孫恒 高眾勇

(國家海洋局海洋大氣化學與全球變化重點實驗室,國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

0 引言

邊緣海對全球海洋的 CO2源匯過程起著重要的作用。目前的研究認為全球邊緣海是大氣 CO2的凈匯(~0.2—~0.4 Pg C·a–1),但其在全球 CO2收支平衡又存在著相當大不確定性[1-2],成為全球碳循環(huán)研究的焦點之一。不同邊緣海的碳通量存在較大差異,全球中、高緯度的邊緣?？傮w上表現(xiàn)為大氣 CO2的匯區(qū),而低緯度的邊緣海總體上表現(xiàn)為大氣 CO2的源區(qū)[3-4]。然而,目前在人為排放繼續(xù)增加和全球繼續(xù)變暖的背景下,海洋環(huán)境發(fā)生了一系列的變化,諸如海水溫度升高,海洋酸化加劇等。與此同時,邊緣海的碳通量怎么變化,其控制機制如何,是非常值得關注的科學問題。

白令海位于亞北極地區(qū),屬太平洋北端的邊緣海,海域東北部為寬闊的大陸架,是世界上最大的陸架之一(圖1)。白令海西南部的白令海盆,有40%的海底深度超過3 500 m,面積約為白令海的1/2。白令海南以阿留申群島與北太平洋分界,并通過群島之間的水道與太平洋溝通,而北部僅通過寬約80 km、深度約為50 m左右的白令海峽與楚科奇海相連,是連接北冰洋和太平洋的唯一路徑,是重要的大洋水交換場所[5]。白令海是全球海洋中的高生產力帶之一。浮游植物高的季節(jié)性初級生產力維持著大量海洋哺乳動物、海鳥和魚類的生存,并且在沿著陸架邊緣區(qū)富含營養(yǎng)鹽的白令陸坡流流過的區(qū)域存在一個極高的生產力帶——白令?！熬G帶”[6-7]。高生產力的表層水具有吸收大氣CO2的潛力,其強大而有效的生物泵使得白令海對全球碳循環(huán)起著一個非常重要的作用。本文整理了國內外的研究成果,初步探討了在當前快速變化背景下白令海CO2源匯狀況及其可能的控制機制,這將有助于理解高緯度邊緣海CO2源匯作用的問題,而且對探究白令海對全球變化的響應提供參考。

圖1 白令海及其主要水文環(huán)流示意圖Fig.1.Schematic diagram of major currents in the Bering Sea

1 白令海正在發(fā)生的變化

1.1 白令海的海冰變化

白令海是亞北極生態(tài)系統(tǒng)向北極生態(tài)系統(tǒng)過渡的區(qū)域,能夠對全球變化起較好的指示作用,但同時也是一個對氣候變化非常敏感的地區(qū)。由于全球變暖的加劇,其影響在亞北極地區(qū)表現(xiàn)非常突出。對阿拉斯加的觀測表明,其每10年氣溫升高0.7℃,白令海的西部每10年增加0.25℃[8-9],海洋浮標的長期監(jiān)測顯示2001—2003年7—9月的海水平均溫度比1995—1997年高2℃[10]。白令海海冰覆蓋度是長期減少的,其縮小的趨勢為3 693 km2·a–1[11-12]。根據(jù)衛(wèi)星遙感海冰圖像,現(xiàn)在整個白令海夏季是幾乎無冰的,白令海南部全年已經是無冰的,白令海北部在11月左右海溫達到–1.7℃(本區(qū)域海水的冰點)時,海冰開始形成,并在下一年 3月左右開始融化,海冰可能一直持續(xù)到下一年的 5月?？傮w上,海冰冰緣線有向北移動的趨勢,海冰的持續(xù)時間有減小的趨勢,相應的無冰期則變長[13]。海冰和冰雪面的反照率高達 80%—90%,海冰的減少導致白令海吸收熱量的增加,從而進一步加速海冰的融化。海冰的減少還將帶來更高的透光率,鹽度和密度等海洋水文環(huán)境也會改變,進而對整個生態(tài)系統(tǒng)造成影響。

