中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系的多层研究

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海洋是全球碳循环至关重要的纽带,它在大陆岩石圈、海底沉积物圈、生物圈和大气圈之间碳的交换、流动过程中占主导地位。研究二氧化碳在海洋中的转移和归宿,即海洋吸收、转移大气二氧化碳的能力以及二氧化碳在海洋中的循环机制等已经成为当今国际海洋科学诸多研究计划,如JGOFS、LOICZ、IGBP等特别是SOLAS研究的重要内容。海水微表层(Sea Surface Microlayer, SML)是介于海洋和大气之间的一个薄层,是海-气界面间物质交换的必由之路。它有着特殊的物理-化学-生物性质,对海洋生物地球化学循环、物质的海-气界面通量、乃至气候等等都有着直接而重要的影响。但是,到目前为止,尚未见到有关海水微表层二氧化碳体系的系统研究。因此本文首次将“海洋微表层”引入中国陆架边缘海域海-气界面二氧化碳循环的研究之中,同时将重点放在表面海水二氧化碳体系DIC、Alk、pH和pCO2四个参量的多层(包括海水微表层SML、海水次表层SSL和海水表层SL)研究上,试图通过对表面海水(特别是微表层)的研究,探寻海-气界面之间碳循环的基本规律及海水微表层在其中所发挥的作用,并希望基于以上研究所得的结果,在海洋和大气之间建立一个全球碳循环的新模型。本文主要进行了以下几方面的工作:(1)首次将“海水微表层(SML)”的概念引入到海-气界面二氧化碳循环的研究中,并对中国黄海、南海和青岛近海表面海水二氧化碳体系中DIC、Alk、pH、pCO2四个参量的多层分布规律作了系统的研究;(2)首次提出了海洋碳循环过程中的“海水微表层(SML)泵”的概念,建立了“SML泵”的模型和及其“三个推论”;(3)首次将“海水微表层(SML)泵”应用于判断海水是大气二氧化碳的“源”或“汇”以及计算海-气界面二氧化碳通量。本文的主要研究结果如下:
独创声明第3页
学位论文版权使用授权书第3-9页
摘要第9-13页
Abstract第13-17页
前言第18-20页
1 文献综述第20-83页
    1.1 海洋碳化学第20-54页
        1.1.1 碳循环研究的重要意义第20-25页
        1.1.2 海洋中的二氧化碳体系第25-27页
        1.1.3 陆架边缘海碳循环的研究现状第27-31页
        1.1.4 中国黄海、南海、青岛近海概况及其二氧化碳体系各参量的研究第31-39页
            1.1.4.1 黄海概况及其二氧化碳体系各参量的研究第32-34页
            1.1.4.2 南海概况及其二氧化碳体系各参量的研究第34-37页
            1.1.4.3 青岛近海概况及其二氧化碳体系各参量的研究第37-39页
        1.1.5 海水中二氧化碳体系各参数的测定方法第39-49页
            1.1.5.1 DIC 的测定方法第39-45页
            1.1.5.2 Alk 的测定方法第45-46页
            1.1.5.3 pH 的测定方法第46页
            1.1.5.4 pCO_2 的测定方法第46-49页
        1.1.6 海水中二氧化碳体系各参数分布的影响因素第49-54页
            1.1.6.1 海水温度和盐度的影响第49-51页
            1.1.6.2 生物活动的影响第51页
            1.1.6.3 海洋环流的影响第51-53页
            1.1.6.4 河流输入的影响第53-54页
    1.2 海洋微表层化学第54-79页
        1.2.1 海洋微表层的取样方法及厚度第56-61页
        1.2.2 海水微表层的多层模型第61-70页
        1.2.3 海洋微表层中各种物质的富集状况第70-79页
            1.2.3.1 生物第70-73页
            1.2.3.2 营养盐第73-75页
            1.2.3.3 痕量金属第75-77页
            1.2.3.4 有机物第77-79页
    1.3 本论文的研究内容和拟解决的问题第79-83页
2 研究海域站位设置及实验方法介绍第83-127页
    2.1 研究海域站位设置及海况第83-113页
        2.1.1 黄海海域站位设置及海况第83-99页
            2.1.1.1 黄海海域(3 月份航次)站位设置及海况第83-91页
            2.1.1.2 黄海海域(5 月份航次)站位设置及海况第91-99页
        2.1.2 南海海域站位设置及海况第99-107页
        2.1.3 青岛近海海域站位设置及海况第107-113页
    2.2 实验方法第113-127页
        2.2.1 样品的采集与处理第113-114页
            2.2.1.1 样品的采集第113页
            2.2.1.2 样品的处理第113-114页
        2.2.2 试剂和仪器第114-115页
            2.2.2.1 试剂第114页
            2.2.2.2 仪器第114-115页
        2.2.3 DIC 的测定方法第115-119页
            2.2.3.1 DIC 分析仪的测定步骤和原理第115-116页
            2.2.3.2 DIC 分析仪的精密度和准确度实验第116-119页
        2.2.4 Alk 的测定方法第119-121页
            2.2.4.1 Alk 分析仪的测定步骤和原理第119-120页
            2.2.4.2 Alk 分析仪的精密度和准确度实验第120-121页
        2.2.5 其他参量的测定方法第121-122页
            2.2.5.1 pH 的测定第121页
            2.2.5.2 chl-a 的测定第121页
            2.2.5.3 营养盐的测定第121-122页
