要来源于陆源输入( 河流、 沙尘暴等) 、大气沉降( 降水、海一气界面交换等) 和海洋生物自身生产；颗粒 有机碳( p o c ) 、溶解有机碳( d o c ) 和溶解无机碳( d i c ) 是碳在海洋中存在 的三种最主要的形态( e a t h e r a ue ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 海洋中的总有机碳( t o c ) 包括d o c 、p o c 和挥发性有机碳( v o c ) ，v o c 因含量低，易挥发，未找到统一可靠的取样、分离、保存等方法，因而未得到广 泛深入的研究。相比之下，前两者得到普遍关注，判断这两部分的依据为能否通 过一定孔径的微孔滤膜。在操作上：将通过一定孔径玻璃纤维滤膜( o 7 p a n ) 或 银滤器( o 4 5 9 i n ) 的海水中所含有机物中碳的数量定义为d o c ，将不能通过滤 膜的颗粒物中碳的数量定义为p o c ( 张正斌等，2 0 0 4 ) 。据估计，地球上溶解有 机碳库与陆地土壤碳库大小相当，甚至有可能大于陆地土壤碳库( c o m m i t t e e0 1 1 g l o b a lc h a n g e ，1 9 8 8 ) 。腐殖质和棕黄酸是构成d o c 的主要物质，占d o c 总量 的5 0 7 5 ，胶体态物质占d o c 总量的2 0 ( h o p ee ta 1 ，1 9 9 4 ) 。p o c 可以进 一步细分为粗颗粒有机物质( c o a r s ep a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r , c p o m ) 、细颗粒有 机物质( f i n ep a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r , f p o m ) 和极细颗粒有机物质( v e r yf i n e p a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r , v p o m ) ( h o p e e ta l ，1 9 9 4 ) ，自然及各种形态碳的粒径 范围如图l l 所示。 海一气系统中超过9 8 的碳以d i c 形式存在于海洋中( z e e b ea n d w o l f - g l a d r o w , 2 0 0 1 ) 。h c 0 3 、c 0 3 2 。、c 0 2 和h 2 c 0 3 是组成海洋中d i c 的 2 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 主要成分，其中约有9 0 ( 物质的量份数，下同) 的d i c 以h c 0 3 的形式存 在；剩下的d i c 中超过9 以c 0 3 2 的形式存在，仅有不到1 以c 0 2 和 h 2 c 0 3 的形式存在( c o m m i t t e eo i lg l o b a lc h a n g e ，1 9 8 8 ) 。 0 4 5 岬界 从，氨基酸( m a i ma e i d s ) 1c l i o ，碾水化合物( c a f b o h y d r 如s ) c l a o k l ，租颗粒有机物质； 、e 虬脂肪酸( 丘啦ya e i d s hf p 0 m 细颗粒有机物质； i a 亲水酸( h y d r o p h i l i ca e i d s h 准 i - i c ，碳氢化含物( h y d r o c a r b o n s ) lv p o m ，极细颗救有机物质 图1 1 自然界水体中颗粒态、溶解态有机碳及碳化合物的粒径范围 ( h o p ee ta 1 ，1 9 9 4 ) 1 2 海洋有机碳各形式之间的相互转换 海洋中各种有机碳之间的相互转换是通过物理泵、生物泵的相互作用完成 的，我们把海一气界面的气体交换过程和将c 0 2 从海洋表面向深海输送的物理 过程称为物理泵，把浮游生物通过光合作用吸收碳并通过一系列生物学过程将碳 由表层向深层转移的过程称为生物泵。物理泵的工作效率取决于海洋的热盐环流 及洋流的纬度和季节变化。在物理泵的作用下，大气c 0 2 被高纬度地区的海水 吸收并被输送到赤道。海洋生物泵根据生物的不同作用可进一步分为有机碳泵和 碳酸盐泵( r i e b e s e l le ta 1 ，2 0 0 1 ) 。自养浮游生物通过光合作用吸收太阳能，以水、 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 c 0 2 ( 包括氮、磷等营养盐类) 为原料，把无机碳转化为有机碳，为海洋生态系 统提供了能量。因此，自养生物是海洋有机生物泵的发动机。