加拿大圣劳伦斯河口水中一氧化碳的生物地球化学循环

加拿大圣劳伦斯河口水中一氧化碳的生物地球化学循环

论文摘要

一氧化碳(CO)在海洋有机碳循环过程中起着非常重要的作用。表层海水中的CO主要是通过有色溶解有机物(CDOM)的光降解产生的,其中大部分被微生物所消耗,一小部分通过海气界面扩散进入大气。另外,溶解有机物(DOM)在无光环境中也会分解产生一部分CO。CO的光致生成量在大洋水中已经有了比较合理的界定,但是在河口和近岸水中的产量还不清楚。与光化学反应相比,CO微生物消耗的研究迄今为止开展较少,暗反应的研究则几乎没有。本文系统研究了加拿大圣劳伦斯河口水中CO的光化学反应、暗反应和微生物消耗,在此基础上对其生物地球化学循环做了平衡预算。进而把暗反应速率方程推广应用到全球海域,计算了全球海洋中CO的暗反应产量和深海稳态浓度,并对CO的微生物消耗量进行了估算。CO的光致生成受水温和CDOM的起源(陆源vs.海源)及光照时间的影响。为了便于比较,CO量子产率(Φco(λ))经太阳光量子通量(Q(λ))加权平均后简化为一个数值Φco。Φco随着盐度的增加(0-33)而降低,并与254 nm处的比吸光系数(SUVA254)有良好的线性正相关;这表明陆源CDOM光降解产生CO的效率高于海源CDOM。光照会引起CDOM的吸光系数降低,即光脱色。光脱色能显著降低低盐度水样的Φco,在光脱色的初始阶段降幅最大;但是对高盐度水样几乎没有影响。温度每升高20oC,低盐度水样的Φco升高70%而高盐度水样仅仅升高30 - 40%。上述结果表明:水温和CDOM的起源及光照时间都对CO的光致生成有显著影响。在构建各种时空尺度的光化学模型时,都应充分考虑到上述因素的影响。通过多元线性回归分析拟合出了Φco与各变量的关系方程,据此计算出圣劳伦斯河口水中CO的光致生成量为26.2 Gg CO-C a-1。CO的暗反应速率(Qco)在水平方向自上游至下游依次递减,垂直方向自上至下递减。Qco与CDOM的含量呈线性正相关。陆源DOM产生CO的效率高于海源DOM。Qco与温度的关系服从线性阿伦尼乌斯行为,低盐度水样的反应活化能高于高盐度水样。Qco在pH 4-6时保持相对稳定,pH 6-8时缓慢增长,随着pH的进一步增加迅速升高。离子强度和铁对Qco几乎没有影响。通过多元线性回归分析拟合出了Qco与各变量的关系方程,据此计算出圣劳伦斯河口水中CO的暗反应产量为4.06 Gg CO-C a-1。CO的微生物消耗实验在船上现场测定。当水样中CO含量较低(通常[CO] < 12 nmol L-1)时,CO微生物消耗呈一级反应的特征,一级反应速率常数(Kco)随盐度的增加而降低,即Kco在低盐度的上游区段和Saguenay河高于圣劳伦斯湾。表层水中的Kco的变化范围:五月0.053 -1.01 (中间值: 0.14) h-1、七月0.081- 0.60 (中间值: 0.27) h-1、十月0.035 - 0.71 (中间值: 0.13) h-1、十二月0.024 - 0.38 (中间值: 0.032) h-1。Kco的变化主要受水温和细菌浓度的影响。温度每升高10oC, Kco升高40 - 80% (平均值: 53%)。反应活化能22-38 (平均值: 28) kJ mol-1。在[CO] 0-15 nmol L-1的范围内,CO的微生物消耗服从Wright-Hobbie动力学;随着[CO]的进一步升高,反应出现抑制现象。Wright-Hobbie动力学参数:最大消耗速率(Vmax)为0.15- 4.3 (平均值: 0.72) nmol L-1 h-1,并与盐度大致呈负相关;半饱和浓度(Km)为1.7- 6.5 (平均值: 4.1) nmol L-1,与其它参数没有关联。通过多元线性回归分析拟合出了Kco与各相关变量的关系方程,计算出圣劳伦斯河口表层水中CO的微生物消耗量为24.7 Gg CO-C a-1。圣劳伦斯河口水中CO的总产量为30.3 Gg CO-C a-1,其中光化学反应贡献了87%,是主要的来源,暗反应贡献了13%,是次要来源。表层水中CO的微生物消耗量占总产量的~81%,是主要的汇。考虑进海气扩散的影响,表层水中CO的总消耗量占总产量的~91%,源和汇基本持平。全球海洋中的CO暗反应产量为17.10 Tg CO-C a-1,其中91%产自大洋,9%产自近岸,或者54%产自表面混合层,46%产自次表层。与最新的全球海洋CO光致生成量(50 Tg CO-C a-1)相比,CO的暗反应产量是显著的。表层海水中的暗反应对海气通量的贡献约为15.7%。根据深海CO的稳态理论计算出大洋深处[CO](0.05-0.1 nmol L-1)接近当今测量技术的方法空白。全球海洋中CO的微生物消耗量估计为63.58 Tg CO-C a-1。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 前言
