快速變化中北冰洋CO2匯研究進展

趙德榮 高眾勇 孫恒

研究進展

快速變化中北冰洋CO2匯研究進展

趙德榮 高眾勇 孫恒

(自然資源部海洋大氣化學與全球變化重點實驗室, 自然資源部第三海洋研究所, 福建 廈門 361005)

作為高緯度吸收CO2重要海區之一, 北極氣候和生態環境正發生快速變化, 這些變化使得北冰洋CO2的源匯格局及相關過程發生相應改變, 并帶來巨大的不確定性。表層海水CO2分壓(CO2)是評估CO2源匯的重要參考指標, 其調控因子較為復雜, 特別是對于環境具有區域性顯著差異的北冰洋。綜合目前國內外對北冰洋碳匯的研究進展, 闡述了北冰洋CO2和CO2源匯的空間分布特征、重要影響因素及其在北極快速變化過程中的關鍵作用, 同時提出預測未來變化的不確定性。由于北極快速變化, 北冰洋的海洋生物地球化學碳循環過程及機制變得更為復雜, 進而影響碳匯能力及CO2源匯分布格局。根據目前的研究結果, 最近20年間, 隨著海冰的快速退縮, 北冰洋已經逐漸增強為重要的CO2匯, 最新的評估數值可高達180 TgC·a–1(1 Tg=1012g), 其中楚科奇海陸架CO2匯幾乎占到整體的1/3。未來的快速變化中, 預測北冰洋碳匯將繼續增強, 但受限于營養鹽的補給、升溫以及海水酸化效應, 其增長潛力低于預期。

海表CO2分壓(CO2) 北冰洋CO2匯 調控因子 碳循環機制 北冰洋 北極快速變化

0 引言

眾所周知, 隨著大氣CO2濃度不斷增加, 已衍生出一系列的環境問題, 諸如全球氣候變暖、海平面上升、資源缺乏等等, 這些問題的根本原因是人類活動的加劇。截至2020年5月, 觀測到的大氣CO2濃度為413.61 ppm(https://www.esrl. noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html), 相比于1840年前的大氣CO2濃度280 ppm[1], 增加了近49%, 遠遠超出過去65萬年大氣CO2濃度變化的正常范圍(180~300 ppm)[2]。當大氣CO2濃度增多時, 海洋吸收CO2的能力也隨之改變, 打破了海氣界面CO2的交換平衡, 海表CO2分壓(CO2)同時發生變化, 進而引發全球碳循環機制的變化及碳收支問題。目前, 對海洋碳循環研究已成為各國政府、研究者們的熱點議題[3]。

海洋是全球重要的碳庫之一, 據估計海洋每年CO2凈吸收總量達到1.5±0.5 Pg·C (1 Pg＝1×1015g), 平均吸收人類排放CO2的30%[3-5]。從千年尺度上看, 人類活動釋放的CO2中約90%最終都會被海洋吸收[6], 由此看來, 海洋在全球碳循環過程中起著舉足輕重的作用。海洋通過物理、化學和生物過程與大氣進行CO2交換[7], 一般來說, 這種交換過程發生在開闊水域的海表, 但隨著全球溫度升高, 極區海冰損失加快, 海冰不再是阻礙與大氣CO2交換的“屏障”[8], 特殊的低溫環境使高緯度極區海水CO2溶解度高于其他低緯度海區, 多數海域CO2處于不飽和狀態, 所以極區成為CO2重要的匯區。1989年Walsh[9]提出在溫度升高、海冰損失5%下, 初級生產力的提高和海水層化作用的增強分別是南北極海區吸收CO2的主要原因, 并定量得出當時北冰洋的CO2匯值約為0.1 TgC·a–1。北冰洋陸架海域面積是南大洋的10倍之多, 所以北冰洋CO2匯更容易受到環境氣候變暖的影響。自此以后, 高緯度海區北冰洋的CO2源匯變化受到海洋研究者們極大關注。

