中国海洋碳循环生物地球化学过程研究的主要进展(1998-2002)

阐述了1998-2002年期间中国海洋碳循环及其生物地球化学过程研究的3个主要进展部分：（1）海-气二氧化碳通量过程；（2）海水中碳及其生物地球化学循环；（3）入海河流流域土壤和沉积物在海洋碳循环中的作用；海洋与陆家容纳了近一半人类排放的二氧化碳，另外的50%被释放到大气中，海洋在缓和二氧化碳温室效应方面的作用不言而喻的，海洋储有的碳主要以无机碳的碳酸盐（CO3^2-）和碳酸氢盐（HCO3^-）的形式存在。海洋生态系统通过生物泵的作用驱动大气CO2进入海洋，在表面混合层中，由于生物的光合作用，CO2不断被转化成有机碳和生物碳酸盐，并进一步从表层CO2向深层转移，形成了海洋碳循环的主要途径，海洋水体中碳循环过程受到河口与近海碳的形态，转化，分布，迁移和生物生产过程等影响，海洋生物泵明显影响着海洋对空气中CO2的容量，春季和冬季东中国海皆为大气二氧化碳的汇，夏季皆为二氧化碳的源，秋季渤海与北黄海为二氧化碳的汇，南黄海与东海是二氧化碳的源。入海河流流域土壤，非入海河流流域的土壤和海洋沉积物在碳的来源，分布，含量以其迁移循环中具有重要的作用。     

北冰洋太平洋扇区碳循环过程对环境变化响应的研究进展与展望

全球碳增汇需求高涨,海冰消退后的北冰洋被期待是一个主要的潜在碳增汇区。北冰洋太平洋扇区因受控于楚科奇海及其邻近海域较高的海洋固碳效率和碳深海封存量,在整个北冰洋碳循环中起着举足轻重的作用。开展该海域碳循环过程对环境快速变化的响应机制研究是实现北冰洋碳汇精准预测的基础。本文重点阐述了楚科奇海及其邻近海域碳循环过程（即海洋对大气二氧化碳的吸收、生物固碳、太平洋入流携带碳经陆架生物地化过程后向深海输出封存的陆架泵）对北冰洋环境快速变化的响应,并提出未来研究需要聚焦的关键科学问题。     

鱼类在海洋碳循环中的作用及研究展望

碳中和是应对气候变化的必由之路,海洋负排放是实现碳中和的重要途经。海洋作为地球最大碳库,研究发现越来越多的海洋和海岸带生物参与碳循环,并对海洋碳汇产生重要贡献。鱼类作为海洋生态系统中最重要组成部分之一,其在海洋碳循环中的作用还没有引起足够的重视。最新研究表明海洋鱼类在无机碳循环中发挥了重要作用,深化对鱼类参与碳循环过程的认识、量化其固碳潜力将有助于丰富海洋碳循环研究。本文首先系统梳理了鱼类参与碳循环的过程和机制等研究进展。鱼类通过产生碳酸盐粪便、水平和垂直迁移运输、生物扰动、生物碳和“尸体”碳以及食物网消耗与传输等方式参与海洋碳循环。鱼类参与碳循环的证据和参与海洋碳循环的重要性逐渐凸显。其次,本文提出目前鱼类参与碳循环研究存在的问题与挑战,包括渔业捕捞源汇之争、水产养殖业的机遇和挑战以及准确量化鱼源碳酸盐的困难,仍有待理论和方法学的深化研究和技术的革新去解决。最后本文提出鱼类参与碳循环的研究展望,及其在全球气候变化背景下的潜在机遇,同时结合当前渔业碳汇的发展进程以及行业需求,提出渔业减排固碳发展路径建议。本文旨在提升鱼类在海洋碳循环贡献和服务生态系统的潜力的认识,为海洋碳汇和渔业碳汇研究提供新的视角。     

海洋碳汇作用机理与发展对策

为应对全球性气候变化,提高对海洋碳汇的科学认知,文章介绍海洋碳汇及其碳循环模式,分析海洋碳汇面临的困境,并提出相关建议。研究结果表明:碳分为黑碳、褐碳、绿碳和蓝碳4种类型,其中蓝碳即海洋碳汇,即通过海洋固定和储存二氧化碳,是全球碳循环的重要机制;海洋碳汇由溶解度泵、生物泵和微型生物泵3种碳泵共同完成,其中依赖海洋微生物的微型生物泵储碳效率最高;海洋碳汇正面临生境基础退化和海洋酸化加剧的问题,未来应针对问题加强政策性管理和保护以及加强科学技术研究和实践。     

