海洋碳循環(huán)的碳轉(zhuǎn)移與碳氮平衡

海洋碳循環(huán)的碳轉(zhuǎn)移與碳氮平衡

工業(yè)和信息化以來，人類活動(dòng)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的破壞和變化嚴(yán)重阻礙了世界碳儲(chǔ)量之間的平衡。大氣中的co濃度從185年（2855）ml/m2增加到1998年的367ml/m2，保持著約0.5%的年增長率。過去的百年里全球平均溫度上升了(0.6±0.2)℃,專家更預(yù)測(cè)未來的百年全球平均氣溫還將上升1~3.5℃,這已引發(fā)了一系列氣候、生態(tài)問題,直接威脅人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。碳是地球上生命有機(jī)體的關(guān)鍵成分,它以CO2、碳酸鹽及有機(jī)化合物等多種形式在環(huán)境中不斷循環(huán),碳循環(huán)是生物圈健康發(fā)展的重要標(biāo)志。在全球范圍內(nèi)正開展著以國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP),國際人文因素計(jì)劃(IHDP),世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)和生物多樣性計(jì)劃(DIVERSITES)為核心的全球變化研究,其中有關(guān)碳循環(huán)的生物地球化學(xué)研究是主要方向之一。了解各碳庫的碳循環(huán)過程及其動(dòng)態(tài)變化,通過物理,化學(xué)和生物反饋機(jī)制來認(rèn)識(shí)碳循環(huán)與氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、人類活動(dòng)的相互作用與影響過程,預(yù)測(cè)氣候變化以及由此引起的后續(xù)響應(yīng)等均是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。海洋是一個(gè)非常巨大的碳庫,海洋中生物群的碳貯量約3Gt,溶解有機(jī)碳約1000Gt,溶解無機(jī)碳為37400Gt,海洋生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中起著決定性作用。近十多年來,作為IGBP核心計(jì)劃的JGOFS,GLOBEC,SOLAS等的實(shí)施,使海洋碳循環(huán)研究得到了深入和發(fā)展。1海洋中的co通量研究1.1符合兩種社會(huì)模式下,人海水中的碳以多種形式存在,而溶解性無機(jī)碳(TCO2)則是其中的主要存在形式,包括碳酸氫根(HCO-3),碳酸根(CO2?332-)及碳酸(H2CO3)。一般海水中TCO2約為2mmol/kg,比溶解有機(jī)碳含量高一個(gè)數(shù)量級(jí),比顆粒有機(jī)碳也高很多。據(jù)測(cè)算海洋每年吸收CO2的量約占人為排放總量的30%~50%。根據(jù)人為釋放CO2會(huì)使海水溶解態(tài)無機(jī)碳/比率減小的原理測(cè)算,1970~1990年海洋的吸收值為(2.1±1.5)GtC/a,根據(jù)人為釋放CO2造成O2/N2比率變化的原理測(cè)算,1989~1994年海洋的吸收值為(1.9±0.5)GtC/a;一些代表性的模式對(duì)海洋吸收CO2的估算值約在1.6~2.3GtC/a的范圍內(nèi)(見表1),英國Hadley,法國IPSL,德國MPI和美國GFDL4個(gè)全球環(huán)流模式估計(jì)的1980~1989年間海洋吸收CO2的值分別為2.1、1.5、1.6、2.2。目前人們普遍接受的C量值為2.0Gt/a。確切的數(shù)字及其未來變化趨勢(shì)至今仍有較大爭(zhēng)議。