第22 卷第2 期海洋环境科学Vol . 2 2 , No . 2 2 0 0 3 年5 月MARIN E ENV IRONM EN TAL SCIENCE May . 2 0 0 3
【综述】
海洋碳的源与汇
宋金明
( 中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室，山东青岛266071)
摘要: 通过对海洋碳源汇最近研究成果的分析，剖析了海洋碳源汇的内涵，提出了“表观碳源汇”与“实际碳源
汇”的概念，对海洋碳源汇不确定性的原因进行分析，提出碳参数测定不准确与其关键生物地球化学过程不清
楚是其根本原因，继而提出了海洋碳源汇研究应特别注重陆架边缘海碳循环过程研究，提高碳参数测定的准确
性和应深入研究控制碳循环关键的海洋生物地球化学过程是其研究关键。
关键词: 碳的源与汇；生物地球化学过程；海洋
中图分类号: O613 . 71 文献标识码: A 文章编号: 100726336 (2003) 022*******
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Carbon sources and sinks in oceans
SON G J in2ming
( Marine Ecology and Environmental Science Lab , Institute of Oceanology , CAS , Qingdao 266071 ,China)
Abstract : The new concepts of" Apparent Source and Sink" and " Realistic Source and Sink" are pointed out bad on analyzing the intension and summary of carbon source and sink in oceans. And then , the main results of oceanic carbon source and sink were re2 viewed in this paper. On the basis of the facts , it is thought that the uncertainty of oceanic carbon source and sink is caud by the less accurate measurem ent of carbon parameters and the poor understanding to key controlling biogeochemical process. The margin as should be paid more attentive in the rearch of oceanic carbon source and sink. It is critical that improving determination accu2 racy of carbon system and revealing the key controlling biogeochemical process must be developed in studying oceanic carbon source ang sink.
Ke y words :carbon source and sink ; Biogeochemical process ; oceans
海洋碳源汇格局清单是人们最为关心的课题之一。就目前而言，海洋碳源汇格局清单均是在少数数据观测的基础上用模式计算获得的，所以，模式是以海洋现场观测为基础的, 相对应的是要系统研究这些海洋碳参数的影响因素以及源汇形成机制等一系列过程, 所以，对碳体系观测- 过程- 模式的研究构成了一个新学科- - 全球碳循环科学( Global car2 bon cycle science) 的主要研究内容,J GO FS 计划的基本完成标志着这门新学科的诞生。目前，全球碳循环科学的研究正全面开展，可以相信，经过10～20 a 的努力，这门新学科会发展成为一门集人类与自然相互渗透、多个学科相互交叉的科学，海洋碳源汇研究是全球碳循环科学最重要的组成部分。
