1、從全球尺度來看，全球共存在巖石圈、海洋、大氣、陸地生物圈、水生生物圈、化石燃料6個主要碳庫。巖 石圈是第一大碳庫，海洋是僅次于巖石圈的第二大碳庫（表1）。但是巖石圈的 碳主要以碳酸鈣結晶的形式存在，性質穩定，只有極少一部分通過風化的作用 參與到地球化學循環中去6:而海洋碳庫中的碳主要以溶解無機碳的形式存在，化學性質活躍：同時，海洋碳庫是大氣碳庫的50倍，陸地生物圈碳庫的19倍， 化石燃料碳庫的9倍，因此海洋是全球第一大活躍碳庫6O大氣碳庫雖然較小，卻是調節全球氣候的最關鍵因素。全球變暖的根源就是由于人類對石油、煤炭、 天然氣等化石燃料的開發利用，使本該被長期封存在巖石圈中的有機碳被轉換 成CO

2、2進入了大氣圈2o通過海洋水氣界面交換，每年都有大量的CO2從大氣圈進入了海洋，因此海洋對緩解全球氣候變化做出了巨大貢獻，海洋碳循環是全 球碳循環過程中最關鍵的一個環節6,11,12O自上世紀末，一系列針對海洋碳循環過程的大型國際科研計劃（國際地圈 與生物圈計劃（IGBP）核心計劃全球海洋通量聯合研究（JGOFS）、海岸帶陸 海相互作用（LOCIZ）、上層海洋與低層大氣研究（SOLAS）、全球海洋生態系 統動力學（GLOBEC）、海洋生物地球化學和生態系統綜合研究（IMBER）相 繼實施，使人們對海洋碳循環過程有了一定的了解，特別是JGOFS計劃的完成， 基本探明了全球海洋碳循環過程及海氣界面

3、碳通量，使人們對海洋碳循環乃至 全球碳循環的了解上升到一個新的高度。海洋碳循環過程主要是在“溶解度泵”、“碳酸鹽泵”、“生物泵”的作用下 完成的。在這個三個泵的作用下，實現了碳在海洋中的遷移和變化，最終調節 了全球氣候。CO2作為最主要的溫室氣體，對全球氣溫的升高的貢獻度高達70%3o根據冰芯中的CO2歷史記錄，大氣中CO2濃度在過去42萬年以來是前所未有的，并仍以每年1.5-1.8ppmv的速度上升4O全球碳循環過程以及氣候變化，己經成為科學家們所共同關注的焦點問題之一。海洋碳循環 作為全球碳循環的一部分，其作用極其重要，每年約有30%人類活動排放的CO2 被海洋吸收5,被海洋吸收的CO2經

4、過一系列生物過程（生物泵以及碳酸鹽泵的作用）最終以有機物和CaCO3的形式沉降到洋底，要經過很長的地質時間才能 重新進入大氣。相比之下，陸地森林碳匯對CO2扣押的時間尺度只有幾十年 因此海洋碳循環對全球氣候變化的調節更為重要。生物在海洋碳循環中起了非 常重要的作用，碳在海洋中的遷移和轉化幾乎都有生物參與。特別是浮游植物， 通過光合作用直接固定了大量的溶解無機碳(DIC),如果浮游植物光合作用停 止，大氣中CO2濃度將會比當前高150-200ppmv6,7O生物作用還與人類的活動密切相關，人類活動引起的海洋生物種群、群落、生態系統結構的變化也會導 致海洋碳循環格局的改變8-10O因此，生物在海洋

5、碳循環中的作用成了科學家們競相研究的熱點。與此同時，大量CO2進入上層海洋，造成了海洋酸化(Manne Acidfication),也會改變生物生理活動和生態作用。生物對海洋酸化的響應機制， 也將是未來研究的熱點。近海是海洋生產力最高的區域，同時還是受人類活動影響最強烈的區域， 在近海還存在著大量的雙殼貝類高密度養殖區。雙克貝類一方面可以通過濾食 活動攝食浮游植物等顆粒有機碳，并將部分通過糞和假糞的形式沉降到海底， 起到了類似生物泵的作用，這對碳的長期封存具有枳極作用：另一方面又通過 鈣化和呼吸活動釋放CO2,同時通過鈣化將海水中的碳轉化為貝殼中的碳酸鈣， 1年，因此貝類對碳循環的作用機制非常

