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北京时间2023年12月7日凌晨，厦门大学海洋与地球学院、近海海洋环境科学国家重点实验室王为磊教授联合国内外研究人员在海洋生物碳泵研究领域取得最新进展。相关成果以“Biological carbon pump estimate based on multidecadal hydrographic data”为题发表于国际顶尖期刊Nature。4 j$ _ P8 Y& C! t; S' L* L6 L
该研究利用自主研发的逆向反演模式，推演出全球尺度海洋生物碳泵的分布格局，揭示了平流+扩散输出（包括混合层泵、潜沉泵和溶解有机碳扩散输出等）在全球生物碳泵及深层海洋碳收支中的重要作用，为全球变化背景下海洋碳汇的估算提供了重要参考。8 y8 W6 n) _# L3 c( i# y0 {
Nature还将择期发表F. Primeau和王为磊教授受邀撰写的研究简报“Oceans can capture more carbon dioxide than previously thought”，该简报为对正文的科普性介绍。
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% ]* ] ^/ W0 x6 {△论文内容的可视化展示0 `/ `3 V2 ^+ p Z- u0 k7 ~) |
研究背景
5 m+ x0 W, V: o7 N* F' \ n海洋生物泵通过将有机碳从表层输出到中深层海洋，实现对大气二氧化碳的长时间封存，是海洋碳汇过程的重要组成部分。然而，海洋生物碳泵涉及多个复杂过程，且多难以观测和量化。目前，对海洋生物碳泵的直接观测主要利用沉积物采集器，数据极为稀少，而基于地球系统模式和卫星观测的估算则存在较大分歧（5-12 Pg C yr−1）。因此，对海洋生物碳泵的准确估量是目前气候科学及地球科学研究所面临的重大挑战。8 E/ B Y, M5 N0 i
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研究方法和创新点
) T" G% \: U- }" E+ u* c2 o( c本研究基于自主研发的海洋生物地球化学逆向反演模式，通过将海洋碳、磷和氧元素的循环进行整合，建立了生物碳泵以及营养盐等参数（包括溶解无机磷DIP、溶解无机碳DIC、总碱度ALK、氧气O2和溶解有机碳DOC）的反演关系（图1）。主要的创新点在于，由水文参数的分布反推生物泵通量，避免了对海洋生物碳泵具体过程的直接模拟。这是由于当前对生物泵具体过程的认知不足且观测数据少，易造成过度参数化和对同一过程的重复计算。而反推生物碳泵通量的理论支撑为：无论有机碳以何种路径输出，它必然影响水文参数的分布，如果能准确模拟上述水文参数，便可以反推有总有机碳通量。. \& g& t4 ^: `$ R- Z9 H0 h
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研究亮点$ G- a5 \; r5 U1 f
亮点1.9 ^( ?0 e! c( O) e( r' y2 k- V
对海洋生物碳泵全球分布格局的可靠评估' m% d, H+ K' C" e( d; c* w
本研究根据有机物的输出形式将生物碳泵分为平流+扩散碳输出和非平流扩散输出（包括沉降颗粒有机碳（POC）重力泵、浮游动物迁徙泵等具有显著垂向输送作用的过程）。其中，非平流扩散输出在模式真光层的全球通量为10.63±0.14 Pg C yr−1（图2a）；平流+扩散导致的半活性和活性DOC全球输出通量为1.67±0.02和2.70±1.04 Pg C yr−1（图2b, c）。全路径的总有机碳（TOC）输出在模式真光层的通量为15.00±1.12 Pg C yr−1（图2d）（归一化到100 m后为10.64±0.80 Pg C yr-1）。" ~- g E9 @7 ^' b
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以上估算结果得到现场观测数据的有力验证。反演模式模拟的非平流扩散碳输出结果与时间序列站由沉积物捕获器得到的POC通量高度吻合（图3a-d）。模式中全路径总碳的输出也与净群落生产力（相当于总有机碳输出）在海盆尺度上的分布高度一致（图3e, f）。) L( x4 p, l1 B3 `. r4 K
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9 M2 g! s0 s1 }6 Z; k% X$ }1 M4 F亮点2.' h( c! w3 E. L5 x. u; V
揭示平流+扩散对有机碳输出的重要影响) X r" P: F, k6 G T. R
传统上，平流+扩散对碳输出的贡献是通过POC通量按经验系数来推算。然而，在时间序列站的研究发现POC输出只占净群落生产力的一小部分。本研究发现，平流+扩散输出在部分区域的贡献率可高于50%（图 2e）。这些区域主要分布在中高纬度海洋，如亚热带的北大西洋和南大西洋、高纬度的北大西洋和南大洋辐合带。研究还发现，如果考虑全路径碳输出，大洋中总碳输出可以满足中深层海洋呼吸作用的碳需求。, [) ?$ n. e2 k5 I( Z
亮点3.
8 P7 d; ]9 W/ ~首次提出海洋生物碳泵的时间域分布
8 X7 f6 D8 t+ ~3 m, ~本研究进一步从碳在海洋中的滞留时间角度，提供了光合作用生成的有机碳和由生物碳泵产生的再生DIC储量对停留时间（τ）的分布函数（图 4a），首次为生物碳泵提供了时间域视角。当τ>3个月, 1年（图 4 绿色区域）和3年时，有机碳总产率分别为11.09±1.02，8.25±0.30，和6.30±0.09 Pg C yr−1。总有机碳通量主要由停留时间较短的部分主导，表明大部分有机物生产在海洋中快速循环，并不会显著影响再生 DIC 的储库（图4b）。
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亮点4.
( S, @, o+ G/ @+ [1 O3 ?! w为全球变化背景下海洋生物碳泵的潜在变化提供参考* O5 f1 Z9 u5 V) d" R$ y6 A4 Z
研究发现，指征POC衰减速率的马丁曲线指数b值与海表温度的线性相关（图5a）。可能的原因包括较高的温度促进再矿化和增强水体层化等机制，而温度随纬度的梯度分布可以作为各过程的综合指征物（proxy）。如果假定这一温度依赖性在未来仍然存在，基于2099年RCP 8.5排放情景下的海洋温度变化，预期全球变暖将导致有机物表层循环增强（图5b中参数b值的增加），使更多的碳留在上层海洋和大气中。
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1 J# ]4 }: t5 A: x" _/ i8 p# v( F研究团队4 q* n* B" @6 Y% s1 f
王为磊教授为该论文的第一及通讯作者，美国加州大学欧文分校François W. Primeau教授为共同通讯作者。美国加州大学欧文分校符伟伟（现复旦大学）和刘谊（现普林斯顿大学）博士、法国LEMAR海洋环境科学实验室Frédéric A. C. Le Moigne研究员、美国新罕布什尔大学Robert T. Letscher教授以及厦门大学汤锦铭博士研究生作为共同作者一起参与了本研究。) X) k' e7 ?" ^* [, q
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2 u, e; B) i4 U( W; u【作者简介】王为磊教授长期致力于海洋生物地球化学研究，在海洋逆模式开发和海洋数据挖掘这一前沿领域取得了若干突破性进展。近5年研究成果以第一或通讯作者发表在Nature（2篇）、Nature Communications、JGR-Biogeosciences、Biogeosciences等期刊。# O3 P% o- a7 ^ P
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& I4 r2 F6 ~3 y信息来源：厦门大学官微。 |
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