（环境科学专业论文）冬季东中国海表层pco2的分布特征及控制因素分析.pdf

巾囡海洋大学硕十学位论文 文估算的c 0 2 交换速率及碳通量远低于t s u n o g a ie ta 1 的估算结果( 一2 9 2m o lc m 2y r 、一3 0 1 0 6 t c ) 。源区和汇区源汇分布格局存在较大差异：本次调查期间， 南黄海海域整体表现为源区( 平均p c 0 2 值为3 9 8 ) ，远远低于t s u n o g a i 利用公 式推出的2 2 0 - 2 7 0 p a t m ：闽浙沿岸流海域的汇区强度也弱于t s u n o g a i 推算的结 果；东海大陆架水影响的海域内，济州岛南部海域尽管同为高值区，但是本次调 查过程中表现为强源区。因此，通过有限的站位数据推广到整个东海难免会带来 误差。 关键词：东中国海；p c 0 2 ；冬季 冬季尔中国海表鹾p c 0 2 的分布特征发控制闻素分析 s t u d yo n im p a c tin gf a c t o r so fp c 0 2int h ee a s to hin a 5 e ainwin t e r a b s t r a c t i nt h es t u d yo fg l o b a lc a r b o nc y c l e ，t h ec o n t i n e n t a lm a r g i n ，b e i n gc o n s i d e r e d o n eo ft h ep o t e n t i a ls i n k so ft h em i s s i n gt e r mo fc a r b o n ，h a sb e c o m et h ef o c u so f r e s e a r c h e si nt h ep a s tf e wd e c a d e s i ti so fg r e a ti m p o r t a n c e ，f o rt h ed i s c u s s i o no f g l o b a lc a r b o nc y c l ea n df o r t h ec o n s u m m a t i o no ft h eg l o b a lc a r b o nd a t a b a s e ，t os t u d y t h ec 0 2f l u xo v e rt h ee a s tc h i n as e as i n c ei ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm a r g i n a ls e a si n n o r t h w e s tp a c i f i c b a s e do nt h ec r u i s ec a r r i e do u td u r i n g - j a n a n df e b 2 0 0 7i nt h ee a s tc h i n as e a ( e c s ) ，t h eh y d r o l o g i c a l ， c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs u r f a c ew a t e ro fe c s w e r es t u d i e d t h ed a t ao 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 ep c 0 2 ) a n do t h e rr e l a t e d c o g r e d i e n tp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e dt od i s c u s st h ed i s t r i b u t i o no ft h ep c 0 2a n d t h ei m p a c t i n gf a c t o r sb yw 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 s u r f a c ep c 0 2r a n g e df r o m2 3 7t o5 0 7 1 x a t mi nw i n t e r , l a r g ep c 0 2 ( v a l u e s 4 0 0 p a t m ) o c c u r r e di nt h en o r t h e a s tp a r to ft h es t u d ya r e a t h er e l a t i o n s h i pb e r f f e e n p c 0 2a n dw a t e rs t a b i l i t ys u g g e s t e dt h a tt h ea m o u n to fm i x i n ga n d o ru p w e l l i n go