（海洋化学专业论文）南黄海表层海水二氧化碳的分布与研究.pdf

摘要 摘要 海洋作为全球7e 候的调节器，其调节机制是多方面的，其中，对二氧化碳的 调节是最重要方而之一。研究陆架边缘海对二氧化碳的吸收与释放作用，对研究 全球气候变化、温室效应以及人类生存环境都有重要的意义。 本文于2 0 0 6 年8 月至2 0 0 7 年1 0 月，在南黄海海区，采集了约2 0 0 0 0 个表 层海水，主要开展如下研究工作： 第一章对陆架海表层海水二氧化碳的国内外研究现状进行了综述，主要论述 了海水中二氧化碳的研究方法及进展，提出了本论文的研究内容。 第二章对本实验所采用的仪器、试剂、实验流程和实验方法进行了阐述。 第三章考察了春季南黄海表层海水二氧化碳的分布及影响因素。结果表明： 春季，从海区东西方向来看，西部高于东部。南北方向看，从南往北二氧化碳分 压值越来越低，长江口附近也出现低值，表现为中间的p c 0 2 值高于南北两边的 值。结合了表层海水温度、盐度、叶绿素、p h 等要素的同步观测数据，对南黄 海春季二氧化碳分布的影响因素进行了探讨。 第四章考察了夏季南黄海表层海水二氧化碳的分布及影响因素。结果表明： 夏季，东部海域p c 0 2 的值比西部要低，中问区域要比南部和北部都低。p c 0 2 的 值在3 7 9 6 7 - 4 5 9 8 z a t m 之间，平均值为4 1 1 4 4 z a t m 。最高值出现在长江口北部， 往南黄海中部成梯状递减。结合了表层海水的温度、盐度、p h 、碱度等要素的同 步观测数据，对南黄海夏季二氧化碳的分布进行了探讨。 第五章考察了秋季南黄海表层海水二氧化碳的分布及影响因素。结果表明： 秋季，p c 0 2 最高值出现在鲁南海域，往外海呈梯状递减。最低值出现在以3 3 5 。n ， 1 2 4 。e 为中心的海域。从东西方向来看，东部海域p c 0 2 的值略高于西部海域。 从南北方向看，中部海域的p c 0 2 值比南部和北部海域低，而北部海域的p c 0 2 值比南部海域略高。结合了表层海水的温度、盐度、p h 、碱度等要素的同步观测 数据，对南黄海秋季二氧化碳的分布进行了探讨。 第六章总结了本论文的主要结论。 关键词：南黄海；表层海水二氧化碳；二氧化碳分压；p c 0 2 彳b s z r 4 c r a bs t r a c t o c e a ni sar e g u l a t o ro fg l o b a lc l i m a t e ，t h er e g u l a t i o nf o rc a r b o nd i o x i d ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t s t h er e s e a r c ho nt h es h e l fe d g eo ft h es e at oa b s o r ba n d r e l e a s ec a r b o nd i o x i d e ，i si m p o r t a n tf o ru st os t u d yo ng l o b a lc l i m a t ec h a n g et h e g r e e n h o u s ee f f e c t a sw e l la st h el i v i n ge n v i r o n m e n to fm a n k i n d w eg o ta b o u t2 0 0 0 0d a t ao fs u r f a c ep a r t i a lp r e s s u r eo fc a r b o nd i o x i d eo fs o u t h y e l l o ws e a ( s y s ) f r o ma u g u s t2 0 0 6t oo c t o b e r2 0 0 7 s c r e e n i n go fd a t aa n a l y s i s ，t h e r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n si nt h et h e s i si so r g a n i z e di n t ot h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 t h em e t h o d sa n dt r e n d si nt h er e s e a r c ho ft h ed i s t r i b u t i o no fc 0 2i n t h es u r f a c eo fm a r g i n a ls e aa r er e v i e w e d ，i n c l u d i n gh o m ea n da b r o a d t h eo b j e c t i v e s o ft h es t u d ya r ea l s od e s c r i b e di nt h i sp a r t c h a p t e r2d i s c u s s e st h ee