中国大陆东南沿海地区的地表水、大气中的二氧化碳（pCO2）浓度以及海气通量：基于22年实地观测数据集的综合分析

《Progress in Oceanography》：Surface water pCO 2 and air-sea fluxes in the southeastern coast of Mainland China: Synthesis of a 22-year dataset of field observation

东南沿海大陆架空气-海面CO2通量季节变化及驱动机制研究。基于2001-2022年51次航次的pCO2及辅助参数分析，发现pCO2冬季最低（349±20 μatm），秋季最高（392±27 μatm），主要受垂直混合（冬季）和生物CO2吸收（夏季）调控。通量显示冬春为强碳汇（9.4±5.5、3.7±3.9 mmol m-2 d-1），夏季近平衡（-0.6±2.8），秋季转为源（3.8±7.0 mmol m-2 d-1）。

　　

作者：德志布（Dezhi Bu）、向辉国（Xianghui Guo）、魏东斋（Weidong Zhai）、许毅（Yi Xu）、戴民汉（Minhan Dai）

中国厦门大学海洋与地球科学学院海洋环境科学国家重点实验室，厦门361102

摘要

边缘海区的海气二氧化碳（CO₂）通量是全球海洋碳循环的重要组成部分。中国大陆东南沿海位于东海和南海北部大陆架之间，这两个区域都是二氧化碳的汇（即吸收二氧化碳的区域），因此该地区具有巨大的二氧化碳封存潜力，但针对这一区域的海气二氧化碳通量的研究非常有限。本研究整合了2001年至2022年间进行的51次海洋调查所得的海表层水二氧化碳分压（pCO₂）及相关辅助参数的数据，以估算海气二氧化碳通量。海表层水pCO₂表现出明显的时空变化特征：冬季最低（349 ± 20 μatm），春季逐渐升高（357 ± 21 μatm），夏季达到峰值（371 ± 35 μatm），秋季再次下降（392 ± 27 μatm）。寒冷季节中，海表层水pCO₂主要受垂直混合和冷却过程影响；而在温暖季节，则受到沿岸上升流和生物活动吸收二氧化碳的作用。海表水的pCO₂变化主要受这些物理过程驱动。研究表明，该地区在冬季和春季表现为中等到强的二氧化碳汇，通量分别为9.4 ± 5.5 mmol m^?2 d^-1和3.7 ± 3.9 mmol m^?2 d^-1；而在秋季则转变为二氧化碳源，通量为3.8 ± 7.0 mmol m^?2 d^-1。全年平均海气二氧化碳通量为-2.6 ± 6.8 mmol m^?2 d^{-1》，表明该地区全年总体上表现为弱到强的二氧化碳汇。海表层水与大气之间的pCO₂差异是调节海气二氧化碳通量季节变化的主要因素，风速也在一定程度上增强了冬季的二氧化碳汇效应。}

