羅曉凡，魏 皓

（天津科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

碳元素（主要是CO2）在大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈之間轉(zhuǎn)移和交換的過(guò)程稱為碳循環(huán)。由于人類活動(dòng)的影響，全球海面上大氣CO2的年均濃度已由1980年的338.80μatm升高至2012年的392.53μatm，并保持持續(xù)攀升的狀態(tài)（http：／／www.esrl.noaa.gov／gmd／ccgg／trends／global.html）。在1958—2008年間，平均約43%的人為CO2停留在大氣中，其余被陸地和海洋吸收［1］。據(jù)最新觀測(cè)數(shù)據(jù)估算全球海洋每年吸收人為CO22.0±1.0PgC［2］，一定程度上緩解了大氣CO2濃度的上升速度以及人為驅(qū)動(dòng)的氣候變化幅度［3］，但這同時(shí)也擾動(dòng)了海洋碳酸鹽體系，導(dǎo)致了海水pH的下降趨勢(shì)，由此引發(fā)的海洋環(huán)境問(wèn)題對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了潛在的影響［4－5］。海洋作為全球碳循環(huán)重要的組成部分，在保持其自身環(huán)境健康的前提下，能夠在吸收大氣CO2、減緩氣候變暖中起多大的作用，未來(lái)又將扮演什么樣的角色，這已然成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

陸架海是陸地與大洋的連接帶，受人類活動(dòng)影響最為顯著，并且具有復(fù)雜的潮波系統(tǒng)、環(huán)流結(jié)構(gòu)、季節(jié)性河流輸入、較高的生物生產(chǎn)力等特點(diǎn)，各種過(guò)程變化劇烈，空間梯度大。陸架海的面積雖僅占全球海洋總面積的8%，其初級(jí)生產(chǎn)卻是全球總初級(jí)生產(chǎn)的19%～28%［6］，因此陸架海生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用對(duì)全球碳收支平衡有不可忽略的貢獻(xiàn)，尤其是“碳失匯”的問(wèn)題被提出后，陸架海對(duì)大氣CO2的源／匯作用成為平衡全球CO2收支不確定性因素之一，引起熱議［7－11］。Takahashi［2］給出的全球氣候態(tài)年均凈海－氣 CO2交換的數(shù)據(jù)中，變化迅速且復(fù)雜的近岸水體數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏。IPCC－AR4所使用的氣候－碳循環(huán)耦合模式比較計(jì)劃的多模式數(shù)據(jù)（Coupled Climate－Carbon Cycle Model Intercomparison Project，C4MIP）也沒(méi)有包含時(shí)空變化劇烈的陸架海過(guò)程，給氣候預(yù)測(cè)帶來(lái)了不確定性［12］。而為了更準(zhǔn)確地理解海洋在大氣CO2濃度不斷上升情景下的作用與響應(yīng)，陸架海及近岸水體碳通量的量化研究得到越來(lái)越多的關(guān)注［7－11］。

本研究綜述了近年來(lái)對(duì)陸架海CO2源／匯格局的爭(zhēng)論，指出通過(guò)建立3維－物理－生物－碳化學(xué)耦合數(shù)值模式量化陸架海碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)?；陉懠芎Ｌ佳h(huán)模式的研究現(xiàn)狀，從物理場(chǎng)、生物泵、碳化學(xué)系統(tǒng)等方面總結(jié)了建模中應(yīng)考慮的關(guān)鍵控制過(guò)程，提出了構(gòu)建東中國(guó)陸架海碳循環(huán)模式的基本思路以及擬解決的科學(xué)問(wèn)題。

