海水中一氧化碳的分布、通量、光生产和微生物消耗的研究

摘要

一氧化碳(CO)对大气化学有重要作用,可间接加剧温室效应。近岸、河口和海湾海域,面积虽然较小,但对大气中CO的贡献较大。开展典型的近岸、海湾和河口水域中CO的生物地球化学研究,对准确估算全球水域对大气CO的贡献和全球碳循环具有重要意义。
　　 本文以中国近海有代表性的陆架和近岸海区一渤海、黄海和胶州湾为研究海区,对这一海域中溶解CO的浓度分布及其时空变化、海-气通量、微生物消耗以及光化学生成进行了较为系统的研究,同时对胶州湾中CO的光致生成影响因素进行了考察。本论文的主要研究结果如下:
　　 (1)于2010年4-5月,在黄海与渤海对表层海水中CO的浓度分布、海一气通量、光生产和微生物消耗进行了研究。用顶空分析法测得表层海水中CO的浓度([CO]surf)为1.24±0.79 nmol L-1；[CO]surf的总体分布趋势呈现出近岸高、远海低的趋势。CO的浓度按取样和测试时间以小时为单位分割求平均值,该平均浓度表现出周日变化的特征,中午最高,凌晨最低,最大值约为最小值的10倍。调查期间黄、渤海表层海水均处于过饱和状态,CO的过饱和系数为3.61±2.99,表明黄、渤海海水是大气CO的净源。CO的海-气通量采用Wanninkhof公式(W92)计算,平均通量为2.13±2.91μmol m-2d-1,由此估算黄、渤海春季向大气输入CO-C的量为1.10 Gg(1G=109)。黄、渤海各调查站位中CO的微生物消耗为一级反应,表层海水中的κbio具有明显的空间分布:近岸高,远海低。κbio平均值为0.29 h-1。渤海和黄海表层海水中CO的微生物消耗速率与Chl-a浓度和盐度之间均有一定的线性关系。运用SMARTS2模型计算得到整个调查区域的春季光致生成速率为54.60μmol m-2 d-1,光致生成CO-C的量为26.95 G g。
　　 (2)分别于2010年3、5-11月和2011年1月共9个月期间,对胶州湾表层海水和上方大气CO的浓度分布、海-气通量和光化学生产进行了研究。CO的浓度呈现明显的季节变化,呈现出夏季>春季>秋季>冬季,平均浓度分别为4.69、3.19、1.90和0.98 nmol L-1。各月份胶州湾表层海水中的CO除了2011年1月部分调查区域外,其他月份各调查站位全部呈过饱和状态,且变化趋势与[CO]surf变化相同,上述4个季节CO的过饱和系数平均值分别为12.34、8.02、4.14和1.23,可见胶州湾海水中是大气中CO的净源。按W92公式计算了海-气通量,其季节变化趋势同[CO]surf季节变化一致,夏季、春季、秋季和冬季的平均海-气通量分别为18.80、15.08、5.67和0.83μmol m-2 d-1。CO浓度的水平分布表现出北高南低,东高西低的趋势。根据不同季节的调查结果,初步估算出胶州湾海水表层CO的全年平均海-气通量为10.10μmol m-2d-1,年释放量为0.02 Gg CO-C a-1。由Matlab程序计算得出胶州湾海水中CO年平均光致生成速率为71.01μmol m-2d-1,光致生成量约为0.13 Gg CO-C a-1,由此计算全年胶州湾DOC年平均光矿化速率为23.8 mgC m-2 d-1,占初级生产力的6.5％。
　　 (3)分别在2009-2010年春季、夏季、秋季和冬季四个不同季节对胶州湾海泊河、李村河、白沙河、墨水河、大沽河、漕汶河、洋河河口表层水中CO的浓度分布、海-气通量和光化学生产进行了研究。[CO]surf有明显的季节变化,表现为夏季>春季>秋季>冬季,平均值分别为9.91±3.11、7.55±3.30、4.40±1.35和2.98±2.08nmol L-1。河口区表层CO的浓度全年中均呈饱和状态,胶州湾河口水是大气中CO的净源。季节变化与[CO]surf变化相同,平均饱和度分别为35.71±13.79、15.21±7.89、7.59±3.08和6.09±3.35。采用W92公式计算的海-气通量于春夏秋冬不同季节分别为47.02±19.21、54.00±16.73、14.79±5.93和10.21±6.86μmol m-2d-1。通过计算得出海泊河、李村河、白沙河、墨水河、大沽河、和漕汶河全年平均海-气通量为31.51±mol m-2 d-1,向大气输入NCO-C的量为0.88 Gg。应用SMARTS2模型可以计算出海泊河、李村河、白沙河、墨水河、大沽河、和漕汶河年平均光致生成速率为118.90μmol m-2 d-1,光致生成CO-C的量2.18 Gg。此外,对胶州湾及河口海水中CO的光致生成速率的影响因素进行了研究,结果表明海水中CO的光致生成速率随光照强度的增强而增大,随着海水温度的升高而增大,随海水pH增大而增大；随海水盐度的增大而逐渐减小,CO的平均光致生成速率随CDOM光脱色时间的延长而降低。