引言

边缘海作为连接陆地和开阔海洋的区域，是全球碳循环的重要组成部分（Cai, 2011; Thomas et al., 2004; Peter et al., 2025）。研究表明，边缘海每年贡献了全球海洋二氧化碳封存的10%-25%，尽管其表面积仅占全球海洋总面积的7%（Borges et al., 2005; Takahashi et al., 2009; Laruelle et al., 2010, Dai et al., 2013）。然而，目前对边缘海海气二氧化碳通量的估算仍存在较大不确定性（Dai et al., 2022; Borges and Frankignoulle, 1999; Hales et al., 2005, Evans et al., 2011）。尽管过去几十年在海气二氧化碳通量研究方面取得了进展，但全球边缘海海气二氧化碳通量的估算值仍集中在0.2至0.5 Pg Cyr^?1之间（Borges et al., 2005, Cai et al., 2006; Chen et al., 2013, Dai et al., 2013, Laruelle et al., 2018）。了解区域性的海气二氧化碳通量及其控制机制至关重要，这不仅有助于更准确地估算边缘海的碳通量，也有助于改进沿海海洋碳循环的建模。然而，边缘海中的物理-生物地球化学过程极其复杂，因此准确估算海气二氧化碳通量并揭示其控制机制面临诸多挑战（Hales et al., 2005）。 边缘海具有独特的物理、化学和生物特性，同时伴随着强烈的海洋-大气相互作用。这些特性使得边缘海的碳循环和海气二氧化碳交换过程更加复杂。此外，沿岸上升流会将富含二氧化碳和营养物质的深层水带到海表层，进一步影响边缘海的二氧化碳汇/源特性（Hales et al., 2005）。 中国大陆被渤海、黄海、东海和南海所环绕。关于黄海、东海和南海的研究相对较多（Zhai et al., 2005, Shim et al., 2007, Chou et al., 2009; Zhai et al., 2009; Chou et al., 2011, Tseng et al., 2011, Kim et al., 2013, Zhai et al., 2013, Guo et al., 2015, Li et al., 2020, Yang et al., 2021）。早在二十多年前，初步研究就已表明东海是大气二氧化碳的汇（Tsunogai et al., 1997, Tsunogai et al., 1999）。经过二十多年的研究，现已证实东海每年都是一个强二氧化碳汇（Tseng et al., 2011, Guo et al., 2015）。Zhai et al.（2013）和Li et al.（2020）基于2000年至2018年间的大量调查数据，对南海的海气二氧化碳通量进行了全面评估，指出南海北部大陆架每年是一个中等强度的二氧化碳汇。中国大陆东南沿海地区连接了这两个二氧化碳汇区域，具有较大的二氧化碳封存潜力，但相关研究仍然较为有限。 本研究整合了2001至2022年间在中国大陆东南沿海进行的51次海洋调查的数据，旨在揭示：（1）海表层水pCO₂和海气二氧化碳通量的季节性和空间变化特征；（2）不同季节中二氧化碳汇/源的变化情况；（3）中国大陆东南沿海各物理和生物地球化学特征区域的控制因素。

研究区域

中国大陆东南沿海地区呈条带状分布，沿海岸线呈东北-西南方向延伸（图1）。研究范围从珠江口东北部（116.5°E, 22.0°N）延伸至福建-浙江海岸（121.0°E, 26.5°N），途经台湾海峡。该地区地形复杂，台湾海峡中部存在一系列水下沙洲，形成了台湾浅滩，该区域的水深较为特殊。

海表温度（SST）和海表盐度（SSS）

从季节变化来看，海表温度（SST）在冬季最低，春季逐渐升高，夏季和初秋达到最高（图2）。从空间分布来看，SST从北向南逐渐增加，并且离岸区域SST更高。 在月尺度上，SST最低值出现在1月至2月，最高值出现在7月至8月。冬季和初春期间，低SST区域的影响较为显著；这种影响在10月再次显现（图2）。

结论

中国大陆东南沿海地区的海表层水pCO₂和海气二氧化碳通量表现出显著的时空变化：冬季最低（349 ± 20 μatm），春季升至357 ± 21 μatm，夏季达到371 ± 35 μatm，秋季降至392 ± 27 μatm。该地区在冬季和春季表现为中等到强的二氧化碳汇，通量分别为9.4 ± 5.5 mmol m^?2 d^-1和3.7 ± 3.9 mmol m^?2 d^-1；夏季则接近大气平衡状态，通量为-0.6 ± 2.8 mmol m^?2 d-1》。全年平均海气二氧化碳通量为-2.6 ± 6.8 mmol m^?2 d-1》，表明该地区全年总体上表现为弱到强的二氧化碳汇。

作者贡献声明

德志布（Dezhi Bu）：概念构思、数据整理、方法设计、数据可视化、初稿撰写及修订。 向辉国（Xianghui Guo）：概念构思、数据整理、资金筹集、研究设计、方法设计、初稿撰写及修订。 魏东斋（Weidong Zhai）：概念构思、数据整理、研究设计、数据可视化、初稿撰写及修订。 许毅（Yi Xu）：数据整理、研究设计、方法设计、初稿撰写及修订。 戴民汉（Minhan Dai）：资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 感谢“Jiageng”、“Yanping 2”、“Dongfanghong 2”、“Shiyan 3”和“Kexue 3”号调查船的船员、科研人员及首席科学家们在调查过程中的支持。同时感谢陈锡荣（Xirong Chen）、徐一铮（Yizheng Xu）、陈宝山（Baoshan Chen）、苏远城（Yuancheng Su）、陈贵（Gui Chen）、李燕（Yan Li）、刘金文（Jinwen Liu）和王毅（Yi Wang）在部分调查中的数据收集工作。本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：42141001和42188102）的支持。