（环境科学专业论文）黄海春、夏季节表层海水pco2控制机制的演变.pdf

黄海春、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 式计算结果的平均值估算了黄海月际c 0 2 通量，并计算了黄海春、夏季c 0 2 通 量。3 月份的碳通量明显高于其它月份，是大气c 0 2 的源区，可向大气排放 2 9 8 x 1 0 6 t c ，4 月份和7 月份的碳通量在量值上仅为3 月份的十分之一左右，而5 月份的南黄海，则表现为大气c 0 2 的净汇区，可吸收一0 9 0 x 1 0 6 t c 。黄海海域在春 夏两季均表现为大气c 0 2 的源，春季的c 0 2 通量为2 4 3 x 1 0 6 t c ，约为夏季碳通 量的2 倍。黄海春季和夏季共向大气释放3 5 4 x 1 0 6 t c 。 关键词：黄海；二氧化碳分压；控制机制 黄海春、夏季节表层海水v c 0 2 控制机制的演变 t h ee v o l u t i o no ft h ec o n t r o lm e c h a n i s mo fs n r f a c ew a t e r p c 0 2 i nt h ey e l l o ws e ai ns p r i n ga n ds u m m e r a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es t u d yo nt h et r a n s f e ra n de n d - r e s u l to fc a r b o nd i o x i d ei n c l u d i n g t h eo c e a r l sa b i l i t yi na b s o r b i n ga n dt r a n s f e r r i n gt h ea t m o s p h c r i cc a r b o nd i o x i d e ，t h e c y c l em e c h a n i s mo fc a r b o nd i o x i d ei no c e a n se ta 1 h a sb e e na ni m p o r t a n tc o n t e n ti n m a n y i n t e r n a t i o n a lm a r i n es c i e n t i f i cr e s e a r c hp l a n s s u c ha sj g o f s ，l o i c za n di g b p , e s p e c i a l l yi nt h es u r f a c eo c e a na n dl o w e ra t m o s p h e r es t u d y ( s o l a s ) i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec o g r e d i e n td a t a so fh y d r o l o g y , c h e m i s t r ya n db i o l o g y , t h ed a t e so fs u r f a c ew a t e rc 0 2p a r t i a lp r e s s u r e ( p c 0 2 ) a tg r i ds t a t i o n si nt h ey e l l o w s e a ( y s ) ，i n t h et h r e ec r u i s e so fs o l a s ，t h ef i r s tc r u i s eo f 9 0 8 a n dt h ec r u i s ei n j u l y , 2 0 0 1 ，a r es e r v e dt od i s c u s st h ed i s t r i b u t i o no f t h e p c 0 2a n dt h em e c h a n i s m sb y w h i c ht h ew h o l es e ac o u l ds u s t a i ns u c hl e v e lo f p c 0 2 t h em a i nr e s u l t sa r ef o l l o w i n g ： t h em a g n i t u d eo f p c 0 2o fe a r l ys p r i n gs h o w e dt h a tt h ey sa c t e da sas o u r c eo fc 0 2 f o rt h ea t m o p h e r m a i n l yb e c a u s et h ev e r t i c a lm i x i n gw a sr e m a i np r o m i n e n t h y d r o g r a p h i cf e a t u r e i ne a r l ys p r i n g , s ot h a tt h ew a t e r 谢t l l1 1 i g hc o n c e n t r a t i o no f c 0 2 砒t h eb o t t o ml a y e rc o u l dt r a n s p o r tt ot h es u r f a c el a y e r i ns p r i n g , t h ep c 0 2i s h i 曲i nt h en o r t h e r ny sa n dt h e c o a s t a la r e ad u et oi n f l u e n c e so fv e r t i c a l l y h o m o g e n e o u ss t r u c t u r e a sf a ra st h eo f f s h o r eo ft h es o u t h e r ny sw h i c hi n f l u e n c e d b yy e l l o