南海夏季礁的海-氣co

南海夏季礁的海-氣co

1997年通過的《京都協(xié)定》和2009年《哥本哈根世界氣候大會》將v22作為遏制世界氣候變變的主要計劃。對于世界而言，減少b2是一個不容忽視的義務(wù)。了解該方案的科學性，有助于評估該方案的科學有效性，更好地履行這一義務(wù)。分布在熱帶海洋的南宋艦隊在世界碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用。例如，著名的“南宋假設(shè)”將碳囊在14年前從冰期到冰期之間的轉(zhuǎn)變過程中的突然上升（約80mol-1）歸類為計算平臺co3沉積物速度的變化。在機制上，潮汐環(huán)可分為有機代謝和有機代謝。其中，有機代謝對細胞的碳循環(huán)沒有貢獻。在有機代謝中，鈣化作用在細胞碳循環(huán)中起著最重要的作用?，F(xiàn)代，每年焚燒海相的產(chǎn)量占世界caco3年產(chǎn)量的7%15%。近年來，通過直接觀察和分析co3區(qū)域內(nèi)水-氣壓力的變化，一些研究表明，水體對co2的實際貢獻。許多人認為，水體是世界水體的來源[7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。大多數(shù)人認為，祖母角和其他群體在不同的地方和不同類型的潮汐中的聯(lián)合氣生物資源的影響是不同的。從生態(tài)角度來看，如果祖母占據(jù)主導地位，則整體通過水體co2的來源；如果藻類占據(jù)主導地位，則/c范圍內(nèi)的局部效應(yīng)將變得更加重要。南海珊瑚礁分布廣泛,從近赤道的曾母暗沙(約4°N),一直到南海北部雷州半島、潿洲島(約20°～21°N)以及臺灣南岸恒春半島(約24°N)都有分布,初步估計現(xiàn)代珊瑚礁的面積約8000km2,主要為環(huán)礁、島礁和岸礁等3種類型.但迄今為止,關(guān)于南海珊瑚礁區(qū)的pCO2了解并不多,僅Dai等人2006年春季對西沙永興島珊瑚礁坪進行了晝夜觀測,認為海水pCO2存在明顯的日周期變化,表現(xiàn)為大氣CO2的弱源.本文選擇南沙群島的永暑礁(環(huán)礁)、西沙群島的永興島(島礁)和海南島三亞鹿回頭岸礁開展海-氣pCO2的觀測研究,旨在了解南海珊瑚礁對大氣CO2的實際貢獻.1南海氣候分析環(huán)礁是南沙群島最主要的珊瑚礁類型,潟湖是環(huán)礁的最主要地貌單元,約占南沙群島現(xiàn)代珊瑚礁面積的82%.南沙群島永暑礁位于南海南部(112.88°～113.06°E,9.52°～9.68°N,圖1),是一座開放型環(huán)礁,呈紡錘形,長約25km,寬約6km,面積110km2,分礁前坡、礁坪、潟湖坡和潟湖等幾個地貌帶.永暑礁受人類活動影響相對較小,2006年調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域活珊瑚覆蓋度一般在60%左右.永暑礁年平均SST為28.6℃,表層海水鹽度變化范圍為33.0～33.5,月平均鹽度差異<1.0.6～9月該區(qū)西南季風盛行,平均風速約6.5m/s.11月至次年4月東北季風盛行,平均風速約8.0m/s.西沙群島永興島(112.34°E,16.84°N,圖1)位于南海中部,是西沙群島最大的島礁,分礁前坡、礁坪、海灘、沙堤、沙席和干潟湖等幾個地貌帶,其中礁坪一般寬400～800m,最寬達1500m,是永興島最主要的地貌單元,2002年活珊瑚覆蓋率達42.1%～93.4%.