（环境科学专业论文）秋季北黄海表层海水pco2分布及其控制机制探讨.pdf

采用季节平均风速利用w a n n i n k h o f ( 19 9 2 ) 模式计算了秋季北黄海c 0 2 通 量，秋季北黄海是大气c 0 2 的源区，每天向大气中净排放的c 0 2 量为2 2 7 1 0 3 t c ， 但源汇分布极不均匀。辽南沿岸的源区约占总源区的3 0 。由于受有机物的降解 和陆源输入的影响，使得这一海域成为大气c 0 2 弱源。受渤莱沿岸水影响的鲁 北沿岸海区虽然面积狭小，只有0 4 1 0 4k n l 2 ，但其对秋季北黄海源的贡献也占 到1 0 。而生物活动十分剧烈的中部海区，中部的汇区对北黄海总汇的贡献约占 9 9 。 关键词：北黄海；二氧化碳分压；控制机制 dis t rib u tio na n dc o n tr oi | in gf a c t o rso fs u r f a c e s e a w a t e rp a r tial p r e s s u r eo fc 0 2 int h en o r t h e r ny ei io w s e ad u rin ga u t u m ni a b s t r a c t b e c a u s eo ft 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 ft h es h e l fs e aa n dt h ea d j a c e n t l a n d ，s u b j e c tt ot h ei m p a c to fh 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 fc 0 2 i s m 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 r es t i l l r e l a t i v e l yw 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 l p r e s s u r eo fc 0 2p 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 ga u t u m n b a s e do nt h ed a t ao 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 fp c 0 2a n d r e l a t e dp a r a m e t e r si nh 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 go c t o b e r2 0 0 7 t h er e s u l t ss h o wt h a ti na u t u m nt h ep c 0 2r a n g e df r o m3 5 4 1 x a t mt o4 3 5 - t a t m ， w i t ha na v e r a g eo f3 9 5 1 x a t m t h el i a o n a nc o a s t a la r e aa c t e da sas o u r c eo f a t m o s p h e r i cc 0 2 b u ti nt h ec o a s t a la r e an o r t ho fs h a n d o n gp e n i n s u l a , b o t hs o u r c e s a n ds i n k so ft h ea t m o s p h e r i cc 0 2e x i s t ：t h ep c 0 2w a so v e r s a t u r a t e di nt h ea r e a s t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h ei n p u to fb o h a is e ac o a s t a lw a t e ra n dt e r r e s t r i a lm a t e r i a l s ， w h e r e a si tw a su n d e r s a t u r a t e di nt h ea r e aw i ms t r o n gb i o l o g i c a la c t i v i t y b e c a u s eo f t h es t r o n gb i o l o g i c a la c t i v i t y , t h ec e n t r a lr e g i o no c c u p i e dw i t ht h ey e l l o ws e am i x i n g w a t e ra c t e da sal a r g es i n ko fa t m o s p h e r i cc 0 2d u r i n ga u t u m n o nt h ew h o l e ，t h e n o r t h e r ny e l l o ws e aa 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 2 d u r i n ga u t u m n d u r i n ga u t u m nt h ep c 0 2w a sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h eb i o l o g i c a la c t i v i t y h i g h e r t e m p e r a t u r ea 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 h i g h e rc h lal e v e la s s o c i a t e d 、i t l ll o w e rp c 0 2 e s p e c i a l l y , i nt h ec e n t r a lr e g i o nt h e p c 0 2w 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 g i 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 l e db yh i g h e rd i cl 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 r 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 t2 2 7 10 3 t ci na u t u m n t h ea r e ai n f l u e n c