（环境科学专业论文）春季北黄海表层海水pCOlt2gt控制因素及海气界面通量的研究.pdf

水区域底层海水涌升致使此区具有较高的p c 0 2 值。 辽南沿岸大部分海域冬季、春季受生物活动影响显著，均表现为大气c 0 2 的汇区，不同之处是春季在鸭绿江口及c 7 0 1 、c 8 0 1 附近海域因受陆源污染物输 入影响具有较高的p c 0 2 值，为大气c 0 2 的源区。调查区的东中部海域冬季、春 季差异较大。冬季因受黄海暖流及水体垂直混合的影响，此海域表现为大气c 0 2 的强源区。而春季黄海暖流已经退缩，调查区东中部演变为黄海混合水区域和西 朝鲜冷水区域。在生物活动、温跃层共同作用下，黄海混合水影响区表现为大气 c 0 2 的汇区；西朝鲜冷水区域因受上下水体的混合作用影响，表现为大气c 0 2 的源区。鲁北沿岸海域p c 0 2 的冬春季节性变化不大，高的d i c 维持了高的p c 0 2 。 本文采用w a n n i n k h o f ( 19 9 2 ) 公式估测了春季北黄海碳通量。改进的网格法 避免了因站位布设不均引起的误差，计算结果可信度更高。其估测结果表明：春 季北黄海为大气c 0 2 的弱源，碳通量为0 0 4m m o l m - 2 d - 1 ，春季可向大气释放 3 1 1 0 3 t c 。并且各区域对源汇的贡献存在较大差异。 关键词：北黄海；p c 0 2 ；控制因素；演变；海一气界面碳通量 t h ec 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 lp r e s s u r e o fc 0 2a n dt h ea i r - s e af l u xi nt h en o r t h e r ny e l l o ws e ai n s p r i n g a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg e o g r a p h i c a ll o c a t i o no fc o a s t a ls e a , w h i c hl i n k st h el a n da n dt h e o c e a n s ，t h ep c 0 2o fi t ss u r f a c el a y e ri sc o n t r o l l e db ym a n yk i n d so ff a c t o r s ，s u c ha s t e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ，r i v e ri n p u t ，o c e a nc i r c u l a t i o n , h u m a na c t i v i t i e sa n ds o o n t h e r e f o rt h e c o a s t a ls e as o u r c e s i n km e c h a n i s mi sc o m p l e x t h er e s e a c ho ft h e n o r t h e r ny e l l o ws e ai si n f r e q u e n t r e s e a r c ho nt h ea i r - s e ac 0 2e x c h a n g ef l u xo f n o r t hy e l l o ws e ai so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed i s c u s s i o no fg l o b a lc a r b o nc y c l e t h i sp a p e r ，w h i c h i sb a s e do nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec a r b o n a t ep a r a m e t e ra n d c o m b i n e dw i t ht h eh y d r o l o g i c a l b i o l o g i c a la n do t h e ro b s e r v a t i o n a ld a t af r o ma p r i lt o m a yi n2 0 0 7 ，r e s e a r c h e st h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so ft h ep c 0 2 ，a n dt h ec o n t r o l l i n g f a c t o r s e v o l v e m e n tf r o ms p r i n gt ow i n t e r a n dt h e nw eg i v et h ea i r - s e af l u xo fc 0 2 i nt h en o r t h e r ny e l l o ws e ad u r i n gs p r i n g