北极陆架沉积碳埋藏及其在全球碳循环中的作用

陆架边缘海有机碳的堆积速率比大洋高一个数量级 ,全球大约有 80 %以上的沉积有机碳埋藏于陆架地区。北极陆架是世界上最大的陆架 ,占全球陆架面积的 1 / 4 ,然而由于相关的工作较少 ,目前对北极沉积有机碳埋藏情况及其对全球的贡献还知之甚少。北极地区沉积有机碳埋藏主要取决于生物泵 ,而生物泵过程一个主要的限制因子是海冰的覆盖。近几十年来随着全球变暖 ,北极海冰覆盖面积正在快速减小。本文从北极沉积有机碳的来源、河流携带的沉积物输入、海冰覆盖率、营养盐来源等方面初步讨论了陆源输入和生物泵过程对沉积碳来源和埋藏时空变化的影响。结合两次北极考察的初步结果指出 ,全球变暖很可能使北极陆架边缘海成为沉积有机碳的高效汇区。     

楚科奇海表层海水颗粒物组成与来源

对研究区内第五次北极科学考察所取的表层海水颗粒物的浓度、显微组成、有机碳、氮含量及其同位素组成进行了分析。结果表明,楚科奇海域表层海水颗粒物浓度介于0.56—4.01 mg·L-1,具有冰区边缘高于开阔水域的特点。陆架区颗粒有机质相对含量高(TOC:9.78%—20.24%;TN:0.91%—2.31%),有机碳、氮同位素值相对重(δ13C:-23.29‰—-26.33‰PDB;δ15N:6.14‰—7.78‰),有机质主要来源于海洋生物,含有部分陆源有机质;陆坡及北冰洋核心区的颗粒有机质含量,除SR15站外,相对低(TOC:8.06%—8.96%;TN:0.46%—0.72%),有机碳、氮同位素值轻(δ13C:-26.93‰—-27.78‰PDB;δ15N:4.13‰—4.84‰),颗粒物有机质以陆源为主。陆坡区SR15站表层海水颗粒物中异常高的陆源有机质(TOC:27.94%,TN:1.16%;δ13C:-27.43;δ15N:3.81)可能来自源于东西伯利亚的穿极洋流。海冰携带的颗粒物(包括冰藻)是冰区边缘表层海水颗粒物的重要来源,在陆架区海冰融化,向水体中释放了大量生物体;而陆坡区和北冰洋核心区,海冰对颗粒物的贡献以碎屑矿物和黏土矿物为主。     

川西高寒山地土壤有机碳与铁、铝矿物复合体分布特征

为了量化川西高寒山地土壤与铁、铝矿物相关的有机碳含量以及探讨川西高寒山地土壤铁、铝矿物对有机碳稳定性和累积方式的影响,采用选择性提取法研究了川西高寒山地的山地灰化土（MP)和高山草甸土（AM）中土壤有机碳与晶质金属氧化物（DH）提取、短程有序（HH）提取、矿物复合体以及有机—金属配合物（PP）提取中的有机碳和铁、铝的分布。结果表明,MP中DH,HH和PP提取的碳含量分别为(10.91±6.23) g/kg、(5.92±1.66) g/kg和(8.76±2.29) g/kg,分别占有机碳的20.92%,12.07%和19.93%;而AM中DH、HH和PP提取的碳含量分别为(9.05±1.33) g/kg、(5.52±1.02) g/kg和(9.12±3.21) g/kg,分别占有机碳的21.04%、12.47%和19.34%。3种提取剂提取的碳含量以及其占有机碳的百分比在MP和AW的A层土壤中均表现为PP > DH > HH,而在B层土壤中则表现为DH > PP ≈ HH。随着土壤深度的增加,深层土壤中次级矿物和晶体矿物丰度的显著增加,导致有机碳与铁、铝矿物复合体由有机—金属配合物主导转变为有机碳与晶质金属氧化物形成的复合体主导。PP提取的碳和其所占有机碳的百分比表现为A层高于B层,而DH和HH提取的碳含量和其所占有机碳的百分比大体表现为A层低于B层。由于MP特殊的土壤性质,这种差异在MP中更为明显。3种提取剂提取的金属（Al+Fe）含量在两种土壤中均表现为DH > HH > PP。而其提取的碳与金属的摩尔比表现为DH < HH < PP,说明随着铁、铝矿物的结晶度增加,其与有机质的作用从共沉淀、络合而向吸附作用转变。DH,HH和PP提取的碳与SOC的相关分析表明,MP中土壤有机碳的累积在一定程度上受晶质铁、铝矿物与有机质的相互作用而驱动;AM中土壤有机碳的累积在一定程度上受短程有序矿物与有机质的相互作用以及有机—金属配合物的驱动。本文研究表明,土壤中的铁、铝矿物与有机碳形成的复合体在一定程度上驱动着川西高寒山地土壤有机碳的积累,不同土壤类型中,与矿物相关的有机碳的分布不同,其有机碳的积累方式也不同。     

