（环境科学专业论文）冬季北黄海表层海水pco2分布及其控制机制探讨.pdf

关，相关系数分别为0 4 8 2 3 、0 7 6 5 6 。说明北黄海1 月份大部分海区表层海水 二氧化碳分布受到了碳酸盐体系的控制。而山东半岛以北沿岸的高浑浊度区域水 体性质具有特殊性，较高的表层海水筇0 ：受控于高的d i c 浓度以及陆岸的影响。 5 除去鲁北沿岸p c o 。的高值区，0 2 与叶绿素a 具有很好的负相关性， y = - 1 0 3 4 9 x + 4 2 5 4 ( r 2 = 0 8 2 8 2 ，n = 3 3 ) 。这说明生物活动对冬季北黄海o ：的分 布具有重要影响，特别是在辽南沿岸流及其影响区域，淡水输送提供了丰富的营 养物质，以c h l - a 为表征的生物活动对表层海水筇o ：的控制作用更为明显，我 们对筇0 2 与c h l - a 作相关性分析得到：y = - 8 8 2 8 4 x + 3 9 9 8 3r 2 = o 8 8 2 4 。 6 采用现场风速及月份平均风速利用w a n n i n k h o f ( 1 9 9 2 ) 模式计算了北黄海冬季 c o 。通量，冬季北黄海是大气c 0 ：的源区，可向大气排放4 1 1 1 0 4 t c ，但源汇分 布极不均匀。其中黄海混合水团影响区域虽然占到调查区域面积的8 2 但他对源 区的贡献只有5 0 1 。而面积只有o 4 9 1 0 4 k m 2 的鲁北沿岸西段对冬季北黄海二 氧化碳源的贡献达到了4 9 4 。分布在黄海北部的辽南沿岸受到生物活动的影响 表现为一个强汇区，对整个调查区域汇的贡献约为9 7 3 。 关键词：北黄海；二氧化碳分压；控制机制 d i s t r i b u t i o na n dc o n t r o l l i n gf a c t o r so fs u r f a c es e a w a t e r p a r t i a l p r e s s u r eo fc 0 2i nt h en o r t h e r ny e l l o ws e ad u r i n gw i n t e r a b s t r a c t b e c a u s eo f t h eu n i q u eg e o g r a p h i c a ls t r u c t u r eo fs h e l f s e aa n dt h ea d j a c e n tl a n d , s u b j e c tt o t h ei m p a c to f h u m a na c t i v i t i e s ，t h es o u r c e | s i n km e c h a n i s mo f c o ：i sm o r ec o m p l e x b u tf o rt h ec h i n e s ea r e at h ec a r b o nc y c l ea n di t sm e c h a n i s ma l es t i l lr e l a t i v e l y w e a k d i s t r i b u t i o na n dc o n t r o l l i n gf a c t o r so fs u r f a c es e a w a t e rp a r t i a lp r e s s u r eo fc 0 2 ( p c 0 2 ) w e r ed e t e r m i n e di nt h en o r t h e r ny e l l o ws e ad u r i n gw i n t e rb a s e d o nt h ed a t a o b t a i n e du s i n gc o n t i n u o u su n d e r w a ym e a s u r e m e n t so f p c 0 2a n dr e l a t e dp a r a m e t e r si n h y d r o l o g y ，c h e m i s t r ya n db i o l o g yd u r i n gj a n u a r y2 0 0 7 t h er e s u l t ss h o wt h a ti nw i n t e rt h ep c 0 2r a n g e df r o m2 0 3 p a t mt o6 8 3 p a t m ，w i t h a l la v e r a g ev a l u eo f4 0 8 p a t m t h er e g i o nt h a ti si n f l u e n c e db yt h el i a o n a nc o a s t a l c u r r e n ta c t e df i t sas i n ko fa t m o s p h e r i cc 0 2 ，w h i l et h ec o a s t a lr e g i o nl o c a t e di nt h e n o r t ho fs h a