6、復雜。目前已有大量關于貝類生物沉積作用的報導，但對呼吸和鈣化的研究較少。同時目 前尚無對養殖活動對碳循環貢獻的研究。因此本文初步研究了溫鹽、pH等環境 變化對貝類鈣化和呼吸的影響，以及未來酸化對鈣化和呼吸的影響；模擬了不 同養殖方式對碳循環的影響；并初步估算了養殖活動在特定海域對碳循環的影 響。1.1.1溶解度泵CO2易溶于水，溶于水后與水發生各種化學反應134.4櫛孔扇貝對近海碳循環生理活動的影響因此CO2進入海洋主要以DIC形式存在，其中以3HCO?的含量最高，約占總量的90%；其次為23CO?,約占 9%； CO2 (aq)和 H2CO3 不到 1%15O海洋一大氣界面通常存在一個CO2

7、濃度梯度，在大氣和洋流的綜合作用下，界面上進行著大 量CO2交換。CO2從大氣中溶入海水的過程稱為“溶解度泵”。據估算全球每年 排入大氣中的CO2以碳計約為5.5Gt,通過海氣交換凈吸收的CO2約為2Gt,占 總排放量的36%5O在千年的時間尺度上，海洋通過海氣交換調節了大氣中的CO2濃度，進而調節了全球的氣候變化，在海洋碳循環過程中作用極其重要。 海一氣界面CO2交換速度通常用單位時間單位面積的CO2通量來表示，稱為 海一氣界面CO2通量。海一氣界面CO2通量受多種理化和環境條件綜合作用影 響，除受表層海水的溫度和鹽度影響外，還受海水表面的風速影響。最常用的 計算海一氣界面CO2通量的公式為

8、17.s2F =ka ApCO其中F為海一氣界面CO2通量，k為擴散常數，是與風速、溫度、鹽度相關的函 數；為海水中COSa2的溶解度系數，是于溫度和鹽度相關的函數，目前研究對 于較多使用Weiss18的推導公式：) 100K)0.0050578( 100KS0.0271660.025888() 100K)22.29401n( K 1001na58.093190.5069( 2s?+=?+x+5第一章海洋碳循環的生物過程 2ApCO為海一氣界面CO2分壓差。海一氣界面CO2通量還受熱鹽環流、洋流以及緯度和季節變化影響。由于海水中CO2溶解度與溫度負相關，所以CO2在高緯度地區由于水溫低所以溶解

9、度 高，在低緯度地區由于水溫高所以溶解度低。這導致了高緯度冷水吸收了大量 CO2,并通過下降流將其帶到洋底；富含CO2海水通過底層洋流輸送到赤道附近， 以上升流將其帶到海面，由于溫度上升，CO2溶解度下降，大量CO2從海水釋放。 每年大約有40Gt CO2在高緯度海水被吸收而在低緯度釋放5。但從整體來看，海洋對大氣是一個凈吸收的過程19,每年約有2GtCO2被海洋吸收5 （Fashamet al.,2001）o1.1.2生物泵溶解度泵只是實現了 CO2從大氣碳庫向海洋碳庫的遷移，存在很強的時空異質性。進入海洋的CO2最終實現封存并脫離地球化學循環需要通過生物泵的 作用。首先，進入海洋的CO2被

10、浮游植物和光合細菌通過光合作用固定轉變為 有機碳從而進入海洋生態系統，碳在海洋生態系統食物網中經過層層攝食最終 以生物碎屑的形式輸送到海底，從而實現了碳的封存，封存的碳在幾萬甚至上 百萬年時間內不會再進入地球化學循環，這一過程被稱為生物泵。生物泵將海 洋表面的無機碳轉化為有機碳，并將其中一部通過垂直輸送到洋底沉積物中， 最終實現了海洋對碳的長時間封存。也正是由于生物泵垂直輸送機制的存在， 實現了海洋對CO2的調節20o生物泵被認為是海洋碳循環的關鍵控制過程19o生物泵輸送碳的形式是有機碳，因此生物泵實際上是有機碳泵。輸送有機碳主 要以顆粒有機碳（POC）和溶解有機碳（DOC）兩種形式存在，其中