海洋沉积物中碳的来源、迁移和转化

人类活动每年向大气排放的CO2约为65亿t，其中留在大气中的约占50%，大洋吸收约16亿-20亿t，陆地生态系统大约吸收0.7亿~1.4亿t(Bates，2001；Battle et al.，2000),还有大约13亿t找不到去处，称为大气CO2丢失项，而陆架边缘海有可能是这丢失项的去处。近海沉积物是大气二氧化碳的接受者，同时当条件合适时沉积物中的碳又可被释放重新进入水体乃至大气中，是碳循环中的重要源与汇，因此海洋沉积物在碳循环中的作用是全球碳循环的一个关键环节。虽然近十年来这方面的研究已经引起众多学者的关注，对沉积物中的碳循环进行了较大量的研究，取得了一系列成果，但海洋沉积物在碳循环中的作用和过程至今并未查清，具体体现在海洋沉积物在海洋碳循环中起什么作用？起多大作用？在哪些方面影响和控制海洋碳循环？这些均需要科学家们长期的艰苦努力，以便在更深入、更系统和更高层次上研究解决困扰当今人类的涉及碳循环这一重大环境科学问题。 海洋沉积物为海洋环境中的一个主要研究对象，其中的碳与水体-生物体以及大气、入海河流等进行着不间断的交换、大气中的气体碳经过复杂的海洋生物地球化学过程转化为水体中的溶解碳，再变为颗粒碳，经沉降最终形成沉积物，在适宜的条件下上述的反过程同样会发生。因此，研究海洋沉积物中的碳在其循环中的作用是非常困难的。碳是最主要的生源要素，更是生命活动能流、物流中最重要的元素，几乎所有的生物地球化学循环过程都与它有关，因而有关碳循环的研究是目前全球变化研究的热点。许多国际研究计划均以此为核心研究内容。如国际地圈与生物圈计划(IGBP)中的全球海洋通量联合研究(JGOFS)、全球生态系统动力学(GLOBEC)以及上层海洋与低层大气研究计划(SOLAS)等(唐启升，2001；宋金明，2000)。碳循环研究以 JGOFS计划2001年基本结束为标志，通过近十几年的研究，取得了丰硕的成果，系统了解了海洋循环的过程及界面碳通量，对全球碳循环也有了一个初步的了解。为进一步深入开展这方面的研究作者从海洋沉积物中碳的形态与来源、海水及颗粒物中碳与沉积物碳的关系、表层沉积物再悬浮对碳循环的影响以及沉积物中碳的早期成岩作用等几个方面阐述了海洋沉积物中碳循环目前的研究进展。     

中国近海碳循环研究的主要进展及关键影响因素分析

海洋是地球碳的最重要贮存库之一,是全球碳循环系统的一个至关重要的子系统和大气CO2的汇.海洋碳循环过程不仅涉及海洋生物生产过程、化学能流与物流过程,还与不同时空尺度的海洋环流、大气动力学过程密切相关.大洋碳循环是海洋碳循环的主体.边缘海是陆地与大洋的连接带,虽然面积远比大洋小,但由于人类活动的影响以及河流径流不断向其输入丰富的营养物质,致使其中发生的生物地球化学过程比大洋复杂,所以,探明近海碳循环过程是全世界海洋学家必须要面对而且是与大洋碳循环相比更为难解、更具挑战性的研究课题[1, 2].     

海洋沉积有机物质的降解及其模式

作为长期碳汇,海洋沉积物中埋藏的大量有机碳对全球碳循环和气候变化有重要影响。有机碳从海洋输出到沉积物中后,在沉积物中还要经历有氧降解和无氧降解。有机物降解是一个十分复杂的过程,影响这一过程的因素有很多,包括有机物本身的分子结构和组成种类;氧化还原状态;有机物所附着的基质;温度、压力、盐度等物理环境因素以及生物因素。研究沉积有机碳的含量及埋藏量变化首先需要校正降解对沉积有机碳含量的影响。降解模式是定量估算降解对沉积有机碳的影响的一个主要手段。在前人的研究基础上,讨论了影响沉积有机碳降解的因素,对降解模式的研究进展和应用进行了综述,提出了未来降解模式的发展中存在的问题。     

深海甲烷、二氧化碳原位探测技术与装置研究进展

甲烷、二氧化碳的地质和生物地球化学循环对海洋环境和全球气候变化有着重要影响,其在深海环境中通常以气泡或流体的形式向四周扩散,甲烷还是探测海底天然气水合物资源的重要指标之一.目前,国内外研究团队提出了各种背景下原位探测海洋溶解甲烷、二氧化碳的新技术、新方法,以促进对海洋碳循环的研究.简述了基于电化学技术、光学技术、质谱技...     