滇池流域宝象河水库沉积物中有机碳的来源

通过对滇池流域宝象河水库沉积物TOC、TN、C/N、δ13C及粒度等指标的测定,分析了沉积物中有机碳的主要来源及其变化趋势。结果表明:水体中不同位置沉积物有机碳来源并不相同,距三岔河入库河口相对较近的沉积柱芯A中C/N比值介于2.93~11.73,δ13C值介于-23.66‰~-21.78‰,有机碳主要来源于水生生物,陆源输入贡献较小,有机碳含量受粒径大小影响显著;距三岔河入库河口相对较远的沉积柱芯B中,其TOC和TN含量较高,分别介于14.62~24.93 g?kg-1和2.11~3.3 g?kg-1,δ13C值变化范围为-28.36‰~-26.36‰,粒度以黏土和细粉砂为主,有机碳主要来源于水库周边陆源输入,受人类活动影响强烈。     

北冰洋西部表层沉积物矿物学特征及其物质来源

对北冰洋西部79个表层沉积物样品进行了全岩X射线衍射矿物组成分析,结合洋流和地质背景,探讨各矿物分区的物质来源。矿物组合分区表明研究区物质来源变化较为复杂:(1)在楚科奇海的中部靠近白令海峡处长石含量很高,主要是阿纳德尔流携带的来自阿纳德尔河的沉积物;在楚科奇海的西侧的长石含量也较高,且与其他矿物组合分区相比,角闪石含量较高,这是因为受阿纳德尔流和东西伯利亚沿岸流的双重影响,沉积物来自西伯利亚陆地的一些高含长石的火山岩及沉积岩等。在楚科奇海的东侧,石英含量很高,来源为阿拉斯加沿岸流携带的育空河及卡斯奎姆河的沉积物。在阿拉斯加北部,碳酸盐岩和石英含量高,这与马更些河搬运的沉积物有关;(2)北冰洋西部深水区中加拿大海盆的南端和中部方解石和白云石的含量较低,说明受波弗特环流携带的加拿大北极群岛的碳酸盐影响相对较小,且与其他矿物组合分区相比,云母含量最高,说明沉积物主要来源为来自拉普捷夫海的海冰沉积物;此外,一些黏土级细粒物质可能由大西洋中层水携带而来。深水区的其他海域以方解石和白云石含量高为特点,主要受波弗特环流的影响,来源主要为加拿大北极群岛的班克斯岛和维多利亚岛;此外,还受来自西伯利亚陆架,主要是拉普捷夫海沉积物的影响。     

长江口外海域沉积物中有机物的来源及分布

通过分析长江口外海域不同区域有机碳和氮的分布特征及其影响因素,了解了底部沉 积物中有机碳和氮同位素的生物地球化学特征,探讨二者对长江口外海域底部沉积物中有机 物来源的指示意义。运用质量混合模型,计算了长江输入的陆源有机物的贡献及其空间变化。结果表明,长江口外海域沉积物中TOC 和TN 的分布和东海陆架的环流体系有着密切关系, 与环流的分布相对应,如果大致沿31^oN 和123^oE 作为分界线, 整个研究区的TOC 和TN 的分布可划分为4 个具有不同分布特征的区域。TOC、TN、δ¹³C 和δ¹⁵N 分别与沉积物的平均粒 径呈线性相关关系,因此,粒度效应是控制长江口外海域沉积物中有机物分布和稳定同位素 碳、氮的一个重要因素。研究区内的C/N 比值能够在一定程度上体现有机物的来源信息,但δ¹⁵N 表现出了与C/N 和δ¹³C 不同的区域分布和变化特征。陆源有机物来源比重较高的区域与 长江口外海域赤潮突发频率最高的地区相对应。长江口附近沉积物中的陆源有机物来源最高, 超过了50%,且等值线呈舌状向东北方向凸出,表明了长江冲淡水的影响。陆源颗粒态有机物沉海底后,要不断经历早期成岩作用和生物作用,因此在在相同地点,陆源有机物对沉积物中有机物的贡献,要明显小于对悬浮颗粒态有机物的贡献。     

