（环境科学专业论文）黄河口碳输运过程及其对莱州湾的影响.pdf

进行了优化处理，结合河口感潮河段悬浮物的粒径组成，可以发现小于3 2 p r o 的 细颗粒悬浮物承载了9 9 5 的黄河入海颗粒有机碳。 溶解有机碳：可能受到人工堤坝调控的影响，汛期和非汛期黄河进入河口时 溶解有机碳的含量较为稳定，分别为2 6 0 m g l 和3 0 l i n g 1 ；汛期和非汛期河1 ：3 感 潮河段沉积物向上覆水释放d o c 能导致黄河d o c 的有效入海通量分别增加 1 0 和2 0 左右。当悬浮物含量超过4 5 5 m g 1 时，黄河入海的有机碳以颗粒态为 主；反之，以溶解态为主。 溶解无机碳：黄河口d i c 含量普遍高于世界上其他河口，季节分布特征是 汛期d i c 小于非汛期。汛期和非汛期黄河口d i c 分别在s 5 和s 1 8 的高赫度 区保守性降低，低盐度区d i c 亏损的原因是由于碳酸钙的沉降作用，这种沉降 作用是以c a 2 + + h c 0 3 + 一c a c 0 3 + c 0 2 ( g ) + h 2 0 的形式进行的。受河1 ：3 区域碳 酸钙沉降作用的影响，黄河流域风化作用吸收的c 0 2 在河口将会有1 0 重新释 放到大气中。黄河1 2 1 淡咸水混合过程中p h 会出现相对于淡水端异常升高的现象， 这种现象的出现是由于混合过程中p c 0 2 相对于 h c 0 3 - 】更为迅速的降低引起的， 可以通过黄河1 5 1 混合区相对于淡水进入河1 2 1 前p h 的异常升高的区域来表征碳酸 钙的沉降作用发生的盐度范围。 颗粒无机碳：黄河口悬浮物中碳酸盐含量较高，这导致碱度受悬浮物影响较 大，只有当悬浮物含量小于5 3 m g l 时，悬浮物对碱度的影响可以忽略不计，因 此测定黄河口的碱度时必须进行过滤；黄河口颗粒无机碳浓度主要受控于悬浮物 含量，陆源悬浮物中p i c 稳定在1 7 5 左右，当悬浮物含量小于2 0 0 m g l 时， 由于浮游植物构成的海源悬浮物对陆源悬浮物的稀释作用，悬浮物中p i c 会迅 速下降。黄河口泥沙沉降作用对颗粒无机碳的截留效率约为8 0 。 二氧化碳分压( p c 0 2 ) ：黄河口悬浮物在低盐度区域大量沉降，颗粒有机碳 也随之沉降下来，从而使耗氧细菌所利用的碳源迅速减少，表观耗氧量迅速降低， 水体中的p c 0 2 也相应的在盐度0 - 5 的区域迅速下降，由于高碳酸氢盐的黄河水 中存在以下平衡： c 扩+ h c 0 3 一c a c 0 3l + c 0 2 ( 曲+ h 2 0 当p c 0 2 下降时，平衡会向右移动，导致黄河低盐度区发生碳酸钙的沉降现象使 d i c 发生亏损；因此，黄河口低盐度区悬浮泥沙的大量沉降作用能够导致心0 2 迅速下降，这是驱动黄河口发生碳酸钙沉降作用的主要机制。另外，非汛期( 4 月份) 黄河口磷酸盐含量较高，随着盐度0 5 的区域悬浮物的大量沉降，水体光 的透射率增加，使得浮游植物消耗c 0 2 也能够加剧碳酸钙的沉降作用，因此非 汛期黄河口碳酸钙的沉降范围会扩展到赫度为0 1 8 的区域。从整体上看，黄河 口在低盐度区域生物耗氧呼吸作用和碳酸钙的沉降作用是控制水体中p c 0 2 的主 要因素，而高盐度区p c 0 2 可能主要来源于海水对高碱度、高p h 的黄河水的酸 化作用。 受黄河调水调沙的影响，巨量的黄河淡水输入能够造成莱州湾盐度整体性下 降，莱州湾溶解性碳( d o c 、d i c ) 的分布都表现为由西南部向东北部外海逐渐 降低的趋势，调水调沙期间莱州湾d o c 、d i c 具有同源性，应以黄河输入为主。 但9 月份小清河入海流量增大后明显能对莱州湾西南部d o c 、d i c 的分布产生 影响。通过对悬浮物中p o c 的分析可以发现造成莱州湾内靠近黄河口和南部沿 岸区两个p o c 浓度高值区的因素分别是受黄河陆源输入和浮游植物的影响。黄 河口水体中较高的碳酸盐对p c 0 2 可能具有缓冲作用，因此黄河口及莱州湾明显 表现为大气c 0 2 的源区，不会成为汇区。通过p i c 的分析，可以发现莱州湾内 陆源和海源悬浮物的分界线约为3 0 m g l ，悬浮物中的p i c 可以示踪黄河泥沙在 莱州湾的扩散范围，黄河调水调沙输入的巨量泥沙可能最终在莱州湾内堆积。 关键词：黄河口，莱州湾，有机碳，无机碳，二氧化碳分压( p c 0 2 ) ，有效碳通 量。 