南海东北部春季海表pCO2分布及海－气CO2通量

姜亦飞，王辉，乔然＊，吕洪刚，刘桂梅

（1.国家海洋局 国家海洋环境预报中心，北京 100081）

1 引言

海洋碳循环是“国际地圈生物圈计划”（IGBP）的核心内容，也是“低层大气与上层海洋研究计划”（SOLAS）的最重要内容。工业革命以来，化石燃料燃烧等人类活动已经显著地改变了全球碳循环，突出表现为大气CO2的平均浓度从42万年中的180～300ppm［1］上升到目前的395.10ppm （2013年11月由NOAA发布）。

海洋作为地球最重要的碳库之一，受控于碳酸盐体系驱动的“溶解度泵”和生物驱动的“生物泵”过程，直接影响着大气CO2浓度的时空变化［2］，进而影响着全球气候变化。陆架边缘海面积只占全球海洋的7.6%，但其复杂多变的环境很难进行系统的生物化学活动的定量研究［3］，边缘海区依然是研究的重点和难点区域。中国对于南海pCO2的研究起步较晚，朱钰等利用卫星海洋遥感技术对南海海表pCO2及海气通量进行了估算［4］；杨金湘通过在南海北部构建的碳循环模式，评估讨论了海表pCO2和海气通量的季节变化［5］；鲁中明通过浮标的连续观测数据，探讨了海表pCO2的周日变化及控制过程［6］。

掌握大气CO2的源/汇量级、格局及循环机制，有助于了解人为CO2在当前全球变化背景下的归宿，不仅具有重大的科学意义，也将为人类调控全球气候变化提供重要理论基础，还对全球人类活动及各国制定经济和社会发展战略具有指导意义［7］。

2 研究区域

南海是中国最大的边缘海，是世界第三大边缘海，通过吕宋海峡、苏禄海和马六甲海峡等，与太平洋和印度洋相连。本论文研究海域位于南海东北部（18°～24°N、116°～122°E），该区域环流的主要驱动力为季风与黑潮入侵［8］，其次为海面热通量。春秋两季处于季风转换期，这两个季节的海流主要受前季遗留下来的海水质量场所控制，但随着季风更替的进程，流场迅速发生着变化［9］，春季该区域平均风速达6～7 m/s［10］。

南海东北部的环流体系主要包括了粤东沿岸海流、海南暖流、黑潮南海分支、西北吕宋沿岸流及西北吕宋气旋式涡旋［9］，其中东北部陆架与陆坡区主要受上升流的影响［11］，同时还受到以珠江冲淡水为主的沿岸水流的影响。冯士筰等［12］将南海表层水团分为沿岸水、陆架表层水（混合水）以及外海水。大陆沿岸入海径流与海水混合，形成低盐和低密度特征的沿海水团，如粤东沿岸水；外海水团大都由邻近的西北太平洋经巴士海峡进入，具有大洋水团的一般特性，水团结构常年保持相对稳定，水文特征明显［9］。

3 采样与分析

本航次搭载中国海洋大学“东方红2”号科学调查船，实际观测时间为2013年4月6日至2013年4月27日；采用现场走航观测，研究区域（走航轨迹）如图1所示。

图1 调查船航行轨迹

海/气pCO2采用走航观测方法，仪器系统（US Apollo AS－P2underway pCO2system）安装在“东方红2”号竖井室，方便排水的同时，尽量减少温度变化对测量结果的影响；船在行驶过程中，通过潜水泵抽取海表4～5m深海水，以2.5L/min速度经过滤装置和淋喷装置进入平衡器，采用LICOR－7000红外二氧化碳分析仪（量程为0～3 000μatm，精确度为1%），每5min提取一组数据；大气pCO2样品采于船头距水面约10m处，经干燥后直接导入分析仪测量；仪器耦合的SBE能同时测量海表温、盐参数。