1 陸架海對(duì)大氣CO2的源／匯作用

陸架海對(duì)大氣CO2的源／匯作用是碳循環(huán)研究中最基礎(chǔ)也是最重要的部分，它的強(qiáng)弱反映陸架海對(duì)氣候變化的調(diào)節(jié)能力，目前還處于熱烈的爭(zhēng)論之中。部分學(xué)者認(rèn)為全球陸架海是向大氣釋放CO2的源［13－15］，其根據(jù)是河流輸入的有機(jī)碳通量大于海洋有機(jī)碳埋藏速率，剩余部分很有可能被分解為CO2返回大氣。Tsunogai等［16］在1999年基于東海觀測(cè)結(jié)果提出了“陸架泵”的概念，認(rèn)為如果以東中國(guó)海吸收大氣CO2的效率去估算，全球陸架海每年可吸收1PgC。Yool等［17］采用GCM模型量化“陸架泵”作用探究其在全球陸架海的潛在強(qiáng)度并指出“陸架泵”效率在不同海區(qū)變化不一，外推估算全球陸架海每年可吸收0.6PgC，但該模型粗糙的分辨率對(duì)研究陸架海問(wèn)題存在很大局限性與不確定性。Thomas等［18］與Bozec等［19］使用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北海的碳通量及碳輸出的研究證實(shí)并支持了“陸架泵”假說(shuō)。Bates等［20］指出陸架碳泵作用使得楚科奇海陸架成為大氣CO2較強(qiáng)的碳匯海區(qū)。然而，陸架海是多過(guò)程共同作用的海區(qū)，其物理、生物、化學(xué)機(jī)制不盡相同，因此Cai等［7］根據(jù)陸架海的流場(chǎng)、形態(tài)、緯度等進(jìn)行分類研究并指出中高緯陸架海區(qū)是大氣CO2匯，吸收CO2約0.33PgC yr－1；低緯陸架海區(qū)是大氣CO2源，釋放CO2約0.11PgC yr－1。Chen等［10］則搜集了大量前人關(guān)于陸架海、河口、鹽沼濕地及紅樹林等海－氣CO2通量的論文，給出一個(gè)認(rèn)識(shí)：陸架海是大氣CO2匯，近岸生態(tài)系統(tǒng)是大氣CO2源。但Xue等［21］指出地處中緯度的開闊陸架?！宵S海中部缺少“陸架泵”需要的物理環(huán)境進(jìn)行有效的碳輸出，其年均尺度上體現(xiàn)為大氣CO2凈源，這與早期Cai等［7］和Chen等［10］的結(jié)論有出入。這些爭(zhēng)論主要源于陸架海表層海水CO2分壓（pCO2）強(qiáng)烈的時(shí)間變化與巨大的空間分布不均勻性，同時(shí)，一次調(diào)查數(shù)據(jù)不能絕對(duì)代表一個(gè)月份或是一個(gè)季節(jié)的特征，這便是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的局限性所在，而“陸架泵”假說(shuō)是否成立，還需結(jié)合數(shù)值模式進(jìn)行驗(yàn)證。此外，Chen等［11］總結(jié)了全球106個(gè)河口的海－氣CO2交換，指出大多數(shù)河流與河口都是大氣CO2源，但是大河輸送的營(yíng)養(yǎng)鹽在河流羽流區(qū)被用來(lái)進(jìn)行光合作用，一定程度上使水體呈現(xiàn)CO2不飽和狀態(tài)，因此，大河的羽流區(qū)，甚至是距離河口幾百公里遠(yuǎn)的海區(qū)都可能成為CO2匯。Tseng等［22］認(rèn)為長(zhǎng)江沖淡水流量影響著CO2的吸收，三峽大壩建成后，長(zhǎng)江沖淡水流量減小，可能導(dǎo)致CO2吸收能力的下降，甚至?xí)箹|海陸架由大氣CO2匯轉(zhuǎn)為源，這個(gè)結(jié)論有待驗(yàn)證。Dai等［23］根據(jù)對(duì)南海的研究提出了大洋主控型邊緣海碳循環(huán)概念，認(rèn)為來(lái)自大洋深部的外源溶解無(wú)機(jī)碳通過(guò)上升流和躍密混合被輸送至真光層后，如果不被同樣來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)鹽所支持的有機(jī)碳生產(chǎn)完全消耗，其過(guò)剩部分就會(huì)溢出至大氣中，而在河流主控型邊緣海，陸源有機(jī)物與營(yíng)養(yǎng)鹽輸入含量的競(jìng)爭(zhēng)調(diào)控該海區(qū)生物的新陳代謝作用，從而影響CO2通量?？梢?jiàn)，不同陸架海區(qū)水文環(huán)境、動(dòng)力過(guò)程存在差別，不同生態(tài)系統(tǒng)生物泵運(yùn)作不同，陸架海源／匯格局的分布各具特色。碳酸鹽系統(tǒng)實(shí)測(cè)資料的匱乏及其時(shí)空局限性，限制了人們對(duì)海洋碳循環(huán)整體的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，這使得海洋碳循環(huán)模式快速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了人們對(duì)海洋碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行量化的研究。

