（环境科学专业论文）南海北部颗粒有机碳输出通量、季节变化及其调控过程.pdf

摘要 的一般规律 但陆架区部分站位出现底部浓度剧增的现象 主要与底部再悬浮 有关 而在陆坡区 p o c 浓度在2 0 0m 与4 0 0 一5 0 0m 附近出现明显增加 可 能与南海颗粒物的沿陆坡搬运或水平运移有关 本研究采用了三维模型估算2 3 4 n l 输出通量 结果表明垂直输送过程对2 3 4 1 1 1 通量的影响可以忽略不计 在大部分站位 水平输送过程的影响仅占掰t h 通量 的1 0 以内 但在一些特殊物理水文条件下 如锋面 水平过程的影响可达3 0 4 0 因此在陆架边缘海应用2 3 4 1 1 护3 8 u 不平衡法估算p o c 输出通量 进行 高时空分辨率的2 3 4 n l 采样是非常有必要的 需要说明的是 由于船时及调查条 件的限制 本论文采用悬浮颗粒物上的p 0 酽4 n l 比值计算p o c 输出通量 相 当于p o c 输出通量的上限值 在2 0 0 4 2 0 0 5 年四个季节调查期间 南海北部 陆架区p o c 输出通量季节变化不明显 变化范围为8 o 一 3n 1 i i l o lcm 2d 陆坡及海盆区p o c 输出通量则季节变化明显 冬季表现为高输出特征 输出通 量平均为9 o 士6 4m m o lcm 五d 1 其余三个季节p o c 输出通量在3 5m m o lc n 1 2d 1 之间变化 p o c 输出通量的季节变化与由季风驱动的初级生产力季节变 化一致 同时也与浮游植物群落结构季节变化 冬季以微型浮游植物为主 其 余季节以微微型浮游植物为主 相对应 三者的耦合表明季风是驱动南海北部 p o c 输出通量季节变化的主要原因 即在冬季混合作用加强使得下层营养盐进 入上层海洋 促进初级生产力增加和浮游植物群落结构改变 进而增加p o c 输 出通量 南海北部的眦 2 3 4 n 法得到的p o c 输出通量 初级生产力比值 在4 6 8 之间变化 大部分落在1 0 5 0 之间 平均为2 4 其生物泵效率高于寡 营养盐海区 5 3 岬 1 1 1 ev 撕 邺讹n d si i ln 圮p o c 2 3 4 t h 枷ov e 稻璐 p 枷c l es i z ew e r eo b s e e d w 赫c hm a yb ee x p l a i n e d b yac o m b i m t i o no f2 3 4 1 1 1d e c a y a n dt h ep r e f e r e n t i a lr e m i n e r a l i 2 a t i o no fp o c叫a t i v et 0 孔d i l r i n gp a n i c l e a g g r e g a t i o n d u r i n gt h es u r v e y t l l ed e f i c i to f 4 t hg c n e r a l l yd e c r e 觞e d v i 廿l l ed i s t a i l c e o 凰h o r ei l l l en o n h e ms c s d 印t hp r o f i l e so f2 3 4 1 1 1m a yb ec a t c 9 0 r i z e di n t 0 职e t y p l c s 诵t l l 辩a s o n a i 删j a t i o n s i i lm ew m t e r m ed e f i c i to f2 3 4 1 1 l a p p e a r e dt 0b e s u b s t a i l t i a li nt h es u r f k e 锄dd e c r e 舔e d i t hd e p t h ho t h e r 鹳 衄 2 弘r hb 觞i c a l i y a b s t r a c t s h o w e das t r a t i 丘c ds t n l c 眦 i e t l 托s u b 触em 戤缸n ao f2 3 4 t h 如f i c i t s u c ha s 缸a t i f i e ds t n j c t u r ei sc h a r a c t e r i s t i co fo l i 9 0 t r o p k co c e a n a ts o n l el o c a t i o n so nm e s h e l f 2 3 4 t ha c t i v i t i e sw e r el o w e rt h a n2 3 8 u 杖妁u g h o u tt l 托w a t e fc o l u m na n d 蚀诧 e r l l l a i l c e dd e f i c i te x i s t e da tt h eb a l s eo ft h ee u p o t i cz o n e w h i c h v e r em a i l l l yc a u s e db y t h er e s u s p e f l s i o no ft h eb o 滟ms e d i m e n t s b e s i d e sm ed i s t r i b u t i o no f2 3 4 t