第七章 海洋生物地化循环2

第七章海洋生物地化循环第七章海洋生物地化循环第一节海洋生态系统的分解作用P.274第二节海洋水层有机颗粒物的沉降与分解P279第三节沉积环境中有机物质的分解和营养盐再生P283第四节碳循环和海洋生物泵P287第五节营养物质循环P292海洋分解作用生物有机体所产生的死的有机物质包括排泄物以及尸体通过分解者生物的作用，逐渐降解成无机物，同时能量逐渐散失的过程。有机物质分解的过程1）沥滤阶段（Leachingphase）2）分解阶段（decompositionphase）3）耐蚀阶段（refractoryphase）海洋分解者类型细菌微型食植者有机凝聚体后生动物海洋微型生物食物环（microbialfoodloop）：•海洋中溶解的有机物被异养型细菌摄取，形成异养细菌—原生动物－桡足类的摄食关系。P264•原生动物在微型食物环中的作用。底栖－水层系统耦合（benthic-pelagiccoupling）：海洋生态系统通过能流和物流的传递而将水层系统和底层系统融合为一体的各种相互作用的过程。思考题（预习）营养物质海洋地球化学循环的作用？海洋生物泵与温室效应的关系。查阅JohnMartin'sironhypothesis海洋S循环与全球气候的关系。第七章海洋生物地化循环第一节海洋生态系统的分解作用P.274第二节海洋水层有机颗粒物的沉降与分解P279第三节沉积环境中有机物质的分解和营养盐再生P283第四节碳循环和海洋生物泵P287第五节营养物质循环P2924.1碳的生物地球化学循环光合作用CO2植物有机物消费者食物链传递分解者分解CO2和CH4呼吸作用呼吸作用1）C循环途径第一途径第二途径2）海洋生物泵（biologicalpump）海洋生物泵：由有机物生产、消费、传递、沉降和分解等一系列生物过程构成的碳从表层向深层的转移，称为海洋生物泵。海洋生物泵CO2转化为有生命的POC，然后再转移到大型动物。各级动物产生的粪团等非生命POC向下沉降。浮游动物的垂直洄游。溶解有机物一部分无机化进入再循环，其余被异养微生物利用后通过微型食物网进入主食物网，并可能成为较大的沉降颗粒。向深层的转移海洋生物固定的C生物泵的作用如果没有生物泵的作用，大气和海洋表层的CO2分压将很快达到平衡。海洋生物泵可以使表层CO2分压低于大气CO2分压，从而使大气CO2得以进入海洋。人类活动释放到大气中的碳：(50～60)×108tC/a全球海洋初级生产力的固碳能力：300×108tC/a全球海洋净吸收CO2约为：30×108tC/a由于人为原因释放到大气的CO2约有一半被海洋吸收。4.2海洋生物泵对大气CO2吸收作用1）海洋初级生产者的固C作用海洋是地球上最大的碳库，海水中的碳是大气中的50倍。但是浮游植物固定的C大部分在真光层被循环利用了，只有一小部分通过生物泵的下沉而由大气补充。单位为Gt1Gt＝109t碳酸盐泵：生物死亡后，含碳酸钙成分的外壳或骨骼就沉降到海底，造礁珊瑚也构成大量的碳酸钙沉积，这些过程都实现碳的向下转移，并使碳离开生态系统的再循环。经过长期积累，已有5×1016t的CO2以石灰石的形式存在于海洋中。钙板金藻类（Coccolithophorids）Coccolithophoresaresmallmarinephytoplanktonwhichformverythinexternalcalciumcarbonatescales,calledcoccoliths.Coccolithsformmultiplelayersaroundeachphytoplanktonandeventuallydetachfromit.Althougheachindividualcoccolithophoreismicroscopicinsize,coccolithophoresarethelargestsourceofcalciumcarbonate(CaCO3)onEarth.Themostabundantofthecoccolithophorespeciescanoftenbefoundfromtropicaltosub-Arcticregions,andfurthernorthintoregionswithwatertemperatureslessthan0degreesCentigrade.Coccolithophoridblooms2）可燃冰可燃冰：沉积在海底的CO2被还原细菌分解，产生的CH4在海底低温高压情况下，形成白色固体状天然水化物，称为“可燃冰”。P288约由1.2×1016t的C以有机沉积物的形式存在，其中大部分以可燃冰的形式存在。4.2海洋生物泵对大气CO2吸收作用可燃冰是在水分子中锁定了一个甲烷分子，是一种天然气水合物，80%―99.9%为甲烷，呈冰的状态；可燃冰只在温度低于7℃、压力高于50个大气压下方稳定，因此主要在上陆坡下埋深数百米处蕴藏。一旦温度、压力变化，天然气水合物会立刻分解，变成水和甲烷；1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，因此可燃冰是甲烷的天然储库；全球的可燃冰储量可供人类使用1000年。海底可燃冰可燃冰燃烧1960年，前苏联在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏，并于1969年投入开发，采气14年，总采气50.17亿立方米。美国于1969年开始实施可燃冰调查。1998年，把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划，计划到2015年进行商业性试开采。日本关注可燃冰是在1992年。目前，已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价，钻探了7口探井，圈定了12块矿集区，并成功取得可燃冰样本。它的目标是在2010年进行商业性试开采。国际大洋钻探计划先后两次钻探了深海海底的天然气水合物，一次是1992年在加拿大西岸外，一次是1995年在美国东岸外。