計(jì)算CO2海氣交換系數(shù)的公式尚未取得一致,在相同的風(fēng)速下,不同公式產(chǎn)生的誤差可達(dá)百分之幾十,計(jì)算的CO2分壓(p(CO2))會(huì)因使用不同的熱力學(xué)常數(shù)表達(dá)式而產(chǎn)生不同的結(jié)果,相差可達(dá)3Pa。基于模式的估計(jì),因不同模式采用了不同的分辨率,不同的數(shù)值解法以及不同的物理過程處理方法使得在區(qū)域尺度上模式間也存在著較大的差別。1.2海洋的紫外漢級(jí)分布海洋具有貯存和吸收大氣CO2的能力,影響著大氣CO2的收支平衡。不過海洋并不像大氣與海洋碳庫交換規(guī)模所揭示的那樣,能為大氣中新增的CO2即刻提供吸收匯,從千年尺度來看,海洋決定著大氣中CO2的濃度,但就短期變化而言,表觀上只有表層海水(100m以內(nèi))在碳循環(huán)中起著顯著的作用。大氣CO2不斷地與海洋表層進(jìn)行著碳交換,C年交換量約為100Gt/a,但海洋緩沖大氣CO2濃度的能力是有限的。海洋對(duì)大氣CO2的吸收容量以及大氣圈與海洋間碳的凈交換量在很大程度上取決于混合層碳酸鹽化學(xué)、水中溶解碳的平流傳輸、CO2通過海氣界面的擴(kuò)散、浮游植物的生產(chǎn)及所產(chǎn)生的碎屑碳的沉降等。海洋吸收CO2的化學(xué)能力取決于溶解的碳酸鹽和硼酸鹽的離子數(shù)量(H2O+CO2+CO2?332-=2HCO-3,CO2+B(OH)-4=HCO-3+B(OH)3)。CO2海氣交換的一個(gè)重要控制因子是海氣間p(CO2)差,而海水p(CO2)大小受到植物光合作用、洋流涌升、溫度、鹽度和pH值等眾多因素影響。海水p(CO2)大于大氣p(CO2)時(shí),海水即是大氣CO2的源,反之,則為大氣CO2的匯。開闊大洋表層水p(CO2)的變化范圍和梯度較為顯著,可看出CO2明顯的源與匯,但到目前為止,對(duì)全球海洋表層水p(CO2)的觀測(cè)在時(shí)間和空間尺度上都很有限。據(jù)已有資料,Keeling等完善了海洋p(CO2)的分布圖,認(rèn)為海洋碳的吸收和釋放有明顯的緯度特征,即赤道海域(10°N~10°S)為大氣CO2的主要源區(qū),僅赤道太平洋的C釋放量就有1.0Gt/a,占海洋釋放總量的60%;而北大西洋和南大洋則為大氣的主要匯區(qū),南大洋主要是指53°S以南到南極附近海域,吸收的CO2約為1.2GtC/a,占海洋吸收凈通量的35%;40°N以北的北大西洋和挪威格陵蘭海域也是CO2的強(qiáng)匯區(qū);北太平洋則呈季節(jié)特征,冬季為強(qiáng)匯,夏季為弱源,就整體而言,仍為大氣CO2的凈匯區(qū)。不過這里仍存在分歧,Keeling的計(jì)算認(rèn)為15°S~50°S之間的吸收值為1.1GtC/a,而50°S以南海域則為吸收與釋放平衡,主要匯區(qū)在15°N以北地區(qū),達(dá)2.3GtC/a。Murata等研究認(rèn)為高緯度大陸邊緣在夏季是大氣CO2中等甚至強(qiáng)的匯,Brostrom也計(jì)算得到30°N以北的大西洋海域的入海通量為0.4GtC/a。另外,Thomas等通過對(duì)一些典型陸架區(qū)的研究外推得到全球海岸陸架區(qū)為凈匯0.4GtC/a,但蔡衛(wèi)君等考慮到海岸區(qū)海氣交換的緯度差異,對(duì)這種外推表示了懷疑。海洋對(duì)CO2的吸收除了區(qū)域、季節(jié)差異外還會(huì)表現(xiàn)出年際差異,這一點(diǎn)在厄爾尼諾、拉尼娜等特殊氣候條件下表現(xiàn)的更為明顯。2影響海水質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)海水中碳的垂直和水平輸送是海洋碳循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié),這不僅會(huì)影響碳在海水中分布,更會(huì)影響到海水吸收CO2的能力,進(jìn)而影響到海洋對(duì)氣候變化的調(diào)節(jié)力和控制力。