讲座8 海洋生物泵

1、海洋生物泵海洋生物泵海洋化学进展海洋化学进展讲座讲座8 8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l 1970s起，已认识到海洋起，已认识到海洋是人类来源是人类来源CO2的汇，但的汇，但这个汇有多大？什么过程这个汇有多大？什么过程驱动？它在未来的变化如驱动？它在未来的变化如何？等问题何？等问题仍未解决仍未解决。l 必须了解碳必须了解碳通过通过物理泵物理泵与与生物泵生物泵的输出的输出。问题的引出问题的引出海洋物理泵与生物泵的作用海洋物理泵与生物泵的作用通过光合作用将无通过光合作用将无机碳转化为有机物，机碳转化为有机物，之后在食物网内转之后在食物网内转化、物理混合、输化、物理混合、输

2、送及重力沉降等过送及重力沉降等过程合并称为生物泵。程合并称为生物泵。生物泵定义生物泵定义生物泵的作用生物泵的作用“deep-sea organisms are nourished by a deep-sea organisms are nourished by a “rainrain” of organic detritus from overlying surface watersof organic detritus from overlying surface waters” Alexander Agassiz (1888) Alexander Agassiz (1888)调控大气调控大

3、气CO2浓度：浓度： 如果海洋无光合作用，大气如果海洋无光合作用，大气CO2浓度将：浓度将： 1000 ppm 现在现在大气大气CO2浓度：浓度： 365 ppm 如果生物泵最大效率运转，大气如果生物泵最大效率运转，大气CO2浓度：浓度： 110 ppm浮游植物吸收碳的浮游植物吸收碳的速率（光合作用速速率（光合作用速率），即率），即初级生产初级生产力力是生物泵运转的是生物泵运转的“发动机发动机”或或“引引擎擎”。生物泵的引擎生物泵的引擎海洋初级生产力的分布海洋初级生产力的分布生物泵的度量生物泵的度量POC输出通量输出通量l 非均匀分布，变化幅度超过非均匀分布，变化幅度超过1个量级个量级l 沿岸

4、沿岸/大洋变化梯度最大，在大洋区，变化也达大洋变化梯度最大，在大洋区，变化也达5倍倍POC输出通量的时间变化输出通量的时间变化沿岸、大洋上层海沿岸、大洋上层海洋洋POC输出通量的输出通量的季节变化达季节变化达3-6倍倍Martin et al. 1987POC输出通量的垂直分布输出通量的垂直分布POC输出通量的测量输出通量的测量沉积物捕集器沉积物捕集器l 1980s VERTEX 及其后项目中及其后项目中广泛使用广泛使用l 时间尺度：时间尺度： 几天到几天到年年可靠性影响因素可靠性影响因素1：水动力作用：水动力作用l 雷诺数：雷诺数： Rt = uf D -1 uf 是水平流速；是水平流速；

5、D为捕集器直径；为捕集器直径； 是流体粘度是流体粘度l 几何比：几何比： A=H/D H：捕集器高度：捕集器高度l 水体流速与颗粒沉水体流速与颗粒沉降速率的比值降速率的比值水动力作用的影响水动力作用的影响How can we predict the behavior of particles within turbulence when we cannot model the turbulence itself.l 浮游动物浮游动物l 小型鱼类小型鱼类l 高估颗粒通量高估颗粒通量l 影响不同化学组分的比例影响不同化学组分的比例l 浅层捕集器问题较严重浅层捕集器问题较严重l 无简单算法可应用无简

6、单算法可应用影响因素影响因素2：游泳动物：游泳动物游泳动物的影响游泳动物的影响保存问题：保存问题： （1）加）加Hg、福尔马林等、福尔马林等 （2）不加）不加游泳动物的影响游泳动物的影响游泳动物的影响游泳动物的影响影响因素影响因素3：颗粒溶解问题：颗粒溶解问题l 进入捕集器之后，部分颗粒会溶解或释放一些元素进入捕集器之后，部分颗粒会溶解或释放一些元素至上覆水中。至上覆水中。l 相关过程：相关过程： （1）捕集深度）捕集深度 （2）颗粒类型）颗粒类型 （3）采样时间）采样时间 （4）颗粒处理方式）颗粒处理方式颗粒溶解的影响颗粒溶解的影响l 随深度增加其比例降低随深度增加其比例降低l 改变元素之间

7、的比值改变元素之间的比值l 强颗粒活性元素可忽略该影响强颗粒活性元素可忽略该影响颗粒溶解的影响颗粒溶解的影响捕集器捕集效率的校正：捕集器捕集效率的校正：234Th法法捕集效率的校正捕集效率的校正捕集效率的校正捕集效率的校正l 高通量情况下高通量情况下:低估低估l 低通量情况下：低通量情况下：高估高估捕集效率的校正：捕集效率的校正：210Pb法法对于对于200m水层，不如水层，不如234Th法来得灵敏：法来得灵敏：（1）大气提供存在变化；）大气提供存在变化；（2）上层水体储量变化小）上层水体储量变化小捕集效率的校正：捕集效率的校正：230Th和和231Pa法法适用于深海适用于深海输出生产力与初级

8、生产力的比值：输出生产力与初级生产力的比值：e比值比值生物泵的效率生物泵的效率到达海底的通量到达海底的通量未来未来100年，由于表层水变暖，海洋层化作用会加年，由于表层水变暖，海洋层化作用会加强，热盐环流会减弱。这不仅会削弱物理泵的作强，热盐环流会减弱。这不仅会削弱物理泵的作用，而且会改变提供至上层海洋的营养盐通量，用，而且会改变提供至上层海洋的营养盐通量，进而对生物泵有明显影响。进而对生物泵有明显影响。未来的挑战未来的挑战l 长期的时间系列研究仍需重视，从而有可能更深长期的时间系列研究仍需重视，从而有可能更深入了解时间演化图象；入了解时间演化图象；l 最近对大陆架区域的研究表明，不少大气最近

9、对大陆架区域的研究表明，不少大气CO2被被吸收到海洋边缘海域。未来的研究必须确定沿岸吸收到海洋边缘海域。未来的研究必须确定沿岸海域整体是否是人类来源的碳汇区，并定量确定海域整体是否是人类来源的碳汇区，并定量确定沿岸与大洋水体之间的碳交换通量。沿岸与大洋水体之间的碳交换通量。未来的挑战未来的挑战l 当前研究集中于当前研究集中于100200 m及近海底，但已认识到，及近海底，但已认识到，由生物泵输送的有机物的降解主要发生在真光层以由生物泵输送的有机物的降解主要发生在真光层以深深至至5001000 m的区域，的区域，未来有待加强此区域研究未来有待加强此区域研究。l 颗粒物的输出与降解是生物泵的重要环节，生物地颗粒物的输出与降解是生物泵的重要环节，生物地球化学模型必须加入有关颗粒有机物、溶解有机物球化学模型必须加入有关颗粒有机物、溶解有机物转化方面的信息。转化方面的信息