加拿大圣勞倫斯河口水中一氧化碳的生物地球化學(xué)循環(huán).pdf

1、一氧化碳(CO)在海洋有機(jī)碳循環(huán)過(guò)程中起著非常重要的作用。表層海水中的CO主要是通過(guò)有色溶解有機(jī)物(CDOM)的光降解產(chǎn)生的，其中大部分被微生物所消耗，一小部分通過(guò)海氣界面擴(kuò)散進(jìn)入大氣。另外，溶解有機(jī)物(DOM)在無(wú)光環(huán)境中也會(huì)分解產(chǎn)生一部分CO。CO的光致生成量在大洋水中已經(jīng)有了比較合理的界定，但是在河口和近岸水中的產(chǎn)量還不清楚。與光化學(xué)反應(yīng)相比，CO微生物消耗的研究迄今為止開(kāi)展較少，暗反應(yīng)的研究則幾乎沒(méi)有。本文系統(tǒng)研究了加拿大圣勞倫

2、斯河口水中CO的光化學(xué)反應(yīng)、暗反應(yīng)和微生物消耗，在此基礎(chǔ)上對(duì)其生物地球化學(xué)循環(huán)做了平衡預(yù)算。進(jìn)而把暗反應(yīng)速率方程推廣應(yīng)用到全球海域，計(jì)算了全球海洋中CO的暗反應(yīng)產(chǎn)量和深海穩(wěn)態(tài)濃度，并對(duì)CO的微生物消耗量進(jìn)行了估算。 CO的光致生成受水溫和CDOM的起源(陸源vs.海源)及光照時(shí)間的影響。為了便于比較，CO量子產(chǎn)率(φco(λ))經(jīng)太陽(yáng)光量子通量(Q(λ))加權(quán)平均后簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)值-/φco。-/φco隨著鹽度的增加(0-33)而

3、降低，并與254nm處的比吸光系數(shù)(SUVA254)有良好的線性正相關(guān)；這表明陸源CDOM光降解產(chǎn)生CO的效率高于海源CDOM。光照會(huì)引起CDOM的吸光系數(shù)降低，即光脫色。光脫色能顯著降低低鹽度水樣的-/φco，在光脫色的初始階段降幅最大；但是對(duì)高鹽度水樣幾乎沒(méi)有影響。溫度每升高20℃，低鹽度水樣的-/φco升高～70％而高鹽度水樣僅僅升高30-40％。上述結(jié)果表明：水溫和CDOM的起源及光照時(shí)間都對(duì)CO的光致生成有顯著影響。在構(gòu)建各種

4、時(shí)空尺度的光化學(xué)模型時(shí)，都應(yīng)充分考慮到上述因素的影響。通過(guò)多元線性回歸分析擬合出了-/φco與各變量的關(guān)系方程，據(jù)此計(jì)算出圣勞倫斯河口水中CO的光致生成量為26.2 Gg CO-Ca-1。 CO的暗反應(yīng)速率(Qco)在水平方向自上游至下游依次遞減，垂直方向自上至下遞減。Qco與CDOM的含量呈線性正相關(guān)。陸源DOM產(chǎn)生CO的效率高于海源DOM。Qco與溫度的關(guān)系服從線性阿倫尼烏斯行為，低鹽度水樣的反應(yīng)活化能高于高鹽度水樣。Qco

5、在pH 4-6時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定，pH 6-8時(shí)緩慢增長(zhǎng)，隨著pH的進(jìn)一步增加迅速升高。離子強(qiáng)度和鐵對(duì)Qco幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)多元線性回歸分析擬合出了Qco與各變量的關(guān)系方程，據(jù)此計(jì)算出圣勞倫斯河口水中CO的暗反應(yīng)產(chǎn)量為4.06Gg CO-Ca-1。 CO的微生物消耗實(shí)驗(yàn)在船上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。當(dāng)水樣中CO含量較低(通常[CO]<12 nmol L-1)時(shí)，CO微生物消耗呈一級(jí)反應(yīng)的特征，一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)(Kco)隨鹽度的增加而降低，即Kc

6、o在低鹽度的上游區(qū)段和Saguenay河高于圣勞倫斯灣。表層水中的Kco的變化范圍：五月0.053-1.01(中間值：0.14)h-1、七月0.081-0.60(中間值：0.27)h-1、十月0.035.-0.71(中間值：0.13)h-1、十二月0.024-0.38(中間值：0.032)h-1。Kco的變化主要受水溫和細(xì)菌濃度的影響。溫度每升高10℃，Kco升高40-80％(平均值：53％)。反應(yīng)活化能22-38(平均值：28)kJ

7、mol-1。在[CO]0-15 nmol L-1的范圍內(nèi)，CO的微生物消耗服從Wright-Hobbie動(dòng)力學(xué)；隨著[CO]的進(jìn)一步升高，反應(yīng)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。Wright-Hobbie動(dòng)力學(xué)參數(shù)：最大消耗速率(Vmax)為0.15-4.3(平均值：0.72)nmol L-1 h-1，并與鹽度大致呈負(fù)相關(guān)；半飽和濃度(Km)為1.7-6.5(平均值：4.1)nmol L-1，與其它參數(shù)沒(méi)有關(guān)聯(lián)。通過(guò)多元線性回歸分析擬合出了Kco與各相關(guān)變量

8、的關(guān)系方程，計(jì)算出圣勞倫斯河口表層水中CO的微生物消耗量為24.7 Gg CO-Ca-1圣勞倫斯河口水中CO的總產(chǎn)量為30.3 Gg CO-Ca-1，其中光化學(xué)反應(yīng)貢獻(xiàn)了87％，是主要的來(lái)源，暗反應(yīng)貢獻(xiàn)了13％，是次要來(lái)源。表層水中CO的微生物消耗量占總產(chǎn)量的～81％，是主要的匯?？紤]進(jìn)海氣擴(kuò)散的影響，表層水中CO的總消耗量占總產(chǎn)量的～91％，源和匯基本持平。 全球海洋中的CO暗反應(yīng)產(chǎn)量為17.10 Tg CO-Ca-1，其中9