夏季瓊州海峽表層海水二氧化碳分壓時空變化

馬玉，廖世智，李銳祥，蔡鈺燦，曹永港，許春玲，史華明，王迪，許欣

( 1. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300；2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州510300)

1 引言

占地球表面積71%的海洋是碳的主要貯存庫，是阻緩大氣CO2上升的最大緩沖體系，是維持全球大氣和氣候穩(wěn)定的最主要因素之一。海洋是大氣CO2的“匯”，共吸收了工業(yè)革命以來人類排放CO2總量的40%左右，從而減緩了大氣CO2含量上升和氣溫升高。邊緣海雖僅占全球海洋面積的7%～8%，卻在全球海洋碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[1–2]。首先，邊緣海的初級生產(chǎn)力占全球海洋的15%～30%，有機物埋藏占全球海洋的80%[3–4]；其次，近岸及陸架海域是海洋、大氣、陸地生態(tài)系統(tǒng)及河流碳交換的“橋梁”[5]，并向大洋輸出大量有機碳；另外，全球60%的人口居住在距離海岸線100 km 以內(nèi)的沿岸地區(qū)，人類活動向近海輸入了大量營養(yǎng)物質(zhì)和有機顆粒物[6]。因此邊緣海碳循環(huán)受到全球?qū)W者關(guān)注[7–9]。

南海，特別是南海北部海?氣CO2交換通量及碳循環(huán)備受關(guān)注[10–13]。瓊州海峽東接南海北部，西連北部灣，是南海北部與北部灣水交換和物質(zhì)輸運的重要通道。海峽東部的廣東粵西沿岸流和珠江徑流對北部灣水體有重要影響，北部灣冷水團的生成也與瓊州海峽水交換有著密切關(guān)系[14]。然而，有關(guān)瓊州海峽海?氣CO2交換通量的研究成果卻鮮有報道，本文在開展現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上，分析夏季瓊州海峽pCO2和海?氣CO2交換通量的時空變化，探討研究其影響因子。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域

瓊州海峽長約80 km，平均寬約30 km，位于19°52′～20°31′N，109°25′～110°41′E。結(jié)合以往研究成果和本文觀測及分析結(jié)果，經(jīng)向?qū)傊莺{大致分為3 個區(qū)域，即西口（109.50°～110.00°E）、海峽中部（110.00°～110.65°E）和 東 口（110.65°～111.00°E）（圖1）。近40 年的海洋水文資料揭示瓊州海峽水體輸運方向終年向西，即由南海北部進入北部灣[15]，且被多次驗證[16–17]。雖然瓊州海峽潮流和余流凈通量均自東向西[18–19]，但瓊州海峽漲落潮流速大，潮流作用強勁，一個完整的自西向東漲落潮周期足以將低鹽北部灣水體自西口輸送至東口。為求證觀測期間潮流流向，本文建立了數(shù)學(xué)計算模型，模擬計算結(jié)果表明2011 年和2014 年8 月（夏季）觀測期間潮流流向均自東向西。

圖1 瓊州海峽位置與觀測航跡Fig. 1 Location of Qiongzhou Strait and ship-track for the continuous measurements

2.2 現(xiàn)場觀測

2011 年和2014 年夏季采用船載海?氣CO2連續(xù)觀測系統(tǒng)（GO8050）采集表層海水pCO2和大氣pCO2（pCO2a）數(shù)據(jù)，CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體（中國氣象科學(xué)研究院生產(chǎn)，確定度小于0.3%）校準(zhǔn)觀測系統(tǒng)。取水泵不間斷從豎井抽取海水樣品，高流量輸送至實驗室，觀測系統(tǒng)水?汽平衡器內(nèi)水溫與原位水溫差別小于0.2℃。大氣采樣位置設(shè)置在船頭頂層，遠離船舶煙囪和人為活動等污染源。生態(tài)環(huán)境要素采用溫鹽傳感器（SBE21）、溶解氧傳感器（Oxygen Optode 3835）和多參數(shù)水質(zhì)儀（YSI6600）同步觀測，并開展互校。氣象要素采用船載自動氣象儀（XZC5-1）觀測。

