CO2作为最主要的温室气体.docx
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CO2作为最主要的温室气体
从全球尺度来看,全球共存在
岩石圈、海洋、大气、陆地生物圈、水生生物圈、化石燃料6个主要碳库。
岩
石圈是第一大碳库,海洋是仅次于岩石圈的第二大碳库(表1)。
但是岩石圈的
碳主要以碳酸钙结晶的形式存在,性质稳定,只有极少一部分通过风化的作用
参与到地球化学循环中去
[6]
;而海洋碳库中的碳主要以溶解无机碳的形式存在,
化学性质活跃;同时,海洋碳库是大气碳库的50倍,陆地生物圈碳库的19倍,
化石燃料碳库的9倍,因此海洋是全球第一大活跃碳库
[6]
。
大气碳库虽然较小,
却是调节全球气候的最关键因素。
全球变暖的根源就是由于人类对石油、煤炭、
天然气等化石燃料的开发利用,使本该被长期封存在岩石圈中的有机碳被转换
成CO2进入了大气圈
[2]
。
通过海洋水气界面交换,每年都有大量的CO2从大气圈
进入了海洋,因此海洋对缓解全球气候变化做出了巨大贡献,海洋碳循环是全
球碳循环过程中最关键的一个环节
[6,11,12]
。
自上世纪末,一系列针对海洋碳循环过程的大型国际科研计划(国际地圈
与生物圈计划(IGBP)核心计划全球海洋通量联合研究(JGOFS)、海岸带陆
海相互作用(LOCIZ)、上层海洋与低层大气研究(SOLAS)、全球海洋生态系
统动力学(GLOBEC)、海洋生物地球化学和生态系统综合研究(IMBER))相
继实施,使人们对海洋碳循环过程有了一定的了解,特别是JGOFS计划的完成,
基本探明了全球海洋碳循环过程及海气界面碳通量,使人们对海洋碳循环乃至
全球碳循环的了解上升到一个新的高度。
海洋碳循环过程主要是在“溶解度泵”、“碳酸盐泵”、“生物泵”的作用下
完成的。
在这个三个泵的作用下,实现了碳在海洋中的迁移和变化,最终调节
了全球气候。
CO2作为最主要的温室气体,对全球气温的升高的
贡献度高达70%
[3]
。
根据冰芯中的CO2历史记录,大气中CO2浓度在过去42万
年以来是前所未有的,并仍以每年1.5—1.8ppmv的速度上升
[4]
。
全球碳循环过
程以及气候变化,已经成为科学家们所共同关注的焦点问题之一。
海洋碳循环
作为全球碳循环的一部分,其作用极其重要,每年约有30%人类活动排放的CO2
被海洋吸收
[5]
,被海洋吸收的CO2经过一系列生物过程(生物泵以及碳酸盐泵的
作用)最终以有机物和CaCO3的形式沉降到洋底,要经过很长的地质时间才能
重新进入大气。
相比之下,陆地森林碳汇对CO2扣押的时间尺度只有几十年
[6]
,
因此海洋碳循环对全球气候变化的调节更为重要。
生物在海洋碳循环中起了非
常重要的作用,碳在海洋中的迁移和转化几乎都有生物参与。
特别是浮游植物,
通过光合作用直接固定了大量的溶解无机碳(DIC),如果浮游植物光合作用停
止,大气中CO2浓度将会比当前高150-200ppmv
[6,7]
。
生物作用还与人类的活动
密切相关,人类活动引起的海洋生物种群、群落、生态系统结构的变化也会导
致海洋碳循环格局的改变
[8-10]
。
因此,生物在海洋碳循环中的作用成了科学家们
竞相研究的热点。
与此同时,大量CO2进入上层海洋,造成了海洋酸化(Marine
Acidfication),也会改变生物生理活动和生态作用。
生物对海洋酸化的响应机制,
也将是未来研究的热点。
近海是海洋生产力最高的区域,同时还是受人类活动影响最强烈的区域,
在近海还存在着大量的双壳贝类高密度养殖区。
双壳贝类一方面可以通过滤食
活动摄食浮游植物等颗粒有机碳,并将部分通过粪和假粪的形式沉降到海底,
起到了类似生物泵的作用,这对碳的长期封存具有积极作用;另一方面又通过
钙化和呼吸活动释放CO2,同时通过钙化将海水中的碳转化为贝壳中的碳酸钙,
1年,因此贝类对碳循环的作用机制非常复杂。
目前
已有大量关于贝类生物沉积作用的报导,但对呼吸和钙化的研究较少。
同时目
前尚无对养殖活动对碳循环贡献的研究。
因此本文初步研究了温盐、pH等环境
变化对贝类钙化和呼吸的影响,以及未来酸化对钙化和呼吸的影响;模拟了不
同养殖方式对碳循环的影响;并初步估算了养殖活动在特定海域对碳循环的影
响。
1.1.1溶解度泵
CO2易溶于水,溶于水后与水发生各种化学反应
[13,14]
:
4栉孔扇贝对近海碳循环生理活动的影响
因此CO2进入海洋主要以DIC形式存在,其中以
3
HCO
?
