讲座6 高CO2环境下的海洋生态系

1、高高CO2环境下的海洋生态系环境下的海洋生态系 海洋化学进展海洋化学进展讲座讲座6 6 陈陈 敏敏 厦门大学海洋与环境学院厦门大学海洋与环境学院 生物灭绝生物灭绝 珊瑚白化珊瑚白化 （Bellwood等，等， nature, 2004） 地区干旱地区干旱 全球变暖的可能危害：全球变暖的可能危害：观测结果观测结果 飓风强度加强飓风强度加强 （Webster等，等， Science,2005） 冰川融化冰川融化 （Doake等，等， Nature, 1998） 全球变暖的可能危害：全球变暖的可能危害：模型预测模型预测 海平面上升海平面上升 区域冰封区域冰封 四季紊乱四季紊乱 食物链食物链 / 渔业

2、渔业 沉积物沉积物 海洋生物地球化学过程海洋生物地球化学过程 大气相关组分大气相关组分 : CO2, DMS, CH4, N2O, 环流环流, 温度温度, 光照，光照， 大气沉降大气沉降, 海洋海洋 大气大气 陆圈陆圈 气候气候 气候变化：陆气候变化：陆-海海-气相互作用气相互作用 温度变化温度变化 (C) 0 2 4 6 1850 1900 1950 2000 2050 2100 气温对大气气温对大气CO2增加的响应增加的响应 IPCC，2001 降雨量对大气降雨量对大气CO2增加的响应增加的响应 降雨量变化降雨量变化 (%) 0 3 6 9 1850 1900 1950 2000 2050

3、 2100 IPCCIPCC，20012001 1850 1900 1950 2000 2050 2100 北大西洋深层水形成的最大变辐北大西洋深层水形成的最大变辐 (%) -15 -5 5 大西洋深层水形成对大气大西洋深层水形成对大气CO2增加的响应增加的响应 驱动因子驱动因子 大气大气 pCO2 温度温度 环流（平流和扩散）环流（平流和扩散） 光强光强 大气沉降大气沉降 河流输入河流输入 海洋生物地球化学过程海洋生物地球化学过程 碳循环碳循环 O2 循环循环 营养盐循环营养盐循环 初级生产力初级生产力 生态系结构生态系结构 海洋生物地球化学过程的影响因子海洋生物地球化学过程的影响因子 大气

4、大气 pCO2的影响的影响 大气大气 pCO2 温度温度 环流（平流和扩散）环流（平流和扩散） 光照光照 大气沉降大气沉降 河流输入河流输入 碳循环碳循环 O2 循环循环 营养盐循环营养盐循环 初级生产力初级生产力 生态系结构生态系结构 海洋环流的影响海洋环流的影响 大气大气 pCO2 温度温度 环流（平流和扩散）环流（平流和扩散） 光照光照 大气沉降大气沉降 河流输入河流输入 碳循环碳循环 O2 循环循环 营养盐循环营养盐循环 初级生产力初级生产力 生态系结构生态系结构 大气沉降的影响大气沉降的影响 大气大气 pCO2 温度温度 环流（平流和扩散）环流（平流和扩散） 光照光照 大气沉降大气沉

5、降 河流输入河流输入 碳循环碳循环 O2 循环循环 营养盐循环营养盐循环 初级生产力初级生产力 生态系结构生态系结构 pCO2的直接效应：的直接效应：pH的变化的变化 DIC的增加导致海水的酸化的增加导致海水的酸化 表层水表层水pH值的变化（值的变化（2099-工业革命前）工业革命前） +0.5 +0.3 -0.3 -0.5 CaCO3产生量的变化产生量的变化(%)（2200 工业革命前）工业革命前） 海水酸化对海水酸化对CaCO3形成的影响形成的影响 pCO2的直接效应：的直接效应：pH的变化的变化 海洋物理环境的变化：海洋物理环境的变化：层化作用层化作用 MML, 2075-Present

6、 最大混合深度变浅最大混合深度变浅 -1000 +1000 +100 +10 0 -10 -100 (m) 层化作用变化的机制层化作用变化的机制 +1000 +100 +10 0 -10 -100 (m) 80S 40S 0 40N 80N (psu)(C) D Mixed LayerD SSSD SST 80S 40S 0 40N 80N 海洋海洋CO2汇强度的变化汇强度的变化 气候变化降低海洋气候变化降低海洋CO2 的汇强度的汇强度 气候变气候变 化效应化效应 4 pCO2条件下海洋条件下海洋CO2 汇强度的变化汇强度的变化 gC m-2 a-1 Decrease sink Increas

7、e sink 热变化热变化环流变化环流变化碳循环的重新构建碳循环的重新构建 Joos 99 (GtC/a, 18502100) Sarmiento 96 Matear 99 -52-117+111 -48-41+33 -68-15+33 主要因子：主要因子：层化作用阻止人类来源层化作用阻止人类来源CO2的穿透的穿透 海洋海洋CO2汇强度变化的机制汇强度变化的机制 过去过去40年中全年中全 球海洋许多海球海洋许多海 域域O2含量降低。含量降低。 (Emerson等，等，2001； Ono等，等，2001； Wanatabe等，等，2001， Matear等，等，2000； ) 海洋海洋O2循环的