热带西太平洋海水和大气碳化学是的测试和应用

海洋是海气交换的敏感区,同时对调节全球气候的冷、暖也具有决定性的作用。海洋和大气中ＣＯ２含量的变化也会直接影响气候的变化。本文主要介绍热带西太平洋海水和大气中二氧化碳分压（ＰＣＯ２）、海水总溶解二氧化碳（ＴＣＯ２）的测试方法以及所得数据在碳循环方面的应用。目前在国内对海洋碳体系能够系统测试甚少,所得数据非常珍贵,地将来研究我国和世界的气候都有关不可忽视的作用。     

热带西太平洋海水和大气碳化学量的测试和应用

海洋是海气交换的敏感区,同时对调节全球气候的冷、暖也具有决定性的作用。海洋和大气中ＣＯ２含量的变化也会直接影响气候的变化。本文主要介绍热带西太平洋海水和大气中二氧化碳分压（ＰＣＯ２）、海水总溶解二氧化碳（ＴＣＯ２）的测试方法以及所得数据在碳循环方面的应用。目前在国内对海洋碳体系能够系统测试甚少,所得数据非常珍贵,对将来研究我国和世界的气候都有着不可忽视的作用。     

温度控制对分光光度法测定pH的影响

海洋中二氧化碳含量增加,使得海洋生态环境发生变化。海洋碳循环及海洋酸化的监测数据是评估生态环境变化的重要指标,p H作为一项碳循环监测重要指标,其测量的精度指标要求达到千分之五,传统意义上的敏感电极法测量海水中p H测量精度为±0.2,已不能满足海水碳循环监测的要求,分光光度法测定海水p H无需校正,精密度±0.005,该方法可用于碳循环船基监测和岸基监测。分光光度法测定海水p H,测量环境和样品恒温于25℃,一般商用分光光度计无恒温功能,本研究通过恒温水循环系统,对分光光度计舱内侧壁及比色皿架外壁进行恒温设计,准确控制温度。结果表明,标准缓冲溶液在24.0℃,24.5℃,25.0℃,25.5℃和26.0℃下,p H随温度呈线性变化、5组实测p H值与公式计算理论值差值无显著差异。在25.0℃测定5个不同海水样本p H,均得到了稳定数值。     

两代耦合海浪的地球系统模式FIO-ESM全球碳循环过程发展

自然资源部第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM是自主研发的、以耦合海浪模式为特色的地球系统模式,包括物理气候模式和全球碳循环模式。该模式从第一代版本FIO-ESM v1.0发展到第二代版本FIO-ESM v2.0,其物理气候模式和全球碳循环模式都取得了改进与提升。FIO-ESM v2.0全球碳循环模式的海洋碳循环模式由v1.0的营养盐驱动模型升级为NPZD（Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus）型的海洋生态动力学碳循环模型,陆地碳循环模型由v1.0的简单的光能利用率模型升级为考虑碳氮相互作用的碳氮（CN）耦合模型;大气碳循环模型仍为CO₂的传输过程,考虑了化石燃料排放、土地利用排放等人为CO₂排放量。在物理过程参数化方案方面,FIO-ESM v2.0全球碳循环过程在考虑浪致混合作用对生物地球化学参数的作用的基础上,增加了海表面温度的日变化过程对海-气CO₂通量的影响。已有数值模拟试验结果表明,FIO-ESM v2.0在考虑了更加复杂的碳循环过程后仍具有较好的全球碳循环模拟能力,为进一步开展海洋与全球碳循环研究提供了更有力的支撑工具,从而更好地服务于国家的双碳目标。     

陆架海碳循环模式研究现状与进展

海洋对CO2的吸收缓解了大气CO2浓度的持续上升,陆架海因其较高的初级生产而具有较强的固碳能力,在海洋碳循环中占据重要角色。然而由于陆架海过程时空变化剧烈,陆架海对人为CO2源/汇作用的动态格局还存在争议,陆架海碳循环的调控机制尚不清晰。IPCC AR4所采用的气候-碳循环耦合模型均未考虑陆架海碳循环,使其成为气候预测不确定性的主要来源之一。建立适宜的陆架海碳循环模型,可以探究陆架海不同区域CO2源/汇格局的长期变化,估算碳循环各关键过程的贡献,认识碳循环系统与生态系统的相互作用,评估陆架海碳循环在气候变化中的作用。基于陆架海碳循环模型研究现状,从物理过程、生物泵、碳化学系统等三个主要方面总结了陆架海碳循环模式在建模中应考虑的关键过程,提出了构建东中国陆架海碳循环模式的基本思路及拟解决的关键科学问题。     