大气/海水pCO2的计算参考Feely、Takahashi和 Wanninkhof采用的计算公式［13－15］；采用如下校正公式：

式中，pCO2（Corr）指修正后的样品测量值；pCO2（Raw）指样品的直接测量值；pCO2（R1）指1号基准气体的测量值；pCO2（S2）指2号基准气体的给定值；pCO2（S1）指1号基准气体的给定值；pCO2（R2）指2号基准气体的测量值。

温度的校正采用陈立奇和高众勇［16］推荐的公式：

式中，SST是指取样点海面温度（℃），Teq是指系统中平衡器内平衡时的温度（℃）。

4 结果与讨论

4.1 海－气pCO2 的分布

大气pCO2的分布图如图2a所示：总体而言，大气pCO2随离岸距离的增加而逐渐减小，陆架边缘相对最高（最高值：406μatm），吕宋海峡附近最低（最小值：380μatm），可见，陆源因子对边缘海大气CO2浓度影响较大。（考虑到船在顺风行驶或无风行驶时，船体（烟囱、厨房、船舱等）排放的CO2对测量结果的影响，因此本文将部分异常值剔除［17］。）

海表pCO2的平面分布如图2b所示：在南海东北部，从陆架河口海岸带一直到吕宋海峡海域，海表pCO2大致呈现从西北至东南方向逐渐增大的分布趋势，完全不同于大洋上pCO2的分布［18］，充分体现了边缘海区的复杂性。本次调查海表pCO2的测量值在315～530μatm之间，平均值为419μatm，最高值出现在吕宋海峡南部，位于19°N、121°E附近；最低值位于近岸陆架海域。

4.2 海表pCO2影响因素分析

4.2.1 海表pCO2与温盐的关系

海表温、盐数据通过走航观测获得，如图3所示：春季，南海东北部海表温度值随纬度递减而升高，但其等温线并不与纬度平行，与纬度有一交角，在吕宋海峡口有一暖水舌西伸，约至120°E附近；受蒸发减少，降水、江河入海径流增大的影响，陆架区域盐度最低，高盐水舌由吕宋海峡向西北方向延伸，吕宋岛西北部海域盐度相对较低。其分布趋势与WOAOI资料描述的相一致。

图2 调查海区大气（a）、海表（b）pCO2（μatm）分布

图3 调查海区表层海水温度（℃）（a）、盐度分布（b）

通过对温盐数据的分析（见图4），可以看到：在陆架陆坡海域，温度和盐度呈现很好的正相关（r＝0.8）；在吕宋海峡区域，受太平洋黑潮“西伸”影响，呈现明显的高温高盐特征，相关关系不明显；而在吕宋岛西北部海域，受西北吕宋沿岸流影响，表层水表现为高温、相对低盐的特征（黑色区域），温度与盐度呈良好的负相关（r＝－0.67）。

结合海表pCO2分布，我们可以清楚的看到：总体而言，南海东北部pCO2与水温分布显示了很好的正相关性（见图5），尤其在陆架海域，相关系数r＝0.63；而由南海环流、西北吕宋沿岸流及黑潮“西伸”引起的盐度变化与pCO2相关性并不高。可以推断，在南海东北部，海表温度是pCO2的主控因子之一。

4.2.2 海表pCO2与叶绿素a、营养盐的关系

由于本航次pCO2调查采用走航观测，因此未能获得相匹配的营养盐数据。通过历史资料的查询［19］及2013年4月卫星遥感资料（http：//oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/）的反演，我们获得了南海北部营养盐和叶绿素a的数据，如表1、图6所示。

图4 表层海水温度和盐度的关系

图5 调查海区海表pCO2与温度的关系

表1 南海北部有关环境参数丰度平均值（X±SD）

通过分析可知：营养盐（铵盐、亚硝酸盐、磷酸盐）和Chl a的浓度分布均表现出从沿岸带到外海逐渐减小的趋势，龙爱明等［20］通过分析南海北部表层海水中Chl a、营养盐值等水质参数的空间分布特征，讨论了它们之间的相互关系，得出了Chl a与营养盐呈正相关关系，尤其与亚硝酸盐呈明显线性关系的结论。可以推断，营养盐的大致分布趋势与Chl a是一致的。

