中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系的多层研究
海洋是全球碳循环至关重要的纽带，它在大陆岩石圈、海底沉积物圈、生物圈和大气圈之间碳的交换、流动过程中占主导地位。研究二氧化碳在海洋中的转移和归宿，即海洋吸收、转移大气二氧化碳的能力以及二氧化碳在海洋中的循环机制等已经成为当今国际海洋科学诸多研究计划，如JGOFS、LOICZ、IGBP等特别是SOLAS研究的重要内容。
海水微表层(Sea Surface Mierolayer，SML)是介于海洋和大气之间的一个薄层，是海一气界面间物质交换的必由之路。它有着特殊的物理-化学-生物性质，对洋生物地球化学循环、物质的海-气界面通量、乃至气候等等都有着直接而重要的影响。但是，到目前为止，尚未见到有关海水微表层二氧化碳体系的系统研究。因此本文首次将“海洋微表层”引入中国陆架边缘海域海-气界面二氧化碳循环的研究之中，同时将重点放在表面海水二氧化碳体系DIC、Alk、pH和pCO2四个参量的多层(包括海水微表层SML、海水次表层SSL和海水表层SL)研究上，试图通过对表面海水(特别是微表层)的研究，探寻海一气界面之间碳循环的基本规律及海水微表层在其中所发挥的作用，并希望基于以上研究所得的结果，在海洋和大气之间建立一个全球碳循环的新模型。
本文主要进行了以下几方面的工作：(1)首次将“海水微表层(SML)”的概念引入到海一气界面二氧化碳循环的研究中，并对中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系中DIC、Alk、pH、pCO<,2>四个参量的多层分布规律作了系统的研究；(2)首次提出了海洋碳循环过程中的“海水微表层(SML)泵”的概念，建立了“SML泵”的模型和及其“三个推论”；(3)首次将“海水微表层(SML)泵”应用于判断海水是大气二氧化碳的“源”或“汇”以及计算海一气界面二氧化碳通量。
本文的主要研究结果如下：
黄海春季(3、5月份)、南海春季(4-5月份)、青岛近海(四季和连续站)DIC、Alk浓度在表面海水的SML、SSL和SL三层中的分布具有显著的差别，皆为：DIC<,sML>>DIC<,ssL>>DIC<,sL>，且Alk<,sML>>Alk<,ssL>>A1k<,sL>。即相对于SSL和SL来说，SML对于DIC、Alk有着明显的富集作用，富集倍数EF(enrichment factor，EF=DIC，Mk<,(SML)>／DIC，Alk<,(SSL)或(sL)>)皆大于1。同时，DIC与Alk具有很好的正相关性，其海域、周日分布趋势几乎一致，基本表现为近岸高，外海低，且周日变化的最高值多出现于夜间。
2．黄海、南海和青岛近海表面海水pH、pCO<,2>的多层分布规律
黄海春季(3、5月份)、南海春季(4-5月份)、青岛近海(四季和连续站)pH、pCO<,2>在表面海水的SML、SSL和SL三层中的分布也具有显著的差别，分别为：黄海春季(3、5月份)、南海春季(4-5月份)、青岛近海(春季、秋季、冬季)pH<,SML><pH<,ssL><pH<,sL>，pCO<,2SML>>pCO<,2SSL>>pCO<,2SL>;而青岛近海(夏季、连续站)pH<,SML><pH<,ssL><pH<,sL>，pCO<,2SML>>pCO<,2SSL>>pCO<,2SL>。同时，pH与pCO2具有很好的负相关性，其海域、周日分布趋势恰好相反。而且，由于陆架边缘海受陆源输入、海洋环流、生物作用等因素的影响较为复杂，其海域及周日分布规律具有明显的复杂性和差异性。
3．青岛近海表面海水DIC、Alk、pH、pCO<,2>多层分布的季节变化规律