北冰洋地處北半球高緯度海域, 是對全球氣候變暖響應和反饋最敏感的海區之一[10]。包括4個深層海盆(加拿大、馬卡羅夫、南森和阿蒙森海盆), 最大深度為3 000~4 000 m, 淺水(通常< 200 m)陸架區有楚科奇海、波弗特海、巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海[11]。雖然北冰洋僅占全球海表面積的4%, 吸收CO2的量卻高達全球海洋的14%[8], 是大氣CO2重要的匯區, 有很強的吸收潛力。在過去200年, 北冰洋氣候溫度上升幅度幾乎高于全球平均水平的2.5倍, 這種“北冰洋放大”現象早在古氣候中就有記載[12], 20世紀以來尤為嚴重。隨著氣溫升高, 夏季海冰面積快速損失退縮, 大量的開闊水域暴露出來, 開始時CO2吸收能力增強, 濃度迅速升高, 表層海水CO2增加, 但這可能會抑制CO2的進一步吸收。研究表明, 隨著21世紀初大力倡導節能減排以來, 大氣中CO2的增長速度已經有所減緩, 相應地, 海洋CO2匯的反饋效應也在放緩[13]。未來CO2源匯的趨勢很難預測, 抑或從碳匯變成碳源, 這取決于表層水CO2增加速率與大氣CO2增加速率等多種因素。北冰洋CO2匯最終響應如何？面對當前快速變化的氣候環境, 北冰洋碳循環受到顯著影響, 并充滿太多的不確定性, 值得我們去探究。目前多數研究者認為北冰洋CO2匯在增加[14-16], 但對具體的區域研究發現, 如加拿大海盆南部、東西伯利亞海西部等CO2吸收速率在海冰融化退縮后減小[17-19], CO2匯未來發展趨勢尚存爭議。本文通過對相關文獻的搜集整理, 重點探討了北冰洋目前CO2源匯分布格局及影響因素, 并對未來深入開展北冰洋CO2源匯研究提出了不確定性。

1 北冰洋環境發生的快速變化

氣候快速變化條件下, 北冰洋海域環境特征也發生了巨大而快速的變化, 包括海水表層溫度升高[20]、海冰大面積消融退縮[21]、海洋酸化加劇[22]、洋流輸運路徑異常[23]、生物的向北遷徙與種類變化[24]、初級生產力提高[25]等。

1.1 海冰快速變化

海冰是地球上最大的生物聚集地之一, 北冰洋海冰對氣候溫度變化有重要的指示和反饋作用, 它通過熱量調節、水蒸氣和動力交換平衡以及物理(分層、混合)和生物過程與溫度相互影響[26]。在21世紀之前, 北冰洋冬季幾乎完全被海冰覆蓋, 大多數海冰損失集中在夏季, 但仍有85%的冰蓋[27]。然而近年來受溫度升高的影響, 夏季融冰期變長, 冬季結冰時間推遲, 甚至冬季也會發生海冰損失, Onarheim等[28]發現巴倫支海冬季海冰損失達到30%, 甚至常年被海冰覆蓋的喀拉海9月也出現了融冰。研究表明, 1980—2019年北冰洋9月海冰面積每十年下降約12.8%(https://nsidc.org/ arcticseaicenews/sea-ice-tools/), 2007年夏季北冰洋海表溫度異常升高5℃, 該年海冰退卻的面積平均約4.28×106km2, 據評估比1950s—1970s間覆蓋率的50%還低[29]。2012年更是創造歷史最低記錄, 衛星云圖顯示9月海冰覆蓋低于4 × 106km2(圖1), 面積約是1980s平均水平的50%[30]。如果按照這個速率減少, 預計在本世紀30年代北冰洋海域夏季將會出現無冰狀態。最新基于CMIP6模式研究預測在2050年9月之前北冰洋就會出現無冰[31], 較原來基于CMIP5模式預測無冰的時間2011—2098年大大提前了近50年[32]。NASA衛星觀測數據顯示, 1986—2019年期間, 北冰洋多年冰覆蓋的面積減少了高達96%, 這表明北冰洋海冰厚度也在同時變薄, 在夏季更容易形成季節性融冰。海冰退縮損失不僅出現在邊緣海, 甚至中央海盆也有融冰的存在。趙進平等[33]觀測到受太陽輻射的影響, 2008年夏季北冰洋中心海盆的冰厚度在以0.33 cm·d–1的速度融化變薄。

圖1 北冰洋海冰覆蓋面積趨勢圖(截至2020年8月). 數據來自美國冰雪數據中心, http://nsidc.org/ arcticseaicenews/

Fig.1. Trend map of the Arctic Ocean sea ice coverage(up to August 2020). Data from National Snow & Ice Data Center, http://nsidc.org/arcticseaicenews/

