（环境科学专业论文）北冰洋温室气体源与汇及上海北极航线温室气体浓度变化.pdf

中国科学技术塞学学位论文原创性声明 本人声瞬所是突的攀位论文；是率a 在导鄹指导下进行研究五撵所3 妖得的成 果。除已特躺加以标注藕致落的地穷外，论文中不包禽任棒他人已缓笈袭或撰写 过的研究溅粱。簿我一剿王作鹩闯志瓣拳研究搿擞的霓献均已在论文中锋了明确 蔚说明。 作者签名：薹l 磊。 签字日麓：型王墨。翊：兰圈 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为孛请学拉的条糌之一一，学位论文磐 = 二权拥有者授权申同辩学技术犬学拥 宥举位论文的郝分艇用掇，即：学竣有权按有关规定向恩家宥蓑部门线帆构遴交 论文的复印件和f 毡子版，允许论文被燕勰和倦陵，可以将学位论文编入中毽学 挝论文金文数挺痒笛有关数据麾进行梭索，珂以采籍澎印、缎郅或扫摘簿复甾 手段保存、汇躺学位论文。本人提交触电予文档的内容穗纸质论变的内容相一致。 “保密辩学镌论文在解密后也遵守韭笔觌定。 幺簿 口探密( 年) 作糕名：篮盔一 签字圜i 1 3 ：巍鲤萼蛳邋 导j j 雨签名； 签字露翔= - 星芝控：荔。兰 摘要 摘要 近年来，全球气候变化引起了越来越多的关注。温室气体，作为影响气候变 化的一个重要因素，其相关研究尤其是有关其源汇、区域乃至全球平衡的研究也 受到了非常广泛的关注。北极地区海冰的迅速消融不仅是对气候变化的响应，也 会影响全球碳循环，并对气候系统产生反馈作用。在2 0 1 0 年夏季第四次中国北 极科学考察期间，用真空瓶采气和密闭箱法分别对航线上大气中三种主要温室气 体( 甲烷、二氧化碳和氧化亚氮) 的浓度变化情况以及北冰洋中心海域这三种温 室气体的排放吸收情况进行了初步探讨。 在对北冰洋中心海域温室气体通量的研究中，通过比较海冰表面和冰下海水 的通量差异，发现海冰对三种温室气体的作用各不相同。北极海冰在甲烷的循环 中具有双重作用：一是阻碍海水中甲烷向大气排放，二是消耗大气中的甲烷。北 冰洋中心海域冰下海水的甲烷排放通量可以达到0 5 6m g m - 2 d - 1 ，远高于中低纬 度其他海域的排放水平，表明该海域储存了大量甲烷。长期的海冰覆盖对海气交 换过程的阻碍作用使得海冰覆盖下的北极中心海域成为一个良好的甲烷储库，这 很可能是该海域海水中能够储存大量甲烷的原因。海冰表面负的甲烷通量表明海 冰中存在消耗甲烷的过程，该过程很可能同海冰中的微生物氧化作用有关。因此， 北极海冰的不断融化会在增强海水甲烷排放的同时减少海冰对大气甲烷的消耗， 从而可能对大气甲烷浓度乃至气候系统产生重大影响。 对二氧化碳的通量分析发现海冰在二氧化碳的海水一海冰一大气交换过程中 的作用十分复杂，海冰对二氧化碳的吸收排放状态受多种因素影响。研究期间， 在冰下海水中观测到了二氧化碳的排放，说明北冰洋中心海域并不是一个绝对的 潜在二氧化碳汇，部分海域至少在一定时期内有成为潜在二氧化碳源的可能。海 冰对氧化亚氮的影响相对较小，可能是在长期海冰覆盖条件下氧化亚氮的产生和 消耗过程都受到了抑制。 本文也对上海一北极航线的大气中上述三种温室气体的浓度变化进行了观 测，其中甲烷的大气浓度在不同海域的差异最大：自令海和巴罗陆坡大气甲烷浓 度偏高，属于甲烷源区；而楚科奇海和加拿大海盆甲烷含量较低，属于甲烷汇区。 白令海、楚科奇海和加拿大海盆的大气二氧化碳浓度均较全球平均值低，属于二 氧化碳汇区，二氧化碳浓度受到风速和浪高的显著影响：巴罗陆坡处大气中较高 的二氧化碳可能同海冰消长过程有关。白令海峡入口处大气二氧化碳和甲烷浓度 自西向东减小，反映了不同来源海水性质的差异对大气温室气体浓度的影响。西 侧富营养的阿纳德尔水促进微生物活动，有利于甲烷的生产，而贫营养的阿拉斯 t 摘要 加沿岸水限制了微生物的活动，因而产生甲烷较少。二氧化碳浓度的经向变化可 能是由海水盐度变化导致二氧化碳溶解差异所造成的。氧化亚氮的分布较为均 匀，其变化同温度有显著的相关性。而上海附近的大气中二氧化碳和氧化亚氮浓 度均较高，反映了人类活动对大气温室气体浓度的影响。 关键词：北冰洋温室气体海冰第四次中国北极科学考察甲烷二氧化碳 氧化亚氮 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y g l o b a lc l i m a t ec h a n g eh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n r e s e a r c h e so ng r e e n h o u s eg a s e s ，o n eo fi m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tc l i m a t ec h a n g e ， h a v ea l s or e c e i v e daw i d es p r e a da a e n t i