講座8海洋生物泵

1、海洋生物泵海洋生物泵海洋化學(xué)進(jìn)展海洋化學(xué)進(jìn)展講座講座8 8陳陳 敏敏廈門(mén)大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院廈門(mén)大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院l 1970s起，已認(rèn)識(shí)到海洋起，已認(rèn)識(shí)到海洋是人類(lèi)來(lái)源是人類(lèi)來(lái)源CO2的匯，但的匯，但這個(gè)匯有多大？什么過(guò)程這個(gè)匯有多大？什么過(guò)程驅(qū)動(dòng)？它在未來(lái)的變化如驅(qū)動(dòng)？它在未來(lái)的變化如何？等問(wèn)題何？等問(wèn)題仍未解決仍未解決。l 必須了解碳必須了解碳通過(guò)通過(guò)物理泵物理泵與與生物泵生物泵的輸出的輸出。問(wèn)題的引出問(wèn)題的引出海洋物理泵與生物泵的作用海洋物理泵與生物泵的作用通過(guò)光合作用將無(wú)通過(guò)光合作用將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，之后在食物網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)之后在食物網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)化、物理混合、輸化、物理混合、輸

2、送及重力沉降等過(guò)送及重力沉降等過(guò)程合并稱(chēng)為生物泵。程合并稱(chēng)為生物泵。生物泵定義生物泵定義生物泵的作用生物泵的作用“deep-sea organisms are nourished by a deep-sea organisms are nourished by a “rainrain” of organic detritus from overlying surface watersof organic detritus from overlying surface waters” Alexander Agassiz (1888) Alexander Agassiz (1888)調(diào)控大氣調(diào)控大

3、氣CO2濃度：濃度： 如果海洋無(wú)光合作用，大氣如果海洋無(wú)光合作用，大氣CO2濃度將：濃度將： 1000 ppm 現(xiàn)在現(xiàn)在大氣大氣CO2濃度：濃度： 365 ppm 如果生物泵最大效率運(yùn)轉(zhuǎn)，大氣如果生物泵最大效率運(yùn)轉(zhuǎn)，大氣CO2濃度：濃度： 110 ppm浮游植物吸收碳的浮游植物吸收碳的速率（光合作用速速率（光合作用速率），即率），即初級(jí)生產(chǎn)初級(jí)生產(chǎn)力力是生物泵運(yùn)轉(zhuǎn)的是生物泵運(yùn)轉(zhuǎn)的“發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)”或或“引引擎擎”。生物泵的引擎生物泵的引擎海洋初級(jí)生產(chǎn)力的分布海洋初級(jí)生產(chǎn)力的分布生物泵的度量生物泵的度量POC輸出通量輸出通量l 非均勻分布，變化幅度超過(guò)非均勻分布，變化幅度超過(guò)1個(gè)量級(jí)個(gè)量級(jí)l 沿岸

4、沿岸/大洋變化梯度最大，在大洋區(qū)，變化也達(dá)大洋變化梯度最大，在大洋區(qū)，變化也達(dá)5倍倍POC輸出通量的時(shí)間變化輸出通量的時(shí)間變化沿岸、大洋上層海沿岸、大洋上層海洋洋POC輸出通量的輸出通量的季節(jié)變化達(dá)季節(jié)變化達(dá)3-6倍倍Martin et al. 1987POC輸出通量的垂直分布輸出通量的垂直分布POC輸出通量的測(cè)量輸出通量的測(cè)量沉積物捕集器沉積物捕集器l 1980s VERTEX 及其后項(xiàng)目中及其后項(xiàng)目中廣泛使用廣泛使用l 時(shí)間尺度：時(shí)間尺度： 幾天到幾天到年年可靠性影響因素可靠性影響因素1：水動(dòng)力作用：水動(dòng)力作用l 雷諾數(shù)：雷諾數(shù)： Rt = uf D -1 uf 是水平流速；是水平流速；

5、D為捕集器直徑；為捕集器直徑； 是流體粘度是流體粘度l 幾何比：幾何比： A=H/D H：捕集器高度：捕集器高度l 水體流速與顆粒沉水體流速與顆粒沉降速率的比值降速率的比值水動(dòng)力作用的影響水動(dòng)力作用的影響How can we predict the behavior of particles within turbulence when we cannot model the turbulence itself.l 浮游動(dòng)物浮游動(dòng)物l 小型魚(yú)類(lèi)小型魚(yú)類(lèi)l 高估顆粒通量高估顆粒通量l 影響不同化學(xué)組分的比例影響不同化學(xué)組分的比例l 淺層捕集器問(wèn)題較嚴(yán)重淺層捕集器問(wèn)題較嚴(yán)重l 無(wú)簡(jiǎn)單算法可應(yīng)用無(wú)簡(jiǎn)

