姜亦飛，王輝，喬然＊，呂洪剛，劉桂梅

（1.國家海洋局 國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

1 引言

海洋碳循環(huán)是“國際地圈生物圈計劃”（IGBP）的核心內(nèi)容，也是“低層大氣與上層海洋研究計劃”（SOLAS）的最重要內(nèi)容。工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒等人類活動已經(jīng)顯著地改變了全球碳循環(huán)，突出表現(xiàn)為大氣CO2的平均濃度從42萬年中的180～300ppm［1］上升到目前的395.10ppm （2013年11月由NOAA發(fā)布）。

海洋作為地球最重要的碳庫之一，受控于碳酸鹽體系驅動的“溶解度泵”和生物驅動的“生物泵”過程，直接影響著大氣CO2濃度的時空變化［2］，進而影響著全球氣候變化。陸架邊緣海面積只占全球海洋的7.6%，但其復雜多變的環(huán)境很難進行系統(tǒng)的生物化學活動的定量研究［3］，邊緣海區(qū)依然是研究的重點和難點區(qū)域。中國對于南海pCO2的研究起步較晚，朱鈺等利用衛(wèi)星海洋遙感技術對南海海表pCO2及海氣通量進行了估算［4］；楊金湘通過在南海北部構建的碳循環(huán)模式，評估討論了海表pCO2和海氣通量的季節(jié)變化［5］；魯中明通過浮標的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，探討了海表pCO2的周日變化及控制過程［6］。

掌握大氣CO2的源/匯量級、格局及循環(huán)機制，有助于了解人為CO2在當前全球變化背景下的歸宿，不僅具有重大的科學意義，也將為人類調控全球氣候變化提供重要理論基礎，還對全球人類活動及各國制定經(jīng)濟和社會發(fā)展戰(zhàn)略具有指導意義［7］。

2 研究區(qū)域

南海是中國最大的邊緣海，是世界第三大邊緣海，通過呂宋海峽、蘇祿海和馬六甲海峽等，與太平洋和印度洋相連。本論文研究海域位于南海東北部（18°～24°N、116°～122°E），該區(qū)域環(huán)流的主要驅動力為季風與黑潮入侵［8］，其次為海面熱通量。春秋兩季處于季風轉換期，這兩個季節(jié)的海流主要受前季遺留下來的海水質量場所控制，但隨著季風更替的進程，流場迅速發(fā)生著變化［9］，春季該區(qū)域平均風速達6～7 m/s［10］。

南海東北部的環(huán)流體系主要包括了粵東沿岸海流、海南暖流、黑潮南海分支、西北呂宋沿岸流及西北呂宋氣旋式渦旋［9］，其中東北部陸架與陸坡區(qū)主要受上升流的影響［11］，同時還受到以珠江沖淡水為主的沿岸水流的影響。馮士筰等［12］將南海表層水團分為沿岸水、陸架表層水（混合水）以及外海水。大陸沿岸入海徑流與海水混合，形成低鹽和低密度特征的沿海水團，如粵東沿岸水；外海水團大都由鄰近的西北太平洋經(jīng)巴士海峽進入，具有大洋水團的一般特性，水團結構常年保持相對穩(wěn)定，水文特征明顯［9］。

3 采樣與分析

本航次搭載中國海洋大學“東方紅2”號科學調查船，實際觀測時間為2013年4月6日至2013年4月27日；采用現(xiàn)場走航觀測，研究區(qū)域（走航軌跡）如圖1所示。

圖1 調查船航行軌跡

海/氣pCO2采用走航觀測方法，儀器系統(tǒng)（US Apollo AS－P2underway pCO2system）安裝在“東方紅2”號豎井室，方便排水的同時，盡量減少溫度變化對測量結果的影響；船在行駛過程中，通過潛水泵抽取海表4～5m深海水，以2.5L/min速度經(jīng)過濾裝置和淋噴裝置進入平衡器，采用LICOR－7000紅外二氧化碳分析儀（量程為0～3 000μatm，精確度為1%），每5min提取一組數(shù)據(jù)；大氣pCO2樣品采于船頭距水面約10m處，經(jīng)干燥后直接導入分析儀測量；儀器耦合的SBE能同時測量海表溫、鹽參數(shù)。

大氣/海水pCO2的計算參考Feely、Takahashi和 Wanninkhof采用的計算公式［13－15］；采用如下校正公式：

式中，pCO2（Corr）指修正后的樣品測量值；pCO2（Raw）指樣品的直接測量值；pCO2（R1）指1號基準氣體的測量值；pCO2（S2）指2號基準氣體的給定值；pCO2（S1）指1號基準氣體的給定值；pCO2（R2）指2號基準氣體的測量值。

