四十里湾海水碳循环体系现状分析

摘要 以四十里湾的水质为例，对该海域的海水碳循环体系进行初步研究，发现该海域海水当前处于弱源状态，综合2015—2021年海水营养盐监测结果，给出如下建议：将海水中无机碳各指数列为常态化监测；扩充海洋综合人才队伍建设；进一步加强海洋环境的综合治理状况。

关键词 碳中和；蓝碳；海水碳循环体系；四十里湾

中图分类号 X834 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）06-0049-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.014

Analysis on the Status Quo of Seawater Carbon Cycle System in Sishili Bay

WANG Xi

（Yantai Marine Environmental Monitoring & Forecasting Center，Yantai，Shandong 264003）

Abstract Taking the water quality of Sishili Bay as an example， a preliminary study of the seawater carbon cycle system in the sea area was carried out， and it was found that the sea water in this sea area was currently in a weak source state.Comprehensive monitoring of seawater nutrients from 2015 to 2021 as a result， the following conclusions were drawn：the index of inorganic carbon in seawater should be listed as normal monitoring;the construction of marine comprehensive talent team should be expanded;the comprehensive management of marine environment needs to be further strengthened.

Key words Carbon neutral;Bule carbon;Seawater carbon cycle system;Sishili Bay

2009年联合国发布的《蓝碳》报告指出，地球上有93%的二氧化碳储存在海洋，但平均每年有2%～7%的蓝色碳汇消失［1］，“蓝碳”也正式走入大众视野。“蓝碳”又称“蓝色碳汇”或“海洋碳汇”，特指海洋活动及海洋生物吸收大气中的二氧化碳，并将其固定、储存在海洋生态系统中的过程、活动和机制。烟台海域的海水碳循环体系真实状况的探索将成为烟台在“蓝碳”领域率先实现碳达峰是不可或缺的一环。海水中溶解有大量碳的化合物，其中无机碳的主要形式为H2CO3和CO2，二氧化碳－碳酸盐体系参与大气－海洋界面、海洋沉积物与海水界面以及海水介质中的化学反应，它直接影响海洋中许多化学平衡。多年来，受温室效应对全球气候的影响，海洋也作为大氣CO2的重要调节器［2］。该研究以四十里湾海域为试点，对该海域的海水碳循环体系进行初次研究，为今后烟台在“蓝碳”领域监测工作的开展及“蓝碳”交易工作提供支持。

1 研究区概况与分析方法

1.1 研究区概况 四十里湾海域（37°25′～37°37′N、120°21′～120°37′E）面积280 km2，海岸线长20 km，为耳状半封闭型浅水湾。根据《烟台市海洋功能区划》，该海域主导功能为旅游、渔业资源利用和养护。目前，有逛荡河、辛安河、鱼鸟河三大主要入海河流，涵盖省级及以上海洋牧场12个，海水浴场2个，是烟台市重要发展建设的海湾之一。

1.2 样品采集 2022年春季对烟台四十里湾进行海水样品采集，调查站位如图1所示红色圆点。水温、盐度、pH等样品采集按照《海洋监测规范》（GB 17378.4—2007）［3］规定的方法执行，总碱度样品采集按照《海洋调查规范》（GB/T 12763.4—2007）［4］规定的方法执行。

1.3 分析方法 按照《海洋监测规范》［3］规定的方法，在调查海域现场测定水温（t），将采集的海水水样带回实验室分析化验；使用SYA2-2型盐度计测定盐度（S）；用pH计测定调查海域海水pH；采用敞口式电位滴定法测定海水总碱度［5-6］。

2 结果与分析

2.1 海水的pH与碳酸盐体系

海水的pH变化幅度不大，大洋海水的pH一般在8.0左右，表层海水的pH通常稳定在8.1±0.2，中、深层海水的pH一般在7.5～8.2［2］。四十里湾海域水深在7.2～15.3 m，如图1蓝色虚线表示。表层海水温度8.4～11.5 ℃，底层海水温度6.5～7.3 ℃，如图1橘色线表示。表层海水pH最大值8.21，最小值8.12，平均值8.17；底层海水pH最大值8.19，最小值8.13，平均值8.16，如图1黑色线表示。

由于不同水层承受压力不同，压力对溶液中的平衡常数也有影响，这个在二氧化碳参与的平衡中是不可忽略的，也是海水对大气中的二氧化碳是汇还是源的重要参考依据，海水中整体碳酸盐体系交换如图3所示。 因此压力对平衡常数的影响关系可以表达为：

计算过程中，直接引用海水碳酸盐体系平衡的表观常数K0′［9］、海水碳酸盐体系平衡的表观常数KB′［8］。在海水碳酸盐体系的基本计算中，测得水温（t）、pH、总碱度（TA），然后按照公式（1）至（8），则能得到四十里湾海域碳循环的基本状况。