1.2 生態環境的快速變化

北冰洋海域的生態環境特征也發生了顯著的變化, 如海洋酸化加劇、生物種群改變以及初級生產升高等。在人為因素影響下, 海洋生態系統因物理、化學和生物等過程改變而日益受到威脅。未來幾十年, 大氣CO2濃度預計將繼續升高, 這些變化也會進一步放大。Qi等[22]將2010年CHINARE北冰洋夏季航程與1994—2008年海水文石飽和度Ω文石進行對比發現, 1994—2000年海水Ω文石＜1僅發生在75°N~80°N的50~100 m處, 2010年范圍擴張到70°N~85°N的0~250 m, 而Jutterstr?m等[11]1991—1997年首次觀測北冰洋, 表明Ω文石＜1僅分布在加拿大海盆100~500 m和深層水中, 其他區域基本都是Ω文石＞1。加拿大和馬卡羅夫海盆深層500 m以下的區域pH降低速率大于0.05[34]。由此看出, 西北冰洋海洋酸化不僅范圍擴大了, 酸化的垂直深度也在增加。研究表明, 當大氣CO2濃度達到552 ppm時, 北冰洋海域50%的表層水的文石飽和度會不飽和; 當大氣濃度達到765 ppm時, 北冰洋整個水柱Ω文石＜1[10]。這對海洋生物的生理過程有極大影響, 特別是對于鈣化類的海洋生物, 例如翼足類生物、有孔蟲、軟體動物和珊瑚藻等, 海洋酸化將使它們骨骼和外殼的形成受阻礙[35]。過去的150年中, 全球海洋表層水pH下降了0.15個單位[36], 到2100年, 還會再降低0.3~0.4個單位甚至更多[37], 因此北冰洋海域海洋酸化在未來可能加劇, 對海洋環境和生態結構的影響也將更加顯著。

除此之外, 北冰洋浮游植物群落種類也在發生快速變化。夏季海盆區浮游植物種類有小型化轉變的趨勢, 特別是在層化作用強的加拿大海盆[38]。而陸架區豐富的營養鹽使海表極易發生水華現象, 導致初級生產較高。楚科奇海水柱夏季葉綠素高達2.5~2.8 μg·L–1, 且葉綠素極大值層有加深的趨勢, 甚至可達40 ~50 m[39]。同時, 隨著海表溫度的升高, 在白令海峽已觀測到海洋生物群落整體向北遷移[40], 這可能會使生物營養級分布發生改變。這些變化勢必會對北冰洋調節CO2機制的“生物泵”輸出效率產生一定的影響, 進而影響海水對CO2的吸收。

北冰洋海域生態環境的這些顯著變化, 包括海表溫度升高、海水pH降低以及浮游種群改變等, 最終都將對海洋碳循環產生重要影響。

2 北冰洋CO2源匯格局

早期Anderson等[41]對北冰洋CO2和CO2源匯分布情況進行大范圍觀測, 研究覆蓋西北冰洋、巴倫支海、歐亞陸架以及加拿大海盆, 發現除加拿大海盆深層水觀測到CO2(280 μatm)和大氣持平外, 其他區域都遠高于大氣CO2, 海-氣CO2分壓差ΔCO2[CO2(海表)–CO2(大氣)]很高。2000年前由于海冰的阻隔作用且損失速率較慢, 所以早期研究[9,41]所估算的北冰洋CO2匯能力普遍都比較弱, 數值甚至低于0.1 TgC·a–1。然而近20年(2000—2020年)對北冰洋碳收支的調查研究表明, 整體平均ΔCO2較低, 受溫度升高、海冰快速融化損失、初級生產力變化、太平洋入流水以及河流輸入等影響, 西北冰洋太平洋扇區(楚科奇海、白令海、鄰近加拿大海盆等), 表層海水ΔCO2都較高, 但研究者們估算的CO2吸收能力相對較強[14-16, 42-43], 尤其是生產力強的楚科奇海, 在北冰洋氣溫“放大現象”下其陸架區仍是CO2強匯區[44]。不同的是, 靠近大西洋一側的海域, 如喀拉海、拉普捷夫海等, 其CO2匯的能力相對西北冰洋較弱, 甚至喀拉海可能是大氣CO2的弱源[45]。相對來說, 快速變化下, 西北冰洋CO2匯能力年代際的變化更為顯著和獨特[8], 因此, 本文章主要研究和介紹西北冰洋CO2源匯的分布。