o n ，s u c ha ss o u r c e sa n ds i n k so ft h e m ， r e g i o n a la n dg l o b a lb u d g e to ft h e m s e ai c er a p i d l ym e l t i n gi na r c t i ci sn o to n l ya r e s p o n s et oc l i m a t ec h a n g e ，b u ta l s oa f f e c t sg l o b a lc a r b o nc y c l e sa n dc l i m a t es y s t e m s i nr e t u r n i nt h es u m m e ro f 2 010 ，d u r i n gt h ef o u r t hc h i n aa r c t i cr e s e a r c he x p e d i t i o n ， c h a n g e so ft h r e em a i ng r e e n h o u s eg a s e s ( m e t h a n e ，c a r b o nd i o x i d e , n i t r o u so x i d e ) a l o n gt h er o u t ea n dt h ea b s o r b i n g e m i s s i o no ft h e mi nt h ec e n t r a la r c t i co c e a nw e r e s t u d i e d ，b yv a c u u mv i a ls a m p l i n ga n dc l o s e dc h a m b e rm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y i nt h er e s e a r c ho nf l u x e so ft h eg r e e n h o u s eg a s e si nt h ec e n t r a la r c t i co c e a n ，i ti s f o u n dt h a ts e ai c em a d ed i f f e r e n ti m p a c t so nt h e s e t h r e eg r e e n h o u s eg a s e s ，b y c o m p a r i n gt h ef l u x e so nt h es e ai c ew i t ht h o s eo nt h eu n d e r - i c ew a t e r w es h o wt h a t s e ai c ei nt h ea r c t i co c e a np l a y sd o u b l ei m p o r t a n tr o l e so nt h eb u d g e to fm e t h a n e ： o n ei ss h i e l d i n gt h ee m i s s i o no f m e t h a n ef r o mt h eo c e a n ，a n dt h eo t h e ri sc o n s u m p t i o n o fm e t h a n ei na t m o s p h e r e t h em e t h a n ef l u xf r o mu n d e r - i c ew a t e rw a s0 5 6 m g 。m - 2 d - 1 i n a v e r a g e ，r e l a t i v e l yh i g h e rt h a n t h a t i no t h e ro c e a n s ，i n d i c a t i n g c o n s i d e r a b l em e t h a n ep o t e n t i a l l ys t o r i n gi nt h i sr e g i o nu n d e rs e ai c e d u et ol o n gt e r m s e ai c ec o v e rs h i e l d i n gt h ep r o c e s so f g a se x c h a n g eb e t w e e no c e a na n da t m o s p h e r e ， c e n t r a la r c t i co c e a nc o u l db e c o m eag o o dr e s e r v o i ro fm e t h a n e ，w h i c hm a y b et h e m o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o rs om u