四十里灣海水碳循環(huán)體系現(xiàn)狀分析

摘要 以四十里灣的水質(zhì)為例，對該海域的海水碳循環(huán)體系進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)該海域海水當(dāng)前處于弱源狀態(tài)，綜合2015—2021年海水營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果，給出如下建議：將海水中無機(jī)碳各指數(shù)列為常態(tài)化監(jiān)測；擴(kuò)充海洋綜合人才隊(duì)伍建設(shè)；進(jìn)一步加強(qiáng)海洋環(huán)境的綜合治理狀況。

關(guān)鍵詞 碳中和；藍(lán)碳；海水碳循環(huán)體系；四十里灣

中圖分類號 X834 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）06-0049-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.014

Analysis on the Status Quo of Seawater Carbon Cycle System in Sishili Bay

WANG Xi

（Yantai Marine Environmental Monitoring & Forecasting Center，Yantai，Shandong 264003）

Abstract Taking the water quality of Sishili Bay as an example， a preliminary study of the seawater carbon cycle system in the sea area was carried out， and it was found that the sea water in this sea area was currently in a weak source state.Comprehensive monitoring of seawater nutrients from 2015 to 2021 as a result， the following conclusions were drawn：the index of inorganic carbon in seawater should be listed as normal monitoring;the construction of marine comprehensive talent team should be expanded;the comprehensive management of marine environment needs to be further strengthened.

Key words Carbon neutral;Bule carbon;Seawater carbon cycle system;Sishili Bay

2009年聯(lián)合國發(fā)布的《藍(lán)碳》報告指出，地球上有93%的二氧化碳儲存在海洋，但平均每年有2%～7%的藍(lán)色碳匯消失［1］，“藍(lán)碳”也正式走入大眾視野?！八{(lán)碳”又稱“藍(lán)色碳匯”或“海洋碳匯”，特指海洋活動及海洋生物吸收大氣中的二氧化碳，并將其固定、儲存在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的過程、活動和機(jī)制。煙臺海域的海水碳循環(huán)體系真實(shí)狀況的探索將成為煙臺在“藍(lán)碳”領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰是不可或缺的一環(huán)。海水中溶解有大量碳的化合物，其中無機(jī)碳的主要形式為H2CO3和CO2，二氧化碳－碳酸鹽體系參與大氣－海洋界面、海洋沉積物與海水界面以及海水介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)，它直接影響海洋中許多化學(xué)平衡。多年來，受溫室效應(yīng)對全球氣候的影響，海洋也作為大氣CO2的重要調(diào)節(jié)器［2］。該研究以四十里灣海域?yàn)樵圏c(diǎn)，對該海域的海水碳循環(huán)體系進(jìn)行初次研究，為今后煙臺在“藍(lán)碳”領(lǐng)域監(jiān)測工作的開展及“藍(lán)碳”交易工作提供支持。

1 研究區(qū)概況與分析方法

1.1 研究區(qū)概況 四十里灣海域（37°25′～37°37′N、120°21′～120°37′E）面積280 km2，海岸線長20 km，為耳狀半封閉型淺水灣。根據(jù)《煙臺市海洋功能區(qū)劃》，該海域主導(dǎo)功能為旅游、漁業(yè)資源利用和養(yǎng)護(hù)。目前，有逛蕩河、辛安河、魚鳥河三大主要入海河流，涵蓋省級及以上海洋牧場12個，海水浴場2個，是煙臺市重要發(fā)展建設(shè)的海灣之一。

1.2 樣品采集 2022年春季對煙臺四十里灣進(jìn)行海水樣品采集，調(diào)查站位如圖1所示紅色圓點(diǎn)。水溫、鹽度、pH等樣品采集按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378.4—2007）［3］規(guī)定的方法執(zhí)行，總堿度樣品采集按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763.4—2007）［4］規(guī)定的方法執(zhí)行。

1.3 分析方法 按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》［3］規(guī)定的方法，在調(diào)查海域現(xiàn)場測定水溫（t），將采集的海水水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析化驗(yàn)；使用SYA2-2型鹽度計測定鹽度（S）；用pH計測定調(diào)查海域海水pH；采用敞口式電位滴定法測定海水總堿度［5-6］。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水的pH與碳酸鹽體系

海水的pH變化幅度不大，大洋海水的pH一般在8.0左右，表層海水的pH通常穩(wěn)定在8.1±0.2，中、深層海水的pH一般在7.5～8.2［2］。四十里灣海域水深在7.2～15.3 m，如圖1藍(lán)色虛線表示。表層海水溫度8.4～11.5 ℃，底層海水溫度6.5～7.3 ℃，如圖1橘色線表示。表層海水pH最大值8.21，最小值8.12，平均值8.17；底層海水pH最大值8.19，最小值8.13，平均值8.16，如圖1黑色線表示。