DIC的浓度在表层的最大值为2 997.094 μmol/kg，最小值为2 571.155 μmol/kg，平均值为2 687.808 μmol/kg；底层海水的最大值为2 628.039 μmol/kg，最小值为2 558.247 μmol/kg，平均值为2 605.849 μmol/kg。具体如图4所示。

CHCO3-的浓度在表层的最大值为2 524.141 μmol/kg，最小值为2 390.574 μmol/kg，平均值为2 425.197 μmol/kg；底层海水的最大值为2 484.136 μmol/kg，最小值为 2 405.545 μmol/kg，平均值为2 456.841 μmol/kg。具体如图5所示。

CCO32-的浓度在表层的最大值为160.880 μmol/kg，最小值为136.778 μmol/kg，平均值为150.066 μmol/kg；底层海水的最大值为132.119 μmol/kg，最小值为116.560 μmol/kg，平均值为123.861 μmol/kg。具体如图6所示。

CCO2（T）的浓度在表层的最大值为25.593 μmol/kg，最小值为19.702 μmol/kg，平均值为21.831 μmol/kg；底层海水的最大值为27.175 μmol/kg，最小值为22.920 μmol/kg，平均值为25.146 μmol/kg。具体如图7所示。

PCO2的浓度在表层的最大值为574.479 Pa，最小值为442.245 Pa，平均值为490.044 Pa；底层海水的最大值为513.102 Pa，最小值为432.754 Pa，平均值为474.790 Pa。具体如图8所示。

2.3 四十里湾近年历史数据对比 综合来看，2022年春季四十里湾的pH在8.12～8.21，整体海域的均值在8.17。统计2015年以来该海域春季海水pH数据（2019、2020年未监测），2015年pH在8.08～8.16，整体海域的均值在8.12；2016年pH在8.12～8.26，整体海域的均值在8.17；2017年pH在8.03～8.20，整体海域的均值在8.14；2018年pH在8.11～8.25，整体海域的均值在8.18；2021年pH在7.65～8.24，整体海域的均值在8.13。可以看出春季该海域pH 虽然变化不大，但仍存在小的波动（图9），原因有人类环境治理、海洋生物活动以及溶解无机碳。在该海域范围内，2017年开展环境生态保护整治工作，对沿海防护林内的违法养殖进行拆除；2021年进行第二轮环境生态保护整治工作，对养殖泡沫浮球进行整改。这2次比较重要人类活动对当年海域中的pH造成了轻微的降低，海水的自我综合循环系统让pH整体恢复。当海洋生物的光合作用强于呼吸作用时，海水pH升高；反之，海水pH降低［7］，也是不同时节海洋生物的活动状态对海水pH的影响因素之一。溶解无机碳是2022年首次获得，在此不赘述两者关系。

海水中的总碱度（TA）保持稳定，海水温度、压力、海气界面CO2的交换以及生物对CO2的吸收与释放均不会对其有影响，但是盐度、碳酸钙的沉淀与溶解、氮的生物吸收和有机物在矿化过程中溶解无机氮的释放会导致海水中总碱度的变化。

该海域2022年春季盐度在29.395‰～30.221‰，整体海域的均值在29.762‰。为今后进一步掌握该海域总碱度的变化，统计了2015年以来春季四十里湾海水盐度（图10）。2015年盐度在30.864‰～31.529‰，整体海域的均值在31.362‰；2016年盐度在31.527‰～31.840‰，整体海域的均值在31.675‰；2017年盐度在31.835‰～32.212‰，整体海域的均值在32.013‰；2018年盐度在31.479‰～32.606‰，整体海域的均值为32.051‰；2021年盐度在30.668‰～31.258‰，整体海域的均值在31.050‰。2015—2018年盐度逐年上升，2021—2022年急速下降。

2022年春季无机氮含量在0.126～0.244 mg/L，整体海域的均值在0.171 mg/L。统计2015年以来该海域春季海水营养盐无机氮数据可得，2015年无机氮含量在0.143～0.452 mg/L，整体海域的均值在0.289 mg/L；2016年无机氮含量在0.016～0.093 mg/L，整体海域的均值在0.054 mg/L；2017年无机氮含量在0.089～0.269 mg/L，整体海域的均值在0.189 mg/L；2018年无机氮含量在0.116～0.576 mg/L，整体海域的均值在0.257 mg/L；2021年无机氮含量在0.013～0.196 mg/L，整体海域的均值在0.051 mg/L。可见，海水中的营养盐无机氮的含量一直较为丰富。

3 讨论与结论

1740—1997年大气CO2浓度由27 Pa增加至369 Pa，截至2013年大气中CO2浓度为405 Pa［11］。根据地球系统研究实验室－全球检测实验室（earth system research laboratories-global monitoring laboratory）大气二氧化碳水平测量结果显示，二氧化碳含量水平达到了425.798 Pa［12］，此次初步研究中，该海域的表层海水PCO2表层的最大值为574.479 Pa，最小值为442.245 Pa，平均值为490.044 Pa，所以该海域整体表现为大气CO2的弱源。

