引用本文
汪燕敏, 祁第, 陈立奇. 南大洋酸化指标——海水文石饱和度变异的研究进展[J]. 地球科学进展, 2016, 31(4): 357-364.
Wang Yanmin, Qi Di, Chen Liqi. .Review on Researches of Aragonite Saturation State in the Southern Ocean:A Key Parameter of Southern Ocean Acidification[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(4): 357-364.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.04.0357.
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南大洋酸化指标——海水文石饱和度变异的研究进展
汪燕敏1,2, 祁第1,2,3, 陈立奇1,2*,*
1.国家海洋局海洋—大气化学与全球变化重点实验室,福建 厦门 361005
2.国家海洋局第三海洋研究所,福建 厦门 361005
3.厦门大学海洋与地球学院,福建 厦门 361102
*通信作者:陈立奇(1945-),男,福建晋江人,研究员,主要从事海洋大气化学与全球变化科学研究.E-mail:lqchen@soa.gov.cn

作者简介:汪燕敏(1991-),女,青海西宁人,硕士研究生,主要从事海洋酸化研究.E-mail:wangyanmin@tio.org.cn

基金:南北极环境综合考察与评估专项项目专题4“南极周边海域海洋化学与碳通量考察”(编号:CHINARE2012-2016:01-04-02,02-01,03-04-02); 国家自然科学基金重点项目“南大洋N2O源汇格局:驱动机制及其对海洋N2O收支的影响”(编号:41230529)资助
摘要

南大洋因具有较强的CO2吸收能力,其海洋酸化问题较全球其他海域尤为突出。文石饱和度(Ω文石)作为衡量海洋酸化状况的指标之一,在评估海洋钙质生物的生存环境中发挥着重要的作用。然而,由于南大洋复杂的气候环境,在这一区域开展海洋酸化和Ω文石的研究异常困难。因此,为了便于今后在南极周边海域开展海洋酸化的研究,了解南大洋海洋酸化的现状,对南极周边海域Ω文石的研究进行了概述。南大洋表层海水Ω文石具有明显的时空分布特征,主要体现为近岸海域Ω文石值一般低于开阔大洋海域,且具有夏季高、冬季低的季节变化特征。在垂向分布上,海水Ω文石值呈现由表层向深层递减的趋势。此外,由于受到深层水团的通风和涌升的影响,南大洋Ω文石等值线深度随纬度升高而变浅。海水Ω文石受海冰融化、海—气CO2交换、浮游植物活动以及水文等诸多因素的共同控制。最后,对南大洋未来海洋酸化的变化趋势进行展望,提出亟需解决的科学问题。

关键词: 海洋酸化; 文石饱和度; CO2; 海冰; 南大洋
中图分类号:P734 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)04-0357-08
Review on Researches of Aragonite Saturation State in the Southern Ocean:A Key Parameter of Southern Ocean Acidification
Wang Yanmin1,2, Qi Di1,2,3, Chen Liqi1,2,*
1.Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry of State Oceanic Administration(SOA), Xiamen 361005,China
2.Third Institute of Oceanography, SOA, Xiamen 361005, China
3.Ocean and Earth Science College, Xiamen University, Xiamen 361102, China

First author:Wang Yanmin (1991-), female, Xining City, Qinghai Province, Master student. Research areas include ocean acidification.E-mail:wangyanmin@tio.org.cn

Corresponding author:Chen Liqi (1945-), male, Jinjiang City, Fujian Province, Professor. Research areas include marine atmospheric chemistry and global change.E-mail:lqchen@soa.gov.cn

Fund:Project supported by the Chinese Polar Environment Comprehensive Investigation and Assessment Programs “Investigation of ocean chemistry and carbon fluxes in the oceans and seas surrounding the Antarctica”(No.CHINARE2012-2016: 01-04-02,02-01, 03-04-02); The National Natural Science Foundation of China“N2O source and sink in the Southern Ocean: Driving mechanim and its impact on oceanic N2O budget”(No.41230529)
Abstract