x p e r i m e n t a la s p e c t s o fc o ，i ns u r f a c es e a w a t e r , i n c l u d i n gi n s t r u m e n t a t i o n ，r e a g e n t su s a g e ，o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ，t h ed e t e c t i o n m e c h a n i s ma n dd a t ap r o c e s s i n gr o u t i n e s c h a p t e r3p r e s e n t st h ec a r b o nd i o x i d e sd i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r si nt h e s u r f a c es e a w a t e ro ft h es o u t h e r ny e l l o ws e ai ns p r i n g t h er e s u l ts h o wt h a t t h ep c 0 2 i nw e s ts e aa r e aa r eh i g h e rt h a ne a s ts e aa r e a ，f r o ms o u t ht on o r t h ，t h ec a r b o nd i o x i d e p a r t i a lp r e s s u r ev a l u e sb e c o m em o r ea n dm o r el o w a n dl o w e rd a t aa p p e a ra t c h a n g j i a n ge s t u a r y i nt h i sc h a p t e r ，w ec o m b i n a t i o np c 0 2 w i t ht h ec o g r e d i e n td a t ao f s e a w a t e rt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ，c h l o r o p h y l la n dp h ，d i s c u s s i n gt h ef a c t o r so ft h ec a r b o n d i o x i d e sd i s t r i b u t i o n c h a p t e r4d i s c u s s e st h ec a r b o nd i o x i d e sd i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r si n t h es u r f a c es e a w a t e ro ft h es o u t h e r ny e l l o ws e ai ns u m m e r t h er e s u l ts h o wt h a t i n s u m m e r , t h ep c 0 2i ne a s ts e aa r e al o w e rt h a nw e s ta r e aa n di nt h em i d d l eo fs y s p c 0 2a r el o w e rt h a nn o r t ha n ds o u t ha r e a t h ep c 0 2d a t ai sf r o m3 7 9 6 7 t a t mt o4 5 9 8 a t m ，a v e r a g ev a l u ei s4 1 1 4 4 t a t m t h em a x i m u mv a l u ea p p e a r sn e a ra tc h a n g j i a n g e s t u a r y , d e s c e n d i n gi n t ot h ec e n t r a ls y s l i k eal a d d e r i nt h i sc h a p t e r w ec o m b i n a t i o n p c 0 2w i t h t h ec o g r e d i e n td a t ao fs e a w a t e r t e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ，p ha n dt 八 d i s c u s s i n gt h ef a c t o r so ft h ec a r b o nd i o x i d e sd i s t r i b u t i o n c h a p t e r5d i s c u s s e st h ec a r b o nd i o x i d e sd i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r si n t h es u