h p o cd i s t r i b u t i o i l so nt l l es h e l f 锄dt 1 1 es l o p e w e r ea l s oi n v e s t i g a t e df r o m2 0 0 0t o2 0 0 4 p o cc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dw i t hm e d i s 觚c eo 凰h o r e w h i c hi n d i c a t e st h ei n n u e n c eo ft h ep e a 订鼬v e r p o c c o n c e n t r a t i o ni n 伍es u m m e rw a sh i 曲e rm 吼i i lt h cs p r i n ga n dt h ea u t l l i i u la i l d v 弱 l o v e s ti nt h ew i n t e r w m c hi sc o n s i s t e n t v i t l lm es e a s o n a lv 撕a t i o no fm ed i s c h a r g e o ft h ep e a f lm v e r p o cc o n c e n t r a t i o ng e n c r a i i ys h o w e dad e c r e a s ew i md 印m a t s o m el o c a t i o n so nt h es l o p e p o cp e a k e da t2 0 0ma r l d4 0 0 5 0 0m w l l i c hs u g g e s t s t h eh o r i z o n t a lp 孤i c l e t m s p o r t0 rt h ep a n i c l et 啪s p o r l ta l o n g 血es l o p ei nt l l e i l o n l l e ms c s u s i n gat l 珊e d i m e n s i o l l a ls t e a d ys t a t em o d e l 2 3 审n 1n u xw a se s t i m a t e d j ti s s h o v i lt l l a th o r i z o n t a la n dv e r t i c a lt r a n s p o r ta c c o 喇f o rl e s st h 觚lo o f l eo v e r a l l 2 3 4 t hb a l a l l c ef o rm o s to fs 协t i o n s h o w e v c r t l l ec o n t r i b u t i o no fp h y s i c a lt r 锄s p o r tt o t h e2 3 4 1 1 1n u xw 硒u pt o3 0 4 0 a tp h y s i c a l l yd 刹cr e g i m e ss u c h 邪a tt h e s a l i n 时疗0 鹏 t 1 l i ss t r o n 9 1 ys u g g e s t s 谢h i 曲r c s 0 1 u t i o n2 3 4 1 1 1 姗p l i n gi s n e c e s s 哪t oc o 玎e c t l yr e s o l v et l l ev 面a b i l i t ro fp o c f l u e si i l 恤m 鹕i m ls e a c o m b i n e d t ht h em e 2 l s e m e n t so fp o c 2 3 4 t hr a t i oo ns u s p e n d e dp 砒i c l e s 2 3 舢n l f l u x e sw e r ec o n v c 他dt 0p o ce x p o r tr a t e s 觚d 坞g a r d e d 猫t h eu p p e rl i i i l i to fp o c n u i nt l l en o n h e ms c s i nt h en o n h e ms c s p o ce x p o r to nt h es h e l f v 耐e d 舶m8 0t 01 1 3i i u 1 1 0 lc m 2d 1w i mn oa p p a r e n ts e a s o n a lv 撕a t i o 璐 i nc o n t 瞅 t h ea v e r a g ep o ce x p o r ti n m er e g i m eo f t l l es l o p ea n dt h eb a s i l lc h a i l g e d 舶mal o wo f 3 6 士2 2m m o lcm 2d 1 i nt h es p r i n gt oah i g ho f9 0 士6 4n 吼o lcm 2d 1i nt h e v i n t 盯 衍t l lam e d i 哪砌u c i nt h es u m m e r 4 7m m o