2.3 通量估算

水?汽平衡器pCO2采用Weiss 和Price 飽和水汽壓公式計算[20]，溫度效應(yīng)校準(zhǔn)公式為：NpCO2=pCO2×exp{0.042 3（SSTmean?SST）}，SSTmean是航次表層水溫平均值，NpCO2是航次平均表層水溫時的pCO2。海?氣CO2交換通量（F）估算公式為F=k×s×ΔpCO2，k=0.27u2×（Sc/660）?0.5[21]，k是CO2氣體傳輸速率，u為觀測期間10 m 平均風(fēng)速，s是CO2在海水中的溶解度，Sc是CO2在某一溫度下海水（S=35）中的施密特常數(shù)[22]，ΔpCO2是海?氣CO2分壓差，即pCO2?pCO2a。若通量F為負值，表示海洋從大氣中吸收CO2；反之，則表示海洋向大氣中釋放CO2。

3 結(jié)果與討論

3.1 pCO2 和生態(tài)環(huán)境要素的時空變化

2011 年夏季觀測期間SST 最小值為27.36℃，最大值為31.42℃，平均值為（29.46±1.26）℃；2014 年夏季觀測期間SST 最小值為28.85℃，最大值為31.44℃，平均值為（30.56±0.69）℃(表1)。兩個航次SST 均呈現(xiàn)自東口到西口逐漸升高的趨勢(圖2a，圖2g)，主要因為觀測船舶均是早上8 時前后從東口起航，穿過海峽中部，至下午15 時前后在西口結(jié)束，整個觀測過程中氣溫在逐漸升高，SST 也隨之升高。2011 年夏季瓊州海峽表層鹽度（SSS）介于32.22～33.58，平均值為32.72±0.48；2014 年夏季SSS 介于32.11～32.87，平均值為32.36±0.21（表1），兩個航次SSS 最大值均位于東口海域，呈現(xiàn)自東口向西口逐漸降低的趨勢，且2011 年夏季SSS 整體大于2014 年夏季（圖2b，圖2h）。

2011 年夏季DO 和葉綠素a含量范圍分別為194.8～252.0 μmol/L 和0.5～4.6 μg/L，平均含量分別為（207.8±10.4）μmol/L 和（1.1±0.8）μg/L。2014 年夏季DO 和葉綠素a含量范圍分別為184.9～202.9 μmol/L 和0.6～1.7 μg/L，平 均 含 量 為（194.4±4.4） μmol/L 和（1.0±0.2） μg/L （表1）。2011 年夏季東口和西口海域DO與葉綠素a含量較高，海峽中部較低（圖2c，圖2d）。

2011 年夏季pCO2變化范圍為436～549 μatm，平均值為（516±29）μatm，pCO2a平均值為（378±4）μatm，ΔpCO2為138 μatm。2014 年 夏 季pCO2變 化 范 圍 為502～557 μatm，平均值為（533±15）μatm，pCO2a平均值為（380±6）μatm，ΔpCO2為153 μatm（表1）。2011 年和2014 年夏季瓊州海峽東口和西口pCO2均呈現(xiàn)低值，海峽中部pCO2較高（圖2e，圖2f，圖2k，圖2l）。

3.2 海?氣CO2 交換通量

2011 年和2014 年夏季瓊州海峽海?氣CO2交換通量分別為（8.4±1.7）mmol/（m2·d）和（4.5±0.4） mmol/（m2·d），均是大氣CO2強源，高于南海北部（?0.6±1.1）mmol/（m2·d）和南海盆地0～1.9 mmol/（m2·d）[23]，也高于東海（?4.9±1.7）mmol/（m2·d）和 南 黃 海（1.56±0.37）mmol/（m2·d）[24–25]，僅與南海南部海?氣CO2交換通量0.3～5.5 mmol/（m2·d）相近[26]。臺灣海峽、英吉利海峽和直布羅陀海峽最大源強均明顯低于瓊州海峽，分別為0.1 mmol/（m2·d）、1.68 mmol/（m2·d）和3 mmol/（m2·d）[27–30]。

表1 2011 年和2014 年夏季pCO2、NpCO2、pCO2a、ΔpCO2、SST、SSS、DO 含量、葉綠素a 含量、平均風(fēng)速和海?氣CO2 交換通量的統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Summary of pCO2, NpCO2, pCO2a, SST, SSS, DO content, chlorophyll a content, average wind speed and sea-air CO2 flux estimation in summer 2011 and 2014

