（环境科学专业论文）南黄海春季co2海气交换通量及其与夏季的比较.pdf

南黄海春季0 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 份南黄海总体上表现为c 0 2 的弱源区，通量乎均值约为+ 1 0 6 m o l - m 。2 a - 1 c 0 2 ，约 向大气中释放0 2 1 1 0 6 t c 。 3 3 月份，黄海水体处于上下垂直混合均匀状态，表层海水中p c 0 2 值较 高，整个3 月份黄海表现为大气c 0 2 的一个强源区。5 月份，南黄海中部出现 分层现象，使得在以1 2 4 0 e ，3 3 5 0 n 为中心的南黄海中部海域生物活动消耗大 量c 0 2 ，致使该海域由3 月份的强源区转化5 月份的强汇区；而在南黄海西北 和西南长江口北部等黄海沿岸流影响海域，则仍然是c 0 2 的源区。7 月份，南 黄海中部海域( 约在1 2 2 5 0 e 以东，3 5 0 n 以南) 受长江冲淡水的影响，生物活 动较强，表现为大气中c 0 2 的汇区；在南黄海北部和西侧海域则仍然表现为大 气中c 0 2 的源区，这与春季相类似。 4 夏季p c 0 2 的测得值在1 1 7 1 x a t m - 5 9 0 1 1 a t r a 之间，整个夏季( 6 8 月) 南黄 海表现为大气中c 0 2 的一个弱源，约向大气中释放0 4 5 1 0 6 t c ，整个春季( 3 5 月) 南黄海约向大气中释放4 1 3 1 0 6 t c 。夏季南黄海在黄海冷水团造成的陆架 锋区，出现明显的涌升流现象，这使得7 月份南黄海西侧苏北浅滩海域出现p c 0 2 高值区，5 月份南黄海西南部有类似涌升流现象。初春时南黄海基本不受长江 冲淡水的影响，5 月份，长江冲淡水开始影响南黄海西南部海域；夏季长江冲 淡水则转向东北影响南黄海中部大部分海域。3 月份，黄海暖流影响了整个南 黄海海域，水体混合均匀，随着水温的升高，5 月份黄海暖流影响区域变小， 到7 月份则基本完全退出对于南黄海的影响。 关键词：南黄海；二复化碳分压：碳通量 i v 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 t h ec 0 2f l u xa ts e a - a t m o s p h e r ei n t e r f a c ei nt h es o u t hy e l l o w s e ai ns p r i n ga n dc o m p a r i n gw i t hi ti ns u m m e r a b s t r a c t r o o t e di nt h ec h i n as o l a s ，c o m b i n a t i o nw i t ht h ed a t ai nh y d r o l o g y , c h e m i s t r y a n db i o l o g y , t h ep c 0 2d a t ao b t a i n e df r o mt h et w oc r u i s e si nm a r c h , 2 0 0 5a n dm a y , 2 0 0 5i nt h es y sj ss e r v e dt dd i s c u s sp c 0 2d i s t r i b u t i o nf e a t u r e sa n df l u xb e s i d e st h e m a j o rf a c t o r st h a ta f f e c ti t m e a n w h i l eb a s e do nt h ed a t ac o l l e c t e di nj u l y , 2 0 0 1 ， p c o zd i s t r i b u t i o ni nt h es u r f a c es e a w a t e ro ft h es y si ns p r i n ga n ds 1 1 1 1 l l e ri s d e t a i l e dd e s c r i b e da n dc o m p a r e d t h em a i nr e s u l t sa r cf o l l o w i n g ： 1 p c 0 2i nt h es u l f a e es e a w a t e ri nt h es y si sr a n g e d3 6 0 - 6 4 0 i _ t a t mi nm a r c h , a n d p c 0 2 i nt h em i d d i ea n de a s ti sh i g h e rt h a nt h en o r t h e r na n dw e s t e r ns e a d i ci s r a n g e d2 4 8 - 2 7 m 班，a n d 札ki s2 2 5 - 2 4 0 m m o l l t h es y st e m p e r a t u r ei s r a n g e