1.2 白令海的環(huán)境變化

與此同時,作為對溫度升高、海冰融化和大氣驅動力變化的響應,白令海的生物種群正經歷著向北(溫度低的方向)遷移[10,14],然而并不僅是簡單的向北遷移,而是呈現(xiàn)出不同海區(qū)經歷不同的變化和復雜的季節(jié)性以及年際的變化[15]。春季浮游植物水華的持續(xù)時間和強度受海冰量和海冰融化時間的控制,目前海冰的減少不僅會影響浮游植物水華,而且會影響更高營養(yǎng)級的生物,可能改變整個營養(yǎng)級水平食物的分布甚至使之消失[16-17],進而對海洋吸收大氣CO2的主要驅動過程之一——生物泵帶來巨大的變化。

白令海陸架區(qū)是世界上生產力最高的海區(qū)之一,隨著溫度持續(xù)升高和海冰快速減少,白令海初級生產在未來將增加是一種普遍的共識[18-21]。雖然隨著春季的冰退縮,浮游植物的生長率和初級生產增加,營養(yǎng)素很快就被消耗,但是水柱中有大量的碳和營養(yǎng)物質用于這種高生產力的生態(tài)系統(tǒng)進行再循環(huán),這遠高于預期的量[22]。因此,高生產力得以維持。在一些暖年(2000—2006)和冷年(2007—2010),總初級生產力都維持了相當高的速率,分別為(950±726) mg C·m–2·d–1和(859±640) mg C·m–2·d–1[21]。研究顯示,未來白令海年度總初級生產力在海冰退縮較早的暖年可能提高40%—50%,甚至可達到2倍[7,20]。這些提高的生產力勢必將會對整個營養(yǎng)級水平造成連鎖反應,特別對生物泵產生深遠的影響。

在高緯度地區(qū)，海洋酸化問題所引起碳酸鈣(包括文石和方解石兩種形態(tài))飽和度(?)的變化是非常顯著的。在 2008年春夏季節(jié)，白令海東部陸架海域底層文石變得相對不飽和(即，?＜1)，在最接近河口的站位甚至整個水柱中都是不飽和的；在2009年9月，在陸架底部水域甚至發(fā)現(xiàn)比文石溶解度低的方解石也變成了不飽和[23-24]。?在表層和次表層水的季節(jié)性差異符合“浮游植物-碳酸鹽飽和度(PhyCaSS)”的概念模型[25]。PhyCaSS的定義為：表層海水較高的浮游植物初級生產力引起季節(jié)性?升高，隨后顆粒有機碳垂直輸送到次表層海水發(fā)生再礦化過程導致?下降的過程。人為CO2在白令海表層水中不斷積累，在人為排放繼續(xù)增加的情況下未來酸化程度將加劇，可能會導致?在未來的某個時間達到常年不飽和。這將對翼足類等成殼類生物產生重要的影響。由于它們是在食物鏈中的關鍵物種，這勢必將會對整個營養(yǎng)級水平造成連鎖反應，對整個生態(tài)系統(tǒng)帶來深遠影響。

2 白令海CO2源匯特征

目前,白令海海-氣CO2通量的研究報道較少,而且大部分集中在陸架區(qū)域,秋冬季節(jié)的觀測數(shù)據(jù)很少,因此白令海的 CO2源匯狀態(tài)及其對全球碳收支的貢獻仍有較大的不確定性(表1)。早期基于現(xiàn)場觀測[26-27]和模型[28-29]的研究表明白令海在一年中是一個潛在的碳匯。Takahashi等[30-31]利用有限數(shù)據(jù)外推的氣候pCO2(分辨率 4°×5°)表明春季白令海pCO2是過飽和的,接下來的夏季由于生物作用導致pCO2不飽和,表明白令海是一個凈CO2匯區(qū)。Bates等[32]根據(jù)2008年的實測數(shù)據(jù)研究表明,在春季白令海陸架區(qū)由于海冰覆蓋和較低的海-氣pCO2分壓差(ΔpCO2)表現(xiàn)為一個接近中性的 CO2源匯狀態(tài),夏季由于強烈的生物效應,海水pCO2急劇降低,轉變成一個強匯區(qū)。Cross等[33]使用2008—2012年的數(shù)據(jù),首次報道了秋冬季節(jié)的實測結果,發(fā)現(xiàn)秋冬季節(jié)海水CO2是向大氣排放的,平衡了春季和夏季 CO2吸收的65%。因此,白令海的CO2源匯狀態(tài)表現(xiàn)為一種季節(jié)性振蕩。