The Southern Ocean is a strong sink for atmospheric CO2, making it especially vulnerable to ocean acidification (OA). The aragonite saturation state (Ωarg) of seawater has been used as an index for the estimation of OA, which plays a critical role in evaluating the living environment of marine calcified organisms. However, it is very difficult to perform the studies of OA and Ωarg in the Southern Ocean due to its harsh climate. Therefore, in order to better understand the OA and its further influences, the advances of Ωarg studies were summarized in the oceans surrounding the Antarctica. Significant spatial and temporal variations of surface seawater Ωarg are demonstrated in the Southern Ocean. In general, the surface seawater Ωarg shows a lower value in the off-shore areas than in the open oceans. And, Ωarg also exhibits a strong seasonal cycle with a higher value in summer than in winter. The distributions of Ωarg in vertical water column generally present a declining tendency from surface to bottom. In addition, the shoaling of Ωarg horizon at high latitude could be attributed to the ventilation and upwelling of deep waters in the Southern Ocean. There are many factors that could impact the Ωarg in the Southern Ocean, including sea ice melting, sea-air CO2 exchange, biological activities and hydrological processes, etc. Finally, the future changes and key scientific problems of OA in the Southern Ocean are proposed.

Keyword: Ocean acidification; Aragonite saturation state; CO2; Sea ice; Southern Ocean.
1 引 言

工业革命以来, 人类活动的加剧使大气CO2浓度由280 μ L/L迅速上升至400 μ L/L[1, 2], 而海洋由于大量吸收人为活动产生的大气CO2, 海水酸化正在加速[3, 4]。从5 500万年前至工业化前, 全球表层海水pH才下降0.1个单位, 而自1840年工业化至今的170年, 全球表层海水pH就下降了0.1个单位[5], 并正以每20年约 0.015的速率快速下降着[2], 预计至2100年表层海水pH可能下降0.3~ 0.4, 即海水酸度(H+浓度)将增加1~1.5倍[4, 6]。海洋酸化自2003年被首次提出以来, 已成为当今国际海洋科学研究前沿领域的热点议题[7]。

海洋酸化的过程, 不仅使海水pH值下降, 而且引起海水C O32-的浓度减少[7], 从而降低碳酸钙(CaCO3)饱和度, 包括文石饱和度(Ω 文石)和方解石饱和度(Ω 方解石)。由于文石的溶解度比方解石高, 因此, 评估海洋酸化对钙质生物生存环境的影响优先采用较为敏感的Ω 文石作为指标。全球表层海水Ω 文石较工业革命以来, 已经下降了0.4[4], 在Ω 文石< 1的海水中, CaCO3正以每年0.003~1.2 μ mol/kg的速度溶解, 全球海洋由于海洋酸化导致的CaCO3溶解量每年已达约5× 108 t碳[8]。海水Ω 文石下降损害着海洋钙质生物骨骼的形成[9], 并进一步影响整个海洋生态系统[10, 11]。

在高纬度海域, 海水由于寒冷环境特征而具备较强的CO2吸收能力, 使得这一区域的酸化现象较其他海域更为明显[12], 且这一区域的Ω 文石明显低于低纬度海域[13, 14]。模型预测表明, 北冰洋部分海域表层海水Ω 文石将在2016年出现不饱和, 并且随着海冰快速融化, 酸化面积将持续扩大[15]。相对于北冰洋, 南大洋表层海水将在2050年开始出现文石不饱和现象, 到2100年, 这种不饱和现象将扩展到整个南大洋和北太平洋海域[4]。

南大洋约占全球海表面积的20%[16], 是人类来源CO2重要的汇[17, 18], 南大洋44° S以南海域吸收CO2能力占全球海洋的30%以上[3]。南大洋表层海水C O32-平均浓度为105 μ mol/kg, 远低于低纬度热带海域值240 μ mol/kg[4], 因而其具有吸收更多CO2的潜力, 预计将更早出现文石不饱和现象, 受海洋酸化的影响更为严重[19]。目前南大洋Ω 文石=1的等值线深度正在变浅, 将从730 m上升至表层[20]。南大洋海洋酸化问题可能对生态系统产生灾难性的后果, 尤其是有壳的浮游动物, 如翼足类[9, 11, 21]。