的含量最高,约占总量的
90%;其次为2
3
CO
?
,约占9%;CO2(aq)和H2CO3不到1%
[15]
。
海洋—大气界
面通常存在一个CO2浓度梯度,在大气和洋流的综合作用下,界面上进行着大
量CO2交换。
CO2从大气中溶入海水的过程称为“溶解度泵”。
据估算全球每年
排入大气中的CO2以碳计约为5.5Gt,通过海气交换净吸收的CO2约为2Gt,占
总排放量的36%
[5]
。
在千年的时间尺度上,海洋通过海气交换调节了大气中的
CO2浓度,进而调节了全球的气候变化,在海洋碳循环过程中作用极其重要。
海—气界面CO2交换速度通常用单位时间单位面积的CO2通量来表示,称为
海—气界面CO2通量。
海—气界面CO2通量受多种理化和环境条件综合作用影
响,除受表层海水的温度和盐度影响外,还受海水表面的风速影响。
最常用的
计算海—气界面CO2通量的公式为
[17]
:
s2
F=kaΔpCO
其中F为海—气界面CO2通量,k为扩散常数,是与风速、温度、盐度相关的函
数;为海水中CO
s
a2的溶解度系数,是于温度和盐度相关的函数,目前研究对
于较多使用Weiss
s
a
[18]
的推导公式:
)]
100
K)
0.0050578(
100
KS
[0.0271660.025888(
)
100
K)
22.2940ln(
K
100l
na58.093190.5069(
2
s
?
+
=?
++×+
5第一章海洋碳循环的生物过程
2
ΔpCO为海—气界面CO2分压差。
海—气界面CO2通量还受热盐环流、洋流以及纬度和季节变化影响。
由于
海水中CO2溶解度与温度负相关,所以CO2在高纬度地区由于水温低所以溶解度
高,在低纬度地区由于水温高所以溶解度低。
这导致了高纬度冷水吸收了大量
CO2,并通过下降流将其带到洋底;富含CO2海水通过底层洋流输送到赤道附近,
以上升流将其带到海面,由于温度上升,CO2溶解度下降,大量CO2从海水释放。
每年大约有40GtCO2在高纬度海水被吸收而在低纬度释放
[5]
。
但从整体来看,
海洋对大气是一个净吸收的过程[19],每年约有2GtCO2被海洋吸收[5(]Fashamet
al.,2001)。
1.1.2生物泵
溶解度泵只是实现了CO2从大气碳库向海洋碳库的迁移,存在很强的时空
异质性。
进入海洋的CO2最终实现封存并脱离地球化学循环需要通过生物泵的
作用。
首先,进入海洋的CO2被浮游植物和光合细菌通过光合作用固定转变为
有机碳从而进入海洋生态系统,碳在海洋生态系统食物网中经过层层摄食最终
以生物碎屑的形式输送到海底,从而实现了碳的封存,封存的碳在几万甚至上
百万年时间内不会再进入地球化学循环,这一过程被称为生物泵。
生物泵将海
洋表面的无机碳转化为有机碳,并将其中一部通过垂直输送到洋底沉积物中,
最终实现了海洋对碳的长时间封存。
也正是由于生物泵垂直输送机制的存在,
实现了海洋对CO2的调节
[20]
。
生物泵被认为是海洋碳循环的关键控制过程[19]。
生物泵输送碳的形式是有机碳,因此生物泵实际上是有机碳泵。
输送有机碳主
要以颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)两种形式存在,其中POC约占
输送有机碳的80%,DOC占20%
[21-23]
。
生物泵是海洋碳循环中3个泵最复杂的一个(图1),首先浮游植物和好氧
光合细菌通过光合作用固定无机碳,每年大约有45Gt
[5]
的碳被固定转化为有机
碳。
固定的碳被浮游动物所摄食成为次级生产力,然后部分被更高营养级生物
所摄食,部分通过呼吸和死亡分解再次变成无机碳返回环境,部分被垂直输送
