主编述评｜海洋温室气体研究进展 - 海洋地球化学循环研究进展

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主编述评

温室气体是大气中能吸收地面反射的长波辐射、并重新发射辐射的一些气体。它们会使地球表面变暖，导致“温室效应”。典型温室气体包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、挥发性卤代烃（VHCs）、水蒸汽（H2O）、臭氧（O3）等。有些温室气体受人类活动影响显著，主要包括《联合国气候变化框架公约的京都议定书》规定的六种温室气体：CO2、CH4、N2O、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6），需要对其采取减量排放措施，以期能够尽快使温室气体排放达到峰值，并在本世纪下半叶实现温室气体净零排放，达到《巴黎协定》所要求的全球平均气温较工业化前水平升高不超过2 ℃的目标，降低气候变化所带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。海洋作为地球上最大的生态系统，对温室气体的源汇格局有重要的调节作用，深刻影响着全球气候变化。对海洋温室气体的研究是全球温室气体研究极为重要的方面。

2016年《巴黎协定》通过后，海洋温室气体研究进入了新的阶段，对最主要的温室气体CO2和非CO2温室气体的相关研究都取得了可观的成果。海洋是人为排放CO2最重要的汇。Friedlingstein等[1]通过不同全球海洋生物地球化学循环模型和观测数据库估算的海洋碳汇SOCEAN 为（2.9 ± 0.4） Gt C/a。在大量前期研究的基础上，目前，人们对海洋二氧化碳系统的研究逐步向碳捕获、碳储存方面拓展[2]，海洋微生物在碳储存中的作用也获得了日益广泛的关注[3]。同时，由于海水CO2浓度升高导致的海洋酸化、海水升温以及海水缺氧现象继续得到广泛的重视[4]。在海洋二氧化碳系统监测方面，除了传统的浮标和船基观测，以及应用于较大尺度的遥感技术等[5]，水下滑翔机技术也被用来在更广泛的时空方面获取更多的数据[6]。

相对于CO2，非CO2温室气体对温室效应的贡献在近些年来也获得越来越广泛的关注。典型的非二氧化碳温室气体如CH4、N2O和VHCs三者对温室效应的贡献约占40%。CH4、N2O在单个分子水平的温室效应能力是CO2的23倍和310倍[7]。长期以来，海洋中的CH4被认为是由严格厌氧的产甲烷菌生成的，但是对许多富氧海区的研究表明，CH4向大气中的释放和自身在海水和沉积物中的消耗显著大于其产出，导致甲烷悖论。Kolomijeca等[8]的研究表明，亚热带北大西洋是大气CH4的源，海水高浓度的CH4分布区域与磷酸盐贫瘠而蓝细菌富集的区域一致，富氧海水中的CH4可能来自于浮游植物获得的副产物。Mao等[9]的研究表明，在沉积物释放和磷限制条件下甲基膦酸的分解是浅海区CH4的重要来源，而近岸海区CH4的氧化是海洋甲烷重要的汇，显著限制了CH4向大气的排放。他们的研究进一步支持了富氧海水CH4产生的甲基膦酸假说。此外，β-二甲巯基丙酸内盐（DMSP）和二甲亚砜（DMSO）作为富氧海水CH4前体物质的理论也获得了更多证据的支持[10]。另一方面，对海水CH4源汇格局的研究进一步表明，在人类活动影响较大的河口地区，底层沉积物的扰动、淡水和污水的输入都可能成为海水CH4的来源[11]。与CH4类似，海水中的N2O受到海洋生物过程的显著影响。在有氧海水中，N2O通常被认为是硝化过程的副产物；在缺氧海水和沉积物中，N2O是反硝化过程的中间产物。An等[12]发现，在潮间带动物的扰动能够促进羟胺转化为N2O。Gu等[13]的研究表明，黄渤海都是大气N2O的源，而硝化过程是控制该海区N2O产生的主要过程。Tang等[14]研究了 Chesapeake湾N2O的产生过程，进一步证实硝化过程是富氧海水N2O产生的主要过程，而反硝化过程控制着缺氧/无氧海水中N2O的产生。他们的研究还观察到由尿素产生N2O的过程。Dai等[15]总结了硝化和反硝化微生物对中国河口和海岸区域N2O源汇格局的贡献，认为反硝化过程原则上控制这些区域N2O的释放。在海洋VHCs研究方面，Zou等[16]和Li等[17]的研究工作进一步揭示了中国近海VHCs的分布特征、源汇格局和产生释放机制。在海洋非CO2温室气体研究中，同位素技术的应用起到了非常关键的作用。然而，到目前为止，对海洋非CO2温室气体地球不同储库之间的收支状况、源汇格局、界面通量的估算仍然存在很大的不确定性，需要更加深入的研究。