过去20年来, 全球变暖和气候变化引起南极区域环境发生快速变化, 包括表层海水升温[22]、海冰快速变化[23]、西风加强[24]、南极臭氧洞的变化[25]。这些因素的变化, 对南大洋吸收大气CO2能力及海洋酸化的影响还很难评估。此外, 由于现场观测数据的不足, 人们对南大洋酸化及响应机制尚不清楚。因此, 亟待进一步开展南大洋海洋酸化研究。当前, 国际上开展海洋酸化研究主要在罗斯海、威德尔海等南极周边海域[19, 26]。国内同样正在加强对南大洋海域的碳源汇格局变化和海洋酸化研究[27, 28]。Ω 文石作为一个重要指标, 已经被广泛应用于海洋酸化研究中, 在南大洋海域开展Ω 文石变异及其驱动因子研究的重要性不言而喻。因此, 本文结合前人的研究成果, 重点分析了Ω 文石分布特征及控制因子, 并对今后深入开展南大洋海洋酸化研究进行展望。

2 南大洋Ω 文石的分布特征

南大洋作为全球气候变化响应和反馈的敏感区域之一, 由极锋区(Polar Front Zone, PFZ)、永久开阔大洋区(Permanently Open Ocean Zone, POOZ)、季节性海冰区(Seasonal Ice Zone, SIZ)和沿岸陆架区4个亚系统构成了一个影响着全球大洋环流的复杂系统。由于南大洋不同海域浮游植物活动、水文环境及海冰覆盖等因素的不同, 在这些海域Ω 文石的分布有较大差异。此外, 由于太阳辐射引发的海冰季节性变化和浮游植物活动的变化, 使Ω 文石的分布具有明显的季节变化特征。

2.1 表层海水Ω 文石的分布特征

若忽略季节变换的影响, 根据Takahashi等[29]的方法, 利用GLODAP, CARINA和LDEO数据库以及数字化的分布图, 绘制了南大洋整个海域的全年表层水Ω 文石分布图(图1)。由图1可知, 南大洋大部分海域的Ω 文石值为1~2.5。Ω 文石分布的总体趋势由开阔大洋区至沿岸陆架区递减。在永久开阔大洋区, Ω 文石值一般较高。在海冰区, Ω 文石主要受海冰覆盖率的影响, 一般较低。而在沿岸陆架区, 表层海水Ω 文石受浮游植物活动及水文环境的共同作用, 其值波动较大。

图1 南大洋表层海水Ω 文石的分布(数据来源于参考文献[29])Fig.1 Surface distribution of Ω argin the Southern Ocean(data from reference[29])

开阔大洋区主要由南太平洋、南大西洋和南印度洋3个扇区组成(图1), 各扇区海域表层海水Ω 文石平均值仍处于过饱和状态。其中, 南印度洋的Ω 文石明显低于南大西洋和南太平洋(图1和表1), 造成这种差异的原因如下:一是南印度洋对CO2的吸收量是南大西洋和南太平洋吸收通量和的2倍[12, 29]; 二是南印度洋年平均风速是明显大于南大西洋和南太平洋[12, 29], 这会影响CO2的海— 气交换通量, 进而影响Ω 文石。

海冰区海冰覆盖率对浮游植物的活动及海— 气CO2交换产生重要影响, 由此影响海水中CO2浓度, 并进一步影响海水Ω 文石。高的海冰覆盖率条件下(> 80%), 海水中的CO2容易在冰下累积, 且高海冰覆盖率下浮游植物的活动较弱, 由此导致较低的表层海水Ω 文石值[13]。此外, 低海冰覆盖率区域(< 20%), 由于浮游植物活动的作用, 及部分冰融水的稀释作用, 也会影响海水Ω 文石值。在海冰边缘区域, 由于海冰的融化, 带来的营养物质(如Fe), 会刺激浮游植物的生长, 使该海域海水CO2的浓度降低, 海水Ω 文石值偏高[30]。