t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： t h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r e ，s a l i n i t yi s e x t r e m e l yn o n u n i f o r m i nt h e n o r t h e r ny e l l o ws e ad u r i n gs p r i n g t h ew e s t e r nk o r e ac o l dw a t e ri se v i d e n t ，w h e r e t h es e a w a t e re x c h a n g ei nv e r t i c a ld i r e c t i o ns t i l le x i s t s t h ec o l dw a t e ro ft h en o r t h e r n y e l l o ws e ai nb o t t o mh a sb e e nf o r m e d ，a n dt h et h e r m o c l i n eh a m p e r st h em i x i n go f t h em a t t e ra n de n e r g yi nv e r t i c a lw a t e rb o d i e s s i m i l a r l yt h ed i s t r i b u t i o no ft h ed i c ， a l k ，a n dp hi su n e v e n i 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 , t h er e l a t i o n o fa l k ，d i cw i t hsi sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e ra r e a i nt h ev e r t i c a ls t r u c t u r e ，d i ca n d a l kb o t ha r eu n e v e nb e c a u s eo ft h et h e r m o c l i n e t h ep c 0 2o ft h es u r f a c el a y e r w a t e ri nt h en o r t h e r ny e l l o ws e ar a n g e sf r o m3 3 5 p a t mt o4 9 5 p a t mi ns p r i n g w i t ha s t a t i s t i c a la v e r a g ev a l u eo f3 9 4 9 a t m ，a n di tp r e s e n t st h em a s s i v ed i s t r i b u t i o n t h ea r e a o fs o u r c el o c a t e si nt h ew e s t e r nk o r e ac o l dw a t e r s ，t h ec o a s t a la r e an o r t ho fs h a n d o n g p e n i n s u l a , a n dt h em i n o r i t yo ft h el i a o n a nc o a s t a la r e a b u tt h es i n ki sm a i n l yi nt h e a r e ao fy e l l o ws e am i x e dw a t e r t h er e l a t i o no ft h ep c 0 2w i t ht h et e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yi sn o tr e m a r k a b l e s e v e r a ls t a t i o n si nt h ey a l u j i a n ge s t u a r yh a v eh i g hp c 0 2a n d l o wp h ，f o ri ti sa f f e c t e d b yt h ec o n t a m i n a t i o no ft h el a n d i nt h em a i nl i a o n a nc o a s t a ls e aa n dt h ea r e ao f y e l l o ws e am i x e dw a t e rr e g i o nb i o l o g i c a la c t i v i t yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e d i s t r i b u t i o no fp c 0 2 b e c a u s eo ft h er i v e ri n p u tw h i c hh