i i t h e t r a n s p o r to fi n o r g a n i ca n do r g a n i cc a r b o ni nt h e y e l l o wr i v e re s t u a r ya n di t se f f e c to nl a i z h o ub a y a b s t r a c t 1 h et r a n s p o r to f c a r b o nb yr i v e r si sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f t h eg l o b a lc a r b o n c y c l e o f t h ew e l l - d o c u m e n t e d0 9g tc a r b o nc a r r i e db yw o r l dr i v e r se a c hy e a r a b o u t 4 0 i so r g a n i ca n dt h er e m a i n i n g6 0 i si n o r g a n i c d e s p i t et h el a r g eq u a n t i t i e so f c a r b o nd e l i v e r e df r o mr i v e r s ，o n l yas m a l lf r a c t i o no f i ti st r a n s p o r t e dt ot h ea d j a c e n t s h e l f a n do p e no c e a n e s t u a r i e sa r et h ep r i m a r y 行e s h s a l tw a t e ri n t e r f a c e t h e ya r c e x t r e m e l yd y n a m i cs y s t e m s ，c h a r a c t e r i z e db ys t r o n gp h y s i c o c h e m i c a lg r a d i e n t s ， e n h a n c e db i o l o g i c a la c t i v i t y ( b o t hh e t e r o t r o p h i ea n da u t o t r o p h i c ) a n di n t e n s e s e d i m e n t a t i o na n dr e s u s p e n s i o n e s t u a r i e sp l a ya l li m p o r t a n tr o l e i nt r a n s p o r t a t i o no f d i s s o l v e da n d p a r t i c u l a t em a t e r i a lf r o mt h ec o n t i n e n tt ot h em a r i n es y s t e m ，h o w e v e r v e r yl i t t l ei sk n o w na b o u tt h ee s t u a r i n ep r o c e s s e st h a tc o n t r o lt h ef a t eo f r i v e r i n e i n o r g a n i ca n do r g a n i cc a r b o n t h e y e l l o wr i v e r , a s o n eo f t h eh i i 曲t u r b i dr i v e r , h a s i m p o r t a n te f f e c to nc a r b o nc y c l eo f n o r t h w e s tp a c i f i co c e a n ，t ob e t t e ru n d e r s t a n d t h ee f f e c to f e s t u a r i n ep r o c e s s e so nr i v e r i n ei n o r g a n i ca n do r g a n i cc a r b o n ，d u r i n gt h i s s t u d y , t h ed i s t r i b u t i o n so f d o e ，d i e ，p o ca n dp i ei n y e l l o w r i v e re s t u a r yw e r e i n v e s t i g a t e dd u r i n gb o t hd r y ( a p r i l ，2 0 0 4 ；a p r i l ，2 0 0 6 ) a n dw e t ( s e p t e m b e r , 2 0 0 4 ； s e p t e m b e r , 2 0 0 5 ) s e a s o n s e s t u a r i n ep r o c e s s e sc o n t r o l l i n gc a r b o nt r a n s p o r ti nt h e e s t u a r i e sw e r ed i s c u s s e d ，a n dn e tc a r b o nf l u xw a sc a l c u l a t e d m o r e o v e r ，t h ee f f e c t so f y e l l o wr i v e rc a r b o n t r a n s p o r to nl a i z h o ub a y w e r ee s t i m a t