2 陸架海碳循環(huán)模式的發(fā)展

相較于大洋，陸架海系統(tǒng)的復(fù)雜性使得陸架海碳循環(huán)模式的研究更為困難，目前，國(guó)際上對(duì)陸架海碳循環(huán)模式的報(bào)道不多，我國(guó)對(duì)東中國(guó)陸架海3維－物理－生物－碳循環(huán)模式的研究尚在起步階段，陸架海碳循環(huán)模式的建立已成為各國(guó)氣候預(yù)測(cè)模型急需攻克的難題。

自20世紀(jì)60年代起，大洋碳循環(huán)模式經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展。從早期的箱式收支模式到三維海洋無(wú)機(jī)碳循環(huán)模式，再到基于海洋動(dòng)力學(xué)耦合生物地球化學(xué)過(guò)程的三維碳循環(huán)模式，直至今天的氣候－碳循環(huán)耦合模式。然而直至20世紀(jì)90年代，陸架海碳循環(huán)模式才開始發(fā)展。CO2在海洋中的轉(zhuǎn)移和歸宿，即海洋吸收、轉(zhuǎn)移大氣CO2的能力及CO2在海洋中的循環(huán)機(jī)制均集中體現(xiàn)為其物理、化學(xué)和生物過(guò)程［24］。這也是陸架海碳循環(huán)模式的三大模塊，三者的耦合完成了溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）、溶解有機(jī)碳（DOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）等在陸架海的遷移轉(zhuǎn)化。

本研究在Hofmann等［25］對(duì)陸架海碳循環(huán)模式綜述的基礎(chǔ)上，列出近年來(lái)有關(guān)模擬陸架海碳收支的文章（表1），雖然不同海區(qū)模式所含變量以及邊界條件不同，但模式基本包括了陸源輸入的淡水、營(yíng)養(yǎng)鹽、碳，海－氣交換的CO2及大氣沉降的營(yíng)養(yǎng)鹽，沉積物－水界面交換通量，生物作用下?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽及碳的遷移轉(zhuǎn)化，跨陸架輸運(yùn)及陸架海與外海的交換。同時(shí)，基于地球物理流體力學(xué)原理所建立的海洋環(huán)流模式提供了更為真實(shí)，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的海洋物理場(chǎng)，使得對(duì)陸架海碳循環(huán)的模擬也更為準(zhǔn)確。

表1 部分研究陸架邊緣海海－氣交換通量及碳輸出的模式Table 1 Sea－Air CO2flux（SACF）and carbon transportation models developed for the continental shelf seas

