基于广义回归神经网络的全球表层海水1°×1°二氧化碳分压数据推演

表层海水二氧化碳分压是评估海洋碳源汇强度的关键参数，但其实测数据较少、时空分布极不均匀，导致二氧化碳交换通量的估算有很大的不确定性，海洋源汇特征就不能确切获取。为了解决这个难题，在收集的表层大洋二氧化碳地图(Surface Ocean CO₂ Atlas，SOCAT)实测数据集基础上，运用广义回归神经网络建立二氧化碳分压与经纬度、时间、温度、盐度和叶绿素浓度间的非线性关系，构建了1998?2018年间全球1°×1°经纬度的表层海水二氧化碳分压格点数据，其标准误差为16.93 μatm，平均相对误差为2.97%，优于现有研究中的前反馈神经网络、自组织映射神经网络和机器学习算法等方法。根据构建的数据所绘制的全球表层海水二氧化碳分压的分布与现有研究有较好的一致性。     

水环境中的信息有机物与“水域生态讯息学”的提出

信息有机物(或化感物质)系指存在于自然环境,对生物物种或生物类群生存和生长有促进或抑制作用,并能通过调控生物丰度与群落结构来影响生态系统和生态环境的微痕量有机物。目前已知的信息有机物大多是分子质量小于10~4Da的醇、酚、萜、酯、多肽等小分子物质,它们随水体迁移扩散,通过控制酶活性或光合系统等途径影响目标生物生存生长,作用强度受微生物分解和营养水平等多种因素影响。水体中信息有机物一般是通过有机溶剂萃取或固相萃取富集后用色质联用鉴定结构并测定含量。本文系统总结了近年来水环境中信息有机物及其检测方法的主要研究进展,归纳总结了高效灵敏的水体信息有机物检测方法,阐述了水环境中信息有机物种类、结构、作用机制及其对水域生态学的意义,在此基础上,提出了"水域生态讯息学"的新概念,诠释了"水域生态讯息学"的内涵,这对于拓展生态学研究内容,揭示水生生物学发生机制,持续利用水生生物资源具有重要的科学意义和实际价值。     

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。     

东海海—气界面二氧化碳通量的季节变化与控制因素研究进展

通过对东海海—气界面二氧化碳(CO2)交换有关研究的总结,剖析了东海表层海水CO2分压(pCO2)的区域分布特征,探讨了海—气界面CO2通量(FCO2)的季节变化规律,诠释了影响海—气界面CO2转移的主要因素.结果表明,东海表层海水pCO2的区域分布具有明显的季节变化,可将其分为冬季、夏季、过渡季节(春季、秋季)3个时段.冬季西部近岸海域由于水体垂直交换强烈,造成表层水体pCO2较高,而中、东部陆架海域由于浮游生物的光合作用使得pCO2较低.夏季近岸河口海域由于陆源输入的影响导致pCO2较高,中、东部陆架海域受温跃层、长江冲淡水、浮游植物的综合作用pCO2较低.春季、秋季为过渡时段,表层海水pCO2分布变化剧烈,受控因素较为复杂.东海全年表现为大气CO2的净汇,其中冬、春、夏为碳汇,其海—气界面FCO2分别为(-6.68±6.93),(-4.94±0.80),(-3.67±1.09)mmol/(m2·d).秋季表现为碳源,通量约为(1.50±8.37)mmoL/(m2·d).东海全年平均通量约为-3.16 mmol/(m2·d),共可吸收CO2约为6.92×106 t C/a.不同季节海—气界面FCO2的年际变化凸显了人为因素的影响,近海富营养化加剧,三峡工程的运行都可能是造成东海冬季碳汇量减少、秋季碳源/汇格局转变的原因.     

胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮的迁移特征及其影响因素解析

采用实验室培养法,在原位温度和溶氧条件下,研究了夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮(DIN)的迁移特征。结果表明,夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面DIN主要以NO_3-N和NH_4-N的形态进行交换,夏季胶州湾沉积物表现为水体DIN的源,其交换通量为1.64×10~9 mmol/d,可以提供维持初级生产力所需氮的39.3%;而冬季沉积物表现为DIN的汇,其交换通量为–2.12×10~8 mmol/d。利用相关分析和主成分回归分析,研究界面不同形态DIN交换速率和底层环境因子的关系,结果表明,夏季胶州湾沉积物-海水界面DIN的交换主要受沉积物中有机质的矿化、底栖藻类的同化作用和扩散过程共同调控,而冬季则主要受内源有机质的矿化、底栖藻类的同化作用、吸附-解吸和扩散过程共同调控。     

胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率及其影响因素探讨

采用实验室培养法在原位温度和溶氧条件下测定了胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率,并探讨了相关环境因子对界面交换速率的影响机制。结果表明,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换表现为从沉积物向水体释放,其交换速率在947~4 889 μmol/（m2·d）范围内,平均速率为1 819 μmol/（m2·d）。表层沉积物中叶绿素a（Chl a）和总有机碳（TOC）是影响胶州湾沉积物-海水界面硅交换速率的主要环境因子,同时表层沉积物的含水率（φ）、生源硅（BSi）和粘土含量以及间隙水中溶解硅酸盐（DSi）对沉积物-海水界面硅的交换也有重要影响。由此可推知,胶州湾沉积物-海水界面硅的交换速率主要受生物活动和溶解-扩散双重过程调控,而表层沉积物粒度与底层水体中DSi对胶州湾硅的释放影响较小。     

CO2 flux and seasonal variability in the turbidity maximum zone and surrounding area in the Changjiang River estuary

