北京時(shí)間12月7日凌晨，廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海洋與地球?qū)W院王為磊教授聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究人員在海洋生物碳泵研究領(lǐng)域取得最新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Biological carbon pump estimate based on multidecadal hydrographic data”為題發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊Nature。
該研究利用自主研發(fā)的逆向反演模式，推演出全球尺度海洋生物碳泵的分布格局，揭示了平流+擴(kuò)散輸出（包括混合層泵、潛沉泵和溶解有機(jī)碳擴(kuò)散輸出等）在全球生物碳泵及深層海洋碳收支中的重要作用，為全球變化背景下海洋碳匯的估算提供了重要參考。
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Nature還將擇期發(fā)表F. Primeau和王為磊教授受邀撰寫(xiě)的研究簡(jiǎn)報(bào)“Oceans can capture more carbon dioxide than previously thought”，該簡(jiǎn)報(bào)為對(duì)正文的科普性介紹。
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研究背景
海洋生物泵通過(guò)將有機(jī)碳從表層輸出到中深層海洋，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣二氧化碳的長(zhǎng)時(shí)間封存，是海洋碳匯過(guò)程的重要組成部分。然而，海洋生物碳泵涉及多個(gè)復(fù)雜過(guò)程，且多難以觀測(cè)和量化。目前，對(duì)海洋生物碳泵的直接觀測(cè)主要利用沉積物采集器，數(shù)據(jù)極為稀少，而基于地球系統(tǒng)模式和衛(wèi)星觀測(cè)的估算則存在較大分歧（5-12 Pg C yr?1）。因此，對(duì)海洋生物碳泵的準(zhǔn)確估量是目前氣候科學(xué)及地球科學(xué)研究所面臨的重大挑戰(zhàn)。
研究方法和創(chuàng)新點(diǎn)
本研究基于自主研發(fā)的海洋生物地球化學(xué)逆向反演模式，通過(guò)將海洋碳、磷和氧元素的循環(huán)進(jìn)行整合，建立了生物碳泵以及營(yíng)養(yǎng)鹽等參數(shù)（包括溶解無(wú)機(jī)磷DIP、溶解無(wú)機(jī)碳DIC、總堿度ALK、氧氣O2和溶解有機(jī)碳DOC）的反演關(guān)系（圖1）。主要的創(chuàng)新點(diǎn)在于，由水文參數(shù)的分布反推生物泵通量，避免了對(duì)海洋生物碳泵具體過(guò)程的直接模擬。這是由于當(dāng)前對(duì)生物泵具體過(guò)程的認(rèn)知不足且觀測(cè)數(shù)據(jù)少，易造成過(guò)度參數(shù)化和對(duì)同一過(guò)程的重復(fù)計(jì)算。而反推生物碳泵通量的理論支撐為：無(wú)論有機(jī)碳以何種路徑輸出，它必然影響水文參數(shù)的分布，如果能準(zhǔn)確模擬上述水文參數(shù)，便可以反推有總有機(jī)碳通量。
研究亮點(diǎn)
亮點(diǎn)1.
對(duì)海洋生物碳泵全球分布格局的可靠評(píng)估
本研究根據(jù)有機(jī)物的輸出形式將生物碳泵分為平流+擴(kuò)散碳輸出和非平流擴(kuò)散輸出（包括沉降顆粒有機(jī)碳（POC）重力泵、浮游動(dòng)物遷徙泵等具有顯著垂向輸送作用的過(guò)程）。其中，非平流擴(kuò)散輸出在模式真光層的全球通量為10.63±0.14 Pg C yr?1（圖2a）；平流+擴(kuò)散導(dǎo)致的半活性和活性DOC全球輸出通量為1.67±0.02和2.70±1.04 Pg C yr?1（圖2b, c）。全路徑的總有機(jī)碳（TOC）輸出在模式真光層的通量為15.00±1.12 Pg C yr?1（圖2d）（歸一化到100 m后為10.64±0.80 Pg C yr-1）。
以上估算結(jié)果得到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有力驗(yàn)證。反演模式模擬的非平流擴(kuò)散碳輸出結(jié)果與時(shí)間序列站由沉積物捕獲器得到的POC通量高度吻合（圖3a-d）。模式中全路徑總碳的輸出也與凈群落生產(chǎn)力（相當(dāng)于總有機(jī)碳輸出）在海盆尺度上的分布高度一致（圖3e, f）。
亮點(diǎn)2.