e db yj u l ya n ds e p t e m b e r 2 0 0 5c r u i s e s d o ea n dd i ec o n c e n t r a t i o n so f y e l l o wr i v e rd u r i n gd r ys e a s o n sw e l eh i 【g h e r t h a nd u r i n gw e ts e a s o i i s t h ee f f e c t i v ec o n c e n t r a t i o n so f d o e ( c o o c + 1w e r eh i g h e r t h a nt h eo b s e r v e dd o ca tz e r os a l i n i t y t h i si n p u to f d o ci nt h e y e l l o wr i v e r e s t u a r yw a sd u e t os e d i m e n td e - s o r p t i o np r o c e s s e si nl o ws a l i n i t yl e g l o n i nc o n t r a s t t od o c t h ee f f e c t i v ec o n c e n t r a t i o n so f d i cw e r e1 0 l o w e rt h a nt h ed i cm e a s u r e d a tf r e s h w a t e re n d t h el o s so f d i cw a sc a u s e db yc a c 0 3p r e c i p i t a t i o ni nl o ws a l i n i t y r e , o n p o ca n dp i ec o n t e n to f t h ep a n i c l e ss t a b i l i z e dt oac o n s t a n tv a l u er0 5 1 a n d 1 7 5 r e s p e c t i v e l y ) w i t h i nt h et u r b i d i t ym a x i m u mz o n e ( t m z ) a n ds h o w e d n o v n o t i c e a b l es e a s o n a lv a r i a t i o n s ar a p i dd r o po f p i ca n dr o s go f p o co c c u r r e d s i m u l t a n e o u s l yd r o p p e do f p i c a n dr o s eo f p o c o u t s i d et h et m z p o c i n c r e a s ew i t hd e c r e a s i n gp a r t i c l e ss i z e , m o r et h a n8 0 p o cc o n c e n t r a t eo nf 1 6 l a m s i z ep a r t i c l e sa n dp o ci nf 3 2 p ms i z ep a r t i c l e sa c c o u n tt o9 5 f l u xf r o my e l l o w f i v e re s t u a t yt ob o h a is e a w h e nt s s = 4 5 5 m g l ，t h er a t i oo f d o c p o ci s1 ，w h i c h i n d i c a t et h a to r g a n i cc a r b o nt r a n s p o r ti ny e l l o wr i v e ri si nt h ef o r mo f p o c t h e ya r e d u et oa l li n t e n s ed i l u t i o no f r i v e r i n ei n o r g a n i c - r i c hp a r t i c l e si n t oap o o lo f a q u a t i c o r g a n i c p o o rp a r t i c l e so u t s i d et m z a n n u a l l y , t h ey e l l o wr i v e rt r a n s p o r t e d4 1 3 x 1 0 t o f d i c 3 8 4 x 1 0 4 t o f d o c 1 2 1 x 1 0 6 t o f p i c a n d3 5 4 x 1 0 4 t o f p o c t o t h e o c e a n w i t ht h ed r a m a t i c a l l ys e d i m e n to fp o ci nu p p e re s t u