南北极海区碳循环与全球变化研究

南北极是全球变化研究领域中十分重要的地区 ,也是世界大洋对全球变化反馈的一个重要窗口。文章论述了南北极海区碳循环研究的国内外研究动态 ,阐述了目前南大洋及北冰洋的生产力水平及碳收支平衡状态 ,讨论需要进一步研究的一些存在问题以及将来的发展方向。目前的研究表明 ,北极的生产力比历史上所认为的要高 ,在全球变化的作用下 ,其将成为越来越重要的碳汇区 ;南大洋主控着人为源CO2 的海气交换通量 ,而生产力所受到的限制也影响着其吸收CO2 的潜力。目前制约着对两极碳循环进一步认识所缺乏的资料包括 :极区碳汇的时空变异、南大洋的Fe限制及Fe假说、紫外增强对极区碳循环可能产生的影响等。今后研究的重点将集中在全球变化对两极碳循环的影响及其反馈 ,碳循环的机制及其动力学过程 ,以及通过碳循环人为干预全球变化的可行性。近年来 ,中国也十分重视极区碳循环的研究 ,取得了许多积极的成果。我们的研究结果表明 ,在 80°E～ 80°W之间 ,南大洋基本上是大气CO2 的汇 ,其中在 45°W～ 30°W及 10°W～ 10°E之间 ,是CO2 的强汇区。北冰洋的一些海区也表现为很强的碳汇区。计算得出 ,楚科奇海及其附近海区 7月到 9月CO2 吸收通量为 0 13g/ (m2 ·d) (碳 )。南大洋夏季CO2 吸收通量为 0 1g/ (m2 ·     

全球变化中的北极碳汇：现状与未来

由于海冰覆盖，北极碳汇（Arctic Carbon Sink）在全球碳通量预算中经常被忽略或简单处理。但随着全球变化加剧，北极发生快速变化，北极碳循环及其对全球变化的响应与反馈日趋重要。综合对北极碳汇的研究结果，分析了北极碳汇的来源、变化以及主要调控因子，评估了北极碳汇现状。探讨了在全球变化中，影响北极碳汇变化的因素及其对未来北极碳汇变化趋势的影响。      

北极快速变化对北冰洋碳循环和生物地球化学过程的影响

北冰洋是全球海洋碳循环研究的关键地区之一,其独特的地理位置决定了它是开展海陆统筹研究碳汇一个绝佳的场所,即地形相对封闭,边缘有着世界上最大的陆架区,外围有广袤的陆地冻土层和大河输入。近年来,由于全球变暖,海冰消退,北极快速变化所引起的一系列大气、冰雪、海洋、陆地和生物等多圈层相互作用过程的改变,已经对北极地区碳的源、汇效应产生了深刻影响。这种变化不仅体现在由于陆地冻土圈变化所引起的甲烷和二氧化碳释放上,而且,随之而来的海水层化、混合和环流变化,陆源有机碳和营养物质入海通量的增加,改变了海洋二氧化碳"物理泵"、"生物泵"和"微型生物碳泵"作用的强度、方式,以及海洋原有的海洋碳储库构成,也很可能会对全球海陆碳源汇格局产生重要影响。本文主要从北极快速变化所引起生物泵过程变化来讨论全球变暖对的海洋生物地球化学的影响。     

南海碳源汇的区域与季节变化特征及控制因素研究进展

南海碳循环是全球碳循环的重要组成部分。厘清南海CO_2通量问题,对阐明全球碳循环过程,完善全球碳循环数据库具有重要意义。对南海4个典型特征区域(北部陆架、北部陆坡及海盆、吕宋海峡西侧海域和中南部海盆)的海表CO_2分压、CO_2通量和控制因素的研究进展进行了归纳总结。结果显示,南海北部陆架海表CO_2分压区域差异显著,珠江冲淡水上游低盐区为强碳源,海表CO_2分压常年处于超饱和状态,最高值达405.3～810.6 Pa,下游离岸开阔海域(盐度大于33.7)冬季海表CO_2分压低至35.2～37.0 Pa,为弱的碳汇。南海北部陆坡、海盆受温度调控,暖季是碳源,冷季是碳汇,夏季海表CO_2分压最高达45.0 Pa,冬季海表CO_2分压最低为34.7 Pa。吕宋海峡西侧海域碳源/汇受温度、季风和水团等因素影响较大,春季海表CO_2分压与大气CO_2分压接近于平衡状态,冬季升高至38.4～47.5 Pa,高于大气CO_2分压。中南部海盆表现为大气CO_2弱或中等强度的源,海表CO_2分压年均值为41.0 Pa。总体上,南海大部分海域在全年尺度上表现为弱的碳源,每年向大气释放(18±10)Tg C的CO_2。虽然南海碳循环研究已取得了一定进展,但仍缺少长期的现场观测与数据积累。今后应进一步加强海—气CO_2分压时间序列研究和海—气CO_2交换通量的遥感研究。     