f c 0 2 - r i c hw a t e rm i g h tb et h ei m p o r t a n tp r o c e s sc o n t r o l l i n gs u r f a c ep c 0 2l e v e l s a n e g a t i v el i n e a rb e t w e e ns u r f a c ea n dc h l as u g g e s t e dt h a tp h o t o s y n t h e s i sc a u s e db y p l a n k t o na c t i v i t yi sa n o t h e rm a j o rf a c t o r sc o n t r o l l i n gs u r f a c ep c 0 2d i s t r i b u t i o ni n s p i t eo ft h el o wt e m p e r a t u r eo fs u r f a c ew a t e ri nw i n t e r s e a - a i rc 0 2f l u x ，b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no faw a n n i n k h o ff o r m u l af o rg a s t r a n s f e rv e l o c i t y ( 19 9 2 ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n ds p e e da n dg a se x c h a n g eo v e rt h e o c e a n ) a n das e to fi ns i t ui n s t a n t a n e o u sw i n dd a t aw a s 0 7 1m o lc m 2y r ，t h ec 0 2 f l u xo fs o u r c ea n ds i n ka r e aw e r e + 2 7 2a n d 一5 8 2m o lc m 2y rr e s p e c t i v e l y d u r i n gt h ew i n t e r ，t h es t u d ya r e ai sa s s u m e dt oa b s o r ba b o u t1 8 5 1 0 6 tcf r o mt h ea t m o s p h e r e t h a tr e s u l ts u g g e s t st h a tt h ee c si san e ts i n k 【1 1 囡海洋大学颁十学位论文 f o ra t m o s p h e r i cc 0 2i nw i n t e r k e y w o r d s ：t h ee a s tc h i n as e a ；p c 0 2 ；w i n t e r 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! 翅遗查甚他益墨挂别直明的! 奎拦互窒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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：参i 厦褐签字日期：2 的缪年6 月t 2 b 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： 翔复枘 签字日期：知皤年6 月j 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：1 鳓 签字日期：而年舌月2 ，日 电话： 邮编： 冬季尔巾囡海表层p c 0 2 的分布特征! 煲控制冈素分析 0 引言 碳循环是全球变化的核心问题之一，正确估算全球碳循环对人类制定对应 全球变暖的战略有重要意义。在估算全球碳循环过程中，边缘海是一个很大的未 知数，存在广泛的争议。陆架边缘海作为连结陆地和开阔海洋的主要纽带，能够 有效缓冲陆地对海洋的影响，同时自身很易受到陆地的影响，往往具有明显的季 节性。由于陆架边缘海的水文、物理和生物地球化学性质的复杂性和差异性，对 陆架边缘海在吸收大气二氧化碳的贡献研究还存在很大的不确定性。 中国的陆架边缘海面积约占全球陆架边缘海的1 2 5 ，是世界上最宽的陆架 边缘海之一，作为世界第三大陆架边缘海的东海，其7 0 的面积为水深浅于2 0 0 米的陆架区，占全球陆架区面积的3 2 ，因而具有研究陆架边缘海的大气二氧化 碳源汇作用这一重大科学问题的天然优势；并且由于东海对中国近海环流和气候 的重要作用，以及其战略位置的重要性，一直受到海洋学界的重视，也是我国进 行海洋科学研究最为密集的海区之一。