由于不同水層承受壓力不同，壓力對溶液中的平衡常數(shù)也有影響，這個在二氧化碳參與的平衡中是不可忽略的，也是海水對大氣中的二氧化碳是匯還是源的重要參考依據(jù)，海水中整體碳酸鹽體系交換如圖3所示。 因此壓力對平衡常數(shù)的影響關(guān)系可以表達(dá)為：

計算過程中，直接引用海水碳酸鹽體系平衡的表觀常數(shù)K0′［9］、海水碳酸鹽體系平衡的表觀常數(shù)KB′［8］。在海水碳酸鹽體系的基本計算中，測得水溫（t）、pH、總堿度（TA），然后按照公式（1）至（8），則能得到四十里灣海域碳循環(huán)的基本狀況。

DIC的濃度在表層的最大值為2 997.094 μmol/kg，最小值為2 571.155 μmol/kg，平均值為2 687.808 μmol/kg；底層海水的最大值為2 628.039 μmol/kg，最小值為2 558.247 μmol/kg，平均值為2 605.849 μmol/kg。具體如圖4所示。

CHCO3-的濃度在表層的最大值為2 524.141 μmol/kg，最小值為2 390.574 μmol/kg，平均值為2 425.197 μmol/kg；底層海水的最大值為2 484.136 μmol/kg，最小值為 2 405.545 μmol/kg，平均值為2 456.841 μmol/kg。具體如圖5所示。

CCO32-的濃度在表層的最大值為160.880 μmol/kg，最小值為136.778 μmol/kg，平均值為150.066 μmol/kg；底層海水的最大值為132.119 μmol/kg，最小值為116.560 μmol/kg，平均值為123.861 μmol/kg。具體如圖6所示。

CCO2（T）的濃度在表層的最大值為25.593 μmol/kg，最小值為19.702 μmol/kg，平均值為21.831 μmol/kg；底層海水的最大值為27.175 μmol/kg，最小值為22.920 μmol/kg，平均值為25.146 μmol/kg。具體如圖7所示。

PCO2的濃度在表層的最大值為574.479 Pa，最小值為442.245 Pa，平均值為490.044 Pa；底層海水的最大值為513.102 Pa，最小值為432.754 Pa，平均值為474.790 Pa。具體如圖8所示。

2.3 四十里灣近年歷史數(shù)據(jù)對比 綜合來看，2022年春季四十里灣的pH在8.12～8.21，整體海域的均值在8.17。統(tǒng)計2015年以來該海域春季海水pH數(shù)據(jù)（2019、2020年未監(jiān)測），2015年pH在8.08～8.16，整體海域的均值在8.12；2016年pH在8.12～8.26，整體海域的均值在8.17；2017年pH在8.03～8.20，整體海域的均值在8.14；2018年pH在8.11～8.25，整體海域的均值在8.18；2021年pH在7.65～8.24，整體海域的均值在8.13?？梢钥闯龃杭驹摵Ｓ騪H 雖然變化不大，但仍存在小的波動（圖9），原因有人類環(huán)境治理、海洋生物活動以及溶解無機(jī)碳。在該海域范圍內(nèi)，2017年開展環(huán)境生態(tài)保護(hù)整治工作，對沿海防護(hù)林內(nèi)的違法養(yǎng)殖進(jìn)行拆除；2021年進(jìn)行第二輪環(huán)境生態(tài)保護(hù)整治工作，對養(yǎng)殖泡沫浮球進(jìn)行整改。這2次比較重要人類活動對當(dāng)年海域中的pH造成了輕微的降低，海水的自我綜合循環(huán)系統(tǒng)讓pH整體恢復(fù)。當(dāng)海洋生物的光合作用強(qiáng)于呼吸作用時，海水pH升高；反之，海水pH降低［7］，也是不同時節(jié)海洋生物的活動狀態(tài)對海水pH的影響因素之一。溶解無機(jī)碳是2022年首次獲得，在此不贅述兩者關(guān)系。

海水中的總堿度（TA）保持穩(wěn)定，海水溫度、壓力、海氣界面CO2的交換以及生物對CO2的吸收與釋放均不會對其有影響，但是鹽度、碳酸鈣的沉淀與溶解、氮的生物吸收和有機(jī)物在礦化過程中溶解無機(jī)氮的釋放會導(dǎo)致海水中總堿度的變化。

該海域2022年春季鹽度在29.395‰～30.221‰，整體海域的均值在29.762‰。為今后進(jìn)一步掌握該海域總堿度的變化，統(tǒng)計了2015年以來春季四十里灣海水鹽度（圖10）。2015年鹽度在30.864‰～31.529‰，整體海域的均值在31.362‰；2016年鹽度在31.527‰～31.840‰，整體海域的均值在31.675‰；2017年鹽度在31.835‰～32.212‰，整體海域的均值在32.013‰；2018年鹽度在31.479‰～32.606‰，整體海域的均值為32.051‰；2021年鹽度在30.668‰～31.258‰，整體海域的均值在31.050‰。2015—2018年鹽度逐年上升，2021—2022年急速下降。

