加拿大圣劳伦斯河口水中一氧化碳的生物地球化学循环

发布时间：2020-05-12 07:14

【摘要】： 一氧化碳(CO)在海洋有机碳循环过程中起着非常重要的作用。表层海水中的CO主要是通过有色溶解有机物(CDOM)的光降解产生的,其中大部分被微生物所消耗,一小部分通过海气界面扩散进入大气。另外,溶解有机物(DOM)在无光环境中也会分解产生一部分CO。CO的光致生成量在大洋水中已经有了比较合理的界定,但是在河口和近岸水中的产量还不清楚。与光化学反应相比,CO微生物消耗的研究迄今为止开展较少,暗反应的研究则几乎没有。本文系统研究了加拿大圣劳伦斯河口水中CO的光化学反应、暗反应和微生物消耗,在此基础上对其生物地球化学循环做了平衡预算。进而把暗反应速率方程推广应用到全球海域,计算了全球海洋中CO的暗反应产量和深海稳态浓度,并对CO的微生物消耗量进行了估算。 CO的光致生成受水温和CDOM的起源(陆源vs.海源)及光照时间的影响。为了便于比较,CO量子产率(Φco(λ))经太阳光量子通量(Q(λ))加权平均后简化为一个数值Φco。Φco随着盐度的增加(0-33)而降低,并与254 nm处的比吸光系数(SUVA254)有良好的线性正相关;这表明陆源CDOM光降解产生CO的效率高于海源CDOM。光照会引起CDOM的吸光系数降低,即光脱色。光脱色能显著降低低盐度水样的Φco,在光脱色的初始阶段降幅最大;但是对高盐度水样几乎没有影响。温度每升高20oC,低盐度水样的Φco升高~ 70%而高盐度水样仅仅升高30 - 40%。上述结果表明:水温和CDOM的起源及光照时间都对CO的光致生成有显著影响。在构建各种时空尺度的光化学模型时,都应充分考虑到上述因素的影响。通过多元线性回归分析拟合出了Φco与各变量的关系方程,据此计算出圣劳伦斯河口水中CO的光致生成量为26.2 Gg CO-C a-1。 CO的暗反应速率(Qco)在水平方向自上游至下游依次递减,垂直方向自上至下递减。Qco与CDOM的含量呈线性正相关。陆源DOM产生CO的效率高于海源DOM。Qco与温度的关系服从线性阿伦尼乌斯行为,低盐度水样的反应活化能高于高盐度水样。Qco在pH 4-6时保持相对稳定,pH 6-8时缓慢增长,随着pH的进一步增加迅速升高。离子强度和铁对Qco几乎没有影响。通过多元线性回归分析拟合出了Qco与各变量的关系方程,据此计算出圣劳伦斯河口水中CO的暗反应产量为4.06 Gg CO-C a-1。 CO的微生物消耗实验在船上现场测定。当水样中CO含量较低(通常[CO] 12 nmol L-1)时,CO微生物消耗呈一级反应的特征,一级反应速率常数(Kco)随盐度的增加而降低,即Kco在低盐度的上游区段和Saguenay河高于圣劳伦斯湾。表层水中的Kco的变化范围:五月0.053 -1.01 (中间值: 0.14) h-1、七月0.081- 0.60 (中间值: 0.27) h-1、十月0.035 - 0.71 (中间值: 0.13) h-1、十二月0.024 - 0.38 (中间值: 0.032) h-1。Kco的变化主要受水温和细菌浓度的影响。温度每升高10oC, Kco升高40 - 80% (平均值: 53%)。反应活化能22-38 (平均值: 28) kJ mol-1。在[CO] 0-15 nmol L-1的范围内,CO的微生物消耗服从Wright-Hobbie动力学;随着[CO]的进一步升高,反应出现抑制现象。Wright-Hobbie动力学参数:最大消耗速率(Vmax)为0.15- 4.3 (平均值: 0.72) nmol L-1 h-1,并与盐度大致呈负相关;半饱和浓度(Km)为1.7- 6.5 (平均值: 4.1) nmol L-1,与其它参数没有关联。通过多元线性回归分析拟合出了Kco与各相关变量的关系方程,计算出圣劳伦斯河口表层水中CO的微生物消耗量为24.7 Gg CO-C a-1。 圣劳伦斯河口水中CO的总产量为30.3 Gg CO-C a-1,其中光化学反应贡献了87%,是主要的来源,暗反应贡献了13%,是次要来源。表层水中CO的微生物消耗量占总产量的～81%,是主要的汇。考虑进海气扩散的影响,表层水中CO的总消耗量占总产量的～91%,源和汇基本持平。 全球海洋中的CO暗反应产量为17.10 Tg CO-C a-1,其中91%产自大洋,9%产自近岸,或者54%产自表面混合层,46%产自次表层。与最新的全球海洋CO光致生成量(50 Tg CO-C a-1)相比,CO的暗反应产量是显著的。表层海水中的暗反应对海气通量的贡献约为15.7%。根据深海CO的稳态理论计算出大洋深处[CO](0.05-0.1 nmol L-1)接近当今测量技术的方法空白。全球海洋中CO的微生物消耗量估计为63.58 Tg CO-C a-1。
【图文】：

圣劳伦斯河口及北大西洋采样地点图

图 3-1：：圣劳伦斯河口中心线上各站位表层水的盐度、a350(CDOM 在 350 nm处的吸光系数， 单位 m-1，，用于表征 CDOM 的含量)、[DOC] (mgC L-1) 以及SUVA254(即 a254/[DOC]，单位 L (mgC)-1m-1，用于表征 CDOM 中芳香性碳的含量) 的分布图。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P734.2

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本文编号：2659862