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海洋碳循环在全球碳循环中起着决定性作用,能调节大气中二氧化碳(CO2)的浓度,因而对全球气候变化有着重要的影响。海水温度变化能改变CO2在海水中的溶解度、调节CO2体系的平衡,从而直接影响海水中CO2的逸度(fugacityOf CO2,fco2)。海水温度变化还影响海水中生物活动、改变生物群落的结构,间接影响海水中的fco2。紫外光照(ultraviolet B radiation,UVBR,280-320nm)增强影响上层水体中的生物活动、改变生物种群结构,水体中的有机物质受到紫外光照发生光降解释放CO2,故紫外光照的增强对海水中fco2的影响不可忽视。高纬度海域是全球气候变暖和UVBR强度增强最快的海域,因此是检测气候变暖和UVBR增强对海水中CO2体系影响的理想水域。
本研究将探讨如下几个问题:(1)西南极半岛近岸水中CO2体系和溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)的季节变化及其控制过程;(2)大西洋表层海水CO2体系沿纬度的变化及其控制因素;(3)通过在阿根廷Ushuaia和加拿大Rimouski构建的两次mcsocosm培养实验,模拟探讨气候变暖和紫外光照增强对两极高纬度海水中CO2体系的影响。
(1)于2006年调查了南半球秋季到冬季西南极半岛Scholaert海峡上层水体中溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)和DOC的季节变化。表层DIC浓度变化范围较小,为2163.3～2194.5μmol kg-1,DIC浓度从秋季到冬季逐渐增加,从冬季到春季逐渐减小。DOC在上层混合层富集,以底层海水DOC浓度(44 μmol L-1)为背景浓度,该水域在调查期间上层混合层内的DOC浓度相对底层海水过剩7.0～63.6 μmol L-1。DIC平衡模型表明冬季水体中DIC浓度升高的原因主要是矿化作用,虽然春季生物总量相对夏季水华期较低,但是初级生产力仍然是影响DIC变化的主要过程。春季净生物生产为7.3 mmol Cm-2 d-1,主要分为以下三个组分:上层混合层内累积的DOC(3.6 mmol m-2 d-1)、向下迁出的颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC,2.9 mmol m-2 d-1)和悬浮在上层混合层内的POC(0.8 mmol m-2d-1)。调查海域冬季表现为大气CO2的源,平均海.气通量为0.8 mmol m-2 d-1,在春季则表现为大气CO2的汇,平均海-气通量为-2.3～5.3 mmol m-2d-1。曾有文献报道海冰边缘带全年CO2海-气交换的方向只有从大气进入海洋,而气候变暖对上述现象有促进作用。我们的结果表明对南极近岸或大陆架海域,气候变暖并不会促使该海域全年只表现为大气二氧化碳的汇,相反可能会提高该海域冬季进行海.气交换的可能性,即提高其冬季表现为大气CO2的源的可能性。
(2)于2006年测定了大西洋表层DIC、pH、营养盐、叶绿素a和细菌丰度在南北两半球沿纬度的变化,计算了fco2,并进行了CO2源汇分析。航次所经开阔大洋均为寡营养盐海域,硝酸盐(DIN)和磷酸盐(DIP)的比几乎都小于10,其生物生长受限于DIN,且表层受限最为严重。表层海水DIC浓度沿纬度变化明显,DIC表层最高浓度(2104.6 μmol kg-1)在南大西洋热带海域检测到,在生物活动活跃的阿根廷大陆架检测到最低表层DIC浓度(1914.3 μmolkg-1)。表层DIC浓度与盐度呈正相关关系(R=0.79),没有发现DIC与表层海水温度和叶绿素浓度之间有明显的相关关系。DIC浓度随深度增加而增加.北大西洋垂直变化较显著,南大西洋和赤道上升流海域DIC垂直变化比较平缓。表层水和底层水的DIC差(△DIC)和盐度差(△Salinity)的变化趋势几乎一致.