黄东海碳源汇的季节与区域变化特征及控制因素解析

发布时间：2017-12-26 05:40

本文关键词：黄东海碳源汇的季节与区域变化特征及控制因素解析　出处：《中国科学院研究生院(海洋研究所)》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：海洋作为地球表面最大的碳储库,每年可从大气吸收约1.7亿吨碳,对于维持全球碳的收支平衡,控制大气CO2的持续升高至关重要。陆架边缘海以全球海洋7%的面积,维持了30%的海洋初级生产力,是地球物质能量循环的关键组成。发生在陆架边缘海的海气界面CO2交换过程,不仅能够深刻地影响区域范围内碳的生物地球化学循环,同时对全球海洋生态系统变化也具有深远意义。本学位论文通过对黄东海海气界面CO2交换过程的系统研究,揭示了黄海、东海海洋碳源汇的时空变化特征,辨析了控制海气界面CO2交换的关键因素,获得了一系列新的结果和认识:1.黄海海气界面CO2通量具有显著的季节变化与区域差异特征。表层水pCO2含量在春季低于大气CO2含量,在夏季、秋季与冬季则皆高于大气CO2含量,近岸海域相对外海海域通常具有较高的pCO2。黄海全年总体表现为大气CO2的碳源,每年可向大气释放碳约211万吨。表层海水温度与浮游植物活动是控制黄海碳源汇变化的关键因素,其中南黄海外部开阔海域pCO2变化主要受控于表层海水温度,而近岸海域则主要受控于浮游植物作用过程。黄海表层水二氧化碳分压(pCO2)与海气碳源汇具有显著的时空分布变化特征。冬季黄海总体能够向大气释放CO2,是大气CO2的碳源,海气界面平均碳通量为2.15 mmol·m-2·d-1。冬季黄海碳源汇格局呈现明显的“南—北”差异,其中黄海南部(33~36°N,120~125°E)pCO2基本维持在大气CO2含量以下(300~390μatm),表现为大气CO2的碳汇;而黄海北部(36~38.5°N,122~124.5°E)pCO2则高于大气CO2含量(400~600μatm),表现为明显的碳源。春季是黄海全年唯一能够吸收大气CO2的季节,2011年4月与2013年6月所获得的海气平均碳通量分别为-3.38和-2.87 mmol·m-2·d-1。从区域分布上来看,春季黄海表层pCO2及海气界面CO2交换通量具有明显的“近岸—外海”差异。50 m等深线以浅的江苏近岸及黄海南部具有较高的pCO2含量(380~580μatm),表现为大气co2的碳源;而50m等深线以深的黄海中部海域则具有相对较低的pco2含量(300~340μatm),表现为大气co2的碳汇。夏季黄海总体表现为大气co2的弱源,碳源汇特性不仅具有显著的区域差异,还存在明显的年际变化。2012年7月,2011年8月与2013年8月所获得的海气界面co2通量分别为1.64,1.94和-1.21mmol·m-2·d-1。以34°n,122°e为中心的江苏沿岸海域能够强烈地向大气释放co2(6~18mmol·m-2·d-1),是决定夏季整个黄海碳源汇性质的关键区域。夏季黄海能够吸收大气co2的碳汇区则局限在东南部的有限区域内,对整个黄海的碳源汇性质影响较小,海气界面co2交换通量的变化范围为-4~-14mmol·m-2·d-1。秋季黄海表层pco2及碳源汇的分布格局与春季十分类似,即以50m等深线为界,等深线以浅的黄海西部近岸区具备较高的pco2含量(350~420μatm),表现为大气co2的碳源,而等深线以深的黄海中部外海区则具备较低的pco2含量(350~370μatm),是大气co2的碳汇。与春季不同的是,秋季黄海总体表现为大气co2的强源,具有四个季节中最高的海气界面co2交换通量(6.43mmol·m-2·d-1)。表层海水温度、浮游植物活动、水体混合作用、黄海冷水团等因素是控制黄海海气界面co2交换控制过程的关键因素。对比研究表明,浮游植物活动与水体混合作用等非温度因素是控制黄海近岸海域(水深50m)海气co2交换通量的主导因素,而表层温度变化则是控制黄海外部开阔海域(水深50m)碳通量的首要因素。2.东海在春季、夏季皆表现为大气co2的碳汇,海气界面co2交换通量分别为-9.34和-5.49mmol·m-2·d-1,两个季节共可吸收碳约160万吨,占东海全年碳汇总量的三分之一。东海碳源汇格局的区域差异明显,近岸的长江河口区多表现为向大气释放co2的碳源,而外海的东海陆架区则多表现为吸收大气co2的碳汇。浮游植物生产、水体交换混合与长江径流输入是控制东海海气co2交换的主要因素,且这些因素具有明显的季节与区域差异。东海在春季(4月)总体表现为大气co2的强汇,其海气界面co2交换通量为-9.34mmol·m-2·d-1。能够吸收大气co2的碳汇主要位于长江口外部及50m等深线以深的东海中部海域,尤其以长江口外部海域最为显著,而能够释放co2的碳源则出现在东海东北部及浙江沿岸。初夏季节(6月)东海表现为中等强度的碳汇,海气CO2通量相比春季(4月)有所降低,其平均值为-6.37 mmol·m-2·d-1。东海夏季碳源汇分布相较于春季存在较大的不同,例如,长江口外部海域在4月表现为大气的碳汇,到了6月该海域则变成碳源。浙江沿岸海域在4月具备较高的pCO2含量,是大气CO2的强源,到了6月份,该海域反而具备较低的pCO2,成为大气CO2的碳汇。在盛夏季节(7、8月),东海依旧能够表现为大气CO2的碳汇,海气CO2通量平均值维持在-4.62 mmol·m-2·d-1左右。盛夏季节东海碳源汇的分布格局在不同年份体现出了较为明显的差异特征。在2011年8月,东海能够向大气释放CO2的碳源区基本存在于30°N以北,123°E以西的长江口外部和26~28°N范围内的东海南部,能够吸收大气CO2的碳汇区则位于东海中部海域。但一年之后的2012年7月,东海南部的碳源区相较2011年扩大到了30°N附近,而长江口外部的碳源区则缩小至122.5°E以西,碳汇区的面积相比2011年也有所减小,主要集中在29°N以北的海域。浮游植物通过“生物泵”效应所造成对大气CO2的吸收作用,是影响东海春季、夏季海气CO2交换过程的首要因素,这一点可通过春季(2011年4月)整个东海与初夏(2012年6月)东海内陆架区海域表层pCO2与叶绿素(Chl a)的显著负相关关系得到印证。水体交换混合与长江径流输入则是影响东海春季、夏季海气CO2交换过程的另外两个重要因素。这两者一方面可直接通过无机碳的输送造成水体pCO2显著升高,另一方面还可通过影响营养盐水平控制浮游植物生产活动,从而间接对海气CO2交换过程施加作用。长江口海域仅在夏季表现为大气CO2的碳汇,表层水体pCO2平均值为320μatm,在春季、秋季、冬季皆表现为碳源,pCO2平均值分别为429、611、605μatm。长江口海域碳源汇分布与表层碳酸钙饱和度密切相关,在pCO2较低的碳汇区,碳酸钙饱和度相应较高,而在pCO2较高的碳源区,碳酸钙饱和度相对较低,秋冬季甚至出现了不饱和现象,说明长江口海域存在海水酸化的潜在风险。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P734

【参考文献】