lcm 2d 1 a r l dt h ea u t l l m n 4 8 士4 8m m o lcm 2d 1 t h e s e a s o n a ip a t t e mo fp o ce x p o r tm a t c h c dt h ep a t t e mo fp r i m a 巧p r o d u c t i o n 觚dt i l e c o m m u n i 够s 觚l c t u r eo ft h ep h y t o p l a r l t o n t h ee n h a i l c e m e n to f v h j c hi n 丽n t e rm a y v a b s t 嘲 b er e l a t e dt 0t 1 1 en u t r i e n ts u p p l i 懿i b mm ew i n d i i l d u c e dm i x i l 玛i i lt h ew i n t e l t h em t i o 2 3 4 1 1 1 d 嘶v e de x p o r tp r o d u c t i o r l p r i i i l a d p r o d u c t i o nm t i o i i lm e n o m l 锄s c sv 撕e di nt l l e 锄g eo f4 6 8 诵t h 锄a v e r a g eo f2 4 w m c hw 弱 h i g h e rt h a nt l l et y i c a lv a l u ei i lt l l eo l i g o t r o p l l i co c 咖 几个月 在这段期间 已被收集的颗粒物如果发生矿化或 者降解可能引起沉降通量的低估沁t i 如2 0 0 5 n 0 j ie ta 1 1 9 9 9 b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 0 新研制的中性浮子沉积物捕获器 n e u t r a l l yb u o y a n ts e d i m e mt r a p n b s t 有效地提高捕获器的收集效率 但考虑到沉积物捕获器还存在不少问题 同时其 造价昂贵 不易进行大面积的布设 仅依靠沉积物捕获器很难获得高时空分辨率 的全球输出通量分布图 海洋中的天然放射性同位素也是确定海洋p o c 输出通量的重要手段 目前应 用最为广泛的当属2 3 4 t l l 尸8 u 不平衡法 2 3 4 1 1 1 与2 3 8 u 均属于铀系元素 海水的2 3 4 t h 主要由其保守性母体元素2 3 8 u 经a 衰变产生 海水中的2 3 8 u 半衰期为4 4 7 1 0 9 a 主要以溶解态的u 0 2 c 0 3 4 3 形式存在 它难以被颗粒物所吸附 l o op m o w p m 这给p o c 输出通量 的估算带来很大的误差 详见b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 6 的讨论 p o c 戮t h 比值的 选用成为用2 3 4 t i 伊3 8 u 不平衡法估算p o c 输出通量过程中的一大难点 b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 6 c a ie ta 1 2 0 0 6 b b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 6 比较在相同海区用不同方法估算得到的通量 图 1 3 发现尽管模型中假设的使用以及不同的p o c 2 3 4 t i l 比值会影响p o c 输出 通量的估算 但2 3 4 t h 尸3 8 u 不平衡法结果与其余方法估算的输出通量 除捕获器 法之外 在2 3 倍范围内可以认为是一致的 需要指出的是由于不同方法使用 6 第一章绪论 的假设以及测量的时唰尺度不同 出现结果部分差异足j 下常的 这从一方面 兑 h 月2 3 4 t h 3 u 不平衡法的准确可靠 总的术 兑 尽管2 1 舻3 8 u 不平衡洼还存在 一些问题 但由于其可以提供高时空分辨率的p o c 输出通量 为研究生物泵提 供基础 因此自j g o f s 计划以来一直得到 1 泛的应用汇o c h r a na n dm a s q u e 2 0 0 3 自p l e se la 1 2 0 0 6 e 0 5 l 4 圣 u e e 0 t h 泣d cn o o 捕挟器 e 萑 e 耋 图1 3 比较不同方法估算得到的p o c 输出通量 a 北大西洋水华区 b 赤 道太平洋 c 罗斯海 方法和结果的描述详见b u e s s e l e r e ta i 2 0 0 6 f i g u r e t 3 ac o m p a r i 5 0 o fc a r b o n n u xe s t i m a t e s a n o n h a t l a n t j c b j o o m e 1 p e r i m e n t b e q u a t o r i a lp a c i n c c r o s ss e a b u e s s e l e r e c a i 2 0 0 6 1 1 2 