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与既有自然来源又有人为来源的CO2、CH4和N2O不同，HFCs、PFCs和SF6几乎没有自然来源，它们主要通过海−气交换过程进入海洋，在海水中的含量变化除了同大气源变化有关外，仅同海流等物理过程相关，基本不受海洋化学和生物过程的影响，从而可以作为良好的瞬态示踪物，应用于一系列海洋学过程研究[18-19]。它们的时间尺度信息还可用于计算诸如表观耗氧速率等重要生物地球化学参数（Apparent oxygen utilization rate，AOUR）[20]，并可以用来估算人为碳的释放（anthropogenic CO2）等[21]。

一氧化碳（CO）是大气中含量仅次于CO2和CH4的第三大含碳痕量气体。它能与大气中的氧化性基团如羟基自由基（OH）等发生反应，影响大气光化学过程，使大气中的CO2、CH4、O3等温室气体的含量增加，间接地造成温室效应，因此，CO被认为是一种间接的温室气体。海洋是大气中CO的主要来源。有关CO的海洋生物地球化学循环及其环境和气候效应已成为全球变化研究领域的热点之一[22]。

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作为海洋释放量最大的负温室效应气体，二甲基硫（DMS）的生物地球化学循环及其气候效应备受人们的关注。海洋产生的DMS通过海−气交换进入大气后，会被迅速氧化生成SO42−气溶胶，增加了云凝结核的数量，提高了云层对光照的反射率，使全球热量收入减少，能够在一定程度上减缓温室效应（CLAW假说）[22]。最近一系列的研究进一步完善了DMS在全球海洋和大气中的分布图景，为评估DMS的气候效应提供了基础数据支持。例如，Zhao等[23]的结果表明，近岸海水向大气释放DMS能显著增强大气SO42−的浓度；Zhang等[24]则发现，南大洋大气DMS浓度变化比海水要显著得多。Yu等[25]对黄、东海DMS的研究以及Ma等[26]对西北太平洋陆架海的研究进一步证实，细菌推动的DMSP的降解是海洋DMS产生的主要驱动因子。但是，到目前为止，人们还不能将反映 DMS 对气候的负反馈作用的CLAW假说建立成一个以过程为基础、定量、可预测的模型；尝试建立的全球模式预测结果与实际海域 DMS 浓度也有很大差距。因此，加强高时空分辨率的海气观测，深入剖析DMS的源汇过程，构建精准的DMS生物地球化学循环模型，最终揭示海洋DMS释放与全球气候变化之间的互馈机制，仍将是我们下一步研究的重点和挑战。

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尽管海洋温室气体研究在近些年来取得了显著进展，但要实现《巴黎协定》所确定的全球气温控制目标，仍然需要进行大量艰苦、细致的工作。今后海洋温室气体研究的主要趋势包括：

（1）建立更加准确完善的模型，评估海洋二氧化碳的源汇格局以及碳捕获和碳储存的能力；

（2）进一步研究CH4、N2O、VHCs等温室气体复杂的产生与迁移转化过程，为解决不同生态系统中这些气体的源−汇收支模型和全球预测模式的不确定性提供支持；

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（3）集成各种温室气体的研究，并与负温室气体如DMS的相关研究进一步结合，建立碳氮硫耦合的痕量气体生物地球化学循环模型，更加准确地评估海洋在全球气候变化中的作用；

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（4）深入研究自然变化和人类活动如升温、酸化、低氧、沙尘沉降、富营养化、化学污染特别是微塑料污染对海洋温室气体产生、释放、迁移、转化的影响；

（5）建立新的气体交换模型，以更加准确地估算海−气交换通量；

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（6）新观测手段的发展与应用，特别是同位素示踪技术（15N、18O、13C 和 35S）在探究温室气体产生和降解路径中的应用。

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作者介绍

杨桂朋，本刊副主编，中国海洋大学教授，长江学者，国家杰青，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，国家重点研发计划项目首席科学家，海洋国家实验室“鳌山人才”卓越科学家，国际一流期刊Marine Pollution Bulletin主编，Marine Chemistry、Journal of Oceanology and Limnology副主编，国际SCOR海洋微表层工作组成员，中国海洋湖沼学会常务理事，中国海洋学会海洋化学分会副理事长。长期致力于海洋生源活性气体生物地球化学及气候效应的研究工作，取得了一系列具有国际前沿水平的创新性成果。在国际高水平期刊上发表SCI论文270余篇。以第一完成人获教育部自然科学一等奖、国家海洋局海洋创新成果一等奖、山东省自然科学二等奖等省部级科技奖7项，入选爱思唯尔发布的地球与行星科学领域“中国高被引学者”，进入国际环境科学和海洋科学研究领域顶尖（前1%）科学家行列，在国际同行中有重要影响。

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来源丨《海洋环境科学》