白令海楚科奇海的海冰范围变化特征

白令海和楚科奇海位于北极太平洋一侧的海冰外缘线附近,具有较强烈的气冰海相互作用.采用滑动t检验和小波分析方法对白令海和楚科奇海1953—2004年海冰范围的年际变化、年代际变化和总体趋势变化进行分析.结果表明:20世纪70年代后期,海冰范围在白令海存在显著的均值突变现象,而楚科奇海在对应阶段则表现为更明显的变频现象;在突变点前后两个时段里,阿留申低压中心低压加强、核心位置偏移以及对应风场分布的变化是导致白令海海冰范围明显缩小的主要动力原因.楚科奇海海冰范围的年际变化中存在由低频向高频变化的现象,该现象除了在局地气温变化中存在之外,在北冰洋区域风涡度、波弗特海纬向风、东西伯利亚海经向风等动力因素中也有所体现.因此,除热力因素外,动力因素引起的海冰的平流与该变频现象也存在一定的联系.     

是“岩溶碳汇”还是“岩溶碳通量”?

大气碳收支不平衡问题是全球碳循环研究的核心问题之一,决定了人类活动导致的气候变化速度和程度。在过去50年,陆地和海洋作为全球碳循环的主要汇呈增加趋势,而岩溶作用(CaMg(CO_3)_2+2CO_2+2H_2O  Ca~(2+)+Mg~(2+)+4 HCO_3~-)则通过与岩石圈、水圈、大气圈(层)的密切联系成为联系陆地和海洋碳库的纽带。尽管岩溶作用在水循环和生物圈的作用下,每年可产生约8亿t的碳通量,使岩溶作用过程成为全球碳循环的一个重要环节。但在目前研究技术手段和认识水平的条件下,将岩溶作用这一可逆过程直接认定为岩溶碳汇有不妥之处。因此,在没有涉及生物固碳效应的前提下,应当将岩溶作用参与的碳循环表述为岩溶碳通量。     

北极楚科奇海沉积生物硅的分布及其硅质泵过程初探

依托第3次、第4次、第5次北极科学考察在北极楚科奇海采集的表层沉积物样品,通过碱液连续提取法对生物硅含量进行分析,以探讨楚科奇海的生物硅分布及硅质泵过程。结果显示,楚科奇海表层沉积物中生物硅的含量为1.23%~10.60%。高值区位于楚科奇海陆坡处72°N附近和楚科奇海南部阿纳德尔流和西伯利亚沿岸流的交界处68°N附近,低值区位于楚科奇海东部阿拉斯加沿岸流影响区域,其生物硅含量小于3%。楚科奇海表层沉积物中生物硅的分布与上层水体的初级生产力的分布格局较一致,而影响上层水体浮游植物生产的两个重要因素分别为楚科奇海环流格局(尤其是太平洋入流水的影响)和海冰融化。生物硅和有机碳之间存在很好的正相关关系,表层沉积物中蛋白石/有机碳(Sibio/Corg)的比值为1.6~2.02,与北太平洋中该比例相当,表明上层海洋硅质泵过程对楚科奇海碳埋藏的贡献较大,使得楚科奇海成为全球海洋吸收大气CO2重要的汇之一。     

北极楚科奇海海冰特征研究——以1999年夏季为例

对北冰洋楚科奇海海冰分布、厚度、气/冰/海界面温度场观测,钻取海冰冰芯,观测冰结构的变化,发现3种海冰组合结构: 1)表面融化型; 2)表面和底部融化型; 3)整体融化型. 海冰结构形成的热力学过程为:在气/冰界面上,海冰上表面吸收辐射能使冰体升温,出现表面融化; 在冰/海水界面上,海冰盘与开阔水域的相间分布、相对运动,将周围温度较高的水体输送到海冰的底部,加热、融化海冰底部; 冰体升温,冰晶间盐水膜首先融化,分离冰晶,破坏海冰整体结构. 冰的相变吸热,使其温度维持在融点, 这些过程均衡了夏季北冰洋的温度变化.     