全球海洋颗粒有机碳输出通量研究背景 近三十几年来 海洋学家使用不同方法估算全球海洋有机碳输出通晕 结 粜列于表ll 这些数值为使用不同方法得到的概略结果 误差较大 因此存在 较大差异 但目前基本上约为 l5 g t cy r 如粜将其平均分布 相当于35 m o ic m v r 对于全球输出通量及其控制过程的了解 自j g o f s 研究计划以来有了长 7 一l一廖醋翮 朔黝矧蒙 畎网h u批 fi i 第一章绪论 足进展 j g o f s 计划不仅增加输出通量研究的全球覆盖率 而且在过程研究方面 也有进步 主要体现在 b o y da n dt r u l l 2 0 0 7 1 生源颗粒沉降输出与海洋食物网结构的关系 目前大部分研究意识到 二者具有相关性 即认为当大型浮游植物与浮游动物在食物网中占据 主导地位时可以增强颗粒物的沉降输出 b o y da i l dn e 叭o n 1 9 9 5 b o y da l l dn e 叭 玛19 9 9 b u e s s e l e r 19 9 8 m i c h a e l sa i l ds i l v e r 19 8 8 m o o r ee ta 1 2 0 0 2 表1 1 全球海洋真光层有机碳的输出通量 b l e1 1g i o b a im a r i n eo r g a n i cc a r b o ne x p o nf h mt h ee u p h o t i cz o n e 望望 一 方法 文献来源 g tcy r 1m o lcm 也汀1 一 2 藻类聚集体对输出通量的贡献 早期的研究认为粪便碎屑是下沉颗粒 物的主要组成部分 s m a l le ta 1 1 9 8 3 最近的研究则发现藻类可以形 成聚集体 a l l d r e d g ea n dj a c k s o n 1 9 9 5 进而沉降输出 b i l l e t te ta 1 1 9 8 3 3 矿物组成与硅质 钙质外壳对输出通量的调控作用 矿物组成与硅质 钙质外壳有利于增强颗粒物输出 i t t e l 1 o t 1 9 9 3 k e i le ta 1 1 9 9 4 但 其中的机制还存有争议 是通过 压舱作用 b 出l a s t i n g 增加沉降 速率 f r a l l c o i se ta 1 2 0 0 2 还是通过形成保护层减弱颗粒物降解 或者 二者作用皆有 需待进一步研究 觚n s t f o n ge ta 1 2 0 0 2 h e d g e se ta 1 8 第一章绪论 2 0 0 0 o 4 颗粒无机碳 p i c 在生物泵中的作用 j o g f s 计划以来 海洋学家发 现p i c 的形成一方面提高生物泵效率 f 删1 c o i se ta 1 2 0 0 2 另一方面 又因形成时释放二氧化碳 将减弱生物泵效率 f r a n k i g l l o u l l ee ta 1 1 9 9 4 如何评价p i c 在生物泵中的作用成为研究热点与难点 5 弱光层研究的重要性2 j g o f s 计划实施1 5 年以来大洋p o c 输出通量的 集成结果表明 弱光层是p o c 输出通量衰减最为显著的区域 b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 3 研究弱光层有助于理解更长时间尺度上的生物 泵运作 解读深海营养盐的分布及深海沉积物所封闭的古环境信息 j a c k s o n l9 9 5 k r i e s t 锄de v a l l s l9 9 9 l i 锄dp e n g 2 0 0 2 s c h l i t z e r 2 0 0 4 基于这些进展 数值模型对输出生产力的模拟工作得到推进 最早的模拟研 究多采用初级生产力与输出生产力之间的经验关系式 p a c ee ta 1 1 9 8 7 s u e s s 1 9 8 0 其应用具有区域性 如果将其外推造成的误差可以高达4 0 0 9 0 0 b o y d a n dn e 川o i l 1 9 9 9 后续基于食物网结构的模型则更好地模拟p o c 输出通量 b o y da n dn e 叭o i l 1 9 9 5 l a w se ta 1 2 0 0 0 特别是l a w se ta 1 2 0 0 0 的模拟可以解 释实测e f 比 e f n p p p 或者e p p p 9 7 的变化 并显示e 北匕主要受控于初级生 产力和温度两个因素 随着遥感技术与计算机计算能力的提高 数值模型模拟工作大幅度增加 尽 管不同模式得到的全球表层 1 0 0m 的输出通量变化不大 大约在7 9 1 3 1q cy r 1 b o y d 肌dt r u l l 2 0 0 7 与实测结果接近 e m e r s o ne ta 1 1 9 9 7 k e e l i n g 觚d s h e 龙 1 9 9 2 而且目前模型已可以模拟输出生产力空间变化的大致趋势 可以 清晰看到高输出生产力的南大洋地区和低输出生产力的赤道太平洋的差异 f a l k o w s k ie t 甜 2 0 0 3 但数值模拟研究还存有很大的局限性 首先 现在大部 分模型采用由s e a i f s 叶绿素反演得来的初级生产力或者底层营养盐的平均浓度 