沿岸陆架区表层海水Ω 文石一般较高(图1和表1), 浮游植物活动起到关键的作用。近岸海域在春夏季容易发生藻华, 并被认为是全球海洋生产力最高的区域。由于浮游植物光合作用, 吸收了大量的CO2, 使得海水中的海水Ω 文石增高。然而, 有部分海域, 由于绕极深层水(Circumpolar Deep Water, CDW)的涌升, 将深海富含CO2的海水带至表层, 海水Ω 文石值发生异常, 呈现极小值。Kapsenberg等[31]在罗斯海冬季表层水中首次观测到Ω 文石< 1的现象。DeJong等[32]观测到罗斯海北部海域(< 100 m)CDW水团的Ω 文石平均值为1.18± 0.03; 同样, Sweeney[33]对该海域Ω 文石的计算表明, 其平均值为1.22, 介于1.18~1.36, 与DeJong等[32]观测较为匹配。而McNeil等[34]得到的Ω 文石约为1.08的数值进一步证实了沿岸陆架区水团的影响。

2.2 南大洋Ω 文石的垂直分布特征

典型的南大洋海水Ω 文石垂直分布特征如图2所示[20], 总体表现为表层高、深层低的趋势。可以很明显地发现, 海水Ω 文石值与水团分布相关。南极底层水(Antarctic Bottom Water, AABW)具有最低的Ω 文石值, CDW次之, 上层的南极中层水(Antarctic Intermediate Water, AAIW)和南极表层水(Antarctic Surface Water, AASW)一般较高, 波动也较大。此外, 根据南大西洋Ω 文石全深度分布图(图2)可以看出, 从低纬度(35° S)到高纬度(55° S), 全深度平均Ω 文石的等值线深度分布呈现逐渐变浅趋势。值得注意的是, 在极锋(Polar Front, PF)以北海域, Ω 文石=1的等值线深度保持在1 000 m左右; 然而, PF以南海域, 由于CDW的扰动, 文石饱和深度从800 m迅速下降到1 500 m[20](图2)。

图2 南大西洋Ω 文石断面分布[20]
SAZ表示亚南极区, PFZ表示极锋区, PZ表示极区, SAF表示亚南极锋, PF表示极锋, SACCF表示南极绕极流锋, SBdy表示绕极流的南部边界; AAIW表示南极中层水, WW表示冬季水, UCDW表示上层的绕极深层水, LCDW表示下层的绕极深层水, WSDW表示威德尔海深层水, AABW表示南极底层水, NADW表示北大西洋深层水Fig.2 Distribution of Ω arg in the south Atlantic sector of the Southern Ocean[20]
SAZ. Sub Antarctic Zone; PFZ. Polar Front Zone; PZ. Polar Zone; SAF. Sub Antarctic Front; PF. Polar Front; SACCF. Southern Antarctic Circumpolar Current Front; SBdy. Southern Boundary; AAIW. Antarctic Intermediate Water; WW. Winter Water; UCDW. Upper Circumpolar Deep Water; LCDW. Lower Circumpolar Deep Water; WSDW.Weddell Sea Deep Water; AABW. Antarctic Bottom Water; NADW. North Atlantic Deep Water