尽管目前对东海的研究相对较为成熟，但 是多集中与物理环境演变，环流分析以及海洋资源的综合调查，对冬季东海碳系 统参数的研究较少，尤其是缺少连续走航测定的二氧化碳分压( p c 0 2 ) 数据及 其他相关参数。开展冬季东海碳循环的研究有利于更准确地确定东海的源汇作用 的季节变化，对于完整陆架边缘海区对全球碳循环的贡献的探讨以及完善全球碳 系统参数数据库也是极为必要的。这也正是本论文的主要目的和意义之所在。 本论文利用2 0 0 7 年1 月至2 月“9 7 3 ”冬季航次航行过程中连续获得的p c 0 2 数据及其他相关水文、化学和生物参数，总结了冬季东海表层海水的p c 0 2 的分 布特征和变化，分析探讨了某些重要影响因素，估算了冬季调查海域内海一气界 面的碳通量并与前人研究结果进行了比对。 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。 r 1 1 囡海洋大学颀十学位论文 1 文献综述 1 1 研究背景及意义 海洋是地球表面上碳的主要贮存库，海洋对气候变化的影响不仅在于海一气 界面间热量和能量的交换，海气界面间的物质( c 0 2 、c h 4 、d m s 等) 交换同 样起着重要作用( 张正斌等，1 9 9 9 ；y a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ，2 0 0 5 a ，2 0 0 5 b ) 。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( n e f t e le t a 1 ，1 9 8 5 ；f a l k o w s k ie ta 1 ，2 0 0 0 ；s a b i n ee ta 1 ，2 0 0 4 ) 。大气二氧化碳平均浓度 在过去4 2 万年中上升了还不到1 0 0 p p m ( p e t i te ta 1 ，1 9 9 9 ) ，然而最近的研究 ( m i l l e r o ，2 0 0 6 ) 发现大气二氧化碳浓度由1 7 4 0 年的2 7 5 p p m 已经上升到2 0 0 0 年的约3 8 0 p p m ，到2 0 0 7 年甚至达到了3 8 3 1 i g p m ( n o a a ，2 0 0 7 ) 。人类每年产 生的人为二氧化碳近7 0 亿吨( h o u g h t o n e 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 2 被海洋等储库吸收( 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，了解海洋 对大气二氧化碳增加的响应，对于预测未来大气二氧化碳含量水平以及全球气候 变化具有重要意义。 到目前为止的观测数据和理论计算模式还闭合不了全球碳的循环。近几十年 来，经过i g b p 、j g o f s 等国际重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二氧化碳总 量的3 0 ，即约2 0 x1 0 8 tc ( b e n d e r ，1 9 9 6 ；c a l d e i r aa n dd u f f y ，2 0 0 0 ：b a t t l ee l a 1 ，2 0 0 0 ；s a b i n ee ta 1 ，2 0 0 4 ) ，而不是最初估算的3 0 x 1 0 8 tc 。也就是说，每年 大约1 0 - - 一1 5 x 1 0 8tc 不知去向。由于无法将人类活动产生的过量二氧化碳一源 ( s o u r c e ) 与碳的各储库一汇( s i n k ) ，两者之间做出合理的平衡，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( s c h i n d l e r ，2 0 0 1 ) 。 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( w a n g e la 1 ，2 0 0 0 ； s c h i m e le ta 1 ，2 0 0 1 ) 。一些研究表明陆地生态系统的确净吸收大气二氧化碳 ( s c h i m e le t a l ，2 0 0 1 ；s a b i n ee t a l ，2 0 0 4 ) 。方精云等( 2 0 0 1 ) 认为，“丢失碳汇 2 冬季鸯ir f l 国海表层p c 0 2 的分布特征及控制罔素分析 可能在该纬度地区的土壤圈内。s c h i n d l e re ta 1 ( 2 0 0 1 ) 认为，陆地生态系统在 2 0 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，“丢失碳汇 可能 是由于北半球大陆的森林引起的。s a b i n ee ta 1 ( 2 0 0 4 ) 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( w o f s ye ta 1 ，2 0 0 1 ) 。