2.1 環北極陸架海區

西北冰洋陸架海區包括楚科奇海、波弗特海、東西伯利亞海。其中楚科奇海具有寬而廣闊的陸架(<50 m), 使其成為西北冰洋邊緣海CO2的強匯區。在20世紀90年代, 海冰損失較慢, 幾乎只存在海冰的季節性融化, 陸架區和冰邊緣帶營養鹽豐富、生物活動頻繁, 海表CO2普遍很低, 而冰覆蓋區海表CO2較高。楚科奇海表層水CO2匯主要受浮游植物初級生產和其他季節性變化因素的影響。春季, 95%的區域被海冰覆蓋, 海水吸收CO2的能力較弱。Bates[44]觀測到2002年春季楚科奇海CO2為200~320 μatm, 相對于大氣CO2(372 μatm)極不飽和, 有較強的CO2吸收潛力。然而由于海冰阻礙的影響, 海-氣CO2通量低于1 mmole·m–2d–1。夏季海冰大面積融化, 富含營養鹽的太平洋入流水經白令海峽流入楚科奇海, 同時溶解無機碳(dissolved inorganic carbon, DIC)、總堿度 (total alkalinity, TA)和鹽度隨之降低, 受控于季節性“浮游植物-碳酸鹽飽和度”相互作用, 浮游植物大量繁殖使表層水CO2顯著降低, 甚至低于80 μatm, 楚科奇海表層CO2相對于大氣極其不飽和[2, 44, 46-47], CO2匯顯著增強。而秋冬季海冰形成過程中, 由于鹽鹵水的排斥作用,CO2升高, 吸收CO2能力降低。研究估算楚科奇海年CO2凈匯高達38 TgC, 幾乎占整個北冰洋海-氣CO2通量的60%[44]。此外, 近二十年高營養鹽的太平洋入流水增加(流量0.7~1.2 Sv)[48],加上楚科奇海周圍阿拉斯加沿岸水和阿納德爾水的混合輸入, 生產力加速提高, 同時在陸架泵的驅動下促使有機碳向深海輸送封存[49], 這對CO2匯具有放大效應, 但目前還未有研究者具體量化這一效應(包括生產力、陸架泵的效率等), 亟待研究。楚科奇海陸坡區雖然營養鹽低、生物初級生產弱, 但在物質輸出交換中也扮演重要的角色, 僅陸坡區海-氣CO2通量就達8.1 mmol·m–2d–1[46]。Evans等[47]采用0.2°×0.5°高分辨率對2003—2014年西北冰洋ΔCO2進行網格化, 估算出在無冰期和冰覆蓋下沿岸年海-氣CO2通量以30%的速率增加, 且CO2主要匯區仍發生在楚科奇海。此外, Ahmed等[50]對2010—2016年加拿大群島海域觀察到夏季表層水CO2極不飽和, 平均海-氣CO2通量達到14 mmol·m–2d–1, 主控因素同樣是“浮游植物-碳酸鹽飽和度”相互作用。雖然東西伯利亞海受河流輸入影響可能會使其成為西北冰洋CO2弱匯區[19], 但整體看來, 在環境快速變化下西北冰洋陸架海未來仍是北冰洋重要的CO2匯區。

靠近大西洋一側的巴倫支海(1.512×106km2)是北冰洋最大的邊緣陸架海, 最大深度約450 m, 南接北歐大陸, 東側與喀拉海相連, 溫暖高鹽度的大西洋水團經挪威沿岸流輸送到巴倫支海南部(常年無冰), 進而流入北冰洋。寬而廣闊的陸架使其成為歐亞陸架高生產力區, 是北冰洋CO2的另一重要匯區[51]。和楚科奇海陸架相同的是, 巴倫支海年初級生產力也較高(約28~32 gC·m–2), 具有很強的CO2吸收潛力, 其CO2匯值約為24~70Tg C·a–1[2]。巴倫支海CO2和海-氣CO2通量具有較強的季節性分布差異, 受風速影響大, Lauvset等[52]結合時間、風速和海冰變化對海-氣CO2通量進行線性擬合發現, 5月風速較大的時候CO2吸收量最大, 比12月最低值高出了22 gC·m–2a–1, 同時發現巴倫支海CO2受3支水團(大西洋水、北冰洋水、沿岸水)的季節性混合所控制。由于冬季南部(溫暖、高鹽)和北部(冷、淡水)水團的水文性質的差異及其劇烈變化, CO2相應的調查數據嚴重不足[53], 所以巴倫支海的海-氣CO2通量年際變化的評估仍然存在極大的不確定性。