海洋在调节全球气候方面，特别是在减缓CO2 等温室气体效应方面作用巨大[ 1～24 ] ，所以区域性以及全球海洋是吸收(汇) 还是排放(源) CO2 就显得非常重要[ 8 ] 。据最新的估算, 整个海洋含有的C 达3. 9 ×1013 t ，约为大气
收稿日期: 2002207226 ，修改稿收到日期: 2002210208
基金项目: 国家杰出青年科学基金(49925614) ；中国科学院创新重大项目( K ZCX12SW201208 ; KZCX12SW201217)作者简介: 宋金明(19642) ，男，河北枣阳人，博士，研究员，博士生导师，从事海洋生物地球化学过程研究, Email : jmsong @ ms. qdio. ac. cn
76 海洋环境科学第22 卷7. 5 ×1011 t 的53 倍，海洋是地球上最大的碳 F = K ( p CO (气) - p CO (水) ) ,
havefun2 2
储库，目前，人类每年排入大气中的CO2 以C F 为海- 气界面的碳通量(单位g/ m2 ·a) , F 计为5. 5 ×109 t ，有约2. 0 ×109 t 被海洋吸收, 为正值，则此区域为大气CO2的汇，即大气中
占总排放量的35 % , 陆地生态系统吸收占的CO
2 可以溶入海水中，其值为负，则为源, 1
3 % ，为0. 7 ×109 t ，也就是说海洋与陆地容海水中的CO2向大气释放; p
CO2
(水) 为表层海
纳了近一半人类排放的CO2 ，另外的50 %被释放到大气中[ 14 ] ，海洋在缓和CO2 温室效应水CO2分压值(单位Pa) ; p CO
2
(气) 为大气CO
2
方面的作用不言而喻。为更深入地进行海洋碳源汇研究，本文以
目前的研究成果为基础，对海洋碳源汇的涵义进行了剖析，对海洋碳源汇的成果进行了综合评述，提出了海洋碳源汇不确定性及进行深入分压值(单位Pa) ; K 为气体交换系数。通过这种方法获得的海洋源与汇，我们称为“表观源与汇”。一般在较小尺度的海域均是用这种方法获得的。另一种是通过测定海水中的总CO2 ( T CO ) ，并利用冰芯或沉积物反演获得的2
研究的展望。为受人类影响(工业革命前,1750 年) 的T CO ,
2
1 海洋碳源汇的涵义
一般笼统地讲, 把海洋能吸收大气CO2 的区域称为“汇”( sink) ，反之向大气释放CO2的区域称为“源”( s
ource) ，可形象地用图1 表示。但目前海洋源与汇研究上有两个相互关通过海水温度、盐度、营养盐等校正后，用模式获得的海洋源与汇，它反映的是海洋容纳人类排放的CO2 量( Excess CO2) ，通过模式可以预测海洋碳源汇的强度与变化趋势，用这种方法获得的海洋碳源汇, 我们称之为“实际碳源汇”。在大洋空间尺度上海洋源与汇获得方法[ 13 ]
联但意义不同的内涵，一是通过测定表层海水
与大气CO2 分压，通过计算海- 气界面CO2
通量后，根据其正负值来确定的源与汇，这种
qcc是什么意思
涵义上的源与汇直接反映了表层海水温度与
气象要素的影响，因为这些因素直接决定了海
水CO2 分压的量值，海- 气界面的碳通量其
计算公式为[ 8 ] :
见图2 。
图1 海洋二氧化碳源与汇Fig. 1 Schematic diagram of CO2 source
and sink in oceans
图2 海洋实际碳源汇获得方法
Fig. 2The frame2diagram for obtaining actual
source and sink of CO2 in oceans
