海洋碳循环研究进展简介

摘要：本文主要介绍了海洋碳循环及其在全球碳循环中的重要作用，概述了海洋碳循环的一般特征，并进一步介绍了南北极海区碳循环的一些概况。现阶段国内外关于海洋碳循环模式具有大量研究，据此，本文阐述了我国浅海贝藻养殖对海洋碳循环的贡献，最后对海洋碳循环进行了展望。

关键字：海洋、碳循环、贝藻养殖

引言

自工业革命以来，人类活动使得大气中CO2浓度一直在持续增加。可以预见在未来相当长的时间内，大气CO2浓度还会不断增加。IPCC在2001年发布了第三次评估报告。该报告指出，在过去的42万年中，大气CO2浓度从未超过目前的大气CO2浓度，在20世纪中大气CO2浓度的增加是前所未有的。估计到21世纪中叶，大气中CO2将比工业革命前增加1倍。大气CO2浓度的增加对全球变化的影响已引起了广泛的注意，该报告指出，工业革命以来的全球气温已增加了约0.6℃，这主要是由于大气中人为温室气体(如CO2、CH4、N2O、CFCs)浓度增加所致，其中CO2的作用居首位。初步预测，21世纪全球增暖将超过过去10 ka来自然的温度变化速率。为了准确评价和预报未来的气候变化，正确认识碳循环显得十分重要。

1、海洋碳循环简介

海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，海洋是地球上最大的碳库。海洋储存碳是大气的60倍，是陆地生物土壤层的20倍(IPCC, 2007)；大约50%人为排放的碳被海洋和陆地吸收(Prentice etal., 2001)。

1.1海洋碳循环

碳循环是碳在大气、海洋及包括植物和土壤的陆地生态系统3个主要贮存库之间的流动。海洋碳循环是碳在海洋中吸收、输送及释放的过程,主要包括CO2的海-气通量交换过程、环流过程、生物过程和化学过程。其碳的储存形式有3

种：可溶性无机碳(CO2、HCO3-和CO32-)，可溶性有机碳(各种大小不一的有机分子)和有机分子碳(存在于活的生物体或死亡动植物的碎片中)。

碳循环研究的一个主要目的就是要回答碳是如何在大气圈、水圈和陆地生物圈之间分配和储存的，而海洋与大气的CO2交换是其中的一个重要角色。

1.2海洋碳循环在全球气候变化过程中的重要作用

海洋碳循环可以分为三个方面。第一方面是“碳酸盐泵”，就是大气中的CO2气体被海洋吸收，并在海洋中以碳酸盐的形式存在；第二方面是“物理泵”，即混合层发展过程和陆架上升流输入，它与海洋环流密切相关；第三方面是“生物泵”，即生物净固碳输出，它是浮游植物光合固碳速率减去浮游植物、浮游动物和细菌的呼吸作用速率，也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移，在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。

海洋是一个非常巨大的碳库，海洋中生物群的碳贮量约3Gt，溶解有机碳约1000Gt，溶解无机碳为37400Gt，海洋生态系统在全球碳循环中起着决定性作用。近十多年来，海洋碳循环研究得到了深入和发展。海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，海洋是地球上最大的碳库。海洋储存碳是大气的60倍,是陆地生物土壤层的20倍；大约50%人为排放的碳被海洋和陆地吸收。海洋与大气交换CO2的时间尺度在几百年以上。从上个世纪90年代至今，实施了大量的海洋观测计划。基于观测数据，海洋学家对海洋碳循环做了大量的研究。

大气与海洋的CO2交换主要发生在海水表层，海水表层储存碳的空间是有限的，表层海水与深层海水之间的交换是一个长期的缓慢过程，时间尺度在几百年到几千年之间。浮游生物的死亡腐化，却可以将海洋表层100m中的碳向深层海洋转移，从而减少海洋表层的含碳量；也可以让海洋吸收大气中CO2的速率大大提高，从而减少大气中CO2的含量，达到辐射量能平衡。

2、海洋碳库的一般特征

2.1 海洋CO2的分布特征

占地球表面积71%的海洋是一个巨大的碳库，CO2在海洋中的分布变化很大，其分布受多种因素的影响，包括物理、化学和生物等因素。从海洋对大气CO2增加的调节作用着眼，人们最关心的是海洋CO2的垂直转移过程。在表面混

合层中,由于生物的光合作用，CO2不断被转化成有机碳和生物碳酸盐。在混合层以下，这些碳部分以碎屑的形式沿水柱下沉，在海洋较深处发生分解和溶解，导致氧的消耗，释放出营养盐以及再生CO2。

2.2海洋CO2的源与汇

海洋与大气CO2通常并不处于平衡状态，穿越海—气界面的CO2通量大小和方向是由海—气间CO2分压差决定的。当海水CO2分压p(CO2)大于大气CO2分压p(CO2)，海洋成为大气CO2的源，反之，海洋为大气CO2的汇。全球大气p(CO2)的水平梯度很小，除了受工业排放影响的局部区域外，其分布变化一般不会超过5%。而开阔大洋表层水p(CO2)的变化范围和梯度常常是显著的，并且可以看出CO2明显的源和汇。因此，海洋CO2的源和汇主要是由表层水p(CO2)的分布变化引起的，间接地受到海水温度、生物活动和海水运动等因素的影响。