ws e ac o l dw a t e r , i sc o n c e r n e d ，p c 0 2i sl o w e rt h a na t m o s p h e r ep c 0 2 t h e s i g n i f i c a n th y d r o l o g yf e a t u r eo ft h es o u t h e r ny si st h ee m e r g e n c eo ft h et h e r m a l s t r a t i f i c a t i o n ，a n dt h es u r f a c ew a t e rc o u l dn o tg e th i g hp c 0 2s u p p l e m e n tf r o mt h e b o t t o m t h a tp c 0 2i sl o w e rt h e r et h a no t h e r s m e a n w h i l e , d u et ot h es p r i n g s t r a t i f i c a t i o n ，t h en u t r i m e n ti sa b u n d a n c 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 e , s ot h ep h o t o s y n t h e s i sh a sc a u s e dad e c r e a s eo f p c 0 2i nt h em i d d l es y s i nm a y ，t h e y a n g z t ef r e s h w a t e r , n o r t h e r nj 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 rb r i n ga b o u t t 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 i ns u m m e r , t h e p c 0 2i sh i g hi nt h e n o r t h e r no f3 5 0 na n dt h ec o a s t a la r e a d u et ot h ep h y s i c a lf a c t o 嘏t h es o u t h e r no f 3 5 0 np c 0 2i sl o wd u et oi n f l u e n c e so fy a n g z t cf r e s h w a t e r d u r i n gt h ed i f f u s i n go f y a n g z t cf r e s h w a t e rt on e ，i tg e n e r a t e sap l u m ef r o n tw h i c hc 觚e x p a n dt o3 5 。n ，a n d t h ep c 0 2d e c r e a s ew i t hc h l a t h a tb e c a n s et h ep l u m ef r o mc o n t a i n sa b u n d a n t n u t r i e n t sw h i c hr e s u l ti ns i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db i o i o g i c a la c t i v i t i e s ，a n dt h u sl e a dt o p r o n o u n c e d l yi n , e a s e dc o n s u m p t i o no f c 0 2 u s i n gt h r e eg a se x c h a n g ec o e f f i c i e n t sc a l c u l a t e df r o mt h ew a n n i n k h o f ( 1 9 9 2 ) ， t a n s ( 1 9 9 0 ) ，m c g i l l i s ( 2 0 0 1 ) a n dt h ei n s t a n t a n e o u sw i n ds p e e d t oc a l c u l a t et h e m o n t h l ya n ds e a s o n a l l yf l u xo f t h ey e l l o ws e a i nm a r c h , t h ew h o l ey s 硒as o u r c e c a nr e l e a s e2 9 8 xl 矿t ct ot h ea t m o s p h e r e t h ef l u xo fa p r i la n d j u l yr e l e a s e sa b o u t t e n t ho ft h em a r c h b u ti nm a y t h es y sb e c o m e sas i n k , a n di tc a na b s o r b s 0 9 0 x 1 0 6 t c o v e r a l l t h er e g i o ni sas i n ki ns p r i n ga n ds u m m a , a n di tr e l e a s e s 3 5 4 x 1 0 6 t ct ot h ea t m o s p h e r ei na 1 1 k e y w o r d s ：y e l l o ws e a ；p c 0 2 ；c o n t r o lm e c h a n i s m 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 ( 逵；垫遗直墓他盂要挂剔岜盟鳇：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。 