海水中文石溶解、沉淀速率及动力学研究

利用free-drift开放反应系统,在恒压力(1×105Pa)、恒温度(25.0℃±0.2℃)环境下,研究人工海水中近溶解、沉淀平衡状态时二氧化碳分压(pCO2)的变化对文石溶解、沉淀速率及其动力学方程的影响。每组实验中通入混合气体的pCO2分别为2300×10-6和320×10-6两种,并保持通入气体的pCO2恒定,通过实验得到了这两种pCO2环境下,文石的溶解和沉淀速率及动力学方程。研究结果表明:(1)文石在近溶解、沉淀平衡附近,溶解速率相对于Ac(碳酸盐碱度值)或?(饱和度)的变化速率要大于沉淀速率相对于Ac或?的变化速率;(2)Ac相同时,pCO2越高,溶解速率越高,沉淀速率越低;?相同时,亦是如此;(3)溶解实验中,在?0.8的区间内,反应液和混合气体之间pCO2平衡,反应级数n介于9～10之间;沉淀实验中,文石的反应级数介于2.0～3.2之间。     

海水二氧化碳分压测量仪器比对研究

针对两种常见的海洋pCO2测量仪器(基于水汽平衡法的pCO2自动监测系统Underway pCO2System及采用膜分离技术实现水汽分离的pCO2原位传感器HydroC/CO2)开展了室内比对试验。通过加入Na2CO3/NaHCO3或H3PO4调节水池内水体pH值控制比对环境的pCO2,在10个水平下采集了两台仪器的测量数据,通过对同步采集水样的总溶解无机碳(DIC)、总碱度(TA)及pH测定,计算得到pCO2的理论值。通过数据分析发现3组结果间一致性很好(相关系数R2均达到0.99以上),但彼此间存在较大的"系统差"——两台仪器间测量差值在50~80μatm之间,差值的平均值及标准差s为(64.52±9.52)μatm;Underway pCO2System及HydroC/CO2与CO2sys计算值之间的差值分别在15~80μatm间及-2~-50μatm间,平均值及标准差分别为(40.67±15.88)μatm及(-23.86±14.90)μatm。     

北黄海夏季pCO2分布及海-气CO2通量

基于在2006年夏季北黄海收集的的高分辨率的表层CO2分压(pCO2)数据,结合水文和生物地球化学同步观测参数,探讨了夏季北黄海pCO2空间分布的控制因素。结果表明,夏季北黄海与大多数中低纬度陆架海类似,由于水温较高,表层pCO2较高(平均值为(463±41)μatm),整个海域相对大气CO2过饱和。表层pCO2分布具有明显的区域差异,辽南和鲁北近岸海域pCO2明显高于中部区域,辽南近岸的高pCO2主要与河流输入和水产养殖引起的生物好氧呼吸有关,而鲁北沿岸的高pCO2主要与烟台近岸的底层冷水涌升及由混合引起的高碳酸盐含量的黄河泥沙的再悬浮有关;在海区中部大部分水域,pCO2与温度之间有较好的相关性,说明温度是这一区域pCO2分布较为重要的控制因子。另外,采用Wannikhof的海-气气体交换系数估计了北黄海夏季海-气CO2通量,结果表明整个北黄海是大气CO2的源,平均释放速率为(4.00±0.57)mmol.m-2.d-1,高于南黄海夏季海-气CO2通量。     

渤海主要温室气体与海水pCO2环境特征

通过对渤海主要温室气体及海水二氧化碳分压的调查与研究,分析了渤海区底层大气二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和二氧化碳分压(pCO2)的时空分布特征;渤海大气CH4含量春、夏、秋、冬季均值分别为2085、1974、2056和2060×10-9nl/L,各季节高值区均出现在黄河口邻近海域;黄河口邻近海域大气较高浓度的甲烷可能是渤海沿岸城市夏季出现高值的重要原因;渤海区大气二氧化碳浓度在2006年-2009年呈增高的趋势,2009年9月渤海中、北部海水pCO2在285～617μatm之间变化,渤海中部海水pCO2明显低于辽东湾内海水pCO2,研究区CO2海气通量-5.9～13.4mmol.m-2.d-1在之间,人类活动以显著影响到渤海的碳汇能力。     

