南海无机碳代谢及其在碳循环中的作用初探

论文摘要

无机碳代谢（钙化／溶解作用）和有机碳代谢（光合／呼吸作用）是调节海洋碳循环的两个主要生物过程。其中，光合／呼吸作用的净效应将表层海洋中的二氧化碳（CO2）以有机碳形式固定至深层海洋，而净碳酸钙（CaCO3）生产却驱使海洋CO2增加。本论文首次从无机碳代谢出发，调查了南海多个区域的颗粒无机碳（PIC，主要为CaCO3）和溶解钙离子(Ca2+)，旨在描绘南海CaCO3和Ca2+分布，比较不同区域间两者行为的差异；初步探讨控制CaCO3和Ca2+行为的过程，评估无机碳代谢活动在南海的重要性，并与有机碳代谢进行比较。本论文的研究区域包括以南海北部海盆为代表的深水区域，以南海北部陆架为代表的近岸河口区域，及以西沙永兴岛周边礁盘为代表的珊瑚礁生态系统。测定参数除PIC和Ca2+外，还包括颗粒有机碳（POC）和碳酸盐系统，如CO2分压（pCO2）、总碱度（TAlk）、总溶解无机碳（DIC）等相关支持数据，所有参数都采用国际标准方法测定。我们的实验结果表明，秋季南海北部海盆这一半封闭寡营养盐海区的表层PIC浓度范围为0．14-0．24μmol CL-1，低于POC近一个量级。而冬季由于南海水体混合增强，浮游植物初级生产力相应提高，各调查区域PIC和POC均有不同程度的增加。2006年12月，吕宋深海区真光层内的PIC浓度约为1μmol C L-1，高出秋季北部海盆一个量级，PIC／POC浓度比值可达1：2；而南海西部上层水体的PIC浓度更高，可达2μmol C L-1，PIC／POC浓度比值也一般大于1：2，暗示了这些区域应有较强的钙化作用；在南海北部陆架至陆坡区域，由于同时受珠江冲淡水陆源输入的影响，PIC最高可达0．8μmol C L-1，整体水平高出北部海盆3-4倍。PIC最高值发生在西沙珊瑚礁这一钙化生态系统中，冬季表层水体的PIC浓度一般大于1μmol C L-1，最高可达3μmol C L-1，PIC／POC浓度比值接近1。根据碳酸盐系统等相关数据，我们估算出南海北部海盆真光层内和西沙珊瑚礁生态系统的钙化／光合比值分别为～1：14和1：4-1：3，指示了有机碳生产在海盆区占绝对主导地位，而珊瑚礁系统的钙化作用不可忽视。另外，南海北部海盆100m水深处的CaCO3和有机碳输出通量比仅为0．12，与该区域真光层内的PIC／POC浓度比值吻合，也证明了该区域无机碳生产力较低。南海Ca2+分布显示，北部海盆区水深500 m之下的实测Ca2+显著高出基于保守行为假设下的计算值（两者之差即所谓的超额钙，Excess Ca），超额钙的形成可能是热力学因素和质子通量共同控制下的CaCO3溶解导致。吕宋深海区500m以深水体中也存在超额钙，但南海西部深水区域的超额钙并不明显，这可能与该区域具有较高的PIC浓度相关。而在南海北部陆架至陆坡表层水体中，Ca2+分布受到河海水混合的影响，近岸浓度低(最低约为9．80 mmol kg-1)，远岸浓度高(最高接近10．00 mmol kg-1)，但在陆坡深水海区也存在超额钙，其量级与北部海盆区接近。西沙珊瑚礁生态系统的Ca2+部分呈现亏损状态（Depletion），指示了该珊瑚礁系统具有较强的钙化作用。总之，南海北部海盆区域的无机碳代谢并不显著，表现出一般大洋的特征。但是，垂直混合、陆源输入、生物活动等因素又会造成南海其它区域的CaCO3和Ca2+行为产生差别。其中，珊瑚礁生态系统的信号最为强烈，生物钙化导致高PIC和低Ca2+浓度的同时，对群落代谢和系统碳循环也具有潜在的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 3循环研究概况'>1.1 CaCO₃循环研究概况
• 1.1.1 碳酸盐泵与有机质泵的耦合机制
• 1.1.2 碳酸盐泵与有机质泵的耦合现象
• 1.1.2.1 珊瑚礁碳循环
• 1.1.2.2 球石藻水华
• 1.1.2.3 开阔大洋PIC/POC输出通量比
• 2+非保守行为'>1.1.3 Ca²⁺非保守行为
• 1.1.3.1 超额钙
• 2+非保守行为'>1.1.3.2 其它Ca²⁺非保守行为
• 3循环研究现状'>1.2 南海CaCO₃循环研究现状
• 1.3 研究内容和目标
• 1.4 论文框架
• 第二章 研究区域和方法
• 2.1 研究区域概况
• 2.1.1 南海气候
• 2.1.2 南海水团
• 2.1.3 南海珊瑚礁
• 2.2 样品采集与分析方法
• 2.2.1 航次描述与采样情况
• 2.2.2 分析方法
• 2.2.2.1 PIC、POC测定
• 2+测定'>2.2.2.2 Ca²⁺测定
• 2测定'>2.2.2.3 表层海水和大气pCO₂测定
• 2.2.2.4 温度、盐度等参数连续测定
• 2.2.2.5 碳酸盐系统及其它参数测定
• 2.3 数据处理方法
• 2数据处理方法'>2.3.1 pCO₂数据处理方法
• 2.3.2 无机碳/有机碳代谢吸收DIC摩尔比计算方法
• 2.3.2.1 TAlk Vs.DIC
• 2.3.2.2 均质缓冲系数
• 3/有机碳（OC）输出通量比间接估算方法'>2.3.3 CaCO₃/有机碳（OC）输出通量比间接估算方法
• 2.3.4 超额钙计算方法
• 3分布特征和控制过程'>第三章 南海CaCO₃分布特征和控制过程
• 3.1 不同区域PIC、POC分布特征
• 3.1.1 南海北部海盆
• 3.1.2 南海北部陆架至陆坡
• 3.1.3 吕宋附近区域
• 3.1.4 西部深水区域
• 3.1.5 西沙珊瑚礁生态系统
• 3行为的过程'>3.2 控制CaCO₃行为的过程
• 3.3 典型区域无机碳、有机碳代谢权重
• 3.3.1 南海北部海盆
• 3.3.2 西沙珊瑚礁生态系统
• 2等参数周日变化'>3.3.2.1 pCO₂等参数周日变化
• 3.3.2.2 无机碳/有机碳代谢吸收DIC比值
• 2+分布特征和控制过程'>第四章 南海Ca²⁺分布特征和控制过程
• 2+分布特征'>4.1 不同区域Ca²⁺分布特征
• 4.1.1 南海北部海盆
• 4.1.2 吕宋和西部深水区域
• 4.1.3 南海北部陆架至陆坡
• 4.1.4 西沙珊瑚礁生态系统
• 2+行为及控制过程'>4.2 不同Ca²⁺行为及控制过程
• 4.2.1 超额钙及其形成原因
• 4.2.2 其它行为及其控制过程
• 第五章 结论
• 5.1 本论文总结
• 5.2 尚未解决的科学问题和工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