赤道海域是全球海洋最大的CO2源区，仅赤道太平洋每年向大气输送1.0 Gt C/a的CO2，占海洋释放的CO2总量的60%。占地球海洋面积20%的南大洋是CO2最重要的汇区，吸收的CO2约为1.2 Gt C/a，占海洋吸收CO2净通量的35%。

3、碳循环模式的研究进展

在海洋碳循环研究中，为探讨海洋对正在逐渐增长的大气CO2量的短期响应，准确估计未来大气中CO2的浓度，进一步预测未来地球气候的可能变化，同时深入研究海洋影响大气CO2浓度的长期效应，了解过去海洋对大气CO2浓度的影响及海洋对气候的控制作用，自20世纪70年代以来人们开始建立各种海洋碳循环模式。它的发展经历了从一维到三维的过程，包括箱式模型(BM)、海洋环流模型(GCM)、海洋生物化学环流模型(B-GCM)以及海气耦合大气环流模型等多种类型。

箱式模型是把海洋简单地处理为几个或十几个(少数几十个)均匀混合的箱，箱与箱之间的水流是通过示踪物的计算浓度与观测分布相符的方法来计算的，包括箱式扩散模型(BD)、露头模型(OD)、多箱模型(MB)和高度-纬度交换/内部扩散平流模型(HILD-A)。它们都使用14C进行参数化，均包括了海洋化学过程及海洋各层间进行的混合作用。

海洋环流模型的水流来自对真实海洋动力学模拟的结果，它将海洋分割为网格,对海洋大面积的过程进行平均化处理，并对海洋的循环和混合通过各箱间

的扩散和转移进行参数化。由于它是建立在地球物理流体力学基本原理的循环及温度和盐度基础上的，所以更逼真，结构也更复杂，调节和校准相对困难和费时。目前估测海洋对大气CO2吸收的GCM主要有3种：汉堡模型、普林斯顿模型和巴黎模型。

海洋生物化学环流模式是包含简单生物化学过程的海洋环流模式，主要由海洋环流模式、海洋碳化学和生物过程组成。既能研究海洋流场、温度和盐度，又能研究海洋中的各种生物化学物质，营养盐和溶解氧等，其优点如下：(1)以实际的海洋环流及生物化学过程为基础，减少了不确定性;；(2)三维模式能更好地模拟海洋自然碳循环；(3)可以有效地研究与CO2有关的气候变化及反馈过程，特别是对海洋环流与海洋生物过程的相互作用；(4)可以得到CO2空间与时间的分布，并同观测资料进行对比，使研究者能更好地分析研究所得到的结果。

海气耦合大气环流模式是鉴于海洋在全球碳循环中的重要作用，考虑海洋与大气间存在的热量、水分、动量交换等相互作用而建立的一种新模式。三维海气耦合大气环流模式结合生物过程模式能给出更精确、更细致的模拟结果，将成为未来最主要的研究工具。

4、南北极海区碳循环

南北极是全球变化研究领域中十分重要的地区，也是世界大洋对全球变化反馈的一个重要窗口。

4.1南大洋

所有的大洋碳循环模式结果均显示，南大洋控制了目前人为源CO2的主要海气通量。有1/3至1/2的全球大洋吸收都发生在30°S以南。大洋气候模式表明，人为源CO2有很高的通量进入南大洋，但是却很少存留在那里，这与基于测量数据的大洋人为源CO2的存储量的估计相一致。南大洋是一个典型的高营养盐、低叶绿素海区，目前提出的低生产力的原因主要有：光限制、上层水体的低垂直稳定性使浮游植物被混合到真光层以下地区，捕食压力，以及微量营养盐限制。

4.2北冰洋

与南极地区海洋包围陆地的情况相反，北极是被大陆包围的一片海洋。尽管

北冰洋海冰覆盖范围是南大洋的两倍，但其海冰每年季节性地清除以后，从大气中固定的碳却与南大洋相当。由于面积相对较小(1.4×107km2),且常年被大面积的海冰、冰川所覆盖，目前北极CO2的汇还很小，然而，如果持续的温室效应使大面积的北极海冰融化的话,北极的高生产力将使每年至少有 1.4Gt有机碳沉降，这就使碳汇提高一个数量级，这也是极区海洋碳循环对全球变暖正反馈的一个例证。

4.3南极海区

在南大洋水域中，以南大西洋水域最为肥沃，浮游植物生物量和颗粒有机物浓度最高，这与“岛群效应”有关，使该海区成为南极磷虾最重要的分布区。尽管南大洋浮游植物生物量较高，初级生产力并不高，浮游植物现存生物量和初级生产力的细胞大小分级测定表明，微微型和微型浮游生物在浮游植物自然群落生物量和生产力中占有重要比重。