e d b yb o h a is e ac o a s t a lw a t e ra c c o u n tf o r10 o ft h es o u r c ea l t h o u g hi t sa r e ar e a c h0 4 x10 4 k m 2 b e c a u s eo fb i o l o g i c a l a c t i v i t yt h ea r e ai n f l u e n c e db yt h ey e l l o ws e a m i x i n gw a t e ra 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 9 k e y w o r d s ：n o r t h e r ny e ii o ws e a ：p c 0 2 ：c o n t r o iii 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 ( 洼i 翅没直甚他雷薹挂别应明的：奎栏亘窒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：匆多d签字日期：如，7 年乡月日 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： 面负 导师签字： 僻零 l 签字日期：z ，p 夕| 年歹月g日 签字日期：z 哆年 歹月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 邮编 电话： 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 0 引言 随着人为c 0 2 的排放，大气中c 0 2 浓度已从1 8 世纪末的2 8 0 p p m 增加到目 前的约3 8 0 p p m 。c 0 2 等微量气体的“温室效应 已成为影响全球气候变化的一 个重要而不可忽视的因素。2 0 0 7 年1 1 月1 2 日在西班牙巴伦西亚召开的联合国 政府间气候变化专门委员会( i c p p ) 第2 7 次全会。会议报告一改先前类似评估 关注于学界认为“极有可能发生的”气候变化的保守做法，首次写入了气候变暖 的更多潜在恶果。而海洋作为一个非常强大的碳库，它对气候变化的影响不仅在 于海一气间热量和能量的交换，海气间的物质( c 0 2 、c h 4 等) 交换同样也起重 要的作用。了解海洋对大气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c 0 2 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。 陆架边缘海及其相邻的海岸带虽然面积很小，但联系陆地和大洋，对全球碳 循环发挥着重要作用。边缘海对大气c 0 2 的调控涉及海气界面的物理交换、c 0 2 在海洋不同深度( 温度) 所致的溶解度差异、生物泵、上升流和有机物分解作用。 由于目前对陆架生态系统碳循环的系统观测与研究力度不够，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 2 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o 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：z 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，p c 0 2 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 0 2 交换通量的贡献；宋美芹( 2 0 0 6 ) 等研究了初春整个黄海n 域p c 0 2 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 2 的一个源区。c h e n 等( 2 0 0 7 ) 认为在珠江口外海尽管由于淡咸水混合作用和强烈的生物活动使得海 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 水正0 2 迅速下降，但陆架边缘海区依旧成为大气c 0 2 的源区；s m m 等( 2 0 0 7 ) 对 春、夏、秋三个季节的东海北部海域进行了考察，发现水温、长江冲淡水及近岸 上升流都会对表层海水p c 0 2 造成影响，但总体上东海北部表现为大气c 0 2 的汇； 张龙军、张云( 2 0 0 8 ) 认为夏季渤海整体上表现为大气c 0 2 的源区，其中河流等 陆源输入支持了源区p c 0 2 的高值，部分海区的生物活动则是形成汇区的主要原 因。 北黄海是我国3 7 0 n 以北黄海水域的通称，它西连渤海、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( 1 9 9 8 ) 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。张龙 军等( 2 0 0 8 ) 针对冬季北黄海研究认为，受黄海暖流北上的影响，海水p c 0 2 主 要受控于碳酸盐体系，整体上北黄海为大气c 0 2 的源。本文依据2 0 0 7 年1 0 月 的北黄海秋季航次调查资料以及现场实测的p c 0 2 数据，分析了表层海水p c 0 2 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p c 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 秋季北黄海表层海水p c o ：分布及其控制机制探讨 1 文献综述 1 1 碳循环研究的重要意义 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( c 0 2 ) 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 i l l e r o ( 2 0 0 5 ) 指出大气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 ；而从大气c 0 2 平均浓度的长期变化看，己由过去4 2 万年中的1 8 0 p p m 3 0 0 p p m ( p e t i te ta 1 ，1 9 9 9 ) 上升到目前的3 8 5 2 p p m ( n o a a ，2 0 0 8 ) 。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 f , 1 9 9 8 ；w o o d w e l le ta 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，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。