r f a c es e a w a t e ro ft h es o u t h e r ny e l l o ws e ai na u t u m n t h er e s u l ts h o wt h a t i n a u t u m n ，t h em a x i m u mv a l u ea p p e a ra ts o u t ho fs h a n d o n gs e aa r e aa n dd e s c e n d i n gt o o p e ns e a t h em i n i m u ma p p e a rn e a rc e n t r a l3 3 5 0 n ，1 2 4 0 es e aa r e a t h ep c 0 2d a t ai n e a s ts e aa r e ai s l i t t l eh i g h e rt h a nw e s ts e aa r e a t h ep c 0 2d a t ai nm i d d l eo fs y si s l o w e rt h a ns o u t ha n dn o r t hs e aa r e a a n ds o u t ha r e al i t t l el o w e rt h a nn o r t ha r e a i nt h i s c h a p t e r ，w ec o m b i n a t i o np c 0 2w i t ht h ec o g r e d i e n td a t a o fs e a w a t e rt e m p e r a t u r e ， s a l i n i t y p ha n dt 八d i s c u s s i n gt h ef a c t o r so ft h ec a r b o nd i o x i d e sd i s t r i b u t i o n m a i o rc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e di nc h a p t e r6 k e y w o r d ：s o u t hy e l l o ws e a ；c a r b o nd i o x i d e ；s u r f a c es e a w a t e r ；p c 0 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 ：们聊 帆叫年6 月衫日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用 学位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 研究所同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) ：仰日塌? 主 第一章综述 第一章综述 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。海洋作为全球气候的调节器，其调节机制是多 方面的，其中，对二氧化碳的调节是最重要方面之一。海洋是地球系统中最大的 碳库，约占其总储量的9 3 ，是大气的5 0 倍，陆地生态系统的2 0 倍。现在，全 球大洋每年从大气吸收二氧化碳约2 0 亿吨，占全球每年二氧化碳排放量的l 3 左 右，是大气二氧化碳巨大的汇，海洋成为防止全球变暖的卫士之一。因而，研究 陆架边缘海对二氧化碳的吸收与释放作用，对研究全球气候变化、温室效应以及 人类生存环境都有重要的意义。 1 1 研究背景及意义 从新奥尔良到伊洛瓦底三角洲，极端气候横扫世界的每个角落，不管这些角 落是富裕的还是贫困的，干旱、洪水、飓风，人类史上所经历的灾难今天齐齐到 场，向人类的生存底线宣战。 全球变化已成为当今世界各国政府，人民和科学界至为关注的问题之一，其 研究已被视为一种科学全球变化科学( 阿姆斯特丹宣言2 0 0 1 ) ，其中，全球 气候变化是其重要组成部分。以温室气体不断增加，全球变暖为主要特征的全球 气候变化是人们最为关心的问题之一。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f 1 1 。 自上世纪8 0 年代初，国际科学界先后发起了国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、 全球环境变化的人类因素( i h d p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 、生物多样性计 划( d i v e r s l 盯s ) 等一系列有针对性的、旨在研究“地球系统 的大型科学研 究计划，其中地球系统碳循环是研究重点之一。上世纪末本世纪初，i g b p 、i h d p 和w c r p 共同发起了新一轮全球碳循环研究计划，其重点是要回答全球碳的源与 汇的空间分布格局及人类活动对其影响、以及未来全球碳的源与汇及碳通量的变 化趋势等科学问题，涉及碳循环的方方面面。 