n d o n gp e n i n s u l a ( w e s to f12 2 0 e ) ，c h a r a c t e r i z e db yh i 曲t u r b i d i t yd u et o l l i g hs u s p e n d e ds o l i d st r a n s p o r t e db yb o h a ic i r c u l a t i o n , a c t e da sas t r o n gs o u r c ea n d t h em a x i i n u i l lo f p c 0 2r e a c h e d6 8 3 i - t a t m b u to nt h ew h o l et h en o r t h e r ny e l l o ws e a a c t e da saw e a ks o u r c eo fa t m o s p h e r i cc 0 2d u r i n gw i n t e rm a i n l yb e c a u s et h em o s t p a r to ft h en o r t h e r ny e l l o ws e aw a sf u l l o fy e l l o ws e am i x i n gw a t e rt h a tw a s o v e r s a t u r a t e di np c 0 2 i naw o r d , d u r i n gw i n t e rt h ep c 0 2w a sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h es e a w a t e r t e m p e r a t u r e ，c a r b o n a t es y s t e mb a l a n c ea n db i o l o g i c a la c t i v i t yi e h i g h e rt e m p e r a t u r e a n dh i g h e rd i cc o n c e n t r a t i o ni nr e s p o n s et oh i g h e rp c 0 2 ，r e s p e c t i v e l y , a n dh i g h e r c h l - al e v e la s s o c i a t e d 谢t 1 1l o w e rp c 0 2 e s p e c i a l l y ，i nt h el i a o n a nc o a s tt h ep c 0 2 w a ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h ei n t e n s eb i o l o g i c a la c t i v i t y ，a n dt h ep c 0 2o ft h e c o a s t a lr e , o nl o c a t e di nt h en o r t ho fs h a n d o n gp e n i n s u l aw h i c hh o s t e dh i g ht u r b i d i t y w a sm a i n l yc o n t r o l e db yh i g h e rd i el e v e la n dt e r r e s t r i a li n f l u e n c e t h en o r t h e r ny e l l o ws e ai sas o u i c eo ft h ea t m o s p h e r i cc 0 2 ，a n dt h ec a r b o nf l u x a tt h es e a - a t m o s p h e r ei n t e r f a c ei sa b o u t 4 1l 10 4 t ci nw i n t e r 。t h ea r e ai n f l u e n c e db y y e l l o ws e am i x i n gw a t e ra c c o u n tf o r5 0 1 o ft h es o l l i c ea l t h o u n gi t sa r e ar e a c h i i i 8 2 b e c a u c eo fb i o l o g i c a la c t i v i t yt h ea r e ai n f l u e n c e db yt h el i a o n a nc o a s t a lc u r r e n t a c t e da sas i n ko fa t m o s p h e r i cc 0 2a n di ta c c o u n t e df o r9 7 3 k e y w o r d s ：n o r t h e r ny e l l o ws e a ；p c 0 2 ；c o n t r o l l i n gf a c t 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 ( 注! 