楚科奇海融冰过程中的海水结构研究

楚科奇海是北冰洋的陆架海,中部凸起的Herald浅滩对海水流动和海冰融化过程有显著影响。利用我国1999年夏季北冰洋考察数据,讨论了楚科奇海海冰融化过程中的海水结构。结果表明,海区内存在2个相继进入的水团,一个是海冰覆盖期进入的阿纳德尔水(AW),具有低温、高盐、高硅酸盐的特点;另一个是海冰融化后进入的白令海陆架水(BSW),具有高温、低盐、低硅酸盐的特点。在开阔水域,表层水温度达到7℃以上,高于当地气温,是当地太阳辐射的加热作用形成的。开阔海域的水体向冰下扩展,表层水温在1℃以上,形成冰下暖水区,加速了海冰的融化;Her-ald浅滩阻挡了海水的流动形成绕流,其北部处于绕流的死角,表层水温在-1℃以下,形成冰下冷水区。在开阔海域,上层海水的混合深度达到15~20 m,而渗入冰下的暖水深度小于5 m,体现了海冰对暖水渗入的阻滞作用。所有海冰覆盖站位10 m层的叶绿素-a含量都很高,表明冰下海水处于浮游植物大量繁殖的状态,有可能对海水吸收热量和海冰融化产生显著的影响。     

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈

海洋碳汇对气候变化的响应与反馈是一个系统的科学命题,也是当前国际地球系统科学领域的前沿热点问题,需要通过微观与宏观结合、古今链接、多学科交叉融合进行深入研究。在我国科学家发起的海洋生物地球化学"戈登科学前沿论坛"(Gordon Research Conferences,GRC)首届论坛上,以海洋生物泵(Biological Pump,BP)、微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)以及碳酸盐泵(Carbonate Counter Pump,CCP)等海洋储碳机制为核心,深入研讨了海洋碳汇的过程与效应,起到了引领国际海洋学科发展方向的作用。国内学界也积极行动起来,在第四届地球系统科学大会上组织了海洋碳汇专题,从古海洋碳汇、现代海洋碳循环及海洋碳汇的生物海洋学过程3个方面开展研讨。海洋微型生物生态学过程与海洋碳汇以海洋浮游植物、细菌、古菌、病毒以及不同微型生物间的互作为切入点,探讨了微型生物的储碳和固碳作用的过程及其与全球气候变化的关系。古海洋碳汇方向的报告在时间尺度上跨越了从18~8亿年前的中元古代到距今2.5 Ma的第四纪,涵盖了包括古海洋碳汇形成的古海洋环境、古海洋碳汇的生态环境效应等前沿科学问题;古海洋碳汇的报告为现代海洋碳汇研究提供了有益的借鉴,并有助于本领域科学家对海洋碳汇的历史演化观的认识。现代海洋碳循环过程方面,专题报告结合时间梯度和空间梯度,以南海珊瑚礁碳循环源汇争议为代表,探讨了碳循环中的初级生产力、溶解有机碳的来源与有机碳的降解等过程,对现代海区和全球变化背景下海洋的源汇评估提出了新的想法与研究方向。     

海洋碳循环模式的研究进展

从最简单的三箱模式开始简要回顾了海洋碳循环模式的发展历史，讨论了不同发展时期各种模式的特点，并指出了海洋吸收大气CO2的能力。近年来全球海洋环流碳循环模式经常使用简单生化过程，而在过程模式和一维模式中较详尽探讨生态系统在海洋碳循环的作用。最新的全球环流碳循模式估计海洋在20世纪80年代每年吸收大气CO2为1.5~2.2 GtC。还讨论了模拟海洋碳循环的现状和存在的问题。使用含显式生态系统的碳循环模式是研究CO2生物地球循环及其对全球变化响应的发展趋势。     

高压下深海碳循环的过程及其对生命活动的影响

目前约25%化石燃料来源的CO₂被海洋吸收,缓解了人类活动对气候变化的影响。海洋通过多个概念的碳泵将大气中的CO₂输送到深海。深海高压和低温的特点有利于CO₂溶解,目前已经储存了相当于大气含量50倍的无机碳,另外,深海沉积物中还储存有大量甲烷水合物。认识深海中的碳循环过程,对于保护海洋固碳能力、开发固碳潜力有重要意义。总结了国内外在海洋碳库、碳输送研究方面的进展,重点讨论了深海C元素转化循环的过程以及高压对生命活动的影响。微生物驱动了深海碳循环,大部分浮游植物所包含的有机碳在沉降过程中被微生物矿化成CO₂以及转化为难降解的有机碳,使深海成为巨大的、长周转时间的有机碳库; 高压能提高古菌甲烷厌氧氧化的活性,提升屏蔽海底甲烷释放的能力,同时,高压下氧化甲烷的过程中不仅产生碳酸氢盐,还产生可支持异养生物的乙酸,因此,全球甲烷厌氧氧化的通量可能被低估; 高压下细胞代谢额外产生的氨,可作为氨氧化古菌固定无机碳的潜在能量来源。总之,研究现在以及未来的人类活动对深海碳循环过程的影响以及环境效应,评估应用深海作为地球工程技术平台封存CO₂的可能性,都迫切需要加深对碳循环在内的深海元素循环的认识。     