角交海表甚海水二氧化碳的分布与姣究 为了人类免受气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，联合国气候变化框架公约 第3 次缔约方大会在日本京都召丌。1 4 9 个国家和地区的代表通过了旨在限制发 达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。京都议定书建立了 旨在减排温室气体的三个灵活合作机制国际排放贸易机制、联合履行机制和 清沽发展机制。由于承担温室气体的减排义务将会对目d ，j 的经济和社会发展产生 较大的负面影响，京都议定书只规定了工业化国家，即发达国家的减排任务， 而对于发展中国家，考虑到目前经济发展的必要，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。的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的努力，中国已在温室气体的减、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下，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地研 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，寻求各自地 区c 0 2 减排和增汇对策技术。京都议定书规定，到2 0 1 0 年，所有发达国家二 氧化碳等6 种温室气体的排放量要比1 9 9 0 年减少5 2 。 2 0 0 7 年3 月，歇盟各成员国领导人一致同意，单方面承诺到2 0 2 0 年将欧盟 温室气体排放量在1 9 9 0 年基础上至少减少2 0 。2 0 0 8 年7 月8 同，在北海道 洞爷湖畔，来自8 个世界最大的工业国的领袖们仔细研究了一项名为“美丽星球 5 0 ”的计划：2 0 5 0 年前，把二氧化碳的排放降低5 0 。八国首脑希望由此完成 人类的自我救赎。 我国人均二氧化碳排放量远远低于发达国家( 世界平均水平的6 6 ) ，但1 9 9 7 2 第一章综述 年二氧化碳总排放量约为8 1 7 8 。5 3 亿吨，占全球的1 3 7 ，是仅次于美国( 2 4 3 ) 的第二大温室气体排放国，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( 国家发改委副主任、国家气候变化对策协调小组常务副 组长) 指出我国现在的压力跟发达国家遇到的压力是一样的。中国目前还处在一 个比较低的能源消耗水平上，随着中国经济的发展，能源消费水平必然要提高， 随之而来的将是二氧化碳的大量排放，这也是整个世界最为关注的焦点之一。 现阶段，人类活动每年向大气排放二氧化碳大约6 0 亿吨碳。1 0 多年前，当 i g b p 的核心计划全球海洋通量联合研究( j g o f s j o i n tg l o b a lo c e a nf l u x s t u d y ：1 9 9 0 2 0 0 2 ) 启动时，人们认为这6 0 亿吨碳中，有大约一半近3 0 亿吨碳 留存在大气中( 根据实测得出) ，另外大约3 0 亿吨碳则全被海洋吸收，陆地生态 系统则被认为出于平衡状态( 植物的光合作用与呼吸基本平衡) 。通过1 0 多年 j g o f s 的研究，人们发现，全球大洋只能吸收不到2 0 亿吨碳，从而提出了另外 1 0 多亿吨碳去了哪里的问题，即全球碳循环丢失项( m i s s i n g t e r mo rm i s s i n g s i n k ) 问题。因此，一部分人就回到陆地生态系统去找，另一部分人则到陆架边 缘海去找。因为，陆架海尽管面积小，只占全球海洋的8 ，但其生物生产力很 高，占全球海洋的2 5 ，可以固定大量的大气二氧化碳。 从长期平均看，陆地生态系统对碳的吸收与排放应该是基本平衡的。但就植 被特别是森林等的生长阶段而言，在其年幼生长期可能吸收大于排放，而显现碳 汇的作用；在其衰老期可能排放大于吸收，呈现碳源的作用。目前研究结果指出： 全球而言，陆地生态系统是一个弱汇，每年可从大气净吸收碳约4 7 亿吨。而且 有人认为这种汇的作用在今后若干年还会不断增加到每年几十亿吨碳。全球陆架 边缘海到底是大气二氧化碳的源还是汇，尚不得而知。因为全球河流向陆架边缘 海输入的碳每年大约有8 1 2 亿吨，而且这些碳进入海洋之后，相当一部分会以 二氧化碳的形式排放到大气中去；同时也由于陆架边缘海的生物生产力，具有很 强的固碳能力。国际j g o f s 在过去1 0 多年中主要在进行大洋碳通量研究，而没 有将注意力放在陆架边缘海。中国1 0 多年前首先在东海开展碳通量研究，其结 论是：东海是大气二氧化碳的汇，但不强，每年只能从大气吸收碳约4 3 0 万吨。 但是，这不等于说其它陆架边缘海都是汇，都是弱汇。这还需要大量调查和研究。 现在，全球碳循环已成为e s s p ( i g b p ，w c r p ，i h d pa n dd i v e r s i t a s ) 3 南美海表甚海水一二氧化碳的分角研究 这几年四大研究主题( 碳、食物、水和健康) 之首。