翅遗直墓丝霆噩挂别直明的：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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者魏填签字日期a 伽善年朋日 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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 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：互媚填 签字日期：a 叫年月i r 日 导师签字： | 衅 签字日期：矽留年石月歹日 冬季北黄海表层海水p 0 0 ：分布及其控制机制探讨 0 引言 上世纪9 0 年代末至本世纪初，j g o f s ( 全球海洋通量联合研究) 、l o i c z ( 海 岸带海陆相互作用计划) 、g o e z s ( 全球海洋真光层计划) 、t o g a ( 热带海洋与全球 大气) 、g l o b e c ( 全球海洋与生态动力学研究) 、g o o s ( 全球海洋观测系统) 、i g b p ( 国 际地圈生物圈计划) 、i g a c ( 国际全球大气化学计划) 、l o i c z ( 海岸带陆海相互作 用) 等的国际联合研究，在d i c 、a l k 、p h 、；c o ：的研究中取得了一定的成果。在 2 0 0 1 年全球变化公开科学大会上i g b p 、w c r p ( 世界气候研究计划) 、i h d p ( 国际 人文研究计划) 和d i v e r s i t a s ( 生物多样性计划) 等全球研究计划一全球碳循环联 合研究计划( c j p ) ，提出了四个中心问题，其中之一就是“海洋吸收大气c 0 。的 能力将如何变化? 可见海洋碳循环研究已成为当前一系列国际合作科学研究计 划的主题之一。 陆架边缘海由于具有特殊的地理位置，其在海洋生物地球化学循环中的作用 正受到世界越来越多的科研工作者的重视。但目前尚缺乏对陆架生态系统碳循环 的系统观测与研究，对其汇量的估算还存在很大的不确定性( w o f s y ，2 0 0 1 ) 。 也就是说，陆架边缘海是大气c 0 ：的源还是汇，目前还不清楚。即( 1 ) 陆架边缘 海与大气间的净碳通量；( 2 ) 陆架边缘海向大洋输送的碳通量；( 3 ) 陆架边缘海 箱底部沉积物输送的碳通量，仅对陆地输入( 主要为河流) 通量相对比较清楚，陆 地输入陆架边缘海的通量为0 8 p g a 。 对于中国陆架边缘海区碳循环及碳源汇机制的研究仍比较薄弱。东海是其中 研究的比较系统和完整的区域：胡敦欣等( 2 0 0 1 ) 采用网格统计法、实测统计法和 三角统计法分别对东海不同季节五个航次的数据进行汇总统计，得到东海每年从 大气中吸收约4 3 1 0 6 t c ；t s u n o g a i & w a t a n a b e ( 1 9 9 9 ) 也提出东海之所以能够大 量吸收c 0 2 ( 一2 8m o lm - 1y r l ) ，是因为水温比较低能溶解比较多的c 0 ：以及活跃 的生物活动加速海水吸收大气c o ：。w e i d o n gz h a i ( 2 0 0 5 ) 对中国南海北部海域进 行了研究，指出这些海域是大气c 0 ：的源，p c o ：的季节性变化主要受控于表层水温。 江春波、王峰等( 2 0 0 5 ) 在对南黄海的研究中着重讨论了长江冲淡水对南黄海海一 气界面c o 。交换通量的贡献；宋美琴( 2 0 0 6 ) 等研究了春季整个黄海区域o 。的分布 规律，并认为由于海水强烈的垂直混合作用使之成为大气中c 0 ：的一个源区。 冬季北黄海表层海水p c o 。分布及其控制机制探讨 北黄海是我国3 7 。n 以北黄海水域的通称，他西连渤海、南接南黄海，是半 封闭的渤海与近海和大洋物质能量交换的必经之地。对于北黄海碳酸盐体系的研 究目前国内开展的仍比较少，王江涛等对位于北黄海北部的鸭绿江口溶解有机碳 的分布变化规律作了研究并认为其主要受到了海水稀释作用控制。本文依据2 0 0 7 年1 月的北黄海冬季航次调查资料以及现场实测的0 。数据，分析了表层海水 p c o 。的分布特征及变化规律，并结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料， 对影响该海域0 2 分布的因素进行了探讨。 由于个人能力和学识水平的限制，对于问题的理解和认识还比较肤浅，尚存 在许多不足之处，恳请诸位专家和老师给予批评指正。 2 冬季北黄海表层海水o b o ：分布及其控制机制探讨 1 文献综述 1 1 研究背景 2 0 0 7 年3 月1 1 3 个国家的科学家在巴黎发布了具有里程碑意义的报告，确 信全球变暖是人类造成的，并预测不管人类如何控制污染，气温升高和海平面上 升都将“持续好几个世纪”。