2.1垂直和水平海水中的碳2.1.1聚丙烯酸鈉pocCO2進(jìn)入海水體系后,其垂直轉(zhuǎn)移過程是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程。通過真光層內(nèi)浮游植物的光合作用,海水吸收的CO2被轉(zhuǎn)化為有生命的顆粒有機(jī)碳(POC),這些有機(jī)碳通過食物鏈被逐級(jí)轉(zhuǎn)移至浮游動(dòng)物和泳游動(dòng)物。各級(jí)動(dòng)物的消費(fèi)、排泄和浮游動(dòng)植物的死亡、分解等會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑、糞團(tuán)、蛻皮和聚集體以非生命的顆粒態(tài)有機(jī)碳形式發(fā)生沉降;海洋生物的垂直洄游也構(gòu)成了一部分有機(jī)物的向下轉(zhuǎn)移。這樣由有機(jī)物生產(chǎn)、消費(fèi)、傳遞、沉降、分解等系列過程實(shí)現(xiàn)的碳的垂直轉(zhuǎn)移即稱之為“生物泵”(如圖2)。外殼和骨骼中含有碳酸鈣的海洋生物的死亡和造礁珊瑚沉積以及顆粒無機(jī)碳的沉降實(shí)現(xiàn)的碳的向下轉(zhuǎn)移,被稱為碳酸鹽泵,實(shí)質(zhì)也是一種生物泵。目前估計(jì)的全球海洋生物固碳能力約在36.5~103Gt/a范圍內(nèi),這個(gè)數(shù)字比人類活動(dòng)每年排放到大氣的CO2(7GtC/a)高很多,但生物利用的碳大部分會(huì)在真光層內(nèi)再循環(huán)為海洋微生物提供穩(wěn)定的原料,僅有一小部分沉降到海洋深層。POC輸出通量是碳垂直遷移研究的重點(diǎn),僅南大洋大磷蝦糞便和蛻皮的碳通量就達(dá)16×108t/a,但全球海洋的POC通量還不十分清楚,估計(jì)C值在4~20Gt/a之間,Schlitzer的反轉(zhuǎn)模型估計(jì)C值為11Gt/a(2000年)。POC輸出通量存在明顯的區(qū)域變化,與初級(jí)生產(chǎn)力非線性相關(guān),并受季節(jié)、營養(yǎng)鹽供應(yīng)方式及海水混合程度與平流擴(kuò)散等很多因素的影響,通常是從大洋區(qū)向淺海區(qū)遞增的,輸出比例可以從貧營養(yǎng)大洋區(qū)的0.05變化到一些富營養(yǎng)海域春季水華期的0.8以上,一般在0.10~0.30之間。真光層中輸出的POC也不能全部轉(zhuǎn)移到海底,在下降過程中有相當(dāng)部分POC會(huì)再礦化為無機(jī)物質(zhì),從而使下層海水具有很高的營養(yǎng)鹽濃度。從典型大洋區(qū)和沿岸區(qū)的輸出效率來看,真光層輸出通量(包括DOC)分別為10%和25%,而到達(dá)海床的POC僅為輸出通量的10%和26%,再加上沉積物-水界面的再分解作用,C凈沉積量只有0.01g/(m2·a)和1g/(m2·a)。另外,估計(jì)的碳酸鹽泵從表層輸出的C通量約為(0.6±0.15)Gt/a。海水中POC在近岸淺灣區(qū)含量很豐富且垂直分布比較均勻,在大洋區(qū)的表層和次表層數(shù)量豐富并隨深度遞減,在深洋水中則一直保持著相對(duì)恒定的低含量狀態(tài)。2.1.2不同深度對(duì)ros-pcr濃度的影響光合作用和生物代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的溶解有機(jī)碳(DOC),約占固碳總量的5%~50%,其垂直遷移也是海洋碳遷移的重要環(huán)節(jié)。一部分DOC通過異養(yǎng)細(xì)菌的吸收轉(zhuǎn)化為細(xì)菌顆粒進(jìn)入微型生物食物環(huán),然后重新進(jìn)入食物鏈形成POC并發(fā)生向下遷移;還有一部分DOC的遷移則是通過海水的垂直混合作用實(shí)現(xiàn)的,估計(jì)DOC輸出通量約為1.2~10GtC/a。