世界自然基金 会和索尼2 0 0 8 年2 月1 5 日在东京召开气候救助峰会，并提出东京宣言， 呼吁应尽早采取自愿和创新之气候变化因应措施，强调至2 0 5 0 年，全球温室气 体排放量必须降低至少5 0 ；在今后1 0 到1 5 年内，温室气体排放量必须由顶点 逐步下降，以避免全球暖化趋势超过摄氏2 度之危险临界点。 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 2 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 3 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 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( 戴民汉 等，2 0 0 4 ) 。 近几十年来，国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、全球海洋通量联合研究计划 ( j g o f s ) 、国际全球大气化学计划( i g a c ) 、海岸带陆海相互作用( l o i c z ) 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 o e ta 1 ，19 9 8 ；j o h n s o ne ta 1 ，19 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 oc t a 1 ，2 0 0 3 ；w e s ta n dm c b r i d e ，2 0 0 5 ) ，但是针对中国海区碳循环的研究较少、起步 较晚，所以中国急需加入国际性的碳循环研究计划。i g b p 在完成了j g o f s 研究 之后，发起了上层海洋低层大气研究( s o l a s ) 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 m l 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。开展中国邻近海域s o l a s 的碳循环研究，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( 高会旺。2 0 0 5 ) 。 4 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 1 2 海洋中的c 0 ：体系 海水中的碳以多种形式存在，大致可分为无机碳和有机碳，而各自又可分成 颗粒和溶解两种形态。溶解性无机碳( t c 0 2 ) 是海水中碳的主要存在形式，包 括碳酸氢根( h c 0 3 ) 、碳酸根( c 0 3 2 - ) 、碳酸( h 2 c 0 3 ) 及溶解c 0 2 。一般而言， 海水中t c 0 2 约为2 2 m m o l k g ，比溶解有机碳高一个数量级，比颗粒碳也高很多。 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。 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 = 旷+ h c 0 3 h c 0 3 = 旷+ c 0 3 2 。 c a 2 + + 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，所以海水中c 0 2 各形态 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 。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，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( c o p i n m o n t e g u t ， 1 9 8 5 ) 。海水表层的p c 0 2 主要由海洋环流动力学、海洋中c 0 2 体系的缓冲能力及 复杂的生物活动等因素控制，有着较大的时空变化。 碳是地球上有机生命体的关键成分，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、海一气界面交换等) ；可以分为三类：来自陆地生 态系统的碳、海洋生态系统生成的碳和人类活动产生的碳。颗粒有机碳( p o c ) 、 溶解有机碳( 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 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 态( e a t h e r a l le ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 海一气系统中大于9 8 的碳以溶解无机碳的形式存在于海洋中( z e e b e & w o l f - g l a d r o w , 2 0 0 1 ) 。h c 0 3 。、c 0 3 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 2 。的形式存在，仅有不到1 以c 0 2 和h 2 c 0 3 的 形式存在( c o m m i t t e eo ng l o b a lc 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。通常以 能否通过0 4 5 1 x m 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 ) 。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 m f i c m 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 ，19 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 i lg l o b a lc h a n g e 19 8 8 ) 。 1 3 海水中p c o ：分布的控制因素 1 3 1 盐度和温度 当海水盐度增加，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，在不同的海域得出的 结果也并不相同，这可能是由于海域、季节、生物等因素的不同造成的。c a i & w a n g ( 1 9 9 8 ) 在1 9 9 5 年秋季对美国g e o r g i a 州s a t i l l a 和a l t a m a h a 海域的研究中 发现，p c 0 2 与盐度呈负相关性。