预测到2 1 世纪末，如果人类不采取措施，气温会 上升1 1 至6 4 ，海平面会升高1 8 至5 8c m 。如果最近令人意外的极地冰 层融化持续下去，那么海平面还可能再升高1 0 至2 0 7a m 。 k e e l i n g ( 1 9 9 3 ) 在对夏威夷m a u m al o a 地区在1 9 5 8 - - - 1 9 8 8 年期间大气中c 0 2 浓度年平均值的研究中发现3 0 年间c 0 2 浓度上升了约4 0 p p m ：而从大气c 0 2 平均 浓度的长期变化看，已由过去4 2 万年中的1 8 0 一- - 3 0 0 p p m ( p e t i te ta 1 ，1 9 9 9 ) 上升 到目前的3 7 7 1 p p m ( n o 丸2 0 0 4 ) 。最近的研究( m i l l e r o ，2 0 0 5 ) 发现大气c 0 2 浓度由1 7 4 0 年的2 7 5 p p m 上升到2 0 0 0 年的约3 8 0 p p m 。而伴随着大气c 0 2 浓度的 逐年增加，c 0 2 等微量气体的“温室效用 已经成为影响全球气候变化的一个重 要而不可忽视的因素( i g b p , 1 9 9 8 ；w o o d w e l l 醣a 1 ，1 9 8 3 ) 。温室气体大量排放导 致全球性的气候变化已经引起了社会各界的普遍关注，人类已经意识到全球气候 变化可能带来的一些严重后果，必须采取一些强有力的措施应对这一严重威胁 地球生态环境和人类生存的环境问题。 为了减缓全球变暖，联合国1 9 9 2 年签署了联合国气候变化框架公约 ( u n f c c c ) ，1 9 9 7 年又通过了京都议定书要求发达国家承担减排c 0 2 的义务。 由于承担温室气体的减排义务将会对目前的经济和社会发展产生负面影响，各国 政府为了最大限度减轻减排义务，维护本国利益，都在加大本国陆地及其近海生 态系统碳汇源特征与碳收支平衡的研究力度，寻求各自的c 0 2 减排与增汇对策技 术。 海洋是地球上最大的碳库，海洋对气候变化的影响不仅在于海气间热量和 能量的交换，而且对海气间的物质( c 0 2 、c h 4 等) 交换同样起着重要作用。据 报道：人类每年产生的人为c 0 2 近7 0 亿吨( h o u g h t o ne ta 1 ，2 0 0 1 ；n o b e l ，2 0 0 1 ) 约 有一半停留在大气中，而其余的c 0 ：被海洋等储圈吸收( m a n a b ee ta 1 ，1 9 9 3 ；詹滨 秋等，1 9 8 9 ：y a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ：杨永亮等，2 0 0 4 ；张正斌等，2 0 0 5 ) 。因此，了解 冬季北黄海表层海水p c 0 ：分布及其控制机制探讨 海洋对大气c 0 2 增加的响应，对于预测未来大气c 0 2 含量水平以及全球气候变 化具有重要意义。海洋碳循环研究是海洋生物地球化学过程研究的关键之所在， 其在全球变化研究中的重要性体现在两个方面：( 1 ) 海洋碳循环在很大程度上决 定了全球气温乃至气候的变化趋势；( 2 ) 碳循环也是海洋生态系持续发展的基础， 因此决定了海洋生态环境变化的走向( 宋金明，2 0 0 4 ) 。 近几十年来，i g b p ( 国际地圈生物圈计划) 、j g o f s ( 全球海洋通量联合研 究计划) 、i g a c ( 国际全球大气化学计划) 、l o i c z ( 海岸带陆海相互作用) 等的 国际联合研究，在d i c 、a l k 、p h 、p c 0 2 的研究中取得了一定的成果( m i l l e r oe t a 1 ，1 9 9 8 ；j o h n s o ne ta 1 ，1 9 9 8 ；b o r g n ee ta 1 ，2 0 0 2 ；f e r r a r e s ee ta 1 ，2 0 0 2 ；g a g oe ta 1 ， 2 0 0 3 ；w e s ta n dm c b r i d e ，2 0 0 5 ) ，但是针对中国海域碳循环的系统研究较少，而且 起步较晚，所以中国急需加入国际性的碳循环研究计划，以填补中国海域碳的研 究空白。2 0 0 1 年全球变化公开科学大会上i g b p 、w c i 冲( 世界气候计划) 、i h d p ( 国 际人文研究计划) 和d i v e r s i t a s ( 生物多样性计划) 等全球研究计划一全球碳循 环联合研究计划( c 口) ，提出了四个中心问题，其中之一就是“海洋吸收大气 c 0 2 的能力将如何变化? 一同时，i g b p 在完成了j g o f s 研究之后，又发起了 s o l a s ( s u r f a c eo c e a n - l o w e ra t m o s p h e r es t u d y , 上层海洋低层大气研究) 计划， 并正式将其纳入为i g b p 的核心研究之一。