d2 5 9 c ，s a l i n i t y3 1 8 3 2 2 ，a n dp h7 9 9 - 8 1 4 a l lt h ep a r a m e t e r sa r e c o n s i s t e n ti nt h es u r f a c e ，m i d g ea n db o t t o ml a y e r s t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o n s e c t i o nm a p so ft e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yi nm a r c hs h o wt h a tt h ev e r t i c a lm i x i n g 。 o ft h es y sw a t e ri s & c e ns ot h a tt h eh i g h e rp c 0 2i nb o t t o mw a t e rc o u l ds u p p l y t h es u r f a c e t h es y si sa f f e c t e db yt h es o u t hs h a n d o n gc o a s t a lw a t e r , n o r t h e r n j i a n g s uc o a s t a lw a t e r , t h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n tw a t e ra n ds o o ni nm a r c h , a n dt h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n tw a t e ra f f e c te v e na l lt h ey e l l o ws e a t h e c h a r a c t e ro fw a t e rm a s si nt h en o r t hy e l l o ws e a , t h ec o a s t a lc u r r e n ta n dt h e m i d d l es y si ss dd i f f e r e n tt h a tp c o zi nt h et h r e ea r e a sa r ed i f f e r e n t 1 1 硷c 0 2 f l u xi nt h es y si sa l m o s tp o s i t i v e ( a b o u t + 9 2 4 m o l m 2 a - 1 c c h ) a n dt h es y si s t h ei n t e n s es o u l c ew h i c hr c l e a s3 1 7 。1 0 6 t ct ot h ea t m o s p h e r ei nm a r c h t h e s e aa r e aw h i c hi sa f f e c t e db yt h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n tw a t e rc o n t r i b u t e st h e m o s tt ot h es o u r e e 2 i nm a y , p c 0 2i nt h es u r f a c eo ft h es y si sr a n g e d2 4 0 - 5 8 0 i _ t a t m p c 0 2i ns h o r e v 南黄海春季c 0 2 海一气交换通量及其与夏季的比较 a r e ai sh i g h e rt h a nt h em i d d l ez o n e t h ec h a n g j i a n gr i v e rd i l u t e dw a t e r , n o r t h e r n j i a n g s uc o a s t a lw a t e r ，t h eu p w e l l i n gw a t e ra n dt h et a i w a nw a r mc u r r e n tb r i n g a b o u tt h eh i 曲v a l u eo f p c 0 2i nt h es o u t h w e s t e r ns y s m s i g n i f i c a n th y d r o l o g y f e a t u r eo ft h es y si nm a yi st h ee m e r g e n c eo fy e l l o ws e ac o l dw a t e ra n dt h e o b v i o u ss t r a t i f i c a t i o ni nt h em i d d l es y s t h en u t r i m e n tv a l u ei sh i g hi