溫度升高和紫外光照強度增強對海洋二氧化碳系統(tǒng)的影響：現(xiàn)場調(diào)查和mesocosm實驗.pdf

1、海洋碳循環(huán)在全球碳循環(huán)中起著決定性作用,能調(diào)節(jié)大氣中二氧化碳(CO2)的濃度,因而對全球氣候變化有著重要的影響。海水溫度變化能改變CO2在海水中的溶解度、調(diào)節(jié)CO2體系的平衡,從而直接影響海水中CO2的逸度(fugacityOf CO2,fco2)。海水溫度變化還影響海水中生物活動、改變生物群落的結(jié)構(gòu),間接影響海水中的fco2。紫外光照(ultraviolet B radiation,UVBR,280-320nm)增強影響上層水體中的生

2、物活動、改變生物種群結(jié)構(gòu),水體中的有機物質(zhì)受到紫外光照發(fā)生光降解釋放CO2,故紫外光照的增強對海水中fco2的影響不可忽視。高緯度海域是全球氣候變暖和UVBR強度增強最快的海域,因此是檢測氣候變暖和UVBR增強對海水中CO2體系影響的理想水域。
　　 本研究將探討如下幾個問題:(1)西南極半島近岸水中CO2體系和溶解有機碳(dissolved organic carbon,DOC)的季節(jié)變化及其控制過程;(2)大西洋表層海水CO

3、2體系沿緯度的變化及其控制因素;(3)通過在阿根廷Ushuaia和加拿大Rimouski構(gòu)建的兩次mcsocosm培養(yǎng)實驗,模擬探討氣候變暖和紫外光照增強對兩極高緯度海水中CO2體系的影響。
　　 (1)于2006年調(diào)查了南半球秋季到冬季西南極半島Scholaert海峽上層水體中溶解無機碳(dissolved inorganic carbon,DIC)和DOC的季節(jié)變化。表層DIC濃度變化范圍較小,為2163.3～2194.5μ

4、mol kg-1,DIC濃度從秋季到冬季逐漸增加,從冬季到春季逐漸減小。DOC在上層混合層富集,以底層海水DOC濃度(44 μmol L-1)為背景濃度,該水域在調(diào)查期間上層混合層內(nèi)的DOC濃度相對底層海水過剩7.0～63.6 μmol L-1。DIC平衡模型表明冬季水體中DIC濃度升高的原因主要是礦化作用,雖然春季生物總量相對夏季水華期較低,但是初級生產(chǎn)力仍然是影響DIC變化的主要過程。春季凈生物生產(chǎn)為7.3 mmol Cm-2 d-

5、1,主要分為以下三個組分:上層混合層內(nèi)累積的DOC(3.6 mmol m-2 d-1)、向下遷出的顆粒有機碳(particulate organic carbon,POC,2.9 mmol m-2 d-1)和懸浮在上層混合層內(nèi)的POC(0.8 mmol m-2d-1)。調(diào)查海域冬季表現(xiàn)為大氣CO2的源,平均海.氣通量為0.8 mmol m-2 d-1,在春季則表現(xiàn)為大氣CO2的匯,平均海-氣通量為-2.3～5.3 mmol m-2d-1

6、。曾有文獻報道海冰邊緣帶全年CO2海-氣交換的方向只有從大氣進入海洋,而氣候變暖對上述現(xiàn)象有促進作用。我們的結(jié)果表明對南極近岸或大陸架海域,氣候變暖并不會促使該海域全年只表現(xiàn)為大氣二氧化碳的匯,相反可能會提高該海域冬季進行海.氣交換的可能性,即提高其冬季表現(xiàn)為大氣CO2的源的可能性。
　　 (2)于2006年測定了大西洋表層DIC、pH、營養(yǎng)鹽、葉綠素a和細菌豐度在南北兩半球沿緯度的變化,計算了fco2,并進行了CO2源匯分析。

7、航次所經(jīng)開闊大洋均為寡營養(yǎng)鹽海域,硝酸鹽(DIN)和磷酸鹽(DIP)的比幾乎都小于10,其生物生長受限于DIN,且表層受限最為嚴重。表層海水DIC濃度沿緯度變化明顯,DIC表層最高濃度(2104.6 μmol kg-1)在南大西洋熱帶海域檢測到,在生物活動活躍的阿根廷大陸架檢測到最低表層DIC濃度(1914.3 μmolkg-1)。表層DIC濃度與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系(R=0.79),沒有發(fā)現(xiàn)DIC與表層海水溫度和葉綠素濃度之間有明顯的相關(guān)