2.3 Ω 文石的季节变化及年际变化特征

在南极近岸海域, Ω 文石具有明显的季节变化特征, 一般夏季较高, 冬季较低。在威德尔海, Weeber等[13]根据2009— 2012年的数据得出Ω 文石季节变化, 夏季Ω 文石的平均值与冬季的差值(即Δ Ω 文石)约为0.77; 在普里兹湾, Roden等[30]在沿岸定点(68° 34.20'S, 77° 56.40'E; 水深≈ 20 m)发现Ω 文石冬季从1.19增长到1.92, 然而, Shadwick等[36]在1993— 1995年对普里兹湾研究发现Ω 文石季节性变化达到了3左右; 同样, 在罗斯海, Ω 文石从夏季的3~4下降到冬季的1.1~1.2[34]。此外, Kapsenberg等[31]在冬季(5月)麦克默多湾(McMurdo Sound)Jetty和Cape Evans海区的18 m等深面观测到Ω 文石最低值, 分别为1.22和0.96。且冬季的Cape Evans海区首次出现了文石不饱和现象。总之, 季节内的Ω 文石显著变化主要是由于冬季海水被海冰覆盖, CDW夹带富含CO2的海水上涌, 引起Ω 文石降低; 随着夏季的来临, 由于海冰消退, 开阔海域面积的扩大有利于表层浮游植物的初级生长, 特别是在近岸海域, 初级生产力显著提升[35, 36]。浮游植物初级生产将引起表层海水Ω 文石的升高, Ω 文石达到极大值。

南大洋Ω 文石的年际变化呈现出逐年降低的趋势。Hauck等[26]利用ANT X/4(1992年)和ANT XXIV/2(2008年)2个航次, 沿着本初子午线断面对威德尔海Ω 文石的年际变化进行了比较研究。1992— 2008年, Ω 文石平均降低了0.03。其中, 在60° S以北表层水中, Ω 文石降低了0.09, 在冰架海域降低了0.06, 在威德尔海深层水和威德尔海底层水中减少值分别低于0.01和0.005。此外, Mattsdotter等[35]2006— 2010年对罗斯海进行了4个夏季航次的观测, Ω 文石的年际变化为1.18~3.28。总体来说, 在南大洋海域, Ω 文石逐渐减少, 尤其在表层水中, 受到复杂的水文因素的影响, Ω 文石降低更为显著。

表1 南大洋不同海域表层水pH, 溶解无机碳, 总碱度和Ω 文石平均数值 Table 1 Summary of averaged pH, DIC, TA and Ω arg observed at various regions surface water in the Southern Ocean
3 南大洋文石饱和度的主控因子
3.1 海— 气CO2交换过程对Ω 文石的影响

由公式(1)可知, 海水从大气吸收的CO2, 一方面可使海水中[H+]升高, pH值降低; 另一方面降低海水中[C O32-], 由此降低Ω 文石(公式(2))。这说明, 海— 气界面的CO2交换过程, 影响了表层海水或上层水体的Ω 文石。

CO2+H2O↔ H2CO3↔ H++HC O3-↔ 2H++C O32-(1)

Ω 文石=[Ca2+][C O32-]/Ksp (2)

式中:Ksp是受控于现场温度、盐度和压力的溶度积常数[37], [Ca2+]和[C O32-]分别为钙离子和碳酸根离子的浓度。

Hauck等[26]的研究表明, 1992— 2008年南大洋表层水人为CO2累积速率达到了2~8 μ mol/(kg· 10a), 并导致表层水的Ω 文石每10年降低0.03。Weeber等[13]在威德尔海东部冰架前缘水域的调查表明, 次表层冬季水中存在着pCO2高值(平均值为41.5~42.0 Pa)可通过海— 气交换向大气排放, 并使Δ Ω 文石产生了0.14的变化值。模型预测表明, 在海— 气CO2通量达到平衡的状态下, 南大洋近岸海域(罗斯海)表层水将在2040年出现对文石的腐蚀现象, 而在不平衡的状态下, 则要到2070年文石才会出现不饱和现象。

目前对南大洋CO2吸收能力及其酸化效应的强弱还没有定论。研究表明, 南大洋45° S以南海域的人为碳储量为(29± 4)Pg C, 在南大洋40° ~70° S区域1968— 1996年人为碳储藏速率为(0.4± 0.2)mol C/(m2· a)[38]。一方面, 许多学者认为在20世纪90年代, 南大洋对人为碳的吸收和储存能力处于一个停滞甚至减弱的状态[39~41]。主要表现在:1981— 2004年, 南大洋吸收CO2以每年0.08 Pg C的速率减弱[39]; 其中, 威德尔海在1984— 2011年人为碳储藏速率降低了14%~21%[38]。另一方面, Landschü tzer等[42]和Munro等[43]的研究证实在2002— 2012年碳汇能力又进入一个增强的阶段。总之, 可以确定的是, 由于海水对大气人为CO2的吸收, 2008年海水的Ω 文石要比1992年低[26]。