绿素对西北冰洋海源有机碳埋藏的指示意义

依托于2003年第2次北极科学考察航次,对西北冰洋25个表层沉积物样品用高效液相色谱仪(HPLC)进行绿素(chlorin)分析。结果显示,绿素含量值为0.04~125.29μg/g,平均18.92μg/g,远高于世界其他海域。楚科奇海陆架区绿素含量高,表明整体具有高的生产力。高营养盐的阿纳德尔流和白令海陆架流的输入促进了浮游植物的生长,加大了海源有机碳在楚科奇海陆架区的沉积,也加大了沉积绿素的输入。加拿大海盆区绿素含量低,主要因为海盆区营养盐含量低,加上海冰覆盖(光限制),藻类生产力低;另一个因素是,海盆区水深较大,绿素在沉降过程中更容易降解,不易保存在沉积物中。通过上层水柱中叶绿素积分与表层沉积绿素的对比也可以看出,陆架区的生物量普遍高于海盆区。由于时间尺度的不同,楚科奇海上层海洋叶绿素分布(代表瞬时)和表层沉积绿绿素分布(代表几年至十几年平均)存在空间差异。而总有机碳归一化处理后的绿素与有机碳的比值,则与海源有机碳的百分含量有较好的相关性。经过归一化以后的沉积绿素与有机碳比值可以为长时间尺度下北冰洋上层海洋生态环境变化提供重要的信息。     

累积海冰密集度及其在认识北极海冰快速变化的作用

为定量分析北冰洋海冰密集度年际差异,提出并采用累积海冰密集度(ASIC)概念。利用SSMR/SSMI的分辨率为25 km的海冰密集度数据,分别研究了1979—2011年北极海冰在融冰期(4~9月)和结冰期(10月至翌年3月)的变化过程以及2个冰期内ASIC的区域差异。研究发现,在1979—1989年、1989—1999年和1999—2009年期间,融冰期海冰发生明显变化的范围都远远大于结冰期海冰发生明显变化的范围。1998—2010年,融冰期内发生加速融化的海区并没有都出现结冰期冰量减小的现象。在此期间融冰期ASIC减小,结冰期ASIC也减小的海域仅集中在楚克奇海、新地岛北部海域以及格陵兰岛东西海岸。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC无明显变化的海域包括波弗特海、东西伯利亚海、拉普捷夫海和喀拉海。这些区域与局地陆地径流侵入的海域重合。研究发现,在这些区域,融冰期ASIC减少是陆地径流增大加速海冰融化引起的。在结冰期,陆地径流加速海水结冰的作用消除融冰期海水吸收大量太阳辐射能后发生推迟结冰的现象,使得ASIC无明显变化。融冰期ASIC减小,而结冰期ASIC增大的区域只有白令海。研究结果证明累积海冰密集度能够去除海冰高频变化而只表现低频变化,能够描述海冰的年际变化特征。同时由于海冰变化与海洋中其他物理参数存在显著关系,变T的ASIC可以更加方便地描述次表层叶绿素最大值层深度的变化。     

典型森林生态系统碳交换的机理模拟及其与观测的比较研究

CEVSA模型是一个基于生理生态过程模拟植物—土壤—大气系统能量交换和水碳氮耦合循环及其对环境变化响应和适应的机理模型，在区域和全球尺度上得到广泛应用，但缺乏在生态系统尺度上的验证。本研究对CEVSA模型中碳循环关键过程的定量表达进行了重要改进：将模型的模拟时间步长由“旬”改为“日”；增加了物候参数化的子程序；调整了生物量的分配方案；基于碳平衡模拟叶面积指数的季节动态等。分别使用改进前后的CEVSA模型模拟了3类典型森林生态系统碳交换的季节动态，模拟的结果与通量观测进行了比较分析。结果表明，改进后的CEVSA模型能更好地模拟不同类型森林生态系统碳交换的季节动态，但在不同生态系统的不同时段，模型模拟的结果与通量观测相比还有一定的偏差，模型在碳交换关键过程对环境变化的响应和适应，尤其是针叶林光合作用对温度变化的响应和适应，以及生态系统对高温和水分亏缺的响应和适应等方面的模拟还需要进一步的改进和验证。     

