陳建芳，翟惟東，王 斌，李德望，熊天琦，金海燕，李宏亮，劉沁宇，苗燕熠

(1.自然資源部海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012； 2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 3.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237； 4.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101)

0 引言

減少向大氣排放CO2(減排)和增加對(duì)大氣CO2的吸收(增匯)是“碳中和”的兩條根本路徑。相關(guān)的氣候談判不僅是各國(guó)或各利益集團(tuán)之間政治力量的較量，更是各自在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、碳源/匯格局與增匯/減排等方面科學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備和技術(shù)實(shí)力的抗衡。提高陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力是增匯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，各國(guó)政府都在加大包括管轄海域在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯特征與碳收支平衡的研究力度。

人類活動(dòng)加大了CO2在大氣圈、陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)之間的交換量，加劇了河流向海洋的直接碳輸運(yùn)，加速了陸地的碳流失，也改變了近海生物泵和微型生物碳泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為了深入、系統(tǒng)地理解陸地-海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程，總體把握這一潛在的國(guó)家自主貢獻(xiàn)碳收支狀況，有必要深入認(rèn)知河流-河口-近海連續(xù)體的碳循環(huán)過(guò)程。

海洋是地球上最大的活躍碳庫(kù)之一，有著巨大的碳匯潛力和增匯前景。據(jù)估算，海洋吸收了CO22.5 Pg C·a-1(1 Pg C=109t C)，約占人類排放CO2的 22.7%[1-3]。盡管陸地每年的碳吸收與海洋相當(dāng)，但海洋儲(chǔ)存的碳卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陸地，在全球變暖的背景下，近海和海洋上層碳匯的不確定性增加，有可能對(duì)全球碳減排產(chǎn)生巨大影響。

包括河口濕地在內(nèi)的海岸帶-近海是全球海洋碳循環(huán)的重要組成部分[4-5]，其面積占全球海洋面積不到8%，卻貢獻(xiàn)了全球海洋高達(dá)10%～30%的初級(jí)生產(chǎn)力，對(duì)大氣凈碳匯可以達(dá)到0.2～0.4 Pg C·a-1[5-6]，其沉積物中有機(jī)碳埋藏量，更是占全球海洋的80%以上[7-10]。陸架海不僅埋藏了近海生物泵過(guò)程產(chǎn)生的海源有機(jī)質(zhì)，而且也是陸源有機(jī)質(zhì)的重要匯區(qū)[11-15]，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色。

1 河流-河口-近海連續(xù)體是碳源/匯估算最薄弱的環(huán)節(jié)之一

河流-河口-近海連續(xù)體連接了陸地和大洋。其一方面通過(guò)光合作用、溶解作用吸收大氣中的CO2；另一方面也接收了陸地和流域光合作用或化學(xué)風(fēng)化作用固定的碳[16-19]；同時(shí)，連續(xù)體還和沉積物之間不斷進(jìn)行著界面物質(zhì)交換[20]。

盡管連續(xù)體在全球碳循環(huán)中的重要性已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可，但由于缺乏足夠的觀測(cè)資料，目前連續(xù)體中各個(gè)界面碳通量的估算還存有很大的不確定性[5-6,20-23]。連續(xù)體碳源/匯格局具有很強(qiáng)的地理差異和季節(jié)變化。河流輸入、內(nèi)部循環(huán)和海洋交換之間的相互作用，是導(dǎo)致這種時(shí)空差異的主要原因[24]。世界典型大河河口區(qū)，通常上游二氧化碳分壓(pCO2)很高，是大氣的強(qiáng)源。海-氣pCO2差異從河口上游到下游逐漸減小，在河口下游以及大陸架的河口羽流區(qū)內(nèi)甚至?xí)奶荚崔D(zhuǎn)變成碳匯[22,25]。在全球范圍內(nèi)，內(nèi)陸水域(包括河流與湖泊)和河口分別向大氣排放CO21.1 Pg C·a-1和0.25 Pg C·a-1，而陸架海域則吸收0.2 Pg C·a-1[20]。但不同的河流-河口-近海連續(xù)體碳的源/匯格局有較大的差異。一般認(rèn)為，有大河輸入的陸架海通常都是碳匯[26]。目前對(duì)于河口及近岸水體總體的碳源/匯格局，已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)[5-6,22,25]，但對(duì)于連續(xù)體碳源/匯格局及其調(diào)控機(jī)制的認(rèn)知還很不完整[5-6,23-24,27]。