c hm e t h a n es t o r e di nt h i sa r e a t h e n e g a t i v ef l u x e so n s e a l e es u g g e s tt h a tt h e r ew e r em e t h a n e - c o n s u m i n gp r o c e s s e sw h i c hw e r ep o s s i b l y a s s o c i a t e dw i t hm i c r o o r g a n i s mo x i d a t i o ni ns e ai c e t h e r e f o r e ，o n g o i n g s e ai c e m e l t i n gc a ni n c r e a s et h em e t h a n ee m i s s i o nf r o ms e aw a t e ra n dd e c r e a s et h em e t l l a n e c o n s u m p t i o no fs e ai c e ，a n dt h e nm a k eas i g n i f i c a n te f f e c to na t m o s p h e r i cg r e e n h o u s e g a sc o n c e n t r a t i o n sa n de v e nc l i m a t es y s t e m s f r o m a n a l y s i so nf l u x e so f c a r b o nd i o x i d e ，w ef o u n dt h a ts e ai c ep l a y sac o m p l e x r o l eo nt h e s e a - i c e a t m o s p h e r ee x c h a n g ep r o c e s so fc a r b o nd i o x i d e t h e a b s o r b i n g e m i s s i o ns t a t u so fs e ai c ei sa f f e c t e db ym a n y f a c t o r s d u r i n gi n v e s t i g a t i o n ， e m i s s i o no fc a r b o nd i o x i d ef r o mu n d e r - i c ew a t e rh a db e e no b s e r v e d ，w m c hi n d i c a t e d t h a tt h ec e n t r a la r c t i co c e a nm a yb en o ta na b s o l u t ep o t e n t i a ls i n ko f c a r b o nd i o x i d e a n di ti sp o s s i b l et h a ts o m ea r e ab e c o m et oap o t e n t i a ls o u r c ed u r i n gs o m ep e r i o da t t t t l e a s t s e ai c em a d el i t t l ei m p a c t so nt h ec y c l eo fn i t r o u so x i d e ，a n di t i sl i k e l vt h a t b o t hp r o d u c t i o na n dc o n s u m i n go fn i t r o u so x i d ew e r ew e a k e n e du n d e r t h el o n g - t e n i l s e ai c ec o v e r i nt h i sp a p e r , c h a n g e so fc o n c e n t r a t i o n so ft h et h r e eg r e e n h o u s e g a s e s 、) l ，；r ea l s o d e s c r i b e da l o n gt h er o u t eo f s h a n g h a i a r c t i c t h ev a r i a t i o no fn l e t l l a n ec o n c e n 睦a t i o n s a b o v ed i f f e r e n ts e a sw a s l a r g e s t ：m e t h a n ec o n c e n t r a t i o n si na t m o s p h e r eo ft h eb e n i l g s e aa n dt h eb a