近岸生态系统无机碳代谢及其对海洋酸化的响应初探

摘要

海洋生物对碳循环的调控途径主要包括碳酸盐泵（碳酸钙生产/溶解作用）和有机质泵（光合/呼吸作用）过程。其中，有机质泵的净效应会将表层海洋的二氧化碳(CO2)以有机碳形式固定至深层海洋，净的碳酸钙(CaCO3)生产会增加海水中的CO2。与此同时，随着大气中人为CO2的不断增加，海水pH降低，会使碳酸钙饱和度(Ω)下降，从而对海洋生物的生理活动尤其是钙化生物乃至整个海洋生态系统有深远影响。本论文以无机碳代谢过程为核心内容，开展沿岸上升流的自然酸化过程和中尺度围隔生态系统的溶解态钙离子(Ca2+)和碳酸盐系统的研究，探讨CaCO3的生产/溶解这样的无机碳代谢过程，评价近岸生态系统碳代谢活动对酸化的响应，为预测未来环境变化对河口及近岸环境碳循环的影响提供科学基础。
　　本研究首先发展了高精度测定颗粒态CaCO3的方法。该方法总体上基于Ca2+的EGTA(乙二醇-双-(2-氨基乙醚)四乙酸）的高精度滴定法。测定流程主要包括颗粒态无机碳(PIC，主要成分是CaCO3)加酸溶解，EGTA滴定法检测淋洗液中的Ca2+含量，进而确定颗粒态CaCO3的含量。与基于差减法获得颗粒态无机碳含量的分析手段相比，该方法具有较低的检测限(0.10μmol)、较高的精密度(4％)，而且该法所需的海水体积较小。因而，该方法具有良好的应用前景。
　　2013年6月15日至2013年6月29日，我们在厦门五缘湾(富营养化水体，低pH)开展了为期15 d的中尺度围隔实验。接种到围隔进行培养的颗石藻和硅藻经过一星期的生长阶段后发生了以硅藻为主的藻华，而后进入藻华的衰退阶段。培养期间，围隔生态系统的净钙化速率为1.45±0.21μmol·kg-1·d-1，颗粒态有机碳(POC)生产速率为13.4±8.9μmol· L-1·d-1，溶解态有机碳(DOC)生产速率为21.9±9.7μmol·L-1·d-1，PIC/POC比值为0.17±0.13。通过对比不同围隔在不同培养期的无机碳代谢过程的差异可知，在藻华前期的生长阶段，低pH条件下单位颗石藻细胞的钙化速率下降了29％;在藻华爆发阶段，净钙化速率增加约2倍;在藻华衰退阶段，POC矿化速率越快，CaCO3溶解速率也越快。
　　2013年8月30日至2013年9月2日依托国家自然基金委南海西部开放航次，我们在有岸礁和礁斑的海南岛东北部观测到沿岸上升流过程。沿岸上升流水体呈现出高Ca2+和低Ωarag特征。根据碳酸盐系统等相关参数，我们估算出该生态系统中无机碳代谢是有机碳代谢的1/5，高于南海海盆观测的结果(无机碳代谢是有机碳代谢的1/14)(Cao et al.，2009)，表明近岸生态系统无机碳代谢的显著作用。Ca+表现出非保守行为:在上升流站位的表层及底层爬升水体表现为Ca+的去除过程，特别是在上升流水团中生物的钙化速率为1.75±0.75μmol·kgl·d-1，而底层水体中CaCO3钙化速率为3.0±1.8μmol·kg-1·d-1。在表层，水体上升流将大量浮游植物所需的营养盐带入真光层，促进浮游植物增长，因而使得钙化速率增大。而在次表层表现为Ca2+的添加过程，特别在受冲淡水影响区域的次表层。其CaCO3的溶解速率为2.25±1.88μmol·kg-1·d-1。
　　以上的研究表明，河口区和近岸上升流区中的无机碳代谢是存在明显的差异。但总体而言，其中的有机碳代谢过程均是主导化的。然而，与寡营养盐的海盆相比，这些近岸生态系统的无机碳代谢占主导地位。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 海洋碳酸钙研究概况

1．1．1 海洋生物泵

1．1．2 海洋碳酸钙循环

1．1．3 碳酸钙的生产与溶解过程

1．1．4 碳酸钙循环研究手段

1．2 近岸生态系统碳酸钙循环概况

1．2．1 近岸区域海洋酸化

1．2．2 近岸生态系统碳酸钙循环研究现状

1．3 科学问题及研究内容和目标

1．4 论文框架

第二章 实验材料与方法

2．1 中尺度围隔实验概况

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．1．3 样品采集

2．2 研究区域概况

2．2．1 地形概况

2．2．2 琼东上升流概况

2．2．3 样品采集

2．3 钙离子分析方法

2．3．1 锶元素的干扰分析

2．3．2 测定步骤及数据质控

2．4 其他参数测定

2．4．1 碳酸盐系统

2．4．2 营养盐

2．4．3 有机碳氮测定

第三章 基于EGTA电位滴定Ca2+的颗粒态碳酸钙测定方法

3．1 实验材料

3．2 实验步骤

3．3 方法检测限计算

3．4 方法的评估

3．4．1 淋洗液中溶解态钙离子的测定

3．4．2 回收率及精密度

3．5 方法的应用

3．5．1 标准加入法

3．5．2 方法之间的比较

3．6 小结

第四章 中尺度围隔生态系统无机碳代谢分析

4．1 中尺度围隔实验设置

4．1．1 温度和盐度变化

4．1．2 pCO2变化情况

4．2 数据处理

4．2．1 净钙化速率和溶解速率计算

4．2．2 根据TAlk变化计算的PIC

4．3 中尺度围隔实验结果

4．3．1 碳酸盐系统相关参数变化

4．3．2 有机碳代谢相关参数变化

4．4 培养期间的碳代谢过程

4．4．1 藻华爆发前期(Day 1-6)

4．4．2 藻华期间(Day 6-10)

4．4．3 藻华衰退阶段(Day 10-14)

4．5 无机碳代谢过程

4．5．1 生物钙化作用

4．5．2 碳酸钙的溶解作用

4．6 小结

第五章 琼东上升流系统无机碳代谢

5．1 上升流信号

5．1．1 海面高度异常情况

5．1．2 水文状况

5．2 数据处理

5．2．1 区域盐度归一化计算

5．2．2 Ca2+生物变化量计算

5．2．3 有机碳代谢引起的TAlk变化计算

5．2．4 无机碳与有机碳代谢吸收DIC摩尔比计算方法

5．2．5 碳酸钙饱和度计算

5．3 Ca2+分布特征

5．3．1 表层分布

5．3．2 断面分布

5．4 Ca2+非保守行为

5．4．1 生物钙化信号

5．4．2 次表层碳酸钙溶解信号

5．5 无机碳和有机碳代谢过程

5．5．1 钙化速率比较

5．5．2 溶解速率比较

5．5．3 无机碳代谢与有机碳代谢比例的比较

5．6 小结

第六章 结论和展望

6．1 本论文总结

6．2 尚未解决的科学问题和工作展望

参考文献

已发表及准备投稿的论文

会议报告

参与课题

参加航次

致谢