DOC主要分布在海水透光層中,其濃度隨深度變化并與生物化學(xué)活動(dòng)及水相的化學(xué)性質(zhì)相關(guān)。Sharp等估計(jì)赤道太平洋海域的DOC值,近表面水中約為60~70μmol/LC,深水值為35~40μmol/LC。赤道大西洋DOC濃度,在400m以下基本穩(wěn)定為(46±7)μmol/LC,暖季赤道上升流的外部濃度高,表層高達(dá)97μmol/LC,冷季上升流水中的值則略低,平均約為66μmol/LC。南大洋印度區(qū)的研究顯示其混合層中DOC濃度在52~63μmol/LC之間,混合層下DOC濃度隨深度輕微下降,到2000m處約為42μmol/LC。這些與亞熱帶大西洋和太平洋其它海域的研究數(shù)據(jù)相一致,很好地支持了深水DOC濃度同質(zhì)、低濃度和恒量的觀點(diǎn)。不過,Ogawa等研究發(fā)現(xiàn)南大洋表層DOC濃度(45~55μmol/LC)要低于其它海域獲得的值(60~90μmol/LC);Sardessai等研究印度盆地中心深海環(huán)境試驗(yàn)站的DOC濃度時(shí)則發(fā)現(xiàn)其次表面(25~200m)有較高的變化分布(52~191μmol/LC),500~800m之間顯示最小值(41~57μmol/LC),底層水(3500~5300m)中DOC濃度下降但變化很小(41~64μmol/LC)。2.1.3近海陸架生物泵河口和近海陸架是海陸氣交匯區(qū),水淺,動(dòng)力過程復(fù)雜,營養(yǎng)鹽豐富且初級(jí)生產(chǎn)力高,全球14%~30%凈初級(jí)生產(chǎn)力發(fā)生在這一區(qū)域。通過海洋環(huán)流、沿岸邊界流和上升流、水平對(duì)流、風(fēng)生及地形等作用可引起碳和營養(yǎng)鹽向斜坡區(qū)再到大洋區(qū)次表面的轉(zhuǎn)移,從而提高外海的CO2儲(chǔ)存能力,被稱為近海陸架生物泵。全球陸架泵向大洋的有機(jī)碳輸出通量約為1~1.5Gt/a,模型估計(jì)碳橫向轉(zhuǎn)移可使近海和大洋分別增加0.08tC/a和0.2GtC/a的吸收通量。我國學(xué)者觀測(cè)1994~1996年間東海南部大陸架斷面的DOC和POC分布時(shí),發(fā)現(xiàn)在內(nèi)陸架和斜坡水中的DOC濃度相當(dāng)高(>85μmol/L),但在Kuroshio上升流發(fā)生的陸架斷裂處較低(約65μmol/L),且這種分布隨時(shí)間變化很小,陸架水中的膠體有機(jī)碳比貧營養(yǎng)的斜坡水中要少。POC的分布從內(nèi)陸架到斜坡呈減少趨勢(shì),但在陸架斷裂處由于上升流提高了初級(jí)生產(chǎn)力而顯示局部極大值,平均POC總量約為DOC的1/10,估計(jì)大陸架DOC和POC的凈輸出分別為414GmolC/a和106GmolC/a。2.2生物泵吸收大氣co生物泵的作用主要是通過CO2的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)碳的向下轉(zhuǎn)移和營養(yǎng)鹽的消耗升高表層水的堿度,從而降低水中的p(CO2),促進(jìn)大氣CO2向海水中擴(kuò)散。但生物泵對(duì)海洋吸收人為CO2的直接影響很小,它的作用在于決定現(xiàn)在海氣CO2通量的分布,以及具有使海氣CO2平衡發(fā)生巨大變化的潛力,這一點(diǎn)要通過改變生物泵本身才能實(shí)現(xiàn)。金心等通過溶解度泵模式與包含溶解度泵和生物泵的組合模式的對(duì)比研究表明生物過程產(chǎn)生的海氣通量的量級(jí)非常大,在高緯度和赤道地區(qū)兩種泵的量級(jí)差不多,只是高緯度地區(qū)兩者的符號(hào)相反,而赤道地區(qū)兩者的符號(hào)相同。徐永福等使用一個(gè)包括浮游生物和無生命氮的食物網(wǎng)描述海洋上層的生物過程,并將此生物模式用于佛羅里達(dá)海峽的一個(gè)固定位置和從佛羅里達(dá)海峽流經(jīng)挪威海的一個(gè)水團(tuán)中,研究顯示生物泵對(duì)水團(tuán)吸收大氣CO2的貢獻(xiàn)約為16%。