3.2 海冰融化过程对Ω 文石的影响

近年来, 南大洋海冰面积处于一个不稳定的变化中[23, 25], 这一过程会对Ω 文石产生重要的影响。一方面, 融冰稀释过程会直接导致Ω 文石下降。主要表现在:融冰过程释放大量淡水到海表混合层(< 50 m), 盐度显著下降; 融冰水的溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon, DIC)和总碱度(Total Alkalinity, TA)浓度(约为300 μ mol/kg)较海水浓度低(约为2 300 μ mol/kg), 因此融冰水和海水的混合直接导致TA和DIC浓度下降, Ω 文石随之下降[44]。

另一方面, 海冰的消融, 表层水温升高, 开阔水域面积扩大, 与之相伴的是水体严重的层化现象, 表层水游离的CO2浓度快速提升, 进而导致Ω 文石降低[32]; 与之相反, 融冰过程的开始也有利于表层浮游植物的生长, 将引起表层海水Ω 文石的升高, 特别是在普里兹湾等近岸海域, 生物对营养盐的利用足以缓冲人为碳导致的Ω 文石的降低[36]。研究表明, 融冰过程使水体在季节上具有一定的密度差Δ ρ (残留冬季水的密度与夏季表层水的密度差), 从而形成不同的混合层深度(Mixing Layer Depth, MLD)。Weeber等[13]通过对威德尔海2009— 2012年的观测, 估算出正常融冰作用下, Δ ρ 约为0.4, 此时, MLD(20~40 m)适中, 并且解除了对光照的限制, 营养盐(如Fe)供应充足(图3), 有利于浮游植物初级生产力的提升[45, 46], 导致2009年和2011年夏季表层水的Ω 文石平均值达到了1.9以上。然而, 海冰融化较晚时(即Δ ρ > 0.4或者Δ ρ < 0.4), 在2010年, 风应力较小, MLD较浅(< 20 m), 加上Fe元素的限制, 初级生产的繁盛不能持续; 而在2012年, 风应力较强, 产生了一个类似于冬季的MLD(约100 m), 深层光照的限制会弱化初级生产力(图3)。因此, 由于融冰过程开始的较晚, 在2010年和2012年出现夏季表层水的Ω 文石极小值, 分别为1.54± 0.07和1.51± 0.13。

图3 在不同光照、混合层深度(MLD)和Fe 含量情况下, 3种不同状态的Δ ρ 的概念模型图[13]
OMLD:理想的混合层深度, DMLD:较深的混合层深度, SMLD:较浅的混合层深度Fig.3 Conceptual model of the three states of Δ ρ that we propose to be critical for water column stability, MLD and nutrient (primarily iron) concentration[Fe] and light[13]
OMLD.Optimal Mixing Layer Depth; DMLD.Deep Mixing Layer Depth; SMLD.Shallow Mixing Layer Depth

3.3 生物活动对Ω 文石的影响

夏季, 由于南大洋海冰大面积的消退, 海水温度升高和太阳辐射加强, 促使表层海水中生物活动快速增强, 光合作用吸收CO2生成有机物, 后期再矿化释放产生CO2。因此, 夏季, Ω 文石的变化与生物过程吸收CO2有着很高的相关性[4, 35, 36]。