3 陸架海碳循環(huán)模式中的關(guān)鍵過(guò)程

3.1 關(guān)鍵物理過(guò)程

現(xiàn)有的數(shù)值模式對(duì)海洋碳循環(huán)的模擬都存在缺點(diǎn)和不足之處，Doney等［38］對(duì)海洋碳循環(huán)模式比較計(jì)劃——階段2（the phase 2of the Ocean Carbon－cycle Model Intercomparison Project，OCMIP－2）的13個(gè)全球碳循環(huán)模式的水動(dòng)力場(chǎng)以及子午圈翻轉(zhuǎn)流進(jìn)行比較指出，這些缺點(diǎn)與不足主要與物理環(huán)流有關(guān)，碳循環(huán)模式結(jié)果在生物地球化學(xué)過(guò)程的差異有40±25%都是來(lái)自海洋環(huán)流模式［38］。生源要素必然隨海水運(yùn)動(dòng)而遷移，除了由海洋各個(gè)界面輸入、輸出外，海洋環(huán)流是決定各種物質(zhì)時(shí)空分布的主要因素［39］。因此，陸架海碳循環(huán)模式對(duì)海洋動(dòng)力模式有較高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了海洋模式向高分辨率、多過(guò)程耦合發(fā)展。陸架海多上升、下降流系統(tǒng)，其垂直方向輸送的營(yíng)養(yǎng)鹽以及碳通量也影響著表層pCO2的分布［27］。在南海，上升流是導(dǎo)致越南沿岸與呂宋島西北海區(qū)pCO2空間分布差異的因素之一［30］，南海北部陸架海區(qū)碳酸鹽系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)格局也主要由河流羽流和近岸上升流影響下的物理和生物強(qiáng)迫控制［40］。此外，在有利于下降流形成的風(fēng)驅(qū)動(dòng)下，沿岸流和底層離岸輸運(yùn)有機(jī)碳也是陸架海碳循環(huán)模型中需要考慮的物理過(guò)程。

海洋的暖化降低了海水CO2溶解度，可能使海洋碳存儲(chǔ)減小，從而對(duì)大氣CO2濃度起正反饋?zhàn)饔茫?1］，加劇全球氣候變化。因此除環(huán)流輸運(yùn)外，對(duì)海水溫度長(zhǎng)期變化的模擬、抓住區(qū)域海溫度對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征是非常重要的。Chai等［30］模式結(jié)果表明水溫對(duì)海水pCO2季節(jié)變化的影響比生物活動(dòng)更強(qiáng)，是控制南海pCO2的主導(dǎo)因素。已有研究表明東中國(guó)陸架海增溫更加顯著［42－43］，由此而帶來(lái)的對(duì)碳循環(huán)的影響還需科學(xué)評(píng)估。

在歐洲北海，顯著不同的南北兩個(gè)生物地球化學(xué)省的海－氣CO2交換是溫度與生物作用影響平衡的結(jié)果，而這很大程度上取決于水體的層化以及在層化影響下生物作用的差異［31］。夏末，北海南部水體混合均勻，呈非自養(yǎng)型，向大氣凈釋放CO2，而在出現(xiàn)季節(jié)性分層的北海北部，表層水體呈自養(yǎng)型，該區(qū)是大氣CO2的匯［19］?？梢?jiàn)，陸架海碳循環(huán)模式對(duì)海洋模式中混合的參數(shù)化方案提出了更精細(xì)的要求，以能夠反演時(shí)空快速變化的層化／混合、鋒面、河流羽流結(jié)構(gòu)等。

3.2 生物泵

生物泵作用是陸架海碳循環(huán)中重要的環(huán)節(jié)，碳從真光層至深層的傳遞要依靠生物的作用。在陸架海，大約一半的有機(jī)碳通過(guò)生物泵作用轉(zhuǎn)移到深海［25］。生物過(guò)程驅(qū)動(dòng)了海洋對(duì)CO2的吸收，Kühn等［32］和Lorkowski等［36］對(duì)北海碳收支的模擬中指出，如果模式不包含生物過(guò)程，北海北部將會(huì)和北海南部一樣表現(xiàn)為大氣CO2的源，這與實(shí)際調(diào)查結(jié)果不符。在羅斯海，海冰消融的海區(qū)因較高的生物初級(jí)生產(chǎn)而成為大氣CO2的強(qiáng)匯區(qū)［29］。因此陸架海碳循環(huán)模式耦合低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)模式是當(dāng)前碳循環(huán)模式發(fā)展主流，包含詳細(xì)的生物過(guò)程與營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)的碳循環(huán)模式可以更準(zhǔn)確的對(duì)碳化學(xué)系統(tǒng)收支進(jìn)行估算。Borges等［44］指出在具有高初級(jí)生產(chǎn)力的近岸環(huán)境，碳化學(xué)系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的響應(yīng)要強(qiáng)于對(duì)酸化的響應(yīng)。此外，底棲生物過(guò)程影響著底層營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)以及堿度的變化，模式中對(duì)碳化學(xué)系統(tǒng)估算的不確定性有一部分是來(lái)自底棲作用［4］。在經(jīng)典生物泵中，微生物通常被認(rèn)為是分解者，而研究表明，細(xì)菌還可以把活性DOC高效地轉(zhuǎn)化為惰性DOC，形成巨大的惰性DOC碳庫(kù)，進(jìn)入的碳循環(huán)的慢性循環(huán)（千年尺度）中，起到儲(chǔ)碳作用，這一過(guò)程就是“微生物碳泵”［45］。目前，雖然對(duì)微生物碳泵有了理論的認(rèn)識(shí)，但將這一過(guò)程進(jìn)行模式化，還是面臨很大的挑戰(zhàn)。復(fù)雜的生物過(guò)程不僅增加了模式的難度，同時(shí)也增加了誤差在模式中的傳遞。此外，碳循環(huán)與營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)都有其獨(dú)特的控制過(guò)程，模式中應(yīng)考慮將兩者解耦，這樣也可以使浮游植物的生長(zhǎng)不受碳而只受營(yíng)養(yǎng)鹽的限制［4，36］。