研究者正在設(shè)想通過提高某些海區(qū)的新生產(chǎn)力,加速生物泵的運(yùn)轉(zhuǎn)以提高海氣界面碳通量。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),南大洋的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充相當(dāng)充足,但初級(jí)生產(chǎn)力只有亞熱帶近海區(qū)的1/10或更少,Martin等分析認(rèn)為可能是缺Fe所致,如果Fe元素充足,僅南極洲海域通過生物泵過程對(duì)CO2的凈匯就可增加1~2GtC/a。研究者曾將2t鐵粉撒進(jìn)位于澳大利亞霍巴特市西南1930km處的南大洋海域,隨后(1999年初)對(duì)該海域進(jìn)行的13d監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)浮游植物數(shù)量和碳含量有穩(wěn)定的增加;在太平洋的東部和西部的碳源區(qū)也有學(xué)者進(jìn)行了類似實(shí)驗(yàn),希望通過增加浮游植物的光合作用率以減少CO2的排出量。當(dāng)然Martin的鐵限制理論仍存在一些質(zhì)疑之處,包括凈第一性生產(chǎn)是否真如他所預(yù)測(cè)的那樣高以及生物泵使有機(jī)碳轉(zhuǎn)移到海洋底層的效率等。近來,日本科學(xué)家已經(jīng)篩選出了幾種能在高濃度CO2下生長的海藻,并計(jì)劃在太平洋海岸進(jìn)行繁殖,以吸收附近工業(yè)區(qū)排出的CO2;美國一些研究人員以加州巨藻為載體,在其上繁殖一種可吸收CO2的鈣質(zhì)海藻,以增加碳的向下轉(zhuǎn)移,而且這類探索研究還在繼續(xù)進(jìn)行著。另外,硅作為控制海洋碳循環(huán)的關(guān)鍵元素之一日益受到研究者的重視,Treguer指出海水中硅含量的增長可促使硅藻超過球藻成為優(yōu)勢(shì),從而減少球藻引起的海水中CO2的凈釋放,他在對(duì)現(xiàn)代南大洋“蛋白石悖論”研究分析后認(rèn)為盡管南大洋是高鹽低產(chǎn)海域,但其CO2生物泵要比原來想象的活躍,這與Schlitzer的全球海洋反轉(zhuǎn)模型中的相關(guān)計(jì)算結(jié)果相當(dāng)一致,而且“硅假設(shè)”也解釋了在LGM期大氣CO2濃度低于間冰期40%的原因。3海底的有機(jī)碳循環(huán)海洋沉積物也是全球碳循環(huán)重要的源與匯,據(jù)估計(jì)大約已有1.2×1016t的CO2以有機(jī)碳沉積的形式存在,屬于很難降解的有機(jī)物質(zhì),而以碳酸鹽的形式存在的CO2則有5×1016t。由于碳垂直遷移過程中的再礦化和海水-沉積物界面的生物呼吸、分解作用,沉積的通量僅為0.1GtC/a,而且主要是在沿岸陸架區(qū);碳酸鹽沉淀量約為0.4GtC/a,但它們是一個(gè)海洋碳循環(huán)中穩(wěn)定和重要的匯。在海水-沉降物界面還存在著溶解、擴(kuò)散和沉積物再懸浮等動(dòng)態(tài)過程,在沉積物上浮水和間隙水中有著很高的DOC、DIC和營養(yǎng)鹽濃度,它們是上升流豐富營養(yǎng)物質(zhì)的源。Ogrinc等在使用穩(wěn)定的碳同位素測(cè)定近岸海洋沉積物中有機(jī)碳再礦化的研究中顯示DIC海底通量主要源于沉積有機(jī)物的降解,夏季當(dāng)硫化物氧化為強(qiáng)的硫酸后,碳酸鹽溶解對(duì)DIC海底通量的貢獻(xiàn)也是很重要的,約占總量的1/4,依據(jù)DIC通量和OC埋藏通量估計(jì)的再循環(huán)效率大于90%。