2011 年夏季瓊州海峽中部CO2源強為（9.9±0.4）mmol/（m2·d），東口和西口海域分別為（6.7±1.8）mmol/（m2·d）和（7.5±1.8）mmol/（m2·d）。2014 年夏季東口海域CO2源強最大，為（5.0±0.2）mmol/（m2·d），海峽中部 和西口海域源強 分別為（4.8±0.2）mmol/（m2·d）和（4.1±0.2）mmol/（m2·d）。

3.3 東口海域上升流的影響

由3.1 節(jié)和3.2 節(jié)的分析結(jié)果可知，瓊州海峽pCO2和海?氣CO2交換通量顯著高于相鄰及相似海域。夏季瓊州海峽東部是上升流控制區(qū)，附近海域水體低溫高鹽，且低溫中心SST 比周圍海域低3～4℃[31–32]。兩個航次觀測期間瓊州海峽東口海域均低溫高鹽，且2011 年夏季更為顯著（圖2a，圖2b）。上升流促使富含CO2的底層水體向上涌升至表層，增大水體CO2含量，使得表層pCO2升高[33]，進而影響pCO2和海?氣CO2交換通量的分布。上升流除增大東口海域pCO2外，富含CO2的水體自東向西輸運，使得瓊州海峽pCO2整體較高，是瓊州海峽pCO2顯著高于相鄰及相似海域的主要影響因子之一。

另一方面，2011 年夏季東口海域SSS 與NpCO2呈顯著負相關(guān)，與DO 含量呈顯著正相關(guān)（圖3a，圖3b），而且DO 含量與NpCO2呈顯著負相關(guān)、與葉綠素a含量呈顯著正相關(guān)（圖3c，圖3d）。水體葉綠素a和DO 含量升高、pCO2降低的現(xiàn)象是浮游植物繁殖控制pCO2的標(biāo)志之一[34]。上升流在增大pCO2的同時，其攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)促進了浮游植物繁殖，浮游植物光合作用吸收水體CO2、釋放O2，消耗了少量的涌升水體攜帶的CO2。2014 年夏季東口海域無葉綠素a和DO 含量明顯升高、pCO2和NpCO2也無明顯降低現(xiàn)象（圖2k，圖2l），且NpCO2與SSS 和DO 含量相關(guān)性弱（圖4a，圖4c），均與2011 年夏季明顯不同。主要是因為：（1）2014 年夏季東口和海峽中部SSS 均低于2011 年夏季（圖2b，圖2h），說明上升流較弱；（2）與2011 年夏季不同，東口海域觀測航跡主要位于海南島東北角附近（圖1），離上升流中心相對較遠[35]，上升流所引起的生態(tài)效應(yīng)?。唬?）海南島東北角海域水體垂直混合作用顯著[36]，垂直混合破壞了上升流結(jié)構(gòu)，進一步削弱了上升流的生態(tài)效應(yīng)。

圖2 pCO2、NpCO2、SST、SSS、DO 含量和葉綠素a 含量的經(jīng)向分布(a?f. 2011 年夏季，g?l. 2014 年夏季)Fig. 2 Longitudinal variations in pCO2, NpCO2, SST, SSS, DO content and chlorophyll a content in surface sea water (a?f was in summer 2011 and g?l was in summer 2014)

圖3 2011 年夏季東口海域觀測要素關(guān)系Fig. 3 Diagram of correlation between observation factors in the east mouth in summer 2011

圖4 2014 年夏季東口海域觀測要素關(guān)系Fig. 4 Diagram of correlation between observation factors in the east mouth in summer 2014