然而日益增多的 数据表明，陆架边缘海可能是一个显著的碳汇。 据已有的对具体海域p c 0 2 的实测调查研究表明，不同海区其主要控制因素 是不同的，而且往往是多个因素同时起作用。就温度的影响而言， z h a ie ta 1 ( 2 0 0 5 ) 对中国南海北部海域进行了研究，指出该海域是大气二氧化碳的源， p c 0 2 的季节性变化主要受控于表层水温。w a n ge ta 1 ( 2 0 0 2 ) 在对美国东南沿 海大陆架研究时发现，此区域春季、夏季和秋季均表现为大气二氧化碳的源，而 冬季表现为汇则主要是由于温度降低造成的。生物活动的影响在陆架海区往往是 更重要的影响因素：k a l t i ne ta 1 ( 2 0 0 2 ) 指出水体冷却和生物活动在控制巴伦支 海二氧化碳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。s c h i e r e c a r ee ta 1 ( 2 0 0 7 ) 对北海的南部湾进行了 研究，发现在此区域空间p c 0 2 分布均匀，季节变化大，并指出p c 0 2 主要受生 物活动控制而非温度，北海南部湾全年表现为汇。 陆架边缘海区较高的初级生产力水平，会提高浮游生物通过光合作用吸收大 气二氧化碳的能力。b o z e ce ta 1 ( 2 0 0 5 ) 对夏季北海作了研究，发现北海北部， 生物活动较为强烈，表现为大气二氧化碳的一个汇区，其中在5 8 0 n 附近海域表 层海水p c 0 2 的值低至2 2 0 1 a a t m ，表层溶解氧呈现强烈的过饱和，同时营养盐的 低值暗示了此区有浮游植物大量增殖现象，而此区叶绿素a 的值也的确高于其它 区域，生物活动是造成p c 0 2 低值的主要原因。 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 ( 切呵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 严峻的全球问题所做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 寸i 囡海洋人学硕十学位沧文 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 战。中国目前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，寻求各自的二氧化碳减排和增汇对策技术。我国人 均二氧化碳排放量远远低于发达国家( 即为世界平均水平的6 6 ) ，但是1 9 9 7 年二氧化碳总排放量约为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 年的二氧化碳排放量将达到1 0 1 9 - - 1 9 2 5 亿吨( 刘 江等，2 0 0 1 ) 。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( 张龙军等，2 0 0 3 ) 。 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。开展中国邻近海域的碳 循环研究，抓住中国陆架海域碳循环的关键科学问题，对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 4 冬季匀卅，国海表鹾p c 0 2 的分布特征及控制网素分析 中的国际地位都具有重要意义( 戴民汉等，2 0 0 4 ) 。 1 2 陆架边缘海的研究 1 2 1 海气界面c 0 2 通量的研究 研究大气二氧化碳源汇过程的最直接方法是测定界面通量。即通过测定海一 气界面附近的二氧化碳分压差( a p c 0 2 ，本研究定义海7 k p c o ：高于大气为正， 反之为负，即a p c 0 2 = p c 0 2 表层海水一0 2 海面大气) ，根据液膜扩散模式( 由 经典的界面双膜扩散模式忽略气膜而得) 和f i c k 定律，估算海一气界面的二氧化 碳通量。通量计算公式为： f = k x k p c 0 2 ( 1 ) 式中f 是二氧化碳在海一气界面的净通量，k 代表气体交换输运速率( k = k a ) ， k 是大气和海洋间的气体交换系数，又称为“活塞系数，q 是某温度、盐度条 件下的二氧化碳溶解度。 这种研究方法的重要参量是k 与q 的乘积，即气体传输系数k ，由于k 与q 的温度效应相互抵消，气体传输系数受温度的影响通常可以忽略，而主要为风速 的函数( t a n se ta 1 ，1 9 9 0 ；w a n n i n k h o f b l i v e n ，1 9 9 1 ) 。