r r o ws l o p ew e r e r e l a t i v e l yh i g h ，w h i c hb e l o n g e dt om e t h a n es o h i e e s ： a n dt h o s eo ft h ec h u k c h is e aa n dt h ec a n a d ab a s i nw e r el o w , w h i c h b e l o n g e dt o m e t h a n es i n k s a t m o s p h e r i cc a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o n sa b o v et h eb e r i n gs e a t h e c h u k c h is e aa n dt h ec a n a d ab a s i n ，a f f e c t e db yw i n ds p e e da n dw a v eh e i g h t ，w e r e l o w e rt h a nt h eg l o b a la v e r a g ev a l u e ，w h i c hb e l o n g e dt os i n k so fc a r b o nd i o x i d e ： r e l a t i v e l yh i g ha t m o s p h e r i cc a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o n so ft h eb a r r o ws l o p em i g h t b ec o n c e r n e dw i t hg r o w t ha n dd e c l i n ep r o c e s s e so ft h es e ai c en e a r b y a t m o s p h e r i c c o n c e n t r a t i o n so fm e t h a n ea n dc a r b o nd i o x i d ed e c e a s e df r o mw e s tt oe a s ta tt h e e n t r a n c eo ft h eb e r i n gs t r e e t ，i n d i c a t i n gt h ei m p a c t so f p r o p e r t i e so fs e aw a t e rf r o m d i f f e r e n ts o u r c e so ng r e e n h o u s eg a s e sc o n c e n t r a t i o n si na t m o s p h e r e t h ee u t r o p h i c a n a d y rw a t e ra tw e s tp r o m o t e sm i c r o o r g a n i s ma c t i v i t i e sa n dm e t h a n ep r o d u c t i o n ， w h i l eo l i g o t r o p h i ca l a s k ac o a s t a lw a t e ra te a s tl i m i t sm i c r o o r g a n i s ma c t i v i t i e sa n d t h em e t h a n ep r o d u c t i o ni sr e l a t i v e l yl o w t h ec h a n g eo fc a r b o nd i o x i d ec o n c e n t r a t i o n s a l o n gl o n g i t u d ed i r e c t i o nm a yb ec a u s e db yt h es o l u b i l i t yc h a n g er e s u l t e df r o m d i f f e r e n ts a l i n i t i e so fs e aw a t e r n i t r o u so x i d ec o n c e n t r a t i o n sw e r eu n i f o r m l v d i s t r i b u t e d ，w h i c hw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht e m p e r a t u r e h o w e v e r , b o t hc a r b o n d i o x i d ea n dn i t r o u so x i d ec o n c e n t r a t i o n