学位论文作者签名：晴暂绪签字日期：加唧年6 月了日 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：访弋美冀 签字日期：7 卿年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩擀7 协争 签字日期：m 年6 月它日 电话： 邮编： 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 、p c 0 2 的研究中取得了 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 2 的能力将如何变化? ”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 工作组从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 d i g b p 一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 球化学与物理过程欧和研究”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。开展中国邻近海域 s o l a s 的碳循环研究，对于确定全球碳循环和通量，全球海域是大气c 0 2 的“源” 或是“汇”的分布图中空白，中国邻近海域是大气c 0 2 的“源”或是“汇”；估 算海洋吸收大气c 0 2 的能力，正确估价全球陆架边缘海表面海水和低层大气在 碳循环中的作用和确立我国在海洋碳循环研究中的国际地位都具有重要意义。 本论文利用中国s o l a s 计划三个航次， 9 0 8 ”项目2 0 0 6 0 7 及2 0 0 1 0 7 航次， 对黄海的水文、化学和生物参数进行了同步观测，分析了黄海春、夏两季表层海 水p c 0 2 的分布特征及其控制机制的演变。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，诚恳地恳请诸位专家和 老师给予批评指正。 2 黄海春、夏季节表层海本p c 0 2 控制机制的演变 1 文献综述 1 1 碳循环研究的重要意义 工业革命以来，化石燃料燃烧等人类活动已经显著的改变了全球碳循环 【l 瑚。k e e l i n 9 4 1 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 3 0 0 p p m t 5 】上升到目前的 3 7 7 1 p p m 6 1 。最近的研究发现大气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 t t l 。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【s , 9 1 。由于“温 室效用”的加剧，全球变暖将可能造成冰雪融化、海平面升高、陆地面积变小等 一系列变化，这将对全球生态系统和人类生存环境产生深远的影响，甚至是严重 的威胁【1 2 1 。 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，这是国际社会面对这一复杂而 严峻的全球问题所作出的一个重大而具体的反应。面对气候变化对生态系统、人 类生存环境和社会发展带来的影响，世界面对的挑战就是要在气候变化所带来的 有害影响与经济和社会的高速可持续发展之间进行平衡。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重大的负面影响，京都议定书只规 定了工业化国家，即发达国家的减排义务，而对于发展中国家，考虑到目前经济 发展的必要，其减排义务将滞后一步执行。但是发达国家正在利用各种手段，动 用经济威胁加紧向发展中国家施压，要求包括中国在内的印度、巴西等发展中大 国直接承担减排义务。美国政府不履行京都议定书的主要目的就是要提出一 个让发达国家和发展中国家共同承担温室气体减、限排义务的“替代方案”来取 代京都议定书。前国务院总理朱镕基在2 0 0 2 年9 月2 4 日在南非举行的地球 峰会( 即联合国可持续发展世界峰会) 上，宣布中国政府核准旨在减少温室气体 排放量的京都议定书，而朱镕基总理此次南非之行的主要目的之一，就是呼 吁发达国家带头保护环境，并提出发展中国家在环保和经济发展方面所面对的挑 黄海春、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 战。中国目i ；i 已经把环境保护确定为一项基本国策，把实施可持续发展和科教兴 国作为国家的两大战略。中国政府在地球峰会上的立场，标志着我国批准加入京 都议定书的有关步骤已经启动。而经过三年多的艰苦谈判和实质性努力，中国 已经在温室气体的减、限排方面做出了卓有成效的工作。在京都议定书的框 架范围内，各发达国家为了最大限度地争取国家利益，都在加大本国陆地及其近 海生态系统碳循环特征和碳收支平衡的研究力度，探讨灵活运用京都议定书 相应条款地国家政策和策略，寻求各自的c 0 2 减排和增汇对策技术。我国人均 c 0 2 排放量远远低于发达国家( 即为世界平均水平的6 6 ) ，但是1 9 9 7 年c 0 2 总排放量约为8 1 7 8 5 3 亿吨，约占全球的1 3 7 ，仅次于美国的2 4 3 ；预测 结果表明2 0 3 0 年的c 0 2 排放量将达到1 0 1 9 1 9 2 5 亿吨【1 3 】。随着我国经济的快 速发展，温室气体的排放量还会增加。因此，我们必须投入的足够的人力和物力， 提高研究水平，较准确的回答我国陆地及近海生态系统的固碳能力有多大? 生态 系统的管理能增加多少碳吸收量? 怎样把增汇纳入国民经济与社会发展等一系 列问题，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 利益提供可靠的科学依据，保障国家的可持续发展。 综上所述，无论从环境保护，还是从经济发展的角度，对于碳在海洋圈、大 陆岩石圈、海底沉积物圈、生物圈和大气圈中循环的研究都具有极其重要的意义。 