6栉孔扇贝对近海碳循环生理活动的影响
到海底。
其中每年有35Gt有机碳通过生物异养呼吸的途径变成DIC,这部分碳
占海洋表面光合作用所固定碳的80%左右。
真光层异养细菌是这个过程的主要
贡献者,据估计,大约50%—90%的呼吸作用是由异养细菌来完成的
[24]
。
甚至
在某些海区,细菌的呼吸作用要强于该地区的初级生产力[25-27](。
未被呼吸作
用氧化的有机碳以生物碎屑和排泄物(POC)以及DOC的形式向弱光层、深海
无光层输送,每年大约有10Gt有机碳最终进入深海
[5]
,但其中绝大部分经过再
矿化再次成为DIC,最终能够进入洋底沉积物的不足5%
[5,24]
。
有机碳在弱光层、深海的氧化分解还为上层海洋提供了新生产力,据调查
深海溶解有机物降解的C:
N:
P的元素比为199:
20:
1,要大于Redfield比(106:
16:
1),这就意味着当有机物降解时将会有大量的N、P以新生产力的形式重新
进入上层海洋[23],从来促进了上层海洋的初级生产。
生物泵的过程相当复杂,
碳在向洋底输送的过程中还会发生各种赋存形态的迁移,更加加剧了其复杂性。
另外,生物泵还影响了溶解度泵。
溶解度泵虽然使大气中CO2进入了海洋,
但前提条件是大气CO2分压要大于海洋表层CO2分压,生物泵光合作用对海洋表
面DIC的利用,降低了海水CO2分压,使海气界面CO2分压梯度持续存在着。
如
果没有生物泵的作用,海洋—大气界面CO2浓度最终将达到平衡,大气与海洋
间的CO2交换将停止。
在生物作用的驱动下,在海洋表层和深海形成了大约为
220μmol?
kg?
1的DIC浓度梯度[28],大约有2500Gt碳位于这个梯度上,是大气碳
库的3.5倍
[9]
。
因此,生物泵对DIC的运输有着深远影响,海洋环境变化引起的
生物泵很小的变化,都可能引起整个海洋碳循环格局的变化。
生物泵极其复杂,人类对海洋碳循环中的生物过程仍存在大量未知,特别
是真光层以下生物以及微生物的作用,近年来的研究也特别关注了海洋微生物
的作用。
Kolberetal
[29]
研究发现真光层的好氧光合细菌的初级生产力贡献至少
占据了总生产力的11%。
好氧光合细菌是一个非常特殊的类群,它的粒径远小
于浮游植物;它的营养方式也很特殊,它在有机碳丰富的条件下可以代谢有机
碳,营异养生活;在有机碳匮乏的情况下可以进行光合作用营自养生活。
好氧
光合细菌的发现改变了人类对海洋初级生产过程的认识,它对海洋有机碳和无
机碳的循环起了非常重要的作用,但在过去一直是被忽视的。
生物过程是海洋
碳循环过程中相当重要的环节,国际上正在进行的海洋碳循环模式的互校工作
7第一章海洋碳循环的生物过程
第三期计划(OCMIP-3)也特别强调了海洋生物的作用
[19]
。
图1.1海洋生物泵(引自陈泮勤2004)
Fig1.1Marinebiologicalpump
1.1.3碳酸盐泵
JGOFS基本上描述了海洋碳循环在溶解度泵和生物泵作用下的过程(图2),
但是没有描述碳酸盐泵的过程。
碳酸盐泵跟生物泵一样,也是由海洋生物的生
命活动驱动的,但其本质是无机碳泵,它驱动了碳以碳酸钙结晶的形式向海底
输送,同时还将海水中部分DIC转化为返还到大气中去,因此也被称为碳酸盐
反向泵[30]。
部分海洋生物能够利用海水中的Ca2+和_生成CaCO
3
HCO3(主要以文
石和方解石晶体的形式存在)的骨架和外壳[31-33],这个过程称为生物钙化
(Calcification),生物钙化活动就是碳酸盐泵的基础。
在钙化的过程中发生了以
下的化学反应:
8栉孔扇贝对近海碳循环生理活动的影响
2+-?