4.4北极海区

由于冬季航次调查上的困难，目前对南北极海区的调查，特别是国内的研究仍然缺乏冬季的数据。这样，对整个南北极海区对全球变化的影响方面尚不能作出一个更加准确的估计。在两极地区源汇的分布状况也因此成为全球碳循环最不确切的因素之一。在北冰洋，生产力比南大洋高许多，许多海区CO2海气分压差比南大洋的要高。但是，由于南大洋面积广大及盛行西风和极地东风，长年的高风速，使得南大洋仍然是全球最重要的大洋CO2的汇。同样，在北极，由于其高生产力、高CO2吸收能力，也将成为未来全球变化反馈中能形成的一个潜在的巨大碳汇。

5、中国浅海贝藻养殖对海洋碳循环的贡献

中国是浅海贝藻养殖的第一大国,年产量超过1000万t。根据贝藻养殖产量、贝藻体内碳元素的含量及其贝类能量收支,推算出2002年中国海水养殖的贝类和藻类使浅海生态系统的碳可达300多万t并通过收获从海中移出至少120万t的碳。该结果不仅为探讨全球“遗漏的碳汇”问题提供了一个新的线索,同时也证明了浅海的贝类和藻类养殖活动直接或间接地使用了大量的海洋碳,提高了浅海生态系统吸收大气CO2的能力。另外,贝藻的养殖活动与浅海生态系统的碳循环

之间关系复杂,相互作用明显,因此,它的生物地球化学过程是一个值得深入研究的科学问题。

5.1藻类养殖对浅海碳收支的影响

随着海藻营养代谢如碳代谢的深入研究，对大型海藻在浅海生态系统物质循环中的重要作用已有了充分的认识。大型藻类通过光合作用将海水中的溶解无机碳转化为有机碳，从而使水中的CO2分压降低,在其初级生产过程中，还需从海水中吸收溶解的营养盐如硝酸盐、磷酸盐,这使得表层水的碱度升高，将进一步降低水体中CO2的分压，从而促进大气CO2向海水中扩散。目前，大规模人工养殖的海藻已成为浅海生态系统的重要初级生产者，通过光合作用和营养盐的支持产生了很高的生产力。根据我国近年大型藻类养殖的年产量和藻类体内的碳含量来计算，我国人工养殖的海藻每年大约能从海水中移出33万t的碳。

5.2贝类养殖对近海碳收支的影响

养殖贝类通过2种促进生长的方式使用海洋碳。一种方式是利用海水中的HCO3-(碳酸氢根)形成CaCO3(碳酸盐)躯壳(俗称贝壳)，另一种方式是通过滤食摄取水体中的悬浮颗粒有机碳(包括浮游植物和颗粒有机碎屑等)促进贝类个体软组织的生长。贝类的滤食系统十分发达,有着极高的滤水率，能够利用上覆水中乃至整个水域的浮游植物及颗粒有机物质。大规模的贝类养殖活动对水体中悬浮颗粒有机物质的数量以及组成有一定的控制作用。

6、展望

海洋碳循环研究作为全球碳循环的关键组成部分，其研究的成果将直接影响到全球碳循环的研究进程。近年来,全球气候变暖已引起了海平面升高、两极冰山融化、海洋气象灾害等一系列海洋环境问题，海洋碳循环也因此得到了重视与发展。目前，海洋碳循环研究在空间尺度上，实现了从微观向宏观的发展，从河口、海湾、近岸、重点海域到大洋及全球的研究形成了完整的系统；在时间尺度上，已从当今一直回溯到太古代、冰川期，以期实现对海洋系统从形成、发展、稳定到变化全过程的碳循环研究；在研究手段上，也实现了参数调查与模型处理的结合，但是海洋碳循环的研究仍然存在很多需要解决的问题，还需要更深入和系统的工作。

未来海洋碳循环研究的重点包括：(1)对一些河口、近岸陆架海域在高初级生产力条件下的碳的垂直和水平输出通量研究，尤其是比较难确定和薄弱的水平转移机理与通量的研究，以及增加其转移提高陆架区碳汇的可能性研究；(2)对改善高盐低产海域(南大洋低汇区和两极等)的生物泵，提高其初级生产力和碳汇的持续研究；(3)加强大洋的海洋生物固碳机理与能力，碳的生物地球化学过程以及海洋沉积物在碳循环中作用的研究；(4)加强对未研究海域和研究结果分歧较大的海域的研究,积极探讨海洋对“未知汇”可能的贡献；(5)通过加强基础参数的测量采集及测量方法和技术的完善与革新，实现多种方法的测量与相互校准，准确确定海气交换系数与通量以及碳的垂直转移效率与通量的研究；(6)完善海洋碳循环的模拟研究,尤其是多维耦合模式的研究,提高模拟的真实性；另外，还要重视对特殊气候(厄尔尼诺发生期等)条件下碳循环变化的区域研究等。