其主要研究内容是：以海洋中深度在 1 0 0 m 以上的水层和1 0 0 0 m 以下的大气边界层为主要研究对象，其核心科学研究领 域主要有三个：( 1 ) 海洋与大气之间的生物地球化学相互作用和反馈；( 2 ) 海一 气界面的交换过程和海洋大气边界层中的输送和转化作用；( 3 ) 二氧化碳和其它 长寿命辐射活性气体的海一气界面通量。中国的s o l a s i 作组从2 0 0 1 年9 月开始 筹备，至2 0 0 2 年1 2 月底，c n c - - i g b p 正式批准成立我国s o l a s 工作组 ( c n c - - i g b p - - s o l a s ) 。2 0 0 4 年7 月，国家自然科学基金委员会跨学部重大项 目“上层海洋低层大气生物地球化学与物理过程耦合研究”启动。至此，我国 成为较早加入国际s o l a s 计划的国家，也是在目前国际上众多关注s o l a s 计划 的国家之一。从s o l a s 计划来看，它也成为少数几个得到国家专门资助的计划 之一( 高会旺，2 0 0 5 ) 。 4 冬季北黄海表层海水p c o 。分布及其控制机制探讨 1 2 海洋中的c 0 ：体系及碳的存在形态 海洋c 0 2 体系是全球碳循环至关重要的纽带，它在大气圈、水圈、生物圈和 岩石圈之间碳的交换、流动过程中占主要地位。二氧化碳一碳酸盐体系是海水中 最复杂而又最重要的体系之一，它涉及到海洋化学、生物、物理、气象、地质等 诸多学科，海洋中的c 0 ：体系参与大气一海洋界面、海洋沉积物与海水界面以及海 水介质中化学反应，它控制着海水的p h 值并直接影响海洋中的许多化学平衡， 在形成和维持生命的起源和生态环境方面有着重要作用，同时在地球的大气圈、 水圈和岩石圈的演变史上也是一个主要参与者。由于碳是重要的生源要素，碳酸 盐体系的化学平衡是影响海洋生物活动的重要因素。c o 。体系在海洋中的平衡主 要包括以下过程： c o , ( g ) = c 0 2 ( w ) ； c 0 2 ( w ) 十h 2 0 = h 2 c 0 3 ； h 2 c 0 3 = 矿+ h c 0 b 一； h c 0 3 一= 旷+ c 0 3 2 ； c a 2 + + c 0 3 扣= c a c 0 3 由于c 0 ：溶于水时伴随着与水分子之间的相互作用，所以在海水中主要存在 h c 0 3 一、c 0 3 、溶解c 0 ：和h 。c 0 。四种形式。海洋中总c o s 的含量约为2 2 m m o l k g ， 各种形态的含量随p h 的变化而变化。海水p h 约等于8 时是以h e 0 3 一形式为主，其 次是c o 。扣。在c 0 2 + h ：c o 。中则是以溶解c 0 ：为主，因此通常把c 0 ：和h 2 c o 。合称为“游 离c 0 2 ，可用二氧化碳分压( 筇0 2 ) 表示。作为c 0 2 体系的一个关键参数，筇0 2 是海水碳酸盐体系中随生物活动变化最明显的参数之一，筇0 ：的确定对于海洋与 大气的c 0 z 交换及海洋生物过程的研究有重要意义( c o p i n m o n t e g u t , 1 9 8 5 ) 。海水 表层的0 ：主要由复杂的生物活动、海洋中c o ：体系的缓冲能力以及海洋环流动 力学等控制，因而有较大的时空变化。 碳是构成地球上一切生命的基础，在许多陆地及海洋生物地球化学循环中扮 演重要角色。海洋中各种形态的碳主要通过两条途径输入：陆源输入( 河流、沙 尘暴等) 和大气沉降( 降水、海气界面交换等) ；可以分为三类：来自陆地生态 系统的碳、人类活动产生的碳和海洋生态系统生成的碳。颗粒有机碳( p o e ) 、溶 冬季北黄海表层海水p c 0 。分布及其控制机制探讨 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 l le ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 海一气系统中 9 8 的碳以d i c 形式存在于海洋中( z e e b ea n dw o l f - g l a d r o w , 2 0 0 1 ) 。h c 0 。、c o 。2 。、c 0 2 和h 2 c 0 3 是组成海洋中d i c 的主要成分，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 的形式存在，仅有不到1 以c 0 2 和h ：c o 。的形式存在( c o m m i t t e eo ng l o b a l c h a n g e ，1 9 8 8 ) 。 有机碳是指有机分子中以化学键与其它原子连接的碳；有机分子大多来源于 生命活动，具有复杂的结构。多数情况下，文献中有机碳和有机物质的术语是通 用的，都是指构成有机分子的碳( e a t h e r a l le ta 1 ，1 9 9 8 ) 。当有机物质和有机碳指 不同物质的时候，前者乘以0 5 即可转换为后者，此时的所谓的有机碳仅指有机 分子中的碳元素( h o p ee ta 1 1 9 9 4 ) 。