揭示平流+擴(kuò)散對(duì)有機(jī)碳輸出的重要影響
傳統(tǒng)上，平流+擴(kuò)散對(duì)碳輸出的貢獻(xiàn)是通過(guò)POC通量按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來(lái)推算。然而，在時(shí)間序列站的研究發(fā)現(xiàn)POC輸出只占凈群落生產(chǎn)力的一小部分。本研究發(fā)現(xiàn)，平流+擴(kuò)散輸出在部分區(qū)域的貢獻(xiàn)率可高于50%（圖 2e）。這些區(qū)域主要分布在中高緯度海洋，如亞熱帶的北大西洋和南大西洋、高緯度的北大西洋和南大洋輻合帶。研究還發(fā)現(xiàn)，如果考慮全路徑碳輸出，大洋中總碳輸出可以滿足中深層海洋呼吸作用的碳需求。
亮點(diǎn)3.
首次提出海洋生物碳泵的時(shí)間域分布
本研究進(jìn)一步從碳在海洋中的滯留時(shí)間角度，提供了光合作用生成的有機(jī)碳和由生物碳泵產(chǎn)生的再生DIC儲(chǔ)量對(duì)停留時(shí)間（τ）的分布函數(shù)（圖 4a），首次為生物碳泵提供了時(shí)間域視角。當(dāng)τ>3個(gè)月, 1年（圖 4 綠色區(qū)域）和3年時(shí)，有機(jī)碳總產(chǎn)率分別為11.09±1.02，8.25±0.30，和6.30±0.09 Pg C yr?1。總有機(jī)碳通量主要由停留時(shí)間較短的部分主導(dǎo)，表明大部分有機(jī)物生產(chǎn)在海洋中快速循環(huán)，并不會(huì)顯著影響再生 DIC 的儲(chǔ)庫(kù)（圖4b）。
亮點(diǎn)4.
為全球變化背景下海洋生物碳泵的潛在變化提供參考
研究發(fā)現(xiàn)，指征POC衰減速率的馬丁曲線指數(shù)b值與海表溫度的線性相關(guān)（圖5a）?？赡艿脑虬ㄝ^高的溫度促進(jìn)再礦化和增強(qiáng)水體層化等機(jī)制，而溫度隨緯度的梯度分布可以作為各過(guò)程的綜合指征物（proxy）。如果假定這一溫度依賴性在未來(lái)仍然存在，基于2099年RCP 8.5排放情景下的海洋溫度變化，預(yù)期全球變暖將導(dǎo)致有機(jī)物表層循環(huán)增強(qiáng)（圖5b中參數(shù)b值的增加），使更多的碳留在上層海洋和大氣中。
研究團(tuán)隊(duì)
王為磊教授為該論文的第一及通訊作者，美國(guó)加州大學(xué)歐文分校Fran?ois W. Primeau教授為共同通訊作者。美國(guó)加州大學(xué)歐文分校符偉偉（現(xiàn)復(fù)旦大學(xué)）和劉誼（現(xiàn)普林斯頓大學(xué)）博士、法國(guó)LEMAR海洋環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Frédéric A. C. Le Moigne研究員、美國(guó)新罕布什爾大學(xué)Robert T. Letscher教授以及廈門大學(xué)湯錦銘博士研究生作為共同作者一起參與了本研究。
【作者簡(jiǎn)介】王為磊教授長(zhǎng)期致力于海洋生物地球化學(xué)研究，在海洋逆模式開(kāi)發(fā)和海洋數(shù)據(jù)挖掘這一前沿領(lǐng)域取得了若干突破性進(jìn)展。近5年研究成果以第一或通訊作者發(fā)表在Nature（2篇）、Nature Communications、JGR-Biogeosciences、Biogeosciences等期刊。
文/圖：湯錦銘、陳蕾、王為磊
編輯：朱佳、蘇穎
審核：修鵬、劉志宇
排版：李秋凝
責(zé)編：張火火、曾浣浣
廈門大學(xué)黨委宣傳部出品
文章來(lái)源：公眾號(hào)“近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”