限于条件，目前多 数海一气界面二氧化碳通量计算都是直接引用经典文献给出的风速函数关系，包 括l i s s & m e r l i v a t ( 1 9 8 6 ) 得出的分段函数关系( 参见t a n se t a l ，1 9 9 0 的附注) 、 t a n se ta 1 ( 1 9 9 0 ) 基于二氧化碳在全球海洋与大气间的分配而提出的一个线性 关系经验公式，以及w a n n i n k h o f ( 1 9 9 2 ) 的平方关系公式。这些关系式估计的气 体传输系数相差很大，许多研究将基于t a n se ta 1 ( 1 9 9 0 ) 的关系计算的结果作 为通量最大值的估计，而将基于l i s s m e r l i v a t 的关系计算的结果作为通量最 小值的估计( 例如t a k a h a s h ie t a l ，1 9 9 7 ；w a n ge t a l ，2 0 0 0 ) ，估计出来的 最大值比最小值可高出一倍。g a s e x 一9 8 实验在北大西洋应用c 0 2 微气象观测等 技术实测获得了二氧化碳气体传输系数与风速的一个立方关系( m c g i l l i se ta 1 ， 2 0 0 1 ) ，实测数据同时也表明基于w a n n i n k h o f ( 1 9 9 2 ) 风速平方关系的海一气通量 在中、低风速( 0 - 1 2ms d ) 条件下相当准确( m c g i l l i se ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 海7 t ( p c 0 2 可以通过海水碳酸盐体系诸参数计算，但精密度不如直接测定 ( m i l l e r oe t a l ，1 9 9 5 ) 。目前国际海洋学调查测定p c 0 2 大多采用水一气平衡法一 巾囡海洋大学颁十学位论文 一将离散采样或连续抽取的海水注入一个特制的容器，尽快使海水二氧化碳与容 器中的空气达到平衡，然后抽取平衡后的空气检测( d o e ，1 9 9 4 ) 。基于膜扩散模 式的假设：二氧化碳只在海一气界面1 0 1 0 0 p m 厚度的液膜中存在浓度梯度，而在 界面两侧则充分混匀，所以实际工作中水样抽取的深度并不严格，可以从水下1m ( b a t e se ta 1 ，2 0 0 0 ) 直n 5m ( i s h i ie ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 水一气平衡器是决定这种方法数据可靠性的核心设备，主要有3 种类型，喷 淋式、鼓泡式和液膜式，参见k s r t z i n g e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 和王峰等( 2 0 0 2 ) ， 以及h t t p ：w w w a o m l n o a a g o v o c d p c 0 2 的综述。不少比对实验表明，平衡器 型制对测定结果影响不大( k s r t z i n g e r e ta 1 ，1 9 9 6 ；2 0 0 0 ；王峰等，2 0 0 1 ；2 0 0 2 ) ， 平衡器尺寸以及进水、出气的流速也影响不大( k s r t z i n g e re ta 1 ，2 0 0 0 ) ，但是 采用比较高的进水流速可以降低平衡器与海表抽水口之间的温度差( k s r t z i n g e r 甜a 1 ，2 0 0 0 ) ，对减小温度校正误差有利( d o e ，1 9 9 4 ) 。 与水一气平衡器相配合的二氧化碳检测方法可以采用气相色谱法或非分散红 外法，前者是将平衡空气中的二氧化碳用催化剂还原为c h 4 ，然后用氢火焰离子 检测器检测，中国应用此方法的例子有崔鹤( 1 9 9 5 ) 、张龙军等( 1 9 9 9 ) 、王峰 等( 2 0 0 2 ) ：后者是用小气泵将平衡后的气体平稳地抽出，干燥，充分除去水气， 然后送入通用非分散红外检测器检测。非分散红外检测器的原理参见张广军等 ( 1 9 9 5 ) 的综述。非分散红外检测方法在国际上开展的海水p c 0 2 调查中是最经 常采用的，中国应用此方法的例子有高众勇等( 2 0 0 2 ) 、王伟强等( 2 0 0 3 ) 。一 些商业化的非分散红外检测器( 例如l i - c o r ) 原则上具有扣除水蒸气信号的功 能，但是湿法检测与干法检测的现场比对实验结果表明，利用仪器自带的扣除水 蒸气信号功能的湿法检测不是很理想，所以k s r t z i n g e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 推荐干法检 测，即对气样先脱除水气再送入检测器检测。2 0 世纪9 0 年代初采用的水一气平 衡联合非分散红外检测器检测的方法现场实测p c 0 2 所达到的分析精密度和准确 度分别为0 5 9 a t r n 和2 9 a t m ( m i l l e r o ，1 9 9 5 ) 。由于不同检测器都要经过 标准气标定，因而气相色谱法和非分散红外法检测的结果基本一致( t a k a h a s h ie t a 1 。1 9 9 7 ) 。 