2.2 中心海盆區

北冰洋中心海盆區CO2源匯的研究集中在加拿大海盆。加拿大海盆位于楚科奇海北部, 常年被冰雪覆蓋, 深度約4 000 m, 凈初級生產力很低[54], 2008年夏季初級生產才1.88 mmolC·m–2d–1[46]。和陸架海不同, 受營養鹽限制, 過去20年夏季加拿大海盆表層CO2比鄰近的邊緣海要高(圖2), Jutterstr?m等[55]對1991—2005年北冰洋中心海盆的5次航行CO2吸收情況調查發現, 加拿大海盆冰下海表CO2約為300~330 μatm, 稍低于大氣CO2濃度358 μatm, CO2匯能力一直較低。然而自從2008年, 加拿大海盆無冰區域范圍大面積擴大, 表層海水快速大量吸收CO2, 淺層混合層CO2迅速達到飽和, 使得海水CO2升高。Cai等[17]首次觀測2008年夏季加拿大海盆南部無冰區到東北部75°N區域的CO2高達320~365 μatm, 而1999年夏季CO2僅為260~300 μatm, 1994年更是低于260 μatm。由于表層水CO2的快速增加, 其與大氣CO2之間的分壓差迅速縮小, ΔCO2減少, 碳吸收能力減弱。南部區域ΔCO2在1999年時還高達60~80 μatm, 但到2008年就已經快速下降到10~55 μatm, 該變化過程主要是由于夏季較淺混合層的變暖導致海水CO2升高, 同時強烈的層化作用使海水快速吸收CO2并與大氣CO2比以往更快地達到平衡。同時由于加拿大海盆營養鹽缺乏, 新生產力較低, 無法提升表層海水吸收CO2的能力。對于次表層水, 目前的研究也表明其不會成為CO2的匯[56-57], 所以加拿大海盆CO2匯在減弱。Else等[18]通過分析研究2009年加拿大海盆100天無冰期走航CO2數據, 結合總DIC、TA估算平均海-氣CO2通量僅為2.4 mmol·m–2d–1, 驗證了Cai等[17]所認為的海冰劇烈融化下, 無冰的加拿大海盆CO2吸收能力將減弱這一觀點。Ouyang等[58]進一步對1994—2017年加拿大海盆CO2近20年隨海冰融化的變化情況進行研究觀察(圖2), 發現80° N以南無冰區表層CO2以4.6±0.5 μatm·a–1上升, 是大氣CO2升高速度[(1.9±0.1)μatm·a–1]的兩倍還多, 導致夏季海氣ΔCO2數值從–100 μatm減少到–50 μatm, 如果按照這個速率下降, 夏季無冰的加拿大海盆ΔCO2到2030年就會接近0 μatm, 可能不再存在CO2的吸收; 而80° N以北大部分地區常年被冰覆蓋,CO2以(1.8±1.1)μatm·a–1上升, 和大氣CO2上升速度基本持平, 一旦海冰融化, 表層CO2在兩個月內就能和大氣CO2達到平衡, 再次證明加拿大海盆CO2吸收的能力減弱, 未來不會成為CO2強匯(表1)。

圖2 西北冰洋1994—2017年pCO2平面分布[58]

Fig.2. Distribution ofCO2in the Western Arctic Ocean from 1994 to 2017[58]

表1 北冰洋不同海區的年平均CO2凈匯能力

續表1

注: CO2凈匯中負值表示CO2匯, 正值表示CO2源。

3 影響北冰洋CO2源匯變化的因素

北冰洋特殊的地理區域性和環境特征使其CO2源匯的調控因子與其他海區有顯著差異。區域氣候環境變化對北冰洋CO2源匯格局影響較大, 特別是北極海冰的快速變化, 開闊水域持續的時間變長, 以及初級生產力的增加, 都將導致其碳匯能力增強, 能吸收更多的CO2, 但目前這只是基于高生產力的邊緣海的觀測[44]。相反, 融冰后的中心海盆區, 研究者們不斷精確評估其CO2的吸收能力較弱, 特別是在加拿大海盆, 海冰融化、淡水增加, 層化作用的加強使深層水營養鹽很難補償到海表, 碳吸收潛力較低[17]。因此, 影響北冰洋CO2源匯格局因素, 如溫度升高、海冰的融化退縮、浮游植物的生理活動(呼吸和光合作用)、上升流、淡水和陸源有機碳的輸入[42]等, 對不同海區的影響效果可能有較大差異。

3.1 水溫上升的影響

溫度的改變會顯著影響氣體溶解度, 熱力學上, 海-氣界面某氣體A溶解度和溫度的關系符合亨利定律(Henry定律):

其中,K為亨利常數,隨溫度升高而增加;P表示某氣體A海表的分壓。

Takahashi[65]將此定律進行改良, 只適用于海水CO2受溫度變化的影響:

該公式反應隨著氣候變暖, 海表溫度升高, CO2溶解度會顯著降低, 直接使平衡時海表CO2升高, 從而降低海-氣CO2通量和CO2匯。過去二十年間, 北冰洋溫度升高速度(0.25℃·a–1)遠較低緯度海區上升(0.05℃·a–1)的快[66]。研究估算出2008年夏季加拿大海盆較1994年溫度每升高1℃, 導致海水表層CO2增加4.2%[17]。