nt h e m i d d l ef o rw h i c ht h eb i o l o g i c a la c t i v i t yi si n t e n s ea n dl e a v e st h el o wp c 0 2 m e a n w h i l e ，d u et ot h es p r i n gs t r a t i f i c a t i o n ，t h es u r f a c es e a w a t e rc o u l dn o tg e t h i g hp c 0 2s u p p l e m e n tf r o mt h eb o t t o ms ot h a tp c 0 2i sl o w e rt h e r et h a no t h e r s t h em i d d l es y sa r o u n d1 2 4 。e ，3 3 5 。ni st h ei n t e n s es i n ko fc 0 2a n dt h e n o r t h w e s ta n dt h es o u t h w e s tn o r t ha r e ai st h es o u r c eo fc 0 2 t h ew h o l es y sw a s as o u r c ea r e a ( a b o u t + 1 0 6 m o l m - 2 a - 1 c 0 2 ) a n dr e l e a s e s0 2 1 1 0 6 tct ot h e a t m o s p h e r ei nm a y 3 i nm a r c h , t h ew a t e rb o d yi nt h es y si sc v e ni nt h et o pa n db o t t o mw h i c hm a k e s p c 0 2i sv e r yh i g h , a n dt h es y si sas o l l r e eo ft h ea t m o s p h e r i cc 0 2 b e c a u s eo f t h es t r a t i f i c a t i o ni nm a 品t h eb i o l o g i c a la c t i v i t yi si n t e n s es ot h ep c 0 2i sl o w e ri n t h em i d d l es y s ( a r o u n d1 2 4 0 e ，3 3 5 a n di tb e c o m e sas i n k m e a n w h i l et h e p c 0 2i nt h ec o a s t a la r e ai ss t i l las o u r o e i nj u l y , b e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo f t h e c h a n g j i a n gd i l u t e dw a t e r , t h et h em i d d l es y s ( w e s t1 2 4 。e ，s o u t h3 3 5 咖i ss t i l l as i n kc o m p a r e dw i t hi nm a y ；a n dt h en o r t ha n dw e s ts y si sas o u r c ei nj u l y w h i c hi ss i m i l a rw i t hi ns p r i n g 4 p c 0 2i ns u l l m l e ri sr a n g e d1 1 7 - 5 9 0 p a t m t h es y si saw e a ks o l l l c ei ns u m m e r a n dr e l e a s e s0 4 5 + 1 0 6 t c b u ti tr e l e a s e sa b o u t4 1 3 + 1 0 6 t ci ns p r i n g ( m a r c h - m a y ) t h ep c 0 2i sh i g hi n n o r t h e r nj i a n g s ui nt h ew e s to ft h es y si nj u l yb e c a u s eo f t h eu p w e l l i n gw h i c hi ss i m i l a ri nm a y i ne a r l ys p r i n gt h em i ) 【! i n gi nt h es y si s v e r ys u t t f i e i a n t t h ec h a n g j i a n gd i l u t e dw a t e ra f f e c t st h es y ss t r o n g i yw h i c hi s w e a ki ns p r i n g i nm a r c h , t