a r y , t h ep a r t i a lp r e s s u r eo f c 0 2 ( p c 0 2 ) ，w h i c hi sd e r i v e df r o mb i o g e n i cr e s p i r a t i o n ，s w i f t l yd e c r e a s ea n dl e a dt o c a c o sp r e c i p i t a t i o ni nl o ws a l i n i t yr e g i o n s ，t h ep hv a l u ew i l ls i m u l t a n e o u s l yi n c r e a s e i nt h i sa r e a i n s t a n ti n c r e a s i n gp hv a l u ec a l lb eu s e da si n d e xo fc a c 0 3 p r e c i p i t a t i o n i ny e l l o wr i v e re s t u a r y ，d u r i n gd r ys e a s o n ，p h o t o s y n t h e s i sw i l le n l a r g ec a c 0 3 p r e c i p i t a t i o nt os a l i n i t yo f 18 a c c o r d i n gt od i s s o l v e dm a t t e rm i x i n gm o d e li ne s t u a r y , t h eo b s e r v a t i o no f1 - t o - 1r e m o v a lo ft aa n dd i cp r o v i d ej u s te v i d e n c et h a td i c r e m o v a lw eo b s e r v e di nt h ef i e l di sar e s u l to fh c 0 3 r e m o v a l t h ep r o c e s sc a nc l e a n 1 0 ( 4 5 9 x i 0 4t o n s ) d i cw h i c hi st r a n s p o r t e db yf r e s h w a t e rb o t hi nd r ya n dw e t w e a t h e r s ，a n dt e np e r c e n to fc 0 2 ( 8 4 0 x 1 0 h ) w h i c hi s a b s o r b e db yc h e m i c a l w e a t h e r i n gp r o c e s si nd r a i n a g e b a s i nw i l lr e l e a s et o a t m o s p h e r ei ny e l l o wr i v e r e s t u a r y t h ed i s t r i b u t i o no fd o ca n dd i ci nl a i z h o ub a yw e r ec o n t r o l l e db yy e l l o w r i v e rd u r i n gt h et e s to fw a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o no ft h ey e l l o wf i v e r ( j u l y , 2 0 0 5 ) , h o w e v e r , w i t hr u n o f fo fy e l l o wr i v e rd e c r e a s i n ga n dx i a o q i n gr i v e ri n c r e a s i n gi n s e p t e m b e r2 0 0 5 ，d o ca n dd i cf r o mx i a o q i n gr i v e rw i l li n f l u e n c es o u t h w e s t l a i z h o ub a y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fc h l o r o p h y l l aa n dm i n e r a li nt s s w h e n t s si sl e s st h a n3 0 m g l ，p h y t o p l a n k t o ni n c r e a s eb u ts e d i m e n tf r o my e l l o wr i v e r d e c r e a s ei nt s s s i m u l t a n e o u s l y , c 2 0 。