春季南黄海表层海水中二氧化碳的分布特征及其影响因素
陈发荣1,2, 郑晓玲2, 郑立2,*, 孙军卿2, 孙杰1, 韩力挥1, 王小如2
1. 中国海洋大学化学化工学院, 山东 青岛 266100
2. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061
*通讯联系人 e-mail: zhengli@fio.org.cn

作者简介: 陈发荣, 1978年生, 中国海洋大学化学化工学院博士研究生 e-mail: frchen@fio.org.cn

摘要

根据2007年4月南黄海区块(SYS)表层海水中二氧化碳分压(pCO2)的连续走航数据, 结合水温( T)、 盐度( S)、 叶绿素 (Chla)以及pH的同步观测资料, 对该海域pCO2分布特征及其主要影响因素进行了初步探讨。 分析结果表明: 春季南黄海pCO2的范围在365.2~734.9 μatm之间, 平均值为548.0 μatm; 最高值出现在121.5°E, 33.4°N海域, 最低值出现在123°E, 32.3°N海域。 受海水中物理、 化学和生物因素的综合影响, pCO2的分布存在较大的不均匀性, 总体上表现为西部高于东部, 中间高于南北两边; 在苏北浅滩和鲁南海区, pCO2与水温的变化呈正相关关系, 与盐度的大小呈明显的负相关关系, 而在长江入海口变化趋势则相反; 此外, 在整个调查海区pCO2与叶绿素、 pH基本上呈负相关关系。 研究将两台检测器串联进行互校, 同时利用二氧化碳标准气体对其中一台仪器进行全程校准, 可连续不间断观测海水和大气中的pCO2。 该方法操作简单, 获得的数据准确可靠, 可为节能减排能力建设提供技术支持。

关键词: 二氧化碳分压; 走航观测; 二氧化碳通量; 南黄海
中图分类号:O433 文献标志码:A
The Distribution and Influencing Factors of Carbon Dioxide in the Surface Seawater of the South Yellow Sea during Spring
CHEN Fa-rong1,2, ZHENG Xiao-ling2, ZHENG Li2,*, SUN Jun-qing2, SUN Jie1, HAN Li-hui1, WANG Xiao-ru2
1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
2. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
Abstract

The partial pressure of carbon dioxide (pCO2) in the surface seawater of the South Yellow Sea(SYS) was investigated by means of cruising observation during the spring of 2007. The distribution characters and influencing factors of the pCO2 were studied by combining with the cogredient data of the seawater temperature, salinity, chlorophyll, pH. The results showed that the values of the pCO2 in the surface seawater of the SYS was in the range of 365.2~734.9 μatm, with an average of 548.0 μatm, the maximum value appeared in sea area near 121.5°E, 33.4°N, and the minimum value appeared in sea area near 123°E, 32.3°N. As a whole the distribution of the pCO2 present obvious horizontal inhomogeneity, gradually decreased from west to east, and was higher at the middle latitude than both sides under the combined influence of biological, hydrological and chemical factors. The pCO2 was in direct proportion to the seawater temperature and in inverse proportion to the seawater salinity in the shoal-water area along the northern coast of Jiangsu Province and the near shore area of southern Shandong Province, but there was a reverse trend at the mouth of Yangtze River. In addition, there was a negative correlation between the pCO2 and the chlorophyll as well as between the pCO2 and the pH value in the whole investigated sea area. In this study, it was the first time that one of two CO2 analyzers was calibrated by series-connecting one of the channels, meanwhile, the other analyzer was calibrated with the standard gas of carbon dioxide through the other channel. Therefore, the concentrations of carbon dioxide in air and seawater could be continuously monitored. It was proved that the method was simple to operate, and the data obtained were accurate and reliable, with the hope of providing technical support for capacity building on energy conservation and emission reduction.

Keyword: Partial pressure of carbon dioxide (pCO2); Crusing observation; Carbon dioxide flux; South Yellow Sea (SYS)
引言

全球变暖对气候和生态系统产生了巨大的影响, 二氧化碳的大量排放所造成 “ 温室效应” 的加剧是全球气温升高的重要原因。 海洋占全球表面积的70.8% , 对大气中二氧化碳的平衡调节起着十分重要的作用, 是全球碳循环的一个重要贮库。 通常海洋与大气二氧化碳并不处于平衡状态, 当海水pCO2低于大气pCO2 , 海洋吸收二氧化碳成为“ 碳汇” , 反之海洋成为“ 碳源” 。 全球大气pCO2相对比较稳定, 海洋二氧化碳的源和汇主要受控于表层海水pCO2的分布, 间接地受到物理与生物地球化学过程的影响[1, 2]。 Wang等[3]在黑潮边缘交换过程计划(KEEP-MASS), 根据二氧化碳-碳酸盐平衡体系, 将在东海观测到的pH, 总碱度(TA)和总二氧化碳(TCO2)数据进行反演, 计算出pCO2参数, 进而外推得到整个黄海、 东海二氧化碳的通量。 为在更大范围获取海洋-大气二氧化碳观测数据, 许多国际组织和研究机构大力推荐开展低层大气和表层海水pCO2走航观测技术[4]。 然而目前pCO2的调查一般是以一条或几条断面的数据来代表整个海区[5, 6, 7, 8, 9, 10], 这种情况显然是不科学的, 必然存在极大的误差。