美国岸外布莱克海台的钻探结果可燃冰含量占沉积层孔隙的2-7%。据估算，美国东南大陆边缘约10万平方公里的海底可以储有四百亿吨甲烷。全球可望有十万亿吨的碳呈这种形式储藏，相当于全部其他矿物燃料含碳量的两倍。把人类已经用掉的和还没有用开发的石油、煤、天然气加在一起，还赶不上可燃冰有机碳总含量的一半。单位：Gt＝109t世界可燃冰资源分布日中德专家26人于2004年6月6月2日至7月13，乘坐“太阳号”科学考察船，联合在我国南海北部陆坡执行南中国海天然气水合物调查。得出：世界上规模最大的“可燃冰”分布区在南海北部陆坡东沙群岛以东海域，其面积约为430平方公里。分布区域水深范围分别为550-650米和750-800米，命名为“九龙甲烷礁”。可燃冰项目历时9年，累计投入5亿元。2007年3月30日，广州海洋地质调查局“海洋四号”科学考察船赴我国南海北部海域进行可燃冰考察。2007年5月1日凌晨在南海北部的首次采样成功，证实了南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源。成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。气体中甲烷含量99.8％，南海北部陆坡天然气水合物远景资源量可达上百亿吨油当量。在未来十年，我国将投入8.1亿元对这项新能源的资源量进行勘测，有望到2008年前后摸清可燃冰家底，2015年进行可燃冰试开采。可燃冰的开采是一柄“双刃剑”！甲烷与CO2一样，也是一种温室气体，但是甲烷的温室效应几乎是CO2的10倍。如果埋藏在海底下面的天然气水合物突然释放出来，就可以在短时期大幅度改变大气中的温室气体含量，引起气候突然变化；平时海底少量放出的甲烷气也可以在海水层中形成甲烷“柱”，在释出区形成特殊的海底生物群。3）海洋新生产力P290新生产力：利用真光层以外的C作为C源的那部分海洋初级生产力。包括大气中的C和深海层以及沉积物中的C。以新生产力对总生产力的比例（f比）来评价海洋对陆地C的固定作用。f比为0.05－0.15之间，在贫瘠的海区可小于0.05，而在南大洋的水华期间可达0.8。4.2海洋生物泵对大气CO2吸收作用•南大洋的C沉降主要是磷虾的粪便以及磷虾蜕皮所造成的沉降。•在南大洋水华期间，新生产力可达50－80％。4）海洋C循环大气CO2碳酸氢盐和碳酸盐游离溶解CO2游离溶解CO2钙化作用CaCO3浮游动物和游泳动物细菌分解深海沉积物浮游植物光合作用溶解和颗粒性碎屑CaCO3骨骼底栖生物呼吸呼吸呼吸溶解碳循环的基本图解可燃冰4.3提高海洋初级生产力的途径马丁理论（theironhypothesis）JohnMartin(1935-1993)“Givemeahalftankerofiron,andIwillgiveyouaniceage.”ThishypothesiswasfirstproposedbyJohnMartinoftheMossLandingLaboratoryintheUSAinthelate1980s,afterthedevelopmentoftechnologywhichenabledthemeasurementofCO2concentrationsinancientairtrappedinicecores.ThisallowedscientiststoshowthatCO2concentrationsaslowas200ppmoccurredduringthelastglacialperiod.Thisshouldbecomparedtotheinterglacialperiodof280ppmCO2.Thisrepresentsachangeofapproximately170billiontonesofcarbonintheearth’satmosphere.ForachangeofthismagnitudetooccuritwassuggestedthatchangesintheCO2intheoceanmusthavealsooccurredasthereisapproximately60timesmoreCO2intheoceanthanintheatmosphere.Nitrogen(N),phosphorus(P)andSilicon(Si)isamajornutrientrequirementforphytoplanktons.WhyphytoplanktonneedFeFeisrequiredforefficientphotosynthesis,asphotosystemIIrequires2atomsofFe.InlowdissolvedFeconditionsinactivationofphotosystemIIcanbeashighas50%.Feisalsorequiredbyanumberofenzymesincludingnitratereductase.IncellswithanadequateFesupplytheratioofcellcarbon:cellFe(C:Fe)isapproximately10000:1,incomparisontoaratioof100000:1whenFeislimitinggrowth.Whywasthebiologicalpumpsoactiveinthelastglacialperiod?Largeareasoftheworld’soceanhavehighconcentrationsofmajornutrientstosupportphytoplanktongrowth,yetphytoplanktonbiomassislow.TheFehypothesisproposesthatthephytoplanktongrowthandbiomassintheseareasoftheoceanarelimitedbytheconcentrationofdissolvedFeinthewater.Whywasthebiologic