連續(xù)體海-氣碳源/匯格局，主要與河流輸入及其系統(tǒng)內(nèi)部的生物地球化學(xué)過(guò)程有關(guān)。LI et al[28]估算全球河流向海洋輸送碳大約1.06 Pg C·a-1，包括0.24 Pg C·a-1的溶解有機(jī)碳(DOC)，0.24 Pg C·a-1的顆粒有機(jī)碳(POC)，0.41 Pg C·a-1的溶解無(wú)機(jī)碳(DIC)，以及0.17 Pg C·a-1的顆粒無(wú)機(jī)碳(PIC)。碳賦存形態(tài)的遷移轉(zhuǎn)化，特別是有機(jī)和無(wú)機(jī)之間的遷移轉(zhuǎn)化，可以影響海-氣CO2通量。連續(xù)體碳交換和循環(huán)非常復(fù)雜，主要有兩點(diǎn)原因：(1)連續(xù)體陸海相互作用過(guò)程復(fù)雜多變：來(lái)自河流的淡水和來(lái)自海洋的咸水在連續(xù)體混合，鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳等生化參數(shù)有很大的水平梯度；河口鋒面受沖淡水和環(huán)流控制，地理位置有強(qiáng)烈的時(shí)空變化；光合作用、有機(jī)質(zhì)分解作用等生物地球化學(xué)過(guò)程與吸附、解吸、溶解等物理化學(xué)過(guò)程交織在一起，使得連續(xù)體內(nèi)碳通量估算有很大的挑戰(zhàn)性。(2)連續(xù)體有機(jī)碳來(lái)源和轉(zhuǎn)化過(guò)程十分復(fù)雜：有機(jī)碳是大氣CO2固定后主要的、相對(duì)穩(wěn)定的存在形式，連續(xù)體有機(jī)碳有些來(lái)自河流攜帶的陸源有機(jī)碳，有些來(lái)自人為排放的廢水，有些來(lái)自海洋和河口浮游植物的光合作用；同時(shí)，有機(jī)碳也會(huì)在溶解態(tài)和顆粒態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化[29-30]，也會(huì)因?yàn)槲⑸锝到?、光化學(xué)氧化而減少，或因河口絮凝作用而沉淀[31-32]。

河流除了攜帶碳以外，還向河口近海排入大量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，這些營(yíng)養(yǎng)鹽在河口近海被光合作用利用后，則會(huì)引起向下的海-氣CO2通量。但是，陸源無(wú)機(jī)碳、有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入河口近海后，三者相關(guān)的各個(gè)過(guò)程綜合起來(lái)，最終對(duì)大氣貢獻(xiàn)多少凈碳匯？目前還鮮少評(píng)估。

連續(xù)體通過(guò)海-氣界面吸收的CO2，主要?dú)w宿是垂直方向上的沉積物沉降埋藏和水平方向上的洋流輸運(yùn)及陸架泵。據(jù)估算，每年在河口和陸架近海沉積的碳通量約為0.45 Pg C·a-1，其中河口區(qū)域?yàn)?.1 Pg C·a-1，其余0.35 Pg C·a-1在陸架近海區(qū)域[20]。在橫向輸送方面，除了洋流水平輸運(yùn)以外，陸架泵也可能是碳向外海輸運(yùn)的另一個(gè)潛在機(jī)制[33]。陸架泵通常發(fā)生在冬季，由于陸架水比外海上層水溫度更低、密度更大，陸架上的水將沿等密度面向外海密度躍層以下輸送。全球近海每年向大洋輸送碳約1 Pg C·a-1，其中有機(jī)碳約0.15～0.35 Pg C·a-1，無(wú)機(jī)碳約0.5～ 0.7 Pg C·a-1[6]。