2 0 0 1 年在全球变化第一次公 丌科学大会上，i g b p ，w c r p 和i h d p 联合启动了一项新的研究全球碳循环联 合研究计划，简称为全球碳计划，其中包括大气、陆地、大洋与陆架边缘海 几个区域。j g o f s 结束后，对海洋碳循环而占，把陆架边缘海单独列出来和大洋 分开。实际上，2 0 0 1 年在挪威召开的j g o f s 公丌科学大会上，陆架边缘海碳循 环问题已被列入j g o f s 之后研究的首要课题。近儿年，美国又设立了一些新的长 期海洋碳循环研究项目，例如2 0 0 1 年美国自然科学基金设立的海洋碳循环研究 ( o c c r ) 和美国能源部、宇航局、海军海洋研究署和自然科学基金共同设立的 美国碳循环科学计划中，陆架边缘海碳循环都被作为一个新的核心研究列入。 天然海水偏碱性，但吸收二氧化碳后会酸化。英国权威海洋研究所普利 茅斯海洋研究所的科学家杰尼于2 0 0 6 年1 1 月在广州发表研究成果称，在全球工 业化的2 0 0 年里，约有超过6 5 0 0 亿吨的由矿物燃烧、水泥制作而释放的二氧化 碳被海洋吸收，海水变热趋势明显，现在海洋的p h 值( 酸度值) 已经下降了0 1 个单位。海洋酸化的后果不容忽视，美国国家科学基会会等机构的科学家们已通 过实验证实，海洋生物圈的基础珊瑚和含钙浮游生物，在酸化的环境中会因 钙代谢失常而生长缓慢、种群数量减少。按照这一趋势，全球海洋酸化不仅会威 胁珊瑚和浮游生物，以浮游生物为食的鱼类等也会随之受影响，海洋的生物多样 性和渔业都将遭到破坏。 因此抓住了中国陆架海域碳循环的关键科学问题，进行中国近海海域海一气 c 0 2 含量调查，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，对于认识海水酸化，保护海洋生态系统，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，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【2 1 。也可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科学依据，保障国家的可持续发展。 4 第一章综述 1 2 二氧化碳海气交换研究概况 1 2 1 海洋中的二氧化碳体系 二氧化碳一碳酸盐体系是海洋中重要而复杂的体系之一，它涉及到许多海洋 化学、物理学、生物生态学、气象学、地质学等诸多学科【3 1 。海洋对大气c 0 2 的 汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取决于混合层碳酸盐化学、水 中溶解碳的平流传输，c 0 2 体系在海洋中的平衡主要包括以下过程： c 0 2 ( g ) 与c 0 2 ( w )c 0 2 ( w ) + h 2 0 与h 2 c 0 3 h 2 c 0 3 与h + + h c 0 3 。h c 0 3 与h + + c 0 3 。 2 m n + + n c 0 3 2 。与m 2 ( c 0 3 ) n ( m n + 代表与c 0 3 2 - 生成沉淀的金属离子) 可见海洋储有的碳，主要以c 0 2 、h 2 c 0 3 、( c 0 3 2 一) 、碳酸氢盐( h c 0 3 。) 和难溶碳酸盐m 2 ( c 0 3 ) n 等5 种形式存在。在不同的海域、水文及p h 条件下，其 各种形态的含量各不相同。例如，在海水p h 约为8 时，以h c 0 3 - 为主，c 0 3 2 次 之。h c 0 3 - 和c 0 3 2 - 也是海水碱度( t a ) 的主要组成部分，约占t a 总量的9 5 以上【4 1 。该平衡过程控制着海水的p h ，使海水具有缓冲溶液的特性。增加大气的 c 0 2 也增加了海水中的无机碳总量，同时增加海水的缓冲容量，引起海水酸度增 加，不利于更多的c 0 2 进入海水。 c 0 2 在海一气界面通过生物泵的作用驱动大气c 0 2 进入海洋、海洋生物生产( 生 物的光合作用) 及其所产生的有机碳( 由于生物的光合作用，c 0 2 不断被转化成 有机碳和生物碳酸盐) 的沉降以及沉积物一海水界面附近碳酸盐的溶解与沉淀等 【5 】，这是海洋碳循环的主要途径。 近几年，美国多家权威研究机构研究发现，二氧化碳在大气中的含量日益增 加，不仅对全球气候产生影响，而且造成海水酸化，威胁海洋生态系统。 1 2 2 陆架边缘海对全球碳循环的可能贡献 工业化革命以来，大气c 0 2 的浓度逐年明显上升，造成了全球变暖，影响着 地球气候和环境。但是在近十几年来的研究中，科学家仍然无法将人为活动产生 的过量c 0 2 ( 源，s o u r c e ) 、储存场所( 汇，s i n k ) 及其储量i 、日j 作出合理的平衡解 释【6 捌，产生了全球碳循环的“丢失项( m i s s i n gs i n k ) 问趔9 1 。这些碳究竟汇在 5 南黄海表甚海，k ? 氧化碳的分布s 颀究 何处? 