即在该寡营养海域,控制表层DIC浓度分布的主要因素是上层水体结构的变化等物理因素。Fco2计算结果表明在调查期间除赤道上升流海域和南北大西洋热带海域为大气CO2的源以外,其他海域大多表现为大气CO2的汇。结果表明在温暖、寡营养盐海域,影响表层海水fco2的主要因素是表层海水温度和CO2的海.气交换;而在较冷、营养盐丰富的大陆架和大陆坡,生物过程的影响则较为显著。海水中CO2饱和度的区域变化表明气候变暖可能会使寡营养盐海域进一步扩大,从而降低开阔大洋吸收大气CO2的能力。
(3)分别在2008年2月和8月在阿根廷的Ushuaia和加拿大的Rimouski构建了mesocosm培养实验,以模拟调查海水温度升高和紫外光照强度增强对近极地近岸水中CO2体系的影响。实验用水为当地近岸水。对每个mesocosm培养实验,均采用以下四个不同的培养条件(treatment):①当地自然温度+自然紫外光照,标记为NT+NUVB;②用紫外灯增强紫外光照使其强度相当于同温层臭氧浓度减少60％时到达地面的紫外光强,标记为+UVB;③海水样品温度比自然温度高大约3℃,标记为+T;④光照强度相当于同温层臭氧浓度减少60％时到达地面的紫外光强,海水样品温度比自然温度高大约3℃,标记为+UVB+T。每个培养条件均在两个相同2000 L的实验桶中进行,以检测其结果的重现性。实验过程中,每个实验桶中的海水都被持续搅拌以保证充分混合。因为2月Ushuaia湾海水中营养盐浓度较低,故在每个实验桶中都加入一定量的无机营养盐来促使浮游生物水华。每个mesocosm培养实验都进行了10天,每天都对各实验桶中的DIC、pH、叶绿素a、细菌丰度和营养盐进行测定。Fco2则通过DIC和pH计算。
在Ushuaia培养实验中,DIC、pH和fco2在四个treatment中的变化趋势相似,DIC浓度在水华前一天和后一天均以较快的速率增长,水华期间DIC浓度呈缓慢降低的趋势,表明水华期间DIC浓度变化受光合作用和呼吸作用共同控制。pH在水华前和水华期间逐渐上升,水华后变化趋势平缓。Fco2的变化与pH的变化呈镜像关系。只在水华后检测到四个treatment间DIC浓度的显著差异,+UVB+T、+T和+UVB中DIC浓度都高于NT+NUVB的,四个treatment中DIC浓度排序如下:+UVB+T＞+T＞+UVB＞NT+NUVB。整个培养实验过程中,两个高温treatment中的。Fco2始终高于两个自然温度treatment中的fco2。但是没有检测到+UVB+T和+T中的fco2有显著差别。对两个自然温度treatment,水华后检测到+UVB中的fco2略高于NT+NUVB的。本研究结果表明对近南极近岸水,气候变暖对其水体中CO2体系有着显著的影响,会降低海水吸收大气中CO2的能力;相反的,没有证据表明紫外光照增强对海水吸收大气CO2的能力有明显的影响。
在Rimouski培养实验中,四个treatment中DIC、pH和fco2变化趋势一致,即整个培养实验过程中DIC和fco2呈降低趋势而pH呈上升趋势,在水华期间上述三个参数的变化速率较大。水华期和整个培养实验期间DIC消耗速率在四个treatment间的排序是一致的,即最大DIC消耗速率在+T中检测到,然后依次是NT+NUVB、+UVB+T和UVB。水华期间,fco2消耗速率在四个treatment间的排序与DIC的消耗速率排序一致。然而对整个培养实验来说,fco2消耗速率在四个treatment闻的排序变为: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)。水温升高一方面会直接导致fco2升高,另一方面会加剧生物对DIC的消耗,从而使fco2降低。而NT+NUVB的fco2消耗速率高于+T的,这一结果表明在水华前和水华后水温升高引起的fco2增加超过了生物消耗的那一部分。结果表明全球变暖和紫外光照增强均降低近北极海水吸收大气中CO2的能力。