ec 2 0 + a n dc p io fn a l k a n er e s p e c t i v e l y i n c r e a s ea n dd e c r e a s e t s s = 3 0 m g lc a nb er e g a r d e da se f f e c t i v eb o u n d a r yb e t w e e n a l l o c h t h o n o u st s sa n da u t o c h t h o n o u st s s s e d i m e n tf r o mt h ey e l l o wr i v e rd i f f u s et o s o u t h e r nr i v e r - m o u t hi ns u r f a c el a y e r ；h o w e v e ri nb o t t o ml a y e r ，s e d i m e n t sd i f f u s i o n r a n g ec o n c e n t r a t ea tn o r t h e r na n ds o u t h e r nr i v e r - m o u t ho fy e l l o wr i v e lt h ec e n t r a l s e c t i o no f l a i z h o ub a yi sp o s s i b l eh a b i t a t i o no f s e d i m e n tf r o mt h ey e l l o wr i v e r v t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 4 0 4 7 6 0 6 3 ) a n dt h en a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a m ( 2 0 0 2 c b 4 1 2 5 0 4 ) k e y w o r d ：y e l l o wr i v e re s t u a r y , l a i z h o ub a y , t h ep a r t i a lp r e s s u r eo fc 0 2 ，d i s s o l v e d o r g a n i cc a r b o n , d i s s o l v e di n o r g a n i cc a r b o n , p a r t i c u l a t eo r g a n i cc a r b o n , p a r t i c u l a t ei n o r g a n i cc a r b o n ，e f f e c t i v ec a r b o nf l u x 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。 学位论文作者签名：；长面上签字日期：1 一o 、毋6 月6 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：弓臣面上 导师签字： 黼芋 签字日期：飞小声钼占日签字e l 期：7 年6 月f 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址 电话： 邮编 黄河u 碱输运过程及j 对菜州湾的影响 刖舌 “碳一气候”耦合系统是人类活动对环境的影响最直接的体现方面，工业革 命以来，人类活动将大量的以化石( 煤、石油) 形式固定的碳重新释放到了大气 中( c 0 2 ) ，自公元1 0 0 0 年至1 8 0 0 年大气d p c 0 2 的平均浓度曼j 2 7 5 p a t m ，且仅在 5 p , a t m 的范围内波动；这之后，人类活动对大气c 0 2 浓度的影响r 趋显著，大气 c 0 2 的浓度自1 8 7 0 年首次成为这之前近9 0 0 年间的最高值以来，其总体上呈 持续上升趋势( e t h e r i d g e e t a l ，1 9 9 6 ) 。当前大气c 0 2 水平在过去的4 2 万年问是 未曾有过的，并且仍以平均每年1 5 1 8 p a t m 的速度增长( p r e n t i c ee t a l 2 0 0 1 ) 。 人类活动已成为与太阳和地核并列的能引发地球系统变化的驱动力之一第 三驱动因素( 陈泮勤等译，1 9 9 2 ) ，由此导致的全球变暖现象已经日益成为公众 讨论的热点并且这种现象对人类赖以生存的环境的影响变得更为直接。气候变化 无国界，面对巨大挑战，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 h d 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( 1 g b p ，i h d pa n dw c r p ，2 0 0 1 ) 。 全球碳的存有量约2 6 1 0 ”吨，但其中9 6 2 ( 2 5 x 1 0 ”吨) 以碳酸盐的形式 贮存于岩石中，如石灰岩、大理岩等，另外2 9 ( 7 5 1 0 “吨) 的碳是地层中的有 机化合物，如煤、石油等。