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由于地处海陆交互带以及受人类活动的扰动,近岸水体(如河口)的碳循环过程相当复杂、多变,这种复杂的变化过程通常也表现于海水二氧化碳分压(pCO2)随时间的剧烈波动,因而特别需要长时间的连续观测,以甄别CO2在不同时间尺度上的变化规律及其调控机制。
本研究主要基于浮标的定点观测。观测点地处杭州湾口,位于122.37°E30.55°N,水深约30m,受到长江和钱塘江陆源径流和潮汐混合的显著影响,并具悬浮颗粒物浓度高的特征。观测参数包括海表pCO2、大气pCO2及其它相关环境参数,观测频率为3小时一次。本论文基于观测点近一年(2010年8月至2011年9月)的连续观测数据,研究了海表pCO2在不同时间尺度上的动力学变化特征及主要调控机制,并定量探讨了海表pCO2随时间变异对海表pCO2测定以及海-气CO2通量估算的影响。
从季节尺度观之,观测点海表pCO2表现出夏季最高、冬季最低的特征,季节差异达近300μatm,其中,夏季海表pCO2变异尤为剧烈。从季节内短时间尺度观之,在日时间尺度上,冬、春季海表pCO2表现出反向的半日潮变化特征(一日内出现两个极大值和两个极小值,其中极小值与高潮位相对应,极大值与低潮位相对应),日变幅平均约为20μatm和60μatm;夏季海表pCO2日变幅平均约为130μatm,大潮期间表现出反向的半日潮变化特征,小潮期间则与生物周期变化相关。在大小潮时间尺度上,冬季观测点海表pCO2日均值大小潮变幅平均约为30μatm;春季海表pCO2日均值表现出小潮期间较高,大潮期间较低的特征,大小潮变幅平均约为65μatm;夏季海表pCO2日均值则表现出小潮期间降低的特征,大小潮变幅平均约为280μatm。
温度是调控观测点海表pCO2季节变化的主要因子,但其对海表pCO2季节内短期变化的影响则比较有限。观测点海表pCO2季节内短期变化主要受水团混合和生物新陈代谢的调控。在日时间尺度上,冬、春季以及夏季大潮期间海表pCO2主要受控于潮汐混合,夏季小潮期间则显著受到生物新陈代谢的影响;在大小潮时间尺度上,冬季海表pCO2日均值大小潮变化主要与温度和河流冲淡水的影响有关,春季显著受到潮流驱动的垂向混合的影响,夏季则主要受到小潮期间生物光合生产的调控。夏季观测点现场水体培养实验所测得的表层水体群落呼吸速率仅约为2.3μmolO2/(L·d),表明生物呼吸作用(有机物分解)对观测点海表pCO2日变化的影响是比较有限的。观测点水质浑浊,悬浮颗粒物浓度高,生物光合生产显著受到光的限制。与其它时期不同,在夏季小潮期间,观测点水质较清(浊度≤10NTU),且持续时间长,致使光合作用明显增强。通过比较海表流速与海表盐度的相关性,推测海水层化很可能是冬季和春季观测点海表pCO2日均值随大小潮变化表现出差异的主要原因。此外,本研究利用端元混合模型模拟了观测点水团混合过程,通过与实测结果的比较发现,观测点海表pCO2不仅与水团的混合有关,还可能与水团的停留时间密切相关。
此外,本研究还定量评估了不同采样频率对海表pCO2测定以及海-气CO2通量估算的影响。在1季一次的采样频率下,观测点年平均海表pCO2和海-气CO2通量不确定性分别约为±34%和±136%,在1月一次的采样频率下,不确定性分别约为±16%和±63%,在7天一次的采样频率下,不确定性分别约为±4%和±15%,在1天一次的采样频率下,不确定性分别约为小于±1%和±2%。此外,利用同样方法对大气pCO2和风速随时间变异性对海-气CO2通量估算的影响进行了评估。结果表明,观测点海-气CO2通量估算的不确定性主要取决于风速和海表pCO2的时间变异性,并且两者的影响相当。
本研究说明近岸河口水体海表pCO2在不同时间尺度上的变化过程和调控机制不同,并且其短期变化存在显著的季节差异,强调了在对近岸水体海表pCO2短期变化进行研究时需要考量其季节差异。相较于开阔水体,近岸河口水体海表pCO2时间变异较为剧烈,因此,开展海表pCO2长期高频率观测对于准确估算近岸河口水体CO2通量以及更好理解CO2变化的调控机制都是十分必要的。