講座6-高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系課件

高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系《海洋化學(xué)進展》講座6陳敏廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系《海洋化學(xué)進展》講座6陳敏生物滅絕珊瑚白化（Bellwood等，nature,2004）地區(qū)干旱全球變暖的可能危害：觀測結(jié)果颶風(fēng)強度加強（Webster等，Science,2005）冰川融化（Doake等，Nature,1998）生物滅絕珊瑚白化地區(qū)干旱全球變暖的可能危害：觀測結(jié)果颶風(fēng)強度全球變暖的可能危害：模型預(yù)測海平面上升區(qū)域冰封四季紊亂全球變暖的可能危害：模型預(yù)測海平面上升區(qū)域冰封四季紊亂食物鏈

/漁業(yè)沉積物海洋生物地球化學(xué)過程大氣相關(guān)組分

:CO2,DMS,CH4,N2O,…環(huán)流,溫度,光照，大氣沉降,…海洋大氣陸圈氣候氣候變化：陸-海-氣相互作用食物鏈/漁業(yè)沉積物海洋生物地球化學(xué)過程大氣相關(guān)組分:環(huán)溫度變化(°C)02461850 1900 1950200020502100氣溫對大氣CO2增加的響應(yīng)IPCC，2001溫度變化02461850 1900 1950降雨量對大氣CO2增加的響應(yīng)降雨量變化(%)03691850 1900 1950200020502100IPCC，2001降雨量對大氣CO2增加的響應(yīng)降雨量變化03691850 18501900 19502000 2050 2100北大西洋深層水形成的最大變輻(%)-15-55大西洋深層水形成對大氣CO2增加的響應(yīng)18501900 1950驅(qū)動因子大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光強大氣沉降河流輸入

…海洋生物地球化學(xué)過程碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋生物地球化學(xué)過程的影響因子驅(qū)動因子大氣pCO2海洋生物地球化學(xué)過程碳循環(huán)海洋生物地球大氣

pCO2的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)大氣pCO2的影響大氣pCO2碳循環(huán)海洋環(huán)流的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋環(huán)流的影響大氣pCO2碳循環(huán)大氣沉降的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)大氣沉降的影響大氣pCO2碳循環(huán)pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化DIC的增加導(dǎo)致海水的酸化表層水pH值的變化（2099-工業(yè)革命前）+0.5+0.3-0.3-0.5pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化DIC的增加導(dǎo)致海水的酸化表層CaCO3產(chǎn)生量的變化(%)（2200–工業(yè)革命前）海水酸化對CaCO3形成的影響pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化CaCO3產(chǎn)生量的變化(%)（2200–工業(yè)革命前）海水酸海洋物理環(huán)境的變化：層化作用MML,2075-Present最大混合深度變淺…-1000+1000+100+100-10-100(m)海洋物理環(huán)境的變化：層化作用MML,2075-Presen層化作用變化的機制+1000+100+100-10-100(m)80°S40°S0°40°N80°N(psu)(°C)DMixedLayerDSSSDSST80°S40°S0°40°N80°N層化作用變化的機制+1000+100+100-10-100(海洋CO2匯強度的變化氣候變化降低海洋CO2

的匯強度氣候變化效應(yīng)

海洋CO2匯強度的變化氣候變化降低海洋CO2的匯強度氣候變4pCO2條件下海洋CO2

匯強度的變化

gCm-2a-1DecreasesinkIncreasesink4pCO2條件下海洋CO2匯強度的變化gCm-2a熱變化環(huán)流變化碳循環(huán)的重新構(gòu)建Joos99(GtC/a,1850~2100)Sarmiento96Matear99-52 -117 +111-48 -41 +33-68 -15 +33主要因子：層化作用阻止人類來源CO2的穿透海洋CO2匯強度變化的機制熱變化環(huán)流變化碳循環(huán)的重新構(gòu)建Joos99(GtC/a,過去40年中全球海洋許多海域O2含量降低。(Emerson等，2001；Ono等，2001；Wanatabe等，2001，Matear等，2000；…)海洋O2循環(huán)的變化：觀測結(jié)果東熱帶北大西洋中心赤道大西洋東熱帶南大西洋東赤道太平洋中心赤道太平洋東赤道印度洋Stramma等，2008過去40年中全球海洋許多海域O2含量降低。(Emerson等未來幾十年海水O2濃度降低將更明顯

(Bopp等，2002；Plattner等，2002；Matear等，2000,…)Depth2100-Present海洋O2循環(huán)的未來變化：模型結(jié)果未來幾十年海水O2濃度降低將更明顯(Bopp等，2002；100mDO(mmol/l)

2100年缺氧/亞氧區(qū)增加30%赤道太平洋O2循環(huán)的可能變化100mDO(mmol/l)2100年缺氧/亞氧區(qū)增加層化作用加強導(dǎo)致水體的垂向交換減弱海洋O2循環(huán)變化的主要機制0m300m