通常以能否通过0 4 5l am 滤膜为标准来区 分溶解态有机物质( d o m ) 和颗粒态有机物质( p o m ) ( 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 ep 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 ee ta 1 ，1 9 9 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 eo ng l o b a lc h a n g e 1 9 8 8 ) 。构成d o c 的物质中腐殖质和棕黄酸处于 主导地位，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 ) 。 海洋中各种形态碳之间的循环及碳由表层到深海的输送既受控于物理过程也 受控于生物过程，即通常所说的物理泵( 溶解度泵) 和生物泵。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及其向深海和海底沉积物输送的过程称为生物泵。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 o 。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 ) 。 6 冬季北黄海表层海水p c 0 ：分布及其控制机制探讨 1 3 海水中闪0 ：分布的控制因素 1 3 1 温度和盐度 当无外部交换时，由于海水中的碳酸盐以及其它弱酸盐( 如硼酸盐) 体系的 平衡受温度的影响而发生改变，海水中的0 2 随着温度的升高而升高 ( c o p i n - m o n t e g u t , 1 9 8 8 ) 。此外，水体温度的变化会影响海水中二氧化碳的溶解 度，二氧化碳的溶解度随温度的增加而降低。因此，温度对海水中0 2 有正负两 方面的影响。海水盐度的增加，离子强度增大，海水中碳酸的电离度就降低，从 而氢离子的活度系数及活度均减小，海水p h 增加，即海水筇0 2 减少。二氧化碳 的溶解度随盐度的增加而降低。 由于温度对海水中的筇0 ：有重要的影响，许多学者在这方面做了大量工作。 g o r d o n 和琼斯( 1 9 7 3 ) ，基于l y m a n ( 1 9 5 6 ) 测定的碳酸的离解常数以及b o c h ( 1 9 5 1 ) 计算得出的海水中二氧化碳的溶解度系数，并假定水温变化时，水体的 盐度、总碱度、总二氧化碳浓度不变，首先提出了温度与0 2 之间关系的经验公 式。 筇0 2 ( t ) = p c o ：( t + a t ) - a t 4 4 1 0 咱p c 0 2 ( t + a t ) - 4 6 i 0 呻p c 0 2 ( t + h t ) 2 ( a t 0 5 。c ) ： w e i s s ( 1 9 8 2 ) 基于h a n s s o n ( 1 9 7 3 ) 计算的离解常数( 与m i l l e r o ，1 9 7 9 的公式比较吻合) 和w e i s s ( 1 9 7 4 ) 的海水中二氧化碳的溶解度公式，提出了一 个比较精确的关系式。该公式受离解常数的影响不是很大( w e i s s ，1 9 8 2 ) 。 c o p i n m o n t e g u t ( 1 9 8 8 ) 根据d i c k s o n 和m i l l e r o ( 1 9 8 7 ) 的热力学公式， 对海水中f c 0 2 受温盐影响而发生的变化进行了更深入的分析，提出了一个包含了 温度、盐度和x ( c t a t ) 等参数的新公式。 h 庐【t ) a ( t i ) 】* l n f j b ( t i ) + l n b ( t ) ；a 和t 的关系可以用一次方程表示：a ( t ) = 1 + qt ；b 用一个三次方程表示：b ( t ) = 1 + a t + b t 2 + c t 3 ： 盐度决定了q ，a ，b ，c 的数值，通过计算s = 3 0 和s = 4 0 下的数据相关系 数如下表： q 0 8 3 t c 0 2 t a 0 9 3 一( 1 1 2 7 + 4 7 s ) 1 0 。6 7 0 9 3 t c 0 2 t a 0 9 8 一( 2 6 2 9 + 3 1 4 s ) 1 0 冬季北黄海表层海水p c o ：分布及其控制机制探讨 a b c ( 3 6 9 5 + 1 0 6 s ) 木1 0 。5 ( 3 7 5 + 3 4 s ) 木10 1 ( 0 9 2 - 0 1 3 4 s ) 宰1 0 4 ( 2 1 4 2 - 0 2 s ) 宰1 0 5 一( 7 1 + 3 5 s ) 宰1 0 。6 - 1 9 宰10 。8 g o y e te ta 1 ( 1 9 9 3 ) 利用g o y e te ta 1 ( 1 9 8 9 ) 的碳酸离解常数，在给 定盐度和x ( c t a t ) 的条件下，对海水中的f c o ：和温度的关系做了更为精确的 阐述。 t a k a h a s h ie ta 1 ( 1 9 9 3 ) 认为在开阔大洋中，由于盐度、碱度( a l k ) 的变化很小，温度对于p c o ：的影响非常大。