冬季北黄海表层海水pCO_2分布及其影响因素探讨

根据2006年12月在北黄海走航连续观测所得pCO2 数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料,对该海域pCO2分布及其影响因素进行了探讨.结果表明:冬季北黄海表层海水pCO2测值在203～683 μatm之间,平均值为408 μatm.辽南沿岸流及其影响区域是大气CO2汇区;山东半岛以北沿岸,122°E以西受渤海环流输送,黄河悬浮颗粒物影响的高浑浊度区域是大气CO2的一个强源区(最高值达到683 μatm);而占据北黄海大部的黄海混合水以及北黄海整体上是大气CO2的弱源.冬季北黄海表层海水pCO2分布主要受控于海水温度、碳酸盐体系平衡和生物活动,即温度越高pCO2越高、DIC 越高pCO2越高、叶绿素含量越高pCO2越低.其中辽南沿岸流及其影响区域生物活动的影响最为显著.而山东半岛以北沿岸的高浑浊度区域水体性质具有特殊性,较高的 pCO2受控于高的DIC浓度以及陆岸的影响.     

2017年春季长江口-东海连续体pCO2的空间分布特征及其控制因素

厘清河口-陆架连续体的碳源/汇机制是认识海洋在“碳中和”中作用的重要基础。本研究基于2017年春季长江口-东海的走航CO2分压(pCO2)及温、盐等资料,分区域阐述春季长江口-东海连续体pCO2的空间分布格局,半定量解析水团分配、有机质生产及降解等过程对pCO2的控制作用。结果表明：水团来源是决定春季长江口-东海连续体pCO2分布及碳源/汇格局的主要因素,而有机质生产或者降解可强烈影响长江口-东海连续体碳源/汇格局。春季长江口门及浙江沿岸受长江径流影响而具有较高的pCO2,碳源强度可达5.36mmol·m-2·d-1;研究区域北部和东部分别受冲淡水及黑潮表层水的影响,表现为大气碳汇,北部碳汇强度为-15.44mmol·m-2·d-1。2017年春季研究区域平均碳通量为-6.73mmol·m-2·d-1。端元混合模型结果表明陆源有机质降解导致河口pCO2增加了约200μatm,促使春季河口由大气CO2的弱汇转变为碳源;陆架区域在仅考虑水团分配下同样为碳汇,而藻华过程进一步降低了pCO2(下降144μatm),增强了其碳汇能力。     

2019年夏末长江口及其邻近海域走航pCO2变化及控制机制

利用2019年8月获得的长江口及其邻近海域表层海水pCO2的走航观测数据,结合温度、盐度、溶解氧等理化参数,初步探讨了该区域夏末表层海水pCO2的空间分布特点及控制因素。研究结果显示,整体上pCO2呈现近岸高而离岸低的特点,其中在长江冲淡水的中盐度区域出现了一个pCO2的极低值区。去除温度的影响,温度归一化后的pCO2与溶解氧饱和度具有良好的负相关关系,这表明生物过程是造成研究区域pCO2巨大空间差异的主要原因,其中高初级生产造成了中盐度区的强汇现象。同时河、海混合区断面的温度、盐度和溶解氧的分布显示水体层化致使垂直混合作用对pCO2的影响较小。整体而言,研究区域的海 气界面CO2通量为-2.0±5.2 mmol·m-2·d-1,表现为大气CO2的汇。随着环境的改变和人为活动的干扰(如长江径流量的减少),长江口及其邻近海域可能存在由大气CO2的汇转为源的风险,需要持续关注和研究。     

海水pCO2测定中喷淋-鼓泡式平衡器与层流式平衡器互校

在全球变化研究中，海气交换平衡器是海水中二氧化碳分压(pCO2)直接测定的关键。作者在Inoue,H.(1987)的喷淋式平衡器和Goyet,C.(1991)的鼓泡式平衡器的基础上设计了新的喷淋-鼓泡式平衡器，并与层流式平衡器(Cooper,D.J.etal.1998)进行了互校(气相色谱法现场测定)。经显著性检验，两种平衡器之间无显著性差异。结果表明，新的喷淋-鼓泡式平衡器能很好地用于海水中pCO2的测定。     

秋季长江口北支表层海水pCO2变化特征

根据2009年9月首次获得的长江口北支海水pCO2实测数据,结合温度、盐度等参数,对长江口北支海水pCO2时空分布、变化特征及其影响因素进行了研究.研究结果表明,长江口北支海水pCO2总体呈现出淡水端高,咸水端低的特点;在同等盐度条件下,长江口北支海水pCO2明显高于长江口南支;长江口北支南段海水pCO2与盐度之间有着...     