a sb r o u g h tt h ea b u n d a n t n u t r i e n t s u b s t a n c e ，t h ei n t e n s eb i o l o g i c a la c t i v i t yr e d u c e st h ec 0 2c o n c e n t r a t i o ni n s e a w a t e r ，a n dc a u s e sl o w e rp c 0 2 a l t h o u g ht h ec h l ad e n s i t yi ss o m e w h a tl o w i nt h e y e l l o ws e am i x e dw a t e r ；b u tt h ed os a t u r a t i o ni sh i g h t h er e a s o np o s s i b l yi st h a t z o o p l a n k t o nf e e d so np h y t o p l a n k t o n ，r e s u l t i n gt h el o wv a l u eo fc h l ae x i s t i n g t h e p c 0 2i su n d e r s a t u r a t e db e c a u s eo ft h ei n t e n s eb i o l o g i c a la c t i v i t y t h em a i nl i a o n a nc o a s t a ls e aw h i c hi si n f l u e n c e db yt h eb i o l o g i c a la c t i v i t ya c t e d a st h es i n ki nt h es p r i n ga n dw i n t e r ，b u tt h ea r e ao fy a l u ji a n ge s t u a r ya n ds e v e r a l s t a t i o n ss u c ha sc 7 01a n dc 8 01 ，w h i c hi sa f f e c t e db yt h ep o l l u t a n ti n p u t ，d i s p l a y st h e s o u r c eo fa t m o s p h e r ec 0 2i nt h es p r i n g i nt h ee a s ta n dt h ec e n t r a lp a r to ft h en o r t h y e l l o ws e at h em a i nc o n t r o l l i n gf a c t o r sa r ev e r yd i f f e r e n tb e t w e e ns p r i n ga n dw i n t e r t l l i sa r e ai sa f f e c t e db yt h ew a r mc u r r e n to fy e l l o ws e ai nw i n t e r ，a n di ti ss a t u r a t e d t ot h ea t m o s p h e r ec 0 2 b u tt h i sa r e ad i v i d si n t ot h ey e l l o ws e am i x e dw a t e ra n dt h e w e s t e r nk o r e ac o l dw a t e ri ns p r i n g n l ep c 0 2o ft h ey e l l o ws e am i x e dw a t e ri s u n d e r s a t u r a t e dw i t hr e s p e c tt ot h ea t m o s p h e r i cc 0 2o w i n gt ot h eb i o l o g i c a la c t i v i t y a n dt h ec o m b i n a t i o no fw a t e rs t r a t i f i c a t i o n h o w e v e r , t h ew e s t e r nk o r e ac o l dw a t e r a c t sa sas o u r c e t h er e a s o ni st h a tt h eb o t t o ms e a w a t e r , w h i c hi sp o s s e s s e do f c a r b o n a t e ，r a i s e sa n dm i x e sw i t ht h es u r f a c es e a w a t e r b e s i d e s ，t h em a i na r e ao ft h e c o a s t a ls e an o r t ho fs h a n d o n gp e n i n s u l aa