本區(qū)處于熱帶季風帶,多年平均氣溫26.4℃,月平均最低23.8℃(1月),最高29.4℃(6,7月).10月～次年3月NE向冬季風盛行,月平均風速6～9m/s.5～8月SE-SW向夏季風盛行,月平均風速5～6m/s.三亞鹿回頭珊瑚礁(109.29°E,18.13°N)位于海南島南端三亞灣東岸(圖1),是典型的珊瑚岸礁,主要分礁坪和礁坡2個地貌帶,長約3km,礁坪平均寬約為250m,最大寬度可超過450m.礁坪珊瑚生長稀疏,珊瑚覆蓋度約5%,礁坡珊瑚生長較好,珊瑚覆蓋度約12%.近年來鹿回頭珊瑚岸礁呈明顯衰退趨勢,珊瑚覆蓋度由20世紀60年代的85%下降到2006年的12.2%,但仍保持較高的生物多樣性.本區(qū)屬于熱帶季風氣候,全年平均以東北風和東風為主;潮汐屬不正規(guī)日潮混合潮,以日潮為主,平均潮位1.02m,平均潮差0.79m,最大潮差1.89m.波浪受季風影響以風浪為主,冬半年(10月～次年4月)盛行東或東北向浪,夏半年(5～9月)以南或西南向浪為主.多年年平均SST為27.0℃,最低月平均SST為22.8℃(變化于20.5～24.7℃之間),最高月平均SST為29.8℃(變化于28.7～30.9℃之間).2觀測和分析方法分別于2008年7月、2009年6月和2009年7～8月在西沙群島永興島、南沙永暑礁和鹿回頭礁區(qū)開展了海、氣pCO2的連續(xù)觀測,時間上對應(yīng)于夏季.考慮各地貌帶在不同類型珊瑚礁中的代表性,鹿回頭岸礁選擇外礁坪及礁外2處觀測點(圖1(b)),水深分別約為1.1和9m,各進行了6d間隔1h的連續(xù)觀測.西沙群島永興島選擇北部礁坪為觀測點(圖1(c)),對表層海水進行了6d間隔2h的連續(xù)觀測.南沙群島永暑礁選擇潟湖中央為觀測點(圖1(d)),進行了3d(兩階段分別為1和2d)間隔1h的連續(xù)觀測.此外,2009年6月以走航形式對南沙群島珊瑚礁區(qū)附近海域進行了海-氣CO2觀測,觀測點按預定航線設(shè)定.大氣pCO2均采用芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的GM70手持式CO2測試儀測定.永興島的觀測中,水樣溫度、鹽度使用美國MyronL公司生產(chǎn)的手持式4P多參數(shù)水質(zhì)觀測儀現(xiàn)場測定;鹿回頭灣、永暑礁及大洋巡航表層水樣的溫度、鹽度采用YSI6920V2型多參數(shù)水質(zhì)觀測儀測定.表層海水樣品取自約0.5m(低潮時礁坪水樣約取自0.2m)水深處,水樣用500mL聚乙烯瓶采集,并加入0.1mL飽和HgCl2溶液進行固定以便帶回實驗分析.水樣用來測定pH和總堿度(TA).使用精度為0.01的pH復合電極測定pH,pH計使用pH為6.86和9.18的標準緩沖液進行校正.用0.45μm的微孔濾膜過濾水樣,通過電位滴定測定TA.海水pCO2通過溫度、鹽度、pH和TA,選擇Mehrbach等人提出并經(jīng)Dickson和Millero修訂后的常數(shù),使用CO2SYSProgram[12,19,30,31,32,33]進行計算.海-氣間CO2交換通量直接控制因子是表層海水pCO2與大氣pCO2的差(pCO2w-pCO2a),其通量由pCO2w-pCO2a和風速共同計算得到:其中,k是氣體傳輸速率,s是CO2溶解度(通過溫度、鹽度計算),pCO2w和pCO2a分別為海水和大氣CO2分壓.當F>0時,CO2由海水進入大氣,海區(qū)表現(xiàn)為大氣CO2的源,反之,則表現(xiàn)為大氣CO2的匯.