而王峰等( 2 0 0 2 ) 在对夏季黄海的研究中发现， p c 0 2 与盐度呈正相关性。 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 ，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p c 0 2 有正负 两方面的影响。 6 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 由于温度对海水中p c 0 2 有重要的影响，众多学者在这方面做了大量且富有 成效的工作。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 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p c 0 2 之间关系的经验公式： p c 0 2 ( o = p c 0 2 ( 什t ) a t 4 4 * 10 。6 p c 0 2 ( 什t ) 4 6 * 10 石p c 0 2 ( t + t ) 2 】( t 0 5 6 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 ( 19 8 8 ) 根据d i e k s o n & m i l l e r o ( 19 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： l n f = a ( t ) a ( t i ) 】幸l n f i 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 + m ；b 用一个三次方程表示： b ( t ) = 1 + a 什b t 2 + c t 3 ) 盐度决定了a ，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： 0 8 3 _ t c 0 2 t a _ 0 9 30 9 3 i _ t c 0 2 t a _ 0 9 8 a - - ( 11 2 7 + 4 7 s ) 1 0 石- ( 2 6 2 9 + 31 4 s ) 10 。6 a( 3 6 9 5 + 1 0 6 s ) * 1 0 5 ( 2 1 4 2 0 2 s ) * 1 0 5 b ( 3 7 5 + 3 4 s ) * 1 0 。6 - ( 7 1 + 3 5 s ) * 1 0 。6 c ( 0 9 2 0 1 3 4 s ) * 1 0 石 一1 9 * 1 0 。6 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 机畸) 的条件下，对海水中的f c 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 ) 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 ( y , 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p c 0 2 遵循 如下关系： a p c 0 2 ) 夙= 0 0 4 2 3x p c 0 2 7 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 1 3 2 生物活动 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主要途径。生物泵对c 0 2 的作用需要营 养盐的供给，而营养盐主要来自于深层水的上涌，因此生物泵的强度最终是与海 洋环流的动力学相联系。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 0 2 ( 7 g t c a ) ( s i e g e n t h a l e r & s a r m i e n t o ，1 9 9 3 ) 要高出很多，但是生物利用的碳大部分是在真 光层内再循环，仅一小部分沉降到海洋深层。 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。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。h o n d ae ta 1 ( 2 0 0 2 ) 研究发现在北太平洋西北部的 白令海，海水具有较高的碳酸盐和有机碳含量，且碳从海洋深层向表层的输运速 率随深度减小而逐渐升高，这说明生物泵能更有效地减小表层海水p c 0 2 ，从而 提高海洋吸收大气c 0 2 的能力。 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o 0 2 ，北太平洋( 5 0 0 n ) 的o 9 和北大西洋马尾藻海( 3 2 0 5 0 n ) 的2 7 ( t a k a h a s h ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。在南极海区的研究工作证实温度对于心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 3 ) 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。海洋环流对海水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。 近年来，科学家发现厄尔尼诺现象对太平洋c 0 2 的源区有着重要的影响 8 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 ( s a r m i e n t o ，1 9 9 3 ；f e e l ye ta 1 ，1 9 9 5 ) 。在厄尔尼诺爆发的初期，赤道太平洋中部表 层水p c 0 2 比正常年份偏低，接近大气p c 0 2 值，其后又恢复正常。这是由于赤 道西太平洋低p c 0 2 的暖水向东回流，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，这对全球c 0 2 的收支将产生重要影响。 南大洋占地球海洋面积约2 0 ，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 。是大气c 0 2 最重要的汇区之一( m c c a r r t h ye ta 1 ，1 9 8 6 ；m u r p h ye t a 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。( 张远辉， 2 0 0 0 ) 。 