已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f 1 0 , 1 1 】。 一些研究结果表明陆地生态系统的确净吸收大气c 0 2 1 1 2 , 1 3 】，但直接的观测证 据仍然是十分零散和缺乏的。 例如，k a u p p i 等【1 4 】认为，丢失的碳t 要汇集在温带森林里；h o u g h t o n 1 5 】则认 为，丢失的碳汇可能集中在温带土壤；s c h i n d l e r 掣1 6 j 根据氮沉降增加的估计，指 出陆地生物圈作为大气碳的汇，正在逐年增加；p r e n t i c e 等【1 7 】认为热带地区( 亚马 孙河的热带雨林) 可能是重要的碳汇。s c h i n d l e r 9 】的研究表明，丢失的碳汇可能 是由于北半球大陆的森林引起的。方精云纠1 8 l 认为，丢失的碳汇可能在高纬度地 区的土壤圈内。s c h i m e l 等【1 2 】认为，陆地生态系统在2 0 世纪8 0 年代基本上是保持平 衡的，但是在9 0 年代却表现为一个碳汇。s a b i n e 等【1 9 】的研究结果也表明陆地生态 系统是碳汇。方精云等【2 0 】研究得出中国陆地植被净生产碳量约2 3 3 x 1 0 9 吨年，每 年产生了1 4 8 x 1 0 9 吨碳的凋落物，提供了0 2 2 4 x 1 0 9 吨碳的粮食和0 0 2 0 9 x 1 0 9 吨碳的 木材，以及生物质燃料，而且他们认为扣除土壤呼吸、生物质燃烧、人体呼吸等 因子，中国陆地生物圈系统是一个c 0 2 源，每年向大气释放0 4 4 x 1 0 9 吨碳的c 0 2 ， 如果考虑化石燃料的使用，则中国大陆每年向大气净释放量相当于全球总释放量 的1 2 8 2 1 8 。王庚辰【2 1 】利用其他研究结果修订了上述碳循环模式的数据，认为 中国陆地植被系统是一个c 0 2 的弱汇，每年可吸收相当于0 2 4 x 1 0 9 吨碳的大气 c 0 2 ，但如果考虑化石燃料燃烧等人为活动的影响，则中国陆地植被是一个源， 每年向大气排放相当于0 5 7 x 1 0 9 吨碳的c 0 2 。 有更多的研究者则认为陆地植被对平衡目前碳的源和汇贡献不大，是海洋吸 收了更多的碳【2 2 , 2 3 】。 例如，f r a n k i g n o u l l e & b o r g e s i 矧在北大西洋欧洲陆架边缘海域系统地调查了 各季节的海水表) 丢p c 0 2 ，获得了比较完整的年度数据，证明该海域为大气c 0 2 的 净汇区；而在东海开展的年度尺度研究在国际上较早的报道了陆架边缘海是大气 c 0 2 的净汇区【2 5 3 0 1 ，由于这两个海域其表面积共占全球陆架面积的9 4 ， f r a n k i g n o u l l e & b o r g e s 据此提出北半球中、高纬度大陆架可能是大气c 0 2 的汇区。 陈建芳等【3 1 】从北极沉积有机碳的来源、河流携带的沉积物输入、海冰覆盖率、 营养盐来源等方面初步讨论了陆源输入和生物泵过程对沉积碳来源和埋藏时空 6 第章综述 变化的影响，并结合两次北极考察的初步结果指出，全球变暖很可能使北极陆架 边缘海成为沉积有机碳的高效汇区。 由于边缘海界于陆地及开阔大洋之问，陆源及污染物经此向大洋传输，沿岸 海流的循环、混合及涌升和陆地河水径流带来的丰沛的营养盐，促使边缘海生物 生产率远高于开阔海域，其生物同碳作用( 生物泵) 可加速海水吸收大气中的c 0 2 ， 将c 0 2 转化成颗粒态的碳化合物，沉积在边缘海区，或经由侧向传输流入大洋深 部。但另一方面，深水涌升到陆架及大量有机质分解，也可能使边缘海区海水中 c 0 2 呈过饱和状态，而成为大气c 0 2 的来源。这种错综复杂的作用一直在边缘海区 域发生。因此在估算全球碳循环过程中，边缘海仍是一个很大的未知数，边缘海 区究竟是大气c 0 2 的源或汇，仍是一个有争议的问题。 1 2 3 陆架边缘海海一气通量研究现状 陆架海域面积虽然只占全球海洋的7 ，其初级生物生产量却占了全球海洋 的2 8 ，其有机物埋藏更是占了全球海洋的8 0 ，而且还向大洋输出数量可观的 有机碳。因此，陆架边缘海对全球海洋的二氧化碳的源汇过程起着重要作用。但 由于陆架边缘海的物理与生物地球化学过程远比大洋复杂，其源汇过程研究难度 大，因而当前关于陆架和陆坡海域的各项通量都还很不确定【3 2 1 ，这是全球c 0 2 源 汇过程研究中最薄弱的环节。 w a l s h 等【3 3 j 指出，陆坡上的有机物沉积可能就是全球c 0 2 收支平衡过程中的那 个“m i s s i n gs i n k ”，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 输可以解释这个“汇”的成因，5 0 的陆架区生产力输往陆坡，再生的营养元素 可循环利用而消耗掉碳。w a l s h l 3 4 j 在1 9 9 1 年又提出，从河流、深海项陆架输入了 大量的氮，分别为0 6 x 1 0 8 吨年和5 6 x 1 0 8 吨年，除去反硝化脱氨作用损失掉 0 5 x 1 0 8 吨年外，可供浮游植物利用的为5 7 x 1 0 8 吨年，按照生物利用为5 ：1 的比 例，则陆架初级生产力所要求的碳量大约为2 9 x 1 0 9 吨年，所以他得出了这一生 物过程是大气c 0 2 的一个巨大的潜在汇的结论。 