氣體傳輸速率k是風速(u)和斯密特數(shù)(Sc)的函數(shù).Wanninkhof在1992年對Liss的方程進行了補充和修正,平均風速u在0～12m/s范圍內(nèi)時:3結(jié)果3.1礁坪表層海水p2的日周期變化表1為各珊瑚礁區(qū)觀測點的表層海水平均的溫度、鹽度、pH、總堿度、海水pCO2以及大氣pCO2概況.不同珊瑚礁區(qū)海水pCO2存在較大差別,永暑礁潟湖海水pCO2平均值最低,接近于大氣pCO2,且變化幅度也最小,永興島和鹿回頭礁坪的海水pCO2變化幅度大;不同珊瑚礁區(qū)大氣pCO2相差較小.從珊瑚礁區(qū)大氣和海水pCO2日變化曲線來看(圖2),大氣和海水pCO2均存在明顯的日周期變化;大氣pCO2表現(xiàn)為夜間上升,日間下降,日周期波動幅度相對較小;珊瑚礁礁坪表層海水pCO2的波動類似于大氣pCO2,呈現(xiàn)日間下降夜晚上升規(guī)律性的日周期變化,如永興島礁坪表層海水pCO217:00～19:00達到最低值(67μmolmol-1),7:00～9:00達到最高值(899μmolmol-1),日變幅高達420～619μmolmol-1;鹿回頭礁坪表層海水pCO216:00～18:00達到最低值(340μmolmol-1),6:00～8:00達到最高值(952μmolmol-1),日變幅約264～579μmolmol-1,鹿回頭礁外觀測點海水pCO2日變幅約386～492μmolmol-1.永暑礁潟湖海水pCO2日變化規(guī)律不很明顯,但通過線性擬合仍然可以看出其海水pCO2出現(xiàn)日間下降,夜間上升的變化趨勢,最高值(～430μmolmol-1)出現(xiàn)在10:00～12:00,最低值(～318μmolmol-1)出現(xiàn)在晚上22:00～24:00,相對于永興島和鹿回頭礁坪海水pCO2峰值有一定的滯后,這可能與潟湖區(qū)珊瑚覆蓋度低、遠離外礁坪-礁前坡的珊瑚林帶、以及水體較深等因素有關(guān).可見,由珊瑚礁礁坪到礁外,表層海水pCO2有明顯下降的趨勢,且日波動幅度減弱.礁區(qū)大氣pCO2的日變化幅度較小,故大氣pCO2的變化對海-氣pCO2交換影響較小,各礁區(qū)海-氣pCO2差變化主要受海水pCO2變化的影響.3.2海水p2,海水p2,增標增能,增廣泛,日增浮多,日增結(jié)構(gòu)高利用方程式(1)計算了不同礁區(qū)海-氣CO2交換通量(圖2).永興島礁坪海-氣CO2交換通量為-19.9～30.5mmolCO2m-2d-1,觀測期間每日13:00～23:00海水pCO2一般低于大氣pCO2,平均交換通量為-5.1mmolCO2m-2d-1,其他時段海水pCO2高于大氣pCO2,平均交換通量為13.7mmolCO2m-2d-1.鹿回頭海氣CO2通量為-1.6～26.5mmolCO2m-2d-1,礁坪海水pCO2值較大,除了夜間極少時段低于大氣pCO2外,基本高于大氣pCO2.永暑礁海氣CO2通量變化最小,為-2.3～2.7mmolCO2m-2d-1,永暑礁潟湖海水pCO2及大氣pCO2的變化波動較大,且周期性不是很明顯,觀測期間20:00～次日7:00海水pCO2較低,平均交換通量近乎為0,其他時段海水pCO2較高,平均交換通量為0.8mmolCO2m-2d-1.各礁區(qū)海氣CO2的交換通量存在一定的差別,總的來說,夜間多表現(xiàn)為負的交換通量,而日間則多表現(xiàn)為正的交換通量.