Accornero等研究獅子灣(Gulfoflions)大陸邊緣沉積物-水界面的有機(jī)碳預(yù)算時(shí),認(rèn)為在斜坡區(qū)沉淀的POC有50%累積在沉積物中,50%發(fā)生再礦化;在大陸架地區(qū)則只有31%的POC能夠積累在表層沉積物中,69%的都在沉積物-水界面再礦化了。Otto等分析了歐洲大陸西北邊緣(GobanSpur)沉積物的DOC釋放及其對(duì)海底碳循環(huán)的重要性。他們通過對(duì)沿邊緣的兩個(gè)斷面(一個(gè)是和緩無干擾斜坡,一個(gè)是鄰陡峭峽谷的中心區(qū))的研究發(fā)現(xiàn),間隙水DOC的濃度值明顯大于上覆水中的值,是底層水DOC的源,保守估計(jì)在GobanSpur沉積物中DOC的通量是0.09~0.15mmol/(m2·d),在canyon斷面的通量是0.05~0.16mmol/(m2·d)。河流是陸地碳庫與海洋碳庫的聯(lián)系紐帶,河流攜入的營養(yǎng)鹽及含碳物質(zhì)對(duì)河口、海洋的影響是海洋碳循環(huán)研究的重要方面之一。河口的流體動(dòng)力學(xué),沉積作用和生物地球化學(xué)過程控制著進(jìn)入海洋的物質(zhì)的暫時(shí)停留和輸出。Meybeck根據(jù)不同區(qū)域不同河流的碳輸出率估算了碳通過河流向海洋的輸入(表2),隨后他又進(jìn)一步指出由河流輸入的碳中溶解無機(jī)碳為244×106t/a,溶解有機(jī)碳為199×106t/a,顆粒有機(jī)碳為180×106t/a,分別占碳通量的45%、37%、18%。Hedges等估計(jì)經(jīng)河流輸入海洋的DOC約為0.25×1015gC/a,POC約為0.15×1015gC/a。Schafer在對(duì)Gironde河口區(qū)域進(jìn)行10a(1990~1999年)觀測(cè)后得到其平均POC通量是9.88×109mol/a。4海洋環(huán)流模式在海洋碳循環(huán)研究中,為探討海洋對(duì)正在逐漸增長的大氣CO2量的短期響應(yīng),準(zhǔn)確估計(jì)未來大氣中CO2的濃度,進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來地球氣候的可能變化,同時(shí)深入研究海洋影響大氣CO2濃度的長期效應(yīng),了解過去海洋對(duì)大氣CO2濃度的影響及海洋對(duì)氣候的控制作用,自20世紀(jì)70年代以來人們開始建立各種海洋碳循環(huán)模式。它的發(fā)展經(jīng)歷了從一維到三維的過程,包括箱式模型(BM)、海洋環(huán)流模型(GCM)、海洋生物化學(xué)環(huán)流模型(B-GCM)以及海氣耦合大氣環(huán)流模型等多種類型。箱式模型是把海洋簡單地處理為幾個(gè)或十幾個(gè)(少數(shù)幾十個(gè))均勻混合的箱,箱與箱之間的水流是通過示蹤物的計(jì)算濃度與觀測(cè)分布相符的方法來計(jì)算的,包括箱式擴(kuò)散模型(BD)、露頭模型(OD)、多箱模型(MB)和高度-緯度交換/內(nèi)部擴(kuò)散平流模型(HILD-A)。它們都使用14C進(jìn)行參數(shù)化,均包括了海洋化學(xué)過程及海洋各層間進(jìn)行的混合作用,但MB明確包含海洋生物學(xué)內(nèi)容,而BD和OD等只是將其合并到擴(kuò)散過程的參數(shù)化中,且所有物理現(xiàn)象用單一作用的渦流擴(kuò)散常數(shù),MB和HILD-A則既有平流擴(kuò)散也有渦流擴(kuò)散,另外MB對(duì)碳酸鹽-硼酸鹽的平衡系統(tǒng)做了詳細(xì)處理。海洋環(huán)流模型的水流來自對(duì)真實(shí)海洋動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果,它將海洋分割為網(wǎng)格,對(duì)海洋大面積的過程進(jìn)行平均化處理,并對(duì)海洋的循環(huán)和混合通過各箱間的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移進(jìn)行參數(shù)化。