溫度的校正采用陳立奇和高眾勇［16］推薦的公式：

式中，SST是指取樣點海面溫度（℃），Teq是指系統(tǒng)中平衡器內(nèi)平衡時的溫度（℃）。

4 結果與討論

4.1 海－氣pCO2 的分布

大氣pCO2的分布圖如圖2a所示：總體而言，大氣pCO2隨離岸距離的增加而逐漸減小，陸架邊緣相對最高（最高值：406μatm），呂宋海峽附近最低（最小值：380μatm），可見，陸源因子對邊緣海大氣CO2濃度影響較大。（考慮到船在順風行駛或無風行駛時，船體（煙囪、廚房、船艙等）排放的CO2對測量結果的影響，因此本文將部分異常值剔除［17］。）

海表pCO2的平面分布如圖2b所示：在南海東北部，從陸架河口海岸帶一直到呂宋海峽海域，海表pCO2大致呈現(xiàn)從西北至東南方向逐漸增大的分布趨勢，完全不同于大洋上pCO2的分布［18］，充分體現(xiàn)了邊緣海區(qū)的復雜性。本次調查海表pCO2的測量值在315～530μatm之間，平均值為419μatm，最高值出現(xiàn)在呂宋海峽南部，位于19°N、121°E附近；最低值位于近岸陸架海域。

4.2 海表pCO2影響因素分析

4.2.1 海表pCO2與溫鹽的關系

海表溫、鹽數(shù)據(jù)通過走航觀測獲得，如圖3所示：春季，南海東北部海表溫度值隨緯度遞減而升高，但其等溫線并不與緯度平行，與緯度有一交角，在呂宋海峽口有一暖水舌西伸，約至120°E附近；受蒸發(fā)減少，降水、江河入海徑流增大的影響，陸架區(qū)域鹽度最低，高鹽水舌由呂宋海峽向西北方向延伸，呂宋島西北部海域鹽度相對較低。其分布趨勢與WOAOI資料描述的相一致。

圖2 調查海區(qū)大氣（a）、海表（b）pCO2（μatm）分布

圖3 調查海區(qū)表層海水溫度（℃）（a）、鹽度分布（b）

通過對溫鹽數(shù)據(jù)的分析（見圖4），可以看到：在陸架陸坡海域，溫度和鹽度呈現(xiàn)很好的正相關（r＝0.8）；在呂宋海峽區(qū)域，受太平洋黑潮“西伸”影響，呈現(xiàn)明顯的高溫高鹽特征，相關關系不明顯；而在呂宋島西北部海域，受西北呂宋沿岸流影響，表層水表現(xiàn)為高溫、相對低鹽的特征（黑色區(qū)域），溫度與鹽度呈良好的負相關（r＝－0.67）。

結合海表pCO2分布，我們可以清楚的看到：總體而言，南海東北部pCO2與水溫分布顯示了很好的正相關性（見圖5），尤其在陸架海域，相關系數(shù)r＝0.63；而由南海環(huán)流、西北呂宋沿岸流及黑潮“西伸”引起的鹽度變化與pCO2相關性并不高?？梢酝茢啵谀虾|北部，海表溫度是pCO2的主控因子之一。

4.2.2 海表pCO2與葉綠素a、營養(yǎng)鹽的關系

由于本航次pCO2調查采用走航觀測，因此未能獲得相匹配的營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)。通過歷史資料的查詢［19］及2013年4月衛(wèi)星遙感資料（http：//oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/）的反演，我們獲得了南海北部營養(yǎng)鹽和葉綠素a的數(shù)據(jù)，如表1、圖6所示。

圖4 表層海水溫度和鹽度的關系

圖5 調查海區(qū)海表pCO2與溫度的關系

表1 南海北部有關環(huán)境參數(shù)豐度平均值（X±SD）

通過分析可知：營養(yǎng)鹽（銨鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽）和Chl a的濃度分布均表現(xiàn)出從沿岸帶到外海逐漸減小的趨勢，龍愛明等［20］通過分析南海北部表層海水中Chl a、營養(yǎng)鹽值等水質參數(shù)的空間分布特征，討論了它們之間的相互關系，得出了Chl a與營養(yǎng)鹽呈正相關關系，尤其與亞硝酸鹽呈明顯線性關系的結論?？梢酝茢啵瑺I養(yǎng)鹽的大致分布趨勢與Chl a是一致的。