c t sa sa na t m o s p h e r i cc 0 2s o u r c e ，w h i c hi s s i m i l a rb e t w e e ns p r i n ga n dw i n t e r i nt h i sp a p e r , t h em o d eo fw a n n i n k h o f ( 19 9 2 ) i su s e dt oe s t i m a t et h ea i r - s e ac a r b o n f l u x t h ei m p r o v e d 嘶dm e t h o di sc r e d i b l e ，w h i c ha v o i d st h ee r r o r sc a u s e db yt h e u n e r c nd i s t r i b u t i o no ft h es t a t i o n s t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h en o r t h e r ny e l l o ws e aa c t s a sas o u r c et ot h ea t m o s p h e r i cc 0 2i ns p r i n g t h ea i r - s e af l u xi s0 0 4m m o l 。i n - z d 。 b u tt h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n ta r e a st ot h es i n k s o u r c ei sd i f f e r e n t k e y w o r d s ：t h en o r t h e ry e l l o ws e a ；p c 0 2 ；c o n t r o l l i n gf a c t o r s ；e v o l v e m e n t ； a i r - s e ac 0 2e x c h a n g ef 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，也不包含未获得 ( 注；如没直墓他盂要挂别直咽的：奎拦亘窒) 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：芯l 。i 虱乡乏签字日期：o 降月p 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：三j 、i 虱失 导师签字： 签字日期：佃律石月膳日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 春季北黄海表层海水p c 0 2 控制因素及其海气界面通量的研究 0 引言 2 1 世纪，全球气候变化和生态环境的可持续发展是人类社会面临的最大挑 战。2 0 0 7 年联合国政府间气候变化问题研究小组( i p c c ) 在巴黎会议上发表的全 球气候变化评估报告肯定了全球变暖的严峻形势。美联社报告的初期版本预测， 到2 1 0 0 年全球海平面将比现在上升0 1 3 0 5 8 m ，全球气温将升高2 - - 4 5 。而 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 。美国国家海洋和大气管理局( n o a a ) 近期公布的最新数据 表明，2 0 0 8 年大气中的二氧化碳含量仍呈加速增长态势。因此，如何减缓c 0 2 对全球气候变化的影响这一问题受到人们的密切关注。 海洋作为大气二氧化碳的最终归宿，每年可吸收因化石燃料燃烧所产生的二 氧化碳总量的1 3 。对于缓解全球气候变暖具有举足轻重的作用。陆架边缘海虽 仅占全球海洋总面积的7 ，但其初级生产力却占全球海洋的2 8 ，并将其蕴含 的占全球海洋8 0 的有机物源源不断的输向大洋。因此，陆架边缘海是全球海洋 碳循环的重要组成部分。但目前学者对陆架边缘海是大气二氧化碳的源汇尚存在 很大争论，主要原因由下：( 一) 陆架边缘海作为连接陆地与大洋的纽带，受多 种因素的影响如温度、盐度、河流输入等，因此海水二氧化碳分压( p c 0 2 , p a r t i a l p r e s s u r eo fc 0 2 ) 分布的影响机制尚不清晰。 ( 二) 目前缺乏对陆架边缘海的碳 循环的系统观测与研究。( 三) 随着大气二氧化碳浓度的增加，海洋吸收二氧化 碳的能力可能逐渐减弱。 北黄海是我国黄海3 7 。n 以北水域的通称，是渤海与其他海域进行物质能 量交换的必经之地，也是西太平洋典型的半封闭的陆架浅海之一。目前国内，对 于北黄海碳通量的研究仍比较少。宋美芹( 2 0 0 7 ) 首次对初春黄海p c 0 2 进行了 现场测定，并探讨了此季节北黄海p c 0 2 分布的影响因素，但因站位较少，所以 对初春北黄海p c 0 2 的分布及其影响因素的研究尚不全面。之后，张龙军等( 2 0 0 8 ) 对冬季北黄海碳酸盐各参数的分布及p c 0 2 影响因素进行了研究，并指出冬季北 黄海为大气二氧化碳的弱源。 