平均來看,觀測期間永興島海-氣CO2通量約為4.7mmolCO2m-2d-1,永暑礁海-氣CO2通量較低,約為0.4mmolCO2m-2d-1,鹿回頭礁坪海-氣CO2通量最大,約為9.8mmolCO2m-2d-1.4討論4.1溫度和生物代謝過程對礁區(qū)海水p2日周期的影響在開放的生態(tài)系統(tǒng)中,海水pCO2的變化受到包括溫度、水動力及生物活動等環(huán)境因素的調(diào)節(jié).溫度對海水pCO2變化的影響可利用關(guān)系式NpCO2=(insitupCO2)×exp[0.0423(Tmean-Tinsitu)](NpCO2為標準化到平均溫度下的pCO2,Tmean和Tinsitu分別為平均溫度和實測溫度)來估算.將現(xiàn)場實測海水pCO2標準化到平均水溫,包括鹿回頭礁坪、永興島及永暑礁潟湖表層海水NpCO2變化趨勢與實測海水pCO2一致.定義δpCO2(δpCO2=|insitupCO2-NpCO2|)以衡量溫度對海水pCO2變化的貢獻度.由表2可見,鹿回頭和永興島礁坪δpCO2較永暑礁潟湖大,但是與礁區(qū)觀測期間對應(yīng)海水pCO2最大日振幅(即日最高值與最低值的差值,?pCO2)的比值均非常小,最高的鹿回頭灣比值僅為6.17%,表明水溫的變化對珊瑚礁區(qū)海水pCO2日周期變化影響很小.其中,鹿回頭和永興島礁坪受溫度的影響較永暑礁潟湖稍大,則是與礁坪水淺,日照輻射造成水溫有較大的溫差有關(guān).總的來說,溫度對珊瑚礁區(qū)海水pCO2變化的影響較小.水動力條件的調(diào)控主要通過潮汐作用驅(qū)使礁內(nèi)、外海水交換對礁內(nèi)海水碳酸鹽體系產(chǎn)生影響.礁內(nèi)、外海水交換速率及觀測點水深都會對海水pCO2變化產(chǎn)生影響,鹿回頭觀測點海水pCO2顯示由礁坪到礁外降低,也反映出不同水深受潮汐的影響(表1)Dai等人粗略估算礁內(nèi)外海水日交換量約為平均潮差/平均水深.永興島、鹿回頭礁區(qū)及永暑礁潟湖平均水深分別約為10,4和25m,相應(yīng)的平均潮差分別約為1,0.8和1.2m,則各礁區(qū)內(nèi)外海水交換量分別約占礁內(nèi)總海水量的10%,20%和4.8%,表明潮汐并非礁區(qū)海水pCO2日周期變化的主要影響因素,而海水pCO2與對應(yīng)潮高不存在相關(guān)性也進一步證明潮汐對海水pCO2的影響有限.生物代謝過程對礁區(qū)海水pCO2變化有直接影響,夜間生物呼吸及鈣化作用都釋放CO2,促進海水pCO2上升;而日間光合作用吸收CO2的速率要高于呼吸和鈣化釋放CO2的速率,從而導致海水pCO2下降.永興島及鹿回頭礁坪海水pCO2顯示出日間下降夜晚上升的明顯日周期變化,與生物群落代謝變化規(guī)律相符,表明兩處礁坪海水碳酸鹽體系主要受生物代謝過程的控制.有研究認為,礁坪的海水性質(zhì)決定了其對CO2的吸收能力.Gattuso等人描述了海水碳酸鹽體系對群落代謝的響應(yīng):鈣化過程中,每生成1mol的CaCO3會消耗1molDIC且導致TA下降2mol,則鈣化作用單獨存在的情況下,?TA/?DIC等于2/1;而只有光合作用時?TA/?DIC接近0.假定某一鈣化/光合過程對應(yīng)1mol的無機碳代謝和xmol的有機代謝斜率?TA/?DIC等于2/(1+x),因此x=(2/斜率)-1.圖3分別為永興島、鹿回頭礁坪和永暑礁潟湖TA和DIC數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,可見永興島礁坪?TA/?DIC為0.47,鹿回頭礁坪?TA/?DIC為0.77,永暑礁潟湖?TA/?DIC為1.05((1.08+1.01)/2);則永興島無機碳生產(chǎn)力/有機碳生產(chǎn)力約為1:3.3,鹿回頭礁坪約為1:1.6,永暑礁潟湖表層約為1:0.9.