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海洋固碳储碳机制研究

发布日期:2021-05-21

海洋吸收二氧化碳的主要机制包括“溶解度泵”(solubility pump,SP)、“碳酸盐泵”(carbonate pump,CP)、“生物泵”(biological pump,BP)及我国科学家新近提出的“微型生物碳泵”(microbial carbon pump,MCP)(图 1)。溶解度泵的原理在于 CO2 在海水中化学平衡及物理输运。尤其是低温和高盐造成的高密度海水在重力作用下携带通过海气交换所吸收的 CO2 输入到深海,进入千年尺度的碳循环,构成了海洋储碳(Raven and Falkowski,1999)。与溶解度泵相关联的碳酸盐泵主要基于海水 CO2 体系平衡和碳酸盐析出及沉降(Volk and Hoffert,1985)。值得注意的是 , 碳酸盐析出会放出等当量的 CO2,只有碳酸盐的沉积才构成储碳(Eldereld,2002)。生物泵指的是海洋中有机物生产、消费、传递等一系列生物学过程及由此导致的颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)由海洋表层向深海乃至海底的转移过程(Falkowski et al.,1998;Chisholm,2000)。生物泵的主要过程由浮游植物光合作用开始,沿食物链从初级生产者逐级向高营养级传递有机碳,并产生 POC 沉降,进一步将一部分碳长期封存到海洋中。生物泵对于海洋固碳与储碳至关重要,若无生物泵,大气 CO2 含量将比现在高出 200ppmv(1ppmv=1µl/L)(Parekh et al.,2006)。海洋生物泵研究自 20 世纪 80 年代启动至今已有 30余年历史,为海洋碳循环、储碳及海洋在气候变化中的作用做出了巨大的贡献,但海洋生物泵的研究仍然面临着许多难题。例如,如何完整地认识海洋生物泵?为什么生物泵通量沿水深增加会迅速衰减、减少的碳到哪里去了?为什么在“生物泵”机制尚未形成的新元古代, 地球海洋却积累了迄今为止已知的最大海洋有机碳库?河口等高生产力海域为什么常常是 CO2 的“源”(释放 CO2)而不是“汇”(吸收CO2)?针对这些难题,我国科学家紧跟国际蓝碳研究热点,经过多年的系统研究,逐渐认识到海洋生态系统中微型生物的重要作用,进而提出了全新的海洋储碳机制——海洋“微型生物碳泵”理论,在若干国际前沿发展方向上引领国际。

图 1 海洋固碳与储碳的主要过程(焦念志 , 2012

实际上,海洋对大气 CO2 的固定和储藏,主要是通过一系列生物介导的生态过程来实现。此前,人们熟知的海洋生物泵理论强调的是由海洋生物驱动的依赖于颗粒有机碳沉降和有机碳垂直转移的储碳机制。然而,几十年的研究积累使人们认识到,生物泵导致的颗粒有机碳向深海的输出是有限的,到达海底埋葬的有机碳量大约只有海洋初级生产力的 0.1%,绝大多数 POC 在沉降途中被降解呼吸转化成CO2。其实,海洋中的有机碳除了颗粒态之外,绝大部分以溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)形式存在,DOC 高达总有机碳的97%。而这其中约有 95% 的 DOC 是生物难以利用的惰性溶解有机碳(refractory dissolved organic carbon,RDOC)。巨大的海洋 RDOC 库(约 650×109 吨)可与大气 CO 总碳量相媲美,14C 同位素定年分析进一步表明,海洋中的 RDOC 年龄可达 4000 ~ 6000 年,构成了海洋的长期储碳。