sn e a rs h a n g h a iw e r eh i g h ，w h i c hr e f l e c t e d i m p a c t so nt h eg r e e n h o u s eg a s e si na t m o s p h e r ef r o mt h eh u m a na c t i v i t i e s k e yw o r d s ：a r c t i co c e a n ，g r e e n h o u s eg a s ，s e ai c e ，t h ef o u r t hc h i n aa r c t i cr e s e a r c h e x p e d i t i o n ，m e t h a n e ，c a r b o nd i o x i d e ，n i t r o u so x i d e i v 目录 一一 目录 摘要i a b s t r a c t - - 。i i i 第1 章绪论一1 1 1 大气温室气体浓度的时空变化1 1 1 1 大气甲烷浓度的时空变化一：1 1 1 2 大气二氧化碳浓度的时空变化2 1 1 3 大气氧化亚氮浓度的时空变化2 1 2 极地温室气体源汇研究现状2 1 2 1 极地甲烷源汇研究现状2 1 2 2 极地二氧化碳源汇研究现状4 1 2 3 极地氧化亚氮源汇研究现状5 1 3 影响海洋温室气体通量的因素5 1 3 1 影响温室气体海气交换过程的因素5 1 3 2 影响海洋温室气体浓度( 海气两相浓度差异) 的因素6 1 4 温室气体排放的研究方法8 1 4 1 计算通量8 1 4 2 实测通量9 1 5 本文的研究意义和研究内容1 0 1 5 1 本文的研究意义1 0 1 5 2 本文的研究内容1 l 第2 章研究区域与研究方法1 3 2 1 研究区域概况1 3 2 1 1 自令海1 3 2 1 2 楚科奇海1 4 2 1 3 北切( 洋1 4 2 2 研究方法1 5 2 2 1 样品采集1 5 v 目录 2 2 2 样品测试1 7 2 2 3 通量计算方法1 7 第3 章北冰洋中心海域温室气体排放及海冰的影响一1 9 3 1 北冰洋中心海域甲烷通量及海冰的影响1 9 3 1 1 海冰覆盖区的甲烷通量1 9 3 1 2 冰下海水的甲烷通量1 9 3 1 3 同世界其他海域甲烷排放量的比较2 l 3 1 4 海冰覆盖对海水甲烷排放的影响2 2 3 1 5 北极海冰完全融化后释放甲烷量的估计2 3 3 2 北冰洋中心海域二氧化碳通量及海冰的影响2 3 3 2 1 海冰覆盖区的二氧化碳通量2 3 3 2 2 冰下海水的二氧化碳通量2 4 3 2 3 同世界其他海域二氧化碳排放量的比较2 5 3 2 4 海冰覆盖对海水二氧化碳排放的影响2 6 3 3 北冰洋中心海域氧化亚氮通量及海冰的影响2 7 3 3 1 海冰覆盖区的氧化亚氮通量2 7 3 3 2 冰下海水的氧化亚氮通量2 8 3 3 3 同世界其他海域氧化亚氮排放量的比较2 9 3 3 4 海冰覆盖对海水氧化亚氮排放的影响3 0 3 4 小结3 1 第4 章上海一北极航线大气温室气体浓度变化3 3 4 1 航线甲烷浓度及其影响因素3 3 4 1 1 航线甲烷浓度变化3 3 4 1 2 航线甲烷浓度变化影响因素分析3 4 4 2 航线二氧化碳浓度及其影响因素3 5 4 2 1 航线二氧化碳浓度变化3 5 4 2 2 航线二氧化碳浓度变化影响因素分析3 7 4 3 航线氧化亚氮浓度及其影响因素3 8 4 3 1 航线氧化亚氮浓度变化3 8 4 3 2 航线氧化亚氮浓度变化影响因素分析4 0 4 4白令海峡入口处( 6 4 0 n 附近) 温室气体浓度的经向变化4 1 v t 目录 4 5小结4 3 第5 章结论4 5 附录l 冰站样品采集的时间和条件4 7 附录2 航线样品采集的时间和条件5 0 参考文献5 3 致谢6 5 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果6 7 v i i v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着全球气温不断上升和极端气候事件的增加，气候变化的驱动因 素及其响应的相关研究受到了广泛关注。温室气体，由于其能够使太阳短波辐射 透过并吸收地面长波辐射，过去一直被认为是影响全球气候变化的一个重要因 素。 自1 7 5 0 年工业革命以来，大气温室气体浓度快速上升，到2 0 0 5 年三种主要 的温室气体在大气中的浓度已分别达到3 7 9 0 6 5p p m ( c 0 2 ) 、1 7 7 4 0 0 0 1 8p p m ( c h 4 ) 和3 1 9 0 1 2p p b ( n 2 0 ) ( f o r s t e re ta 1 ，2 0 0 7 ) 。