無(wú)論是連續(xù)體海-氣碳源/匯格局，還是體系內(nèi)碳的最終歸宿，目前的數(shù)據(jù)仍不足以給出清晰的結(jié)論[5,26,34]，必須開(kāi)展具有足夠空間和時(shí)間覆蓋范圍的、陸海統(tǒng)籌的跨界面觀測(cè)和研究，才能得出可靠的結(jié)論[23,26,35]。

2 河流-河口-近海連續(xù)體碳源/匯格局研究現(xiàn)狀

世界大河河口區(qū)通常呈現(xiàn)淡水端向大氣釋放CO2，而海水端從大氣吸收CO2的分布格局[22,36-42](圖1)，這主要是由河口最大渾濁帶以外的凈群落生產(chǎn)(NCP)活動(dòng)造成的[43-45]。但不同河口的地理位置、水文狀況及生物化學(xué)過(guò)程不同，其碳源/匯情況需系統(tǒng)分析。

圖1 世界典型連續(xù)體表層CO2分壓(pCO2)分布格局Fig.1 Distributions of sea surface pCO2 in typical aquatic continuums(圖a引自文獻(xiàn)[38]，圖b引自文獻(xiàn)[36]，圖c引自文獻(xiàn)[42]，圖d引自文獻(xiàn)[37]。)(Fig.a is cited from reference[38], fig.b is cited from reference[36], fig.c is cited from reference[42], and fig.d is cited from reference[37].)

美國(guó)切薩皮克灣(Chesapeake Bay)是典型的溺谷型河口灣[46]，是目前國(guó)際上碳循環(huán)觀測(cè)與研究較為系統(tǒng)的連續(xù)體。切薩皮克灣表層pCO2的年際變化范圍為43～3 408 μatm。低鹽度的內(nèi)灣是大氣的凈碳源(CO2通量為31.2 mmol·m-2·d-1)，主要是由于薩斯奎哈納河輸入的淡水具有較高的游離CO2，其帶來(lái)的有機(jī)質(zhì)被呼吸降解產(chǎn)生更多CO2。在向下游遷移過(guò)程中，由于水體停留時(shí)間長(zhǎng)，水體分層以及與低pCO2水團(tuán)的混合，加上浮游植物光合作用對(duì)CO2的吸收，pCO2逐漸降低(圖2)。中等鹽度的中灣區(qū)域，整體是一個(gè)CO2凈匯(CO2通量為-5.8 mmol·m-2·d-1)。而高鹽度的外灣區(qū)域pCO2與大氣接近平衡(CO2通量為1.0 mmol·m-2·d-1)。整體來(lái)說(shuō)，切薩皮克灣是非常弱的大氣CO2的源[47]。

圖2 切薩皮克灣表層水體pCO2分布[47]Fig.2 Distributions of sea surface pCO2 in the Chesapeake Bay[47]

長(zhǎng)江口受長(zhǎng)江、外海流系及沿岸沖淡水影響，其表層pCO2分布存在劇烈的空間差異，總體上呈現(xiàn)隨離岸距離增加，pCO2減小的特征。長(zhǎng)江下游pCO2范圍為610～1 445 μatm；長(zhǎng)江口門(mén)水體受到有機(jī)質(zhì)降解、黃浦江等影響，pCO2迅速上升，高達(dá)800～3 120 μatm[38]；越過(guò)濁度鋒面后，浮游植物旺發(fā)導(dǎo)致長(zhǎng)江口表層pCO2快速下降至低于 300 μatm，呈現(xiàn)為大氣CO2的強(qiáng)匯。圣勞倫斯河口、珠江口pCO2的空間變化與長(zhǎng)江口相似，都表現(xiàn)為表層pCO2從內(nèi)陸架往外?？焖俳档蚚39,42]。珠江上流接納了大量陸源有機(jī)質(zhì)，受強(qiáng)烈的呼吸作用及有機(jī)質(zhì)降解作用影響，珠江河口上游及混合區(qū)的pCO2都較高。從全年綜合來(lái)看，珠江口上段為較強(qiáng)的大氣碳源，而在河流入海后，pCO2逐漸降低，成為大氣碳匯[36]。