本研究根据2007年4月中国近海海洋综合调查与评价专项的连续走航数据, 对南黄海区块表层海水中的pCO2进行了初步分析, 并结合水温(T)、 盐度(S)、 叶绿素(Chla)以及pH的同步观测资料, 简单阐述了影响二氧化碳分布的某些重要过程和现象。

1 实验部分
1.1 调查范围

所用数据于2007年4月观测得到, 该航次调查海区为我国山东半岛成山角与朝鲜的长山串联线以南, 长江口至韩国济州岛连线以北的南黄海区块, 纬度跨越31.5° — 37° N, 经度跨越119° — 124° E, 总面积30多万平方公里。 该海区平均水深为45.3 m, 最大水深为140 m, 在济州岛北侧; 温度和盐度由南向北, 由海区中央向近岸, 几乎均匀地降低; 沿岸水顺山东半岛北岸东流, 绕过成山角后南下, 在长江口北转向东南, 越过长江浅滩后进入东海[11, 12, 13]

1.2 样品采集及测定方法

表层海水pCO2采用改进的喷淋-层流式平衡器, 结合Licor-7000非色散红外分析仪进行测量, 每分钟记录一个; 温、 盐度的数据由Seabird911+CTD系统直接获得, 叶绿素采用荧光光度计法分析, 采用pH计测定pH。 同时记录时间与日期, 经纬度, 检测器的温度, 水-气平衡器内海水的温度。 数据经过Takahashi等[14]给出的方法处理后, 换算成表层海水pCO2

操作流程如图1所示, 表层海水从海面以下2~3 m泵取, 大气采集于船头距水面约10 m处; 经过平衡后的干燥空气连接到1#仪器的A1通道; 干燥后的大气连接到1#仪器的B1通道, 再输送到2#仪器的B2通道; 400 mg· kg-1的CO2标准气体连接到2#仪器的A2通道。 这种连接方式可以在整个观测过程中, 利用A2数据对2#仪器的信号飘移进行连续校准, 同时B1和B2两组数据同步互校可以消除仪器造成的信号差异问题。 与本方法相比, Takahashi等[14]因只使用一台检测器, 需要每隔1~2 h切换气路以便校准仪器, 这种方法虽然成本低, 但是操作复杂, 而本方法可连续不间断观测海水和大气中的pCO2, 准确度和稳定性都会有大幅度的提高。

图1 表层海水pCO2分析流程图Fig.1 A flow chart for determination of pCO2 in the surface seawater

2 结果与讨论
2.1 表层海水pCO2分布

春季南黄海表层海水中pCO2分布如图2所示。 从图2可以发现, 此次调查的pCO2在365.2~734.9 μ atm之间, 平均值为548.0 μ atm。 最高值出现在以121.5° E, 33.4° N为中心的海域, 表现为二氧化碳的源区。 最低值出现在以123° E, 32.3° N为中心的海域, 表现为二氧化碳的汇区。

图2 南黄海表层海水pCO2分布Fig.2 Distribution of pCO2 in the surface seawater of the SYS

pCO2分布存在较大的不均匀性, 在长江入海口东北部海区, 由于受长江冲淡水的影响, pCO2向南黄海中部逐渐升高, 梯度分布明显。 而在苏北浅滩, 由于受沿岸水的影响, 表层海水的pCO2自近岸呈舌状向南黄海中部逐渐降低, 也呈现出明显的梯度分布。 从总体上看, pCO2的分布表现为西部高于东部, 中间高于南北两边。

2.2 表层海水pCO2分布与温度的关系

春季南黄海表层水温的分布如图3所示, 南黄海表层海水的温度由南向北, 由海区中央向近岸, 温度从14.5 ℃到6.3 ℃均匀地降低, 具有明显的陆缘海特性。 在表层海水pCO2最低的长江入海口东北部, 以123° E, 32.3° N为中心的海域, 出现了表层水温的最高值, 水温与pCO2的变化趋势相反, 分析认为当海水温度升高时, 受物理溶解平衡的影响, 二氧化碳的溶解度会降低。 而在苏北浅滩和鲁南海区, 水温与pCO2的变化呈正相关关系。 这是因为在无外部海水交换时, 水温的变化还会对二氧化碳-碳酸盐平衡体系的化学反应产生影响, 结果导致海水中二氧化碳的浓度受到水温因素的调节控制, 其变化与水温的变化趋势基本一致[15], 这在pCO2出现最低值以外的其他海域都有很好的体现。