3.3 碳化學(xué)系統(tǒng)

3.3.1 界面碳通量

在現(xiàn)有日趨完善的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展基礎(chǔ)之上耦合碳化學(xué)系統(tǒng)是當(dāng)前陸架海碳循環(huán)模式的發(fā)展方向，因此，對(duì)碳化學(xué)系統(tǒng)的整體認(rèn)知是模式研究者建模中重要的環(huán)節(jié)。陸架海碳化學(xué)系統(tǒng)參與了海－氣界面、陸－海界面、沉積物－水界面以及水體內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，調(diào)控著水體pH，并影響其他化學(xué)反應(yīng)，對(duì)形成和維持海洋生命活動(dòng)有重要作用。在海洋中，碳的存在形式主要為DIC、DOC、POC，且約98%的碳是以溶解無(wú)機(jī)碳的形式存在［12］。

評(píng)估陸架海在全球氣候變化中的作用，海－氣CO2交換是最基礎(chǔ)的一環(huán)，也是對(duì)碳酸鹽系統(tǒng)的平衡起重要作用的界面過(guò)程。海水碳酸鹽系統(tǒng)是由DIC、總堿度（Talk）、pH值、pCO2等通過(guò)基本的熱力學(xué)關(guān)系相聯(lián)系，包括了碳酸、硼酸、磷酸、硅酸、水等弱酸的電離平衡［46］。在模式中，為了減小其復(fù)雜度，通常只考慮碳酸－硼酸－水體系。目前，模式估算海－氣CO2通量（SACF）多使用公式（1）：

其中，fice為海冰覆蓋率；為本文章上述所指的pCO2，即海水表層CO2分壓；為海面上大氣CO2分壓；α為CO2的溶解度，模式中通常使用Weiss［47］給出的與溫鹽相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式；k為液相傳輸速率，模式中通常使用Wanninkhof［48］給出的與海面10m風(fēng)速以及溫度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。盡管使用上述方法存在不確定性，主要體現(xiàn)在氣體交換系數(shù)（k﹒α），但使用該方法估算SACF是被普遍接受的［46］。海－氣界面是碳循環(huán)與人類活動(dòng)影響直接相關(guān)的關(guān)鍵界面，Omstedt等［49］對(duì)波羅的海pCO2長(zhǎng)期變化的模擬表明，工業(yè)革命前波羅的海表現(xiàn)為凈源作用，而工業(yè)革命后，pCO2季節(jié)變化增強(qiáng)，年際變異上源／匯作用都有出現(xiàn)；同時(shí)對(duì)pH的長(zhǎng)期模擬指出，在工業(yè)化之前pH維持一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，而工業(yè)化后，隨著大氣CO2濃度的增加，pH有小幅下降。在地中海，1 980s其表現(xiàn)為大氣CO2的凈源，每年釋放1.5×1012mol C，而到了2 000s，大氣CO2濃度較1 980s增加了30μatm，使得大氣向海洋的CO2通量增加，地中海表現(xiàn)出弱匯作用，平均每年吸收0.2×1012mol C［50］。Lu等［51］對(duì)南海SEATS站位建立1維模型的模擬結(jié)果表明，海－氣CO2交換調(diào)控pCO2的季節(jié)變化，甚至超過(guò)SST的影響，且因其為寡營(yíng)養(yǎng)鹽海區(qū)，生物過(guò)程的貢獻(xiàn)較??；在日變化上，pCO2的調(diào)控因子與局地物理和生物環(huán)境有關(guān)。