0m300mSEC赤道太平洋3°S溫度和海流溫度和海流變化(2090-1990)南赤道流：變淺變?nèi)?/p>

溫暖富氧的水體難以抵達次表層層化作用加強導(dǎo)致水體的垂向交換減弱海洋O2循環(huán)變化的主要機制2100-1990海洋初級生產(chǎn)力的變化2100-1990海洋初級生產(chǎn)力的變化ZonalMean(2100-1990)全球降低（-5/10%），但高緯度海域增加（+20/30%）海洋初級生產(chǎn)力的變化ZonalMean全球降低（-5/10%），但高緯度海域海洋層化作用加強表層營養(yǎng)鹽

-5to–10%高/低緯度海域的效應(yīng)不同更長的生長季節(jié)>+10days寡營養(yǎng)海域面積增加

1xCO22xCO2-1xCO2海洋初級生產(chǎn)力的變化機制海洋層化作用加強表層營養(yǎng)鹽高/低緯度海域的效應(yīng)不同更長的生-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2硅藻相對豐度降低海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：硅藻Bopp(2001)2090-1990-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2硅藻相對豐度降低中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物多樣性的變化：多樣性下降，生物量上升，種類組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種發(fā)生更替，優(yōu)勢種群個體微型化。中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物多樣性的變化：多中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演變：過去?？捎^察到的一些外海種，特別是個體較大、偏冷水性種類的優(yōu)勢基本消失，取而代之的是個體較小的廣溫廣鹽性種類。浮游植物群落整體呈種間個體數(shù)量分布不均、某些種類優(yōu)勢度特別突出的特點；暖水性物種數(shù)量增多。中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演變：層化作用

營養(yǎng)鹽提供

硅酸鹽和Fe限制

硅藻豐度硅藻豐度變化的機制層化作用硅藻豐度變化的機制BoydandDoney(2002)固氮作用加強海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：固氮作用BoydandDoney(2002)固氮作用加強海洋生

大氣沉降通量對全球變化反應(yīng)靈敏Mahowald和Luo(2003)：大氣沉降通量變化-20/-60%Tegen等(2004)：大氣沉降通量變化+10/-25%變化機制：大氣沉降物源陸地使用

CO2施肥效應(yīng)

氣候變化輸送過程大氣沉降的變化大氣沉降通量對全球變化反應(yīng)靈敏Mahowald和Luo(-0.5+0.5+0.1-0.1-0.5+0.5+0.1-0.1大氣沉降通量x2(20yr)大氣沉降通量變化對海洋生態(tài)系的影響大氣沉降通量變化對Chla(mg/m3)的影響大氣沉降通量/2(20yr)-0.5+0.5+0.1-0.1-0.5+0.5+0.1-0在高CO2

環(huán)境下，海洋將變得：更加酸化層化作用加強更加貧營養(yǎng)，但更好的光照條件

更少的氧氣但不確定性仍然存在，特別是：

海洋物理場變化（混合？南大洋環(huán)流？）

大氣沉降變化

生態(tài)系結(jié)構(gòu)的營養(yǎng)

小結(jié)在高CO2環(huán)境下，海洋將變得：更加酸化但不確定性仍然存在，高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系《海洋化學(xué)進展》講座6陳敏廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系《海洋化學(xué)進展》講座6陳敏生物滅絕珊瑚白化（Bellwood等，nature,2004）地區(qū)干旱全球變暖的可能危害：觀測結(jié)果颶風(fēng)強度加強（Webster等，Science,2005）冰川融化（Doake等，Nature,1998）生物滅絕珊瑚白化地區(qū)干旱全球變暖的可能危害：觀測結(jié)果颶風(fēng)強度全球變暖的可能危害：模型預(yù)測海平面上升區(qū)域冰封四季紊亂全球變暖的可能危害：模型預(yù)測海平面上升區(qū)域冰封四季紊亂食物鏈

/漁業(yè)沉積物海洋生物地球化學(xué)過程大氣相關(guān)組分

:CO2,DMS,CH4,N2O,…環(huán)流,溫度,光照，大氣沉降,…海洋大氣陸圈氣候氣候變化：陸-海-氣相互作用食物鏈/漁業(yè)沉積物海洋生物地球化學(xué)過程大氣相關(guān)組分:環(huán)溫度變化(°C)02461850 1900 1950200020502100氣溫對大氣CO2增加的響應(yīng)IPCC，2001溫度變化02461850 1900 1950降雨量對大氣CO2增加的響應(yīng)降雨量變化(%)03691850 1900 1950200020502100IPCC，2001降雨量對大氣CO2增加的響應(yīng)降雨量變化03691850 18501900 19502000 2050 2100北大西洋深層水形成的最大變輻(%)-15-55大西洋深層水形成對大氣CO2增加的響應(yīng)18501900 1950驅(qū)動因子大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光強大氣沉降河流輸入