而在这其中，海洋碳循环是全球碳循环研究的重中之重。海洋是一个非常大而强 的碳库，海洋对气候变化的影响不仅在于海一气之间热量和能量的交换，海一气问 的物质( c 0 2 、c h 4 、d m s 等) 交换同样起着重要作用d 4 - 1 8 1 。据报道，人类每年 产生的人为c 0 2 近7 0 亿吨d 9 - 2 0 】约有一半停留在大气中，而其余的c 0 2 被海洋等 储圈吸收 2 1 - 2 5 】。因此，了解海洋对大气c 0 2 含量水平以及全球气候变化具有重 要意义。海洋是全球碳循环至关重要的纽带，它在大陆岩石圈、海底沉积物圈、 生物圈和大气圈之间碳的交换、流动过程中占主导地位。研究c 0 2 在海洋中的 转移和归宿，即海洋吸收、转移大气中c 0 2 的能力以及c 0 2 在海洋中的循环机 制等已经成为当今国际海洋科学研究前沿领域的重要内容【2 6 1 。 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 2 7 - 3 2 】，但 4 夔塑壹：曼垩堇塞星塑查! 塾丝型! ! 型竺塑奎 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 r p ( 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 j p ) ，提出了四个中心问题，其中之一就是“海洋吸收大气c t h 的能力将如 何变化? ”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 e e o c e a n l o w e r a 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 sq - 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 计划之一3 3 1 。开展中国邻近海域s o l a s 的碳循环研究，抓住了中国陆架海域碳 循环的关键科学问题，对于确定中国邻近海域是大气c 0 2 的“源”或是“汇”， 估算海洋吸收大气c 0 2 的能力，正确估价全球陆架边缘海表面海水和低层大气 在碳循环中的作用和确立我国在海洋碳循环研究中的国际地位都具有重要意义 【矧 1 2 海洋中的二氧化碳体系 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 2 体系参与大气一海 洋界面、海洋沉积物一海水界面、海水一生物界面以及海水介质中的化学反应，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。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，在形成及维持生命 5 和生态环境方面有着重要作用。c 0 2 体系在海洋中的平衡主要包括以下过程： c 0 2 ( g ) = c 0 2 ( w ) c 0 2 ( w ) + h 2 0 = h 2 c 0 3 h 2 c 0 3 = h + + h c 0 3 h c 0 3 = h + + c 0 3 2 + c a 2 十+ c 0 3 2 - = c a c 0 3 由于c 0 2 溶于水时伴随着与水分子之间的相互作用，所以在海水中以h c 0 3 。、 c 0 3 厶、溶解c 0 2 和h 2 c 0 3 四种形式存在。海洋中总c 0 2 的含量约为2 2 n u n 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 c 0 3 。形式为主， 其次是c 0 3 2 o 在c 0 2 + h 2 c 0 3 中则是以溶解c 0 2 为主，因此通常把c 0 2 和h 2 c 0 3 合称为“游离c 0 2 ”，可用二氧化碳分压( p c 0 2 ) 表示。作为c 0 2 体系的一个关 键参数，p c 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f 3 5 。8 】，p c 0 2 的确定对于海洋与大气的c 0 2 交换及海洋生物过程的研究有重要意义【3 9 - 4 2 1 。海 水表层的p c 0 2 主要由复杂的生物活动、海洋中c 0 2 体系的缓冲能力以及海洋环 流、水团以及上升流等动力学过程控制，因而有较大的时空变化。海洋作为一个 整体是大气c 0 2 的汇( 沉降池) ，这无须质疑。 1 3 海水中邱0 ：的测定 早期的心0 2 数据一般是依赖于p h 和碱度( a l l 【) 间接获得。目前，在海洋 调查的海水p c 0 2 的直接测定中，主要包括以下四种方法：( 1 ) 电化学分析法( 2 ) 光 学分析法( 3 ) 红外光谱法( 4 ) 气相色谱法。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c 0 2 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c 0 2 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 i r ) 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，早 在6 0 年代初，t a k a h a s h i 4 3 1 、k e e l i n ge ta 1 【删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 6 黄海春、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 长2 3 2 5 c m 处吸收最大进行检测。 气相色谱中，只有热导池检测器( t c d ) 对c 0 2 有响应，但灵敏度很低。 