本文依据2 0 0 7 年4 - 5 月的北黄海春季航次调查所得的水文、化学、生物等 数据，分析了春季北黄海碳酸盐各参数的分布特征、春季北黄海表层海水p c 0 2 春季北黄海表层海水p c 0 2 控制因素及其海气界面通量的研究 的控制因素，探讨了春季、冬季北黄海表层海水p c 0 2 影响因素的季节性演变， 并对春季北黄海的碳通量进行了估算。通过研究对春季北黄海的碳酸盐各参数的 分布、春季北黄海表层海水p c 0 2 的影响因素、春季北黄海碳通量有了初步的了 解。 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 春季北黄海表层海水p c o ：控制因素及其海气界面通量的研究 1 文献综述 1 1 海洋中的二氧化碳体系 海洋是地球碳的最重要贮存库之一，作为大气c 0 2 的调节器在控制全球性 大气二氧化碳的浓度升高和“温室效应 所导致的气候变暖方面起着至关重要的 作用( 张正斌等，2 0 0 4 ) 。二氧化碳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。同时，海洋 中的二氧化碳。碳酸盐体系也参与大气海洋界面、海洋沉积物与海水界面以及海 水介质中化学反应，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 于碳是构成生物体的最基本元素，所以碳酸盐体系的化学反应和平衡是影响海洋 生物活动的重要因素，在海洋生态系统中发挥着不可或缺的作用( l i k e n se la 1 ， 1 9 8 1 ；s c h i n d l e r ，1 9 8 1 ) 。 海水中c 0 2 体系的各种形态之间存在着如下的平衡过程： c 0 2 ( g ) 号c 0 2 ( a q ) c 0 2 ( a q ) + h 2 0 _ h 2 c 0 3 h 2 c 0 3 _ 旷+ h c 0 3 。 h c 0 3 。_ h + + c 0 3 2 。 二氧化碳在溶解于海水的过程中伴随着与水分子之间的相互作用，因此海水 中无机碳主要有四种存在形态：h c o s c 0 3 2 - , c 0 2 和h 2 c 0 3 ( 溶解c 0 2 和h 2 c 0 3 多用c 0 2 表示，称为游离二氧化碳) 。其中，海水中溶解无机碳占海水总碳的 9 8 以上( z e e b ea n dw o l f - g l a d r o w ，2 0 0 1 ) ，而溶解无机碳( d i c ，d i s s o l v e di n o r g a n i c c a r b o n ) 中又以h c 0 3 为主，可占9 0 以上，c 0 3 2 - 次之，约占9 ，其余为溶解 c 0 2 和h 2 c 0 3 ( b a k k e re ta 1 ，1 9 9 9 ；宋金明等，2 0 0 4 ) 。在不同海域、水文及p h 条 件下，各种形态的含量有所不同。h c 0 3 。、c 0 3 2 也是海水碱度( a l k ，a l k a l i n i t y ) 的主要组成部分，约占a l k 总量的9 5 以上( g o n ge la 1 ，2 0 0 6 ) 。 另外，p c 0 2 作为海水c 0 2 的一个重要参数，随着温度、盐度、生物活动、 海洋环流等影响因素的变化而变化( d y r s s e n ，2 0 0 1 ；s o n g ，2 0 0 5 ) ，所以其具有时 空变化大的特点。大多数海洋中温度、盐度的季节性变化是p c 0 2 变化的主要因 3 春季北黄海表层海水p c 0 2 控制冈素及其海气界面通量的研究 素( g o y e t ，1 9 9 1 ) 。对于一个封闭的海洋体系，当温度改变时，碳酸盐平衡体系 发生移动，导致c 0 2 各组分浓度的变化，进而引起p c 0 2 的变化。温度与p c 0 2 之间存在正相关关系：当温度升高时，p c 0 2 也升高，这是由海水中碳酸盐体系 及其他弱酸体系如硼酸盐的平衡随温度的改变而改变所造成的( c o p i n m o n t e g u t , 1 9 8 8 ；t a k a h a s h ie ta 1 ，1 9 9 3 ) 。此外，温度对c 0 2 气体在海水中的溶解度也有一 定的影响作用：温度升高时，c 0 2 的溶解度降低，进而引起引起p c 0 2 降低。可 见，温度对海水中p c 0 2 具有双重影响作用，许多学者为此做了大量的研究。 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 t 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 + t ) - a t 4 4 木10 西p c 0 2 ( t + a t ) - 4 6 木10 曲p c 0 2 ”t ) 2 】( a t o 5 c ) 盐度对p c 0 2 的影响主要是通过改变碳酸盐的电离度实现的。