h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n ta f f e c t sa l m o s tt h ew h o l e s y s a st h et e m p e r a t u r eb e c o m e sh i g h e r , t h es e aa ma f f e c t e db yt h ey e l l o ws e a w a r mc u r r e n tb e c o m e ss m a l l e r , e v e nn oi n f l u e n c ei ns 1 1 1 l l l e r k e y w o r d s ：t h es o u t hy e ll o w , s e a ；p c 0 2 ；c a r b o nf l u x v i 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 引言 大气中温室气体浓度的变化对大气环境及气候变化有着巨大影响，温室气 体浓度增加造成的“温室效应”是全球变暖的重要原因，也是当代人类面临的重 大而紧迫的全球环境问题之一。工业革命以来，化石燃料使用等人类活动已经 显著的改变了全球碳循环，二氧化碳是目前全球最为关注的温室气体，其对全 球气温升高的贡献居各种温室气体之首，高达7 0 以上( m e l i l l o e ta 1 。1 9 9 0 ) 。 对于大气中二氧化碳增加造成的“温室效应”人们有各种预测，这些预测是 有根据的，但又是不确定的，而最大的不确定性就在于占地球表面积7 1 的海 洋的作用。海洋是燃烧化石燃料所产生二氧化碳的最终归宿，据目前估计，地 球上每年燃烧化石燃料所产生的二氧化碳大约有1 3 为海洋所吸收。但海洋是 怎样从大气吸收二氧化碳的，其控制过程是什么，各界面上的交换量与净通量 是多少，有多少是在短时间周期上循环的，有多少是在长时间周期上循环的等 等，这些问题还不是非常清楚。 碳循环成为国际海洋学科前沿研究中的一个重要领域，为全球变化研究中 i g b p ( 国际地圈生物圈计划) 的核心内容，也是目前s o l a s ( 低层大气与上 层海洋研究计划) 最重要的研究内容之一。以海洋生物地球化学为主线、旨在 研究海洋在温室气体二氧化碳不断增加引起的全球变暖过程中所起的作用的 j g o f s ( 全球海洋通量联合研究) 计划已于2 0 0 2 年宣告结束，至此我们对大洋 的二氧化碳源汇作用的分布格局和控制机制已经有了比较深入的认识。然而， 陆架边缘海由于物理与生物地球化学过程远比大洋复杂，其二氧化碳源汇过程 研究难度大，因而当前关于陆架和陆坡海域的各项通量数据都还很不确定 ( f r a s h a me ta 1 ，2 0 0 1 ) ，这成为全球的二氧化碳源汇作用研究中最薄弱的环节。 陆架边缘海界于陆地及开阔的大洋之间，陆源物质经此向大洋传输，沿岸 海流的循环、混合及涌升和陆地河水径流带来的丰富营养盐，促使边缘海生物 生产率远高于开阔海域，其生物固氮作用可加速海水吸牧大气中的二氧化碳， 并将二氧化碳转化成颗粒态的碳化合物，沉积在边缘海区，或经由侧向传输流 入大洋深部。但另一方面，深水涌升到陆架海区以及大量有机质分解，也可能 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 使边缘海区中二氧化碳呈过饱和状态，而成为大气二氧化碳的源区( l e f e v r e e t a l , 2 0 0 2 ) 。这种错综复杂的作用一直在边缘海区域发生。 黄海是世界上最典型的半封闭性陆架浅海之一，是人类活动、经济开发最 为集中的地带，也是陆地、海洋、大气各种过程相互作用较为激烈的地带。黄 海可以分为北黄海和南黄海，南黄海是指江苏沿岸以东、山东半岛东南及朝鲜 半岛南部以西之间所夹的海域范围，南面以上海长江口与韩国济州岛连线为界 与东海分开。到目前为止，关于南黄海海水p c 0 2 的实测研究报道还较少，因 此有必要对南黄海的p c 0 2 进行现场研究，这对于更完整、准确的探讨边缘海 区对全球碳循环的贡献、完善全球碳循环系统参数数据库无疑有着积极的作用。 本文利用中国s o l a $ 计划2 0 0 5 3 ，2 0 0 5 5 两个航次及2 0 0 1 7 航次，对南 黄海的水文、化学和生物参数进行了同步观测，重点探讨了春季南黄海表层海 水p c 0 2 的分布特征、通量及其影响因素，并对南黄海春季和夏季p c 0 2 的影响 机制作了比较。 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，诚恳地期待诸位专家和老师给予批评指正。 南黄海春季c 0 2 海，气交换通量及其与夏季的比较 第一章文献综述 大气中温室气体浓度的变化对大气环境及气候变化有着巨大影响，温室气 体浓度的增加造成的“温室效应”是全球变暖的重要原因，也是当代人类面i 临的 重大而紧迫的全球环境问题之一。