2022年春季無機(jī)氮含量在0.126～0.244 mg/L，整體海域的均值在0.171 mg/L。統(tǒng)計2015年以來該海域春季海水營養(yǎng)鹽無機(jī)氮數(shù)據(jù)可得，2015年無機(jī)氮含量在0.143～0.452 mg/L，整體海域的均值在0.289 mg/L；2016年無機(jī)氮含量在0.016～0.093 mg/L，整體海域的均值在0.054 mg/L；2017年無機(jī)氮含量在0.089～0.269 mg/L，整體海域的均值在0.189 mg/L；2018年無機(jī)氮含量在0.116～0.576 mg/L，整體海域的均值在0.257 mg/L；2021年無機(jī)氮含量在0.013～0.196 mg/L，整體海域的均值在0.051 mg/L。可見，海水中的營養(yǎng)鹽無機(jī)氮的含量一直較為豐富。

3 討論與結(jié)論

1740—1997年大氣CO2濃度由27 Pa增加至369 Pa，截至2013年大氣中CO2濃度為405 Pa［11］。根據(jù)地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室－全球檢測實(shí)驗(yàn)室（earth system research laboratories-global monitoring laboratory）大氣二氧化碳水平測量結(jié)果顯示，二氧化碳含量水平達(dá)到了425.798 Pa［12］，此次初步研究中，該海域的表層海水PCO2表層的最大值為574.479 Pa，最小值為442.245 Pa，平均值為490.044 Pa，所以該海域整體表現(xiàn)為大氣CO2的弱源。

在海水中二氧化碳體系各分量的計算中，涉及海水碳酸鹽體系的參數(shù)有pH、TA、DIC、PCO2以及CHCO3-或CCO32-，測得其中兩項(xiàng)，則可以根據(jù)基本關(guān)系式（公式1～8）就可算出其他各項(xiàng)。該研究就是運(yùn)用pH和TA進(jìn)行的各量計算。且試驗(yàn)中采用敞口式電位滴定，受空氣中二氧化碳的影響，因而存在一定范圍的系統(tǒng)誤差。海水中保守陽離子和保守陰離子的電荷數(shù)差隨著鹽度的變化而變化，而實(shí)驗(yàn)室過程中樣品經(jīng)過冷藏保存，再恢復(fù)至室溫，樣品本身具有一定的揮發(fā)性，且試驗(yàn)中需要加入超純水補(bǔ)充體積完成測量，而這些過程會導(dǎo)致海水樣品中總堿度的變化。

該研究正是基于對碳中和［13］和碳交易［14］對我國重要性的理解，因此對煙臺近海海域——四十里灣為例開展調(diào)查，了解該海域的碳循環(huán)狀況，就當(dāng)下（2022年4月份）而言該海域是二氧化碳的弱源，即大氣中含有的二氧化碳有少部分是來源于海洋。如果想充分發(fā)揮海洋的碳匯作用，提出以下建議：①將海水中無機(jī)碳各指數(shù)列為常態(tài)化監(jiān)測。為更加詳細(xì)地掌握各地方已有海域的“藍(lán)碳”情況，各地方海洋監(jiān)測部門在其職能范圍內(nèi)，應(yīng)該將簡單的TA、DIC、海水中的Ca2+、Cl-等海水指標(biāo)納入可評估海水碳循環(huán)體系中，無機(jī)碳部分的監(jiān)測項(xiàng)目列入常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目，使得綜合評估后的海水碳循環(huán)狀況清晰明確，為海洋領(lǐng)域達(dá)到碳中和提供數(shù)據(jù)支撐。

②擴(kuò)充海洋人才隊(duì)伍建設(shè)。融合政策、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)、化學(xué)、生物等方面的綜合人才，在國家2030“碳達(dá)峰”及2060“碳中和”的宏觀戰(zhàn)略方針里，以知識為節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)為鏈接，用經(jīng)濟(jì)學(xué)思維，推動“藍(lán)碳”在“碳交易”市場化中的進(jìn)一步發(fā)展。

③進(jìn)一步加強(qiáng)海洋環(huán)境的綜合治理狀況。牢記習(xí)近平總書記“談海洋生態(tài)，為子孫后來留下一片碧海藍(lán)天 ”的指示精神，高度重視海洋生態(tài)文明建設(shè)，加強(qiáng)海洋環(huán)境污染防治，保護(hù)海洋生物多樣性，實(shí)現(xiàn)海洋資源有序開發(fā)利用［15］。恢復(fù)海洋碳循環(huán)體系的平衡，增強(qiáng)地球的“新陳代謝”。

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作者簡介 王曦（1989—），女，蒙古族，山東煙臺人，工程師，從事海洋環(huán)境監(jiān)測和政策分析。

收稿日期 2022-05-18；修回日期 2022-06-21