长江口淡水端淡、盐水混合表层pCO2的急剧变化及其影响机制

根据2004年5月长江口淡水端淡、盐水混合初期表层水二氧化碳分压(pCO2)的实测数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料,对pCO2的变化及其影响因素进行了研究。研究结果表明:在长江口淡水端盐度0~15的淡、盐水混合初期,表层水pCO2由3 500μatm左右大幅度下降至约1 000μatm。生源要素的补充使生物活动的急剧增加是pCO2以对数形式大幅度降低的主要原因,这一性质显著体现的拐点为(S<0.6,50<浊度<110)这一范围。同时由于生物活动和物理混合作用的分别控制,使得长江口淡水端淡、盐水混合初期表层水碱度与盐度呈二次抛物线关系,拐点处的盐度约为0.6。     

急性CO2酸化对菲律宾蛤仔钙壳和呼吸作用的影响

基于渤海表层典型的碳酸盐系统,通过实验室密闭培养实验,分析急性CO₂酸化条件对菲律宾蛤仔(Ruditapes philippinarum) CaCO₃形成速率(G)和CO₂呼吸速率(R_C)的影响,以探讨局部海域CO₂酸化的底层海水在潮流或者风海流等因素的驱动下,脉冲式影响贝类栖息地时养殖贝类可能的响应。结果表明,菲律宾蛤仔在急性CO₂酸化条件下发生轻微的钙壳溶解和显著的呼吸抑制。CO₂酸化和菲律宾蛤仔的呼吸作用共同驱动钙壳溶解,溶解速率随Ω_文石下降而升高,G(μmol/(FWg·h))=0.14 × Ω_文石-0.49 (n=12, r=0.95, p<0.01)。活体菲律宾蛤仔钙壳保持稳定的Ω_文石临界值为3.5,而在Ω_文石=1.0的条件下,每天溶解的钙壳相当于贝壳总重的2‰。相较于钙壳溶解,Ω_文石改变对菲律宾蛤仔呼吸作用的影响更大,R_C(μmol/(FWg·h))=0.27 × Ω_文石+0.90 (n =12, r=0.82, p<0.01)。由于呼吸代谢决定了摄食等各种耗能行为的效率,因此本研究的结果表明,尽管菲律宾蛤仔可以通过摄食等自身调节机制来抵御造成钙壳溶解的环境胁迫,然而这一机制本身就可能受到酸化环境的不良影响。     

东海2012年夏季海-气界面碳交换及其区域碳汇强度变化趋势初探

基于2012年7月对东海的调查,剖析了其水体中各形态碳(pCO2、DIC、DOC、POC)的区域分布特征,估算了海-气界面CO2的交换通量(FCO2),探讨了影响其交换的主要因素,在此基础上,结合历史资料初步分析了近十几年来该海域海-气界面CO2交换通量的变化趋势。结果表明,2012年7月长江口邻近海域相对南部陆架区具有较低的DIC浓度,而DOC与POC的浓度相对较高。调查区域表层水pCO2变化范围为96.28~577.7μatm(1atm为101 325Pa),平均值为297.6μatm,低值区出现在长江冲淡水区(30°~33°N,123°~125°E),高值区主要分布在东海陆架的南部区域。表层水pCO2主要受控于长江冲淡水的输入和混合(盐度)、台湾暖流以及生物生产等。调查海域2012年7月海-气FCO2平均为(-6.410±7.486)mmol/(m2·d),表现东海在夏季是大气CO2的汇区,区域碳汇强度由强到弱依次为:长江冲淡水区(CDW)、黄东海混合水区(YEMW)、陆架咸淡水混合区(SMW)、近岸上升流区(CUW)和台湾暖流区(TWCW),东海夏季每日吸收大气CO2(以C计)约(18.3±19.8)kt。结合历史资料分析发现,近十几年来东海夏季碳汇强度有增强趋势,CDW区的海-气界面CO2通量平均年增速为-0.814mmol/(m2·d),即海水吸收大气二氧化碳每年增加约54.6kt,是夏季东海碳汇增加的最主要贡献者。     