工业革命以来，化石燃料使用等人类活动已 经显着的改变了全球碳循环，二氧化碳是目前全球最为关注的温室气体，其对 全球气温升高的贡献居各种温室气体之首，高达7 0 以上( m e l i l l oe ta 1 ，1 9 9 0 ) 。 1 1 研究背景及意义 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 师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二氧化 碳的义务。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源汇特征与碳收支平衡的研究力度，寻求各自的二氧 化碳减排与增汇对策技术。我国人均二氧化碳排放量远远低于发达国家( 世界平 均水平的6 6 呦，但1 9 9 7 年二氧化碳总排放量约为8 1 7 8 5 3 亿吨，占全球的 1 3 7 ，是仅次于美国( 2 4 3 呦的第二大温室气体排放国，预测结果表明2 0 3 0 年 的二氧化碳排放量将达到1 0 1 9 - 1 9 2 5 亿吨。随着我国经济的快速发展，温室气 体的排放还会增加。 面对全球气候变化带来的巨大挑战，自上世纪8 0 年代初，国际科学界先 后发起了国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、全球环境变化的人类因素( i 皿p ) 、世 界气候研究计划( w c r p ) 、生物多样性计划( d i v e r s i t a s ) 等一系列有针对 性的、旨在研究“地球系统”的大型科学研究计划，其中地球系统碳循环是研究 重点之一。上世纪末本世纪初，i g b p 、i h d p 和w c r p 共同发起了新一轮全 球碳循环研究计划，其重点是要回答全球碳源汇的空间分布格局及人类活动对 其影响、以及未来全球碳源汇及碳通量的变化趋势等科学问题，涉及碳循环的 方方面面( i g b p , i h d p 和w c r p , 2 0 0 1 ) 。 对于大气中二氧化碳增加造成的温室效应人们有各种预测，这些预测是有 南黄海春季c 0 2 海- 气交换通量及其与夏季的比较 根据的，但又是不确定的，而最大的不确定性就在于占地球表面积7 1 的海洋 的作用。海洋是燃烧化石燃料所产生二氧化碳的最终归宿，据目前估计，地球 上每年燃烧化石燃料所产生的二氧化碳大约有l ，3 为海洋所吸收。但海洋是怎 样从大气吸收二氧化碳的，其控制过程是什么，各界面上的交换量与净通量是 多少，有多少是在短时间周期上循环的，有多少是在长时间周期上循环的等等， 这些问题还很不清楚。 海洋总体上是人为c 0 2 的一个重要的汇区( f r e e l yc ta 1 2 0 0 1 ) ，但局部海 区可能表现为大气c 0 2 的源，如东赤道太平洋( t a h a k a s h ie ta 1 1 9 9 7 ；2 0 0 2 ) 。 查明大气二氧化碳的海洋源、汇量级及其控制机制，有助于了解人为二氧化碳 在当前全球背景下的归宿，不仅具有重大的科学意义，还对全球人类活动及各 国制定经济和社会发展战略具有重大指导意义，对国家环境外交政策的制定也 有重要的科学价值。 以海洋生物地球化学为主线、旨在研究海洋在温室气体二氧化碳不断增加 引起的全球变暖过程中所起作用的j g o f s ( 全球海洋通量联合研究，j o i n tg l o b a l o c e a nf l u xs t u d y ) 计划已于2 0 0 2 年宣告结束，至此我们对大洋的二氧化碳源 汇作用的分布格局和控制机制已经有了比较深入的认识( 美国j g o f s 总结：海 洋学专集，v 0 1 1 4 ，n o 4 ) 。然而，陆架边缘海由于其中的物理与生物地球化学 过程远比大洋复杂，其二氧化碳源汇过程研究难度大，因而当前关于陆架和陆 坡海域的各项通量数据都还很不确定( f r a s h a me ta l ，2 0 0 1 ) ，这是全球的二氧 化碳源汇作用研究中最薄弱的环节。 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 r a 恤1 0 s p h e r es t u d y ，上层海洋与低层大气研究) 计划，并正式纳入i g b p 的核心 研究之一。其主要研究内容是：海洋与大气之间生物地球化学的相互作用和反 馈；海气界面的交换过程和海洋大气边界层中的输运和转换作用；海气间二 氧化碳通量和其它长寿有辐射活性的气体。目的是取得对生物地球化学和物理 相互作用的关键过程及海洋与大气之间反馈作用的定量理解，以及这个耦合系 统如何通过环境和气候的改变来相互影响。s o l a s 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，二氧化碳问题是其中核心 的研究内容之一，包括海气界面通量、交换过程和海洋、大气边界层中的输运 2 南黄海春季c 0 2 海- 气交换通量及其与夏季的比较 和转化作用等。 中国人口众多，近2 0 多年来经济发展迅速。