作为初始场 得到的通常是一个长期年平均结果 经常无法解释表层输出通量年 际变化与季节变化 而且 由于现场表层输出通量研究的不足 会给模式参数化 和有效性验证带来误差 如l a w s 2 0 0 4 认为 其早期的工作 l a w se la 1 2 0 0 0 2 弱光层 t v i i 砂t z o n e 足指垂向上介于真光层与深海无光层之间的过渡水层 9 第一章绪论 无法重现夏威夷时间系列站 h o t 通量的季节变化 其中一个原因就是l a w se t a 1 2 0 0 0 确定模型参数时用的大部分数据来自高输出通量海区 代表性不够 m o o r ee ta 1 2 0 0 2 相对于模型模拟研究的进展 正如b o y da n dt m l l 2 0 0 7 指出的 t l l eo c e a n r e m a i n sd r 锄a t i c a l l yu n d e r s a m p l e di ns p a c ea n dt i m e 目前现场观测的缺乏成为 制约输出通量研究的限制因子 关于颗粒物输出通量的过程研究还存有相当大的 争议 首先 我们对上层海洋输出通量的调控因子的认识依然不足 早期的研究 认为初级生产力决定了输出通量的大小 p a c ee ta 1 1 9 8 7 s u e s s 1 9 8 0 l a w se ta 1 2 0 0 0 依据模型结果认为温度也是影响通量的一个重要因素 但b u e s s e l e re ta 1 1 9 9 8 在阿拉伯海的研究显示t h e 比 眦 e p p p 其中e p 是用2 3 8 u 尸3 4 t h 不平衡 法估算得到 在 l 一3 0 之间变化 与温度 温度变化幅度 t 6 0 c 没有相 关性 b u e s s e l e r 1 9 9 8 对不同海区用2 3 8 u 2 3 4 t l l 不平衡法估算的输出通量和初级生 e q p a c h d a h b a t s m a r c h 0 i c t o b e r a 憎b i 量ns 住 j j h l y 厶 a i b i ns 访 a n 辱 s e p l 0 h i g hl a t i m d 器 n a b e 图1 4 海洋初级生产力与2 3 4 t h 法估算的p o c 输出通量关系图 b u 髓s e l e b1 9 9 8 f i g u 托1 4s u m m a 眄p l o to fp r i m a up m d u c t i o na n dp o cn u xd e r i v e df r o mt h e 2 m t ha p p r o a c h b u e s s e l e b1 9 9 8 1 0 o p 鼍u 塞蔗一盘再 o毒专警篙 婪tl u o d 第一章绪论 产力进行了集成分析 图1 4 发现二者不耦合 大部分海区输出通量 2 0 0 0m 水深 总面积3 l 1 0 7 k m 2 和陆架 斜坡区 q 0 0 0m 4 8 1 0 7 k m 2 研究发现尽管后者面积只有前者的1 5 后者的新生产力 3 7g tc 1 却比前 者的 2 9g tcy r 1 高出2 5 之多 j a h i l l ee ta 1 1 9 9 9 l i ue ta 1 2 0 0 0 b w a l s h 1 9 9 1 m u l l e r k a r g e re ta 1 2 0 0 5 的模式结果显示陆架 斜坡区每年大约输出0 6 8g t c y r l 的颗粒有机碳到永久温跃层以下 与开阔大洋的输出通量 1 0 1g tcy r l 相当 这些研究均表明陆架边缘海在全球输出通量及碳循环中的重要性 同时由 于陆架边缘海临近陆地 人为活动对其影响程度要强于大洋 因此这里的输出通 1 2 第一章绪论 量及过程复杂程度高于大洋 尽管陆架边缘海的重要性已引起关注 但由于其对气候 河流径流以及营养 盐人为输入变化的响应敏感 物理过程和生物地球化学过程复杂多变 需要较高 的时间尺度和分辨率来定量p o c 输出通量及调控过程 而沉积物捕获器一是由于 陆架边缘海物理水文动力效应影响 捕集效率难以确定 二是由于其造价昂贵 布设后回收率低 难以满足陆架边缘海过程研究所需的时空分辨率 同时 2 3 4 n 沪3 8 u 不平衡法在2 弘n l 采样分析技术未改进之前 因所需采样体积较大 2 0l 也很难实现大面积的采样 因此至今陆架边缘海输出通量的研究相当缺乏 l i u e ta 1 2 0 0 0 a 特别是输出通量在时间尺度上的变化 如季节或者年际间的变化 了解的更少 利用2 3 4 t 舻3 8 u 不平衡法在北海以及楚克奇海估算p o c 输出通量发现 不同季节通量变化有3 4 倍 a m i e le ta 1 2 0 0 2 m o me ta 1 2 0 0 5 而年际间的 初级生产力和输出通量变化更可高达1 0 倍 l e p o r e e ta 1 2 0 0 7 这就给陆架边缘 海输出通量估算及全球碳循环模型的模拟工作带来相当大的误差 现在大部分研 究集中在中高纬度地区 关于低纬度陆架边缘海输出通量空间分布和时间变化的 调查数据比较缺乏 难以全面准确评估陆架边缘海在全球碳循环中的作用 