碳循环的研究意义

海洋碳循环

1、碳循环的研究意义

IPCC（2000年）报告表明，自从工业革命前以来的近200年内(1750～1998年)，大约有406±60 GtC，以CO2的形式排放进入大气,其中，以化石燃料燃烧和水泥生产导致的CO2排放约为270±30GtC ,占总排放量的33 %。在此期间，大约占总排放量43 %的CO2滞留在大气中，其余则被海洋和陆地生态系统吸收。其结果是,大气中CO2浓度从1950年的280±5ppmv上升至1998年的365 ppmv，即200年内上升了85ppmv，约30 %，目前的CO2浓度增加量约1.5ppmv/a，年增加率大约为0.4%。由此造成的辐射强度约为1.46 W/ m2。

温室气体的增加是全球变暖的主要原因。定量地研究大气中CO2、CH4及N2O 等痕量气体的含量，有助于我们预测其未来的变化趋势及气候变化。

“碳失汇”问题：“未知汇”是指矿物燃烧与毁林等释放的CO2超过同期地球大气CO2的增量及海洋吸收量的现象[1]。根据模型估计，20世纪80年代以来人类每年向大气排放的CO2约7GtC，其中约3.2GtC留存在大气中，2GtC由海洋吸收，剩余1.8GtC到目前仍不能确定其汇，但对这一数值的计算仍存在较大争议，无论是利用样点测定并外推计算或模型估算都存在较大的误差。Tans等研究认为海洋对未知碳汇的贡献十分有限，但许多资料表明碳库正在由陆地生物圈向海洋迁移，如Free man等[2]观测到在过去12年中英国的斜坡水中的DOC增加了65％，且这一速率与温度的升高呈正相关关系，加之随河流注入海洋的DOC的贡献以及海洋碳汇高达40％的估算误差，因此有观点认为有近l/3的“碳失汇”可能存在于海洋中或是与海洋有关。但准确揭示“碳失汇”还有待其存在机理研究的深入和定量化研究的开展。

2、碳循环的相关研究

到目前为止，我们已经在全球范围内的碳循环的研究方面已经取得了不少进展，但对于较大尺度范围内的碳循环机制仍有不少问题等待解决。

Keeling等通过研究完善了海洋p(CO2)的分布图，其研究认为，海洋碳的吸收和释放有明显的纬度特征，即赤道海域(10°N～10°S)为大气CO2的主要源区，仅赤道太平洋的C释放量就有1.0 Gt/年，占海洋释放总量的60 %；而北大西洋和南大洋则为大气的主要汇区，南大洋主要是指53°S以南到南极附近海域，吸引的CO2约为1. 2 GtC/年，占海洋吸收净通量35 %；40°N以北的北大西洋和挪威格陵兰海域也是CO2的强汇区；北太平洋则呈季节特征，冬季为强汇，夏季为弱源，就整体而言，仍为大气CO2的净汇区[3]。Keeling的计算还认为，15°S～50°S的吸收值为1.1 GtC/年，而50°S以南海域则为吸收与释放平衡，主要汇区在15°N以北地区达2. 3 GtC/年。Thomas等通过对一些典型陆架区的研究推算得到全球海岸陆架区为净汇0.4 GtC/年[4]。Sharp等的估算表明，赤道太平洋域的DOC值，近表面水约为60～70μmol/ LC，深水值为35～40μmol/ LC；赤道大西洋DOC浓度，在400 m以下基本稳定为(46±7)μmol/ LC，暖季赤道上升流的外部浓度高，表层高达

97μmol/ LC，冷季上升流水中的值则略低，平均约为66μmol/LC[5-6]。Ogrinc等在

使用稳定的碳同位素测定近岸海洋沉积物中有机碳再矿化的研究中显示，DIC海底通量主要源于沉积有机物的降解，夏季当硫化物为强硫酸时，碳酸盐溶解对DIC海底通量的贡献也是很重要的，约占总量的1/4，依据DIC通量和OC埋藏通量所估计的再循环效率大于90 %[7]。

国内，浦一芬等通过研究大气和海洋之间的碳交换、光合作用和有机物氧化分解、碳酸钙的产生和溶解、悬浮颗粒物的下沉等过程建立了二维碳循环模式。浦一芬等将此碳循环模式应用到印度洋，模拟结果显示，南印度洋中维度地区10～30°S是C14的重要向下渗透区，并指出CO2可通过这片渗透区从海洋的表层进入海洋的深层[8-9]。刑如楠通过研究生物泵过程和江河流入而增加的碳建立了三维全球海洋碳循环模式[10]。

气候变化能影响海洋碳循环，同时海洋碳循环对气候具有反馈作用。很多研究者，将碳储库与海洋碳循环结合研究，分析两者之间的联系。Keeling等分析了夏威夷观测站的大气二氧化碳观测资料, 指出大气中二氧化碳浓度存在明显

的自然波动，热带海洋上海-气碳通量的年际变化对其有重要影响。赤道附近表层海水中p(CO2)较高，主要由两方面原因造成[11]，即富含CO2和营养盐的深层海水的上涌、以及从深层冷水到表层暖水的升温。近年来，科学家发现厄尔尼诺现象对赤道太平洋CO2的源区有重要的影响。在厄尔尼诺爆发初期，赤道太平洋中部p(CO2)比正常年份偏低，接近于大气p(CO2)值，往后又逐渐恢复正常。对于短期气候的异常变化，如厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)，碳循环也有很好的响应。很多科学家对此进行了大量的研究。Bacastow首先指出了大气二氧化碳与厄尔尼诺-南方涛动的相关关系，即厄尔尼诺事件发生时，大气二氧化碳浓度在4个选定区域增加；拉尼娜事件发生时, 情况恰好相反。海洋碳循环对ENSO的响应大约为±0.15～1ppmv。有研究指出赤道太平洋海气碳通量由于受到ENSO的影响，存在着年际以及年代际变化。Jones等用一个耦合的气候—碳循环模式同样研究了碳循环对ENSO的响应。在海表面温度高于28 ℃的暖池区，海水对大气CO2的吸收能力较强，也会引起振幅较大的大气变化，从而影响长期气候变化。

蔡卫君等考虑到海岸区海气交换的纬度差异对采用典型区域外推得到全球状况的做法表示怀疑。另外，海洋碳循环不仅存在季节差异、区域差异，同时也存在年际差异，受到气候等其他因素的影响。现在，各种估计方法尚不成熟，不同方法所得结果差异大，确切的数据和对未来趋势的估计还有很大的争议。

3、海洋碳循环过程

海洋碳循环可以分为三个方面。一方面是“碳酸盐泵”，就是大气中的CO2气体被海洋吸收，并在海洋中以碳酸盐的形式存在；第二方面是“物理泵”，即混合层发展过程和陆架上升流输入，它与海洋环流密切相关；第三方面是“生物泵”，即生物净固碳输出，它是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作用速率，也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移，在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。虽然海洋中的生物只有陆地生物生产率的30%～40%，但是它们有很高的循环速度。浮游植物由于生活在上层海洋，能