中国在1 9 9 5 年的化石燃料等 能源生产和消耗均已占世界的1 0 ( 张永照，1 9 9 9 ) ，到了2 0 0 0 年，我国因化 石燃料燃烧所排放的二氧化碳已达0 7 3 g t c a 1 ，占全球排放量的1 0 6 ( s g e e t s 豇a 1 , 2 0 0 1 ) ，中国的二氧化碳问题也因此受到国际社会的日益关注。中国有广 阔的陆架边缘海，约占全球陆架海的1 2 5 ，是世界上最宽广的陆架海之一， 因而具有研究陆架边缘海二氧化碳源汇作用这一重大科学问题的天然优势。 因此，我们投入足够的人力和物力，提高研究水平，能够较准确地回答我 国陆地及近海生态系统的固碳潜力有多大? 以及陆架边缘海是大气二氧化碳的 源还是汇? 可以为全球碳循环研究做出贡献，为政府的决策提供有力的数据和 科技支持，为应对国际谈判、维护国家利益提供可靠科学依据，保障国家的可 持续发展。 1 2 二氧化碳海一气交换研究概况 1 2 i 海洋中碳的吸收及转移 一- 海洋持有的碳( 3 8 0 0 0 g t ) 约比大气多5 0 倍，其中大部分是以碳酸盐( c 0 3 1 和碳酸氢盐0 a c 0 3 3 离子的形式存在。二氧化碳在海水表面和大气圈之间交换 的一个重要控制因子是二氧化碳在海水与大气问的分压差( p c 0 9 ，其中海水二 氧化碳分压的大小取决于多种因素，如植物光合作用、洋流涌升、温度、盐度 和p h 值等。从海- 气问物质交换机制方面而论，海洋对大气二氧化碳的吸收容 量以及在大气圈和海洋之间碳的净交换量在很大程度上决定于混合层碳酸盐化 学、水中溶解碳的平流传输、二氧化碳通过空气海水界面的扩散、海洋植物的 生产及所产生的碎屑碳的沉降等。海洋吸收二氧化碳的化学能力取决于溶解的 碳酸盐和硼酸盐，其反应式：h 2 0 + c 0 2 ( a q ) + c 0 3 2 - - 2 h c 0 3 , c 0 2 ( a q ) + b 4 = h c 0 3 + b 孓。这个能力大致等于所估计的传统矿物燃料的贮藏。 海洋对大气二氧化碳的吸收主要包括物理溶解和海水碳酸盐系统缓冲作 用，以及海洋上层浮游植物的光合作用将海水中的溶解无机碳( d i c ) 通过 光合作用合成颗粒有机碳( p o c ) 和溶解有机碳( d o c ) 。海洋温盐环流和颗粒 3 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 物沉降进而将碳从表层输送到深海最后埋藏于沉积物中。我们把海气晃面的气 体交换过程和将二氧化碳从海洋表面向深海输送的物理过程称为“物理泵”( 溶 解度泵) ，其效率取决于商纬海区深海水的形成以及海洋通风状况( f a l k o w s k ie t a 1 2 0 0 0 ) 。 而以生源有机物为主的颗粒物沉降则为“生物泵”( b a l i n oe ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在海 洋表层，浮游植物通过光合作用将海水中溶解的无机碳转化为有机碳，水中二 氧化碳分压降低；在其初级生产过程中，还需从海水中吸收溶解的营养盐，如硝 酸盐和磷酸盐，这使得表层水的碱度升高，也将进一步降低水中p c 0 2 。这两个过 程造成海洋空气界面两侧的二氧化碳分压差。促进大气二氧化碳向海水的扩 散。藻类光合作用生产的有机碳通过直接沉降或经食物链转化后再沉降到海底 形成沉积物，从而使碳得以从空气移到海洋表面，再从表面运移到深海中。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 t a 1 , 2 0 0 0 ) 。自养浮游生物通过光合作用吸收太阳能，以水、二氧化碳( 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一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”。此外有些生物颗石藻、有孔虫、珊瑚等的生命活动会 形成c a c 0 3 骨骼，这些c a c 0 3 颗粒沉降时把原来表层d i c 库中的部分碳转移 至海洋深层乃至沉积物，这一碳移除机制称为“碳酸盐泵”。 。 物理泵运转过程中高纬度低温海水的下沉可以携带从大气中吸收的二氧化 碳进入深层，但是在赤道上升流区，海水又将所携带的二氧化碳释放到大气中， 从长时间尺度和全球尺度讲，这一过程对二氧化碳的收支是平衡的。而生物泵 的作用则可以使海洋表层溶解态的碳转变成颗粒态并使一部分下沉进而最终埋 藏于海底沉积物中，通过这样的垂直转移过程，就可以实现海洋对大气二氧化 碳的净吸收。 