路易斯安那陸架是墨西哥灣北部一個(gè)典型的中緯度河控型陸架。從內(nèi)陸架的密西西比河口向外海，表層pCO2呈迅速減小，其后又緩慢增加的趨勢(shì)[37]。近岸海域是大氣CO2的碳源，向外海延伸則逐漸轉(zhuǎn)變成大氣碳匯，直至外海逐漸與大氣平衡。其主要原因是河口區(qū)往里一側(cè)由于濁度較大，存在光限制，而在河口沖淡水鋒面附近，則由于強(qiáng)烈的浮游植物光合作用消耗了CO2。與長(zhǎng)江口和珠江口相比，路易斯安那內(nèi)陸架pCO2相對(duì)較低。整體而言，路易斯安那陸架是弱的大氣碳匯，年平均通量為 -0.96±3.7 mol·m-2·a-1。

3 長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海是開(kāi)展連續(xù)體碳循環(huán)研究的最佳場(chǎng)所之一

長(zhǎng)江是世界第四大河流，也是中國(guó)最大的河流[48]，其攜帶大量的淡水和陸源物質(zhì)匯入東海[49]。基于《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》[50]，1965—2005年，中國(guó)河流入海顆粒態(tài)碳通量平均為29.57 Tg C·a-1(1 Tg C=106t C)，其中有機(jī)碳占36.02%，無(wú)機(jī)碳占 63.98%。長(zhǎng)江是東海的主要輸入河流，其入海的碳通量中POC為(1.51±0.80)Tg C·a-1[51]，DOC為1.62 Tg C·a-1[52]，DIC為14.60 Tg C·a-1[52]。東海的年平均海-氣碳通量為(-6.92～-23.30)Tg C·a-1，其碳匯潛力大于其他幾個(gè)中國(guó)邊緣海[53-54]。根據(jù)最新估計(jì)，東海每年吸收大約2 200多萬(wàn)噸碳，相當(dāng)于 8 000 多萬(wàn)噸CO2，是中國(guó)近海生態(tài)系統(tǒng)碳匯最大的海域[55]。從大氣CO2吸收量[55]、沉積物埋藏通量[56-57]以及東海漁業(yè)捕撈量(1981—2020年《中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[58])來(lái)看，東海的生態(tài)系統(tǒng)碳匯均是中國(guó)近海最強(qiáng)的。

東海之所以有如此高的生態(tài)系統(tǒng)碳匯，與東海有大量的長(zhǎng)江輸入的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽有關(guān)。近期的研究結(jié)果顯示，包括我國(guó)東海長(zhǎng)江沖淡水海域和南海北部陸架海域在內(nèi)的一些陸架邊緣海，CO2吸收呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[47,59-62]。顯示出近海系統(tǒng)在富營(yíng)養(yǎng)化加劇、全球大氣CO2升高、海水碳酸鹽體系響應(yīng)有所滯后的背景下，近海碳匯增強(qiáng)的可能性。以長(zhǎng)江沖淡水區(qū)域?yàn)槔?0世紀(jì)90年代，長(zhǎng)江口外表層pCO2最低值約為200 μatm[33,63-66]；21世紀(jì)初期，長(zhǎng)江口外表層pCO2低值下降至110～140 μatm之間[67-69]；而近10年以來(lái)，在長(zhǎng)江沖淡水區(qū)域頻繁地觀測(cè)到極低的海表pCO2，在30～80 μatm之間[47,53,70-71]，僅為大氣平衡水平的10%～20%。這與過(guò)去幾十年間長(zhǎng)江近10倍增長(zhǎng)的無(wú)機(jī)氮通量、近6倍增長(zhǎng)的無(wú)機(jī)磷通量[72-74]以及頻繁爆發(fā)的藻華現(xiàn)象[75-77]可能存在著緊密的聯(lián)系。富營(yíng)養(yǎng)化加劇和藻華增加的另一個(gè)后果是，夏季底層水體缺氧也呈現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的趨勢(shì)[24,78-79]，缺氧水體形成酸化的高碳水，有可能在冬季通過(guò)陸架泵向外輸送。同時(shí)，水體缺氧也可能為有機(jī)碳埋藏保存提供了有利條件。東海的有機(jī)碳埋藏量從20世紀(jì)80年代之前的每年700多萬(wàn)噸[80]，提高到了每年800多萬(wàn)噸[57,81-82]。

