讲座6-高CO2环境下的海洋生态系课件

高高CO2环境下的海洋生态系环境下的海洋生态系海洋化学进展海洋化学进展讲座讲座6 6陈陈 敏敏厦门大学海洋与环境学院厦门大学海洋与环境学院高CO2环境下的海洋生态系海洋化学进展讲座6陈 敏生物灭绝生物灭绝珊瑚白化珊瑚白化（Bellwood等，等，nature,2004）地区干旱地区干旱全球变暖的可能危害：全球变暖的可能危害：观测结果观测结果飓风强度加强飓风强度加强（Webster等，等，Science,2005）冰川融化冰川融化（Doake等，等，Nature,1998）生物灭绝珊瑚白化地区干旱全球变暖的可能危害：观测结果飓风强度全球变暖的可能危害：全球变暖的可能危害：模型预测模型预测海平面上升海平面上升区域冰封区域冰封四季紊乱四季紊乱全球变暖的可能危害：模型预测海平面上升区域冰封四季紊乱食物链食物链/渔业渔业沉积物沉积物海洋生物地球化学过程海洋生物地球化学过程大气相关组分大气相关组分:CO2,DMS,CH4,N2O,环流环流,温度温度,光照，光照，大气沉降大气沉降,海洋海洋大气大气陆圈陆圈气候气候气候变化：陆气候变化：陆-海海-气相互作用气相互作用食物链/渔业沉积物海洋生物地球化学过程大气相关组分:环温度变化温度变化(C)02461850 1900 1950 2000 2050 2100气温对大气气温对大气CO2增加的响应增加的响应IPCC，2001温度变化02461850 1900 1950 降雨量对大气降雨量对大气CO2增加的响应增加的响应降雨量变化降雨量变化(%)03691850 1900 1950 2000 2050 2100IPCCIPCC，20012001降雨量对大气CO2增加的响应降雨量变化03691850 1850 1900 1950 2000 2050 2100北大西洋深层水形成的最大变辐北大西洋深层水形成的最大变辐(%)-15-55大西洋深层水形成对大气大西洋深层水形成对大气CO2增加的响应增加的响应1850 1900 1950 驱动因子驱动因子大气大气 pCO2温度温度环流（平流和扩散）环流（平流和扩散）光强光强大气沉降大气沉降河流输入河流输入 海洋生物地球化学过程海洋生物地球化学过程碳循环碳循环O2 循环循环营养盐循环营养盐循环初级生产力初级生产力生态系结构生态系结构海洋生物地球化学过程的影响因子海洋生物地球化学过程的影响因子驱动因子大气 pCO2海洋生物地球化学过程碳循环海洋生物地球大气大气 pCO2的影响的影响大气大气 pCO2温度温度环流（平流和扩散）环流（平流和扩散）光照光照大气沉降大气沉降河流输入河流输入 碳循环碳循环O2 循环循环营养盐循环营养盐循环初级生产力初级生产力生态系结构生态系结构大气 pCO2的影响大气 pCO2碳循环海洋环流的影响海洋环流的影响大气大气 pCO2温度温度环流（平流和扩散）环流（平流和扩散）光照光照大气沉降大气沉降河流输入河流输入 碳循环碳循环O2 循环循环营养盐循环营养盐循环初级生产力初级生产力生态系结构生态系结构海洋环流的影响大气 pCO2碳循环大气沉降的影响大气沉降的影响大气大气 pCO2温度温度环流（平流和扩散）环流（平流和扩散）光照光照大气沉降大气沉降河流输入河流输入 碳循环碳循环O2 循环循环营养盐循环营养盐循环初级生产力初级生产力生态系结构生态系结构大气沉降的影响大气 pCO2碳循环pCO2的直接效应：的直接效应：pH的变化的变化DIC的增加导致海水的酸化的增加导致海水的酸化表层水表层水pH值的变化（值的变化（2099-工业革命前）工业革命前）+0.5+0.3-0.3-0.5pCO2的直接效应：pH的变化DIC的增加导致海水的酸化表层CaCO3产生量的变化产生量的变化(%)（2200 工业革命前）工业革命前）海水酸化对海水酸化对CaCO3形成的影响形成的影响pCO2的直接效应：的直接效应：pH的变化的变化CaCO3产生量的变化(%)（2200 工业革命前）海水酸海洋物理环境的变化：海洋物理环境的变化：层化作用层化作用MML,2075-Present最大混合深度变浅最大混合深度变浅-1000+1000+100+100-10-100(m)海洋物理环境的变化：层化作用MML,2075-Presen层化作用变化的机制层化作用变化的机制+1000+100+100-10-100(m)80S40S040N80N(psu)(C)D Mixed LayerD SSSD SST80S40S040N80N层化作用变化的机制+1000+100+100-10-100(海洋海洋CO2汇强度的变化汇强度的变化气候变化降低海洋气候变化降低海洋CO2 的汇强度的汇强度气候变气候变化效应化效应 海洋CO2汇强度的变化气候变化降低海洋CO2 的汇强度气候变4 pCO2条件下海洋条件下海洋CO2 汇强度的变化汇强度的变化 gC m-2 a-1Decrease sinkIncrease sink4pCO2条件下海洋CO2 汇强度的变化 gC m-2 a热变化热变化环流变化环流变化碳循环的重新构建碳循环的重新构建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：层化作用阻止人类来源层化作用阻止人类来源CO2的穿透的穿透 海洋海洋CO2汇强度变化的机制汇强度变化的机制热变化环流变化碳循环的重新构建Joos 99(GtC/a,过去过去40年中全年中全球海洋许多海球海洋许多海域域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循环的变化：循环的变化：观测结果观测结果东热带北大西洋东热带北大西洋中心赤道大西洋中心赤道大西洋东热带南大西洋东热带南大西洋东赤道太平洋东赤道太平洋中心赤道太平洋中心赤道太平洋东赤道印度洋东赤道印度洋Stramma等，等，2008过去40年中全球海洋许多海域O2含量降低。