332
Ca+2HCOCaCO+HO+CO
2
从上面的反应可以看出,生物钙化利用了2eqv._生成了1eqv.CaCO
3
HCO3和
1eqv.CO2。
钙化过程中_来自海洋无机碳库,但生成的CO
3
HCO2经过海水缓冲
后会有部分进入大气碳库,据研究,每沉淀1eqv.的CaCO3同时,会有0.67eqv.
的CO2进入大气
[34,35]
,因此有学者认为生物钙化是的CO2源。
有学者甚至认为最
近一次冰河间期到工业革命之前大气中CO2浓度的上升可能是由海洋生物钙化
所引起的[34-36]。
颗石藻是海洋生物钙化的主要贡献者,它同成礁珊瑚、有孔虫类主导了全
球碳酸盐的收支平衡[37],此外,具壳软体动物和硬骨鱼类也是CaCO3生产者的
一部分,据估算全球每年有0.7—1.4Gt的碳以新生成的CaCO3形式存在
[38]
。
颗
石藻和有孔虫类死后所形成的CaCO3外壳迅速向洋底输送,随着深度的增加,
CaCO3溶解反应逐渐加强,表现为海水总碱度的增加(图3)。
当到达某一深度,
CaCO3溶解的正向反应与逆向反应将达到平衡,这深度称为补偿深度。
在补偿
深度下,溶解反应要大于结晶反应,CaCO3溶解占主导地位,每年新生成的
45%—65%的CaCO3最终在补偿深度下被溶解,只有20%—30%左右输送到洋底
[37]
。
9第一章海洋碳循环的生物过程
图1.2海洋碳循环过程(引自陈泮勤2004)
Fig1.2Themarinecarboncyclefluxes
最近Wilson
[38]
发现海洋硬骨鱼类也存在着CaCO3生产机制,由于硬骨鱼的
渗透调节机制,需要不断饮入含有大量含Ca
2+
和Mg
2+
的海水保持体内水盐平衡,
而Ca
2+
和Mg
2+
极易形成肾结石,为了避免形成肾结石对身体产生不良影响,硬
骨鱼在肠道内形成了大量富含Mg
2+
的CaCO3结晶。
此种结晶的溶解度要高于文
石和方解石,更易溶于海水,Wilson
[38]
的发现解释了海洋实际补偿深度高于模
型预计深度这个困扰了科学家们多年的问题。
根据他的估算,硬骨鱼生产的
CaCO3约占总产量的3%-15%,而过去对碳酸盐泵一直低估了。
10栉孔扇贝对近海碳循环生理活动的影响
图1.3北大西洋海水总碱度随水深的变化(引自Wilsonetal.2009)
Fig1.3ThenormalizedtotalkalinityofseawaterasafunctionofdepthforNorth
AtlanticWaters
1.1.4生物在海洋碳循环中的作用
海洋碳循环是在溶解度泵、生物泵以及碳酸盐泵三个泵的驱动下完成的,
其中生物泵和碳酸盐泵是直接以海洋生物的生命活动为基础的,溶解度泵虽然
没有生物的直接参与,但也受到生物活动的间接影响。
如初级生产者光合作用
对海水中DIC的利用,以及海洋动物通过呼吸活动向海水中释放CO2都会改变海
水中CO2分压,进而影响到溶解度泵的作用。
也正是由于生物活动的参与,使
得海洋碳循环较陆地碳循环更加复杂。
虽然JGOFS在海洋碳循环中的研究中取得重大进展,但主要解决的是关于
全球溶解度泵——表观源和汇的问题。
但是对碳在不同形态间的迁移、转化以
11第一章海洋碳循环的生物过程