另一方面，水庫(kù)大壩修建、蓄水后，流域的生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生了明顯改變，進(jìn)而對(duì)連續(xù)體的碳輸運(yùn)產(chǎn)生顯著影響。修建水庫(kù)大壩減緩了河水流速，使泥沙及顆粒物從河流中去除。同時(shí)水庫(kù)大壩使水體停留時(shí)間增長(zhǎng)，足以支持浮游植物在水庫(kù)中吸收營(yíng)養(yǎng)鹽而大量繁殖，這在一定程度上會(huì)減少河流向海輸送的營(yíng)養(yǎng)鹽。大通水文站顆粒有機(jī)碳(POC)質(zhì)量濃度和通量均呈指數(shù)下降，且年內(nèi)的變異逐漸減小，洪水季與枯水季的POC質(zhì)量濃度比由2000年的4.04倍降低至2015年的1.04倍[83]。長(zhǎng)江輸入東海營(yíng)養(yǎng)鹽通量經(jīng)歷了長(zhǎng)期的增長(zhǎng)趨勢(shì)后，目前仍居于高位。因而，在泥沙輸入減少引起光限制減弱和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入改變的共同影響下，長(zhǎng)江口連續(xù)體的浮游植物生產(chǎn)引起的碳匯格局可能正在發(fā)生變化，其碳匯的潛力(尤其是生物泵增強(qiáng)引起的碳匯潛力)亟需進(jìn)一步的科學(xué)分析和客觀評(píng)估。

長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體發(fā)育于世界著名的大河口-寬陸架區(qū)，是我國(guó)近海碳匯最強(qiáng)的海域之一，在我國(guó)陸海統(tǒng)籌“碳中和”研究中具有重要的地位。選取此連續(xù)體開(kāi)展多界面碳傳輸過(guò)程觀測(cè)和機(jī)制研究，具有代表性與引領(lǐng)性，將對(duì)國(guó)際上大河口連續(xù)體碳交換和循環(huán)研究起到示范作用。

4 認(rèn)知連續(xù)體碳傳輸過(guò)程與調(diào)控機(jī)制的主要觀測(cè)和研究方法

探討連續(xù)體碳源/匯格局及其背后的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，需要掌握各形態(tài)碳通量與收支情況，系統(tǒng)考慮連續(xù)體內(nèi)部碳循環(huán)，以及海-氣、河流-河口、河口-近海、水柱-沉積物、連續(xù)體與鄰近開(kāi)闊海域等各界面的碳傳輸關(guān)鍵過(guò)程與調(diào)控機(jī)制(圖3)。由于受陸源輸入、潮汐、環(huán)流共同作用，河口近海水體具有快速動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，亟需發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、遙感觀測(cè)、數(shù)值模擬、化學(xué)計(jì)量學(xué)、沉積記錄學(xué)等方面的優(yōu)勢(shì)，整體認(rèn)知碳交換和循環(huán)過(guò)程。

圖3 長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體碳交換與碳循環(huán)過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of carbon exchanges and carbon cycles in the Changjiang-Changjiang Estuary-East China Sea continuum(其中關(guān)鍵界面包括：海-氣界面、河流-河口界面、河口-近海界面、水柱-沉積物界面和連續(xù)體與鄰近開(kāi)闊海的界面。)(The key interfaces include air-sea interface, river-estuary interface, estuary-coastal ocean interface,water column-sediment interface, and the interface between the continuum and adjacent open ocean.)

4.1 陸海統(tǒng)籌的海上立體觀測(cè)

連續(xù)體碳交換發(fā)生在河口，主要原因在于陸地既受控于復(fù)雜的海洋氣象動(dòng)力過(guò)程，也與海洋生物地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)，因此，開(kāi)展陸海統(tǒng)籌、天海一體、上下協(xié)同、要素完整的系統(tǒng)觀測(cè)，才能對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯進(jìn)行通量估算，通過(guò)多學(xué)科交叉融合研究才能把握其內(nèi)在的規(guī)律。