11、POC約占 輸送有機碳的80%, DOC占20%21-23O生物泵是海洋碳循環中3個泵最復雜的一個（圖1）,首先浮游植物和好氧光合細菌通過光合作用固定無機碳，每年大約有45Gt5的碳被固定轉化為有機碳。固定的碳被浮游動物所攝食成為次級生產力，然后部分被更高營養級生物 所攝食，部分通過呼吸和死亡分解再次變成無機碳返回環境，部分被垂直輸送 6櫛孔扇貝對近海碳循環生理活動的影響到海底。其中每年有35Gt有機碳通過生物異養呼吸的途徑變成DIC,這部分碳 占海洋表面光合作用所固定碳的80%左右。真光層異養細菌是這個過程的主要 貢獻者，據估計，大約50%-90%的呼吸作用是由異養細菌來完成的 24O甚至在

12、某些海區，細菌的呼吸作用要強于該地區的初級生產力25-27（O未被呼吸作 用氧化的有機碳以生物碎屑和排泄物（POC）以及DOC的形式向弱光層、深海 無光層輸送，每年大約有10Gt有機碳最終進入深海5，但其中絕大部分經過再礦化再次成為DIC,最終能夠進入洋底沉積物的不足5% 5,24有機碳在弱光層、深海的氧化分解還為上層海洋提供了新生產力，據調查深海溶解有機物降解的C： N： P的元素比為199： 20： 1,要大于Redfield比（106： 16： 1）,這就意味著當有機物降解時將會有大量的N、P以新生產力的形式重新 進入上層海洋23,從來促進了上層海洋的初級生產。生物泵的過程相當復雜， 碳

13、在向洋底輸送的過程中還會發生各種賦存形態的遷移，更加加劇了其復雜性。 另外，生物泵還影響了溶解度泵。溶解度泵雖然使大氣中CO2進入了海洋， 但前提條件是大氣CO2分壓要大于海洋表層CO2分壓，生物泵光合作用對海洋表 面DIC的利用，降低了海水CO2分壓，使海氣界面CO2分壓梯度持續存在著。如 果沒有生物泵的作用，海洋一大氣界面CO2濃度最終將達到平衡，大氣與海洋 間的CO2交換將停止。在生物作用的驅動下，在海洋表層和深海形成了大約為 220 u mol ?kg的DIC濃度梯度28,大約有2500Gt碳位于這個梯度上，是大氣碳 庫的3.5倍9o因此，生物泵對DIC的運輸有著深遠影響，海洋環境變化

14、引起的 生物泵很小的變化，都可能引起整個海洋碳循環格局的變化。生物泵極其復雜，人類對海洋碳循環中的生物過程仍存在大量未知，特別 是真光層以下生物以及微生物的作用，近年來的研究也特別關注了海洋微生物 的作用。Kolber et al29研究發現真光層的好氧光合細菌的初級生產力貢獻至少占據了總生產力的11%。好氧光合細菌是一個非常特殊的類群，它的粒徑遠小 于浮游植物：它的營養方式也很特殊，它在有機碳豐富的條件下可以代謝有機 碳，營異養生活：在有機碳匱乏的情況下可以進行光合作用營自養生活。好氧 光合細菌的發現改變了人類對海洋初級生產過程的認識，它對海洋有機碳和無 機碳的循環起了非常重要的作用，但在過

15、去一直是被忽視的。生物過程是海洋 碳循環過程中相當重要的環節，國際上正在進行的海洋碳循環模式的互校工作 7第一章海洋碳循環的生物過程第三期計劃（OCMIP-3）也特別強調了海洋生物的作用19O圖L1海洋生物泵（引自陳泮勤2004）Fig 1.1 Marine biological pump1.1.3碳酸鹽泵JGOFS基本上描述了海洋碳循環在溶解度泵和生物泵作用下的過程（圖2）, 但是沒有描述碳酸鹽泵的過程。碳酸鹽泵跟生物泵一樣，也是由海洋生物的生 命活動驅動的，但其本質是無機碳泵，它驅動了碳以碳酸鈣結晶的形式向海底 輸送，同時還將海水中部分DIC轉化為返還到大氣中去，因此也被稱為碳酸鹽 反向泵