        2.2.6 pCO_2 的计算方法第122-123页
        2.2.7 海-气界面二氧化碳通量的计算方法第123-127页
3 黄海春季(3 月份和5 月份)表面海水二氧化碳体系的多层研究第127-208页
    3.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究第127-160页
        3.1.1 DIC、Alk 及其各分量的平面分布第128-149页
        3.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化第149-152页
        3.1.3 DIC、Alk 与温度、盐度、经纬度的相关性第152-160页
    3.2 表面海水pH和pCO_2的多层研究第160-190页
        3.2.1 pH和pCO_2的平面分布第162-178页
        3.2.2 连续站pH 和pCO_2的周日变化第178-181页
        3.2.3 pH、pCO_2 与温度、盐度、经纬度的相关性第181-190页
    3.3 黄海春季海-气界面二氧化碳通量估算第190-206页
    3.4 小结第206-208页
4 南海春季(4-5 月份)表面海水二氧化碳体系的多层研究第208-257页
    4.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究第208-227页
        4.1.1 DIC、Alk 及其各分量的平面分布第215-219页
        4.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化第219-221页
        4.1.3 DIC、Alk 与温度、盐度、经纬度的相关性第221-227页
    4.2 表面海水pH和pCO_2的多层研究第227-245页
        4.2.1 pH和pCO_2的平面分布第233-237页
        4.2.2 连续站pH 和pCO_2的周日变化第237-239页
        4.2.3 pH、pCO_2 与温度、盐度、经纬度的相关性第239-245页
    4.3 南海春季海-气界面二氧化碳通量估算第245-254页
    4.4 小结第254-257页
5 青岛近海四季表面海水二氧化碳体系的多层研究第257-320页
    5.1 表面海水DIC 和Alk 的多层研究第257-285页
        5.1.1 青岛近海四季DIC、Alk 及其各分量的多层分布第265-273页
        5.1.2 连续站DIC、Alk 的周日变化第273-274页
        5.1.3 DIC、Alk 与物理、生物参量的相关性第274-285页
            5.1.3.1 DIC、Alk 与温度、盐度的相关性第274-276页
            5.1.3.2 DIC、Alk 与chl-a、NH_4~+-N、PO_4~(3-)-P、SiO_3~(2-)-Si 的相关性第276-285页
    5.2 表面海水pH 和pCO_2 的多层研究第285-308页
        5.2.1 青岛近海四季pH 和pCO_2 的多层分布第291-297页
        5.2.2 连续站pH 和pCO_2 的周日变化第297-299页
        5.2.3 pH、pCO_2 与物理、生物参量的相关性第299-308页
            5.2.3.1 pH、pCO_2 与温度、盐度的相关性第299-302页
            5.2.3.2 pH、pCO_2 与chl-a、NH_4~+-N、PO_4~(3-)-P、SiO_3~(2-)-Si 的相关性第302-308页
    5.3 青岛近海四季海-气界面二氧化碳通量估算第308-317页
    5.4 小结第317-320页
6 海洋碳循环过程中的海水微表层泵(SML pump)第320-336页
    6.1 “海水微表层泵(SML pump)”模型第322-330页
        6.1.1 “SML 泵”的实验基础第322-328页
        6.1.2 二氧化碳分子在海水微表层中的微观结构第328-329页
        6.1.3 “SML 泵”和二氧化碳在海水中的循环第329-330页
    6.2 “SML 泵”模型的三个推论第330-332页
        6.2.1 推论1:pH-深度曲线的左右扭摆的非对称性第330-331页
        6.2.2 推论2:浓度-深度曲线的非线性第331-332页
        6.2.3 推论3:“SML 泵”作用影响范围的差异性第332页
    6.3 “SML 泵”的应用第332-334页
        6.3.1 “SML 泵”在判断海水是大气二氧化碳“源”或“汇”中的应用第332-333页
        6.3.2 “SML 泵”在计算海-气界面二氧化碳通量中的应用第333-334页
    6.4 小结第334-336页
7 结论与认识第336-340页
    7.1 主要结论和创新点第336-338页
    7.2 有待于进一步研究的问题第338-340页
参考文献第340-370页
附录Ⅰ:DIC 标准曲线第370-383页
附录Ⅱ:CO_2测定峰面积(S_(CO_20)及DIC 浓度(μmol·L~(-10)第383-388页
附录Ⅲ:Alk 浓度(μmol·L~(-1))第388-393页
附录Ⅳ:二氧化碳体系的解离常数(pK_1、pK_2、pK_W)第393-398页
附录Ⅴ:方解石和文石的饱和度(Omega_((C)0、Omega_((A)))第398-403页
附录Ⅵ:DIC、Alk、pH 实测值与计算值的比较第403-415页
附录Ⅶ:pH 的各种形式(pH_(total0、pH_(sws)、pH_(free))第415-420页
附录Ⅷ:pCO_2的各种形式(fCO_2和xCO_2)第420-425页
附录Ⅸ:黄海和南海连续站 F_(CO_2) 数据第425-433页
博士期间的主要学术成果第433-434页
致谢第434-435页
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