The turbidity maximum zone(TMZ) is one of the most important regions in an estuary.However,the high concentration of suspended material makes it difficult to measure the partial pressure of CO_2(pCO_2) in these regions.Therefore,very little data is available on the pCO_2 levels in TMZs.To relatively accurately evaluate the CO_2 flux in an example estuary,we studied the TMZ and surrounding area in the Changjiang(Yangtze) River estuary.From seasonal cruises during February,August,November 2010,and May 2012,the pCO_2 in the TMZ and surrounding area was calculated from pH and total alkalinity(TA)measured in situ,from which the CO_2 flux was calculated.Overall,the TMZ and surrounding area acted as a source of atmosphere CO_2 in February and November,and as a sink in May and August.The average FCO_2was-9,-16,5,and 5 mmol/(m~2·d) in May,August,November,and February,respectively.The TMZ's role as a source or sink of atmosphere CO_2 was quite different to the outer estuary.In the TMZ and surrounding area,suspended matter,phytoplankton,and pH were the main factors controlling the FCO_2,but here the influence of temperature,salinity,and total alkalinity on the FCO_2 was weak.Organic carbon decomposition in suspended matter was the main reason for the region acting as a CO_2 source in winter,and phytoplankton production was the main reason the region was a CO_2 sink in summer.     

模拟研究沙海蜇消亡过程中海水pH 变化及对海水酸化的影响

通过室内模拟实验,研究了不同pH、盐度、温度和氮磷比控制条件下沙海蜇(Nemopilema nomurai)消亡过程中水体pH的变化特征及对海水酸化的影响.结果表明,沙海蜇块体分解会造成pH的显著降低,水体出现明显酸化.随着沙海蜇的分解,本底海水组(本底海水+实验用沙海蜇)水体pH呈现先下降,后缓慢回升直至稳定的趋势,并在第2天形成最小值,且水体pH下降0.5～1.3.沙海蜇块体在不同pH、盐度、氮磷比、温度控制条件下分解时,水体pH变化趋势相似,均表现为先下降,达到最小值后再缓慢回升,但不同控制条件下水体pH出现最小值的时间并不一致,从先到后的顺序是温度组(第3天)、pH和盐度组(第4天)及氮磷比组(第5天),这与沙海蜇块体分解速率顺序一致.沙海蜇分解过程中,这4个实验组水体pH下降0.5～1.8,水体发生明显的酸化,这其中海水盐度、pH的变化及温度的降低所导致的沙海蜇消亡过程中海水酸化程度比较严重;因此,在当今海水富营养化及海水温度升高的情况下,沙海蜇的暴发及其消亡会造成海洋生态系统遭受更严重的破坏.     

近百年来大亚湾沉积物有机质的沉积记录及对人为活动的响应

通过对沉积物中粒度组成、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、碳氮比（TOC/TN）和碳、氮稳定同位素丰度（δ13C、δ15N）等的分析，结合沉积年代学信息与端元混合模型结果，解析了百年尺度下大亚湾沉积物中不同来源有机质的演变过程及控制因素。结果表明，大亚湾沉积物特性在20世纪70年代末至80年代初发生了显著改变:在此之前，TOC、TN、δ13C和δ15N表现稳定，陆源与海源有机碳的比例维持在3∶7，而自此之后，TOC与TN含量显著升高，TOC/TN持续下降，在1980—2000年和2010年至今都出现了陆源有机碳比例升高，海源有机碳比例降低的现象。上述显著变化表明大亚湾海洋环境自20世纪70年代末至80年代初已经发生了重大变化。近20年来GDP与沉积柱中TN和δ15N呈现出的显著正相关，与TOC/TN呈现出的显著负相关，表明沿岸经济的迅猛增长，水产养殖业的快速发展，周边人口的急速增加等人为活动，是造成大亚湾生态环境变化的重要原因。未来的研究应更密切关注人为活动对海湾生态环境的影响，通过法律法规约束行为，加强海湾生态环境保护与修复治理工作。     

pCO2 distribution and CO2 flux on the inner continental shelf of the East China Sea during summer 2011

Measurements of pH,total alkalinity(TA),partial pressure of CO2(pCO2) and air-sea CO2 flux(FCO2) were conducted for the inner continental shelf of the East China Sea(ECS) during August 2011.Variations in pCO2 distribution and FCO2 magnitude during the construction of the Three Gorges Dam(TGD)(2003-2009),and the potential effects of the TGD on the air-sea CO2 exchange were examined.Results showed that the ECS acts as an overall CO2 sink during summer,with pCO2 ranging from 107 to 585 μatm and an average FCO2 of-6.39 mmol/(m2·d).Low pCO2(<350 μatm) levels were observed at the central shelf(28°-32°N,123°-125.5°E) where most CO2-absorption occurred.High pCO2(>420 μatm) levels were found in the Changjiang estuary and Hangzhou Bay which acted as the main CO2 source.A negative relationship between pCO2 and salinity(R2=0.722 0) in the estuary zone indicated the predominant effect of the Changjiang Diluted Water(CDW) on the seawater CO2 system,whereas a positive relationship(R2=0.744 8) in the offshore zone revealed the influence of the Taiwan Current Warm Water(TCWW).Together with the historical data,our results indicated that the CO2 sink has shown a shift southwest while FCO2 exhibited dramatic fluctuation during the construction of the TGD,which is located in the middle reaches of the Changjiang.These variations probably reflect fluctuation in the Changjiang runoff,nutrient import,phytoplankton productivity,and sediment input,which are likely to have been caused by the operations of the TGD.Nevertheless,the potential influence of the TGD on the CO2 flux in the ECS is worthy of further study.