(Emerson等未来几十年海水未来几十年海水O2浓度降低将更明显浓度降低将更明显(Bopp等，等，2002；Plattner等，等，2002；Matear等，等，2000,)Depth2100-Present海洋海洋O2循环的未来变化：循环的未来变化：模型结果模型结果未来几十年海水O2浓度降低将更明显(Bopp等，2002；100m DO(m mmol/l)2100年缺氧年缺氧/亚亚氧区增加氧区增加30%赤道太平洋赤道太平洋O2循环的可能变化循环的可能变化100m DO(mmol/l)2100年缺氧/亚氧区增加层化作用加强导致水体的垂向交换减弱层化作用加强导致水体的垂向交换减弱海洋海洋O2循环变化的主要机制循环变化的主要机制0 m300 m 0 m300 m SEC赤道太平洋赤道太平洋3S温度和海流温度和海流温度和海流变化温度和海流变化(2090-1990)南赤道流：变浅变弱南赤道流：变浅变弱 温暖富氧的水体难以抵达次表层温暖富氧的水体难以抵达次表层层化作用加强导致水体的垂向交换减弱海洋O2循环变化的主要机制2100-1990海洋初级生产力的变化海洋初级生产力的变化2100-1990海洋初级生产力的变化Zonal Mean(2100-1990)全球降低全球降低（-5/10%），但高纬，但高纬度海域增加度海域增加（+20/30%）海洋初级生产力的变化海洋初级生产力的变化Zonal Mean全球降低（-5/10%），但高纬度海域海洋层化作用加强海洋层化作用加强表层营养盐表层营养盐 -5 to 10%高高/低纬度海域低纬度海域的效应不同的效应不同更长的生长季节更长的生长季节+10 days寡营养海域面积增加寡营养海域面积增加 1xCO22xCO2-1xCO2海洋初级生产力的变化机制海洋初级生产力的变化机制海洋层化作用加强表层营养盐 高/低纬度海域的效应不同更长的生-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2硅藻相对丰度降低硅藻相对丰度降低海洋生态系结构的变化：海洋生态系结构的变化：硅藻硅藻Bopp(2001)2090-1990-1+1+0.02-0.02-0.2+0.2 硅藻相对丰度降低中国近海海域浮游植物多样性的时间变化中国近海海域浮游植物多样性的时间变化l浮游植物多样性的变化：浮游植物多样性的变化：多多样性下降，生物量上升，种样性下降，生物量上升，种类组成结构和优势种发生更类组成结构和优势种发生更替，优势种群个体微型化。替，优势种群个体微型化。中国近海海域浮游植物多样性的时间变化浮游植物多样性的变化：多中国近海海域浮游植物多样性的时间变化中国近海海域浮游植物多样性的时间变化l浮游植物群落结构的演变：浮游植物群落结构的演变：过去常可观察到的一些外海种，过去常可观察到的一些外海种，特别是个体较大、偏冷水性种类的优势基本消失，取而代之特别是个体较大、偏冷水性种类的优势基本消失，取而代之的是个体较小的广温广盐性种类。浮游植物群落整体呈种间的是个体较小的广温广盐性种类。浮游植物群落整体呈种间个体数量分布不均、某些种类优势度特别突出的特点；暖水个体数量分布不均、某些种类优势度特别突出的特点；暖水性物种数量增多。性物种数量增多。中国近海海域浮游植物多样性的时间变化浮游植物群落结构的演变：层化作用层化作用 营养盐提供营养盐提供 硅酸盐和硅酸盐和Fe限制限制 硅藻丰度硅藻丰度 硅藻丰度变化的机制硅藻丰度变化的机制层化作用 硅藻丰度变化的机制Boyd and Doney(2002)固氮作用加强固氮作用加强海洋生态系结构的变化海洋生态系结构的变化：固氮作用：固氮作用Boyd and Doney(2002)固氮作用加强海洋生 大气沉降通量对全球变化反应灵敏大气沉降通量对全球变化反应灵敏Mahowald和和Luo(2003)：大气沉降通量变化：大气沉降通量变化-20/-60%Tegen等等(2004)：大气沉降通量变化：大气沉降通量变化+10/-25%变化机制：变化机制：大气沉降物源大气沉降物源 陆地使用陆地使用 CO2施肥效应施肥效应 气候变化气候变化输送过程输送过程大气沉降的变化大气沉降的变化 大气沉降通量对全球变化反应灵敏Mahowald和Luo(-0.5+0.5+0.1-0.1-0.5+0.5+0.1-0.1大气沉降通量大气沉降通量x2(20 yr)大气沉降通量变化对海洋生态系的影响大气沉降通量变化对海洋生态系的影响大气沉降通量变化对大气沉降通量变化对Chla(mg/m3)的影响的影响大气沉降通量大气沉降通量/2 (20 yr)-0.5+0.5+0.1-0.1-0.5+0.5+0.1-0在高在高CO2 环境下，海洋将变得：环境下，海洋将变得：更加酸化更加酸化层化作用加强层化作用加强更加贫营养，但更好的光照条件更加贫营养，但更好的光照条件 更少的氧气更少的氧气但不确定性仍然存在，特别是：但不确定性仍然存在，特别是：海洋物理场变化（混合？南大洋环流？）海洋物理场变化（混合？南大洋环流？）大气沉降变化大气沉降变化 生态系结构的营养生态系结构的营养 小小 结结在高CO2 环境下，海洋将变得：更加酸化但不确定性仍然存在，