海洋自养生物通过 光合作用所生成的部分有机碳在上层海洋内循环；另一部分通过食物关系以颗粒 态形式沉积到海底，这部分有机碳中只有小部分被最终埋藏在海底沉积物中，大 部分被矿化，增加了深海d i c 的浓度，最终进入物理泵的运作中。这一过程就 是人们通常说的有机碳泵。钙化浮游生物所产生的碳酸钙或其他营养级较高的海 洋动物碳酸钙质残骸被输送到深海进而被埋藏的过程就是所谓的碳酸钙泵。图 1 2 为f a s h a m 甜a 1 ( 2 0 0 1 ) 给出了的生物泵示意图( 未包括碳酸钙泵) 大气 ji 瓣气界面交换 海洋表面 f i 混合墙出i 溶解无机碳 j a 央带 攫 、f 气 一纠小型浮游植物当，1 犬型浮游植物 厶 、口 、 层 、7 菌 h 小型浮游动物1 判大型浮游动物 ， 颗粒有机碳溶解有机碳 温跃层i 为f 降 yy 中 溶解有机碳 k ，。一 颗粒有机碳 卜 面胪f 。 层 细菌l 冉埽化 。仙。 t 艄眦 混 j 遇坩 i 。 醒。l ii 必馆 一l 溶艄! 无机碳 1 f 沉积物1 底栖生物 1 图i - 2 海洋生物泵( 引自f a s h a me ta 1 ，2 0 0 1 ) 1 3 陆架边缘海的碳循环 大洋碳循环研究经过近1 2 年的国际j g o f s 计划，其基本碳源汇格局、大洋 4 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 的生物泵过程等有了比较明确的结果，但陆架边缘海由于具有比大洋更为丰富的 内涵( 较强的上升流、较高的生产力、淡水季节性大量输入等) ，所以探明近海 碳循环过程是海洋科学家们面临的更难解更具有挑战性的研究课题。 在地质学上，陆架边缘海是指水深小于2 0 0m 的大陆架部分，据不同的估 计，其表面积约为整个海洋表面积7 1 0 ( v e x e ta l ，1 9 9 9 ；d eh a s se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 陆架边缘海是陆地与大洋的连接带，水深较浅，水动力过程复杂，受人类活动的 影响及河流径流输入的影响较大，营养盐丰富，初级生产力高，全球1 4 - - 3 0 净初级生产力发生在这一区域( t h o m a s ，2 0 0 4 ) 。此外，其对陆地输入海洋中 的物资有过滤和捕集的作用，至少8 0 的陆源物质在此沉积( m a n t o u r ae ta 1 ， 1 9 9 1 ；m i l l i m a na n ds y v i t s k i ，1 9 9 4 ) 。 我国有广阔的陆架边缘海，东部的渤海、黄海、东海和南部的南海总面积达 4 7 0 万平方公里，是研究近海碳循环的理想海域，但我国的陆架边缘海生态系统 碳循环研究相对薄弱，自1 9 8 9 年开展的以陆架海洋通量为主体的中国j g o f s 科 学计划以来，经过海洋科技工作者十多年的努力，对我国近海碳循环的一些关键 环节进行了研究，获得了一些认识。( 戴民汉等，2 0 0 4 ) 。i ， ( 1 ) ：对中国陆架边缘海的碳源汇强度有了初步的估算结果 海洋碳源汇是动态变化的，即同一海域碳的源汇的方向及强度宏观上会 随海况、气象要素、海洋生态环境等的季节变化而变化，这种变化通常呈周 期性，有一定的规律。目前，由于观察手段等的限制，所获得的海洋碳源汇 具有相当不确定性。例如根据观测资料和模式估计获得的目前全球海洋每年 吸收大气c 0 2 的量可能存在高达一3 2 - - - 4 0 的误差，而获得的局部海洋这 一值的误差可能更高( f e e l ye ta l ，2 0 0 1 ) 。 目前对中国近海碳源汇强度的研究主要集中在渤海、黄海和东海，南海 的结果很少( 表1 1 ) 。对渤黄东海而言，绝大部分结果表明在全年平均皆为 大气c 0 2 的汇，然而南海情况不同。最近3 年的研究发现，除了受珠江冲淡 水影响的部分区域可能因为浮游植物生长而成为大气c 0 2 的季节性的汇入以 外，南海北部在春、夏、秋季几乎总是向大气释放c 0 2 ，而珠江口上游虎门 附近水域c 0 2 过饱和度甚至高达1 0 ，而且终年存在( 戴民汉等，2 0 0 4 ) 。 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 表1 1 中国近海碳源汇格局 海区碳汇强度( 万吨)文献 渤海2 8 4胡敦欣等，2 0 0 1 黄海 6 0 0 - - 12 0 0k i m 鲥a l ，1 9 9 9 8 9 6 宋金明等，2 0 0 4 东海 一4 3 0 胡敦欣等，2 0 0 1 8 4 0 宋金明等，2 0 0 4 13 0 0 3 0 0 0 w a n g 酎a l ，2 0 0 0 ( 2 ) 对中国近海碳参与的某些零散过程有了一些认识，如溶解颗粒碳的转 化、表层沉积物的再悬浮与碳的垂直转移的关系等。 