青岛近海(四季和连续站)二氧化碳体系的四个参量DIC、Alk、pH、pCO<,2>在表面海水的SML、SSL、SL三层中的季节变化规律是：DIC<,冬季>>DIC<,春季>>DIC<,秋季>>DIC<,连续站>>DIC<,夏季>，Alk<,夏季>>Alk<,秋季>>Alk<,连续站>>Alk<,春季>>Alk<,冬季>，pH<,冬季>>pH<,春季>>pH<,秋季>>pH<,连续站>>pH<,夏季>，pCO2<,夏季>>pCO2<,连续站>>pCO2<,秋季>>pCO2<,春季>>pCO2<,冬季>，且DIC、pCO<,2>的季节变化非常明显，而Alk、pH的季节变化不明显。同时，DIC、pH、pCO<,2>的季节分布受温度、生物(chl-a、NH<'4>-N、PO<,4><'3->-P、SiO<,3><'2->-Si)等因素影响较大，它们均与上述温度、生物等因素存在较为显著的相关性。
4.海洋碳循环过程中的海水微表层泵(SML pump)
本文首次提出了海洋碳循环过程中的一种新“泵”一海水微表层泵(SMLpump)，建立了“SML泵”的模型和及其“三个推论”。“SML泵”在海洋碳循环过程中的主要特点是：由于海水微表层效应的存在，当海水是大气CO<,2>的“汇”时，海一气界面二氧化碳通量Fco<,2>减小，同时CO<,2>向内(海水)扩散的作用增大；当海水是大气CO2的“源”时，Fco<,2>也减小，同时CO<,2>向外(大气)扩散的作用减小。“SML泵”的三个推论分别为：pH-深度曲线的左右扭摆的非同一性；浓度一深度曲线的非线性：“SML泵”作用影响范围的差异性。
5．海水微表层泵(SML pump)的应用
(1)利用“pH-深度”曲线，由海水表层(SL)到海水微表层(SMI，)pH数值大小的变化(即“pH-深度”曲线的扭转方向)，可以判断某一海域海水是大气二氧化碳的“源”或“汇”。当由海水表层(SL)到海水微表层(SML)pH数值变小时，海水是大气二氧化碳的“汇”；而pH数值变大时，则海水是大气二氧化碳的“源”。据此发现：黄海(春季)、南海(春季)、青岛近海(春季、秋季、冬季)是大气CO<,2>的“汇”，而青岛近海夏季和连续站(秋分)则是大气CO<,2>的“源”。同时，通过由实测DIC、Alk、pH计算得到的各海域、季节内PCO<,2>数值，与大气二氧化碳分压(约为370μatm)进行比较来判断海水是大气二氧化碳“源”与“汇”所得到的结果，与上述利用“pH-深度”曲线的扭转方向得到的结果是十分相符的。这是在文献上首次建议使用上述两种方法判断某海域在一定时间尺度内是大气二氧化碳的“源”或“汇”。
(2)利用海水微表层数据(pCO<,2>(SML))计算得到的数值较次表层(pCO<,2> (cssL))和表层(pCO<,2> (sL))能更真实地表征海一气界面的二氧化碳通量，经计算得出：黄海春季作为大气二氧化碳的“汇”，其通量为-6.105 mol·m<'-2>·a<'-1>，如果黄海面积以S<,黄海 >=3.8×10<'11> m<'2>计，其春季以0. 25年计，则其碳通量(以tC计)为-6 .96×10<'6>tC；南海春季也表现为大气二氧化碳的“汇”，其通量为-2．072mol-m<'-2>a<'-1>，如果南海面积以S<,南海>=3．5×10<'2>m<'2>计，其春季以0.25年计，其碳通量(以tC计)为-21.76×10<'6>tC；青岛近海在全年的时间尺度内，表现为大气二氧化碳的“汇”，其二氧化碳通量约为-2.773 mol·m<'-2>·a<'-1>。同时，研究表明：在海水pCO<,2>有限变化的范围内，风速成为Fco<,2>大小的决定因素。
二氧化碳;微表层;碳通量;海水微表层
中国海洋大学
博士
海洋化学
张正斌
2006
中文
P734.45;P734.2
427
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）