~(234)Th/~(238)U不平衡法及其在海洋颗粒物循环研究中的应用

一直以来,对于测定从海洋表层到深层整个全水柱的颗粒物输出通量都是一个很大的挑战。放射性元素~(234)Th因其合适的半衰期(t_(1/2)=24.1d)和超强的颗粒物活性而被广泛应用于示踪颗粒物的循环以及和生物有关的海洋过程,并且~(234)Th/~(238)U不平衡法因其采样简单且能得到高分辨率的垂向和水平向数据而具有更远的发展前景。主要介绍了~(234)Th/~(238)U不平衡法的原理、发展历史、采样和分析方法及其在海洋颗粒物循环过程和其他海洋学研究中的应用、存在的问题和发展前景,并重点探究其对于研究颗粒物有机物再矿化过程和受控机制以及深海碳循环的可能。     

芦苇和海洋微藻有色溶解有机物的吸收和荧光光谱特征分析

有色溶解有机物(CDOM)是海洋碳循环的重要组成部分,其来源、组成和特性是揭示复杂的河口过程的重要依据。本文选取北方河口地区有机碳的主要贡献者,芦苇和海洋微藻,研究其生产的CDOM的吸收光谱和荧光光谱特征。结果显示,芦苇和海洋微藻CDOM吸光度随波长缩短呈指数增长,Sg值与M值之间呈对数型正相关;采用PARAFAC方法解析CDOM荧光三维谱图(EEMs),共识别出3种荧光组分:类色氨酸、类酪氨酸和类腐殖质。芦苇和海洋微藻新溶出或分泌的类酪氨酸组分,其结构基本相同;细胞破碎裂解产生的类色氨酸组分,其结构存在一定差异;类腐殖质组分来源于芦苇和海洋微藻细胞分泌物质降解或细胞破碎裂解产物。     

海洋生物泵研究进展

海洋生物泵是以一系列海洋生物为介质将大气中的碳输运到海洋深层的过程,是海洋碳循环的重要组成部分以及未来的研究重点。本文系统地描述了海洋生物泵碳汇几个主要阶段:浮游植物沉降,浮游动物粪球颗粒沉降,透明胞外聚合颗粒物(TEP)沉降和海雪沉降以及碳酸盐反向泵过程。同时,本文对南海生物泵的研究进展进行简要介绍,服务于中国海碳循环。     

海洋漩涡增强全球变暖

洋流能够把海底的碳和营养物质“吸”上来,从而促进海洋有机物的生长。一项新的研究表明,洋流似乎不能减少地球大气中二氧化碳的生成,恰恰相反,它很可能最终成为温室气体的一个稳定来源。     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。     

典型自然源气溶胶沉降引起的海洋初级生产响应

大气沉降是陆源物质向海洋输入营养盐的重要方式,沙尘、野火和火山喷发均能够产生气溶胶,这些典型的自然源气溶胶在风场的作用下,能够进行远距离的输运,期间由于沉降作用进入海洋,为上层海洋提供限制性营养盐促进海洋浮游植物生长,提升海洋的初级生产力,促进碳循环过程。以海表叶绿素浓度作为海洋初级生产力的重要指标,通过海表叶绿素浓度的响应,探究沙尘、野火和火山这三种典型自然源气溶胶的传输路径及其沉降对海洋初级生产的影响。结果显示,海洋初级生产对气溶胶沉降的响应不仅与气溶胶排放类型有关,也与温度、动力过程、光合有效辐射等海域初级生产影响因素有关,体现了海洋初级生产对自然源气溶胶的敏感性,自然源气溶胶沉降所驱动的海洋初级生产在全球碳循环中具有重要的潜在影响。     

南海东北部海区的溶解有机碳

碳是生态系统中重要的生命元素之一。近年来,海洋学家们对海水中溶解有机质的研究已经引起了很大的注意。海水中总有机质的重要来源是海洋内部的生物学过程,包括浮游植物通过光合作用固定二氧化碳,浮游植物的直接分解,死细胞的溶解和部分矿化、海洋沉积物的再悬浮作用和河流以及大气将陆源有机质搬入海洋等。这些溶解有机物很快被异氧生物(主要是微生物)所利用,可能也有不到10％的溶解有机质变成大分子量的络合物混进难溶的残质中沉到海底。目前,一般采用有机碳的测定