4 0 0 n 以北的北大西洋和挪威一格陵兰海域也是c 0 2 的强汇区( t a k a h a s h ie t a 1 ，1 9 8 5 ) 。夏季这些海域海水的p c 0 2 值较低，这主要是由于生物的光合作用及 北大西洋暖流的快速冷却造成的。而在冬季，冰岛西南海域表层p c 0 2 呈高值分 布，这是由于富含c 0 2 和营养盐的深层水的上涌所引起。冬季深层水的上涌会 为来年夏季的生物光合作用提供了丰富的营养物质。由于海区c 0 2 源的强度较 弱且范围有限，从全年来看，它仍是大气c 0 2 的净汇区。 北太平洋的c 0 2 源和汇呈明显的季节变化特征，即夏季则为弱的汇，冬季 为强的c 0 2 源，这与其他高纬度海域不同。北太平洋深层水年龄最老，c 0 2 含量 最高。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，而在冬季，由于深层水的上涌，北太平洋的c 0 2 源的强度 几乎与赤道相当。但从总体上看，北太平洋仍为大气c 0 2 的净汇区( 张远辉， 2 0 0 0 ) 。 1 3 4 河流输入 河口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的所有过程( 海一气界面交换、水体中的垂直运输、沉 9 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布及其控制机制探讨 积物一海水界面交换等) 之外，还包括了与淡水所发生的物质和能量交换。同时， 河口海域还受到入海河流输入的影响，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口海区p c 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，较为典型的例子有：c a i & w a n g ( 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 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 0 1 a 1 ；在上述河1 2 1 海域的低盐区( s 1 0 ) ，还有着极高的p c 0 2 ( 1 0 0 0 1 a a t m p c 0 2 6 0 0 0 1 x 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 ie ta 1 ( 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 p 忸t m ) ，他们认为的主 要原因与c a i & 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 1 x a t m 。w a n g & c a i ( 2 0 0 4 ) 对d u p l i n 河口研究发现，由于河流的输入表层海水的p c 0 2 、a l k 、d i c 浓度具有明显的 季节性变化，其中春季最低而秋季最高。d u p l i n 河口区能向大气释放约2 5 6 3 0 6 g c i n 2 y r - 1 ，向邻近沿岸海水释放d i c 的通量为1 0 9g c i n 2 y r 1 。c h e n ( 2 0 0 8 ) 研 究珠江口p c 0 2 变化发现，随着距离河口越远，淡咸水混合和生物活动作用的加 强使得p c 0 2 由过饱和状态迅速下降至接近饱和，同时c i - 1 4 、n 2 0 等温室气体饱 和度也有大幅下降。 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，因此不同的研究在物理、化学、生物等因素的重要性上也给出 了不同的结论。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 n e s ( 1 9 9 9 ) 、l e f e v r ee ta 1 ( 2 0 0 2 ) 对南美洲智利沿岸海域进行调查研究表明，一方面， 1 0 秋季北黄海表层海水p c 0 2 分布a k - 控制机制探讨 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 一2 5 m m 0 1 m - e d a y ；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。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o 1 6m o l p m - 2 y r - 1 ( s m i t he ta 1 ，1 9 9 3 ) ；戴民汉等( 2 0 0 1 ) 对台湾海峡碳通量的研究结果 与张远辉等( 2 0 0 0 ) 的结果很不相同，张远辉等认为台湾海峡南侧海域在1 9 9 4 年8 月份是大气c 0 2 的弱源，而戴民汉等认为相同海区在2 0 0 0 年8 月份是大气 c 0 2 比较显著的源；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，其贡献主要来自于长江冲淡水。江春波等( 2 0 0 6 ) 着重 讨论了南黄海夏季下层水涌升和长江冲淡水对海一气界面c 0 2 通量的贡献，指出 夏季南黄海总体上是c 0 2 的一个弱源。j i a n ge ta 1 ( 2 0 0 8 ) 通过对美国南大西洋 湾的研究发现，每年表层海水温度周期性变化是造成该海域p c 0 2 季节性变动的 主要因素，总体上南大西洋湾表现为大气c 0 2 的一个汇区。c a i e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 在对珠江口和南海北部的研究中发现，该海域水柱的d i c 、a l k 和营养盐的通 量主要受到不同海流的控制，而这些海流由于地形、人类活动及河口混合具有不 同的性质。z h a i ( 2 0 0 7 ) 对2 0 0 5 年1 0 、1 2 月及2 0 0 6 年l 、4 月份的长江内河口研 究发现，污染严重的黄浦江对内河1 2 1 碳参数( p c 0 2 、d i c 、a l k ) 影响很大，长 江口作为碳源能释放通量为1 5 5 3 4 2 m m o l m - 2 y r - 1 。d a ie ta 1 ( 2 0 0 8 ) 对2 0 0 1 年 5 - 6 月珠江口和南海北部研究发现，由于赤潮的发生海水中d i c 被大量消耗，同 时溶解氧和p h 升高。在此期间d i c 被消耗了1 0 0 1 5 0p m o l k g 1 ，c 0 2 通量为1 8 m m o l m - 2 d - 1 。s t a f f a 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。j