夏季, 在罗斯海西海岸, 由于浮游植物的光合作用较强, pCO2变化范围为16.4~35.9 Pa; 表层海水中pCO2为(24.1± 3.4)Pa, 而中心海区达到(32.3± 1.6)Pa[32], 同时, 表层水具有较高的Ω 文石, 变化范围为1.40~2.42。在西海岸Ω 文石最大值为1.94± 0.18, 而中心海区最大值为1.58± 0.09。这种Ω 文石的空间分布差异与浮游植物光合作用造成的pCO2分布规律密切相关。同时, 夏季的标准化DIC(nDIC)浓度相对于冬季降低了(58± 20)μ mol/kg, 相应的Ω 文石升高了0.5± 0.2。同时, Mattsdotter等[35]在罗斯海分析2006— 2010年夏季Ω 文石值发现, 在2010年的Ω 文石值要比2007年高1.2, 主要是由于CDW的上涌带来了丰富的Fe元素, 从而促进初级生产力, 因此在2010年达到了pH和Ω 文石的极大值。

相较于罗斯海, 普里兹湾由于水团和地形的差异性[47, 48], 其生物生产力在湾内外存在着显著的差异性。在湾内的陆架区达到了3.10 μ g/L, 比湾外的陆坡区和深水区含量(约0.17 μ g/L)高了一个数量级[49, 50], 这种在陆架边缘区较高的生物生产力是该海域出现文石过饱和的主要原因[30, 36]。

3.4 其他物理过程对Ω 文石的影响

在南大洋, 虽然海冰消长的影响尤为重要, 但是上升流等因素的影响也不可忽视。上升流把次表层更低Ω 文石的海水带到表层, 导致表层海水的Ω 文石出现最低值[51]。以南大西洋海域为例(图2), 北大西洋深层水(North Atlantic Deep Water, NADW)向南输运到达陆架海域后, 与残留冬季水(Winter Water, WW)、威德尔海深层水(Weddell Sea Deep Water, WSDW)、冰架水(Ice Shelf Water, ISW)等混合, 形成变性绕极深层水(Modified Circumpolar Deep Water, MCDW)。在冬季, 强风使富含CO2的MCDW大量上涌, 将盐跃层低温(-1.5~1.0 ℃)、高盐(> 34.2)、高pCO2和低Ω 文石海水输运到陆架浅层, 导致表层海水Ω 文石出现极小值[20]。同样的, 在罗斯海由于绕极深层水的入侵和上涌作用使得表层pH和Ω 文石分别出现7.969± 0.025和1.1的极低值[52]。由此可见, 未来随着西风的加强, 近岸海域陆架区上升流将更加频繁, 表层海水将出现更大范围的Ω 文石低值。

4 展 望

随着人为CO2排放量的持续增加, 海洋酸化问题日益凸显, 并已成为全球海洋科学研究关注的热点议题。极区海洋酸化的问题尤为紧迫, 而海洋酸化的加剧对极区海洋生态系统将会造成广泛而深远的影响。有模型研究指出, 当大气CO2水平接近450 μ L/L, 南极冬季PF以南的海域将在2030年出现文石不饱和现象[53]。然而, 已有的Ω 文石相关研究主要集中在无海冰覆盖的PFZ及罗斯海等少数海域, 现场数据依旧十分匮乏。因此, 需要进一步扩大Ω 文石研究范围, 积累Ω 文石时空分布数据。此外, 亟需发展高分辨率的Ω 文石观测方法, 进一步开展南大洋不同季节及年际尺度上的观测, 为评估南大洋海洋酸化状况及其对生态系统的影响提供有力的数据支持。最后, 通过高精度的Ca2+浓度和生源颗粒无机碳(Particulate Inorganic Carbon, PIC)数据来估算未来南大洋酸化所引起的钙质生物溶解通量大小及其缓冲效应。

另外, 南大洋的气候环境正在发生快速的变化。模型预测, 到2070年南极臭氧洞的作用将完全消失[54], 将伴随着南极快速升温并引发东南极冰盖的融化及海冰覆盖面积的减少。这种变化将对南大洋海域的生物地球化学过程产生怎样的影响, 是否会导致海洋酸化加剧, 并由此引发Ω 文石大面积不饱和现象还无法知晓。所以, 开展南大洋Ω 文石研究, 进一步探究其影响机制, 对研究海洋酸化具有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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