雖然整體上白令海被認為是一個大氣CO2匯,但是各位研究者報道的碳匯結果卻差異很大。Takahashi等[31]報道的白令海碳匯僅為–3.65 Tg C·a–1(負值代表碳匯,正值代表碳源),Bates等[32]的觀測結果則高達–66.9 Tg C·a–1。Takahashi等的結果是基于 1 個航次的有限數(shù)據(jù)并且分辨率粗糙,而Bates等的實測數(shù)據(jù)在夏季,高生產力季節(jié)具有很低的海水pCO2值,用夏季的高海-氣 CO2通量數(shù)據(jù)來外推到整年的結果顯然是高估了白令海吸收CO2的能力,甚至結果可以高出一個完整的數(shù)量級。這也是其他一些研究計算的凈碳匯過高的原因,它們大部分都是只利用在春季和夏季收集的數(shù)據(jù)。迄今為止,雖然有研究者報道了秋冬季部分月份的數(shù)據(jù),但是仍然缺失1月、2月和3月的數(shù)據(jù)。由于幾乎沒有可用的冬季數(shù)據(jù),在這段時間內的海-氣 CO2通量通常被忽略,因為假設了海冰覆蓋導致氣體交換的完全被機械抑制。然而海冰覆蓋的空間和時間變化[34]可以為海-氣交換提供許多合適的條件,這些區(qū)域的海-氣CO2通量相當大。

基于中國北極科學考察航次,中國也在白令海開展了海-氣CO2通量的研究工作。中國對貫穿白令海海盆、陸坡和陸架的斷面進行了調查,而國外許多研究都局限在陸架區(qū)域,因此,基于中國北極航次可了解整個白令海的海-氣CO2通量?？傮w上,海盆區(qū)碳匯較低,陸架陸坡區(qū)較高,整個白令海的 CO2匯約為–34 Tg C·a–1[35]。

表1 不同研究者計算的白令海海-氣CO2通量Table 1.Summary of air-sea CO2 fluxes in the Bering Sea calculated by various researchers

3 白令海CO2源匯的控制因素

白令海的CO2源匯格局具有很大的季節(jié)性變異和空間差異,其控制因素也很復雜。影響 CO2源匯格局的因素主要有生物過程(光合作用/呼吸作用)和溫度效應(升溫/降溫),其他次要過程有風速,海冰的形成或溶解,水平或垂直輸運,碳酸鈣的形成或溶解等等。

3.1 陸架和陸坡區(qū)的主要控制因素

在陸架和陸坡區(qū)域,由于春夏季節(jié)(5—9月)具有很高的浮游植物初級生產力,生物泵的效率非常高,導致了pCO2非常低,使得白令海成為一個顯著的CO2匯區(qū)。雖然春夏季節(jié)水溫較秋冬季節(jié)高,但是生物泵是主控因素,抵消了由于升溫作用而導致的pCO2升高。伴隨著海冰開始大量消融,在 5月和6月 CO2匯達到峰值,通常與初春初級生產力的快速增加相關; 在 7月份短暫減弱之后,可能是營養(yǎng)鹽枯竭或攝食壓力造成的[7];在8月觀察到CO2匯的第二峰值,比以前報道的秋天水華時間早一些[37]; 由于溫度升高的貢獻達到峰值,并且生物過程的影響不足,9月份CO2匯降低; 10月份,溫度和初級生產速率的變化對pCO2的影響幾乎相等,CO2匯在該月最接近平衡[33]。呼吸作用過程在夏季的底層水域中產生CO2積累,然而可能通過由夏末和秋季開始的暴雨季節(jié)引起的垂直翻轉而輕易地返回到表層,海冰形成期間海-氣交換速率顯著增強[38-39],這些都導致CO2快速向大氣釋放。在11月和12月,呼吸作用主導表層pCO2變異,白令海陸架變成了一個CO2源區(qū); 4月份的陸架過程與11月和12月發(fā)生的那些類似,冷卻過程和呼吸作用作為ΔpCO2的主要驅動因素,與這些月份的一個重要區(qū)別是,4月份冷卻過程主控ΔpCO2和CO2匯[33]。