一般情况下， 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c 0 2 的溶解度随盐度的增加而降低，海水 p c 0 2 随盐度增加而减小。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 l l e r o ( 1 9 8 7 ) 的热力学公式，对海水中声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 ) 】奎l n f i b ( t i ) + i n b ( t ) 其中，a 和t 的关系可以用一次方程表示：a ( t ) = 1 + 毗；b 用一个三次方程表示： b ( t ) = 1 + a t + b t 2 + c t 3 ； 盐度决定了仅，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： g o y e te ta 1 ( 1 9 9 3 ) 利用g o y e t e ta 1 ( 1 9 8 9 ) 的碳酸离解常数，在给定盐度 4 春季北黄海表层海水le o ：控制冈素及其海气界面通量的研究 和x ( c 机畸) 的条件下，对海水中的肛0 2 和温度的关系做了更为精确的阐述。 陆架边缘海温度、盐度对p c 0 2 的影响原理同大洋相似，只是陆架边缘海的 温度、盐度受陆地、河流输入等影响较大，分布不均匀。c h e n 等( 2 0 0 7 ) 对飓 风漩涡冷中心的研究发现，表层海水p c 0 2 与温度间存在负相关关系，主要是由 飓风导致表底层海水涡动混合，低温而富含c 0 2 的底层水上升与表层水混合产 生的。目前针对盐度对p c 0 2 的影响的研究，不同学者对不同海域持有不同的观 点。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( 2 0 0 2 ) 在对黄海夏季 的研究中却发现，p c 0 2 与盐度呈正相关性。这可能是由于海域、季节、生物等 因素的不同造成的。若要弄清其中的缘由，还有待进一步的研究。 海洋中的碳主要以溶解无机碳( d i c ) 、溶解有机碳( d o c ) 、颗粒有机碳 ( p o c ) 的形式存在( e a t h e r a l le ta 1 ，1 9 9 8 ) 。碳在海洋中的迁移、转化既受控于 物理过程也受控于生物过程，即通常所说的物理泵( 溶解度泵) 和生物泵。其中， c 0 2 通过海气交换从海洋表面向深海输送的物理过程称为物理泵，浮游生物通过 光合作用吸收碳并不断向深海和海底沉积物输送的过程称为生物泵。物理泵的工 作效率取决于海洋的热盐环流及洋流的纬度和季节变化。在物理泵的作用下，大 气c 0 2 被高纬度地区的海水吸收并被输送到赤道。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。生物泵将海洋表层的无机碳转化为有机 碳，随着生物残体的沉降进入深水层，实现碳由表层向底层的输运，对提高海一 气界面碳通量具有重要影响作用。 海洋吸收大气中的二氧化碳对缓解全球气候变暖具有重要的影响，同时也带 来了一定的问题：海洋酸化。2 0 0 9 年3 月1 6 日联合国教科文组织下属政府间海 洋学委员会日前与国际原子能机构等在摩纳哥举办的海洋酸化研讨会上，与会专 家认为，由于吸收了过多的二氧化碳，海洋正在以前所未有的速度酸化，这一现 象已经严重破坏了生物多样性，并且造成一些具有侵略性的物种出现。英国普利 茅斯海洋实验室专家卡罗尔特利认为，一些贝类生物的灭绝就是海洋酸化有力 的证明。海洋酸化致使碳酸盐平衡体系向左移动，【一】增加，p h 降低，这减弱 了海洋吸收大气c 0 2 的能力，对帮助人类缓解气候变化问题是一个危险信号。 童生j ! 丝塑墨星翌查匹! 望型岜茎丝! ! 塑王堂粤望墨盟! 塞 12 陆架边缘海的研究现状 1 21 陆架边缘海生态系统对全球碳循环的贡献 工业革命以来，化石燃料的燃烧和其它人类活动已对全球碳循环产生了显著 的影响( n e f t e le ta l ，1 9 8 5 ；f a l k o w s k ie ta l ，2 0 0 0 ；s a b i n ee t a l ，2 0 0 4 ) 。s i e g e n t h a l e r 和o e s c h g e r 通过对冰心中气泡的数据进行样条拟合，认为1 8 世纪米大气c 0 2 的浓度为2 8 0 p p m ( s i e g e n t h a l e r , 1 9 8 7 ) 并且大气c 0 2 浓度仅有小的波动( r a y n a u d a n db a r n o l a , 1 9 8 5 ；e t h e r i d g ee ta l ，1 9 8 8 ；s i e g e n t h a l e re ta 1 ，1 9 8 8 ；w a h l e ne ta 1 ， 1 9 9 1 ；b a r n o l ae ta l ，1 9 9 5 ；e t h e r i d g ee ta l ，1 9 9 6 ) 。之后。随着人类活动的加剧， 大气中c 0 2 的浓度也在逐年增加。