8、变化：循环的变化：观测结果观测结果 东热带北大西洋东热带北大西洋 中心赤道大西洋中心赤道大西洋 东热带南大西洋东热带南大西洋 东赤道太平洋东赤道太平洋 中心赤道太平洋中心赤道太平洋 东赤道印度洋东赤道印度洋 Stramma等，等，2008 未来几十年海水未来几十年海水O2浓度降低将更明显浓度降低将更明显 (Bopp等，等，2002； Plattner等，等，2002；Matear等，等， 2000,) Depth 2100 - Present 海洋海洋O2循环的未来变化：循环的未来变化：模型结果模型结果 100m DO (m mmol/l) 2100年缺氧年缺氧/亚亚 氧区增加氧区增加30%

9、赤道太平洋赤道太平洋O2循环的可能变化循环的可能变化 层化作用加强导致水体的垂向交换减弱层化作用加强导致水体的垂向交换减弱 海洋海洋O2循环变化的主要机制循环变化的主要机制 0 m 300 m 0 m 300 m SEC 赤道太平洋赤道太平洋3S 温度和海流温度和海流 温度和海流变化温度和海流变化 (2090-1990) 南赤道流：变浅变弱南赤道流：变浅变弱 温暖富氧的水体难以抵达次表层温暖富氧的水体难以抵达次表层 2100-1990 海洋初级生产力的变化海洋初级生产力的变化 Zonal Mean (2100-1990) 全球降低全球降低（-5/ 10%），但高纬，但高纬 度海域增加度海域增加

10、（ +20/30%） 海洋初级生产力的变化海洋初级生产力的变化 海洋层化作用加强海洋层化作用加强 表层营养盐表层营养盐 -5 to 10 % 高高/低纬度海域低纬度海域 的效应不同的效应不同 更长的生长季节更长的生长季节 +10 days 寡营养海域面积增加寡营养海域面积增加 1xCO22xCO2-1xCO2 海洋初级生产力的变化机制海洋初级生产力的变化机制 -1 +1 +0.02 -0.02 -0.2 +0.2 硅藻相对丰度降低硅藻相对丰度降低 海洋生态系结构的变化：海洋生态系结构的变化：硅藻硅藻 Bopp (2001) 2090-1990 中国近海海域浮游植物多样性的时间变化中国近海海域浮

11、游植物多样性的时间变化 l浮游植物多样性的变化：浮游植物多样性的变化：多多 样性下降，生物量上升，种样性下降，生物量上升，种 类组成结构和优势种发生更类组成结构和优势种发生更 替，优势种群个体微型化。替，优势种群个体微型化。 中国近海海域浮游植物多样性的时间变化中国近海海域浮游植物多样性的时间变化 l浮游植物群落结构的演变：浮游植物群落结构的演变：过去常可观察到的一些外海种，过去常可观察到的一些外海种， 特别是个体较大、偏冷水性种类的优势基本消失，取而代之特别是个体较大、偏冷水性种类的优势基本消失，取而代之 的是个体较小的广温广盐性种类。浮游植物群落整体呈种间的是个体较小的广温广盐性种类。浮游

12、植物群落整体呈种间 个体数量分布不均、某些种类优势度特别突出的特点；暖水个体数量分布不均、某些种类优势度特别突出的特点；暖水 性物种数量增多。性物种数量增多。 层化作用层化作用 营养盐提供营养盐提供 硅酸盐和硅酸盐和Fe限制限制 硅藻丰度硅藻丰度 硅藻丰度变化的机制硅藻丰度变化的机制 Boyd and Doney (2002) 固氮作用加强固氮作用加强 海洋生态系结构的变化海洋生态系结构的变化：固氮作用：固氮作用 大气沉降通量对全球变化反应灵敏大气沉降通量对全球变化反应灵敏 Mahowald和和Luo (2003) ：大气沉降通量变化：大气沉降通量变化-20 / -60 % Tegen等等(2004) ：大气沉降通量变化：大气沉降通量变化 +10 / -25 % 变化机制：变化机制： 大气沉降物源大气沉降物源 陆地使用陆地使用 CO2施肥效应施肥效应 气候变化气候变化 输送过程输送过程 大气沉降的变化大气沉降的变化 -0.5 +0.5 +0.1 -0.1 -0.5 +0.5 +0.1 -0.1 大气沉降通量大气沉降通量x2 (20 yr) 大气沉降通量变化对海洋生态系的影响大气沉降通量变化对海洋生态系的影响 大气沉降通量变化对大气沉降通量变化对 Chla (mg/m3)的影响的影响 大气沉降通量大气沉降通量/