虽然目前关于气候变化驱 动因素的研究仍存在很大的不确定性，温室气体的快速上升是否是造成全球变暖 的决定性原因也存在很大的争议，但这种大气温室气体浓度的剧烈变化已经对生 态等造成了一定影响( 如海洋酸化等) 。对于温室气体源汇的更加广泛而深入的 研究不仅可以加深对全球碳循环、氮循环等元素地球化学循环的理解和认识，还 能为温室气体与气候系统相互作用关系的研究提供基础，从而有利于更好地预测 未来世界气候的变化趋势。 1 1 大气温室气体浓度的时空变化 1 1 1 大气甲烷浓度的时空变化 甲烷是一种重要的温室气体，在同等体积下其产生的温室效应是二氧化碳的 3 0 倍( r o d h e ，1 9 9 0 ) 。对现代大气甲烷浓度的系统监测开始于1 9 7 8 年( w a h l e n ， 1 9 9 3 ) ，而通过冰芯记录可以提供更长时间尺度的甲烷变化情况( c h a p p e u a ze ta 1 ， 1 9 9 0 ) 。根据冰芯和粒雪层的记录，大气甲烷浓度自公元0 年至1 8 0 0 年大约增长 了1 0 0 p p b ，而在最近的2 0 0 年中增加了1 5 0 ( m e u r ee t a l ，2 0 0 6 ) 。甲烷自二十世 纪八十年代开始显著增长( d l u g o k e n c k ye ta 1 ，1 9 9 4 ) ，但1 9 9 9 年以后增长速率突 然下降，出现了一个浓度稳定期( d l u g o k e n e k ye ta 1 ，2 0 0 3 ) ，1 9 9 9 - 2 0 0 6 年期间大 气甲烷浓度基本没有变化，而2 0 0 7 年又观测到甲烷在全球范围内开始重新增长， 增速将近1 0n m o l m o l q y r - 1 ( r i g b ye ta 1 ，2 0 0 8 ) 。这可能主要是由于热带天然湿地 排放增加造成的，而大气甲烷的主要汇o h 自由基的下降则影响较小( b o u s q u e te t a 1 ，2 0 1 1 ) 。 大气甲烷浓度存在显著的半球差异( r a s m u s s e na n dk h a l i l ，1 9 8 4 ) ，北半球的 第1 章绪论 大气甲烷浓度平均约比南半球高8 0 一1 0 0p p b ( w a h l e n ，1 9 9 3 ) ，这是由于主要的大气 甲烷排放源分布在陆地上而北半球陆地远多于南半球。 1 1 2 大气二氧化碳浓度的时空变化 二氧化碳是最主要的大气温室气体。由于其相比其他温室气体( 水蒸汽除外) 在大气中的含量较高( 0 0 3 9 ) ，尽管其产生温室效应的能力不及很多气体( 如 甲烷和氧化亚氮) ，却成为了最受关注的一种温室气体。冰芯研究给出了器测资 料存在以前的关于大气二氧化碳浓度的变化情况，如p e t i te ta 1 ( 1 9 9 9 ) 、b a m o l ae t a 1 ( 1 9 8 7 ) 等。公元0 1 8 0 0 年，大气二氧化碳浓度比较稳定，仅在自小冰期时出 现了较为显著的变化( 下降1 0p p m ) ；而1 8 0 0 年至今，大气中的二氧化碳已经 增加了2 9 ( m e u r ee ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 二氧化碳的排放主要来自北半球，因而其半球差异也十分明显，其在北半球 的浓度比南半球高约3p p m ( k e e l i n ge ta 1 ，2 0 11 ) 。 1 1 3 大气氧化亚氮浓度的时空变化 氧化亚氮也是一种非常重要的大气温室气体，单位体积氧化亚氮产生的温室 效应是二氧化碳的3 0 0 倍o t o d h e ，1 9 9 0 ) 。对流层大气中氧化亚氮浓度的直接观测 开始于1 9 4 9 年( k h a l i le ta 1 ，2 0 0 2 ；p i e r o t t ia n dr a s m u s s e n ，1 9 7 7 ) ，而长期系统的氧 化亚氮大气观测开始于1 9 6 6 年( p i e r o t t ia n dr a s m u s s e n ，1 9 7 7 ；s c h u t ze ta 1 ，1 9 7 0 ； g o o d y , 1 9 6 9 ) 。已获得的有关氧化亚氮长期浓度变化的冰芯数据有8 0 万年( s e h i l t e ta 1 ，2 0 1 0 ) 、1 4 万年( s c h i l te ta 1 ，2 0 1 0 ) 、1 0 6 万年( s o w e r se ta 1 ，2 0 0 3 ) 、2 0 0 0 年 ( m e u r ee ta 1 2 0 0 6 ) 等。