春夏季东海赤潮高发区颗粒有机物的来源、含量变化及其与固碳作用的关系

发布时间：2020-09-30 01:59

　　海洋是一个巨大的碳库,海洋碳通量研究中一个重要的问题就是海洋对大气CO2调节能力的大小,而陆架边缘海在这一研究中占有相当重要的地位。本文从对固碳作用影响显著的颗粒有机物在东海赤潮高发区的含量与变化入手,利用2005年～2006年进行的十次大面调查、九次重点断面调查、一次定点连续观测、一次可沉降颗粒物捕集和两次围隔生态实验所得数据,对赤潮这一异常生态现象对我国重要的陆架边缘海——东海的固碳作用所产生的影响进行了研究。本文首先结合相关参数对2005、2006两年现场调查中得到的东海赤潮高发区颗粒有机物的分布进行了深入分析,并运用多种数理统计方法对所得结论进行解释与验证,主要得到如下结果:1、调查海域颗粒有机碳浓度较高,最高值可达5998.92μg?dm-3,远高于非赤潮期;2、颗粒有机碳与叶绿素含量的线性相关系数达0.81(n=1011, P0.0001),其比值为62.89;3、颗粒有机物中所含碳与氮的线性相关系数达0.97(n=1020, P0.0001),碳氮比为6.97(原子比),接近Redfield比值;4、在R型聚类分析中,颗粒有机碳与颗粒有机氮、颗粒磷、叶绿素、脱镁叶绿酸等参数先后聚为一类,而与其它参数距离较远;5、在相关分析中,颗粒有机物中的碳、氮、磷等元素与叶绿素和脱镁叶绿酸呈显著正相关关系(置信度99%),与其它参数相关性较低;6、河口及近岸区颗粒有机碳与盐度无显著相关关系。这些结果证明了春夏季在调查海域颗粒有机物含量与分布的主控因子为浮游植物的生长繁殖及其引发的赤潮过程。颗粒有机物来源单一,主要由光合生产直接或间接贡献,其中碳元素的量值可近似代表该海域春夏季通过光合作用吸收无机碳的总量。陆源径流及底质再悬浮的输入量与之相比可忽略不计。在研究中还可发现,光合作用生产的颗粒有机物主要集中于水体中上层,浮游植物死亡后,其可以穿过密度跃层向海底沉降并最终成为沉积物的一部分,这一过程可以实现将光合作用吸收的碳最终埋藏的作用。在上述静态分析基础上,本文还对颗粒有机物中碳含量的变化趋势进行了动态分析。结果表明,由于赤潮水体存在运动性,因而对小范围海域进行分析时无法较好地体现其内在规律;随着调查海域的扩大,规律性逐渐显现,当调查海域覆盖整个赤潮高发区时,颗粒有机碳含量的积分平均值随时间变化的趋势符合引入环境容纳极限概念的Logistic生长模型,相关系数达0.870。进一步分析可以发现,颗粒有机碳在水体中的生消过程与该模型在机制上存在诸多相似之处,从原理上证明了运用该模型解释颗粒有机碳含量变化的内在合理性,现场围隔实验数据也为这一观点提供了有力的支持。在分析中还发现颗粒有机碳在水体中存在明显的积累现象,而非随赤潮消散即迅速分解,在对现场颗粒有机碳与叶绿素含量随温盐的变化趋势及围隔实验所得数据进行分析时也观察到了同样的现象。以上分析给出了赤潮过程与固碳作用的定性及半定量关系,可以认为颗粒有机碳含量的变化与积累过程在发生赤潮的天然水体与围隔生态实验中符合相同的内在规律。在此基础上,本文继续对调查海域赤潮期的固碳总量进行定量分析,结果表明:调查海域在赤潮期由光合作用生产的颗粒有机碳总量约为337×104 t,其中约有50.72×104 t最终从真光层中输出,导致面积只占东海总面积约2.9%的调查海域形成的碳汇量值达到了整个东海全年碳汇总量值的11.8%,证实了大规模赤潮过程确实对调查海域乃至整个东海的碳汇量值产生了重大影响。在以上计算过程中本文还发展出了一套与以往不同的通过水体中颗粒有机碳的含量及变化估算赤潮期海水固碳总量的方法。该方法的基本思路是首先通过公式计算出颗粒有机碳在水体中的累计质量,再乘以相应的校正系数即得到其总生产量或净输出量。为得到较为准确的校正系数,本文分别采用围隔生态实验、可沉降颗粒物捕集及昼夜连续观测实验数据,根据不同原理得到相互独立的结果,其较高的一致性证明所得校正系数真实可信,用于计算总生产量和净输出量的校正系数分别为0.133和0.020。此方法适用于发生较明显的赤潮过程并存在颗粒有机碳积累现象的水体。本文最后根据围隔实验中颗粒物的碳氮比随赤潮生消而升高的现象讨论了调查海域存在巨大固碳能力的原因,指出在较长时间尺度内营养盐较碳更为快速的再生能力使调查海域可以固定较Redfield比值所预期的更大量的碳,从而使赤潮高发区的固碳能力在整个东海占据了重要的地位。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：P734
【部分图文】：

示意图,迁移过程,悬浮颗粒,有机物

来源归类为两种：a、陆源性来源：由河流输入或由大气沉降而来，这种颗粒有机物多分布在陆地边缘地区；b、自生性来源：海洋中动植物的碎屑或其排泄物，或是溶解有机物絮凝作用造成。颗粒有机物还可以通过物理过程、地球化学过程或生物过程产生水平与垂直迁移，如图 1.2 所示：

示意图,颗粒有机物,碳循环,角色

水中悬浮颗粒有机物产生与迁移过程示意图（Gagossian and物在由表层向下输出的过程中，会因分解而减少，最有机物因细菌分解而从海水中被移除，其减少的部分后溶解态有机质再次分解形成营养盐及二氧化碳（H营养盐再度回到海水中而被浮游植物重新利用，另外到海底而被埋藏。这种有机质的产生、分解与埋藏的、磷循环的主要过程。颗粒有机物所参与的地球化学图 1.4 所示：

示意图,营养元素循环,海洋,示意图

图 1.4 海洋中碳与氮、磷等营养元素循环示意图从海洋真光层中沉降而被带出的碳、氮等与生物地球化学循环有关的元素及颗粒物质之间的关系包含着有关颗粒有机物的来源、组成及其所经历的生物化学过程等丰富信息。通过分析颗粒有机物中碳氮比的大小、分布及其与生物、物理等因子的关系，并对用碳氮比判断颗粒有机物的来源进行探讨，可以为建立海洋物质通量模型提供必要的科学依据。Atkinson 和 Smith(1983)提出研究颗粒态有机物中所含元素的比例，可借以了解浮游生物在其生命活动中所吸收及释放的营养盐。Redfield 比值（Redfield etal., 1963）的比例式（C:N:P=106:16:1）可以表示浮游生物的新陈代谢，或浮游生物的分解与营养盐之间的关系（Stumm and Morgan, 1981）,但此比例式会随着季节和海区的不同而有所改变(Menzel, 1974; Fichez, 1991)。北太平洋特别是其西部在全球碳及其它生源要素的生物地球化学循环中的

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