基于以上的认识和近十年的深入研究,我国科学家提出海洋“微型生物碳泵(MCP)理论”,这一海洋储碳新机制揭示了海洋中数量巨大的微型生物产生 RDOC 是驱动海洋长期储碳的一个重要途径(图 2)。MCP 理论被发表在英国《自然》(Nature)子刊《自然——微生物学综述》(Nature Reviews Microbiology)上,并在其网站首页、期刊封面及目录作为亮点展示。自 MCP 理论发表以来,该文章持续被美国基本科学指标数据库(Essential Science Indicators,ESI)遴选为高引用率文章(单篇引用> 510 次)。美国 Science 杂志对 MCP 进行了专题报道,将 MCP 称为“巨大碳库的幕后推手”(Stone, 2010),并出版了有关 MCP 的 Science 增刊。MCP 理论也被不断补充, 得以解释了前述一系列科学迷题,在国际科学前沿成为研究热点,引领着新研究方向。近年来,有关 MCP 理论的创新研究主要体现在学科交叉和古今结合上,我国科学家在新兴交叉学科期刊《生物地球科学》(Biogeosciences)组织出版了 MCP 专刊(Jiao et al.,2014), 引领国内外同行深入研究,进一步突破了经典理论的束缚、阐释了MCP 产物RDOC 的时空属性,同时建立了经典生物泵与 MCP 的链接, 搭建了古今结合的桥梁,并指出全球变暖背景下 MCP 的相对重要性趋于增加。”随着全球变化问题的持续升温,海洋 RDOC 成为了一个越来越受关注的研究热点。我国科学家于 2015 年在 Science 杂志上的发表评述文章,以 MCP 理论建立了 RDOC 库形成的“稀释假说”和“生物惰性假说”的有机链接(Jiao et al.,2015),解释了早在 1968 年Nature 杂志就提及的“未解之谜”——深海RDOC 惰性机制(Barber, 1968),即深海 RDOC 库既有高度多样且稀释的有机分子,也有累积的结构惰性的有机碳组分,据此为未来海洋 RDOC 碳库的动态及气候效应提供新的理论基础。

图 2 微型生物碳泵与生物泵示意图(Jiao et al., 2010

鉴于 MCP 理论的重要性,国际海洋研究科学委员会(Scientic Committee on Oceanic Research,SCOR)专门设立了 MCP 科学工作组(2008 年),该科学工作组由我国科学家领衔,并由来自美洲、欧洲、亚洲 12 个国家的 26 名科学家成员组成;SCOR-MCP 工作组开展了一系列有重要国际影响的学术活动(2008 ~ 2012 年);国际海洋湖沼科学促进会(Association for the Sciences of Limnology and Oceanography, ASLO)遴选 MCP 为 4 个新兴前沿论题之一,并资助召开专题研讨会(2011 年);大型国际联合研究计划海洋生物地球化学与生态系统集成研究(Integrated Marine Biogeochemistry and Ecosystem Research, IMBER)遴选 MCP 为未来研究(从 10 年计划延续为 15 年计划)3 个战略研讨主题之一(2013 年),IMBER 开放科学大会总结中评选 MCP 为研究亮点(2014 年);北太平洋海洋科学组织(North Pacic Marine Science Organization,PICES)与世界最早建立的海洋科学组织——国际海洋考察理事会(International Council for the Exploration of the Sea, ICES)建立了以 MCP 为基点之一的 PICES-ICES 联合工作组,这是该组织建立 110 多年来第二个联合工作组(2015 年);久负盛名的国际学术品牌美国“戈登研究会”(Gordon Research Conferences,GRC)遴选 MCP 为“海洋生物地球化学论坛”(Ocean Biogeochemistry)开坛的 3 个主题之一(2016 年)。同时,我国科学家在微生物海洋学及海洋“微型生物碳泵”方面的原创性工作,曾两次获得“国家自然科学奖二等奖”(排名第一,2006 年和 2015 年)。这些都彰显了 MCP 理论及其研究的国际影响力,表明我国在该领域走在了国际前沿。

在 MCP 理论的基础上,我国科学家结合中国近海实际,创造性地提出了一个可检验、可实施的减排增汇生态工程策略,即减少陆地过度施肥,增加近海碳汇(Jiao et al.,2011)(图 3)。这是一种“陆海统筹” 观点,即合理减少农田土壤施用的氮、磷等无机化肥(目前我国农田施肥严重过量、大量流失),从而降低河流营养盐排放量,使微型生物在近海更加有效地转化产生惰性有机碳,并随后由海流带入大洋进行长期储碳。美欧科学家在各种自然环境中收集的统计资料及河流实验的结果都印证了这一创新性观点(Taylor and Townsend,2010)。“降低陆地施肥, 增加近海碳汇”是一个既现实可行又无环境风险的增汇途径,能够助力我国的陆海统筹生态工程,为生态补偿提供量化的科学依据。此增汇途径能够使低碳经济政策落到实处,促进海洋生态安全和生态文明建设, 实现生态系统的可持续发展,助推我国海洋强国战略目标的实现。

图 3 海洋微型生物碳泵理论及基于此的降低陆地施肥,增加近海碳汇示意图(Jiao et al., 2011