图3 南黄海表层海水温度分布Fig.3 Distribution of temperature in the surface seawater of the SYS

2.3 表层海水pCO2分布与盐度的关系

春季南黄海表层海水盐度的分布如图4所示, 西部近岸区域盐度较低(29.0‰ ~32.0‰ ), 东部较高(32.0‰ ~34.0‰ )。 调查结果表明, 鲁南和苏北沿岸水中的pCO2与盐度的大小呈明显的负相关关系, R2为0.798。 而在长江入海口, 长江冲淡水在冲出河口之后, 朝东北偏北方向流动, 随着泥沙和悬浮颗粒物逐渐沉降, 海水透光率不断提高, 真光层逐渐加厚, 有了这种水色和透明度, 浮游植物开始大量生长, 加剧了光合作用与呼吸作用[16], 损耗了大量的二氧化碳, 导致该海区虽然盐度较低, 但pCO2的值也较低。

图4 南黄海表层海水盐度分布Fig.4 Distribution of salinity in the surface seawater of the SYS

2.4 表层海水pCO2的分布与叶绿素的关系

调查结果表明, 4月份南黄海海区叶绿素的含量相对较低, 在0.18~1.7 mg· m-3之间, 大体上呈块状分布, 如图5所示。 从整个调查海域来看, 北部海域的叶绿素要比南部海域的略大, 从南往北有逐渐升高的趋势, 与pCO2的变化趋势基本相反。 在苏北浅滩和鲁南海区, 叶绿素的含量与pCO2也呈现出良好的负相关性, R2分别为0.801和0.788, 如图6(a)和(b)所示。 这是因为在大洋表层, 海洋藻类等浮游植物可以通过光合作用将二氧化碳转变为有机物, 叶绿素含量越高, 光合作用越剧烈, 消耗海水中的二氧化碳就越多。

图5 南黄海表层海水叶绿素a分布Fig.5 Distribution of Chla in the surface seawater of the SYS

图6 南黄海表层海水Chla与pCO2的相关性
(a): 鲁南海区; (b): 苏北浅滩
Fig.6 The correlation between Chla and pCO2 in the surface seawater of the SYS
(a): The sea area of southern Shandong Province; (b): The shoal-water area of northern Jiangsu Province

2.5 表层海水pCO2分布与pH的关系

春季南黄海表层海水中pH分布如图7所示, 在调查海区中部稍高, 沿岸较低。 调查数据表明, 在35.5° N以北范围内, 鲁南与青岛附近海域, pH值在8.12~8.25之间, 平均值达8.20, 而该海区表层海水的pCO2相对较低, 其值一般小于540 μ atm, 二者呈负相关关系, R2为0.478[图8(a)]。 苏北浅滩海域pH值在8.02~8.15之间, 平均值仅为8.07, 且往调查海区中部逐渐升高, 而此海域pCO2却具有较高的值, 其值一般大于540 μ atm, 且往调查海区中部pCO2逐渐降低, 与pH变化趋势相反, R2为0.743[图8(b)]。 在长江口及东北部冲淡水区, pH与pCO2也具有良好的负相关关系, R2为0.781[图8(c)]。 可见, 由于pH直接影响二氧化碳-碳酸盐体系的平衡, 故其对二氧化碳在水中的存在方式影响最为显著。

图7 南黄海表层海水pH分布Fig.7 Distribution of pH in the surface seawater of the SYS

图8 南黄海表层海水pH与pCO2的相关性
(a): 鲁南海区; (b): 苏北浅滩; (c): 长江口东北部海区
Fig.8 The correlation between pH and pCO2in the surface seawater of the SYS
(a): The sea area of southern Shandong Province; (b): The shoal-water area of northern Jiangsu Province; (c): The northeasten area of the Yangtze Estuary

3 结论

(1) 利用标准气体对二氧化碳分析仪进行连续校准, 并将两台仪器的大气通道串联进行互校, 开展走航海气pCO2观测, 该方法操作简单、 准确度高、 稳定性好, 可为节能减排能力建设提供技术支持。

(2) 调查数据显示, 春季南黄海pCO2的范围在365.2~734.9 μ atm之间, 平均值为548.0 μ atm; 总体上表现为西部高于东部, 中间高于南北两边; 且与叶绿素、 pH基本上呈负相关关系。

The authors have declared that no competing interests exist.

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