我国近海水体中含有丰富的有机碳，这些丰富的有机碳是海洋生物泵过程的 基础。东海陆架水体中，有机碳中的d o c 占8 7 5 ，p o c 占1 1 ( 宋金明，1 9 9 7 ) ， 研究表明东海陆架水中的碳主要来源于海一气界面c 0 2 交换，然后通过浮游植 物的光合作用和浮游动物的次级生产将溶解无机碳转化为d o c 和p o c ( 宋金 明，1 9 9 7 ) 。东海陆架物质的垂直通量随海域的水深不同有明显的差别。碳在东 海陆架垂直转移主要依赖于p o c ，在表层水体中占总碳垂直转移的9 8 以上， 在底层占6 8 以上( 宋金明，1 9 9 7 ) 。p o c 的垂直分布与水体中的总悬浮颗粒物 浓度、陆源沉积物供给和海洋生物作用密切相关( 赵继胜等，2 0 0 3 ) 。 1 4 南黄海有机碳的研究 一般认为，海洋浮游植物光合作用、生物代谢、细菌活动等都对海水中的 t o c 产生一定的影响，但研究表明某些近岸海域有机碳的分布主要受陆源输入 和水文结构影响( c a r l s o ne ta 1 ，1 9 9 4 ；t a n o u ee ta 1 ，1 9 9 2 ；p e l t z e re ta 1 ，1 9 9 2 ) ， 有学者对我国东海和南黄海的有机碳进行了研究，也得出了相似的结论( 贺志鹏 等，2 0 0 6 ；z h a n g e ta 1 ，1 9 9 7 ) ，因而，了解南黄海的地形地貌和水文结构是必 要的。 6 南黄海有机碳的分布、变化特征及真影响因素 1 4 1 南黄海地形特征 黄海作为一个半封闭陆架浅海，水更新周期较长，陆海相互作用强烈，其海 底地形的突出特点是，水深为6 0 9 0m 的黄海槽从海区的东南大致沿1 2 4 0 3 0 e 经线向北伸展( 图1 3 ) 。槽的西侧是较广阔的平坦浅水地形；而东侧等深线较 密集，地形坡度较大。特殊的地形和它所处的特殊地理位置，使该海域的水文状 况较复杂，具有较明显的季节特征。通常把山东半岛东端成山角与朝鲜半岛长山 串连线，把黄海分为北黄海和南黄海( 宋金明等，1 9 9 7 ) 。南黄海相对于北黄海 来说生态环境有其特殊性，自2 0 世纪6 0 年代开始，南黄海两岸中韩工农业和经 济都有迅速发展，对南黄海生态和环境产生了重大影响北上的黄海暖流，南下 的沿岸流，季节性的黄海冷水团，也使得南黄海的生态环境复杂多样，因而对南 黄海碳的生物地球化学研究具有重要的意义( 郑国侠等，2 0 0 6 ) 。 图1 3 黄海海底地形( 郭炳火等，2 0 0 4 ) 7 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 1 4 2 南黄海水文特征 1916 年h e l l a n d h a n s e n 首创温盐图解( t e m p e r a t u r e - s a l i n i t yd i a g r a m ) ，开创了 水团分析的先河。近年来，由于统计学的发展，聚类分析、模糊分析等一系列新 概念、新方法在水团分析中广泛应用，使得水团分析更加精确，电子计算机和相 关软件的发展使得水团分析更加准确、迅速。许多学者利用不同的分析手段，对 南黄海的水团进行了划分。如邹娥梅等利用t s 图解法( 邹娥梅等，1 9 9 6 ) ，张 启龙等( 张启龙等，1 9 9 6 ) 运用对应分析法分别对南黄海春季水团进行了分析， 汤毓祥等利用逐步聚类法也对南黄海的水团进行了划分( 汤毓祥等，1 9 9 9 ) 。综 合文献报道，南黄海主要的水团有沿岸流( 鲁北沿岸流、苏北沿岸流、朝鲜沿岸 流) 、黄海冷水团、黄海暖流、长江冲淡水和黄海混合水等。 图1 4 中国近海的季节性环流路径( a 冬季；b 夏季) ( 苏纪兰，2 0 0 1 ) 南黄海有机碳的分布、变化特征及其影响因素 ( 1 ) 沿岸流 该水团主要分布在黄海沿岸区，主要是由入海径流与海水混合形成的混合水， 以低盐为主要特征。冬季在偏北冷风的控制下，在黄海西侧，低温、低盐水绕过 成山头顺鲁南沿岸和苏北沿岸南下，大致沿海洲湾外海4 0 - , 5 0m 等深线的走向南 下，而在3 3 0 - 3 2 0 n 间流向东南，其前锋可达3 0 0 n 附近，形成盐度小于3 2 0 的沿 岸混合水( 汤毓祥等，1 9 9 9 ) 。入春后，由于沿岸水温的增高，并不断地与周围 海水混合使其不断变性，而演变成为黄海混合水。至夏季，整个南黄海中部表层 几乎被大片的黄海混合水所覆盖，在调查区内仍可见到零星的苏北沿岸水。入秋 以后，长江冲淡水主流逐渐转向南，长江口与济州岛连线的锋面已形成，苏北沿 岸水向西退缩，只局限在邻近长江口东北的一狭小区域内，同