现在的气相色谱法分析海水中的c 0 2 ，一般是样品气中的c 0 2 在色谱柱内分离 后，进入转化柱被甲烷化镍催化氢化为c h 4 ，然后由氢火焰离子检测器( f i d ) 检测，检出信号经放大器放大送到记录仪h 5 l 。气相色谱法的灵敏度比红外稍低， 但精密度比红外法高，其应用也逐渐推广。 一般来说，红外光谱法更适合于实现连续测定，而气相色谱法有需求样品 量少等优点晰】。在通量计算中，c 0 2 测定的精密度要求小于l ，红外法和气相 色谱法都能达到这个要求，红外法的精密度一般是1 4 7 1 ，气相色谱法对大气要 好于o 8 ，对海水约l 蚶4 引。 气相色谱法和非色散红外法都需要海气交换平衡器作样品前处理，并且是测 定准确与否的关键。目前平衡器主要有三种类型 4 9 1 ，即喷淋式 5 0 - 5 3 1 、鼓泡式 5 4 - 5 6 1 和层流式 5 7 - 5 8 】，或者将喷淋与鼓泡二者功能结合在一起等0 5 8 1 。设计不同的平衡 器之间的互校引起了科研工作者的重视，在这方面有不少工作已经开展。 1 4 全球陆架边缘海碳循环的研究现状 近几十年来，经过i g b p 、j g o f s 等国际大的科学研究计划对全球碳循环作 了比较深入和全面的研究，得出的结论是：海洋每年大约可从大气吸收人类排放 c 0 2 总量的3 0 ，即约2 0 x1 0 8 t c 5 9 - 6 2 ，而不是最初估算的3 0 x 1 0 8 t c 。也就是说， 到目前为止观测数据和理论计算模式还闭合不了全球碳的循环，即每年大约 1 0 1 5 x 1 0 8 t c 不知去向。由于无法将人类活动产生的过量c 0 广源( s o u r c e ) 与 碳的各储库一汇( s i n k ) ，两者之问做出合理的平衡，在全球碳循环过程中便产 生了所谓的“丢失碳汇”( m i s s i n gs i n k ) 的问题 6 3 】。这些碳汇到底在何处? 是如 何分配的? 等等问题已经成为当今全球碳循环研究的焦点问题。目前，国际上关 于“m i s s i n gs i n k ”的去处主要存在两种观点：即陆地生态系统和陆架边缘海是 碳循环中“m i s s i n gs i n k ”的主要去处【6 4 1 。 一些研究表明陆地生态系统的确净吸收大气c 0 2 t 6 5 - 6 6 。s c h i n d l e r 等 6 7 1 的研 究表明，丢失碳汇可能是由于北半球大陆的森林引起的，方精云等【6 8 】认为，丢 失碳汇可能在该纬度地区的土壤圈内。s c h i n d l e r 等【6 7 1 认为，陆地生态系统在2 0 7 黄海春、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 世纪8 0 年代基本上是平衡的，而在9 0 年代却是一个碳汇。s a b i n e 等唧】的研究 结果也表明陆地生态系统是碳汇。但是，由于目前尚缺乏对陆地生态碳循环的系 统观测和研究，对其汇量的估算还存在很大的不确定性【6 9 】。 有更多的研究者认为陆地生态系统对平衡目前碳循环的“源”与“汇”贡献 不大，是海洋吸收了更多的碳【俳7 n 。 目前许多研究都表明陆架边缘海可能是大气c 0 2 的汇。在东海开展的年度 尺度研究在国际上较早报道了陆架边缘海作为大气c 0 2 净汇区的实例 7 2 - 7 4 】。在 北大西洋欧洲陆架海域，f r a n k i g n o u u e & b o r g o s 也系统调查了各季节的海水表层 p c 0 2 ，获得了较完整的年度数据，证明该海域为大气c 0 2 的净汇区【7 5 1 。由于这 两个海域其表面积共占了全球陆架面积的9 4 ，据此，f r a n k i g n o u u e & b o r g e s 提出北半球中、高纬度大陆架可能是大气c 0 2 的净汇区【巧l 。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 ( - 2 8m o lm 1y r l ) ，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，陆架海域在冬季吸收的大量 c 0 2 ，因此得以沿等密度面水平输送到大洋次表层海水中；在夏季，虽然温度跃 层隔断了海气界面与大洋次表层的联系，但是东海陆架次表层水d i c 仍可以向 大洋输出【7 6 1 。t s u n o g a i & w a t a n a b e 把在东海及类似的中高纬度陆架边缘海所发 生的这一系列物理、生物过程称为陆架泵( c o n t i n e n t a ls h e l f p u m p ) 7 6 1 。 “u 推测全球陆架边缘海整体来讲是大气c 0 2 的弱汇，通量约为0 1 g t c y r l 。 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【彻，如t o s 【7 8 1 、l e f e w ee ta 1 【7 9 1 对南美洲智利沿岸海域进行调查 研究表明，一方面，上升流供给的营养盐使得该海区成为全球海洋中生产力极高 的海域，另一方面，上升流也把富含c 0 2 的深层水带到表层而使该海区成为大 气c 0 2 的源，释放通量的高峰可达3 - 2 5 m m 0 1 i n - 2 d a y i 。l i ue ta 1 指出的另外一类 可能是大气c 0 2 源的边缘海是一些水动力交换比较弱的海湾【7 7 1 。例如在墨西哥 沿岸的研究结果表明这一类边缘海系统中约有7 0 是净异养系统，系统输出的 磷超过输入量，净输出量最高可达0 1 6m o lp m - 2y r l ；s u z u k i & k a w a h a t a 对西 太平洋和印度洋的珊瑚礁湖所作的对比研究表明，在平均停留时间长的湖内，表 层水p c 0 2 也比较高 鲫。 黄海春、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 陆架边缘海域不同季节或者不同海域的相同季节的c o z 通量存在着极大的 差别，这也充分反映出了陆架边缘海域海气界面c 0 2 通量分布的复杂性。 