長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體海洋觀測(cè)已經(jīng)有大量數(shù)據(jù)積累，但系統(tǒng)性相對(duì)不足。自然資源部第二海洋研究所聚焦連續(xù)體碳匯及缺氧、酸化核心科學(xué)問(wèn)題，建立了一套融合長(zhǎng)江岸基觀測(cè)(長(zhǎng)江大通、徐六涇)、區(qū)域斷面和核心斷面走航觀測(cè)、關(guān)鍵站點(diǎn)的浮標(biāo)-剖面-海床基時(shí)間序列觀測(cè)的立體觀測(cè)系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體富營(yíng)養(yǎng)化-藻華-碳匯-缺氧-酸化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 遙感觀測(cè)

立體監(jiān)測(cè)非常昂貴，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)河流-河口-近海連續(xù)體大空間尺度、長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究。遙感觀測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)頻率高、獲取資料速度快等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于船基觀測(cè)，遙感觀測(cè)可以獲取全海區(qū)日、周、月、年尺度上的海水表層溫、鹽、風(fēng)場(chǎng)、溶解有機(jī)質(zhì)和葉綠素等要素?；谏鲜鏊募吧胤囱萏佳h(huán)相關(guān)參數(shù)，解析不同時(shí)間尺度下，物理過(guò)程及生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)海洋碳循環(huán)及海-氣CO2交換的影響，可為準(zhǔn)確評(píng)估海洋碳源/匯過(guò)程及通量提供技術(shù)支持。因此，基于衛(wèi)星遙感的高時(shí)空分辨率、全海區(qū)的觀測(cè)和反演是厘清長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體碳源/匯格局的重要手段之一[84-86]。

但另一方面，河口碳循環(huán)控制機(jī)制復(fù)雜，基于遙感的溫度、葉綠素a及有色溶解有機(jī)物等指標(biāo)反演近岸復(fù)雜水域的生物過(guò)程、水團(tuán)混合尚有較大不確定性；另外，遙感觀測(cè)易受云層或大氣中氣溶膠影響，基于此的遙感碳參數(shù)計(jì)算結(jié)果尚有較大誤差[87]。因此，需通過(guò)實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，不斷提升遙感反演的精度，進(jìn)而從宏觀上把握連續(xù)體碳交換的動(dòng)態(tài)變化[84]。

4.3 數(shù)值模擬

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，生態(tài)模型為開(kāi)展河流-河口-近海連續(xù)體碳源/匯格局與調(diào)控機(jī)制研究提供了可能性。海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型是一種定量描述和分析海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力過(guò)程及其生態(tài)效應(yīng)(包括碳匯效應(yīng))的科學(xué)工具[88]。數(shù)值模型可以彌補(bǔ)觀測(cè)的時(shí)空不連續(xù)性，可以結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程研究[89]。XUE et al[90]運(yùn)用ROMS-CoSiNE模式(三維水動(dòng)力-生態(tài)模式)模擬了珠江口及近岸海域環(huán)流與生態(tài)響應(yīng)。ZHOU et al[91]運(yùn)用該模式研究了長(zhǎng)江口外的缺氧現(xiàn)象，將模擬結(jié)果與2006年多個(gè)月份的航次測(cè)量數(shù)據(jù)做比較，模式可以復(fù)現(xiàn)出季節(jié)性缺氧的生消過(guò)程和位置變化。ZHOU et al[92]利用生態(tài)模式發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江口底層水體缺氧落后于表層硅藻藻華約1～8周，浮游植物高生物量分布區(qū)域與底層缺氧區(qū)域并不完全對(duì)應(yīng)。上述成果展現(xiàn)了連續(xù)體碳循環(huán)的生態(tài)模型過(guò)程研究和機(jī)制分析的良好前景。

利用數(shù)值模式進(jìn)行情景分析，還可以評(píng)估氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)系統(tǒng)的影響程度，彌補(bǔ)觀測(cè)的時(shí)空不連續(xù)性。氣候變化可能通過(guò)改變海-氣熱通量和風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)等影響環(huán)流系統(tǒng)，進(jìn)而影響碳的吸收、遷移與輸運(yùn)[93]；也可能通過(guò)光照強(qiáng)度變化、層化強(qiáng)度改變，影響初級(jí)生產(chǎn)力和生物碳泵過(guò)程，進(jìn)而影響碳的循環(huán)與轉(zhuǎn)化以及碳的流轉(zhuǎn)與存儲(chǔ)[94-95]。