因此在假定海水盐度、总二氧化碳浓 度( c a r b o nd i o x i d e ) 、碱度( a l k ) 不变的前提下，提出海水温度与o 。遵 循如下关系： o ( p c o ：) o r = 0 0 4 2 3 p 2 0 ： 1 3 2 生物活动 海水中碳的循环过程是一个十分复杂的生物化学过程，海洋中碳向下输送的 大部分与海洋生物过程有关。在海洋表面的透光层中，大量的浮游植物通过光合 作用，吸收海水中的c 0 2 ，直接结果是表层海水0 2 的降低。然后将其转化为颗 粒有机碳，形成初级生产力。全球海洋的生物固碳能力( 即初级生产力) 约为 4 0 g t c y r ( 王荣等，1 9 9 2 ) ，这个数字比人类活动每年释放到大气的c o ：( 7 g t c a ) ( s i e g e n t h a l e ra n ds a r m i e n t o ，1 9 9 3 ) 要高出很多。初级生产的大部分在透光层中 再循环，只有- - d 部分下沉到深层，并在下沉过程中被氧化分解和溶解。由有机 物生产、沉降和分解等一系列生物过程构成的碳从海洋表层向深海转移，称为 “生物泵”。海洋生态系统通过生物泵的作用驱动大气c o ：进入海洋，并将c o 。由 表层向深层转移，这一过程是海洋碳循环的重要途径。 金心等( 2 0 0 1 ) 认为，生物泵的作用决定现在海气c 0 ：通量的分布，以及具 有使海气碳平衡发生巨大变化的潜力。邢如楠等( 2 0 0 0 ) 用带生物泵的碳循环模 式，做了带生物泵和不带生物泵( 死海) 两种情况下，模拟海洋对大气中c o ：吸 收能力的对比试验。试验结果表明，正是由于有了海洋生物泵过程，才大大提高 了海洋吸收大气中c 0 ：的能力，显示了海洋生物泵在全球碳循环和调节气候变化 8 冬季北黄海表层海水p 0 0 ：分布及其控制机制探讨 中的重要作用。 在南极海区的研究工作证实温度对于圆0 2 的影响很大，但浮游植物的大量爆 发的影响要更大一些。浮游植物的生长可能还要受到光和铁等的限制，虽然涌升 流带来大量的营养盐，叶绿素的含量却可能很低。 1 3 3 海洋环流 s a r m i e n t oe ta 1 ( 1 9 9 2 ) 认为海洋吸收人为c 0 2 的主要限制因子是海洋环流 和混合过程。海洋环流往往对海水中的p c 0 2 分布产生全球尺度的影响，导致了 世界大洋区的源与汇的块状分布。 赤道海域是全球海洋最大的源区，仅赤道太平洋每年向大气输送1 0 g c y r 的c 0 2 ，占海洋释放的c 0 2 总量的6 0 ( t a k a h a s h i ，1 9 8 9 ) 。赤道表层水较高的 p c 0 2 主要是由两方面造成的，即富含c 0 2 和营养盐的深层水的上涌以及从深层 冷水到表层暖水的升温。近年来，科学家发现厄尔尼诺现象对太平洋c 0 2 的源 区有重要影响( s a r m i e n t o ，1 9 9 3 ；f e e l ye ta 1 ，1 9 9 5 ) 。一般认为，厄尔尼诺现象爆发 时，赤道太平洋低p c 0 2 的热水向东回流，使赤道太平洋中部高p c 0 2 的表层水 被覆盖，导致海水心0 2 降低。随着全球气候的变暖，厄尔尼诺现象发生的频率 有加快的趋势，这将对全球c 0 2 的收支产生重要影响。占地球海洋面积约2 0 的南大洋是c 0 2 最重要的汇区之一，吸收的c 0 2 约为1 2 g c y r ，占海洋吸收c 0 2 净通量的3 5 ( m c c a r r t h ye ta 1 ，1 9 8 6 ；m u r p h ye ta 1 ，1 9 9 1 ) 。南大洋及其与大气之 间碳的生物地球化学过程主要有以下两个方面：一是亚热带暖水向极地运动过程 中，水温快速冷却，导致p c 0 2 明显降低；另一方面，由温暖深层水上涌产生的 南极表层水，在风的作用下形成向北和向南运动的表层流。向南流动的表层水经 降温和析盐过程，在南极附近形成高密冷水流向深层，这些冷水有极强吸收碳的 能力，使南极附近海域成为c 0 2 的汇。向北运动的南极表层水则在北部风区( 南 极辅合带，约5 3 0 s ) 与向南流动的低p c 0 2 的亚热带暖水汇合，形成低盐且低p c 0 2 的南极中层水。因此，南极辅合带附近海域同样也是c 0 2 潜在的汇区( 张远辉， 2 0 0 0 ) 。 4 0 0 n 以北的北大西洋和挪威格陵兰海域也是c 0 2 的强汇区( t a k a h a s h ie ta 1 ， 1 9 8 5 ) 。这些海域较低的p c 0 2 值主要是由于北大西洋暖流的快速冷却以及夏季 9 冬季北黄海表层海水o c 0 ：分布及其控制机制探讨 生物的光合作用造成。但冬季，冰岛西南海域表层p c 0 2 呈现高值分布，这主要 是由于富含c 0 2 和营养盐的深层水的上涌引起的。由于该海区的源强较弱且范 围有限，从全年平均值看，它仍是大气c 0 2 的净汇区。与此同时，冬季深层水 的上涌为来年夏季的生物光合作用提供了丰富的营养物质。