3.2 海冰減少減薄的影響

溫度升高除了影響CO2溶解度, 還會使北冰洋海域融冰速度加快、海冰密集度降低, 這對CO2源匯分布產生重要的影響。傳統上, 海冰被認為會阻礙海氣CO2的交換, 但這并不代表是嚴格意義上的阻隔[8, 67-68]。一方面, 季節性溫度的變化使北冰洋海冰面積常年處于動態變化中。大部分時間被冰雪覆蓋的北冰洋, 冬季(12月—3月)海冰覆蓋率達到95%[69]。首先, 冰下海水溫度持續走低, 冰覆蓋下的CO2溶解度仍較低, 相應地CO2就會較低; 其次, 大量自養型冰藻和低溫藻類依附在海冰底部[70], 初級生產過程的協同作用使冰下海水的CO2進一步降低。雖然海表CO2低, 但海冰阻礙了海-氣CO2的交換, CO2匯能力相對較弱。春季(4月—6月), 海冰開始融化, 夏季(7月—8月)融化面積達到最大, 融冰過程會釋放大量淡水到表層混合層(0~50 m)中, 由于海水中的DIC和TA比融冰水高得多[71], 當這兩種水混合時會導致海水被稀釋, CO2濃度降低,CO2下降, 海水吸收CO2的能力隨之增強。研究發現, 受融冰水稀釋作用加拿大海盆表層CO2降低了50~60 μatm, 盡管該過程所降低的CO2抵消了由溫度升高所增加的CO2[17], 但海冰退縮使加拿大海盆DIC增加, 融冰水同時也會通過影響海水碳酸鹽系統的DIC 和TA進而改變CO2。有研究[58]將融冰水的稀釋作用歸為影響CO2的非熱力學因素之一, 海冰退縮使得DIC增加, 導致CO2升高6.1~6.9 μatm·a–1, 但融冰水的稀釋使得CO2降低2~3.4 μatm·a–1, 所以, 融冰水稀釋過程對CO2匯的影響是不可忽略的。夏季到秋季(9月—10月), 海冰融化后促使開闊水域大面積暴露出來, 海-氣CO2交換的機率大大提高, 海水快速大量吸收大氣中的CO2, 游離CO2濃度增加,CO2迅速上升, CO2出現過飽和, 同時, 融冰后期, 部分海域如加拿大海盆水體層化作用加強, 水體穩定性增強, 很難使CO2下沉, CO2積聚在表層水中, 高CO2使CO2匯能力減弱[46]。進入秋季(11月—12月), 光照減弱、營養鹽減少、生物光合作用降低, 海-氣CO2交換逐漸使表層海水CO2升高, 同時, 海冰的形成過程中, 由于鹽析作用, 產生的鹽鹵水排斥使得海冰中CO2等無機物重新釋放到海水, 海表CO2濃度增加, CO2匯能力繼續降低。

另一方面, 近30年來, 年代際間海冰密集度的減少使海水透光率增強, 提高了冰藻等浮游植物生長率, 加上融冰期變長, 使得浮游植物的生長時間也加長, 進而導致CO2下降, 表層水CO2匯能力提高。Manizza等[16]對北冰洋2006—2013年CO2源匯研究顯示, 除去溫度和其他物理因素, 海冰覆蓋密集度的異常減少和CO2匯能力有很好的相關性(=0.75,<0.01), 其中2007年由海冰密集度減少使西北冰洋額外吸收CO2約2 gC·m–2a–1。過去30年文獻研究中, 北冰洋CO2匯從24TgC·a–1增加到180 TgC·a–1, 數值增幅幾乎近9倍(表1), 這與海冰密集度的減少有重要聯系。

3.3 生物生產力變化的影響

生物生產力也是影響CO2源匯格局的重要因素。夏季海水溫度上升, 海冰消退加劇, 北冰洋浮冰區及無冰區域生物活動顯著增強, 特別是在營養鹽豐富的陸架區伴隨無冰海域面積增加, 浮游生物光限制消失, 光合作用吸收利用CO2的能力大大加強, 表層水CO2吸收能力顯著提高[24]。冬季, 受光線弱和海冰覆蓋的影響, 生物的呼吸作用遠高于光合作用, CO2匯能力減弱。所以, 海表CO2匯能力大小和生物過程有很大的關聯性[26, 44, 56]。根據海洋學Redfield經驗公式(3), 有機質等顆粒物向下沉降分解過程中, 生物需要消耗大量氧氣, 產生CO2, 水體游離CO2濃度升高, 導致吸收CO2能力降低。

(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2=106CO2+

122H2O+16HNO3+H3PO4(3)

在西北冰洋邊緣海, 營養鹽豐富的白令海入流水經由白令海峽, 幾乎單向地向北流入楚科奇海, 縮短了楚科奇海南部陸架區水體約90天的更新時間[48]。富營養鹽的太平洋入流水促使楚科奇海初級生產大大提高, 凈群落初級生產力(NCP)常年高于10 mmolC·m–2d–1, 模型顯示自2006年后其NCP增長了30%[25], 這對維持楚科奇海中央區域和北部陸架區低CO2起關鍵性作用, 高生物生產力的強CO2吸收能力使楚科奇海表層海水CO2長期處于較低的狀態,CO2變化范圍保持為100~300 μatm的低值[58]。相比之下, 生產力較低的加拿大海盆CO2相對較高, 范圍在300~ 400 μatm變化, 鹽躍層CO2甚至高達1 300 μatm[26], 其CO2匯能力遠低于楚科奇海(表1), 這種CO2匯能力的空間分布差異和浮游植物的光合作用凈初級生產分布規律密切相關。然而, 隨著冰緣線的向北移動以及浮游生物的整體向北遷移, 使得上層海洋生態系統種群結構發生變化, 陸架區常見的冰藻生產力可能會發生改變, 不再是生產力的主要來源, 甚至可能由其他藻類代替, 如硅藻、甲藻等[72], 這勢必會影響調控CO2“生物泵”的運轉[72-75]。