这些固体或液体状态的碳是全球碳循环的贮存库，自 然条件下几乎不参与全球碳循环过程。实际上参与圈层间交换与循环的碳只占其 总量的0 9 。在这部分参与循环的碳中，大气中的二氧化碳气体约占1 6 ( 3 7 4 x 1 0 1 2 吨) ，构成现存生物量的有机碳大约占l ( 2 3 4 x 1 0 挖吨) ，其余的 是海水中和海底沉积物中的固体碳( 1 8 2 3 6 x l o 4 吨) 。因此，从空间的角度讲， 目前的碳循环研究主要分为陆地碳循环和海洋碳循环两部分。 河流及河口系统是连接陆地和海洋两大碳库的主要环节，据统计，河流每年 向海输入约1 g t c ，其中有机碳4 0 、无机碳6 0 ( l u d w i g e t a t , 1 9 9 6 ) ，因此河流 在陆一海两大碳库之间碳交换的重要通道。河口系统作为陆地侵蚀物质输入海洋 的最终通道，是准确评估陆地碳循环和海洋碳循环净通量的重要补充环节，它记 黄 i i u 碳输运过程及j e 对莱州湾的影响 录、响应流域陆地碳生态系统的演变并将人类对陆地碳生态系统的扰动波及到海 岸带及海洋系统。但是从有机碳循环的角度看，陆源输入的d o e 足以支持整个海 洋中d o e 的循环过程( w i l l i a m se ta ， 1 9 8 7 ) ，陆源p o e 也能够弥补每年海洋沉积物 中埋藏的有机碳的量( h e d g e se t a , 1 9 9 5 ) ，但是陆地一海洋碳循环过程中最神秘的 现象是海水和海洋沉积物中能发现的陆源有机物仅占河流输入的很小部分 ( h e d g e se ta , 1 9 9 7 ；w a n ge ta 1 2 0 0 4 ) 。也可以说，陆源有机碳在海洋循环过程中 存在丢失项。h e d g e s ( 1 9 9 7 ) 认为可能是陆源有机碳在河流向海洋的输送过程中在 数量和性质等方面发生了显著的变化。从无机碳的角度，流域内的风化作用是大 气二氧化碳重要的汇( b a r t h e t a l 2 0 0 3 ) ，而河口却总是表现为大气二氧化碳的源 区( f r a n k i g n o u l l e e t a l 1 9 9 8 ；c a ie t a l 2 0 0 4 ) ，陆源无机碳向海洋的输送并没有引 起海水中无机碳含量明显的升高。种种现象表明：河口在全球碳循环中扮演重要 角色。河口是陆源碳向海洋输运的必经之处，其水体滞留时间长，盐度、p h 、氧 化还原电位、离子强度等物理化学参数变化梯度大，这导致河水携带的颗粒态及 溶解态物质在此絮凝、吸附一解析、沉积作用比较剧烈( h a r v e ye ta l 2 0 0 1 ；g o n ie t a l 。2 0 0 5 ) 。这些过程能够对输入的陆源物质的数量和特性产生单独或耦合的影响 从而影响碳的有效入海通量。要准确评估陆地生态系统碳汇到底有多大，河流碳 输运作为陆地生态系统和海洋生态系统的单向纽带作用不容忽视。 黄河是世界上最有代表性的高混浊度河流之一，其陆源碳的输入对渤海乃至 整个西北太平洋的生态系统都会产生较大的影响。因此，正确认识高混浊度黄河 口碳的输运特征及有效入海通量是揭示河口对陆地、海洋碳循环影响的重要补充 之一。 几年来，在导师的辛勤指导下，论文的研究工作取得了长足进步。但是由于 本人的知识水平所限，特别是对其中一些问题目前尚无成熟的研究范例，加之历 史资料的分散和不足，因而对数据使用和处理难免有偏颇和不当之处，而对文中 数据的剖析和讨论的深入程度就更是自显不足。文中的不妥之处真诚的恳请各位 专家给予批评和指j 下。 但无论如何，我相信本文的努力将为今后同行的研究提供些许的灵感，为河 口碳输运的研究提供有益的参考。 茧# 口 | 碳输运过程及j e 对荣州湾的蟛响 第一章文献综述 近1 0 0 多年来，全球平均气温经历了冷一暖一冷一暖两次波动，总得看为上 升趋势。进入八十年代后，全球气温明显上升，1 9 8 1 1 9 9 0 年全球平均气温比 1 0 0 年前上升了0 4 8 ( 图1 1 ) 。导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪 以来大量使用矿物燃料( 如煤、石油等) ，排放出大量的c 0 2 等多种温室气体。 由于这些温室气体对来自太阳辐射的短波具有高度的透过性，而对地球反射出来 的长波辐射具有高度的吸收性，也就是常既的“温室效应”，导致全球气候变暖。 全球变暖的后果，会导致全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等 现象，既危害自然生态系统的平衡，又威胁人类的食物供应和生存环境。全球变 化的气候问题，已经引起了各国科学界、政府的高度重视。1 9 9 7 年气候变化 框架公约：京都议定书( k y o t o p r o t o c 0 1 ) ) ) 规定了发达国家和经济转轨国家在2 0 0 8 年到2 0 1 2 年的承诺期内将6 种温室气体( 包括：c 0 2 ，c 1 - 1 4 ，n 2 0 ，h f c s ，p f c s ， s f 6 ) 的排放总量在1 9 9 0 年的基础上平均减少5 2 ，同时还规定发达国家之间可 以“联合履行”宏观减排指标。