南海北部春季非水华期的CO_2分压及其调控

针对南海北部和吕宋海峡附近海域的海-气CO2通量及其调控问题,研究了2009年3月底至4月中旬在这些海域通过走航观测的方法取得的海-气CO2分压和海表温度、盐度等相关数据。结果表明,在河口、沿岸流以外的南海北部开阔海域,与大气平衡的CO2分压分布在368~380μatm,南低北高,平均值为371μatm;而海表CO2分压分布在293~405μatm,南高北低。南海北部开阔海域的海表CO2分压主要受温度效应调控,也在一定程度上受水团混合、海-气交换、生物活动等非温度效应的影响。在相同水温条件下,黑潮区的海表CO2分压比南海北部的海表CO2分压低。本研究和大多数前人研究的结果都表明,南海北部海盆区域和吕宋海峡西侧海域在春季与大气CO2接近源汇平衡,而非大气CO2的显著源区。     

The carbonate system in the central South China Sea

The Clements of the carbonate system (HCO3- , CO32-, CO2, ·CO2 and Pco2) in the central South China Sea have been calculated by determining the pH values and total alkalinity of the seawater samples collected at 42 stations, combining simultaneously with the data of the temperatures, salinity and depths. The distributions of their characteristics have been briefly described and discussed. The saturation degrees (Ω) of calcite and aragonite in the studied area have also been evaluated. The ΩcaIc- and Ωarag. in the surface waters are about 5.8 and 3.9, respectively. The saturation depth is about 2200m for calcite and 1200m for aragonite. The lysocline in the studied area probably lies between 3000 m and 4000 m where the saturation degree of calcite is approximately 0.78.     

海水中-氧化氮的化学发光法测定

基于鲁米诺-H2O2混合溶液作为发光液与海水中NO发生反应产生发光信号的原理,提出了一种测定海水中痕量NO的化学发光法.确定了化学发光法测定NO的最佳条件:pH9.2、浓度1×10-2 mol/dm3的碳酸盐为缓冲体系,鲁米诺浓度为8.4×10-5 mol/dm3,H2O2浓度为1×10-2 mol/dm3,测定温度为...     

东海沉积物中铁(Ⅲ)氧化物还原活性的动力学表征

运用还原性溶解动力学实验和活性连续体(reactive continuum)模型表征了东海表层和柱状沉积物中铁(Ⅲ)氧化物的还原活性及反应进程中的动力学行为,通过动力学数据拟合得到了活性铁氧化物理论含量m₀、表观速率常数k'和活性非均匀度γ。结果表明,表层沉积物中铁氧化物的m₀在26.14~60.51 μmol/g之间,变化较小;表征高活性铁氧化物还原动力学行为的标准化初始还原速率(J/m₀=k')变化也较小,最大相差仅7.25倍;但不同站位沉积物中铁氧化物活性的非均匀度变化较大,当铁氧化物溶解达到90%时,其速率与初始速率相差2~4个数量级。表层沉积物中铁氧化物的m₀,k'和γ 3个动力学参数之间不存在相关性;柱状沉积物中m₀,k'和γ 3个动力学参数都随深度的增加呈总体减小的趋势,且三者之间存在良好的线性关系,这是沉积物早期成岩作用中铁成岩循环的结果。与传统的化学提取相比,活性连续体模型得到3个动力学参数(m₀,k'和γ)能从多个角度表征铁氧化物还原活性和动力学行为的细微差别。     

Surface sediment carbonate mineralogy and water column chemistry: Nicaragua Rise versus the Bahamas

Periplatform surface sediments were studied for carbonate mineralogy in conjunction with analyses of the water column for carbonate chemistry on the eastern Northern Nicaragua Rise (NNR) in the Caribbean Sea. The results show a strong correspondence between variations and disappearance, with increasing water depth, of metastable carbonate minerals (fine aragonite and magnesian calcite) and their respective saturation levels in the overlying waters. Similar correspondence between variations in sediment proportions of fine aragonite and magnesian calcite and their respective saturation levels has previously been established in the Bahamas. There are, however, significant differences between the two areas. The sharp decrease in aragonite content and the measured aragonite saturation level occur at 4000 m in the Bahamas, compared to 1800 m on the eastern NNR. In both areas, magnesian calcite minima correspond to the in situ PCO₂ maxima in the water column. The magnesian calcite minimum, however, is at 950 m in the Bahamas and 750 m on the eastern NNR. Magnesian calcite disappears in the Bahamas at 3800 m and at 2000 m on the eastern NNR. These results demonstrate the importance of the influence of overlying water chemistry on the preservation of metastable carbonate minerals in off-bank periplatform sediments, and they clearly demonstrate the difference in terms of carbonate preservation between the poorly ventilated waters of the Caribbean Sea and the well-oxygenated waters of the adjacent Atlantic Ocean. They also open the possibility of obtaining paleoceanographic information on the depth of the CO₂ maximum (O₂ minimum) and its separation from the aragonite saturation depth in at least some areas.     