4 南黄海春季c 0 2 海一气交换通量及其与夏季的比较 1 2 2 海水中p c 0 2 的影响因素 1 2 2 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p c 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 , 19 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p c 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 n 增加，即海水p c ( ：h 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p c 0 2 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j o n e s ( 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 e 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p c 0 2 之间关 系的经验公式。 p c 0 2 ( t ) = p c 0 2 ( t + a t ) - a t 4 4 l o 币p c 0 2 ( t + a t ) 一4 6 + 1 0 6 p c 0 2 ( t + a t ) 2 ( a t o 5 0 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 u e r o ( 1 9 8 7 ) 的热力学公式， 对海水中妃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。 t n f = - “t ya ( t o 阻w t i ) 】她a b ( t ) ；a 和t 的关系可以用一次方程表示； a ( t ) = l + a t ；b 用一个三次方程表示：b ( t ) = l + a t + b 仁吒1 3 ； 盐度决定了a ，a ，b ，c 的数值，相关系数如下表： 0 8 3 _ t c o f f r a _ 0 9 3 0 9 3 _ i c o - f f t a _ 0 9 8 a - ( 1 1 2 7 + 4 7 s ) 1 旷- - ( 2 6 2 9 + 3 1 4 s ) + 1 0 4 a ( 3 6 9 5 + 1 0 6 s ) + 1 0 ( 2 1 4 2 0 2 s ) + 1 0 。 b 0 7 5 + 3 4 s 1 + 1 0 4一( 7 1 + 3 5 s ) + 1 旷 c m 9 2 - 0 1 3 4 s ) 1 0 。 1 9 * 1 0 。 5 南黄海春季c 0 2 海一气交换通量及其与夏季的比较 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 ( o r a t ) 的条件下，对海水中的f 0 2 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 ，1 9 9 7 ) 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 0 2 的影响非常大。因此在假定海水盐度、总二氧化 碳浓度( z c 0 2 ) 、碱度不变的前提下，提出海水温度与p c 0 2 遵循如下关系： o ( p c 0 2 ) o t = 0 0 4 2 3 x p c 0 2 1 2 2 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 o s ，直接结果是表层海水p c 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 a 1 ( 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 0 2 ( 7 g t ca - 1 ) ( s i e g e n t h a l e r a 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。海洋生态系统通过生物泵的作用驱动大气c 0 2 进入海洋，并将c 0 2 由表 层向深层转移，这一过程是海洋碳循环的重要途径。 张远辉等( 2 0 0 0 ) 根据1 9 9 5 年4 月在厦门海域对c 0 2 系统做定点连续观 测的资料，讨论了海气c o s 交换以及生物活动对海水总c 0 2 变化的影响。表明， 海水c 0 2 的变化主要受生物活动所控制，生物过程引起的c 0 2 变化远大于海 气交换的影响，利用c 0 2 平衡法估算出厦门海域的生物生产力为6 2 a m m 0 1 m a d l 。 金心等( 2 0 0 1 ) 认为，生物泵的作用决定现在海气c 0 2 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 0 2 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 2 的能力，显示了海洋生物泵在全球碳循环和调 节气候变化中的重要作用。 在南极海区的研究工作证实温度对于p c 0 2 的影响很大，但浮游植物的大 6 ， 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 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。 