美国所排放的二氧化碳占全球排放量的2 5 以上， 虽然美国曾于1 9 9 8 年1 1 月签署了京都议定书，但2 0 0 1 年3 月布什政府以“减 少温室气体排放将会影响美国经济发展”和“发展中国家也应该承担减排和限排 温室气体的义务”为借口，宣布拒绝执行京都议定书；2 0 0 2 年9 月，我国领 导人在南非召开的可持续发展世界首脑会上，代表中国政府正式宣布核准了京 都议定书，为在全世界推动浚议定书的实施发挥了重要作用，办将加速我国对 c 0 2 浓度、碳通量、碳循环的监测和研究工作步伐，以兑现我国政府的承诺。 h o a r 图1 i t 业革命以束全球平均气温变化幅度 因此，全球变暖的实质是碳的自然循环系统在人类活动压力下失调进而导致 赞 i i u 碳输运过程及对策州湾的影响 温室气体( c 0 2 ) 的激增。自然界中各种形态的碳元素在大气圈、水圈、生物圈 和岩石圈之间相互转换和运移的过程即为全球碳循环。当静学术界所关注的碳元 素的表生循环发生在地球表层系统，以外力( 主要是太阳能) 为主要驱动力。光合 作用、土壤侵蚀及河流搬运等都属于碳的表生地球化学循环的环节。 1 1 全球碳循环 全球碳的存有量约2 6 l o 吨，但其中9 6 2 ( 2 5 x 1 0 1 6 吨) 以碳酸盐的形 式贮存于岩石中，如石灰岩、大理岩等，另外2 9 ( 7 5 x 1 0 1 6 吨) 的碳是地层中 的有机化合物，如煤、石油等。这些固体或液体状态的碳是全球碳循环的贮存库， 自然条件下几乎不参与全球碳循环过程。实际上参与圈层间交换与循环的碳只占 其总量的o 9 。在这部分参与循环的碳中，大气中的二氧化碳气体约占1 6 ( 3 7 4 x 1 0 1 2 吨) ，构成现存生物量的有机碳大约占1 ( 2 3 4 x 1 0 1 2 吨) ，其余的是 海水中和海底沉积物中的固体碳( 1 8 2 3 6 x 1 0 “吨) 。因此，从空间的角度讲，目 前的碳循环研究主要分为陆地碳循环和海洋碳循环两部分( 图1 2 ) 。 图1 29 0 年代拿王j 2 碳循环模式f c s a b i n e ) 1 1 1 全球碳循环的模式 陆地碳循环 陆地生态系统碳库可分为一定数量的亚库，具有不同的周转时自j ，但主要是 植被和土壤两个大的分库，它们各自的内部组成和反馈机制均极为复杂。森林是 陆地生态系统的主体，森林生态系统储存了陆地生态系统中7 6 9 8 ( d i x o ne t 4 燕 l | u 碳输运过程发其对莱州湾的蟛响 ，1 9 9 4 ) 的有机碳，它对大气中c 0 2 浓度的影响越来越受到科学家的关注。而 森林生态系统的碳储量是研究森林生态系统与大气间进行碳交换的基本参数，也 是估算森林生态系统向大气吸收和排放的关键因子。土壤是个巨大的有机碳库， 它占全球陆地总碳储量的2 ，3 3 4 ，比全球陆地植被和大气的碳库总量还多。土 壤碳库的微小变化可以导致大气二氧化碳浓度的显著变化，从而导致对全球气候 的显著影响，土壤有机碳库包括土壤有机质和地表凋落物两大部分。无论是对植 被碳库还是土壤碳库，不同研究者其估算值差异很大，这主要是由于不同估算方 法之间的差异( 假设条件、各类参数取值、测定的土壤深度、调查的土壤类型、 植被类型全面与否等) 以及估算中的各种不确定性造成的。陆地生态系统是一个 植被一土壤气候相互作用的复杂耦合系统，内部各子系统之间及其与大气之间存 在着复杂的相互作用和反馈机制，各种数据较难获得。 陆地生态系统的碳循环包括许多复杂的过程。植物通过光合作用吸收大气中 的二氧化碳，将碳储存在植物体内，固定为有机化合物。其中，一部分有机物通 过植物自身的呼吸作用( 自养呼吸) 和土壤及枯枝落叶层中有机质的腐烂( 异养呼 吸) 返回大气，这样就形成了大气一陆地植被土壤一大气整个陆地生态系统的碳循 环。植被通过光合作用同化二氧化碳，同时，其自养呼吸消耗二氧化碳，二者的 差值为净初级生产量( n p p ) ；进一步的损失主要发生在死亡有机物残体和土壤微 生物分解上，即异养呼吸，净初级生产量与这一部分的差值为净生态系统生产量 ( n e p ) ；附加损失是由各种扰动，如火灾、水灾、风灾、干旱、病虫害以及各种 人类活动造成的，n e p 减去由于各种扰动造成的碳排放则得到净生物群落生产 量( n b p ) 这一系列过程是在不同时间和空间尺度上发生的，包括从瞬间的g p p 反应到生态系统长期的碳平衡以及从个体、生态系统到景观或更大尺度上的生物 群系。影响不同尺度碳循环过程的环境要素也各不相同，由于陆地生态系统的复 杂性和多样性，植被、土壤和气候均存在空间和时间上的极大差异，各种不同生 态系统类型的反应速度、分解速度和碳蓄积能力也存在较大差异，这些都增加了 陆地碳循环研究中的不确定性。随着c o ：浓度的不断升高，陆地生态系统将是 人类活动引起的碳排放的一个潜在碳汇，但不同类型植被对c 0 2 升高的响应机 制各不相同。