8、關(guān)系。DIC濃度隨深度增加而增加.北大西洋垂直變化較顯著,南大西洋和赤道上升流海域DIC垂直變化比較平緩。表層水和底層水的DIC差(△DIC)和鹽度差(△Salinity)的變化趨勢幾乎一致.即在該寡營養(yǎng)海域,控制表層DIC濃度分布的主要因素是上層水體結(jié)構(gòu)的變化等物理因素。Fco2計算結(jié)果表明在調(diào)查期間除赤道上升流海域和南北大西洋熱帶海域為大氣CO2的源以外,其他海域大多表現(xiàn)為大氣CO2的匯。結(jié)果表明在溫暖、寡營養(yǎng)鹽海域,影響表層海水f

9、co2的主要因素是表層海水溫度和CO2的海.氣交換;而在較冷、營養(yǎng)鹽豐富的大陸架和大陸坡,生物過程的影響則較為顯著。海水中CO2飽和度的區(qū)域變化表明氣候變暖可能會使寡營養(yǎng)鹽海域進一步擴大,從而降低開闊大洋吸收大氣CO2的能力。
　　 (3)分別在2008年2月和8月在阿根廷的Ushuaia和加拿大的Rimouski構(gòu)建了mesocosm培養(yǎng)實驗,以模擬調(diào)查海水溫度升高和紫外光照強度增強對近極地近岸水中CO2體系的影響。實驗用水為

10、當?shù)亟端?。對每個mesocosm培養(yǎng)實驗,均采用以下四個不同的培養(yǎng)條件(treatment):①當?shù)刈匀粶囟?自然紫外光照,標記為NT+NUVB;②用紫外燈增強紫外光照使其強度相當于同溫層臭氧濃度減少60％時到達地面的紫外光強,標記為+UVB;③海水樣品溫度比自然溫度高大約3℃,標記為+T;④光照強度相當于同溫層臭氧濃度減少60％時到達地面的紫外光強,海水樣品溫度比自然溫度高大約3℃,標記為+UVB+T。每個培養(yǎng)條件均在兩個相同200

11、0 L的實驗桶中進行,以檢測其結(jié)果的重現(xiàn)性。實驗過程中,每個實驗桶中的海水都被持續(xù)攪拌以保證充分混合。因為2月Ushuaia灣海水中營養(yǎng)鹽濃度較低,故在每個實驗桶中都加入一定量的無機營養(yǎng)鹽來促使浮游生物水華。每個mesocosm培養(yǎng)實驗都進行了10天,每天都對各實驗桶中的DIC、pH、葉綠素a、細菌豐度和營養(yǎng)鹽進行測定。Fco2則通過DIC和pH計算。
　　 在Ushuaia培養(yǎng)實驗中,DIC、pH和fco2在四個treatme

12、nt中的變化趨勢相似,DIC濃度在水華前一天和后一天均以較快的速率增長,水華期間DIC濃度呈緩慢降低的趨勢,表明水華期間DIC濃度變化受光合作用和呼吸作用共同控制。pH在水華前和水華期間逐漸上升,水華后變化趨勢平緩。Fco2的變化與pH的變化呈鏡像關(guān)系。只在水華后檢測到四個treatment間DIC濃度的顯著差異,+UVB+T、+T和+UVB中DIC濃度都高于NT+NUVB的,四個treatment中DIC濃度排序如下:+UVB+T＞+

13、T＞+UVB＞NT+NUVB。整個培養(yǎng)實驗過程中,兩個高溫treatment中的。Fco2始終高于兩個自然溫度treatment中的fco2。但是沒有檢測到+UVB+T和+T中的fco2有顯著差別。對兩個自然溫度treatment,水華后檢測到+UVB中的fco2略高于NT+NUVB的。本研究結(jié)果表明對近南極近岸水,氣候變暖對其水體中CO2體系有著顯著的影響,會降低海水吸收大氣中CO2的能力;相反的,沒有證據(jù)表明紫外光照增強對海水吸收大

14、氣CO2的能力有明顯的影響。
　　 在Rimouski培養(yǎng)實驗中,四個treatment中DIC、pH和fco2變化趨勢一致,即整個培養(yǎng)實驗過程中DIC和fco2呈降低趨勢而pH呈上升趨勢,在水華期間上述三個參數(shù)的變化速率較大。水華期和整個培養(yǎng)實驗期間DIC消耗速率在四個treatment間的排序是一致的,即最大DIC消耗速率在+T中檢測到,然后依次是NT+NUVB、+UVB+T和UVB。水華期間,fco2消耗速率在四個trea

15、tment間的排序與DIC的消耗速率排序一致。然而對整個培養(yǎng)實驗來說,fco2消耗速率在四個treatment聞的排序變?yōu)?NT+NUVB(2.16 μatm h-1)＞+T(1.94 μatmh-1)＞+UVB(1.92 μatm h-1)＞+UVB+T(1.83 μatm h-1)。水溫升高一方面會直接導(dǎo)致fco2升高,另一方面會加劇生物對DIC的消耗,從而使fco2降低。而NT+NUVB的fco2消耗速率高于+T的,這一結(jié)果表明在