在目前所有文献上，都没有区分海洋碳源汇这种涵义上的差别[ 13～24 ] 。“实际源与汇”可以反映海洋中、深层特别是大洋储存碳的能力，相对而言，这种源与汇反映的是相当长时期海洋与大气CO2 的相互关系，因为中深层
第2 期宋金明: 海洋碳的源与汇77
表面与大气CO2 的关系，是瞬时可变的，但在确定海域其海面温度与海况是有规律性的，在一定程度上体现“表观源与汇”的相对稳定性, 即一般用CO2 分压计算出的源与汇和用模式得到的“实际源与汇”的结果相近。年的第二期计划(OCM IP - 2) 中，有13 个研究组参加，它不仅区分自然与人类CO2 ，还进行了CFCs 的模拟，第三期计划(OCM IP - 3) 正在进
行中, 特别强调海洋生物的作用。OCM IP - 2 的海洋吸收CO2 的模式结果见图
[ 15～24 ]
2 海洋碳源汇的获得
2. 1 海洋碳源汇的估算方法
海洋碳源汇目前主要通过6 种方法获得[ 13 ] , (1) 用示踪剂校准的箱式模型，在1975 年开始应用; (2) 用示踪剂确定的一般环流模式( GCMS) ，在1987 年首次应用; ( 3) 用一般大气环流模式进行大气CO2 解析获得, 在1990 年出现; ( 4) 用现场DIC 和DI13C 测量计算，在1992 年开始应用; (5) 用大气时间序列O2/ N2 和13 C 计算,1993 年出现; (6) 用海- 气界面净通量的全球集成来估算，在1997 年开始应用这种方法，一般的做法是：利用少数航次的表层海水CO2 分压实测结果(或利用海水p H 和总碱度平衡计算获得表层海水CO2 分压) 与表层海水温度、盐度进行统计获得二者关系，然后用全球海洋温盐资料反演获得全球海洋表层海水CO2 分压，而后利用大气CO2 分压及气象资料，获得海气CO2 交换系数后乘以分压的差值, 即可获得不同海域3 。可见, 模式间在以前的结果相差很小，但预测结果相差的趋势变大。且在区域上有较大差异，差异最大的区域在南大洋30°S , 可能是过低估算了认为CO2 的量而过高估算了极地海的影响。
图3 全球海洋海- 气界面碳通量的
模式结果(OCMIP - 2)
Fig. 3The model results of CO2 flux across a - sir
interface in globe oceans企业所得税会计分录
基于12 a 的J GO FS 研究与观测，得到了
[ 14 ] 。揭示
CO2 的源汇。就目前而言,2 ,4 ,6 的方法应用较多，尽管获取方法不同，但各有优缺点，获得的海洋可吸收CO2 的量相近，如用9 种分立的3 维碳循环模式GCMS 得到在20 世纪80 年代全球海洋吸收的C 为(1. 85 ±0. 35) Pg/ a ，用大气时间序列O2/ N2 和CO2 估算结果为(2.
0 ±0. 6) Pg/ a ，也就是说用所有方法获得的海洋可吸收的 C 均约在 2 Pg/ a 左右。但同时也应看到，各个模式间的结果是有差异的，为此国际上进行了海洋碳循环模式的互校项目(ocean carbon cycle modelling intercomparision project ,OCM IP) ，在1995～1997 年的第一期计划中(OCM IP - 1) ，有 4 个研究组加入，集中于自然与人类CO2 的区分，在1998～2000 一个全新的全球碳通量结果(图4)
世界大洋每年可吸收的 C 为约为 2 Pg ，吸收后的CO2 主要储存在深层大洋中，占78 % ，这其中在动力作用下的生物泵过程其关键作用, 通过生物泵向深层输送的C 达10. 2 Pg/ a ，净输送2 Pg/ a 。从
这个图上还可以看出，相对而言，对大洋和陆地，其碳通量过程研究的比较清楚，而对陆架边缘海的碳通量并不清晰，在4 个方向上，有3 个至今未搞清楚，即(1) 陆架边缘海与大气间的净碳通量; (2) 陆架边缘海向大洋输送的碳通量; (3) 陆架边缘海箱底部沉积物输送的碳通量，仅对陆地输入(主要为河流) 通量相对比较清楚，陆地输入陆架边缘海的通量为0. 8 Pg/ a 。
78
