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天然水中的二氧化碳与溶解氧的关系


实验室k / 2018-06-29

    已经很清楚,天然水中的碳酸物质与溶解氧和pH具有密切的关系。最一般的情况是,溶解氧少的地方总二氧化碳增加,pH降低。

    首先,水中氧的增加是由大气的溶解和在植物体内的光合过程造成的。氧的减少主要是氧化和生物呼吸引起的。此外,溶解氧达到过饱和和状态时,一部分就逃逸到大气中。碳酸物质的增加是由于从大气的溶入、生物物的呼吸、含碳物质的氧化、有机化合物的嫌气分解以及碳酸钙等无机盐的溶解等造成的。其减少是由植物的光合、不溶性碳酸盐的沉淀、二氧化碳的生物化学固定以及向大气的逃逸等等造成的。
    氧经过呼吸或有机物的氧化,就生成相当量的二氧化碳,另一方面,二氧化碳经光合作用可以产生几乎等量的氧。其比值(O2/CO2)严格地说不等于1(尽管有1.21,1.23,1.1-1.2等等说法),但可以认为1是其近似值。
    因此,从原理上讲,为要求出由植物光合而产生的有机物生产量,不论以氧和总二氧化碳哪一方变化作基础,都应该得到同样的结果。为了测定海水中有机物的生产量,斯蒂曼・尼尔森( Steeman Nielsen,1962)首创用放射性碳的方法。另一方面赖利(G.P.Riley)等则根据溶解氧量的变化,测定了海水中有机物生产量。上述两种方法所得的值理应一致,但成问题的是赖利测得的值约为尼尔森测定值的10倍。其原因还不明确。在作者进行的用绿藻类所作的实验室研究中,由放射性碳和溶解氧法所得到的有机物生产量,几乎完全一致。原理上放射性碳法比溶解氧法优越,因此一般认为,赖利等所得值之所以过大,可能是由于浮游植物的光合和呼吸作用导致氧含量变化以外的还不明了的原因造成的。但是,在这种情况下,如果着眼于水中溶解氧与总二氧化碳的变化,那么两者间的当量关系可能大致还是成立的。
    在湖沼近表面,充分溶解了氧气,但在湖沼底附近则多形成所谓嫌气性环境,特别是在成层期,这种倾向尤其显著。在这种情况下,氧与二氧化碳的关系变得极其复杂。
    在缺乏氧的环境下,认为相对于1个分子氧,生成2个氧化碳分子,进而,在还原环境下,不要求氧,由有机物的生化分解往往生成二氧化碳碳。可以认为,相对于氧的消耗有当量以上的二氧化碳生成。
    对湖沼中碳酸物质的研究很多。在日本有营原对高须贺沼的研究,菅原、小山等对本崎湖溯、中纲湖的研究等等。
    他们在高须贺沼和本崎湖测定了总二氧化碳、pH和和水温的垂直分布以及年变化,并发现它们在成层期与循环期有显著的不同。
    海洋中除了像黑海那样的闭塞海区或沿岸性的封闭的浅海和海湾以及生产力特大的海区以外,其他区域直到海底都充分地溶解着氧气,所以作为整体构成氧化环境。于是,如果与湖沼比较,其氧与二氧化碳的关系是比较简单的。
    关于海洋中碳酸物质的溶解量,过去进行一些研究。这些测定结果指出,海水中二氧化碳的分压与大气中二氧化碳分压没有保持平衡。
    沃坦伯格(H.Wattenberg,1933)测定了各种深度下海水的比碱度,并认为它随深度而增大。他认为这是由于碳酸钙由海底沉积物中溶出所致。雷维尔( Revelle)测定了北太平洋表层水的比碱度,发现其值比大西洋表层水的值大。并且指出,北太平洋的高碱度与深层水和中层水的低氧含量相对应。莫伯格(E.G.Moberg,1934)等发现,碱度的垂直分布与钙的垂直分布十分相似。汤普森(T.G.Thompson)等测定了北太平洋华盛顿州外海直到2000米深的总二氧化碳,发现总二氧化碳随随深度而增加,其氯度比在10米处显示极小,并随深度增加。


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