结合图6可知：研究海区受珠江冲淡水、粤东沿岸流及沿岸上升流影响［21］，陆架区域、台湾浅谈区域高叶绿素含量水体扩展的同时，水体温度层化、透光率提高、真光层加深，浮游植物利用高的营养盐浓度，加剧光合作用，从而使表层CO2被大量消耗，致使海水中的pCO2降低［22］，因此，调查海区表层海水pCO2呈现自西北向东南方向逐渐升高的明显的梯度分布，翟惟东等在该海域也测得较低的pCO2［23］。然而，在巴布延海峡、吕宋岛西北海域附近，Chl a和营养盐含量均较低，光合作用较弱，加上太平洋黑潮水西伸［24—26］、吕宋岛西北上升流及西北吕宋沿岸流的共同影响，该区域pCO2呈现明显的源的特征。结合温盐数据，可以推断：海表pCO2的变化很有可能是受南海环流影响的碳酸盐热力学稳定性和生物活动的共同作用和影响。

图6 2013年4月研究海域Chl a浓度（mg/m3）分布

4.3 南海东北部海域CO2通量

估算海气界面CO2通量一般采用如下公式（Wanninkhof）［25］：

式中，k是海气交换系数，α是某温盐条件下CO2溶解度。目前关于海气界面气体交换的计算模式方法较多，Weiss公式、Liss and Merlivat公式、Wanninkhof公式、Raymond和 Cole公式［27－29］都是被广泛应用的。其中Wanninkhof提出的计算模式方法比较广泛［30－33］：

式中，U10为风速大小（m/s），Sct是CO2的Schmidt常数，t为温度℃；T为开尔文温度（K）；S为盐度；当α的单位是 mol/（L·atm）时，常数A1＝－58.093 1，A2＝90.506 9，A3＝22.294 0，B1＝0.0277 66，B2＝－0.0258 88，B3＝0.005 057 8。

图7a给出了南海东北部海域ΔpCO2的平面分布，ΔpCO2表示海洋与大气间pCO2的差值（ΔpCO2＝pCO2sea－pCO2air）。由该图可以看出，调查海域除陆架区域为负值，即为CO2的汇以外，其余海域均为正值，尤其以吕宋海峡南部（19°N、121°E）附近为最强中心，ΔpCO2达149.73μatm。

根据走航获取的ΔpCO2及现场温度、盐度及风速计算的海－气界面CO2通量如图7b所示。基于Surfer（美国 Golden Software公司）插值（Kriging）功能绘图结合胡敦欣［34］的网格统计法计算可得，在调查海区，即18°～24°N、116°～122°E的实测范围内，按0.5°×0.5°的网格插入各站位的 ΔpCO2及现场温、盐、风速，估算了2013年春季南海东北部海域的海气界面碳的净通量，平均通量为2.41mol/（m2·a），以调查面积2.58×105km2计算，则得到春季南海东北部海域净释放约4.25×104t碳。

图7 南海东北部海气界面ΔpCO2（a）和CO2通量（b）分布

5 结论

（1）受珠江冲淡水、沿岸/吕宋岛上升流、西北吕宋沿岸流、黑潮“西伸”及现场温盐影响，春季南海东北部表层海水pCO2分布差异性明显，源/汇格局清晰。

（2）海水pCO2在陆架边缘海区域表现出明显的吸收CO2的特征，在吕宋海峡、吕宋岛西北部海域则表现出强烈的释放CO2的特征，整体而言，表现为CO2在源的特征；调查海区pCO2在值在315～530 μatm之间，平均值为419μatm。

（3）海表温度是海表pCO2的主控因子之一，二者呈明显正相关关系（r＝0.63），局部海域受陆架生物作用、黑潮、上升流、南海环流等影响，差异性较大。

（4）整体而言，春季南海东北部呈现明显的CO2源的特征，春季向大气释放4.25×104t碳。

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