中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系的多层研究

论文摘要

海洋是全球碳循环至关重要的纽带,它在大陆岩石圈、海底沉积物圈、生物圈和大气圈之间碳的交换、流动过程中占主导地位。研究二氧化碳在海洋中的转移和归宿,即海洋吸收、转移大气二氧化碳的能力以及二氧化碳在海洋中的循环机制等已经成为当今国际海洋科学诸多研究计划,如JGOFS、LOICZ、IGBP等特别是SOLAS研究的重要内容。海水微表层（Sea Surface Microlayer, SML）是介于海洋和大气之间的一个薄层,是海-气界面间物质交换的必由之路。它有着特殊的物理-化学-生物性质,对海洋生物地球化学循环、物质的海-气界面通量、乃至气候等等都有着直接而重要的影响。但是,到目前为止,尚未见到有关海水微表层二氧化碳体系的系统研究。因此本文首次将“海洋微表层”引入中国陆架边缘海域海-气界面二氧化碳循环的研究之中,同时将重点放在表面海水二氧化碳体系DIC、Alk、pH和pCO2四个参量的多层（包括海水微表层SML、海水次表层SSL和海水表层SL）研究上,试图通过对表面海水（特别是微表层）的研究,探寻海-气界面之间碳循环的基本规律及海水微表层在其中所发挥的作用,并希望基于以上研究所得的结果,在海洋和大气之间建立一个全球碳循环的新模型。本文主要进行了以下几方面的工作:（1）首次将“海水微表层（SML）”的概念引入到海-气界面二氧化碳循环的研究中,并对中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系中DIC、Alk、pH、pCO2四个参量的多层分布规律作了系统的研究;（2）首次提出了海洋碳循环过程中的“海水微表层（SML）泵”的概念,建立了“SML泵”的模型和及其“三个推论”;（3）首次将“海水微表层（SML）泵”应用于判断海水是大气二氧化碳的“源”或“汇”以及计算海-气界面二氧化碳通量。本文的主要研究结果如下:

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 海洋碳化学
• 1.1.1 碳循环研究的重要意义
• 1.1.2 海洋中的二氧化碳体系
• 1.1.3 陆架边缘海碳循环的研究现状
• 1.1.4 中国黄海、南海、青岛近海概况及其二氧化碳体系各参量的研究
• 1.1.4.1 黄海概况及其二氧化碳体系各参量的研究
• 1.1.4.2 南海概况及其二氧化碳体系各参量的研究
• 1.1.4.3 青岛近海概况及其二氧化碳体系各参量的研究
• 1.1.5 海水中二氧化碳体系各参数的测定方法
• 1.1.5.1 DIC 的测定方法
• 1.1.5.2 Alk 的测定方法
• 1.1.5.3 pH 的测定方法
• 2 的测定方法'>1.1.5.4 pCO₂的测定方法
• 1.1.6 海水中二氧化碳体系各参数分布的影响因素
• 1.1.6.1 海水温度和盐度的影响
• 1.1.6.2 生物活动的影响
• 1.1.6.3 海洋环流的影响
• 1.1.6.4 河流输入的影响
• 1.2 海洋微表层化学
• 1.2.1 海洋微表层的取样方法及厚度
• 1.2.2 海水微表层的多层模型
• 1.2.3 海洋微表层中各种物质的富集状况
• 1.2.3.1 生物
• 1.2.3.2 营养盐
• 1.2.3.3 痕量金属
• 1.2.3.4 有机物
• 1.3 本论文的研究内容和拟解决的问题
• 2 研究海域站位设置及实验方法介绍
• 2.1 研究海域站位设置及海况
• 2.1.1 黄海海域站位设置及海况
• 2.1.1.1 黄海海域（3 月份航次）站位设置及海况
• 2.1.1.2 黄海海域（5 月份航次）站位设置及海况
• 2.1.2 南海海域站位设置及海况
• 2.1.3 青岛近海海域站位设置及海况
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 样品的采集与处理
• 2.2.1.1 样品的采集
• 2.2.1.2 样品的处理
• 2.2.2 试剂和仪器
• 2.2.2.1 试剂
• 2.2.2.2 仪器
• 2.2.3 DIC 的测定方法
• 2.2.3.1 DIC 分析仪的测定步骤和原理
• 2.2.3.2 DIC 分析仪的精密度和准确度实验
• 2.2.4 Alk 的测定方法
• 2.2.4.1 Alk 分析仪的测定步骤和原理
• 2.2.4.2 Alk 分析仪的精密度和准确度实验
• 2.2.5 其他参量的测定方法
• 2.2.5.1 pH 的测定
• 2.2.5.2 chl-a 的测定
• 2.2.5.3 营养盐的测定
• 2 的计算方法'>2.2.6 pCO₂的计算方法
• 2.2.7 海－气界面二氧化碳通量的计算方法
• 3 黄海春季（3 月份和5 月份）表面海水二氧化碳体系的多层研究
• 3.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究
• 3.1.1 DIC、Alk 及其各分量的平面分布
• 3.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化
• 3.1.3 DIC、Alk 与温度、盐度、经纬度的相关性
• 2的多层研究'>3.2 表面海水pH和pCO₂的多层研究
• 2的平面分布'>3.2.1 pH和pCO₂的平面分布
• 2的周日变化'>3.2.2 连续站pH 和pCO₂的周日变化
• 2 与温度、盐度、经纬度的相关性'>3.2.3 pH、pCO₂与温度、盐度、经纬度的相关性
• 3.3 黄海春季海－气界面二氧化碳通量估算
• 3.4 小结
• 4 南海春季（4-5 月份）表面海水二氧化碳体系的多层研究
• 4.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究
• 4.1.1 DIC、Alk 及其各分量的平面分布
• 4.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化
• 4.1.3 DIC、Alk 与温度、盐度、经纬度的相关性
• 2的多层研究'>4.2 表面海水pH和pCO₂的多层研究
• 2的平面分布'>4.2.1 pH和pCO₂的平面分布
• 2的周日变化'>4.2.2 连续站pH 和pCO₂的周日变化
• 2 与温度、盐度、经纬度的相关性'>4.2.3 pH、pCO₂与温度、盐度、经纬度的相关性
• 4.3 南海春季海－气界面二氧化碳通量估算
• 4.4 小结
• 5 青岛近海四季表面海水二氧化碳体系的多层研究
• 5.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究
• 5.1.1 青岛近海四季DIC、Alk 及其各分量的多层分布
• 5.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化
• 5.1.3 DIC、Alk 与物理、生物参量的相关性
• 5.1.3.1 DIC、Alk 与温度、盐度的相关性
• 4⁺-N、PO₄^3--P、SiO₃^2--Si 的相关性'>5.1.3.2 DIC、Alk 与chl-a、NH₄⁺-N、PO₄^3--P、SiO₃^2--Si 的相关性
• 2 的多层研究'>5.2 表面海水pH 和pCO₂的多层研究
• 2 的多层分布'>5.2.1 青岛近海四季pH 和pCO₂的多层分布
• 2 的周日变化'>5.2.2 连续站pH 和pCO₂的周日变化
• 2 与物理、生物参量的相关性'>5.2.3 pH、pCO₂与物理、生物参量的相关性
• 2 与温度、盐度的相关性'>5.2.3.1 pH、pCO₂与温度、盐度的相关性
• 2与chl-a、NH₄⁺-N、PO₄^3--P、SiO₃^2--Si 的相关性'>5.2.3.2 pH、pCO₂与chl-a、NH₄⁺-N、PO₄^3--P、SiO₃^2--Si 的相关性
• 5.3 青岛近海四季海－气界面二氧化碳通量估算
• 5.4 小结
• 6 海洋碳循环过程中的海水微表层泵（SML pump）
• 6.1 “海水微表层泵（SML pump）”模型
• 6.1.1 “SML 泵”的实验基础
• 6.1.2 二氧化碳分子在海水微表层中的微观结构
• 6.1.3 “SML 泵”和二氧化碳在海水中的循环
• 6.2 “SML 泵”模型的三个推论
• 6.2.1 推论1：pH－深度曲线的左右扭摆的非对称性
• 6.2.2 推论2：浓度－深度曲线的非线性
• 6.2.3 推论3：“SML 泵”作用影响范围的差异性
• 6.3 “SML 泵”的应用
• 6.3.1 “SML 泵”在判断海水是大气二氧化碳“源”或“汇”中的应用
• 6.3.2 “SML 泵”在计算海－气界面二氧化碳通量中的应用
• 6.4 小结
• 7 结论与认识
• 7.1 主要结论和创新点
• 7.2 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录Ⅰ：DIC 标准曲线
• 2测定峰面积(S_CO20及DIC 浓度(μmol·L^-10'>附录Ⅱ：CO₂测定峰面积(S_CO20及DIC 浓度(μmol·L^-10
• -1)'>附录Ⅲ：Alk 浓度(μmol·L^-1)
• 1、pK₂、pK_W）'>附录Ⅳ：二氧化碳体系的解离常数（pK₁、pK₂、pK_W）
• （C）0、Omega_（A）'>附录Ⅴ：方解石和文石的饱和度(Omega_{（C）0、Omega（A）}
• 附录Ⅵ：DIC、Alk、pH 实测值与计算值的比较
• total0、pH_sws、pH_free'>附录Ⅶ：pH 的各种形式(pH_{total0、pHsws、pHfree}
• 2的各种形式（fCO₂和xCO₂）'>附录Ⅷ：pCO₂的各种形式（fCO₂和xCO₂）
• CO₂ 数据'>附录Ⅸ：黄海和南海连续站 F_CO2数据
• 博士期间的主要学术成果
• 致谢