南海位于低纬度地区 是世界上第二大陆架边缘海 但是这里的输出通量研 究相当零星 1 9 8 6 年开始的中德合作项目 南海现代海洋沉积作用过程研究 在南 海的北部 1 8 4 6 0 n 11 6 0 3 0 e 中部 1 4 6 0 0 n 1 1 5 1 0 0 e 南海东北部的吕宋上 升流区 1 7 0 5 0 n 1 1 7 1 5 0 e 和越南南部外海的上升流区 1 1 0 5 4 1 6 n 1 l 0 0 0 0 7 0 0 e 四个关键海区布放和回收了1 2 套时间系列沉积物捕集器 陈建芳 2 0 0 5 他们的 研究结果表明 南海颗粒有机碳通量受季风影响 区域变化为南海南部 越南上 升流区 南海东北部 吕宋上升流区 南海北部 南海中部 高值主要出现在 冬季和夏季 利用经验关系式 陈建芳等 1 9 9 8 根据由捕获器得到的颗粒有机碳 通量反算南海上层的初级生产力和输出生产力 分别为5 3 o 一6 3 4g cm 2 1 1 2 1 1 4 5m m o l cm 之d 1 和1 0 3 2 1 2 9 3g ci n 2 汀1 2 4 3 om m o l cm 之 d j l i ue ta 1 2 0 0 2 利用模型模拟南海海盆区1 2 5m 的初级生产力和p o c 输出通 量 图1 5 结果发现初级生产力和p o c 输出通量均在冬季和夏季出现峰值 冬 季的峰值高于夏季 p o c 输出通量的峰值滞后初级生产力半个月 通过计算 他 们还得到南海的平均f 比为1 2 这些现场和模型的结果与典型气侯态条件下p o c 1 3 第一章绪论 输出通量对物理过程的响应是吻合的 即南海是寡营养盐海区 营养盐跃层低于 温跃层 冬季由于季风加剧混合从而将底层的营养盐带到表层 引起初级生产力 的增加 相应地输出通量也出现峰值 必须指出的是 由于沉积物捕获器和模型 自身方法的不足 如时空覆盖率不够 难以全面反映南海p o c 输出通量的时空变 化 南海水文环境复杂多变 又有珠江 湄公河大量的营养盐输入 因此南海的 p o c 输出通量方法具有较大的时空变异性 后续研究也证实了这一点 n o z a l i a n dy a m 锄o t o 2 0 0 1 用2 2 8 r a 与硝酸盐剖面估算南海中部新生产力为 1 4m m o l c m 艺d 远高于沉积物捕获器和模型的输出生产力结果 c h e n 2 0 0 5 和c h e na i l d c h e n 2 0 0 6 利用m c 1 5 n 同位素估算南海北部的初级生产力和新生产力 发现南海 海盆的i p p i n p 可以从夏季的o 1 9 o 0 3g cm 2d 1 1 5 8 2 51 1 1 i i l o i cm 2d 1 升高 至冬季的o 5 5 o 2 6g cm 五d l 4 5 8 2 1 7 伽 n o l cm 屯d i 而北匕更是在0 1 4 0 4 7 之间变化 2 3 4 t 1 俨3 8 u 不平衡法估算得到的南海p o c 输出通量变化更大 舌 詈 图1 5 南海初级生产力 摄食压力与p o c 输出通量的年变化 l i ue ta 1 2 0 0 2 f i g u r e1 5a n n u a iv a r i a t i o n so fb a s i n w i d ea v e r a g e so fd e p t h i n t e g r a t e d v a i u e so fp r i m a i yp r o d u c t i o na n dg r a z i n gf o rt h et o p1 3 5 mo ft h eb a s i n a n da r e a a v e r a g e de x p o nn u xo fp o ca t1 2 5 mi nt h es o u t hc h i n as e a l i ue ta i 2 0 0 2 1 4 第一章绪论 在南海南部秋季为5 7m m o l cm 2 d 1 c a ie ta 1 2 0 0 2 春季则在1 3 1 4 6 5 m m o l cr n 2d 1 之间变化 蔡平河等 2 0 0 1 而在南海北部的夏末p o c 输出通量 为4 0 2 5 om m o l cm 五d 1 陈敏等 1 9 9 7 因此 究竟南海的p o c 输出通量时空变化如何 何为其控制因子 这些都亟 待进一步的研究 这些研究将有助于了解陆架区生物泵的运作和效率 对于准确 确定陆架边缘海的碳输出总量 以及评估海 气c 0 2 交换的调控作用都是至关重要 的 随着海水2 3 4 t h 采样分析技术的改进特别是小体积二氧化锰共沉淀法的应用 b e i l i t e z n e l s o ne ta 1 2 0 01b b u e s s e l e re ta 1 2 0 0 lc c a ie ta 1 2 0 0 6 a p i k ee ta 1 2 0 0 5 r o g u e zyb a e n ae ta 1 2 0 0 6 高精度的2 3 4 1 1 1 采样测定成为可能 这为南 海p o c 输出通量的研究提供很好的研究工具 1 2 研究内容和目标 本论文以南海北部为主要研究区域 利用高分辨率的2 3 4 1 1 1 分布 三维模式 