海 洋 环 境 科 学 第 22 卷
图 4 全球碳通量与储碳量 (单位分别为 Pg/ a 和 Pg )
Fig. 4 Globle CO 2 fluxes and rerves
air swimmers
2. 2 海洋碳源汇的分布特征2016年8月13日
现有的研究结果表明 ，自 20 世纪 70 年代 以 来 , 全 球 海 洋 一 直 是 大 气 CO 2 的 净 汇[ 8～24 ] ，全球海洋主要的汇区分布在较冷的 大洋区域 ，如北太平洋 、北大西洋 、南大洋等 , 表层海水温度
越低 ，其吸收 CO 2 的量越大 ，汇
中循环 ，在全球范围内 ，仅有约 1 %初级生产 力相当于 0. 34 Pg/ a 的 C 能到达 2 000 m 以 深的深海中 。J G O FS 研究得出 ，在赤道太平 洋 100 m 处 ，其碳的输出仅占其初级生产力的
2 %～7 % ,1 000 m 处仅有 1 % ，阿拉伯海 100 m 处有 5 %～10 % ,1 000 m 处有 1. 7 % ，南大
洋最高 ,100 m 处有 30 % ,1 000 m 处有 3 % , 可以看出 ，南大洋吸收的 C 其储存的年限最 长 ，转化人为 CO 2 的相对量也最大[ 14 ] 。全球 海洋 C 到达海底而进入沉积物中的量 0. 2
Pg/ a ，即全球海洋吸收的 CO 2 约 10 %进入沉
积物中被长久固定下来 ,90 %在水体中循环 。
3 海洋碳源汇的不确定性
3. 1 海洋要素的多变和复杂性 综上所述 ，海洋碳源汇是变化的 ，有相当 的不确定性 ，即同一区域海洋碳源汇本身会发
[ 8 ]
的强度也就越大 。
生变化 , 主要是由于海况 、气象要素 、海洋 在区域上 ，太平洋赤道区域是天然的最大 的 CO 2 源 ，在一般的年份 ，每年释放进入大气
中的 CO 2 量为 0. 8～1. 0 Pg ，在强的厄尔尼诺
年 (如 1997～1998 年) ，其释放量减小 ，为 0. 2
a couple of～0. 4 Pg/ a ，少一半还多 。北大西洋是全球海
洋最大的天然 CO 2 的汇 ，这个区域可强烈地
吸收大气中的 CO 2 ，南大洋通常情况下每年净
吸收 0. 2 ～ 0. 9 Pg , 也是一个重要的海洋汇
区[ 14 ]
。正 如前面所言 , 陆 架 边 缘 海 是 大 气
CO 2 的源还是汇 ，目前还不清楚 。一般地说 ,
陆架边缘海应该是大气 CO 2 的源 ，因为沿岸
上升流和陆地输入的有机物分解都可导致
CO 2 的释放 ，但目前的结论正好相反 ，北海与
东中国海的航次结果都表明 ，这些陆架边缘海
都是 CO 2 的汇 ，如果全球的陆架边缘海都是
这种情况 ，那么 ，陆架边缘海这个海洋汇可吸
收 CO 2 达 0. 2～1 Pg/ a ，这在全球碳循环中的
作用是不得了的 ，所以 ，海洋碳循环研究陆架
边缘海应大大加强 。 海洋吸收的 CO 2 大部分在其海洋上层水
生态环境等变化引起的海洋碳源汇格局与强
度的变化 ，而同一区域 、同一时间获得的碳源
汇还有不确定性 ，这里仅涉及后者 。正因为如
此 ，海洋碳源汇的研究才如此复杂 ，不确定性
主要是由于计算模式所用到海洋碳参数测定
仍有问题 ，且各个模式间对过程的处理不同引
起 ，也就是说碳参数测量准确度低以及对碳循
环过程了解不够是影响海洋碳源汇的根本性
因素[ 4 ,7 ,13 ,14 ] 。针对这种情况 ，国际海洋学界 特别重视这两个方面的研究 ，可以说 ,J GO F S
项目的基本完成 ，对 C 的海洋生物地球化学
过程比以前有了更深入的了解 ，但对控制近 C
的生物地球化学过程并不清楚 ，所以对海洋特
别是近海碳循环过程是今后相当长时期需要
继续研究的 ，这其中包括对 J GO FS 过程研究
所得的数据综合性地用于碳循环模式的研究 ;
继续对时间序列站进行观测 ，以获得几十年尺
度上碳循环过程的实际参数 ，特别强调次表层
颗粒通量 、溶解有机碳输送和深海矿化等过