b e m e r f 3 5 】认为，在过去的1 0 0 年罩，若碳丢失项( 1 5 x 1 0 1 1 吨碳) 沉积在近岸 沉积物中( 1 2 x 1 0 1 2 ，2 5x 1 0 1 2 吨碳) ，则沉积物中有机碳的质量百分比约为6 1 2 。 这个比例是边缘海沉积物中有机碳平均含量实测值( o 5 1 5 ) 的十倍之多。因 7 南美海表。海水_ 二氧化碳的分布| 研究 此，他指出：边缘海不可能足碳丢失项的汇。 s a r m i e n t o & s u n d g u i s t l 3 6 l 认为，陆架边缘海虽然不是碳丢失项的一个主要汇， 倒町能是陆地生态系和海洋生态系之i 日j 的一个联连体，从而拟合了两种不同的有 关海洋吸收大气c 0 2 的计算结果1 3 7 , 3 8 】。 t o r r e s l 3 9 1 、l e f e v r e 等【4 0 l 对南美洲智利沿岸海域进行调查研究表明，一方面， 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 2 5 毫摩尔平方米天。 l i u l 4 1 】推测全球陆架边缘海整体来讲是大气c 0 2 的弱汇，通量约为1 x 1 0 8 吨碳 年。但同时也指出至少有晒类边缘海区是大气c 0 2 的源，一类是一些上升流主导 的东边界流系统，如上面提剑的t o r r e s 、l e f e v r e 等的工作；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 输出磷量最高可达0 1 6 摩尔平方米年。 1 2 4中国近海海气通量研究现状 已有不少学者在中国邻近海域东海、黄海、台湾海峡、南海、渤海等进 行了海一气界面的c 0 2 通量研究。其中，对东海的研究比较充分。 纪雷等【4 2 】根据调查指出，东海近岸是c 0 2 的源，外海区是c 0 2 的汇，整个东 海大陆架海区在秋季表现为c 0 2 的净汇区。 张龙军【2 8 】等在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，指出东海 表层海水c 0 2 分压受东海环流、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c 0 2 的源；黑潮水是c 0 2 的汇，夏季受生物活动的影响， 陆架区水系是c 0 2 的汇；黑潮及影响区域是c 0 2 的源。 t s u n o g a i 等 4 3 】根据中一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 0 x 1 0 6 吨碳年。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【4 4 1 。 8 第一章综述 w a n g 等1 4 5 】根据黑潮边缘交换过程计划( k e e p m a s s ) 用东海东南部春、夏两季 的p h ( n b s 标度) ，总碱度和总二氧化碳的观测数据算出的p c 0 2 以及利用 t s u n o g a i l 4 6 j 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 ) x 1 0 6 吨碳年。 张远辉等【2 5 j 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测定 了1 9 9 4 年春、秋两季东海表层海水的c 0 2 分压。 基于中国东海的研究，t s u n o g a i 等 4 7 】认为全球陆架每年吸收多达1 0 亿吨碳( 即 全球海洋一半的吸收量) ，t h o m a s 等【4 8 】则认为全球陆架的吸收量为4 亿吨碳。 关于渤海海一气界面的c 0 2 通量研究报道比较少。 谭敏和陈燕珍【4 9 l 利用碱度、p h 、温度和盐度等调查资料计算了渤海水体中 c 0 2 体系各分量的含量，讨论了水体中c 0 2 的分布变化规律。 李悦【5 0 】利用渤海物质质量平衡模式，以及有关的c a 2 + 和h c 0 3 - 的数据，考虑 到1 摩尔c a 2 + 和2 摩尔h c 0 3 反应产生1 摩$ c 0 2 气体，剩余的h c 0 3 在转移过程中产 生等摩尔的c 0 2 气体，计算出渤海每年向大气排放c 0 2 约6 5 3 x 1 0 6 吨。 孙云明和宋金明1 5 】用温带海洋表层温度与表层海水p c 0 2 的关系，模拟计算了 渤海海一气界面c 0 2 通量，指出渤海的春季、秋季和冬季是大气c 0 2 的汇，在量值 上是冬季远大于春季和秋季，而夏季则是海水向大气释放c 0 2 ，就全年而言，渤 海是吸收大气中的c 0 2 ，通量为3 6 8 克碳平方米年。 