近岸高底栖生产力浅水区域碳酸盐体系的短期变化及其调探机制——现场观测与数值模拟

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近岸海区在全球碳循环中扮演着重要的角色,但剧烈的时空变异性使该区域碳的源汇格局还不甚清晰,因此对近海区域不同时空尺度变化过程及其控制机制的深入研究十分必要,而如何对多种过程共同调控下的复杂生物地球化学变化进行准确分析仍是近岸研究的难点之一。   本研究在2008年夏季对两个低纬度高生产力近岸浅水区域(澳底和鹅銮鼻,分别位于台湾岛东北部和南部)的碳酸盐体系短期变化过程进行了连续观测,观测参数包括溶解无机碳(DIC),总碱度(TA),二氧化碳分压(pC02),pH,溶解氧(DO)以及其他相关的环境参数。两个观测区域基本不受陆源径流影响,平均水深都很浅,具有较高的底栖生产力;两区域均受潮汐混合作用的显著影响,鹅銮鼻站位还受到近海次表层水涌升的影响。本论文贯彻比较研究的思路,重点探讨生物活动,潮汐混合,以及次表层水涌升等不同生物地球化学过程对碳酸盐体系短期变化的调控作用;通过构建物理-生物地球化学模型,较好地模拟了DIC和PC02的动态变化,甄别和估算不同调控过程对于碳酸盐体系变化的影响。   两个观测区域的碳酸盐体系都呈现显著的周日变化,且小潮期间各参数的日变幅明显高于大潮,如pC02日变幅为139(大潮)-424(小潮)μatm,DIC周日变化范围为74(大潮)-234(小潮)μmolkg-l。各生物地球化学参数具有紧密相关的周日变化趋势:pCO2和DIC呈现昼降夜升的同相变化,DO和pH的变化趋势与PC02相反,PC02最高值和最低值出现在-3:00和-15:00,且基本与两个半日潮从低潮向高潮转变的拐点相对应。鹅銮鼻站位DIC,TA和PC02整体上高于澳底,且具有从大潮向小潮递减的趋势。大潮期间两个观测区域都向大气释放C02,而小潮期间二者与大气平衡或者转变为大气C02的汇。   海气交换过程对于碳酸盐体系只有极微小影响(其导致的DIC日变幅小于2μmolkg-1),温度对碳酸盐系统的改变也非常有限,两个观测区域碳酸盐的短期变化主要受控于生物活动并受物理混合调控。现场水体培养实验所得两个站位水柱浮游生物平均光合/呼吸速率仅约为0.70/-0.26μmolDOkg-1h-1,表明观测区域生物生产主要由底栖群落而非浮游生物主导:参数和模型结构进一步说明两个观测区域的光合/呼吸作用都远高于无机钙化过程。因此底栖生物群落的有机生产过程是调控碳酸盐体系变化及其趋势的最重要因素。潮汐带入的近海表层水体会减小生物信号的累积从而降低各参数的周日变化幅度;而鹅銮鼻站位富含C02的涌升次表层水则会增加该区域碳酸盐的平均DIC,TA和pC02。物理混合过程减弱了原位生物信号的累积,而两个区域的物理混合强度都呈现从大潮向小潮而递减,因此两个观测区域的生物地球化学参数在大潮期间的周日变化幅度较小。强化的次表层水涌升现象使鹅銮鼻在大潮期间的DIC,TA和PC02日平均值高于其小潮数值。我们推测大潮时澳底附近水产养殖场高pCO2水体的影响以及鹅銮鼻高pC02次表层水涌升是两个观测区域在大潮时期向大气释放CO2的原因。   近岸区域存在的显著短期时空差异,忽略短期变化有可能给相关估算引入相当的不确定性;本研究强调了近岸观测需要更精细的时空分辨率对不同时空尺度变异性进行综合考量,同时说明“现场观测与模型结合”的方法可以有效地应用于多因素调控下复杂变化的定量分析。
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