北京時間12月7日凌晨，廈門大學近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室、海洋與地球?qū)W院王為磊教授聯(lián)合國內(nèi)外研究人員在海洋生物碳泵研究領域取得最新進展。相關成果以“Biological carbon pump estimate based on multidecadal hydrographic data”為題發(fā)表于國際頂尖期刊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+擴散輸出（包括混合層泵、潛沉泵和溶解有機碳擴散輸出等）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的研究簡報“Oceans can capture more carbon dioxide than previously thought”，該簡報為對正文的科普性介紹。
論文內(nèi)容的可視化展示
研究背景
海洋生物泵通過將有機碳從表層輸出到中深層海洋，實現(xiàn)對大氣二氧化碳的長時間封存，是海洋碳匯過程的重要組成部分。然而，海洋生物碳泵涉及多個復雜過程，且多難以觀測和量化。目前，對海洋生物碳泵的直接觀測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)星觀測的估算則存在較大分歧（5-12 Pg C yr?1）。因此，對海洋生物碳泵的準確估量是目前氣候科學及地球科學研究所面臨的重大挑戰(zhàn)。
研究方法和創(chuàng)新點
本研究基于自主研發(fā)的海洋生物地球化學逆向反演模式，通過將海洋碳、磷和氧元素的循環(huán)進行整合，建立了生物碳泵以及營養(yǎng)鹽等參數(shù)（包括溶解無機磷DIP、溶解無機碳DIC、總堿度ALK、氧氣O2和溶解有機碳DOC）的反演關系（圖1）。主要的創(chuàng)新點在于，由水文參數(shù)的分布反推生物泵通量，避免了對海洋生物碳泵具體過程的直接模擬。這是由于當前對生物泵具體過程的認知不足且觀測數(shù)據(jù)少，易造成過度參數(shù)化和對同一過程的重復計算。而反推生物碳泵通量的理論支撐為：無論有機碳以何種路徑輸出，它必然影響水文參數(shù)的分布，如果能準確模擬上述水文參數(shù)，便可以反推有總有機碳通量。
研究亮點
亮點1.
對海洋生物碳泵全球分布格局的可靠評估
本研究根據(jù)有機物的輸出形式將生物碳泵分為平流+擴散碳輸出和非平流擴散輸出（包括沉降顆粒有機碳（POC）重力泵、浮游動物遷徙泵等具有顯著垂向輸送作用的過程）。其中，非平流擴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+擴散導致的半活性和活性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)場觀測數(shù)據(jù)的有力驗證。反演模式模擬的非平流擴散碳輸出結(jié)果與時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（相當于總有機碳輸出）在海盆尺度上的分布高度一致（圖3e, f）。
亮點2.
揭示平流+擴散對有機碳輸出的重要影響
傳統(tǒng)上，平流+擴散對碳輸出的貢獻是通過POC通量按經(jīng)驗系數(shù)來推算。然而，在時間序列站的研究發(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+擴散輸出在部分區(qū)域的貢獻率可高于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3.
首次提出海洋生物碳泵的時間域分布
本研究進一步從碳在海洋中的滯留時間角度，提供了光合作用生成的有機碳和由生物碳泵產(chǎn)生的再生DIC儲量對停留時間（τ）的分布函數(shù)（圖 4a），首次為生物碳泵提供了時間域視角。當τ>3個月, 1年（圖 4 綠色區(qū)域）和3年時，有機碳總產(chǎn)率分別為11.09±1.02，8.25±0.30，和6.30±0.09 Pg C yr?1。總有機碳通量主要由停留時間較短的部分主導，表明大部分有機物生產(chǎn)在海洋中快速循環(huán)，并不會顯著影響再生 DIC 的儲庫（圖4b）。
亮點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（圖5a）。可能的原因包括較高的溫度促進再礦化和增強水體層化等機制，而溫度隨緯度的梯度分布可以作為各過程的綜合指征物（proxy）。如果假定這一溫度依賴性在未來仍然存在，基于2099年RCP 8.5排放情景下的海洋溫度變化，預期全球變暖將導致有機物表層循環(huán)增強（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。
研究團隊
王為磊教授為該論文的第一及通訊作者，美國加州大學歐文分校Fran?ois W. Primeau教授為共同通訊作者。美國加州大學歐文分校符偉偉（現(xiàn)復旦大學）和劉誼（現(xiàn)普林斯頓大學）博士、法國LEMAR海洋環(huán)境科學實驗室Frédéric A. C. Le Moigne研究員、美國新罕布什爾大學Robert T. Letscher教授以及廈門大學湯錦銘博士研究生作為共同作者一起參與了本研究。
【作者簡介】王為磊教授長期致力于海洋生物地球化學研究，在海洋逆模式開發(fā)和海洋數(shù)據(jù)挖掘這一前沿領域取得了若干突破性進展。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
責編：張火火、曾浣浣
廈門大學黨委宣傳部出品
文章來源：公眾號“近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室”