與大洋不同，陸架海直接受人類擾動(dòng)的另一個(gè)界面就是陸－海界面，主要表現(xiàn)為河流輸入帶來(lái)的影響。河流碳通量在特定時(shí)間和地區(qū)是單向輸送的，主要包括DIC、DOC、POC、PIC（顆粒無(wú)機(jī)碳）的輸送［52］。2004—2008年，長(zhǎng)江平均每年向東海輸送DIC為1.56×1013g［53］。Wang等［54］研究表明2009年，黃海和長(zhǎng)江向海輸送的DOC分別為3.20×1010g和1.58×1012g，POC分別為3.89×1011g和1.52×1012g，可能對(duì)河口及其近岸的生物化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。Raymond等［55］指出當(dāng)考慮近岸區(qū)域DIC和Talk的季節(jié)、年際、長(zhǎng)期變化趨勢(shì)時(shí)，河流輸入的準(zhǔn)確性是重要的。但在模式中，河流碳輸入資料的匱乏，時(shí)間變化的不確定性，模式分辨率不足等都可能使得河口低鹽區(qū)的模擬不甚理想［4，25］，另外河口過(guò)程、濕地等增加了問(wèn)題的復(fù)雜性，陸－海界面過(guò)程是陸架海碳循環(huán)模式研究的一個(gè)難點(diǎn)。由于河流帶來(lái)流域植被代謝的碳、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及農(nóng)耕區(qū)的化肥等，因此，將陸架海碳循環(huán)模型與陸地碳循環(huán)模型、水文模型銜接，獲得連續(xù)的河流邊界條件是河流主控型陸架海碳循環(huán)模型的一個(gè)發(fā)展方向。此外，海底地下水（Submarine Groundwater Discharge－SGD）也是陸地向海洋輸送水量和物質(zhì)的重要通道，被認(rèn)為是近海營(yíng)養(yǎng)鹽、碳等溶解物質(zhì)的源［56］。全球尺度上，SGD碳通量輸送粗略估算約為0.23PgC yr－1，相當(dāng)于全球河流碳輸送的30%［57］。在南海北部，SGD雖占珠江徑流量的12%～21%，但其攜帶的DIC可能高達(dá)（153～347）×109mol yr－1，相當(dāng)于珠江DIC輸入量的23%～53%［58］。可見(jiàn)，SGD對(duì)近岸碳收支平衡的潛在影響。然而現(xiàn)今對(duì)SGD碳通量的研究還不全面，在陸架海碳循環(huán)模式中對(duì)SGD的定量化是比較困難的，SGD數(shù)值模式的發(fā)展雖然為研究SGD開拓了視野，但目前可以用來(lái)對(duì)模式進(jìn)行有效驗(yàn)證的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常少，由此而帶來(lái)的不確定性限制了模式的廣泛應(yīng)用與發(fā)展［59］。

沉積物－水界面交換體現(xiàn)在有機(jī)碳沉積與再懸浮以及有機(jī)碳在微生物作用下的再礦化作用，在動(dòng)力較強(qiáng)、海底有機(jī)污染嚴(yán)重的陸架海，這個(gè)界面尤其重要。大洋沉積通過(guò)對(duì)有機(jī)碳和CaCO3的埋藏可以作為永久碳庫(kù)，然而在東中國(guó)陸架海，海底是非河流影響區(qū)域重要的營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源，強(qiáng)烈的潮流、風(fēng)場(chǎng)的擾動(dòng)使得顆粒物再懸浮嚴(yán)重，加之活躍的底棲生物作用，有機(jī)碳的保存效率大幅降低［60－62］。由于該界面精細(xì)過(guò)程觀測(cè)難以實(shí)施，僅有零星底界面交換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而交換又與動(dòng)力過(guò)程密切相關(guān)，目前還沒(méi)有一個(gè)完善的底界面交換模型，這個(gè)過(guò)程的參數(shù)化是陸架碳循環(huán)模型中另一難點(diǎn)，需要突破。