16、30o部分海洋生物能夠利用海水中的Ca2+和一生成CaCO 3HCO3 （主要以文石和方解石晶體的形式存在）的骨架和外殼31.33,這個過程稱為生物鈣化（Calcification）,生物鈣化活動就是碳酸鹽泵的基礎。在鈣化的過程中發生了以 下的化學反應：8櫛孔扇貝對近海碳循環生理活動的影響2+-?3 32Ca+2HCO CaCO+H OYO2從上面的反應可以看出，生物鈣化利用了 2eqv_生成了 leqv.CaCO3HCO3 和leqv.CO2o鈣化過程中來自海洋無機碳庫，但生成的CO3HCO 2經過海水緩沖后會有部分進入大氣碳庫，據研究，每沉淀leqv.的CaCO3同時，會有0.67eqv.

17、 的CO2進入大氣34,35,因此有學者認為生物鈣化是的CO2源。有學者甚至認為最近一次冰河間期到工業革命之前大氣中CO2濃度的上升可能是由海洋生物鈣化 所引起的34-36 顆石藻是海洋生物鈣化的主要貢獻者，它同成礁珊瑚、有孔蟲類主導了全 球碳酸鹽的收支平衡37,此外，具殼軟體動物和硬骨魚類也是CaCO3生產者的 一部分，據估算全球每年有0.7-1.4Gt的碳以新生成的CaCO3形式存在 38 O顆石藻和有孔蟲類死后所形成的CaCO3外殼迅速向洋底輸送，隨著深度的增加， CaCO3溶解反應逐漸加強，表現為海水總堿度的增加（圖3）。當到達某一深度， CaCO3溶解的正向反應與逆向反應將達到平衡，

18、這深度稱為補償深度。在補償 深度下，溶解反應要大于結晶反應，CaCO3溶解占主導地位，每年新生成的 45%65%的CaCO3最終在補償深度下被溶解，只有20%30%左右輸送到洋底37O9第一章海洋碳循環的生物過程圖1.2海洋碳循環過程（引自陳泮勤2004）Fig 1.2 The niaime carbon cycle fluxes 最近Wilson38發現海洋硬骨魚類也存在著CaCO3生產機制，由于硬骨魚的滲透調節機制，需要不斷飲入含有大量含Ca2+和Mg2+的海水保持體內水鹽平衡，而Ca2+和Mg2+極易形成腎結石，為了避免形成腎結石對身體產生不良影響，硬骨魚在腸道內形成了大量富含Mg2+的

19、CaCO3結晶。此種結晶的溶解度要高于文石和方解石，更易溶于海水，Wilson38的發現解釋了海洋實際補償深度高于模型預計深度這個困擾了科學家們多年的問題。根據他的估算，硬骨魚生產的 CaCO3約占總產量的3%-15%,而過去對碳酸鹽泵一直低估了。10櫛孔扇貝對近海碳循環生理活動的影響圖1.3北大西洋海水總堿度隨水深的變化（引自Wilson et al.2009）Fig 1.3 The normalized total kaluuty of seawater as a fiinction of depth for North Atlantic Waters1.1.4生物在海洋碳循環中的作用海洋

20、碳循環是在溶解度泵、生物泵以及碳酸鹽泵三個泵的驅動下完成的，其中生物泵和碳酸鹽泵是直接以海洋生物的生命活動為基礎的，溶解度泵雖然 沒有生物的直接參與，但也受到生物活動的間接影響。如初級生產者光合作用 對海水中DIC的利用，以及海洋動物通過呼吸活動向海水中釋放CO2都會改變海 水中CO2分壓，進而影響到溶解度泵的作用。也正是由于生物活動的參與，使 得海洋碳循環較陸地碳循環更加復雜。雖然JGOFS在海洋碳循環中的研究中取得重大進展，但主要解決的是關于 全球溶解度泵一一表觀源和匯的問題。但是對碳在不同形態間的遷移、轉化以 11第一章海洋碳循環的生物過程及垂直輸送過程中的生物作用了解還不甚深入。如海洋