程 ；最近观测发现[ 13 ]
, 近海大气中 CO 2 浓度
有明显降低 ,C 有明显输出 ，应结合 LOCIZ 计
第2 期宋金明: 海洋碳的源与汇79
划重点进行陆架海域与深海间C 的交换; 应构建更为有效地3 维碳循环模式，继续进行国际间碳循环模式的互校项目OCM IP。应该说,J GO FS 的研究集中于两个部分，即100～200 m 以上的生产层与近海底的沉积物通量, 而生物泵中有机物输出后的分解或成岩作用主要发生在真光层下的“微光带”( twilig
ht zone) ，其深度达500～1 000 m ，对这一深度层内的生物地球化学过程并不清楚，这是模式结果不确定性的重要因素之一。
3. 2 海洋要素测定的准确度海洋碳参数测
定的准确度问题是导致海
洋碳源汇不确定性的另一根本因素，就目前而言，海洋碳源汇研究需要4 个基本的碳参数,
对碳源汇不确定性的分析可知，该研究任重而道远，应特别注重提高碳参数测定技术并加深对碳循环海洋生物地球化学过程的了解, 这是海洋碳循环研究必须面对的。
4 海洋碳源汇研究展望
作为碳循环科学主要研究内容之一的海洋碳源汇研究是一个系统而复杂的重大科学, 其影响过程生物与非生物因素交织在一起，动力过程由于气候、地形地貌和海洋本身的分层的多因素融合在不同的海域而相差悬殊，要把海洋碳源汇搞清楚还需要多学科科学家们长期艰苦的努力，需要国际上统一的规划实施和各国政府政治、经济的强力支持。在科学问题
即海水的p H 值、表层海水CO2 分压( p CO ) 、上，应特别注重以下几个方面的深入研究:
2
海水总碱度(AL K 或A T) 以及总CO2 ( T CO 或
orientation翻译
2 CT) ，这4 个参数目前测量都存在一定问题,
即准确度较差。就连最简单的p H 值测定，用已经成熟的玻璃电极测定也达不到0. 001 的精度，用指示剂的分光光度法被认为是值得大力发展和有潜力的方法，但对于近海混浊水和有色水都有一定的问题。表层海水CO2 分压测定问题更大，目前应用的气体平衡红外检测需要对现场样品进行处理，这种处理会带来较大误差, 气体膜分光光度法检测需要平衡计算，而实际上海洋很难达到平衡态。总碱度的测定用滴定法和指示剂分光光度法都存在一定问题，其关键是海水总碱度的变化相对于总量来说太小，其变化量少于5 % ，这样小的变化，上述两种方法都很难达到。海水总CO2 目前测定的准确度最高，是用加酸萃取后用红
(1) 确立海洋碳参数高准确度可互校的
分析方法。海洋碳参数测定的准确与否，直接
决定了海洋源汇的定性与定量结论，这是进行
海洋碳源汇研究的前提，目前，应特别注意解
决海水的p H 值、表层海水CO2 分压( p CO ) 、
damon
2
海水总碱度(AL K 或A T) 以及总CO2 ( T CO 或
2
CT) 这4 个参数测定准确度问题。
(2) 深入研究控制海洋碳储存、转移、形
成、分解的海洋生物地球化学过程，对其关键
过程的了解有助于研究海洋碳循环的机制，从
而更精确地研究海洋碳源汇，在深海应特别注
重真光层下微光层内C 的循环过程，对微光
层的不了解是目前海洋碳源汇研究不确定性
的原因之一。
(3) 特别加强陆架边缘海碳循环的研究,
目前，对全球海洋碳源汇研究最不确定的就是陆架边缘海，至目前，对全球陆架边缘海是大
快步英语外或库仑法检测, 但对混浊水也有一定的问气CO
2的源还是汇都没有确定，足以看出其
题。针对碳参数测定问题，国际IOC - SCOR 有一个专门委员会来确定解决, 最近他们认为，改进提高碳参数的测定准确度的研究应加强,p H 与AL K 应重点发展分光光度法, p CO 研究的迫切性。对于近海其碳的海洋生物地球化学过程更为复杂，除与大洋有相近的控制过程外，又增加了人类的影响、河流径流的输
2 应发展膜法测定技术, 对于T CO 应发展快而
2
精度高的测定方法[ 14 ] 。入更加复杂了碳循环的控制过程，但近海碳循
环必须深入系统开展。海洋碳源汇的研究涉及的学科众多，加上