3.2 海盆區(qū)的主要控制因素

在海盆區(qū)域,觀測主要集中在夏季,由于其是高營養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)[40],pCO2的分布一般受從南向北水溫冷卻的驅動,其 CO2源匯可能受溫度效應和水文環(huán)流因素的控制。Chen等[41]利用 1999年中國首次北極科學考察期間所觀測到的白令海表層pCO2的變化及異常,發(fā)現(xiàn)與具有高生產力的白令海陸架區(qū)不同,在白令海盆觀測區(qū)內,葉綠素整體水平較低,生物作用不是pCO2空間分布的主要調控因子,是典型的高營養(yǎng)鹽低葉綠素海區(qū)。白令海盆南部是CO2弱匯區(qū)(–2.9 mmol·m–2·d–1),北部則是 CO2強匯區(qū)(–9.8 mmol·m–2·d–1),南部為溫度較高的水體,是導致該區(qū) CO2吸收能力弱的主要原因,而北部則受到富含低pCO2的白令陸坡流渦動擴散的影響,表現(xiàn)出較強的 CO2吸收能力[42]。

3.3 初級生產力的影響

初級生產力對CO2源匯格局有極其重要的影響。上文已經表明,特別在陸架陸坡區(qū),春夏季節(jié)浮游植物初級生產力非常高,生物的去除作用導致表層海水pCO2普遍非常低,使得白令海是一個大氣 CO2的顯著匯區(qū)。事實上,陸架陸坡區(qū)域4—10 月的凈碳匯可高達–22.78 Tg C·a–1,如果忽略了冬季的排放量15.97 Tg C·a–1,碳匯的大小幾乎是實際碳匯(–6.81 Tg C·a–1)的 4 倍[33]。然而,有時高初級生產力的區(qū)域并不一定是大氣CO2的匯區(qū)。在白令海峽西部發(fā)現(xiàn)了相對大氣CO2高度過飽和的pCO2,盡管此區(qū)域也位于白令“綠帶”上具有巨大的生產力,但是底層富含 CO2的海水涌升到表層補償了 CO2的生物去除,導致這個區(qū)域是大氣CO2的強源[35]。

3.4 風速以及海冰的影響

風速是影響CO2源匯格局的重要因素。2008年中國第3次北極科考的研究表明[35],盡管pCO2最低值位于白令海陸架坡折區(qū)域,但是海-氣CO2通量最大值與這一區(qū)域并不吻合,而是位于62.2°N、172°W 區(qū)域,發(fā)生在 2008年 7月 25日的 0點左右,正好是現(xiàn)場實測風速最高的時刻。實際上,由于計算海-氣CO2通量都是利用經驗公式,不同風速產品(衛(wèi)星遙感風場、模式再分析風場和船載實測風速等)的應用將帶來較大的海-氣CO2通量差異。此外,風場會對海洋水文和環(huán)流產生影響,從而間接影響CO2源匯格局。

海冰的形成和溶解對CO2源匯格局也有重要影響。每年的海冰季節(jié)性消長是白令海陸架的一個重要特點[15,43]。呼吸作用導致的表層CO2積累與海冰形成期間增強的海-氣交換速率一起[38-39]可導致CO2快速向大氣釋放。冬季較強的排氣作用也可能發(fā)生在海冰開始融化的晚冬和早春。阿拉斯加沿岸水域的研究表明,“晚季”(10—3月)呼吸作用過程產生的 CO2積聚在海冰覆蓋的水中,可能導致在海冰消退時快速排氣[44-45]。在此前被忽視的冬季期間發(fā)生的CO2排氣作用可導致白令海吸收大氣CO2的能力大幅減少。而隨著春夏季節(jié)海冰大量消融,海冰融水會稀釋淡化表層海水,降低pCO2濃度,而且海冰融水將同時增強水體層化和穩(wěn)定性、可利用光以及冰藻的活動,從而有利于吸收 CO2。另外,海冰覆蓋減少了冬季的CO2排放,然而對冰覆蓋校正通量的估算表明,海冰覆蓋對CO2通量的機械抑制對年度通量的影響很小(<2%)[33]。海冰覆蓋除了這種機械抑制之外,可對計算模式再分析風速數(shù)據(jù)時表面粗糙度的參數(shù)化產生影響,通過降低風速來間接影響CO2通量的計算。