  • 1.1 海水中CO的生物地球化学循环及其研究意义
  • 1.2 海水中CO的光致生成
  • 1.2.1 光化学反应的相关术语
  • 1.2.2 海水中的有色溶解有机物
  • 1.2.3 海水中CO光致生成机理
  • 1.2.4 CO光致生成的影响因素
  • 1.3 海水中CO的暗反应
  • 1.4 海水中CO的微生物消耗
  • 1.5 存在的问题
  • 1.5.1 CO光致生成研究中存在的问题
  • 1.5.2 CO暗反应研究中存在的问题
  • 1.5.3 CO微生物消耗研究中存在的问题
  • 1.6 研究目标
  • 2 实验部分
  • 2.1 采样区域
  • 2.2 CO的光致生成
  • 2.2.1 水样的采集和预处理
  • 2.2.2 水样的人工光脱色
  • 2.2.3 光照测定CO的光致生成量
  • co(λ) 的测定'>2.2.4 Φco(λ) 的测定
  • 2.3 CO的暗反应
  • 2.3.1 水样的采集和预处理
  • 2.3.2 空白检测
  • co'>2.3.3 船上现场测定Qco
  • co'>2.3.4 陆地实验室测定Qco
  • 2.4 CO的微生物消耗
  • 2.4.1 一级反应速率常数的测定
  • 2.4.2 Wright-Hobbie动力学方程参数的测定
  • a)与阿伦尼乌斯方程'>2.5 反应活化能(Ea)与阿伦尼乌斯方程
  • a的计算'>2.5.1 Ea的计算
  • 2.5.2 线性阿伦尼乌斯行为与非线性阿伦尼乌斯行为
  • 2.6 样品分析
  • 2.6.1 [CO]的测定
  • 2.6.2 吸收光谱的测定
  • 2.6.3 [DOC]的测定
  • 2.6.4 细菌总浓度的测定
  • 2.6.5 盐度的测定
  • 2.6.6 pH的测定
  • 2.7 实验仪器和试剂
  • 2.7.1 实验仪器
  • 2.7.2 实验试剂
  • 3 圣劳伦斯河口表层水中的CDOM
  • 3.1 CDOM的水平分布
  • 3.2 CDOM的吸光系数谱图
  • 3.3 CDOM的吸光比例
  • 3.4 小结
  • 4 圣劳伦斯河口水中CO的光致生成
  • 4.1 对测量方法的总体评估
  • 4.1.1 精确度评估
  • 4.1.2 准确度评估
  • 4.2 CO的量子产率谱
  • 4.3 CO光致生成的响应曲线
  • 4.4 CDOM的来源对CO量子产率的影响
  • 4.5 温度对CO量子产率的影响
  • 4.6 CDOM光脱色程度对CO量子产率的影响
  • 4.7 在模型研究中的应用
  • 4.8 光致生成量
  • 4.8.1 太阳光量子通量
  • co 的计算'>4.8.2 (Φ|ˉ)co的计算
  • 4.8.3 产量计算
  • 4.9 小结
  • 5 圣劳伦斯河口水中 CO 的暗反应
  • co的空间分布'>5.1 Qco的空间分布
  • 5.2 CO暗反应的影响因素
  • co 与[CDOM]'>5.2.1 Qco与[CDOM]
  • co 的影响'>5.2.2 温度对 Qco的影响
  • co 的影响'>5.2.3 pH对 Qco的影响
  • co 的影响'>5.2.4 储存时间、离子强度、铁离子、和颗粒物对 Qco的影响
  • 5.3 多元线性回归分析
  • 5.4 暗反应产量
  • 5.5 小结
  • 6 圣劳伦斯河口水中CO的微生物消耗
  • 6.1 一级反应动力学
  • co的水平分布'>6.1.1 Kco的水平分布
  • co的垂直分布'>6.1.2 Kco的垂直分布
  • co的影响'>6.1.3 温度对Kco的影响
  • 6.2 Wright-Hobbie动力学
  • 6.3 多元线性回归分析
  • 6.4 微生物消耗量
  • 6.5 小结
  • 7 CO生物地球化学循环的平衡预算
  • 7.1 圣劳伦斯河口表层水中CO生物地球化学循环的平衡预算
  • 7.2 在全球海洋中的推广应用
  • 7.2.1 暗反应产量的计算
  • 7.2.2 微生物消耗量的估算
  • 7.3 小结
  • 8 结论
  • 9 参考文献
  • 10 附录
  • 11 致谢
  • 12 个人简历
  • 发表的学术论文
  • 相关论文文献

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