2011 年夏季pCO2和NpCO2在西口口門附近海域陡然降低、DO 和葉綠素a 含量迅速升高，隨后pCO2和NpCO2又快速升高，并沿西北方向緩慢降低（圖2e，圖2f）。東口上升流海域水體攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)在穿過海峽中部時“來不及”消耗[29]，到達西口口門時潮流方向發(fā)散、流速下降，水體中懸沙在口門附近沉淀堆積[37]，水體透明度增加，浮游植物得以快速繁殖，致使在109.8°～109.9°E 之間的小范圍海域葉綠素a和DO 含量陡增、pCO2和NpCO2突降，且葉綠素a和DO 含量與pCO2和NpCO2的分布趨勢呈現(xiàn)顯著鏡像關(guān)系（圖2c 至圖2f），說明西口口門附近海域pCO2受浮游植物光合作用影響同樣顯著。但由于水體攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)有限，在西口口門被浮游植物生長快速消耗，隨后浮游植物生長受到營養(yǎng)物質(zhì)限制，葉綠素a 和DO 含量也隨之降低，pCO2和NpCO2再迅速升高；水體在繼續(xù)向西北方向輸運的過程中營養(yǎng)物質(zhì)得到補充，透明度逐漸增大[18]，葉綠素a 和DO 含量逐漸增大，pCO2和NpCO2緩慢降低(圖2c 至圖2f)。2014 年夏季西口口門無pCO2和NpCO2突降、葉綠素a 和DO 含量陡增現(xiàn)象（圖2i 至圖2l），主要是由于2014 年夏季東口海域上升流較2011 年夏季弱，水體穿過海峽中部、到達西口時攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)的量少，不足以促進浮游植物快速繁殖。

3.4 海峽中部狹管效應(yīng)

圖5 2011 年夏季海峽中部觀測要素關(guān)系Fig. 5 Diagram of correlation between observation factors in the middle of Qiongzhou Strait in summer 2011

圖6 2014 年夏季海峽中部觀測要素關(guān)系Fig. 6 Diagram of correlation between observation factors in the middle of Qiongzhou Strait in summer 2014

2011 年夏季瓊州海峽中部NpCO2變化范圍為458～575 μatm，平均值為（547±12）μatm，高于東口和西口海域（表1，圖2f）；2014 年夏季瓊州海峽中部NpCO2變化范圍為515～561 μatm，平均值為（542±13）μatm，低于東口海域、高于西口海域（表1，圖2l），海峽中部NpCO2整體較高。而且，NpCO2與SSS 呈顯著正相關(guān)（圖5a, 圖6a），與DO 含量呈負相關(guān)（圖5b,圖6b）。主要是由于：（1）瓊州海峽東口和西口均呈喇叭狀，水體穿過海峽中部時狹管效應(yīng)顯著，潮流流速為南海之最，實測最大漲潮流速172 cm/s，最大落潮流速為142 cm/s[17–18]。東口海域高NpCO2、高SSS水體自東向西高速輸運，且過程中不斷被“稀釋”，海峽中部NpCO2與SSS 均自東向西逐漸降低（圖2b，圖2h）；（2）海峽中部潮流強、水體劇烈混合，下層低DO 含量、高CO2含量的水體不斷補充表層，2011 年和2014年夏季海峽中部呈現(xiàn)低DO 含量、高NpCO2現(xiàn)象，即NpCO2均與DO 含量呈負相關(guān)（圖5b, 圖6b）；（3）另外，海峽中部水體高速輸運，浮游植物“來不及”繁殖[30]，且水體混合作用強，底床泥沙容易再懸浮[38]，降低了浮游植物的光合作用效率[39–40]，致使海峽中部葉綠素a 含量低，生物繁殖產(chǎn)生的O2少，消耗水體CO2也較少，且葉綠素a 與DO 相關(guān)性弱（圖5c, 圖6c）。以上因子都使得2011 年和2014 年夏季海峽中部NpCO2均較高。

4 結(jié)論

（1）2011 年和2014 年夏季瓊州海峽pCO2分別為（516±29）μatm 和（533±15）μatm，高于相鄰及相似海域，海?氣CO2交換通量分別是（8.4±1.7）mmol/（m2·d）和（4.5±0.4） mmol/（m2·d），均是大氣CO2的強源，主要受控于東口海域上升流和海峽中部狹管效應(yīng)。

（2）東口海域上升流增大了瓊州海峽整體pCO2，同時也促進了東口海域浮游植物繁殖，光合作用吸收水體CO2、降低了pCO2。2011 年夏季，受東口海域較強上升流影響，西口口門附近pCO2突降、葉綠素a和DO 含量陡增。

（3）海峽中部狹管效應(yīng)顯著，水體輸運速率大、混合作用強，下層富含CO2的水體不斷補充表層水體，且浮游植物“來不及”生長，都使得海峽中部pCO2較高。