6、單算法可應(yīng)用影響因素影響因素2：游泳動(dòng)物：游泳動(dòng)物游泳動(dòng)物的影響游泳動(dòng)物的影響保存問(wèn)題：保存問(wèn)題： （1）加）加Hg、福爾馬林等、福爾馬林等 （2）不加）不加游泳動(dòng)物的影響游泳動(dòng)物的影響游泳動(dòng)物的影響游泳動(dòng)物的影響影響因素影響因素3：顆粒溶解問(wèn)題：顆粒溶解問(wèn)題l 進(jìn)入捕集器之后，部分顆粒會(huì)溶解或釋放一些元素進(jìn)入捕集器之后，部分顆粒會(huì)溶解或釋放一些元素至上覆水中。至上覆水中。l 相關(guān)過(guò)程：相關(guān)過(guò)程： （1）捕集深度）捕集深度 （2）顆粒類(lèi)型）顆粒類(lèi)型 （3）采樣時(shí)間）采樣時(shí)間 （4）顆粒處理方式）顆粒處理方式顆粒溶解的影響顆粒溶解的影響l 隨深度增加其比例降低隨深度增加其比例降低l 改變?cè)刂g

7、的比值改變?cè)刂g的比值l 強(qiáng)顆?；钚栽乜珊雎栽撚绊憦?qiáng)顆?；钚栽乜珊雎栽撚绊戭w粒溶解的影響顆粒溶解的影響捕集器捕集效率的校正：捕集器捕集效率的校正：234Th法法捕集效率的校正捕集效率的校正捕集效率的校正捕集效率的校正l 高通量情況下高通量情況下:低估低估l 低通量情況下：低通量情況下：高估高估捕集效率的校正：捕集效率的校正：210Pb法法對(duì)于對(duì)于200m水層，不如水層，不如234Th法來(lái)得靈敏：法來(lái)得靈敏：（1）大氣提供存在變化；）大氣提供存在變化；（2）上層水體儲(chǔ)量變化?。┥蠈铀w儲(chǔ)量變化小捕集效率的校正：捕集效率的校正：230Th和和231Pa法法適用于深海適用于深海輸出生產(chǎn)力與初級(jí)

8、生產(chǎn)力的比值：輸出生產(chǎn)力與初級(jí)生產(chǎn)力的比值：e比值比值生物泵的效率生物泵的效率到達(dá)海底的通量到達(dá)海底的通量未來(lái)未來(lái)100年，由于表層水變暖，海洋層化作用會(huì)加年，由于表層水變暖，海洋層化作用會(huì)加強(qiáng)，熱鹽環(huán)流會(huì)減弱。這不僅會(huì)削弱物理泵的作強(qiáng)，熱鹽環(huán)流會(huì)減弱。這不僅會(huì)削弱物理泵的作用，而且會(huì)改變提供至上層海洋的營(yíng)養(yǎng)鹽通量，用，而且會(huì)改變提供至上層海洋的營(yíng)養(yǎng)鹽通量，進(jìn)而對(duì)生物泵有明顯影響。進(jìn)而對(duì)生物泵有明顯影響。未來(lái)的挑戰(zhàn)未來(lái)的挑戰(zhàn)l 長(zhǎng)期的時(shí)間系列研究仍需重視，從而有可能更深長(zhǎng)期的時(shí)間系列研究仍需重視，從而有可能更深入了解時(shí)間演化圖象；入了解時(shí)間演化圖象；l 最近對(duì)大陸架區(qū)域的研究表明，不少大氣最近

9、對(duì)大陸架區(qū)域的研究表明，不少大氣CO2被被吸收到海洋邊緣海域。未來(lái)的研究必須確定沿岸吸收到海洋邊緣海域。未來(lái)的研究必須確定沿岸海域整體是否是人類(lèi)來(lái)源的碳匯區(qū)，并定量確定海域整體是否是人類(lèi)來(lái)源的碳匯區(qū)，并定量確定沿岸與大洋水體之間的碳交換通量。沿岸與大洋水體之間的碳交換通量。未來(lái)的挑戰(zhàn)未來(lái)的挑戰(zhàn)l 當(dāng)前研究集中于當(dāng)前研究集中于100200 m及近海底，但已認(rèn)識(shí)到，及近海底，但已認(rèn)識(shí)到，由生物泵輸送的有機(jī)物的降解主要發(fā)生在真光層以由生物泵輸送的有機(jī)物的降解主要發(fā)生在真光層以深深至至5001000 m的區(qū)域，的區(qū)域，未來(lái)有待加強(qiáng)此區(qū)域研究未來(lái)有待加強(qiáng)此區(qū)域研究。l 顆粒物的輸出與降解是生物泵的重要環(huán)節(jié)，生物地顆粒物的輸出與降解是生物泵的重要環(huán)節(jié)，生物地球化學(xué)模型必須加入有關(guān)顆粒有機(jī)物、溶解有機(jī)物球化學(xué)模型必須加入有關(guān)顆粒有機(jī)物、溶解有機(jī)物轉(zhuǎn)化方面的信息。轉(zhuǎn)化方面的信息