南海北部颗粒有机碳输出通量、季节变化及其调控过程

摘要

基于234Th/238U不平衡法，本论文主要研究南海北部颗粒有机碳(POC)输出通量及其季节变化。南海为陆架边缘海，物理-生物地球化学过程的时空变化剧烈，需要高时空分辨率的234Th分布来估算POC输出通量，本研究采用改进的小体积二氧化锰测定234Th的方法，所需的海水体积由传统方法的20 L缩减至2—4 L，前处理流程亦大大简化，籍此我们进行了南海北部春、夏、秋、冬四个季节(2004-2005年)高空间分辨率的234Th调查，并参考了南海南部春季的结果。本论文亦分析了南海北部四个季节(2000-2004年)的POC分布特征。 本研究首先评估234Th示踪颗粒输出通量的方法，这包括不同采样方法(CTD瓶采与大体积泵采)对POC和颗粒态234Th结果的影响、POC/234Th随颗粒物粒径变化的主要原因。比较CTD瓶采与大体积泵采得到的POC，发现过滤过程中溶解有机碳(DOC)的吸附会引起瓶采POC高于泵采结果，溶解态234Th的吸附同样会造成瓶采颗粒态234Th高于泵采结果，而通过增大采样体积可减少吸附效应。大体积泵收集的分粒径颗粒物样品(1—10μm，10—53μm，＞53μm)的结果显示，POC/234Th随粒径的变化出现多种变化趋势，并无规律可循。比较三个粒径的POC/234Th和POC/228Th比值，发现POC的优先矿化和234Th衰变的共同作用是引起POC/234Th比值随粒径出现多变趋势的主要原因。 南海北部234Th垂向分布的季节变化明显。冬季234Th在表层出现明显亏损，其活度随深度增加而增加，在真光层底部与238U趋近平衡；其它三个季节则多为层化结构，即表层与真光层底部234Th与238U处于或者接近平衡，次表层出现不平衡程度极大值，表现出寡营养盐海区的特征。水平方向上，234Th活度从陆架向海盆出现增加趋势，不平衡程度减弱，即颗粒物清除程度随离岸距离增加而减小。 通过分析2000-2004年南海北部陆架区的POC分布，发现POC浓度随离岸距离增加而减少，在近岸，POC受到珠江冲淡水的影响。在依据盐度判定的冲淡水影响范围(离岸50 km)内，POC浓度的季节变化与珠江径流量季节变化一致，即夏季＞春季、秋季＞冬季。南海POC的垂直分布呈现表层高，底层低的一般规律，但陆架区部分站位出现底部浓度剧增的现象，主要与底部再悬浮有关。而在陆坡区，POC浓度在200 m与400—500 m附近出现明显增加，可能与南海颗粒物的沿陆坡搬运或水平运移有关。 本研究采用了三维模型估算234Th输出通量。结果表明垂直输送过程对234Th通量的影响可以忽略不计；在大部分站位，水平输送过程的影响仅占234Th通量的10％以内，但在一些特殊物理水文条件下，如锋面，水平过程的影响可达30—40％。因此在陆架边缘海应用234Th/238U不平衡法估算POC输出通量，进行高时空分辨率的234Th采样是非常有必要的。需要说明的是，由于船时及调查条件的限制，本论文采用悬浮颗粒物上的POC/234Th比值计算POC输出通量，相当于POC输出通量的上限值。在2004-2005年四个季节调查期间，南海北部陆架区POC输出通量季节变化不明显，变化范围为8.0—11.3 mmol C m-2 d-1。陆坡及海盆区POC输出通量则季节变化明显，冬季表现为高输出特征，输出通量平均为9.0±6.4 mmol C m-2d-1，其余三个季节POC输出通量在3—5 mmol Cm-2d-1之间变化；POC输出通量的季节变化与由季风驱动的初级生产力季节变化一致，同时也与浮游植物群落结构季节变化(冬季以微型浮游植物为主，其余季节以微微型浮游植物为主)相对应，三者的耦合表明季风是驱动南海北部POC输出通量季节变化的主要原因，即在冬季混合作用加强使得下层营养盐进入上层海洋，促进初级生产力增加和浮游植物群落结构改变，进而增加POC输出通量。 南海北部的ThE(234Th法得到的POC输出通量/初级生产力比值)在4—68％之间变化，大部分落在10—50％之间，平均为24％，其生物泵效率高于寡营养盐海区(＜10％)。简化的箱式模型计算结果显示，春季南海北部DOC向下扩散通量平均为0.91 mmolC m-2d-1，占POC输出通量的～30％，如果仅考虑POC输出通量，南海生物泵效率可能被低估。 综合分析南海与其它不同纬度陆架边缘海的生物泵效率(ThE)，发现ThE均出现显著季节变化，高输出通量季节的ThE是其他季节的2—3倍。若ThE的季节变化为陆架边缘海基本特征，假设高输出通量季节的ThE是其他季节的3倍，则全球陆架边缘海的POC输出通量约占到全球海洋输出通量的～30％。因此，在全球输出通量估算中不能忽略陆架边缘海的贡献，而且进行陆架边缘海的输出通量研究时必须考虑其季节性交化，若仅以单一季节的POC输出通量外推全年的输出通量，可能低估陆架边缘海的贡献。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1颗粒有机碳输出通量研究概况

1.1.1 估算颗粒有机碳输出通量的主要方法及其比较

1.1.2 全球海洋颗粒有机碳输出通量研究背景

1.1.3 陆架边缘海颗粒有机碳输出通量估算的不确定性

1.2研究内容和目标

1.3论文框架

第二章研究区域与方法

2.1研究区域概况

2.1.1 南海海域气候与水文概况

2.1.2 南海水团

2.1.3 河流对南海陆架区的影响

2.2采样与基础数据

2.2.1 采样站位设置

2.2.2 基本理化参数观测

2.2.3 生物参数观测

2.3颗粒有机碳和234Th的测定及质控

2.3.1小体积二氧化锰共沉淀法测234Th的改进

2.3.2 234Th活度的测定与质控

2.3.3 颗粒有机碳的测定与质控

2.3.4 采样装置及过滤体积对颗粒有机碳/颗粒态234Th结果的影响

2.3.5 颗粒有机碳与颗粒态234Th的同膜测定

第三章南海POC和234Th的分布

3.1 航次调查期间水文要素特征

3.2南海北部234Th的分布特征

3.2.1 南海北部总234Th和颗粒态234Th的垂直分布

3.2.2 南海北部总234Th和颗粒态234Th的断面分布

3.2.3 南海北部总234Th和颗粒态234Th的水平分布

3.3南海北部POC的分布特征

3.3.1 南海北部POC的垂直分布

3.3.2 南海北部POC的断面分布

3.3.3 南海北部POC与叶绿素关系

3.4南海234Th的清除及停留时间

第四章POC/234Th的变化及其机制

4.1南海北部POC/234Th的时空变化

4.2 POC/234Th比值与POC输出通量的估算

4.3 POC/234Th随粒径的变化及其控制机制

第五章南海北部POC输出通量

5.1南海北部234Th输出通量的估算

5.1.1 234Th输出通量估算及假设

5.1.2 南海北部234Th输出通量

5.2 POC输出通量的时空变化及其调控机制

5.2.1 南海北部POC输出通量的时空分布

5.2.2 南海北部POC输出通量的季节变化及调控机制

5.3生物群落结构对POC输出通量的影响

5.4南海POC输出通量与碳循环

5.5南海碳收支初步估算

第六章结论

6.1本论文总结

6.2尚未解决的科学问题及工作展望

参考文献

致谢

附：参加会议论文、报告以及发表的论文