陸架海－外海界面碳通量和營(yíng)養(yǎng)鹽通量受開邊界條件的影響。Kühn等［32］指出使用來(lái)自二氧化碳信息處理中心（Carbon Dioxide Information Analysis Center，CDIAC）的氣候態(tài)DIC、Talk數(shù)據(jù)作為北海的開邊界條件會(huì)高估北海DIC濃度。Artioli等［4］指出完善初始條件與邊界條件，尤其是河流輸入以及與波羅的海通量交換，可以顯著減小對(duì)北海營(yíng)養(yǎng)鹽模擬的偏差。在中國(guó)東海，高溫高鹽的黑潮水入侵為陸架海輸送了可觀的營(yíng)養(yǎng)鹽，其中硝酸鹽輸送入東海的平均值為170.8±41.6kmol s－1，約為磷酸鹽輸送量的13.6倍［63］，這對(duì)于陸架海營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)、生物生產(chǎn)以及整個(gè)碳循環(huán)系統(tǒng)都有重要影響。

3.3.2 碳的遷移轉(zhuǎn)化

在碳的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中（圖1），生物作用主導(dǎo)有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳的相互轉(zhuǎn)化。而DOM的光降解主要表現(xiàn)為有色溶解有機(jī)物（CDOM）的光降解，陸源CDOM入海后通過(guò)光降解作用在近海海域發(fā)生轉(zhuǎn)化與消除，潛在地影響海洋生態(tài)系統(tǒng)及海洋碳循環(huán)［64－66］。賀志鵬等［67］指出黃海表層至20m層DOC濃度呈上升趨勢(shì)可能就是表層DOC發(fā)生光降解作用的直接證據(jù)。Yang等［65］估算得黃東海每年約5.4～10.5TgC的DOC發(fā)生光礦化，約占初級(jí)生產(chǎn)的2.9%～5.7%。DIC以碳酸鹽形式移出水體主要表現(xiàn)為CaCO3的產(chǎn)出，包括珊瑚、顆石藻外殼、某些浮游動(dòng)物的碳酸鹽外殼和骨架等。全球海洋碳酸鹽的生產(chǎn)和輸出以顆粒無(wú)機(jī)碳的形式創(chuàng)造了較高的碳輸出效率（0.4～1.8GtC yr－1）［68］。Cao等［69］指出CaCO3的形成與溶解調(diào)節(jié)著海洋 DIC系統(tǒng)并最終調(diào)控海洋對(duì)大氣CO2的緩解能力，在南海，近岸淺水海區(qū)CaCO3的溶解對(duì)外海上層水體中累積的Ca2＋和總堿度有貢獻(xiàn)。近岸水體酸化很可能會(huì)減少碳酸鹽的生產(chǎn)，加速碳酸鹽基底的溶解，從而打破碳化學(xué)系統(tǒng)的平衡，不利于鈣化生物的生存。因此，對(duì)于碳酸鹽沉積底質(zhì)的陸架海以及珊瑚生態(tài)系統(tǒng)，在模式中應(yīng)酌情考慮碳酸鹽的生成與溶解過(guò)程。對(duì)于POC的源匯項(xiàng)，除受陸源與生物作用影響外，還受到沉降及再懸浮過(guò)程的影響。海洋對(duì)大氣CO2的調(diào)節(jié)作用重點(diǎn)在于碳的垂直遷移并最終被埋藏于海底的過(guò)程。郭志剛等［70］等指出有機(jī)碳從水體向海底沉積物轉(zhuǎn)移并保存的條件要滿足4點(diǎn)：1）有充足的POC向海底轉(zhuǎn)移；2）有一定的沉積速率；3）適于細(xì)顆粒沉積的弱水環(huán)境；4）相對(duì)還原的海底環(huán)境。然而陸架海動(dòng)力調(diào)整變化快，沉降并保存在沉積物中的POC在受到動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)，便會(huì)發(fā)生再懸浮，使POC沉降受限。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大陸架及大陸坡的沉積物中，有40%～85%的有機(jī)碳要發(fā)生再懸?。?1］。長(zhǎng)江口及鄰近海域海－氣交換的CO2僅有13%以顆粒有機(jī)碳的形式垂直轉(zhuǎn)移而形成表層沉積物的有機(jī)碳，其余87%沒(méi)有被埋藏的碳通過(guò)生物泵或動(dòng)力過(guò)程進(jìn)入水中再循環(huán)［72］。