n o a a ( 美国国家海洋与大气管理局) 在对夏 威夷m a u m al o a 地区在2 0 0 5 2 0 0 9 年期间大气中c 0 2 浓度的监测中发现，尽管 大气c o ：的浓度月际变化较大，但c o ：浓度的年平均值在4 年间上升了约8 p p m ， 并且呈现出逐年升高的趋势，如图1 - 1 所示( 引自 l a t t p ：w w w e s r l n 0 8 , a g o v g m d c c g g t r e n d s ) 。囚此，如何降低大气中c 0 2 的浓度， 缓解全球气候变暖问题显得尤为迫切。 y e r 图1 - 1 美国m a u m al o a 地r 人气c 0 2 爿平均浓度及年际变化 然而，近几十年来科学家仍无法将人为活动产生的过量c 0 2 及储存场所c 0 2 的储量，两者自j 作出台理的平衡( s i e g e n t h a l e ra n ds a r m i e n t o ，1 9 9 3 ) 。这一问题 一直没有解决，进而产生了所谓“m i s s i n gc a r b o n “m i s s i n gs i n k ”等说法。这汇究竟 在何处，己成为当今全球碳循环研究的中心问题，并存在广泛的争论，陆地学说 和海洋学说各持己见( s c h i m c l 1 9 9 8 ；w a n ge t a l ，2 0 0 0 ) 。 有很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 6 春季北黄海表层海水| d c 0 2 控制因素及其海气界面通量的研究 大，是海洋吸收了更多的碳( t a n se ta 1 ，1 9 9 8 ；s a b i n ee ta 1 ，2 0 0 4 ；b o z e ce ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。w a l s he ta 1 ( 1 9 8 1 ) 指出，陆坡上的有机物沉积可能就是大家一直争论 的全球c 0 2 收支平衡中的“碳丢失项”。他们认为，近岸富营养化及陆架和陆 坡之间营养盐的往复运输可解释这个“汇”的成因，5 0 的陆架区生产力输往陆 架坡，再生的营养元素循环利用而将碳消化掉。 陆架边缘海介于陆地和开阔大洋之间，陆源经其向大洋传输，陆地河水径流 及沿岸海流的循环、混合、涌升带来的丰沛的营养盐，促使边缘海生物生产力远 高于开阔海域( c h e r t ，1 9 9 5 ) 。据报道，陆架海仅占全球海洋总面积的7 ( g a t t u s o ， 1 9 9 8 ) ，但其初级生产力却占全球海洋2 8 ( l o n g h u r s t ，1 9 9 5 ) ，并且蕴含的全球 海8 0 的有机物( r a b o u i l l e ，2 0 0 1 ) 。因此，陆架边缘海对全球海洋c 0 2 的源汇 过程起着重要的作用( w a l s h ，1 9 9 1 ) 。生产力高的陆架边缘海区，其生物固碳作 用( 生物泵) 可加速海水吸收大气中的c 0 2 ，将其转化为颗粒态的碳化合物，沉 积在边缘海区，或经由侧向传输输入大洋深处。但另一方面，深层海水的涌升及 大量有机质的分解，也可能导致边缘海区海水中的c 0 2 处于过饱和状态，而成 为大气c 0 2 的源。这种错综复杂的关系在陆架边缘海区长期存在。因此，在估 算全球碳循环过程中，陆架边缘海究竟是大气c 0 2 的源还是汇，尚存在很大争 议。 。 综上所述，尽管“碳丢失项”在何处尚未定论，但陆架边缘海对全球碳循环 的重要性却是非常明确的。只是边缘海区具有海洋中最富有变化的环境和最有活 力的生物化学过程，导致了世界上大陆近海海域的复杂性、多变性和独特性，使 我们较难准确的量化边缘海在全球碳循环中的贡献( l i ue ta 1 2 0 0 0 ) 。 1 2 2 陆架边缘海海气界面二氧化碳的研究现状 近年来，科学界对陆架边缘海c 0 2 的研究给予了高度重视，并展开了较为深 入的研究。早期的近岸生态系统研究通常认为边缘海标线为大气c 0 2 的净源 ( s m i t ha n dh o l l i b a u g h ，1 9 9 3 ) ；j g o f s 于2 0 0 1 年5 厅公布的结果表明陆架边缘海 总体上表现为大气c 0 2 源的可能性较大。然而部分研究显示许多边缘海年际尺度 上为大气c 0 2 的汇，或者至少观测时间内相对大气c 0 2 是欠饱和的。总之，陆架 边缘海因受温度、盐度、生物活动、河流输入等多种因素影响究竟是大气c 0 2 的 7 春季北黄海表层海水p c 0 2 控制因素及】海气界面通量的研究 源还是汇尚存在很大争议。在大西洋陆架海区，b o z e c 等( 2 0 0 5 ) 研究表明，夏 季北海北部由于受强烈的生物活动影响表现为大气c 0 2 的汇区，而水深较浅的北 海南部由于受海水垂直混合、高无机碳河流输入等的影响，表现为大气c 0 2 的源 区，但北海夏季整体表现为汇区。f a b r i z i o 等( 2 0 0 8 ) 通过研究发现在地中海东 西部盆地区域p c 0 2 的季节性差异主要受到生物活动的影响。