在海水中二氧化碳体系各分量的计算中，涉及海水碳酸盐体系的参数有pH、TA、DIC、PCO2以及CHCO3-或CCO32-，测得其中两项，则可以根据基本关系式（公式1～8）就可算出其他各项。该研究就是運用pH和TA进行的各量计算。且试验中采用敞口式电位滴定，受空气中二氧化碳的影响，因而存在一定范围的系统误差。海水中保守阳离子和保守阴离子的电荷数差随着盐度的变化而变化，而实验室过程中样品经过冷藏保存，再恢复至室温，样品本身具有一定的挥发性，且试验中需要加入超纯水补充体积完成测量，而这些过程会导致海水样品中总碱度的变化。

该研究正是基于对碳中和［13］和碳交易［14］对我国重要性的理解，因此对烟台近海海域——四十里湾为例开展调查，了解该海域的碳循环状况，就当下（2022年4月份）而言该海域是二氧化碳的弱源，即大气中含有的二氧化碳有少部分是来源于海洋。如果想充分发挥海洋的碳汇作用，提出以下建议：①将海水中无机碳各指数列为常态化监测。为更加详细地掌握各地方已有海域的“蓝碳”情况，各地方海洋监测部门在其职能范围内，应该将简单的TA、DIC、海水中的Ca2+、Cl-等海水指标纳入可评估海水碳循环体系中，无机碳部分的监测项目列入常规监测项目，使得综合评估后的海水碳循环状况清晰明确，为海洋领域达到碳中和提供数据支撑。

②扩充海洋人才队伍建设。融合政策、经济、地质、化学、生物等方面的综合人才，在国家2030“碳达峰”及2060“碳中和”的宏观战略方针里，以知识为节点，数据为链接，用经济学思维，推动“蓝碳”在“碳交易”市场化中的进一步发展。

③进一步加强海洋环境的综合治理状况。牢记习近平总书记“谈海洋生态，为子孙后来留下一片碧海蓝天 ”的指示精神，高度重视海洋生态文明建设，加强海洋环境污染防治，保护海洋生物多样性，实现海洋资源有序开发利用［15］。恢复海洋碳循环体系的平衡，增强地球的“新陈代谢”。

参考文献

［1］

NELLEMANN C，CORCORAN E，DUARTE C M，等.蓝碳：健康海洋对碳的固定作用——快速反应评估［R］.联合国环境规划署，全球资源信息数据库挪威阿伦达尔中心，2009.

［2］ 张正斌.海洋化学［M］.青岛：中国海洋大学出版社，2018：71-117.

［3］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.海洋监测规范 第4部分 海水分析：GB 17378.4—2007［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［4］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.海洋调查规范 第4部分 海水化学要素调查：GB/T 12763.4—2007［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［5］ 国家海洋局.海水总碱度的测定 敞口式电位滴定法.HY/T 197—2015［S］.北京：中国标准出版社，2016.

［6］ 谭丽菊.化学海洋学实验［M］.青岛：中国海洋大学出版社，2018：54-63.

［7］ BATES R G.Determination of pH：Theory and practice［M］.New York：John Wiley and Sons，1973.

［8］ DICKSON A G.Thermodynamics of the dissociation of boric acid in synthetic seawater from 273.15 to 318.15K［J］.Deep sea research part A，1990，37（5）：755-766.

［9］ WEISS R F.Carbon dioxide in water and seawater：The solubility of a non－ideal gas［J］.Marine chemistry，1974，2（3）：203-215.

［10］ 陈敏.化学海洋学［M］.北京：海洋出版社，2009：60-113.

［11］ 郝珍珍.黄、渤海海水碳酸盐体系的特征与影响因素研究［D］.青岛：中国海洋大学，2015.

［12］ Global Monitoring Laboratory.Trends in CO2［R/OL］.（2021-02-10）［2022-05-09］.https：//gml.noaa.gov/ccgg/trends.html.

［13］ 陸音.得到课程《碳中和产业报告》第二讲［R/OL］.［2022-05-09］.https：//www.dedao.cn/course/article？id=e1k8gp2WGMzqJ3m2qnK5Ym P6DOjxAL.

［14］ 梅德文.得到课程《前言课·碳交易10讲》第一讲、第二讲［R/OL］.［2022-05-09］.https：//www.dedao.cn/course/detail？id=zdev25Ro61ZXRQksDeJNQ4G809xMAw.

［15］ 习近平.习近平谈治国理政：第三卷［M］.北京：外文出版社，2020：244.

作者简介 王曦（1989—），女，蒙古族，山东烟台人，工程师，从事海洋环境监测和政策分析。

收稿日期 2022-05-18；修回日期 2022-06-21