及p o c 2 3 4 n l 估算南海p o c 输出通量 以期了解南海生物泵效率的量级及时空 变化 进而分析其主要调控因子 最后比较南海与全球的p o c 输出通量 分析 南海在全球陆架边缘海碳循环的意义 1 3 论文框架 本论文的第二章首先介绍研究区域的基本情况 然后介绍本论文的研究方 法 包括站位设置 采样 分析测试以及数据质量控制 第三章分别介绍南海北部的2 3 4 t h 和p o c 的分布特征 分析可能控制其分 布的环境因子 并采用双箱清除模型计算南海2 3 4 n 的停留时间 以了解该海区 的颗粒物清除情况 同时参考南海南部春季的结果 第四章报告南海p o c 2 3 4 t h 比值随粒径 深度 季节的变化 讨论可能影 响其变化的机制 并探讨该比值变化给p o c 输出通量估算带来的不确定性 第五章为本论文主体部分 首先利用高分辨率的2 3 分布和三维模型估算 南海2 3 4 n l 的输出通量 进而得出南海p o c 输出通量 然后分析南海北部p o c 输出通量的季节变化以及调控因子 特别是生物群落结构对输出通量的影响 最后比较南海与全球的p o c 输出通量 分析南海在全球陆架边缘海碳循环的意 1s 第一章绪论 义 作 第六章总结本论文所得到的主要结论 并提出一些需进一步开展的研究工 1 6 第二章研究区域与方法 第二章研究区域与方法 本章首先介绍南海海域的自然概况 包括南海的气候与表层流系 以及南海水团和周 边环境特别是珠江对其影响 然后详细介绍本论文的研究方法及其质量控制 2 1 研究区域概况 南中国海 s o u t hc m n as e a 简称南海 位于亚洲东南部 北起2 3 0 3 7 n 南迄3 0 0 0 n 西自9 9 0 1 0 e 东至1 2 2 0 1 0 e 总面积约3 5 1 0 6 k m 2 是世界上最 大的半封闭边缘海之一 图2 1 南海平均水深约1 2 0 0 m 海盆水深超过5 0 0 0m 主要通过台湾海峡 吕宋海峡 含巴士 巴林塘等海峡 民都洛海峡和巴拉巴克 海峡 邦加海峡 加斯帕海峡 卡里马塔海峡和马六甲海峡分别与东海 西太平 洋 苏禄海 爪哇海及印度洋相连 这些海峡水深在十几米至一百余米的范围内 只有吕宋海峡有约2 5 0 0m 深的海槛通向太平洋 是南海与大洋连通的唯一深水 通道 李立 2 0 0 2 2 1 1 南海海域气候与水文概况 南海位于亚热带季风区 其气候变化主要受东亚季风环流控制 夏季受暖湿 的西南季风 冬季受干冷的东北季风控制 冬季平均风速为8 一1 1i i 以 大风频 率高 夏季平均风速比冬季小3 51 1 1 s 5 1 1 月受热带气旋影响 热带风暴以 上强度的热带气旋发生频率一般达每年4 5 次 降水主要受季风和热带气旋的 影响 多在春末和盛夏 年降雨量1 1 0 0 一1 8 0 0 衄 阎俊岳等i1 9 9 3 除了北部沿岸以外 南海表层水温终年很高 分布比较均匀 夏季 海域 水温随离岸距离增加而增加 海区北部约为2 8o c 南部约为3 0o c 在海南岛东 部 粤东以及越南沿岸 受西南季风引起的上升流影响 存在着低温区 大部分 海区海水层化现象显著 上混合层的厚度通常只有3 0 5 0m 冬季 大部分海 区表层水温仍高达2 4 2 6 5o c 南部大陆架区可高达2 7o c 以上 陆架浅水区由 于强烈的混合作用水温垂直分布均匀 致 但在深水区 上混合层厚度可达 7 5 m 温跃层的时空变化较大 但很少超过1 5 0m 王东晓等 2 0 0 2 南海近岸和外 海的盐度分布有明显的区域性差异 近岸区多处在低盐的沿岸水控制之下 盐度 1 7 第二章研究区域与方法 较低 季节变化较大 盐度变幅为2 3 外海深水区的盐度分布为季风环流所 左右 盐度较高 水平梯度较小 年变幅小于1 10 5 1 1 口 1 5 2 0 12 5 5 1 2 0 12 5 k n o 2 2 h e 面丘五西互j 亘卫 h t 0 o 4 0 0 图21 南海区域 f j g u r e2 lm a po f t h cs o u t hc h i n as e a 第二章研究区域与方法 南海的表层流系因季风环流及独特的地理环境而十分复杂 从整体上来讲 南海中上层环流主要受季风影响 冬季表层流场表现为气旋型环流 夏季在南部 为反气旋型环流 北部则保持一个气旋式环流 图2 2 h ue ta 1 2 0 0 0 此外 南 海存在着众多的中小尺度涡旋 这些中小尺度涡旋对海盆尺度的环流具有能量交 换与转移作用 杨海军和刘秦玉 1 9 9 8 南海北部环流主要驱动力为季风与黑潮 入侵 其次为海面热通量 南部则主要受季风驱动 春秋两季处于季风转换期 这两个季节的海流主要受前季遗留下来的海水质量场所控制 但随着季风更替的 进程 流场迅速发生着变化 图2 2 南海环流模式示意图 a 冬季 b 夏季 来源 h ue ta 1 2 0 0 0 f i g u r e2 2s c h e m a t i cd i a g 豫mo ft h es o u t hc h i n asc i 即u i a t i o np a t t e m s a w i n t e ra n d b s u m m e r h ue ta i 2 0 0 0 注 1 黑潮 k u r o s m o 2 流套 1 0 