北极海冰与全球气候变化

最近有关北极海冰在全球气候系统中作用的研究发现，北冰洋边缘海域大洋深水的形成与海冰发育有关，海冰冻融过程对盐度层结具有重要影响，海冰变化可引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止，热盐环流的变化与北大西洋海冰１０年际变化相联系，北大西洋气候的不稳定性与热盐环流变化密切相关。北极海冰－海洋－大气间耦合作用，使北极海冰构成了北大西洋和全球气候反馈循环中的重要环节。     

典型水生植物对岩溶水生生态系统无机碳稳定性影响研究

碳循环研究是全球变化科学中的研究重点, 其平衡问题已成为全球变化与地球科学领域的研究前沿和热点。“遗失汇”是全球碳收支研究的重点, 寻找和揭示其存在机理对研究全球碳循环具有重要意义。在全球碳循环研究中, 仅考虑海洋碳库和陆地生态系统碳库对全球碳循环的贡献, 然并未对地球岩石圈中碳酸盐岩碳库作充分评估。以袁道先院士为首的研究团队, 利用石灰岩溶蚀试片法(Carbonate-rock-tablet-test method)、水化学法(Hydrogen-discharge method)和扩散边界法(Diffusion Boundary Layer Model, DBL)首次估算了全球每年因碳酸盐岩溶蚀作用产生的碳汇量其约占当前碳循环模型中“遗失汇”的约1/3。     

典型岩溶水系统碳汇通量估算

现代岩溶学研究成果表明,碳酸盐岩在全球碳循环中响应极其迅速,水循环过程中的碳汇效应显著。本研究选取广西桂林寨底地下河系统、广西环江大安地下河系统、重庆北碚青木关地下河系统三个典型岩溶地下水系统,利用各系统地下河的流量和HCO3-浓度的监测资料,采用简单化学平衡模式法估算碳汇通量(CO2)。结果显示,寨底地下河系统的单位面积年碳汇通量为68.82 t/(km2.a),大安地下河系统的单位面积年碳汇通量为81.18 t/(km2.a),青木关地下河系统的单位面积年碳汇通量为100.07 t/(km2.a)。分析认为同一个岩溶水系统的结构特征和环境条件基本上是稳定的;地下河的流量和HCO3-浓度是影响岩溶碳汇强度的关键因素,尤其是地下河流量的变化对碳汇强度的影响显著;不同岩溶水系统的碳汇通量不但受水化学条件和地下水动力条件的控制,同时受土地利用变化的影响。该研究对于改进碳循环模型和评价岩溶地质碳汇有重要意义。     

格陵兰海海冰外缘线变化特征分析

格陵兰海作为北冰洋的边缘海之一,容纳了北极输出的海冰,其海冰外缘线的变化既受北极海冰输出量的影响,也受局地海冰融化和冻结过程的影响。利用2003年1月到2011年6月AMSR-E卫星亮温数据反演的海冰密集度产品,对格陵兰海海冰外缘线的变化特征进行了分析。结果表明,格陵兰海海冰外缘线不仅存在一年的变化周期,还存在比较显著的半年变化周期,与海冰在春秋两季向岸收缩有关。格陵兰海冬季的海冰外缘线极大值呈逐年下降的趋势,体现了北极增暖导致的冬季海冰范围减小;而夏季海冰外缘线离岸距离的极小值呈上升趋势,表明夏季来自北冰洋的海冰输出量增大。2003—2004年是格陵兰海夏季海冰融化最严重的2年。2007年北冰洋夏季海冰覆盖范围达到历史最小;而格陵兰海夏季的最小海冰范围最大,表明2007年北冰洋海冰的输出量大于其他年份。此外,夏季格陵兰岛冰雪融化形成的地表径流对海冰外缘线有一定的影响。对海冰外缘线影响最大的不是格陵兰海的局地风场,而是弗拉姆海峡(Fram Strait)区域的经向风,它直接驱动了北冰洋海冰向格陵兰海的输运,进而对格陵兰海海冰外缘线的分布产生滞后的影响。     

土壤碳及其在地球表层系统碳循环中的意义

本文回顾了近１０年来国内外对土壤碳研究的主要进展,分析了土壤碳的移动性及其影响因素,着重针对陆地系统碳汇饱和问题介绍了土壤碳对大气CO²源汇效应的碳转移过程及其在地球表层系统碳循环中的作用,指出应加强对土壤碳转移及其对全球变化的响应、土壤碳固存对大气CO²调控的机制和动态的研究,以便为缓解陆地系统碳汇饱和提供科学依据。