西北冰洋楚科奇海台08P23孔氧同位素3期以来的古海洋与古气候记录

通过中国第三次北极科学考察在北冰洋楚科奇海台采集的08P23孔样品的多项指标分析以及与其他孔的沉积记录综合对比,将08P23孔沉积物初步分为氧同位素3期(MIS 3)-MIS 1的沉积序列。MIS 3以来,楚科奇海台08P23孔可以识别出5个显著的冰筏碎屑(Ice-Rafted Detritus,IRD)事件,分别出现在MIS 2和MIS 3。其中,MIS 3的IRD事件中碎屑碳酸盐岩主要来自于加拿大北极群岛分布广泛的古生代碳酸盐岩露头,MIS 2的IRD事件中碎屑石英可能来源于欧亚大陆边缘。该孔大部分层位浮游有孔虫左旋厚壁新方球虫Neogloboquadrina pachyderma(sinistral)(Nps)的δ18O和δ13C都轻于表层沉积物中的平均值。MIS 3中两个褐色层中偏轻的Nps-δ18O和Nps-δ13C值是由冰融水造成;MIS 1和MIS 3灰色层中偏轻的Nps的δ18O和δ13C值指示海冰形成速率的提高,导致轻同位素卤水的生产和下沉。MIS 2的Nps的δ18O和δ13C值变化趋势相反,是因为温度急剧降低导致Nps-δ18O变重,海水冻结成冰,海气交换明显降低使得Nps-δ13C偏轻。MIS 1和MIS 3的Nps的δ18O和δ13C受到融冰水或轻同位素卤水影响导致同时偏轻。     

北冰洋西部楚科奇海盆晚第四纪生源沉积物及其古海洋学意义

通过北冰洋西部楚科奇海盆M03孔晚第四纪以来生源沉积物,有孔虫丰度和冰筏碎屑(Ice．Rafted Detritus,IRD)的综合研究表明,海洋氧同位素(Marine Isotope Stage,MIS)7期以来,碳酸钙(CaCO )含量和浮游有孔虫丰度在间冰期的增加和冰期的降低,分别指示大西洋水输入的加强和减弱。而有机碳(TOC)和生源蛋白石(Biogenic Opa1)含量的变化可能主要与输入到海底的TOC降解和Opal溶解作用与底层水中的溶解氧有关。间冰期低的TOC和Opal含量可能反映楚
科奇海盆海冰覆盖减少,营养盐供给多,表层生产力增加,通气作用好,底层水富氧,降解和溶解作用增强,保存在沉积物中的TOC和Opal减少;而冰期相对高的TOC和Opal含量可能反映楚科奇海盆海冰覆盖时间较长,营养盐供给少,表层生产力较低,通气作用差,底层水少氧,降解和溶解作用减弱,保存在沉积物中的TOC和Opal增多。     

南极南设得兰群岛附近海域表层沉积物中有色溶解有机物的分布特征及来源分析

在南极南设得兰群岛附近海域采集了6个表层沉积物样品,测定了提取液中溶解有机物(DOM)的有机碳含量、紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱,并对有色溶解有机物(CDOM)的分子量信息及各荧光组分的成分和来源进行了分析。结果表明,南设得兰群岛附近海域表层沉积物中DOM提取液的溶解有机碳(DOC)及沉积物有机碳(SOC)的含量呈现由近岸向开阔海域递减的趋势,紫外-可见吸收光谱中的吸收系数(a)也表现出了相似的性质,光谱斜率比(SR)表明近岸沉积物CDOM老化程度较强。通过对三维荧光光谱的分析可知,南设得兰群岛附近海域表层沉积物中的CDOM包含3种荧光组分,即类色氨酸、海洋类腐殖质和陆源类腐殖质,表现出较强的自生源特征,整个研究海域CDOM来源以内源为主,受陆生植物和土壤有机质的外源输入影响较小。通过CDOM各参数的相关性分析发现,沉积物DOM提取液的DOC含量与SOC含量以及吸收系数和腐殖化指数(HIX)等参数相互之间都呈显著正相关,相关系数(r)均在0.88以上,显著性水平P0.01。     

黄河三角洲芦苇盐沼土壤碳、氮含量和储量的垂直分布特征

沿自陆向海方向,在黄河三角洲潮汐区芦苇(Phragmites australis)盐沼中,采集0~60 cm深度土壤的样品,研究土壤碳、氮含量与储量的垂直分布特征。结果表明,在垂直方向上,随土壤深度的增加,土壤有机碳、无机碳和全碳含量在减少,铵态氮、硝态氮和全氮含量在减少,土壤有机碳和全氮储量也在减少,土壤有机碳储量低于全国平均值;土壤全氮含量的垂直分布主要受制于土壤有机质的分布;土壤有机碳、全碳和全氮储量主要集中分布在土壤表层。根据土壤碳氮比,相对近陆的采样点1的土壤有机质来源主要为陆源,其他采样地的土壤有机质除来自陆地外,海洋也是其重要的来源。研究区域土壤含水率分别与土壤有机碳含量、全碳含量、全氮含量和全氮储量显著正相关(n=20,p0.01);土壤全碳含量、全氮含量分别与土壤容重显著正相关(n=20,p0.01);土壤全氮含量、全碳储量分别与土壤p H显著负相关(n=20,p0.05);土壤碳、氮含量和储量都与土壤盐含量不相关;土壤碳、氮含量和储量分别与螃蟹洞数量呈显著指数负相关。     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