1 2 2 陆架边缘海的源汇作用的研究现状 目前许多研究都表明陆架边缘海可能是大气二氧化碳的汇。在东海开展的年 6 冬季尔中国海表层p c 0 2 的分布特征及控制冈素分析 度尺度研究在国际上较早报道了陆架边缘海作为大气二氧化碳净汇区的实例( 张 远辉等，1 9 9 7 ；c h e n w a n g ，1 9 9 9 ；t s u n o g a i w a t a n a b e ，1 9 9 9 ；w a n ge ta 1 ， 2 0 0 0 ；胡敦欣和杨作升，2 0 0 1 ) 。戴民汉等对中国南海研究发现，除了受珠江冲 淡水影响的部分区域可能因为浮游植物生长而成为大气二氧化碳的季节性的汇 以外，南海北部几乎总是在向大气释放二氧化碳。 在北大西洋欧洲陆架海域，f r a n k i g n o u l l e & b o r g e s ( 2 0 0 1 ) 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，证明该海域为大气二氧化碳的净 汇区。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 l l e & b o r g e s ( 2 0 0 1 ) 提出北半球中、高纬度大陆架可能是大气二氧化碳的净汇区。 l i ue ta 1 ( 2 0 0 0 ) 推测全球陆架边缘海整体上是大气二氧化碳的弱汇，通量 约为一0 1g tcy r 1 。但他们同时也指出至少有两类边缘海区是大气二氧化碳的 源，一类是一些上升流主导的东边界流系统，如南美洲智利沿岸海域。一方面， 上升流供给的营养盐使得这些海区成为全球海洋中生产力最高的海域，另一方 面，上升流也把富含二氧化碳的深层水带到表层使这些海区成为大气二氧化碳的 源( l e f 色v r ee ta 1 ，2 0 0 2 ) ，释放通量的高峰可达3 2 5m m o lm - 2d 。1 ( t o r r e se ta 1 ， 1 9 9 9 ) 。l i ue ta 1 ( 2 0 0 0 ) 指出另外一类可能是大气二氧化碳源的边缘海是一些水 动力交换比较弱的海湾、漏湖等。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，系统输出磷的量超过输入量，净输出最高可达 0 1 6m o lpm 2y r d ( s m i t he ta 1 ，1 9 9 7 ) 。另外，在对西太平洋和印度洋的珊 瑚礁漏湖所作的对比研究表明，在平均停留时间较长的漏湖内，表层$ p c 0 2 也 比较高( s u z u k i k a w a h a t a ，1 9 9 9 ) 。 就过程机制而言，由于河流输入、有机碳矿化，以及上升流都给近岸海域增 加了丰富的无机碳，提高了水体p c 0 2 ，陆架海区因而可能会表现为大气二氧化 碳的源。特别是在河口区，陆源有机物的分解常能导致水体二氧化碳呈高度过饱 和状态( f r a n k i g n o u l l ee ta 1 ，1 9 9 8 ；c a i & w a n g ，1 9 9 8 ：r a y m o n de ta 1 ，2 0 0 0 ； s a r m ae ta 1 ，2 0 0 1 ；m u k h o p a d h y a ye ta 1 ，2 0 0 2 ) 。同时，河水和上升流也会引 入高浓度的营养盐，引起浮游植物繁盛，增强光合作用，吸收二氧化碳( 例如 a l v a r e ze t 讲，1 9 9 9 ；t e r n o ne ta 1 ，2 0 0 0 ；v a ng e e ne ta 1 ，2 0 0 0 ：b o r g e s f r a n k i g n o u l l e ，2 0 0 2 a ；2 0 0 2 b ) ，因此河流输入和上升流并不一定导致邻近的 陆架边缘海成为大气二氧化碳的源( b a k k e re ta 1 ，1 9 9 6 ：l i ue la 1 ，2 0 0 0 ： 7 r i l 囡海洋大学硕f ：学位论文 b o r g e s f r a n k i g n o u l l e ，2 0 0 2 a ) 。此夕b 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二氧化碳( 一4 0gcm 。2y r j ) ，除了水温比较低能溶解 比较多的二氧化碳以及活跃的生物活动加速海水吸收大气二氧化碳以外，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二 氧化碳得以沿着等密度面水平输送到大洋次表层海水中。在夏季，虽然密度跃层 隔断了海一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( t s u n o g a ie la 1 ，1 9 9 9 ) 。