由于它是建立在地球物理流體力學(xué)基本原理的循環(huán)及溫度和鹽度基礎(chǔ)上的,所以更逼真,結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜,調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)相對(duì)困難和費(fèi)時(shí)。目前估測(cè)海洋對(duì)大氣CO2吸收的GCM主要有3種:漢堡模型、普林斯頓模型和巴黎模型。海洋生物化學(xué)環(huán)流模式是包含簡單生物化學(xué)過程的海洋環(huán)流模式,主要由海洋環(huán)流模式、海洋碳化學(xué)和海洋生物過程組成。既能研究海洋流場(chǎng)、溫度和鹽度,又能研究海洋中的各種生物化學(xué)物質(zhì),如營養(yǎng)鹽和溶解氧等,其優(yōu)點(diǎn)如下:(1)以實(shí)際的海洋環(huán)流及生物化學(xué)過程為基礎(chǔ),減少了不確定性;(2)三維模式能更好地模擬海洋自然碳循環(huán);(3)可以有效地研究與CO2有關(guān)的氣候變化及反饋過程,特別是對(duì)海洋環(huán)流與海洋生物過程的相互作用;(4)可以得到CO2空間與時(shí)間的分布,并同觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比,使研究者能更好地分析研究所得到的結(jié)果。海氣耦合大氣環(huán)流模式是鑒于海洋在全球碳循環(huán)中的重要作用,考慮海洋與大氣間存在的熱量、水分、動(dòng)量交換等相互作用而建立的一種新模式。三維海氣耦合大氣環(huán)流模式結(jié)合生物過程模式能給出更精確、更細(xì)致的模擬結(jié)果,將成為未來最主要的研究工具。各種模式的應(yīng)用在當(dāng)前研究中是很普遍的,Louanchi等在研究印度洋大尺度海洋表面的CO2逸度(每月域值)時(shí),使用一維模型模擬控制fCO2變化的主要物理和生物地球化學(xué)過程,并由此得到印度洋(20°N~50°S)一個(gè)0.5GtC/a的凈匯,而Metzl等研究亞熱帶印度洋表層CO2的季節(jié)與年際變化(1986~1994年)時(shí)也使用了一個(gè)包含影響海洋CO2循環(huán)主要過程的一維模型,該模型顯示印度洋亞熱帶匯從1986~1987年的0.1~0.2mol/(m2·a)逐漸增長到1993~1994年的0.5mol/(m2·a)。Kantha建立了一個(gè)結(jié)合靈巧的以秒瞬間停止的湍流為基礎(chǔ)的上層海洋混合層模型即通用一維多因素生態(tài)系統(tǒng)模型(GEM),并把它并入耦合三維物理-生物地球化學(xué)海洋模型中以應(yīng)用于全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力和碳循環(huán)的模擬與研究。Sasai等在研究北太平洋上層碳循環(huán)時(shí)運(yùn)用了一個(gè)包含大體積混合層模型的三維海洋模型模擬混合層TCO2和營養(yǎng)鹽的季節(jié)變化,同時(shí)還測(cè)定上層海洋的平均生物地球化學(xué)范圍。浦一芬等以全球海洋動(dòng)力學(xué)環(huán)流模式模擬的海洋環(huán)流場(chǎng)為基礎(chǔ)建立了一個(gè)全面的二維海洋碳循環(huán)模型,并綜合考慮了海氣碳交換、光合作用和氧化分解、碳酸鈣的產(chǎn)生與溶解、懸浮顆粒物下沉等過程及海洋生物過程的影響;在對(duì)印度洋的模擬中較好地再現(xiàn)了其營養(yǎng)鹽濃度、總碳濃度、總堿度和溶解氧的二維分布。