张龙军等【5 1 】结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料，重点分析了夏季 渤海表层海水c 0 2 的分布特征，并讨论了c 0 2 的源与汇影响机制。调查结果表明： 夏季渤海水一气界面c 0 2 分压在3 1 3 1 1 1 8p a t m 之间，平均值为5 3 7i t a t m ，在渤海中 西部沿岸区域( 1 1 9 0 e 1 2 0 5 0 e ，3 8 5 0 n 4 0 。n ) 和辽东湾外东部沿岸( 1 2 0 7 0 e 一1 2 1 2 。e ，3 9 9 。n 4 0 1 0 n ) 存在大气c 0 2 的汇区，其面积大约占渤海面积的1 5 ，而渤 海整体表现为大气c 0 2 的源。 韩舞鹰等f 5 2 】通过对南沙海域4 个站点投放颗粒物捕集器采集样品的分析结 果，得出颗粒有机碳向下通量为1 9 3 毫克平方米天，溶解无机碳穿过跃层向上 垂直通量3 6 0 0 毫克平方米天，真光层颗粒无机碳向下通量为2 7 毫克平方米 天，并计算出该海域作为大气c 0 2 的汇，碳通量为1 3 毫克平方米天。 9 南黄海表层海水二氧化碳的分布与研究 林洪瑛【5 3 】认为南海是c 0 2 的汇，其通量平均值为1 8 8 x 1 0 4 摩尔平方米d , 时。 韩舞鹰等【5 4 】利用箱式模型研究认为，南海为大气c 0 2 的净汇，约4 4 x 1 0 4 摩尔秒。 r e h d e r 等【5 5 】观测剑南海东部边缘海域在夏季海水表层水温最高时是大气c 0 2 的弱源。 z h a i 等【5 6 】在对北部南海的研究中发现，其春季、夏季和秋季都为大气c 0 2 的 源，夏季c 0 2 通量为7 毫摩尔平方米年，春季和秋季通量为1 3 毫摩尔平方米 年。 张远辉等【5 7 】认为，台湾海峡海域是大气c 0 2 的净汇区，平均通量为1 4 5 _ + 0 5 1 摩尔平方米年。戴民汉等【5 8 】对台湾海峡碳通量的研究结果与上述张远辉等的结 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 月份仅为大气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。 洪华生等【5 9 j 以微型食物网在碳及磷的生物地球化学循环中的动力学为核心， 研究了台湾海峡主要生源要素生物地球化学循环的物理驱动力，物理与生物、化 学过程的耦合，微型浮游生物对碳循环的影响等，发现在大的时空尺度上，该海 域碳及磷的生物地球化学循环主要受水动力调控，且夏季南部海峡表现为c 0 2 强 的源，溶解有机碳是主要的有机碳形态，颗粒有机碳中陆源占6 0 。 戴民汉等【2 】认为，中国的区域碳循环过程尚有诸多未知量和不确定性，缺乏 把陆、海、气作为一个系统的综合研究，海洋生态系统碳循环研究尤其需要加强。 中国边缘海的碳循环研究应当围绕c 0 2 的汇源过程这一碳循环的中心问题，深入 开展边缘海碳的生物地球化学及其与大气c 0 2 的耦合作用等方面的研究。 1 2 5 南黄海概况及二氧化碳分布研究 黄海西临山东半岛和苏北平原，东边是朝鲜半岛，北端是辽东半岛。黄海面 积约为4 0 万平方公里，最深处在黄海东南部，约为1 4 4 米。海洋学家按照黄海 的自然地理等特征，习惯将黄海分为北黄海和南黄海。南黄海是指长江口至济州 岛连线以北的椭圆形半封闭海域，总面积为3 0 多万平方公里，南黄海的平均水 深为4 5 3 米，最大水深在济州岛北侧，为1 4 0 米。 南黄海属扬子地台东延部分，构成一大型的南黄海中、新生代沉积区。物探 资料证实，南黄海构造断裂发育特征，从分布方向看，大致分为北东、东西和北 1 0 第一章综述 西向三组。北东向断裂为区内主干断裂，与区域构造线方向一致，往往构成隆起 与坳陷、凸起与凹i j f j 的分界，以断距大、延伸长和长期多次活动为特点。东西向 断裂，一般规模较小，断距不大，延续性差，对次级和局部构造起到一定的控制 作用。 谭敏【4 9 】等研究发现，黄海水体中的二氧化碳具有较好的保守性，其含量分布 具有较好的规律性。山东半岛以南近岸水体中二氧化碳等值线的走向大致与岸线 平行，且其含量略高于远岸海水的含量。海州湾以南的苏北沿岸处显得变化梯度 较大，可能是古黄河口长期效应的结果。在黄海调查区的东南部出现一个低值水 舌向北伸展，在深层，水舌受居于黄海中部的高值水的阻碍改向西北方向运动。 k i me t a l 删根据有限站位，研究了4 月份南黄海海一气界面c 0 2 交换。调查发 现，4 月份南黄海表层海水的c 0 2 分压在2 1 7 3 3 5g a t m 之间。他认为4 月份南黄 海是c 0 2 的汇，用自己建立的气体交换模型来描述黄海c 0 2 分布的年变化，并估 算海一气界面c 0 2 的年通量，计算结果表明，6 - 9 月份间南黄海是c 0 2 的源，而在 1 0 5 月份则表现为c 0 2 的汇。 王峰等【叫结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料，对影响c 0 2 分布和 变化的某些重要现象进行了初步探讨。指明南黄海表层海水c 0 2 的分布存在较