鹿回頭礁坪要高于永興島,表明鹿回頭礁坪碳酸鈣生產(chǎn)力較永興島更為明顯.鈣化過程伴隨著CO2的釋放,鹿回頭礁區(qū)對大氣CO2源的作用應(yīng)更強,這與計算出的海-氣CO2通量結(jié)果一致.而永暑礁比值最高而源的作用最弱,可能與永暑礁潟湖水最深有關(guān).Cao等人2005年對南海的觀測結(jié)果約為1:14,低于南海珊瑚礁區(qū),表明無機碳代謝在南海珊瑚礁生態(tài)系代謝過程中占據(jù)更為顯著的作用,這也是引起珊瑚礁區(qū)海水pCO2具有較大日變幅的重要原因.4.2實礁法海水pco平均值在有較深潟湖的環(huán)礁,礁外海水與潟湖海水的交換會影響到對珊瑚礁區(qū)海-氣CO2通量的準確判斷.通過比較潟湖海水與礁外海水pCO2值來判斷珊瑚礁生態(tài)系在海-氣CO2交換過程中的作用,定義潟湖海水與礁外海水pCO2差值(δpCO2)為pCO2L和pCO2O分別代表潟湖海水pCO2和礁外海水pCO2.當潟湖海水pCO2平均值高于礁外海水pCO2平均值(即δpCO2>0)時,珊瑚礁總的來說是大氣CO2潛在的源;反之,則為大氣CO2的匯.潮汐作用使得珊瑚礁內(nèi)潟湖海水對珊瑚礁外海域的海水碳酸鹽體系產(chǎn)生一定影響,影響范圍可達4km左右.據(jù)此,以距永暑礁4km以上的18個站位表層海水pCO2平均值(370μmolmol-1)代表礁外海水pCO2,則永暑礁δpCO2為25μmolmol-1,即珊瑚礁潟湖海水pCO2高于珊瑚礁外海水,因此永暑礁為大氣CO2的源.永興島及鹿回頭礁區(qū)無潟湖,通過比較礁坪海水pCO2與礁外海水pCO2平均值來判斷礁區(qū)在海-氣CO2交換過程中的作用.以距永興島礁外4km以外的18個站位表層海水pCO2平均值(379μmolmol-1)代表永興島礁外海水pCO2,則永興島δpCO2為77μmolmol-1,也是大氣CO2的源.鹿回頭珊瑚礁礁坪、礁外兩個點表層海水pCO2平均值分別為610和506μmolmol-1,均高于礁區(qū)4km以外的南海北部開闊海區(qū)18個站位表層海水平均值(約381μmolmol-1),表明永興島和鹿回頭礁區(qū)均為大氣CO2的源.4.3大氣2c的源根據(jù)海氣CO2交換通量計算,當交換通量為正值時,指示CO2由海水進入大氣,珊瑚礁區(qū)為大氣CO2的源;反之,當交換通量為負值時,指示CO2由大氣進入海水,珊瑚礁區(qū)為大氣CO2的匯[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18].本文觀測的結(jié)果(圖2)顯示,鹿回頭礁坪是大氣CO2的強源永興島觀測期間每日13:00～23:00表現(xiàn)為大氣CO2的匯,其他時段則主要表現(xiàn)為大氣CO2的源;永暑礁潟湖觀測期間20:00～次日7:00表現(xiàn)為大氣CO2的匯,其他時段為大氣CO2的源;總的來說,夏季南海珊瑚礁夜間多表現(xiàn)為大氣CO2的匯,而日間則多表現(xiàn)為大氣CO2的源.平均計算結(jié)果顯示所調(diào)查的南海北部鹿回頭岸礁、西沙群島永興島島礁和南海北部南沙群島永暑礁環(huán)礁3個礁區(qū)夏季都表現(xiàn)為大氣CO2的源.但因為珊瑚礁區(qū)物理、化學環(huán)境及珊瑚礁生物代謝的季節(jié)性差異,不同季節(jié)珊瑚礁區(qū)海氣CO2交