Coordinated changes of sea ice over the Beaufort and Chukchi seas: regional and seasonal perspectives

One outstanding feature of the recent Arctic climate is the contrast of the changes of sea ice concentration and thickness between the Beaufort Sea and the Chukchi Sea. Since the Arctic Oscillation (AO) plays a critical role in driving Arctic sea ice changes and the Beaufort and Chukchi seas have been hypothesized as a region in which sea ice anomalies originate, we employed a coupled sea ice-ocean model and carried out simulations forced by the AO signal to examine sea ice changes in these regions, focusing on seasonality. With the AO phase transition from negative to positive, anticyclonic windstress weakens broadly in both winter and summer; however, the surface air temperature response shows remarkable seasonal dependence. Positive temperature anomalies spread over the entire domain in winter, while negative anomalies occur in the shelf seas in summer, although positive anomalies remain in the deep-water portion. The simulated sea ice concentration resembles the observed concentration. The strong seasonality of sea ice concentration changes suggests that accumulation of sea ice concentration in the Beaufort Sea and reduction in the Chukchi Sea are mainly produced in summer. Changes of ice thickness are robust through the seasonal cycle. Generally, sea ice dynamics play a critical role in creating the anomalous sea ice pattern and sea ice thermodynamics partially compensate the dynamically-driven changes. However, considerable seasonal differences occur.     

海冰流变学方案对比模拟试验

利用美国麻省理工学院开发的数值模式MITgcm设计了区域冰·洋耦合数值模拟试验,开展了海冰动力学过程中两种流变学方案(黏性-塑性流变学和弹性-黏性-塑性流变学)的对比研究.结果表明,两种方案模拟的海冰内部应力张量分量σ<,11>和σ<,22>总体分布形式相近.冬季,大值区主要位于加拿大北极群岛和格陵兰岛北侧以及格陵兰岛...     

The role of Pacific water in the dramatic retreat of arctic sea ice during summer 2007

A model study is conducted to examine the role of Pacific water in the dramatic retreat of arctic sea ice during summer 2007.The model generally agrees with the observations in showing considerable seasonal and interannual variability of the Pacific water inflow at Bering Strait in response to changes in atmospheric circulation. During summer 2007 anomalously strong southerly winds over the Pacific sector of the Arctic Ocean strengthen the ocean circulation and bring more Pacific water into the Arctic than the recent(2000-2006) average.The simulated summer(3 months) 2007 mean Pacific water inflow at Bering Strait is 1.2 Sv,which is the highest in the past three decades of the simulation and is 20%higher than the recent average.Particularly ,the Pacific water inflow in September 2007 is about 0.5 Sv or 50%above the 2000-2006 average.The strengthened warm Pacific water inflow carries an additional 1.0×10~(20) Joules of heat into the Arctic,enough to melt an additional 0.5 m of ice over the whole Chukchi Sea.In the model the extra summer oceanic heat brought in by the Pacific water mainly stays in the Chukchi and Beaufort region,contributing to the warming of surface waters in that region.The heat is in constant contact with the ice cover in the region in July through September.Thus the Pacific water plays a role in ice melting in the Chukchi and Beaufort region all summer long in 2007,likely contributing to up to 0.5 m per month additional ice melting in some area of that region .     

Modeling seasonal variations of ocean and sea ice circulation in the Beaufort and Chukchi Seas:A model-data fusion study

A 3.8-km Coupled Ice-Ocean Model(CIOM) was implemented to successfully reproduce many observed phenomena in the Beaufort and Chukchi seas,including the Bering-inflow-originated coastal current that splits into three branches: Alaska Coastal Water(ACW),Central Channel,and Herald Valley branches.Other modeled phenomena include the Beaufort Slope Current(BSC),the Beaufort Gyre, the East Siberian Current(ESC),mesoscale eddies,seasonal landfast ice,sea ice ridging,shear,and deformation.Many of these downscaling processes can only be captured by using a high-resolution CIOM,nested in a global climate model.The seasonal cycles for sea ice concentration,thickness,velocity,and other variables are well reproduced with solid validation by satellite measurements.The seasonal cycles for upper ocean dynamics and thermodynamics are also well reproduced,which include the formation of the cold saline layer due to the injection of salt during sea ice formation,the BSC,and the subsurface upwelling in winter that brings up warm,even more saline Atlantic Water along the shelfbreak and shelf along the Beaufort coast.     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海