从长期来看，所有n p p 都将成为死生物量( 残屑) 并通过异氧呼吸或 自然及人为造成的火灾等扰动返回到大气碳库中，由于陆地生念系统生物过程对 黄j i l u 碳输运过程及j e 对莱州湾的蟛响 温室气体浓度升高和气候变暖具有一定的适应性，因而近年来科学家们设计了各 种人工控制实验方案，以便模拟和预测陆地生物过程对气候变化的响应，揭示陆 地生态系统碳循环过程对环境变化的适应机制。 海洋碳循环 海洋是全球生态系统的重要组成部分，在地球系统中，其与大气、陆地紧密 联系在一起，在调节全球气候等方面发挥着举足轻重的作用( 宋金明，2 0 0 6 ) 。海 洋碳循环过程较陆地更为复杂，不仅涉及海洋生物、化学过程，还与不同时空尺 度的海洋环流密切相关。全球变化引起的海洋变化十分明显，现在已经能够观测 到海洋的大尺度物理、化学和生物特征的变化，其中海洋食物链结构、海岸带富 营养化和珊瑚礁退化最为明显，海洋生物地球化学过程的研究可为进一步了解认 识海洋变化的机制奠定基础。 海洋中生物群的碳贮量约3 g t ，溶解有机碳约1 0 0 0 g t ，溶解无机碳为 3 7 4 0 0 g - t ( 严国安，2 0 0 1 ) ，因此海洋碳循环在全球碳循环中起着决定性作用， 是全球碳循环系统的一个重要子系统，在缓和温室效应及对全球气候变暖趋势的 影响方面有极重要的作用。海洋碳循环过程中的正、负反馈作用十分复杂。为了 探明海洋是以何种过程、能够以多大的容量吸收在大气中增加的二氧化碳，有必 要系统地研究大气中二氧化碳通过物理化学过程进入海洋，并以碳酸盐形式进入 深海的“溶解泵”过程，以及通过海洋表层的生物活动吸收以有机碳形式进入深 海的“生物泵”过程，以及深水和海底碳酸盐库对大气二氧化碳输入的反馈作用。 海洋碳系统可作为一个耗散的非线性动力学开放的复杂巨系统，它通过吸收太阳 能而维持着目前这样一个高度有序的状态，海洋碳系统如按空间结构划分可分为 3 个系统，即表层海水、深层水以及海底沉积物。如按组成可划分为海水、浮游 生物、颗粒物、底栖动物、沉积物等子系统。此外，还可以分为无机碳和有机碳 两个子系统。海洋沉积物是全球碳的重要源与汇，在碳循环中起着重要的作用( 郑 国侠，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 全球碳循环研究的关键问题 在过去的三十年中，全球碳循环研究一直是围绕着下面的平衡( 表1 1 ) 开 展的，作为2 0 世纪8 0 年代初以来的科学之谜，“碳失汇”现象曾吸引着大批的 科学家去探索。加上全球变暖已成为事实，政治决策者也开始不得不考虑包括“碳 失汇”在内的全球碳循环问题。因此，自2 0 世纪9 0 年代初开始，“碳失汇”问 6 黄河口碳输运过程及其对莱州湾的影l 冉 题的研究不仅成为一个科学问题，也逐渐成为政治家决定全球环境政策的一个重 要技术支撑。在科学和政治两股力量的推动下，碳汇问题的研究成为2 0 世纪9 0 年代以来欧美科技界的最大热点之一和有关全球环境政治的焦点。2 0 0 2 年 s c i e n c e 杂志l o 大科技进展( b f e a k t l l r d u 曲) 评选揭晓。大气“碳失 ( m i s s i n g c a r b o n s i n k ) 现象的阐明被列为其中之- - ( t h e n e w sa n de d i t o r i a ls t a f f so f s c i e n c e ，2 0 0 1 ) 。 表1 1 大气中c 0 2 的平衡模式 陆地生态系统净 人气中c o z 的增碳的丢失量 化石燃料释放量释放量海洋吸收量 加量 m i s s i n g e m i s s i o n s 们mn e te m i s s i o n s 0 c e a n i c a t m o s p h e r i c c a r b o n f o s s i if u e t sf r o mc h a n g e su d t a k e i n c r e a s es i n k i n i a n du s e 3 2 ( 士o 2 ) 6 3 ( 士o 4 )2 2 ( 士o 8 )2 4 ( 士0 7 )2 9 ( - , - i 1 ) p g cp g cp g cp g cp g c 来自地面植被观测、大气c 0 2 浓度监测、卫星遥感信息的应用、生态和大气模 型的模拟等方面的研究均表明，北半球中高纬度的陆地生态系统是一个巨大的碳 汇，固定了大部分全球碳循环中“去向不明”的c 0 2 ( p a c a l a e l a l ，2 0 0 1 ；s c h l m e l e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。也就是说，北半球植被的物质合成能力在加速。这种生长加速被 解释为是由于大气c 0 2 浓度增加、气温上升、植被的生长期延长以及大气氮沉 降的增加等所致( f a n g e ta 1 ，2 0 0 2 ) 。因此，持续了2 0 余年的c 0 2 失汇之谜也就有 了答案。尽管研究已经表明北半球是一个巨大的碳汇，但现代的科学技术及其数 据的积累尚不能准确地回答碳汇到底有多大，其区域分布如何? 也就是说，碳 汇问题仍存在着相当大的不确