最近2 0 0 0 年的研究结果显示公元0 年至1 8 0 0 年期间，氧 化亚氮浓度变化很小，最显著的变化是公元6 7 0 年到8 1 0 年增加了1 0p p b ，而 1 8 0 0 年后的2 0 0 年问则增加了2 1 ( m e u r ee ta 1 ，2 0 0 6 ) ：1 8 5 0 至1 9 5 0 年大气氧化 亚氮浓度缓慢增加( 0 1 0 2p p b v y e a r ) ，1 9 9 0 年后增速突然增加到0 7 p p b v y e a r ( m a c h i d ae ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 氧化亚氮的大气存留时间较长，是1 2 0 年( m i n s c h w a n e re ta 1 ，1 9 9 8 ；v o l ke ta 1 ， 1 9 9 7 ) ，因而其全球分布相对比较均匀，半球差异不大，北半球平均浓度仅比南 半球高0 7p p b ( k h a l i le ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 1 2 极地温室气体源汇研究现状 1 2 1 极地甲烷源汇研究现状 2 第1 章绪论 1 2 1 1 甲烷研究现状概述 对流层大气中的甲烷有很多天然和人为来源，其中天然来源包括湿地、海洋、 森林、火灾、白蚁和地质来源( 如火山) ；人为来源包括水稻田、反刍动物、垃 圾填埋场、部分生物质和化石燃料燃烧等。大气甲烷来源又可以分为生物来源和 非生物来源，其中生物来源的甲烷超过7 0 。f o e n m a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 对流层的甲烷汇也就是甲烷的氧化过程，包括光化学氧化和生物化学氧化。 光化学氧化是对流层大气甲烷最主要的汇，参与氧化甲烷的主要是o h 自由基， 这一部分对甲烷气体的消耗大约占大气甲烷汇的9 0 ( w u e b b l e sa n dh a y h o e ， 2 0 0 2 ) ，此外还有c 1 原子( a l l a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。甲烷的生物化学氧化是通过甲烷氧 化菌来完成的，甲烷氧化菌是一大类微生物的总称，它们的分布十分广泛( d i n g a n dv a l e n t i n e ，2 0 0 8 ；h a n s o na n dh a n s o n ，19 9 6 ) 。此外，还有一小部分甲烷被输送 到对流层并在那里被o h 、o ( 1 d ) 、c 1 等氧化( w a h l e n ，1 9 9 3 ) 。 1 2 1 2 极地甲烷源汇研究现状 一般认为，由于浮游微生物作用、海底沉积物释放等，全球大部分海洋表层 水的甲烷含量相对于同大气平衡时的含量都是过饱和的( c i c e r o n ea n do r e m l a n d , 1 9 8 8 ；l a m o n t a g n ee ta 1 ，1 9 7 3 ) ，因此都被看作是甲烷的排放源。北冰洋沉积物中。 储藏了大量的有机碳( g r a m b e r ge ta 1 ，1 9 8 3 ) ，从而成为潜在的甲烷排放源，但由 于广泛存在的永久冻土层和低温阻碍了甲烷的产生和释放，因而早期的研究往往 忽视了这部分排放。最近，北极陆架海受到了广泛关注：东西伯利亚和拉普捷夫 海( s h a k h o v ae ta 1 ，2 0 1 0 ；s h a k h o v aa n ds e m i l e t o v , 2 0 0 7 ) 、巴伦支海( d a m me ta 1 ， 2 0 0 8 ，2 0 0 7 ，2 0 0 5 ；s a v v i c h e ve ta 1 ，2 0 0 4 ；l a m m e r se ta 1 ，19 9 5 ) 、波弗特海 ( k v e n v o l d e ne ta 1 ，1 9 9 3 ；m a c d o n a l d ，1 9 7 6 ) 以及西北航道( k i t i d i se ta 1 ，2 0 1 0 ) 。有研 究表明，由于热熔岩作用( t h e r m o k a r s tt a l i k s ) 、生物生产、河流输入等因素的影 响，使北极陆架海成为个重要的甲烷排放源( s h a k h o v aa n ds e m i l e t o v , 2 0 0 7 ) 。 d a m me ta 1 ( 2 0 0 8 ) 还研究t ：i l 极海域浮游微生物利用二甲巯基丙酸内盐( d m s p ) 代谢产生甲烷的过程。但目前对北极海域甲烷排放的研究多集中在陆架海域，由 于常年海冰覆盖的影响，在北极中心海域开展的相关研究较少。d a m me ta 1 ( 2 0 1 0 1 研究发现，在北极中心海域氮磷比低的源自太平洋的表层水团中浮游微生物可以 利用d m s p 产生甲烷。 北极地区由于广泛存在的冻土层含有大量的有机碳，使北极苔原成为一个潜 在的巨大甲烷源( y o nf i s c h e re ta 1 ，2 0 1 0 ；b e r e s t o v s k a y ae ta 1 ，2 0 0 5 ) ，北极的湖泊也 是排放甲烷的重要场所( w a l t e re ta 1 ，2 0 0 8 ) 。