3.5 其他生物地球化學過程的影響

還有許多其他的生物地球化學過程影響著白令海的 CO2源匯狀態(tài),比如球石藻水華過程、上升流、陸源有機物的輸入和上層海洋環(huán)流等等。Fransson[46]依據(jù)1995—2001年的數(shù)據(jù)表明南白令海上升流區(qū)(53°N—55°N,174°E—194°E)平均每年放出的CO2為16 Tg。在2000年,白令海曾發(fā)生球石藻水華,導致了高的pCO2(>400 μatm)和總堿度的降低[47],然而球石藻水華過程并不是每年都發(fā)生,在2008年就未觀測到,而在2009年則有觀測到[32]。由于球石藻水華以及上升流等過程都會造成海水pCO2的升高,所以白令海的碳匯可能會因此而降低很多,特別在球石藻水華大面積發(fā)生的年份。在東北部陸架的近岸區(qū)域呈現(xiàn)出源匯相抵的狀態(tài),是因為與阿拉斯加沿岸流和河流徑流水等水體混合,受到陸源有機物的輸入的影響,在此降解產生了CO2,造成海水pCO2的升高[35]。最新的模式研究表明[48],上層海洋環(huán)流速率的變異也是海洋 CO2吸收變化的主要驅動力,20世紀90年代的海洋環(huán)流速率在增強,21世紀前10年的海洋環(huán)流速率在減弱,這也導致北太平洋(包括白令海)的CO2匯在20世紀90年代比20世紀80年代降低,21世紀前10年比20世紀90年代升高,這是因為增強的上層海洋環(huán)流帶動了深海中天然 CO2排放的增加,從而削弱了 CO2匯,海洋環(huán)流的減弱則會在近期內通過吸收天然CO2進入深海來加強CO2匯。

4 白令海CO2匯的未來變化趨勢

在全球變暖背景下,未來白令海海水溫度將更高,海冰將更少[15,34],白令海氣候和環(huán)境的變化將加劇,這可能對白令海碳循環(huán)有廣泛的影響。

在陸架和陸坡區(qū)域,海冰的減少將引起冰融水量減少,從而將削弱水體分層[49],來自陸架底部水域呼吸作用產生的CO2發(fā)生垂直混合的可能性大增,特別是在夏季和秋季期間來自春天水華的呼吸作用產物的積累。海冰退縮的起始時間可能會改變,降低了春季水華的整體強度[37]。表層海水總體變暖[34]將增加海水pCO2,導致開闊水域在11—4月期間更強的CO2排放和5—10月更弱的CO2吸收[33]。

在海盆區(qū),其主要驅動力之一溫度將進一步升高,這會增加海水pCO2,導致CO2吸收能力的下降。同時，未來更多的人為CO2累積在白令海,海洋酸化進一步加劇,改變了海水原有的碳酸鹽化學性質,不利于海水吸收更多的CO2。

以上這些效應能夠一起疊加,共同減少了白令海 CO2吸收能力的大小。然而,還有許多因素可能將導致白令海碳匯的增加。雖然對總體初級生產變化的預測是困難的[19,50],而由于海冰減少導致的光穿透增加和海水層化減少導致的營養(yǎng)鹽補充增強可能會引起初級生產速率和總量增加,特別是在暖年的年份[7],這就可能造成白令海碳匯增加。另外,模式的研究顯示目前海洋環(huán)流速率在持續(xù)減弱,可能在一定時期內增加CO2匯[48],但這種情況在白令海能持續(xù)多久,是否符合白令海實際情況,還需要進一步的檢驗。

總之,在未來白令海物理、化學、生物和生態(tài)等環(huán)境變化繼續(xù)加劇的條件下,未來白令海的碳匯是增強還是減弱,到底如何變遷目前尚無定論。

5 展望

目前白令海冬季的現(xiàn)場數(shù)據(jù)依舊十分匱乏,已有的少量研究表明,對白令海 CO2源匯及其控制機制的理解仍然不夠清晰,需要進一步深入研究。現(xiàn)階段雖然高分辨率的走航系統(tǒng)在調查船舶上普及安裝,但由于時間和資金等的限制,很難獲取更長時間尺度和空間尺度的覆蓋,例如,中國北極科學考察迄今已經在白令海開展過7個航次,而時間上都集中在夏季(7—9月)。未來除了可開展更多的航次調查之外,還可結合衛(wèi)星遙感技術,部署錨系浮標和移動自動傳感器。隨著技術能力繼續(xù)發(fā)展,移動和自動平臺中的技術進步可能在未來提供顯著的優(yōu)勢,為白令海提供高時空分辨率的 CO2觀測資料,有助于發(fā)現(xiàn)生物地球化學過程的小規(guī)模時間和空間變化,有利于獲取更加精準可靠的白令海CO2源匯大小、更加細致地探討白令海CO2源匯的控制機制和更加深入地探究白令海 CO2源匯對快速變化的響應。

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