近年来的研究又发现了浮游生物对海洋中的有机碳垂直分布的另外两种主 要的影响方式：( 1 ) 浮游动物的垂直分布和垂直迁移；( 2 ) 溶解有机碳在垂直 方向上的物理混合。浮游动物在上层海水中摄食，并且吸入0 2 排出c 0 2 ，使海 水中的有机碳和无机碳进行循环，所以浮游动物在海水中的垂直分布和昼夜间 的垂直转移，很大程度上改变了有机碳和无机碳在海水中的垂直通量。大约 1 5 - 5 0 浮游动物在夜间会迁移到混合层以上；而1 6 0 m 以上的海水中浮游动 物的生物量在夜间会增加一倍左右。浮游生物对海洋碳通量的影响主要取决于 水体中的生物量，生物量越大，浮游生物所带来的碳通量越大，其在海洋总的 碳通量中所作的贡献也越大。在不同的季节和不同的海域，浮游生物的生物量 都是不同的，由此导致增加的碳通量也是不同的。j g o f s 的调查结果表明，在 全球海域中，浮游生物全年对海洋碳循环的贡献平均达到了2 4 ( 5 。 0 - 5 2 ) 。 呼吸和排泄是浮游生物( 包括浮游动物和浮游植物) 驱动海洋碳循环的主要方 式。 1 2 2 3 海洋环流 s a r m i e n t oe ta 1 ( 1 9 9 2 ) 认为海洋吸收人为二氧化碳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 a 1 的二氧化碳，占海洋释放的二氧化碳总量的6 0 ( t a k a h a s h i ，1 9 8 9 ；e l l i o te ta 1 ， 1 9 8 7 ) 。赤道表层水较高的p c 0 2 主要是由两方面造成的，即富含二氧化碳和营 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二氧化碳的源区有重要影响( w o n ge ta 1 ，1 9 9 3 ；f e e l ye t a 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 水表层水被覆盖，导致海水p c 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，这将对全球二氧化碳 的收支产生重要影响。 7 南黄海春季c 0 2 海- 气交换通量及其与夏季的比较 占地球海洋面积约2 0 的南大洋是二氧化碳最重要的汇区之一，吸收的二 氧化碳约为1 2 g c a l ，占海洋吸收二氧化碳净通量的3 5 ( 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主要方面：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二氧化碳的汇。 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二氧化碳潜在的汇区( 张远辉，2 0 0 1 ) 。 4 0 n 以北的北大西洋和挪威格陵兰海域也是二氧化碳的强汇区( t a k a h a s h i e t a l ，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， 这主要是由于富含二氧化碳的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，它仍是大气二氧化碳的净汇区。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。 综上所述，任何一个海区p c 0 2 的时空分布特征，必然是多种因素综合作 用的结果。在讨论某一时空条件下影响海水中p c 0 2 分布的因素时，我们可以 强调某一因素的主导作用，但不能将某一因素置于孤立的位置。 1 2 3 海水中p c 0 2 的测定及碳循环模型的研究 1 2 3 1 海水中p c 0 2 的直接测定 对于海水中化学分析法中，主要有电化学分析法、光学分析法、红外光谱 法和气相色谱法等。电化学测定法中主要有电位测定法、电导法、电流测定法、 声波测定法等。光学测定法主要包括分光光度法和荧光光度法。其基本原理是 气体或溶液中的二氧化碳通过一层渗透膜进入到含有对p h 变化敏感的显色溶 液中。由于二氧化碳反应引起p h 变化，导致显色试剂颜色改变。 在海水中p c 0 2 的直接测定中，应用最广泛的是红外光谱法( n d 取) 和气 相色谱法( g c ) 。红外光谱法测量p c 0 2 应用到海洋上比气相色谱法要早一些， 8 南黄海春季c 0 2 海气交换通量及其与夏季的比较 早在6 0 年代初，t a k a h a s h i ( 1 9 6 1 ) 、k e e l i n ge ta 1 ( 1 9 6 5 ) 就采用红外法测定海 洋和大气中的p c 0 2 ，这种方法的精密度和准确度都很好。采用的检测仪器是各 种型号的非色散红外分析仪或红外线分析器等，其工作方式有所不同，但都是 根据p c 0 2 在波长2 3 2 5 c m l 处吸收最