…海洋生物地球化學(xué)過程碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋生物地球化學(xué)過程的影響因子驅(qū)動因子大氣pCO2海洋生物地球化學(xué)過程碳循環(huán)海洋生物地球大氣

pCO2的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)大氣pCO2的影響大氣pCO2碳循環(huán)海洋環(huán)流的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋環(huán)流的影響大氣pCO2碳循環(huán)大氣沉降的影響大氣pCO2溫度環(huán)流（平流和擴散）光照大氣沉降河流輸入

…碳循環(huán)O2

循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)大氣沉降的影響大氣pCO2碳循環(huán)pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化DIC的增加導(dǎo)致海水的酸化表層水pH值的變化（2099-工業(yè)革命前）+0.5+0.3-0.3-0.5pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化DIC的增加導(dǎo)致海水的酸化表層CaCO3產(chǎn)生量的變化(%)（2200–工業(yè)革命前）海水酸化對CaCO3形成的影響pCO2的直接效應(yīng)：pH的變化CaCO3產(chǎn)生量的變化(%)（2200–工業(yè)革命前）海水酸海洋物理環(huán)境的變化：層化作用MML,2075-Present最大混合深度變淺…-1000+1000+100+100-10-100(m)海洋物理環(huán)境的變化：層化作用MML,2075-Presen層化作用變化的機制+1000+100+100-10-100(m)80°S40°S0°40°N80°N(psu)(°C)DMixedLayerDSSSDSST80°S40°S0°40°N80°N層化作用變化的機制+1000+100+100-10-100(海洋CO2匯強度的變化氣候變化降低海洋CO2

的匯強度氣候變化效應(yīng)

海洋CO2匯強度的變化氣候變化降低海洋CO2的匯強度氣候變4pCO2條件下海洋CO2

匯強度的變化

gCm-2a-1DecreasesinkIncreasesink4pCO2條件下海洋CO2匯強度的變化gCm-2a熱變化環(huán)流變化碳循環(huán)的重新構(gòu)建Joos99(GtC/a,1850~2100)Sarmiento96Matear99-52 -117 +111-48 -41 +33-68 -15 +33主要因子：層化作用阻止人類來源CO2的穿透海洋CO2匯強度變化的機制熱變化環(huán)流變化碳循環(huán)的重新構(gòu)建Joos99(GtC/a,過去40年中全球海洋許多海域O2含量降低。(Emerson等，2001；Ono等，2001；Wanatabe等，2001，Matear等，2000；…)海洋O2循環(huán)的變化：觀測結(jié)果東熱帶北大西洋中心赤道大西洋東熱帶南大西洋東赤道太平洋中心赤道太平洋東赤道印度洋Stramma等，2008過去40年中全球海洋許多海域O2含量降低。(Emerson等未來幾十年海水O2濃度降低將更明顯

(Bopp等，2002；Plattner等，2002；Matear等，2000,…)Depth2100-Present海洋O2循環(huán)的未來變化：模型結(jié)果未來幾十年海水O2濃度降低將更明顯(Bopp等，2002；100mDO(mmol/l)

2100年缺氧/亞氧區(qū)增加30%赤道太平洋O2循環(huán)的可能變化100mDO(mmol/l)2100年缺氧/亞氧區(qū)增加層化作用加強導(dǎo)致水體的垂向交換減弱海洋O2循環(huán)變化的主要機制0m300m

0m300mSEC赤道太平洋3°S溫度和海流溫度和海流變化(2090-1990)南赤道流：變淺變?nèi)?/p>

溫暖富氧的水體難以抵達次表層層化作用加強導(dǎo)致水體的垂向交換減弱海洋O2循環(huán)變化的主要機制2100-1990海洋初級生產(chǎn)力的變化2100-1990海洋初級生產(chǎn)力的變化ZonalMean(2100-1990)全球降低（-5/10%），但高緯度海域增加（+20/30%）海洋初級生產(chǎn)力的變化ZonalMean全球降低（-5/10%），但高緯度海域海洋層化作用加強表層營養(yǎng)鹽

-5to–10%高/低緯度海域的效應(yīng)不同更長的生長季節(jié)>+10days寡營養(yǎng)海域面積增加

1xCO22xCO2-1xCO2海洋初級生產(chǎn)力的變化機制海洋層化作用加強表層營養(yǎng)鹽高/低緯度海域的效應(yīng)不同更長的生-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2硅藻相對豐度降低海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：硅藻Bopp(2001)2090-1990-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2硅藻相對豐度降低中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物多樣性的變化：多樣性下降，生物量上升，種類組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種發(fā)生更替，優(yōu)勢種群個體微型化。中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物多樣性的變化：多中國近海海域浮游植物多樣性的時間變化浮游植物群落結(jié)構(gòu)