1 5 海水中0 ：分布的控制因素 1 5 1 温度和盐度 一般来说，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p c 0 2 减少。c 0 2 的溶解度随盐度的增加而降低。但目前盐度对p c 0 2 的影响研究较少，并且在不 同的海域结果也并不相同。例如，c a i 和w a n g 等( 1 9 9 8 ) 在对美国乔治亚州s a t i l l a 和a l t a m a h a 海域1 9 9 5 年秋季的研究中发现，p c 0 2 与盐度呈负相关性。而王峰 等在对黄海夏季的研究中却发现，p c 0 2 与盐度里正相关性。这可能是由于海域、 季节、生物等因素的不同造成的【8 2 】。 由于温度对海水中p c 0 2 有着非常重要的作用，因此许多研究者在这一方面 做了大量工作。一般来说，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【8 3 1 。此外，水体温度的变化会影响海水中c 0 2 的溶解度，c 0 2 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。由 于温度对海水中的p c o z 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 a n dj o n e s 8 4 】基于l y m a n 8 5 】测定的碳酸的离解常数计算得出的海水中c 0 2 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 c 0 2 ( t 斗t ) - 4 6 + l o c o z ( t + a t ) 2 ) ( a t 0 s o c ) w e i s s t 跖1 基于h a n s s o n 8 7 1 计算的离解常数和w e i s s 8 8 1 的海水中c 0 2 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。 c o p i n - m o n t e g u t l 8 9 1 根据d i c k s o na n dm i l l e m 【蚓的热力学公式，对海水中，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 r a t ) 等参数的新公式。 g d y e te ta 1 9 q 计算的碳酸离解常数，在给定盐度和x ( c 秕畸) 的条件下， 9 黄海春，夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 对海水中的声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 f 9 2 】认为在开阔大洋中，由于盐度、碱度( a l k ) 的变化很小。 因此在假定海水盐度、总二氧化碳浓度( ? c 0 2 ) 、碱度( a l k ) 不变的前提下，提 出海水温度与p c 0 2 遵循如下关系： c q ( p c o g & = 0 0 4 2 3 x p c 0 2 1 5 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 t y r e 9 3 l ，这个数字比人类活动每年释放到大气的c 0 2 ( 7 g t c y r ) 髀1 要高出 很多。初级生产的大部分在透光层中再循环，只有一小部分下沉到深层，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 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。 金心等认为，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f 9 5 1 。邢如楠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【】。 1 5 3 海洋环流 s a r m i c n t oe ta 1 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【朔。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 o z 总量的6 0 1 9 8 1 。赤道表层水较 l o 黄海春，夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 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 9 9 - 1 0 0 1 。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 c h 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 嘣1 0 0 2 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 潜在的汇斟1 0 3 1 。 4 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1 1 0 4 。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，由于生物生产力活跃，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 5 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 黄海存、夏季节表层海水p c 0 2 控制机制的演变 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