南极的情况同北极略有不同，在南极 法尔兹半岛上的研究表明南极苔原能够消耗大气中的甲烷从而成为一个甲烷的 汇( 孙立广等，2 0 0 1 ) ，但受新鲜企鹅排泄物影响显著的区域反而会排放甲烷( z h u 3 第l 章绪论 a n ds u n ，2 0 0 5 ；s u ne ta 1 ，2 0 0 2 ) ，进一步的研究发现南极企鹅、贼鸥和海豹聚居地 的甲烷排放量很高( z h ue ta 1 ，2 0 0 8 ) 。南北极苔原在甲烷排放吸收状态上的这种 差异可能是由于土壤中有机质含量的差别造成的。 z h ue ta 1 ( 2 0 1 0 ) 还发现夏季南极无冰区的淡水湖是弱的甲烷排放源，其甲烷 排放受到多种因素( 气温、地下水位、溶解固体含量) 的影响。 1 2 2 极地二氧化碳源汇研究现状 1 2 2 1 二氧化碳源汇研究现状概述 二氧化碳，被认为是最重要的温室气体，其源汇的研究受到了广泛的关注 ( b e e r e ta 1 ，2 0 1 0 ) ，因而相比其他温室气体研究得也较为深入。目前已知的二氧 化碳来源主要有：化石燃料燃烧、水泥生产、土地利用方式的变化( 如森林破坏、 生物质燃烧等) 、生物呼吸作用、动植物腐烂等；二氧化碳的主要汇包括：海洋、 绿色植物光合作用、硅酸盐风化等( d e n m a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 海洋二氧化碳汇主要是两种“泵”的作用“生物泵”和“非生物泵 。 “生物泵”是指海洋浮游微生物在代谢过程中吸收利用二氧化碳，之后沉入海底 而将二氧化碳埋藏的过程，包括合成自身软组织的“有机碳泵”和合成碳酸盐外 壳的“碳酸盐泵”；而“非生物泵”则是指海水通过溶解作用吸收大气中的二氧 化碳，低温低盐的海水溶解二氧化碳的能力强( h e i n z ee ta 1 ，1 9 9 1 ) 。随着温度盐 度的升高，海水中溶解的二氧化碳可能会因过饱和而重新释放到大气中，因而“非 生物泵”仅能影响大气二氧化碳的短时间的变化，“生物泵”由于能将二氧化碳 埋藏从而能够影响大气二氧化碳的长期变化趋势。 1 2 2 2 极地二氧化碳源汇研究现状 高纬度的海洋由于海水温度低而具有较大的二氧化碳溶解度，一般被认为是 二氧化碳的汇( b a t e se ta 1 ，2 0 1 1 ；高众勇等，2 0 0 2 ) ，但这一海气交换过程同时还 受到常年大范围的海冰覆盖的影响( n a g u m y i , 2 0 1 0 ；n a k a o k ae ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 s e m i l e t o ve ta 1 ( 2 0 0 4 ) 曾研究了北极海冰对大气二氧化碳浓度的影响，发现 海冰的冰融湖( s e a i c em e l tp o n d s ) 和卤水通道对大气二氧化碳具有吸收作用。 南极无冰区的淡水湖泊在夏季也是一个强的二氧化碳汇，其吸收二氧化碳的能力 主要受到太阳辐射强度的影响( z h ue ta 1 ，2 0 1 0 ) 。 北极陆地生态系统对大气二氧化碳的吸收排放状态具有明显的季节变化， 主要由植物光合作用和呼吸作用的相对强度、土壤有机质积累和土壤呼吸释放的 相对强度以及凋落物的产生等的控制( 方精云等，1 9 9 8 ) ，受到太阳辐射量、温度、 水分等多种因素的影响，目前从全年来看还仍是一个大气二氧化碳汇( k u t z b a c h 4 第1 章绪论 e ta 1 ，2 0 0 7 ) 。但是北极地区的温度上升会使土壤中的有机质分解作用增强，从而 增加该地区向大气中排放二氧化碳的能力( g r o g a l la n dc h a p i n ，2 0 0 0 ) ，未来可能从 二氧化碳汇转变成二氧化碳中性状态甚至是二氧化碳源。 1 2 3 极地氧化亚氮源汇研究现状 1 2 1 1 氧化亚氮源汇研究现状概述 大气中氧化亚氮的自然来源主要是硝化和反硝化作用，其中陆地土壤来源约 占三分之二，海洋来源约占三分之- - ( s c h i l t e ta 1 ，2 0 1 0 ) 。人为来源包括化石燃料 燃烧、工农业活动、生物质燃烧、排泄物、大气污染等( d e n m a ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。而 氧化亚氮的主要汇是在平流层中的反应，包括光解( 9 0 ) 和被氧原子氧化( 1 0 ) ( m i n s c h w a n e re ta 1 ，19 9 3 ) 。 1 2 1 。2 极地氧化亚源汇研究现状 极地区域有关氧化亚氮的吸收产排放情况和区域平衡的研究较少。在南极法 尔兹半岛的研究发现该处的苔原是较弱的氧化亚氮源，其排放受到温度、降水等 气