圖1 陸架海碳的遷移轉(zhuǎn)化示意圖Fig.1 A sketch map showing the migration and transformation of carbon in the continental shelf seas

4 東中國(guó)陸架海碳循環(huán)模式的構(gòu)建思想

東中國(guó)海地處東亞季風(fēng)區(qū)，渤海、黃海的全部以及東海的2／3都屬于寬闊的陸架海，受到長(zhǎng)江、黃河等陸地徑流的強(qiáng)烈影響以及臺(tái)灣暖流、黑潮入侵等帶來(lái)的強(qiáng)烈作用。目前，基于水動(dòng)力模型的營(yíng)養(yǎng)鹽－低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型在東中國(guó)海已取得較好的應(yīng)用［73］，在此基礎(chǔ)上耦合碳化學(xué)系統(tǒng)是碳循環(huán)模型發(fā)展的基本方向。東中國(guó)陸架海碳循環(huán)模型的基本構(gòu)想是在生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型中增加DIC作為主要的狀態(tài)變量，同時(shí)增加Talk、pCO2、SACF作為診斷變量，其中為減小模式復(fù)雜度，可以考慮將Talk與鹽度建立關(guān)系，pCO2通過(guò)碳酸鹽體系平衡計(jì)算［74］，SACF的計(jì)算前文已給出（詳見(jiàn)3.3.1節(jié)）。相較于大洋模型，陸架海碳循環(huán)模型顯著的特點(diǎn)在于陸－海界面和沉積物－水界面碳通量的參數(shù)化。目前對(duì)河流碳通量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究并不細(xì)致，但河流徑流量主導(dǎo)其無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳入海通量變化［75－76］，由此可根據(jù)徑流量以及DIC、DOC、POC在不同年代入海通量的年際特征值推算碳通量長(zhǎng)時(shí)間序列作為河流邊界條件。沉積物－水界面所表現(xiàn)的固碳及去碳作用，在年或年際尺度上處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，季節(jié)尺度上有變化，這在現(xiàn)代陸架環(huán)境下主要與生物過(guò)程相關(guān)［70］。這一界面過(guò)程目前還沒(méi)有精細(xì)的數(shù)值模型可供采用，結(jié)合水動(dòng)力過(guò)程的沉積物－水界面物質(zhì)交換、再懸浮過(guò)程的模型量化，應(yīng)該是東中國(guó)陸架海碳循環(huán)模型的一個(gè)主要特色。

東中國(guó)陸架海3維－物理－生物－碳循環(huán)模型的建立，可進(jìn)一步認(rèn)識(shí)東中國(guó)海表層pCO2、海－氣碳通量、向陸架外碳輸出效率的季節(jié)與年際變化；定量評(píng)估東中國(guó)海源／匯動(dòng)態(tài)格局以及生物泵、“陸架泵”的貢獻(xiàn)；河流徑流量變化所致的物理、生物效應(yīng)對(duì)河口及其近岸碳通量的影響；沉積－水界面交換通量動(dòng)力學(xué)參數(shù)化在碳循環(huán)中的作用；并預(yù)測(cè)未來(lái)陸架海碳循環(huán)系統(tǒng)的演變規(guī)律，為全球碳循環(huán)模型提供可嵌入的東中國(guó)陸架海碳循環(huán)模塊，這對(duì)于改善全球碳循環(huán)模型，減少其不確定性，準(zhǔn)確評(píng)估東亞海區(qū)在氣候變化中的作用都是非常必要的。

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