3.4 其他過程的影響

還有其他局部水文、物理及天氣過程對北極碳匯的變化也有顯著影響, 這包括上升流、注入北冰洋的河流輸入、北極風場變化、水體混合過程等都會影響CO2的吸收。上升流將海盆次表層高CO2的水輸送到大陸架, 這對陸架海CO2匯有顯著影響。Mathis等[76]發現2011年10月西北冰洋波弗特海陸架開闊水域在風驅動下的上升流將鹽躍層低溫(T＜–1.2℃)、高鹽度(S＞32.4)、過飽和CO2(＞550 μatm)的水輸運到淺表層, 這一過程持續了10天, 導致該陸架海增加了0.18~0.54 TgC, 同時估計如果每年發生四次這樣的上升流事件, 那么進入大氣的CO2量將為0.72~2.16 TgC·a–1, 這相當于波弗特海年初級生產作用吸收CO2匯的總量。目前北冰洋陸架海上升流事件隨著海冰快速損失和風暴的頻繁發生而發生, 使得表層CO2的排氣過程加快, 冬季CO2吸收能力減弱。

此外, 河流輸入不僅使水體層化作用增強, 也從融化的凍土中帶來大量的有機質和營養鹽, 通過有機物的再礦化, 產生大量的CO2, 同時也影響陸架區的初級生產[55], 進而影響北冰洋CO2的匯。風場的改變直接影響風速等變化, 并可以通過改變海水物理水文環境間接影響海水吸收CO2的能力。研究表明, 巴倫支海風速異常和北大西洋濤動指數呈正相關, ΔCO2和濤動指數呈負相關, CO2吸收能力的異常與北大西洋濤動指數有明顯的相似時間變化[77]。

4 評估結果及其不確定性

在當前北極快速變化下, 作為高緯度海區的北冰洋整體是CO2的凈匯區, 最新文獻研究評估CO2匯值可高達180 TgC·a–1[15]。西北冰洋是北冰洋的CO2主要匯區, 初級生產力較強的楚科奇海, 夏季吸收的CO2能力幾乎占到北冰洋1/3~1/2[8]。同樣屬于邊緣海的波弗特海由于水團物理混合使其是CO2弱匯區[78]。東西伯利亞海東部和西部陸架受海冰融化和河流輸入影響較大, CO2匯分布目前存在爭議, 可能是北冰洋CO2潛在的源區。受光照和初級生產限制, 加拿大海盆是CO2弱匯區。而研究相對較少的巴倫支海, 高生產力可能促使它也成為CO2匯區。總而言之, 未來隨著人為CO2排放量的增加, 海冰大面積消退, 北冰洋CO2匯區域性差異越來越顯著, 正成為全球大洋CO2源匯格局變化最劇烈的海區。

近年來, 國內外一直在加強對北冰洋的探索調查, 最新的中外研究合作“MOSAiC”計劃已順利開展為期一年的冰上觀測, 科考船隨著冰塊變化移動而移動, 構建陸-海-空統籌觀測網絡, 對北冰洋海-陸-氣相互作用進行綜合評估, 同時增加了靠近歐洲一側的觀測數據, 從而能為整體評估北冰洋CO2源匯分布提供科學指導。中國自1999年首次北極科學考察以來, 依托“雪龍”號和最新建造的“雪龍2”號破冰船, 對西北冰洋(主要包括白令海、楚科奇海和加拿大海盆)CO2源匯進行了重點研究, 量化了白令海和加拿大海盆等區域的CO2吸收能力[79], 首次發現了融冰后的加拿大海盆碳吸收能力明顯受到營養鹽水平、水溫升高、碳吸收飽和等限制, 碳匯能力增強遠不如預期, 僅為之前評估值的1/6[17,42]。另外還發現, 隨著近幾十年的海冰的快速變化, 在年代際時間尺度上, 西北冰洋表層水夏季CO2也在逐年代際增加[46,58]。這些重要的發現, 都為進一步更精確地評估北冰洋CO2源匯格局做出了重要貢獻。

然而, 面對快速變化的北極海冰及海洋生態環境, 對于更加精確地評估北極碳匯, 預測北冰洋碳源匯格局及其未來變化, 目前的研究依然相對缺乏, 面臨以下幾方面的不確定性。