結合圖6可知：研究海區(qū)受珠江沖淡水、粵東沿岸流及沿岸上升流影響［21］，陸架區(qū)域、臺灣淺談區(qū)域高葉綠素含量水體擴展的同時，水體溫度層化、透光率提高、真光層加深，浮游植物利用高的營養(yǎng)鹽濃度，加劇光合作用，從而使表層CO2被大量消耗，致使海水中的pCO2降低［22］，因此，調查海區(qū)表層海水pCO2呈現(xiàn)自西北向東南方向逐漸升高的明顯的梯度分布，翟惟東等在該海域也測得較低的pCO2［23］。然而，在巴布延海峽、呂宋島西北海域附近，Chl a和營養(yǎng)鹽含量均較低，光合作用較弱，加上太平洋黑潮水西伸［24—26］、呂宋島西北上升流及西北呂宋沿岸流的共同影響，該區(qū)域pCO2呈現(xiàn)明顯的源的特征。結合溫鹽數(shù)據(jù)，可以推斷：海表pCO2的變化很有可能是受南海環(huán)流影響的碳酸鹽熱力學穩(wěn)定性和生物活動的共同作用和影響。

圖6 2013年4月研究海域Chl a濃度（mg/m3）分布

4.3 南海東北部海域CO2通量

估算海氣界面CO2通量一般采用如下公式（Wanninkhof）［25］：

式中，k是海氣交換系數(shù)，α是某溫鹽條件下CO2溶解度。目前關于海氣界面氣體交換的計算模式方法較多，Weiss公式、Liss and Merlivat公式、Wanninkhof公式、Raymond和 Cole公式［27－29］都是被廣泛應用的。其中Wanninkhof提出的計算模式方法比較廣泛［30－33］：

式中，U10為風速大?。╩/s），Sct是CO2的Schmidt常數(shù)，t為溫度℃；T為開爾文溫度（K）；S為鹽度；當α的單位是 mol/（L·atm）時，常數(shù)A1＝－58.093 1，A2＝90.506 9，A3＝22.294 0，B1＝0.0277 66，B2＝－0.0258 88，B3＝0.005 057 8。

圖7a給出了南海東北部海域ΔpCO2的平面分布，ΔpCO2表示海洋與大氣間pCO2的差值（ΔpCO2＝pCO2sea－pCO2air）。由該圖可以看出，調查海域除陸架區(qū)域為負值，即為CO2的匯以外，其余海域均為正值，尤其以呂宋海峽南部（19°N、121°E）附近為最強中心，ΔpCO2達149.73μatm。

根據(jù)走航獲取的ΔpCO2及現(xiàn)場溫度、鹽度及風速計算的海－氣界面CO2通量如圖7b所示?；赟urfer（美國 Golden Software公司）插值（Kriging）功能繪圖結合胡敦欣［34］的網(wǎng)格統(tǒng)計法計算可得，在調查海區(qū)，即18°～24°N、116°～122°E的實測范圍內(nèi)，按0.5°×0.5°的網(wǎng)格插入各站位的 ΔpCO2及現(xiàn)場溫、鹽、風速，估算了2013年春季南海東北部海域的海氣界面碳的凈通量，平均通量為2.41mol/（m2·a），以調查面積2.58×105km2計算，則得到春季南海東北部海域凈釋放約4.25×104t碳。

圖7 南海東北部海氣界面ΔpCO2（a）和CO2通量（b）分布

5 結論

（1）受珠江沖淡水、沿岸/呂宋島上升流、西北呂宋沿岸流、黑潮“西伸”及現(xiàn)場溫鹽影響，春季南海東北部表層海水pCO2分布差異性明顯，源/匯格局清晰。

（2）海水pCO2在陸架邊緣海區(qū)域表現(xiàn)出明顯的吸收CO2的特征，在呂宋海峽、呂宋島西北部海域則表現(xiàn)出強烈的釋放CO2的特征，整體而言，表現(xiàn)為CO2在源的特征；調查海區(qū)pCO2在值在315～530 μatm之間，平均值為419μatm。

（3）海表溫度是海表pCO2的主控因子之一，二者呈明顯正相關關系（r＝0.63），局部海域受陸架生物作用、黑潮、上升流、南海環(huán)流等影響，差異性較大。

（4）整體而言，春季南海東北部呈現(xiàn)明顯的CO2源的特征，春季向大氣釋放4.25×104t碳。

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