s c h i e t t e c a t t 等( 2 0 0 7 ) 对北海的南部湾进行了研究中发现，此区域p c 0 2 空间分布不均匀，季节变化大， 但全年表现为大气c 0 2 汇，并指出p c 0 2 主要受生物活动控制而非温度。但有的海 域受温度影响较为显著，j t l j i a n g 等( 2 0 0 8 ) 对美国南大西洋湾的研究中指出： 温度在p c 0 2 的季节性变化中起着主导作用，此海域全年表现为大气c 0 2 的汇区。 海气交换速率也是影响源汇的重要因素，j t l p a d i n 等( 2 0 0 9 ) 通过分析卫星遥感 监测得表层温度和c h l a ，现场测得的表层海7 k p c 0 2 等数据指出，比斯开湾为大 气p c 0 2 的汇区，其中影响海水对大气中c 0 2 的因素中，海气交换速率对其影响较 大占5 7 ，其次为表层海水温度约占1 0 ，而生物活动影响较小，仅占2 。除此 之外，陆架边缘海也受陆岸影响。m e r c e d e s 等( 2 0 0 8 ) 通过对c a d i z 湾2 0 0 4 年2 9 月的研究指出，表层海p c 0 2 季节性变化很大，主要是因为此区p c 0 2 受周围渔 场排放的有机物排放和有机物降解影响，并且有机物的排放存在季节性差异，同 时有机物降解随季节性温度差异而发生变化，但c a d i z 湾全年尺度上表现为大气 c 0 2 的汇区。在太平洋陆架海区，学者针对河流、近岸环流等x 寸p c 0 2 的影响进行 了大量的研究。s h i m 等( 2 0 0 7 ) 对东海北部海域进行了春、夏、秋三个季节研 究，发现水温、长江冲淡水及近岸上升流都会对表层海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。f a g a n 等( 2 0 0 7 ) 对美国夏威夷群岛附近的 k a n e o h e 海湾从2 0 0 3 年9 月至1 j 2 0 0 4 年9 月两个月取一次样的研究结果表明，虽然河 流输入携带的大量营养盐刺激了浮游植物的大量繁殖，但是k a n e o h e 海湾在年际 尺度上依然表现为大气c 0 2 的源，并且干旱年份表现为大气c 0 2 的源更加强。e l s e 等( 2 0 0 8 ) 对哈德逊湾的卫星遥感测定分析结果显示，此海域8 9 月为大气c 0 2 的源区，1 0 月份随着温度的降低演变为大气c 0 2 汇区，但秋季此海域整体表现为 源区。这一结果与高纬度有所不同，这种差异主要是由河流输入和低的生物活动 所造成的。 我国具有广阔的陆架边缘海，约占全球陆架边缘海面积的1 2 5 ，因此具有 8 春季北黄海表层海水p c o ：控制冈素及其海气界面通量的研究 研究陆架边缘海c 0 2 碳源汇机制的天然条件。其中，东海是我国最开阔的陆架 海之一，多年来学者对其进行了大量的研究( 张远辉等，1 9 9 7 ；c h e n & w a n g ，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 ) 。t s u n o g a i 等( 1 9 9 9 ) 在中国东海的 研究中发现，陆架边缘海是大气c 0 2 的汇区，提出了“大陆架泵”( c o n t i n e n t a l s h e l f p u m p ) 的概念，并据此估算东海区域陆架区可吸收约1 0 x 1 0 9 tc a - 1 。同时， 他指出东海之所以能吸收如此多的c 0 2 除了受水温( 水温比较低能溶解比较多 的c 0 2 ) 以及生物活动( 活跃的生物活动加速海水吸收大气c 0 2 ) 影响以外，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了大 量c 0 2 。谭燕等( 2 0 0 4 ) 对中国东海西部的研究，认识到东海西部受长江冲淡水影 响表现为大气c 0 2 的汇区。而在南海，d a i 等( 2 0 0 8 ) 对2 0 0 1 年5 6 月南海北 部进行调查研究，结果显示在受河流输入影响局部地区出现了短期的水华现象， 浮游植物的大量繁殖造成相应区域为大气c 0 2 的汇区。在黄海，江春波( 2 0 0 6 ) 等研究指出，夏季南黄海受长江冲淡水影响的海域是大气c 0 2 的汇区，受上升 流影响的海域为源区，但夏季南黄海总体上是大气c 0 2 的弱源。宋美琴( 2 0 0 7 ) 等研究了春季整个黄海区域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。 很多学者对全球陆架边缘海表现为大气c 0 2 的源还是汇这一科学问题进行 了推测。l i u 等( 2 0 0 0 ) 推测全球陆架边缘海整体上表现为大气c 0 2 的弱汇，通 量约为0 1 g t c a - 1 ；同时，他们也指出至少有两类边缘海区很可能是大气c 0 2 的 源：一类是上升流主导的边界流系统；一类是水动力交换比较弱的海湾。 f r a n k i g n o u l l e 和b o r g e s