1. 北冰洋環境惡劣, 春夏季海洋碳循環觀測的時間有限, 而冬季幾乎沒有觀測值, 所以由自然和人為擾動的季節以及年際和年代際變化對北冰洋的CO2源匯仍存在很大不確定性, 應在北極建立長時間監測, 目前剛剛結束的“MOSAiC”計劃就是填補了冬季的空白, 但其作業區域僅是在北冰洋的大西洋扇區。亞太部分-西北冰洋區域的觀測依然缺乏, 特別是夏季吸收能力最強的楚科奇海以及未來海冰冰蓋消融的加拿大海盆區域, 其碳循環機制明顯不同于歐洲一側, 亟待更深入的研究與觀測數據支持。

2. 海冰快速變化后的北冰洋碳吸收機制變得更加復雜, 除了具有高碳吸收能力的陸架區, 受白令海入流水增大、輸入北冰洋的河水徑流量增加、生物生產力提高、高生產力區域北移等方方面面的影響, 其機制將需要進一步理解之外, 此前一直處于冰蓋之下的廣大北冰洋中心區域, 融冰之后的碳吸收潛力如何, 將成為未來碳匯預測中最重要且需要精確測量與評估的區域, 其碳吸收的潛力與機制, 需要更深入地研究與探討。

3.在北極快速變化情境下, 風暴等偶然、短時、高強度的天氣事件加劇, 開始趨于頻發, 這些事件會造成大、中尺度下海水和大氣的劇烈變化, 短時間內會促進鹽躍層以下海水的涌升以及海-氣充分的交換[80], 其可能對CO2源匯格局也產生重要影響, 不容忽視。但目前對這些事件的觀測和影響評估還嚴重不足[81]。

4.基于目前依然相對極其有限的實際觀測數據, 特別是冬季數據的缺乏, 借助模式預測與評估是一個有效的替代手段。但相比于低緯度海, 北冰洋的渦流、曲折流和邊界流等物理過程的規模較小(1~10 km)[15], 要求更高的分辨率及大量的計算才能實現與生物物理地球化學模型的耦合。同時模式研究中初級生產數據需要參照相關物理參數, 但這些物理參數目前還缺乏足夠有效的精準測量。另一重要的參數葉綠素, 也需要依賴于校準觀測手段, 而水質組成的差異給校準帶來難度與偏差。如何反演生成全面準確的物理生物化學觀測數據, 是模式評估的大問題。這些問題也給目前的模式評估結果帶來相當程度的不確定性。

致謝: 祁第副研究員在本論文前期的探討中給予了一些寶貴指導和建議, 在此致謝！

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DEVELOPMENT OF ARCTIC OCEAN CO2SINK UNDER RAPID ARCTIC CHANGE

Zhao Derong, Gao Zhongyong, Sun Heng

(Key Laboratory of Global Change and Marine Atmospheric Chemistry, Ministry of Natural Resources, Third Institute of Oceanography (TIO), Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China)

The Arctic Ocean is a high latitude ocean that is also an important CO2sink. Its climate and environment are undergoing rapid changes, modifying and increasing the uncertainties associated with its CO2absorption capacity. The partial pressure of CO2in the surface seawater (CO2) is an important indicator of CO2absorption capacity. Its distribution across the Arctic Ocean varies. The factors controllingCO2distribution are becoming more complex as a result of the rapid changes in the Arctic Ocean. We reviewed current international research on the present Arctic Ocean carbon sink and the associated uncertainties. We summarized the temporal and spatial distributions ofCO2over the Arctic Ocean and identified the main factors controlling rapid changes inCO2distribution. As a result of the rapid changes in the Arctic, the processes and mechanisms of the marine biogeochemical carbon cycle in the Arctic Ocean have also become more complicated, affecting the CO2absorption capacity of the Arctic Ocean. Current research shows that with the rapid retreat of sea ice, the Arctic Ocean has gradually strengthened into an important CO2sink in the last two decades. The latest research estimated that the Arctic Ocean CO2uptake can be as high as 180 TgC·a?1(1 Tg=1012g), with the Chukchi Sea shelf accounting for almost one-third of the total uptake. The Arctic Ocean carbon sink is forecasted to grow in the future. However, actual CO2uptake will be lower than estimated, owing to the effects of nutrient supply, surface seawater warming and ocean acidification.

partial pressure of CO2(CO2), CO2sink in the Arctic Ocean,controlling factors, carbon cycle mechanism,Arctic Ocean, rapid Arctic changes

2020年10月收到來稿, 2020年11月收到修改稿

國家重點研發計劃(2019YFA0607003)、南北極環境綜合考察與評估專項 (CHINARE2017-2020)、自然資源部第三海洋研究所基本科研業務費(海三科2018005)、福建省科技創新領軍人才項目(閩委人才[2016]11號)資助

趙德榮, 女, 1994年生。碩士研究生, 主要從事極地碳循環研究。E-mail: zhaoderong1213@qq.com

高眾勇, E-mail: gaozhongyong@tio.org.cn

10. 13679/j.jdyj.20200068