与其他高纬度海域不 同，北太平洋的c 0 2 源和汇呈明显的季节变化特征，即冬季为强的c 0 2 源，夏 季则为弱的汇。北太平洋深层水年龄最老，c 0 2 含量最高。冬季，由于深层水的 上涌，北太平洋的c 0 2 源强几乎与赤道相当。而夏季，由于生物生产力较高， 光合作用对p c 0 2 的降低效应超过升温效应，导致表层p c 0 2 降低，但从整体上 看，北太平洋仍是大气c 0 2 的净汇区。 1 3 4 河流输入 河流输入对二氧化碳体系各参量的影响主要集中于河流与海洋的交汇处，其 多变的物理、化学和生物过程导致了河口海区碳的生物地球化学循环是一个远比 海洋水体碳循环复杂的过程，该过程除了包括海洋水体碳循环中的所有过程( 海 气界面交换、水体中的垂直运输、沉积物海水界面交换等) 之外，还包括了 与淡水所发生的物质和能量交换。同时i 河口海域受入海河流输入的影响比较大， 水体的水平运输与海洋也不相同。由于河口水域的水层浅、光照强，且容易形成 冲击扇河三角洲，从而导致区域性水势平稳，水质受人类活动影响很大，水体中 生物活性物质的含量与海洋水体明显不同( 李宁等，2 0 0 5 ) 。 多年来，各国关于河流输入对河1 ：3 海区心0 2 、d i c 、p i c 、d o c 、p o c 和 a l k 的影响研究较多，比较典型的例子有：b i a n c h i 等( 1 9 9 7 ) 1 9 9 2 - 1 9 9 3 年对 s a b i n e - n e c h e s 河口湾碳的生物地球化学进行了研究，认为虽然该海域有机颗粒 碳的含量不高( 以碳计，0 4 - - - - 2 3 m g l 。1 ) ，但是有机颗粒碳与c h l a 的比值却远 大于大洋水；c n 值( 6 5 - 1 5 ) 与其它河口获得的数据接近( 8 , - - - 1 0 ) ，可见， 河口的d o c 含量与初级生产力关系不大，更多的是由径流输入控制，其输入海 洋的d o c 通量达到3 2 m g c m 之a 1 。c a i 和w a n g ( 1 9 9 8 ) 在对美国乔治亚州s a t i l l a 和h l t a m a h a 河口区的研究中发现，在不同的河口海域a l k 和d i c 的输入量有 很大不同，且经过这两条河流输入南大西洋湾的d i c 通量为5 2 5 x 1 0 9 m o l a 1 ；在 上述河口海域的低盐区( s 1 0 ) ，还有着极高的心0 2 ( 1 0 0 0 p a t m p c 0 2 1 0 冬季北黄海表屡海水p c 0 ：分布及其控制机制探讨 6 0 0 0 a a t m ) 。他们认为上述现象的主要原因是河口区有机物质的呼吸作用。z h a i 等( 2 0 0 5 ) 在2 0 0 0 年夏季和2 0 0 1 年春季对珠江口海域的研究中发现，该海域具 有极高的p c 0 2 值( 平均为4 0 0 0 9 a t m ) ，他们认为的主要原因与c a i 和w a n g ( 1 9 9 8 ) 相似；皆为生物呼吸作用，同时，他们估计如果仅仅考虑生物呼吸作用，其p c 0 2 将达到7 0 0 0 p a t m 。 综合各种因素的影响，p c 0 2 的变化是非常复杂的。不同的海区、不同的季 节调查结果不同，因此不同的研究在生物、物理、化学等因素的重要性上也给出 了不同的结论。s t a f f a nk a l t i n ( 2 0 0 5 ) 指出水体冷却和生物活动在控制巴伦支海 c 0 2 通量的效用方面所起的作用是等同的，而在白令海陆架区，生物活动起的作 用是水体冷却作用的两倍。w e i d o n gz h a i ( 2 0 0 5 ) 对中国南海北部海域进行了 研究，指出这些海域是大气c 0 2 的源，0 2 的季节性变化主要受控于表层水温。 j o a c h i mk u s s ( 2 0 0 6 ) 通过对白令海的研究发现，生物活动和海水混合是控制该海 域p c 0 2 季节性变化的两个重要过程。c a ia n dd a i ( 2 0 0 4 ) 指出全球陆架边缘海c q 通量的计算要考虑纬度的差异，已报道的高纬度陆架海区往往是大气c 0 2 的汇， 而低纬度海区却表现为大气c 0 2 的源。谭燕等( 2 0 0 4 ) 对中国东海西部的研究， 认识到东海西部之所以是大气c 0 2 的汇区，其贡献主要来自子长江冲淡水。 t s u n o g a i & w a t a n a b e ( 1 9 9 9 ) 提出东海之所以能够大量吸收c 0 2 ，除了水温比较 低能溶解比较多的c 0 2 以及活跃的生物活动加速海水吸收大气c 0 2 以外，近岸 表层海水在冬季因强烈冷却而下沉是更重要的原因；l i u ( 2 0 0 0 ) 推测全球陆架边 缘海整体来讲是大气c 0 2 的弱汇，但同时也指出至少有两类边缘海区是大气c 0 2 的源，一类是一些上升流主导的东边界流系统，如t o r r e s ( 1 9 9 9 ) 、l e f e v r ee l a 1 ( 2 0 0 2 ) 对南美洲智利沿岸海域进行调查