0 pc u 眦n t 3 黑潮南海分支 s c s b k 4 西北吕宋气旋式旋回 n wl u z o nc y c l o n i cg y r e 5 西北吕宋气旋式 涡旋 n w 腿o nc y c l o f l i ce d d y 6 西北吕宋沿岸流 n wl u z o nc o a s t a l c u 玎e n t 7 南海暖流 s c s w c 8 广东沿岸流 g u a i l g d o n gc 0 2 l s t a l c u 盯e n t 9 南海南部气旋式旋回 s c ss o u t h e mc y c l o n i cg y r e l o 纳 土纳离岸陆架流 n a t u n ao 凰h e l f c 咖陀n t 1 1 南海南部反气旋旋回 s c s s o u t h e ma m t i c y c l o n i cg y r e 1 2 越南东南离岸流 s ev i e t i l 锄o f f s h o r e c u n e n t 1 9 第二章研究区域与方法 南海北部的水文特征受到通过巴士海峡黑潮南海分支的影响 韩舞鹰 1 9 9 8 在深水区存在中尺度气旋式环流 徐锡祯 1 9 8 0 陆架与陆坡区还受到上 升流的影响 吴日升和李立 2 0 0 3 同时 南海北部还受到珠江冲淡水为主而形 成的沿岸水流的影响 这些沿岸水的扩展方向和分布范围都有明显的季节变化 珠江冲淡水低盐水舌夏季由偏南向逐渐转东 秋 冬季则由偏东向渐次转南和西 南 冯士榨等 1 9 9 9 南海北部维持初级生产力的营养盐主要由河流 珠江 输 入 深层水上升带入和上层营养盐本身的快速循环三部分构成 c h e n 锄dc h e n 2 0 0 6 韩舞鹰 1 9 9 8 南海北部的环流体系主要包括了广东沿岸流 南海暖流 黑潮南海分支 西 北吕宋沿岸流等 其中南海暖流是一支出现在粤东沿岸海区和广东外海深水区终 年流向东北的海流 因其冬季逆东北风而动 故又称 冬季逆风海流 常被认 为是 台湾暖流 的主要来源 关于其成因与来龙去脉至今存在较大争议 南海暖 流来源的一种解释认为其来自海南岛外海 并通过台湾海峡与台湾暖流相衔接 从而形成中国东南近海冬季逆风流系 李立 2 0 0 2 s h a w 1 9 9 2 则认为南海暖流 并没有以前想象的那么重要 它只是台湾浅滩西南方向的局部流动 根据1 9 9 4 年观测到的东沙岛东南方向一个中尺度环流 李立 2 0 0 2 认为南海暖流从黑潮分 离出来 在南海北部活跃的强涡可能是影响南海暖流变异的重要因素 黑潮南海 分支同样是一个争议的焦点 郭忠信等 1 9 8 5 根据南海东北部海洋综合调查资料 提出 黑潮流经吕宋海峡时 在海峡中部有一分支流向偏西进入南海 该分支在 西行过程中 一部分折向东北 另一部分继续向西 可称之 黑潮南海分支 s c s b k 根据他们的实测资料 该分支几乎终年存在 但是其他人的研究结果 表明 这个分支只在冬季存在 d a l e 1 9 5 6 w y r t l i 1 9 6 1 从实测资料与数值模拟结果 f 觚ge ta 1 2 0 0 2 中可以看出 南海南部冬季存 在气旋式涡旋 其中心大约在6 0 n1 1 l o e 附近 夏季南海南部存在一个海盆尺度 的夏季反气旋涡旋 另外 在纬度1 1 0 n 处存在一支很强的东向离岸射流 称作 越南东南离岸流 一部分的越南东南离岸流在1 1 4 0 e 处沿南沙群岛东北边缘向西 南流动 然后转向西北 最终形成南海南部反气旋涡 f 锄ge ta i 2 0 0 2 第二章研究区域与方法 2 1 2 南海水团 南海表层水团可分为沿岸水 陆架表层水 混合水 以及外海水 冯士箨 等 1 9 9 9 大陆沿岸 珠江 红河 湄公河等的入海径流与海水混合 形成了具 有低盐 3 2 0 和低密度特征的沿岸水团 如广东沿岸水 北部湾沿岸水等 南 海外海水团 大都是从邻近的西太平洋水团经巴士海峡进入的 虽几经变性 仍 具有大洋水团的一般特性 水团结构长年保持相对稳定 水文特征明显 在垂直方向上 南海的水团可划分为5 个水团3 它们是 南海表层水 主要是由巴士海峡进入的太平洋表层水与南海陆地径流的混合体 高温 垂直均 匀分布 平均厚度约5 0 米 温度和盐度变化范围分别为2 2 3 lo c 和3 2 5 3 4 5 南海北太平洋亚热带次表层水 位于表层水之下 厚度约为2 5 0 米 以高温 高盐为其特征 温度和盐度的变化范围分别为1 3 2 4o c 和3 4 4 3 5 o 盐度极 大值一般位于7 5 2 0 0 米水深处 南海北太平洋中层水 位于亚热带次表层 水之下 厚约6 0 0 米 具有低盐性质 其盐度为3 4 2 3 4 4 盐度极小值一般位于 4 0 0 一6 0 0 米的深度上 温度约为8 1 4o c 南海北太平洋深层水 位于水深 l 0 0 0 2 6 0 0 米之间 厚度约为1 6 0 0 米 温度和盐度的变化范围分别为2 6 5o c 和3 4 4 3 4 6 南海深海盆水 位于水深约2 6 0 0 米以深的中央盆地区域 其 盐度不再随深度而变 但温度随深度的增加而略微升高 温度为2 3 6 2 4 4o c 盐度为3 4 6 6 3 4 6 8 在垂直方向上 水团溶解氧含量的分布很有规律 在o 一