Cementation in cold-water bryozoan sand, Tasmania, Australia

Cold-water (<3–11°C) carbonate is the predominant sediment on the Tasmanian shelf. Calcitic skeletal grains (bryozoa, foraminifera, echinoderms, etc.) predominate over aragonitic (gastropods, etc.) ones. Non-skeletal grains are mostly micritic intraclasts with some pellets.

Fibrous spherulitic and rhombohedral calcite submarine cements range up to 90% in the bryozoan sand. X-ray analyses show that the bryozoan sand is characterized by a spectrum of calcites (low to high magnesian) and some aragonite.

A uniform spread of Mg concentrations from 0.06 to 2.48 wt.% indicates <3–10°C ambient water temperatures. The Mn (10–360 ppm) and Fe (176–2499 ppm) concentrations increase with increasing Mg values due to the formation of impure CaCO₃ phases. The Sr content in bryozoan sand (bryozoa = 3200 ppm Sr) decreases with increasing rhombohedral calcite cement, as low Mg-calcite precipitating from 3° C sea water would have 1350 ppm Sr. The bryozoan sand grains with fibrous spherulitic calcite cements have high Sr concentrations (4470–7000 ppm), in the same range as in aragonitic (detected only by X-ray analyses) bryozoan sand grains. The spherulitic calcite cements are either pseudomorphs after original aragonite cements or these calcite cements and aragonite were inverted from fibrous spherulitic vaterite, a predominant CaCO₃ polymorph at temperatures <10°C.     

Comparisons of OCO-2 satellite derived XCO_2 with in situ and modeled data over global ocean

Atmospheric CO_2 is one of key parameters to estimate air-sea CO_2 flux. The Orbiting Carbon Observatory-2(OCO-2) satellite has observed the column-averaged dry-air mole fractions of global atmospheric carbon dioxide(XCO_2)since 2014. In this study, the OCO-2 XCO_2 products were compared between in-situ data from the Total Carbon Column Network(TCCON) and Global Monitoring Division(GMD), and modeling data from CarbonTracker2019 over global ocean and land. Results showed that the OCO-2 XCO_2 data are consistent with the TCCON and GMD in situ XCO_2 data, with mean absolute biases of 0.25×10-6 and 0.67×10-6, respectively. Moreover, the OCO-2 XCO_2 data are also consistent with the CarbonTracker2019 modeling XCO_2 data, with mean absolute biases of 0.78×10-6 over ocean and 1.02×10-6 over land. The results indicated the high accuracy of the OCO-2 XCO_2 product over global ocean which could be applied to estimate the air-sea CO_2 flux.     

二氧化碳和阳光紫外辐射对龙须菜生长和光合生理的影响

为探讨太阳紫外辐射(UVR,280～400 nm)和CO2浓度变化对大型海藻的复合效应,选择了常见的经济海藻龙须菜(Gracilarialemaneiformis)为实验材料,研究了UVR(阳光紫外辐射)和CO2对其生长、光合作用、色素以及紫外吸收物质含量变化的复合作用。实验设置两个CO2梯度(380×10-6和800×10-6)和三种太阳辐射处理(PAB处理——全波长辐射处理,PA辐射处理——滤掉紫外线B和P处理——滤掉全部紫外线)。结果表明,CO2加富(800×10-6)显著地促进了龙须菜的生长,而UVR则产生抑制作用,但两者之间复合作用不显著。UVR促进了藻体的紫外吸收物质的合成,而且在高浓度CO2下经PAB辐射处理的含量要显著高于正常CO2浓度水平下的,这表明高浓度CO2促进了紫外吸收物质的合成。在光合作用受限制的低PAR条件下,紫外线A(UV-A)促进其光合作用,但高浓度CO2却抑制了藻体的光合作用速率。在正常浓度CO2水平下生长的藻体,UVR显著降低其光合作用能力,但是在高浓度CO2下生长的藻体,UVR这种负面效应不显著。UVR显著降低藻红蛋白的含量,高浓度CO2在P和PA辐射处理下也显著降低藻红蛋白的含量,但在PAB辐射处理下却呈现相反的结果。高浓度CO2下生长的藻体通过增加体内紫外吸收物质的含量来维持较高浓度的藻红蛋白含量,增强了其抵御UVR的能力。