及垂直输送过程中的生物作用了解还不甚深入。
如海洋细菌、病毒在有机碳的
垂直输送过程中如何将有机碳转化为无机碳、所占输送碳的比例以及受控因素
等,都亟需进一步的深入研究。
特别是真光层光合细菌,在有机碳充足条件下
营异养,将有机碳转换为无机碳;在有机碳匮乏条件下营自养,将无机碳转换
为有机碳,更加剧烈问题的复杂性。
而对上述问题的认识是了解海洋对碳封存
认识的关键,未来海洋碳循环的研究也将会主要集中在生物作用的领域。
1.2CO
2
排放对未来海洋碳循环的影响
CO2的大量排放不仅造成了全球变暖,同时还造成了海洋酸化。
全球变暖
已经引起了人们的广泛关注,但海洋酸化直到近几年才引起人们的重视。
Byrne
etal
[39]
首次在北太平洋地区水下500m范围内观测到了海水酸化的现象,发现从
1991到2006十五年的时间里,pH值下降了0.06个单位。
根据IPCC的预测,如
果人类排放CO2仍保持当前速度的话,那么到2100年大气中将达到
450-900ppmv
[40]
(图4),海水pH值将较工业革命前下降0.3-0.4个单位
[41,42]
。
由
于pH值是使用H
+
浓度的负对数来表征的,pH每下降0.1个单位,H
+
浓度实际上
增加了0.3倍。
本世纪末,海洋中H
+
浓度将会提高一倍,海洋将达到300万年
以来酸性程度最高的状态[41]。
全球变暖和海洋酸化成了CO2排放引起的两个重
大环境问题,都将对海洋碳循环的过程产生深远的影响[40,43]。
海洋是仅次于岩石圈的第二大碳库,但由于岩石圈中的碳存在形式稳定,
所以很少能参与到全球碳循环中去。
而海洋中的碳主要以化学性质活跃的溶解
无机碳(DIC)的形式存在,因此海洋实际上为影响全球碳循环和全球气候变
化的第一大碳库[6,11,12]。
据估计,全球每年排入大气中的CO2以碳计约为5.5G
通过海洋净吸收的CO2约为2Gt,占总排放量的36%
[5]
。
在千年的时间尺度上
海洋通过海气交换调节了大气中的CO2含量,进而调节了全球的气候变化。
近
海不仅为人类提供了大量的优质蛋白,同时还受人类活动直接影响,其碳循环
过程也更加复杂多变。
近海碳循环因此也一直是海洋碳循环研究中薄弱的环节
特别是在近海养殖密集海区,高密度养殖生物的生命活动——如大型藻类的光
合作用以及贝类的呼吸和钙化作用,将会改变海水中的CO2系统各成分含量,
从而影响CO2海气交换以及近海碳循环的格局,但目前这方面的研究较少。
养殖生物的生命活动对近海碳循环的影响深远。
特别是养殖贝类群落,它
作为当地海域物质循环和能量流动的驱动者,通过强烈的滤水和生物沉积活动
促进了大气CO2进入海洋,经浮游植物光合作用后被贝类摄食,最终以溶解有
机碳和颗粒有机碳的形式沉入海底,在近海碳循环中起到了生物泵的作用,增
强了海洋碳汇的功能。
但同时也有研究表明,贝类还会通过呼吸和钙化两项生
理活动向环境中直接释放CO2,表现为部分碳源
[87-89]
。
而养殖大型藻类则能够
通过光合作用大量吸收水体中的DIC。
本章初步模拟了藻类、贝类、以及贝藻
混养等养殖方式下对海水CO2系统以及近海碳循环影响。
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