邢如楠在研究氣候變化引起的海洋碳化學(xué)變化時(shí)采用了一個(gè)帶生物泵的三維全球海洋碳循環(huán)模式,假設(shè)海水與海氣界面上一個(gè)CO2充分混合的大氣箱進(jìn)行CO2交換,模式積分1200年達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的海水TCO2、TA及溶解氧的濃度、表層新生產(chǎn)力、海氣分壓差等的分布與實(shí)測(cè)值接近,考慮生物泵與否的海洋吸收CO2差距顯著。5關(guān)于海洋碳匯“未知匯”是指礦物燃燒與毀林等釋放的CO2超過同期地球大氣CO2的增量及海洋吸收量的現(xiàn)象。根據(jù)模型估計(jì),20世紀(jì)80年代以來人類每年向大氣排放的CO2約7GtC,其中約3.2GtC留存在大氣中,2GtC由海洋吸收,剩余1.8GtC到目前仍不能確定其匯,但對(duì)這一數(shù)值的計(jì)算仍存在較大爭(zhēng)議,無論是利用樣點(diǎn)測(cè)定并外推計(jì)算或模型估算都存在較大的誤差。Tans等研究認(rèn)為海洋對(duì)未知碳匯的貢獻(xiàn)十分有限,但許多資料表明碳庫正在由陸地生物圈向海洋遷移,如Freeman等觀測(cè)到在過去12a中英國的斜坡水中的DOC增加了65%,且這一速率與溫度的升高呈正相關(guān)關(guān)系,加之隨河流注入海洋的DOC的貢獻(xiàn)以及海洋碳匯高達(dá)40%的估算誤差,因此有觀點(diǎn)認(rèn)為有近1/3的“碳失匯”可能存在于海洋中或是與海洋有關(guān)。但準(zhǔn)確揭示“碳失匯”還有待其存在機(jī)理研究的深入和定量化研究的開展。6光解氧化和表征準(zhǔn)確、快速、方便地測(cè)定出海水及沉積物中各種碳的含量與存在形式,對(duì)于了解海洋對(duì)CO2的吸收、轉(zhuǎn)化和遷移過程,為海洋碳循環(huán)模式及機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并對(duì)其驗(yàn)證和修正都具有十分重要的意義。目前,應(yīng)用于海水中CO2研究的常用方法有氣相色譜法,紅外吸收法,庫侖滴定法等多種。紅外分光光度法的精確度高、穩(wěn)定性好,振動(dòng)干擾的克服和自動(dòng)分析的發(fā)展使得該法可以達(dá)到與庫侖滴定相比的結(jié)果;庫侖滴定法靈敏度高,取樣少,易于自動(dòng)分析和在線分析,既能測(cè)定常量物質(zhì)也能測(cè)量微量物質(zhì),應(yīng)用很廣。它們是海水CO2分析的主要發(fā)展方向。在DOC的測(cè)定方面,Abdullah等針對(duì)UV方法曝光時(shí)間長、分析率低、DOM不完全氧化的缺點(diǎn),使用一種不溶、無毒和便宜的TiO2半導(dǎo)體催化劑,在短的曝光時(shí)間達(dá)到了最大的氧化效果,提高了半導(dǎo)體催化光解的氧化率和分析效率。Raimbault對(duì)傳統(tǒng)WCO法進(jìn)行了微小的完善,在低堿度條件下用過硫酸鉀將DOC氧化為無機(jī)產(chǎn)物,然后使用3通道的Technicon自動(dòng)分析系統(tǒng)通過比色法自動(dòng)測(cè)定溶解在樣品中的無機(jī)物濃度,顯示了較好的準(zhǔn)確度和精確度,能同時(shí)測(cè)定DOC,DON和DOP,很適合常規(guī)分析和船載工作。Fry等采用一種高溫硫酸鹽分解的新穎燃燒技術(shù)(2H2SO4+CH2O→3H2O+CO2+2SO2)在580℃的溫度條件下氧化在對(duì)流爐中干化的樣品,取得了較好的氧化效果和準(zhǔn)確度。Salgado等則將氮專用Antek705D化學(xué)熒光檢測(cè)器和CO2用LiCorLi6252固態(tài)紅外氣體檢測(cè)器(IRGA)與島津TOC-5000有機(jī)碳分析儀聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了同時(shí)準(zhǔn)確、快速和精密地測(cè)量海水中的DOC和總?cè)芙獾?TDN),精密度為±1μmolC