21、細菌、病毒在有機碳的 垂直輸送過程中如何將有機碳轉化為無機碳、所占輸送碳的比例以及受控因素 等，都亟需進一步的深入研究。特別是真光層光合細菌，在有機碳充足條件下 營異養，將有機碳轉換為無機碳；在有機碳匱乏條件卜營自養，將無機碳轉換 為有機碳，更加劇烈問題的復雜性。而對上述問題的認識是了解海洋對碳封存 認識的關鍵，未來海洋碳循環的研究也將會主要集中在生物作用的領域。1.2 CO2排放對未來海洋碳循環的影響CO2的大量排放不僅造成了全球變暖，同時還造成了海洋酸化。全球變暖 已經引起了人們的廣泛關注，但海洋酸化直到近幾年才引起人們的重視。Byrne et al39首次在北太平洋地區水下500m范圍內

22、觀測到了海水酸化的現象，發現從1991到2006十五年的時間里，pH值下降了 0.06個單位。根據IPCC的預測，如 果人類排放CO2仍保持當前速度的話，那么到2100年大氣中將達到 450-900ppmv40（圖4）,海水pH值將較工業革命前下降0.3-0.4個單位41,42。由于pH值是使用H+濃度的負對數來表征的，pH每下降0.1個單位，H+濃度實際上增加了 0.3倍。本世紀末，海洋中H+濃度將會提高一倍，海洋將達到300萬年以來酸性程度最高的狀態41。全球變暖和海洋酸化成了 CO2排放引起的兩個重 大環境問題，都將對海洋碳循環的過程產生深遠的影響40,43oCO2 (g)二 CO2(a

23、q)co2 (aq) + HnO = H2CO3H2CO3 = H+ + HCO3HCO3 = H+ CO；5.5750+3.3人為排放59360.090928.5?g沽地植物610 +0.1圖1.2海洋碳循環過程引白陳泮勤2004 )F = kasApCO2In a s = -58.0931 + 90 .5069 () + 22 .2940 x 111( ) +5K100S0.027166 - 0.025888 () + 0.0050578 ()2100100海水怠戚度（TA）是指每克海水中；礦*,小（當ifi皮為251：時，M 子強度為。解離常數kwiir的弱槌解盛形成的堿）超過氨葛子給予

24、體（解爵常 &104J的酸）的摩爾數，單位為叩叫他在生物和生態學圳貧中，- 般取為單位，總硼度可表示為：TA= I 頃 /+2/COy 申&DH I 八MIT +/HP亡 /士HPO： /+/SiO/+ / AW J+ /7J- /-/?* 4 -（1）權中志離子濃度，省略號代表含母極低尾以.久略的弱酸， 生物在鈣化過程中發生了 F面的化學反應L頃” 也能“勺（2）從上面反應可頃看出，侮生成lCaCO3. TA會降任同時還釋放出Imol co,.雖然生物也在進行著呼吸，但生物呼吸釋放出的C6由于發生化學反應 （3）.因此呼吸不會改變水體的堿.度叫典類排泄活動會使水體中N、PU營養鹽濃度搟加,但

25、引起的TA變化極小，W忽 略不汁甄 因此可以通過封閉培養.測定培養前后水體的TA變化來估算鈣化速 率，此種方法稱為AlUhmty ano】mtlytech】uqiieL fE版外廣泛應用瑜副。句、 史類啊以及H：他海洋生物】鈣化速率的測定.因此櫛孔席此鈣化率G 3點%勺 可用公式 我示，”：4 -7：/G= i:共中TAiNlTA命別為培養前后水體的忘此受V為病水體體積（G；T為培養時間3） M為實險廚貝鮮重頃K由公式2可知.由鈣化反應形成HCaCOj,因此鈣化會引起水體中的溶 解無機破（DIC興勺 含扯下降；但是呼吸產生的CO?進入水體.而這部 水體DICE WI;升，因此水體DIC含此的變化是由呼吸利鈣化兩部分引起的.水 體DIC的變化可表示為:7T d DK - M叱.戶 W -（: 5）H：中ADIC為水體DIC的凈變化.ziDICk為吁吸引起的DIC變化,aDI%方鈣化引 起的DIC變化.DICnDIC網厝養前后的DIC/rite同時.aDICc訶表示為：（6）因此CQ呼吸率Rc可以表示為：工，瓦）心（以DIC+7&7由）fi, =:= （7 ）7*J/2.1 2實驗材料實驗所用扇具為浮筏養超扇于如09年2月取自青