講座6 高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系

1、高高CO2環(huán)境下的海洋生態(tài)系環(huán)境下的海洋生態(tài)系海洋化學(xué)進(jìn)展海洋化學(xué)進(jìn)展講座講座6 6陳陳 敏敏廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院廈門大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院生物滅絕生物滅絕珊瑚白化珊瑚白化（Bellwood等，等，nature, 2004）地區(qū)干旱地區(qū)干旱全球變暖的可能危害：全球變暖的可能危害：觀測結(jié)果觀測結(jié)果颶風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)颶風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)（Webster等，等，Science,2005）冰川融化冰川融化（Doake等，等，Nature, 1998）全球變暖的可能危害：全球變暖的可能危害：模型預(yù)測模型預(yù)測海平面上升海平面上升區(qū)域冰封區(qū)域冰封四季紊亂四季紊亂食物鏈?zhǔn)澄镦?/ 漁業(yè)漁業(yè)沉積物沉積物海洋生物地球化學(xué)過程海洋

2、生物地球化學(xué)過程大氣相關(guān)組分大氣相關(guān)組分 :CO2, DMS, CH4, N2O,環(huán)流環(huán)流, 溫度溫度, 光照，光照，大氣沉降大氣沉降, 海洋海洋大氣大氣陸圈陸圈氣候氣候氣候變化：陸氣候變化：陸-海海-氣相互作用氣相互作用溫度變化溫度變化 (C)02461850 1900 1950 2000 2050 2100氣溫對大氣氣溫對大氣CO2增加的響應(yīng)增加的響應(yīng)IPCC，2001降雨量對大氣降雨量對大氣CO2增加的響應(yīng)增加的響應(yīng)降雨量變化降雨量變化 (%)03691850 1900 1950 2000 2050 2100IPCCIPCC，200120011850 1900 1950 2000 205

3、0 2100北大西洋深層水形成的最大變輻北大西洋深層水形成的最大變輻 (%)-15-55大西洋深層水形成對大氣大西洋深層水形成對大氣CO2增加的響應(yīng)增加的響應(yīng)驅(qū)動因子驅(qū)動因子大氣大氣 pCO2溫度溫度環(huán)流（平流和擴(kuò)散）環(huán)流（平流和擴(kuò)散）光強(qiáng)光強(qiáng)大氣沉降大氣沉降河流輸入河流輸入 海洋生物地球化學(xué)過程海洋生物地球化學(xué)過程碳循環(huán)碳循環(huán)O2 循環(huán)循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋生物地球化學(xué)過程的影響因子海洋生物地球化學(xué)過程的影響因子大氣大氣 pCO2的影響的影響大氣大氣 pCO2溫度溫度環(huán)流（平流和擴(kuò)散）環(huán)流（平流和擴(kuò)散）光照光照大氣沉降大氣沉降河流輸入河流輸入 碳

4、循環(huán)碳循環(huán)O2 循環(huán)循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)生態(tài)系結(jié)構(gòu)海洋環(huán)流的影響海洋環(huán)流的影響大氣大氣 pCO2溫度溫度環(huán)流（平流和擴(kuò)散）環(huán)流（平流和擴(kuò)散）光照光照大氣沉降大氣沉降河流輸入河流輸入 碳循環(huán)碳循環(huán)O2 循環(huán)循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)生態(tài)系結(jié)構(gòu)大氣沉降的影響大氣沉降的影響大氣大氣 pCO2溫度溫度環(huán)流（平流和擴(kuò)散）環(huán)流（平流和擴(kuò)散）光照光照大氣沉降大氣沉降河流輸入河流輸入 碳循環(huán)碳循環(huán)O2 循環(huán)循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)營養(yǎng)鹽循環(huán)初級生產(chǎn)力初級生產(chǎn)力生態(tài)系結(jié)構(gòu)生態(tài)系結(jié)構(gòu)pCO2的直接效應(yīng)：的直接效應(yīng)：pH的變化的變化DIC的增加導(dǎo)致海水的酸化的增加

5、導(dǎo)致海水的酸化表層水表層水pH值的變化（值的變化（2099-工業(yè)革命前）工業(yè)革命前）+0.5+0.3-0.3-0.5CaCO3產(chǎn)生量的變化產(chǎn)生量的變化(%)（2200 工業(yè)革命前）工業(yè)革命前）海水酸化對海水酸化對CaCO3形成的影響形成的影響pCO2的直接效應(yīng)：的直接效應(yīng)：pH的變化的變化海洋物理環(huán)境的變化：海洋物理環(huán)境的變化：層化作用層化作用MML, 2075-Present最大混合深度變淺最大混合深度變淺 -1000+1000+100+100-10-100(m)層化作用變化的機(jī)制層化作用變化的機(jī)制+1000+100+100-10-100(m)80S40S040N80N(psu)(C)D M

6、ixed LayerD SSSD SST80S40S040N80N海洋海洋CO2匯強(qiáng)度的變化匯強(qiáng)度的變化氣候變化降低海洋氣候變化降低海洋CO2 的匯強(qiáng)度的匯強(qiáng)度氣候變氣候變化效應(yīng)化效應(yīng) 4 pCO2條件下海洋條件下海洋CO2 匯強(qiáng)度的變化匯強(qiáng)度的變化 gC m-2 a-1Decrease sinkIncrease sink熱變化熱變化環(huán)流變化環(huán)流變化碳循環(huán)的重新構(gòu)建碳循環(huán)的重新構(gòu)建Joos 99(GtC/a, 18502100)Sarmiento 96Matear 99-52-117+111-48-41+33-68-15+33主要因子：主要因子：層化作用阻止人類來源層化作用阻止人類來源CO2的