但是河口連續(xù)體碳循環(huán)數(shù)值模擬尚有較大的不確定性。淡水生態(tài)系統(tǒng)向海水生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，碳酸鹽參數(shù)如碳酸電離常數(shù)隨鹽度有劇烈的非線性變化，模型的演算結(jié)果可能存在較大誤差。模型模擬生物過(guò)程結(jié)果的誤差也將傳遞到無(wú)機(jī)碳參數(shù)中，增加碳循環(huán)模擬的不確定性。另外，高濁度水體中絮凝過(guò)程與水動(dòng)力過(guò)程的耦合作用、沉積物早期成巖過(guò)程與水體碳酸鹽體系的相互作用等都將影響模型的準(zhǔn)確性。

4.4 化學(xué)計(jì)量學(xué)

4.5 沉積記錄學(xué)

另外，運(yùn)用沉積記錄中硅藻、甲藻等微體化石、元素、分子及其同位素信號(hào)等[97-100]，可深化河流-河口-近海連續(xù)體碳循環(huán)特征認(rèn)知。在對(duì)連續(xù)體海域沉積柱狀樣進(jìn)行年代測(cè)定的基礎(chǔ)上，通過(guò)柱狀樣中高分辨率的微體化石及元素地層學(xué)記錄，結(jié)合生物硅，沉積有機(jī)碳、氮及其穩(wěn)定同位素，生物標(biāo)志物[木質(zhì)素、甾醇等類脂化合物、綠素、甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)等)]及其單體碳、氫、氮同位素，放射性碳同位素等，可以指征河流-河口-海洋連續(xù)體有機(jī)碳來(lái)源、輸運(yùn)、降解與再礦化過(guò)程，解析連續(xù)體有機(jī)碳埋藏的關(guān)鍵過(guò)程和控制機(jī)制，重建近百年來(lái)不同來(lái)源、不同年齡有機(jī)質(zhì)的演變，為從沉積物學(xué)角度預(yù)測(cè)河流-河口-近海海洋碳匯格局提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

陸地-河流-河口-近海生態(tài)系統(tǒng)的碳遷移與循環(huán)受人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響，時(shí)空差異顯著，調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，應(yīng)開(kāi)展陸海統(tǒng)籌、海空一體、點(diǎn)線面結(jié)合的立體觀測(cè)，并發(fā)揮衛(wèi)星遙感覆蓋面大、時(shí)序長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，以及動(dòng)力-生態(tài)數(shù)值模擬易于從總體上把握、可以進(jìn)行歷史回溯的特點(diǎn)，同時(shí)融合迭代現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、遙感反演、數(shù)值模擬、化學(xué)計(jì)量法及沉積記錄等，進(jìn)行多時(shí)空尺度過(guò)程機(jī)制分析研究，揭示跨界面碳交換的關(guān)鍵過(guò)程與影響因素，厘清連續(xù)體的碳傳輸通量和源/匯格局，探討氣候變化與人類活動(dòng)雙重壓力下該連續(xù)體的碳匯潛力及演變規(guī)律，提升陸海交互帶碳源/匯過(guò)程認(rèn)知水平，為提出海洋生態(tài)系統(tǒng)增匯途徑提供科學(xué)依據(jù)。

近幾十年來(lái)長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體在人類活動(dòng)影響下出現(xiàn)了懸浮泥沙含量下降[101]、富營(yíng)養(yǎng)化加劇[24,74,102]、營(yíng)養(yǎng)鹽組分比例變化[103]等現(xiàn)象，加上氣候變化的疊加，長(zhǎng)江口連續(xù)體的碳循環(huán)過(guò)程發(fā)生了顯著的變化，迫切需要充分挖掘歷史資料，結(jié)合陸海統(tǒng)籌的系統(tǒng)觀測(cè)、遙感分析和模型模擬，梳理長(zhǎng)江-長(zhǎng)江口-東海連續(xù)體的碳源/匯時(shí)空格局，基于海洋調(diào)節(jié)氣候變化的關(guān)鍵作用，加強(qiáng)其在我國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)中所發(fā)揮的能力，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。