t s u n o g a i w a t a n a b e ( 1 9 9 9 ) 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 fp u m p ) 。 a k i h i k oe ta 1 ( 2 0 0 3 ) 利用w a n n i k h o fa n dm c g i l l s ( 1 9 9 9 ) ( w m 9 9 ) 通量 计算公式，对北冰洋西部陆架海域碳通量做了研究指出，1 9 9 8 年8 月二氧化碳通 量最小值出现在7 1 - 7 2o n 海域，为- 1 4 6m m o lm - 2d 。而1 9 9 9 年9 月，大部分海域 的通量有所减小，7 lo n 二氧化碳通量值为- 1 3 5m m o lm 之d ，往北通量逐渐较 小。在s l o p e 海域，通量值在一1 1 5 3 6m m o lm - 2d - 1 之间。2 0 0 0 年9 月二氧化碳通 量值往北逐渐增加，最小值出现在7 1o n ，1 6 0o w 陆架海区的一1 7 8m m o lm - 2d 一， 整个s l o p e 海域通量值为一6 5 一- 1 6 9m m o lm - 2d - i 之间。 b o z e ce ta 1 ( 2 0 0 5 ) 对北海夏季碳通量做了研究，发现北海北部生物活动 较为强烈，表现为大气二氧化碳的一个汇区，通量为一2 4 一一3 8m m o lm 。2d - i 之 间。而在北海南部由于水体较浅，水体混合均匀，表现为大气二氧化碳的一个源 区，通量值在+ 0 8 一+ 1 7m m o lm 之d - i 之间。 由此可见，陆架区的初级生产过程可以降低表层海水p c 0 2 ，而接纳富含二 氧化碳的河口水和深层水又会使得表层p c 0 2 提高，这两种效应互相拮抗，使 得问题比较复杂。由于目前较多研究集中在中、高纬度陆架边缘海，其生物作用 比较强，因而基于这些区域性研究得出全球陆架边缘海海一气交换总体上是一个 汇的结论并不可取。 在世界大洋不同海域中，生物效应对表层p c 0 2 季节变化的相对重要性有从 高纬向低纬减小的显著趋势，典型的温度效应与生物效应比率为：南极罗斯海 ( 7 6 0 3 0 s ) 的0 0 2 ，北太平洋( 5 0 0 n ) 的0 9 和北大西洋马尾藻海( 3 2 0 5 0 7 n ) 的2 7 ( t a k a h a s h ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。由此推论，在低纬度陆架边缘海，温度效应 可能成为控制其表层p c 0 2 季节变化的主导因素。然而，目前关于低纬度陆架边 8 冬季冯“，固海表鹾p c 0 2 的分布特征：5 乏控制冈素分析 缘海p c 0 2 空间分布和时间变化的调查数据比较缺乏，难以讨论温度效应对低纬 度陆架边缘海源汇作用的影响。因此，全球边缘海是大气二氧化碳的源还是汇， 以及量级如何，尚难定论。 1 2 3 东中国海已有的研究成果 东中国海环流复杂，陆海作用强烈，复杂的水系及其混合，使整个调查海域 的温度、盐度以及生物活动等有着较大的差异性。由于东海对中国近海环流和气 候的重要作用，以及其战略位置的重要性，一直受到海洋学界的重视，是我国进 行海洋科学研究最为密集的海区之一。 张远辉等( 1 9 9 7 ) 等在国家自然科学基金重点项目“东海陆架边缘海洋通量 ( 1 9 9 2 - 1 9 9 5 ) 的研究中，采用“水一气平衡器采样，陆地实验室气相色谱( g c ) 测定了1 9 9 4 年春、秋两季东海表层海水的p c 0 2 。 张龙军等( 1 9 9 7 - 1 9 9 8 ) 1 9 9 7 年冬、1 9 9 8 年夏在东海进行了两个航次的调 查，采用气相色谱一喷洒式平衡器系统，现场测定了表层海水和大气的p c 0 2 。提出 东海表层海7 k p c 0 2 受东海环流、生物活动、季节等因素影响而变化。冬季受垂 直混合作用的影响，陆架区是二氧化碳的源；黑潮水是二氧化碳的汇，夏季受生 物活动的影响，陆架区水系是二氧化碳的汇；黑潮及影响区域是二氧化碳的源。 吕华庆等( 1 9 9 9 ) 通过综合分析有关文献资料，根据东海表层各个水团的温 度、盐度指标并把它们分成3 个水系( 沿岸水系、混合水系和黑潮水系) ，并介绍 了各水团的分布和变化特征。 t s u n o g a ie ta 1 ( 1 9 9 9 ) 根据中同东海物质通量合作计划( m a f l e c s ) 横跨东海 中部的一条断面( p n 断面) 上夏、秋、冬三季的观测数据估算东海( 包括黄海) 可从 大气吸收约3 0x1 0 6tc y r 。但是陆架边缘海海一气界面二氧化碳通量受控因素很 多，故其地理分布非常不均匀，与大洋大不相同。因此用有限观测点的数据，估 算整个海区碳通量以确定源或汇，甚至外推到全球边缘海应该特别谨慎和小心 ( 胡敦欣等，2 0 0 1 ) 。 