7、穿透的穿透 海洋海洋CO2匯強(qiáng)度變化的機(jī)制匯強(qiáng)度變化的機(jī)制過去過去40年中全年中全球海洋許多海球海洋許多海域域O2含量降低。含量降低。(Emerson等，等，2001；Ono等，等，2001；Wanatabe等，等，2001，Matear等，等，2000； )海洋海洋O2循環(huán)的變化：循環(huán)的變化：觀測結(jié)果觀測結(jié)果東熱帶北大西洋東熱帶北大西洋中心赤道大西洋中心赤道大西洋東熱帶南大西洋東熱帶南大西洋東赤道太平洋東赤道太平洋中心赤道太平洋中心赤道太平洋東赤道印度洋東赤道印度洋Stramma等，等，2008未來幾十年海水未來幾十年海水O2濃度降低將更明顯濃度降低將更明顯 (Bopp等，等，2002；Pl

8、attner等，等，2002；Matear等，等， 2000,)Depth2100 - Present海洋海洋O2循環(huán)的未來變化：循環(huán)的未來變化：模型結(jié)果模型結(jié)果100m DO (m mmol/l) 2100年缺氧年缺氧/亞亞氧區(qū)增加氧區(qū)增加30% 赤道太平洋赤道太平洋O2循環(huán)的可能變化循環(huán)的可能變化層化作用加強(qiáng)導(dǎo)致水體的垂向交換減弱層化作用加強(qiáng)導(dǎo)致水體的垂向交換減弱海洋海洋O2循環(huán)變化的主要機(jī)制循環(huán)變化的主要機(jī)制0 m300 m 0 m300 m SEC赤道太平洋赤道太平洋3S溫度和海流溫度和海流溫度和海流變化溫度和海流變化(2090-1990)南赤道流：變淺變?nèi)跄铣嗟懒鳎鹤儨\變?nèi)?溫暖富氧

9、的水體難以抵達(dá)次表層溫暖富氧的水體難以抵達(dá)次表層2100-1990海洋初級生產(chǎn)力的變化海洋初級生產(chǎn)力的變化Zonal Mean(2100-1990)全球降低全球降低（-5/ 10%），但高緯，但高緯度海域增加度海域增加（+20/30%）海洋初級生產(chǎn)力的變化海洋初級生產(chǎn)力的變化海洋層化作用加強(qiáng)海洋層化作用加強(qiáng)表層營養(yǎng)鹽表層營養(yǎng)鹽 -5 to 10 %高高/低緯度海域低緯度海域的效應(yīng)不同的效應(yīng)不同更長的生長季節(jié)更長的生長季節(jié) +10 days寡營養(yǎng)海域面積增加寡營養(yǎng)海域面積增加 1xCO22xCO2-1xCO2海洋初級生產(chǎn)力的變化機(jī)制海洋初級生產(chǎn)力的變化機(jī)制-1+1+0.02-0.02-0.2+0

10、.2硅藻相對豐度降低硅藻相對豐度降低海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：硅藻硅藻Bopp (2001)2090-1990中國近海海域浮游植物多樣性的時(shí)間變化中國近海海域浮游植物多樣性的時(shí)間變化l浮游植物多樣性的變化：浮游植物多樣性的變化：多多樣性下降樣性下降，生物量上升生物量上升，種種類組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種發(fā)生更類組成結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種發(fā)生更替，優(yōu)勢種群個(gè)體微型化。替，優(yōu)勢種群個(gè)體微型化。中國近海海域浮游植物多樣性的時(shí)間變化中國近海海域浮游植物多樣性的時(shí)間變化l浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演變：浮游植物群落結(jié)構(gòu)的演變：過去?？捎^察到的一些外海種，過去?？捎^察到的一些外海種，特別是個(gè)體較大、偏冷水性種類的優(yōu)

11、勢基本消失，取而代之特別是個(gè)體較大、偏冷水性種類的優(yōu)勢基本消失，取而代之的是個(gè)體較小的廣溫廣鹽性種類的是個(gè)體較小的廣溫廣鹽性種類。浮游植物群落整體呈種間。浮游植物群落整體呈種間個(gè)體數(shù)量分布不均、某些種類優(yōu)勢度特別突出的特點(diǎn)；暖水個(gè)體數(shù)量分布不均、某些種類優(yōu)勢度特別突出的特點(diǎn)；暖水性物種數(shù)量增多。性物種數(shù)量增多。層化作用層化作用 營養(yǎng)鹽提供營養(yǎng)鹽提供 硅酸鹽和硅酸鹽和Fe限制限制 硅藻豐度硅藻豐度 硅藻豐度變化的機(jī)制硅藻豐度變化的機(jī)制Boyd and Doney (2002)固氮作用加強(qiáng)固氮作用加強(qiáng)海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)的變化：固氮作用：固氮作用 大氣沉降通量對全球變化反應(yīng)靈敏大氣沉

12、降通量對全球變化反應(yīng)靈敏Mahowald和和Luo (2003) ：大氣沉降通量變化：大氣沉降通量變化-20 / -60 %Tegen等等(2004) ：大氣沉降通量變化：大氣沉降通量變化 +10 / -25 %變化機(jī)制：變化機(jī)制：大氣沉降物源大氣沉降物源 陸地使用陸地使用 CO2施肥效應(yīng)施肥效應(yīng) 氣候變化氣候變化輸送過程輸送過程大氣沉降的變化大氣沉降的變化-0.5+0.5+0.1-0.1-0.5+0.5+0.1-0.1大氣沉降通量大氣沉降通量x2 (20 yr)大氣沉降通量變化對海洋生態(tài)系的影響大氣沉降通量變化對海洋生態(tài)系的影響大氣沉降通量變化對大氣沉降通量變化對Chla (mg/m3)的影響的影響大氣沉降通量大氣沉降通量/2 (20 y