w a n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 根据黑潮边缘交换过程计划( k e e p - m a s s ) 利用东海东 南部春、夏两季的p h ( n b s 标度) ，t a 和t c 0 2 的观测数据算出的p c 0 2 以及利用 t s u n o g a ie ta 1 ( 1 9 9 7 ) p n 断面上秋、冬两季的资料估算得出东海( 包括黄海) 可从大气吸收约( 1 3 - 3 0 ) 1 0 6 t c y r 。应当特别指出的是，由p h ( n b s 标度) ，t a 9 巾国海洋大学硕十学位沦文 和t c 0 2 计算的二氧化碳分压差所带来的误差是很大的，直接观测取得二氧化碳 分压数据非常重要( 胡敦欣等，2 0 0 1 ) 。 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1 9 9 3 1 9 9 8 年不同季节进行的5 个航次观测到的海一气二氧化碳分压差数据汇总统计，然后对 这3 种方法的结果平均，计算得东海每年从大气中吸收约4 3 x 1 0 6tc 。 宋金明等( 2 0 0 2 ) 用温带的海表温度与表层海7 k p c 0 2 的关系，模拟计算了 渤、黄、东海海一气界面二氧化碳通量。指出东海的春季和冬季是大气二氧化碳 的汇，在量值上是冬季远大于春季，而夏季和秋季则是海水向大气释放二氧化碳。 就全年而言，东海是吸收大气中的二氧化碳，强度为1 8 8 x 1 0 1 2g c 。 张龙军等( 2 0 0 3 ) 在国家自然科学基金“东海海洋通量关键过程”的支持下在 东海进行了夏、冬两个航次的全面调查，以及通过中一日副热带环流，科技部 9 7 3 ，中科院创新项目等进行了3 个航次的补充考察，并结合张远辉等( 1 9 9 7 ) 在 1 9 9 4 年春、秋两季东海表层海水的p c 0 2 的数据，讨论东海表层海水p c 0 2 的分 布特征，二氧化碳的源、汇，长江冲淡水及黑潮水对东海p c 0 2 源、汇的贡献， 估算东海吸收大气二氧化碳的能力。 s h i me t a l ( 2 0 0 7 ) 对东海东北部海域进行了春季、夏季和秋季的考察发现 春季、夏季p c 0 2 值分布在2 3 6 4 4 5 9 a t m 之间，而秋季为3 2 6 5 1 7g a t m 之间。p c 0 2 值大于4 0 0 p a t m 的区域出现在春季和秋季调查海域的西部以及夏季调查海域的东 部。应用w a n n i k h o f ( 1 9 9 2 ) 计算公式估算春季、夏季、初秋以及秋季的c 0 2 通 量分别为- 5 0 4 1 5 9 ，一2 5 2 1 8 l ，1 7 1 2 8 7 和0 3 9 o 1 8m m o lm - 2d 一，并且指 出如果将秋季和春季通量的平均值作为冬季的通量估算的话，东海东北部海域每 年可从大气吸收0 0 1 3p gc 。 1 3 本文的研究思路 东中国海是世界上最宽的陆架浅海之一，上有季风驱动，外有强西边界流( 黑 潮) 和太平洋潮波传入作用，内有黄河与长江大量水沙输入引起的浮力驱动，明 显的季节变化形成独有的黄海冷水团和复杂的环流系统。 以往的研究己经取得了很多成果，但是对陆架边缘海吸收大气二氧化碳贡献 的研究还存在很大的不确定性，这种不确定性与陆架边缘海的水文、物理和生物 1 0 冬季尔巾囡海表层p c 0 2 的分布特征硬控制冈素分析 地球化学性质的复杂性和差异性密切相关。陆架边缘海作为连结陆地和开阔海洋 的主要纽带，能够有效缓冲陆地对海洋的影响，同时自身很易受到陆地的影响， 往往具有明显的季节性。与开阔大洋相比，陆架边缘海是一个具有诸多过程的复 杂系统，可能还同时存在上升流，潮汐锋，河流的输入，与沉积物的交换和强烈 的生物活动等( m a c k e n z i ee ta 1 ，1 9 9 1 ) 。并且很多过程具有相反的效应。例如， 河流输入和上升流虽然能够带来大量有利浮游植物生长的营养盐，从而引起 p c 0 2 的降低；但同时也将带来大量的无机碳从而引发高的p c 0 2 。另外，河流带 来的有机碳也将发生再矿化作用，也会造成p c 0 2 的升高。 由于受到自身复杂的水系结构和调查手段的限制，目前对东海的研究也存在 很多问题：陆架边缘海海一气界面二氧化碳通量受控因素很多，故其地理分布非常 不均匀，与大洋大不相同。因此用有限观测点的数据，估算整个海区碳通量以确 定源或汇，甚至外推到全球边缘海应该特别谨慎和小心( 胡敦欣等，2 0 0 1 ) 。应当 特别指出的是，由p i - i ( n b s 标度) ，t a 和t c 0 2 计算所得到的二氧化碳分压差的误差 是很大的，直接观测取得二氧化碳分压数据非常重要( 胡敦欣等，2 0 0 1 ) 。 为初步解决以上问题，本文制定以下研究思路及方案： ( 1 ) 通过对东中国海海区进行调查，掌握海区各主要环境要素的分布特征，并在 对海区的水团进行划分的基础上，对东中国海各水团内p c 0 2 的控制因素进行初 步探讨。 ( 2 ) 结合连续测定的p c