在海盆尺度的环流场作用下，副热带流涡区，覆盖了全球约30%的海洋表面积，形成了广阔的低营养盐、低生物量的海洋荒漠区，对海洋中碳、营养盐等生源要素的循环产生着重要影响。尽管过去几十年取得了一些研究进展，但对于这些流涡区生物地球化学过程的了解仍然十分有限。
近期在《Reviews of Geophysics（地球物理学综述）》上发表的一项研究，对北太平洋副热带流涡区的生物地球化学特征进行了全面深入的分析，并建议未来的研究方向。AGU编辑特别邀请该研究的作者对该区域的生物地球化学过程和研究方法进行概述，并对尚未解决的科学问题进行了展望。
图1. 全球表层海洋主要洋流的长期平均模式以及对五个副热带流涡区的划分。
来源：Dai and Luo et al. [2023], Figure 1
什么是真光层，
理解和模拟它的重要性？
真光层位于海洋上层，深度从数十米到一百多米不等，阳光可以穿透这一水层。在这一水层中，初级生产者——浮游植物得以进行光合作用并生长。通过光合作用，二氧化碳、水和营养盐被转化为有机物质，为几乎整个海洋生态系统提供食物来源。当这些生物死亡后，其中一部分会沉入深海，经过再矿化过程，再次转化为二氧化碳和无机营养盐，从而完成物质循环。
由于海洋的分层结构，即较轻的水体（高温低盐）位于较重的水体（低温高盐）上方，导致深层水体需要经过数百到数千年才能返回到海表面。这使得二氧化碳能够在深海中得以长期储存，从而降低大气中的二氧化碳浓度，并在一定程度上缓解全球变暖。然而，缓慢的水体交换限制了再矿化后的营养盐回到真光层，从而降低了生物生产力。真光层的重要性不言而喻，因为它是大多数海洋生物的生活区域，也是维持海洋生态系统所需的大多数能量和有机物质的来源。
在许多海域，真光层可以垂直划分为两层，上层光照充足但营养盐较为缺乏，而下层营养盐丰富但光照有限。以双层结构为框架开展海洋真光层研究，有助于更好地预测生态系统对未来气候变化的响应，尤其在副热带流涡区。
副热带流涡区在海洋系统中扮演着
怎样的物理和生态角色？
副热带流涡区是海洋环流系统的重要组成部分，储存了大量的热量和碳，并影响着全球海洋水、盐、热量、碳、氧和营养盐等物质的重新分配。它在地球系统（包括气候）的运作中发挥着至关重要的作用。
副热带流涡区是地球上最大的连续生态系统。这些区域的洋流形态受到风场影响，水体辐聚下沉，这抑制了深层营养盐向真光层输送，从而限制了生物的生长。因此，副热带流涡区常被称作“海洋荒漠”。
尽管如此，一些微生物仍能在这种寡营养的环境中生存得很好。例如，原绿球藻是一种微小的细菌，其细胞足够小，相对表面积大，可以从低营养盐水平的海水中获取足够的营养盐。此外，一类被称为固氮生物的微生物能够利用海水中丰富的氮气合成有机物。副热带流涡区表层海域阳光充足，较为温暖，且其他形式的氮营养盐含量极低，是固氮生物理想的生存条件。因此，副热带流涡区被视为海洋固氮的主要区域。
研究表明，在人类活动导致的气候变化影响下，寡营养的副热带流涡区正在加速扩张。与气候变化相关的胁迫，如增暖、缺氧和海洋酸化等，可能对副热带流涡区的生态系统产生深远影响。
科学家们如何观测和采集
副热带流涡区的数据？
科学家们使用科考船搭载的相关仪器测量温度、盐度、流速、流向等物理参数。他们收集海水样品，分析海水中的营养盐和生物类群，并研究这些生物的生命活动以及它们对海水化学性质的影响。
然而，在偏远而广阔的副热带流涡区开展大规模现场科考调查，不仅需要先进的技术，还需要较高的经费。在资源有限的情况下，可以通过建立定期观测的时间序列站，研究特定海区随时间的演变过程。
自动化技术的发展扩充了探索海洋的装备，例如浮标、水下滑翔机、帆船无人机和波浪滑翔机等，替代传统的船只和科考人员，更便利且高效地收集副热带流涡区的观测数据。
此外，在数百米深处布放沉积物捕集器，进行为期数天、数月乃至一年的采样，通过收集沉降颗粒物，评估海洋碳封存的能力。
卫星遥感也可以观测副热带流涡区的物理和生态特征，以每隔几天的频率提供特定区域或全球海洋的数据，包括温度、洋流、浮游植物生物量等。
使用帆船无人机采集高质量海洋和大气观测数据 来源：美国国家海洋和大气管理局（NOAA）
以往基于海洋时间序列站的研究，
如何推动科学家们理解副热带流涡区的生物地球化学过程？
在北太平洋和北大西洋的副热带流涡区内部，科学家们于1988年在夏威夷和百慕大附近建立了两个海洋时间序列站。通过每月的定期调查，发现该地区的初级生产力比预想的更高，这一发现挑战了将副热带流涡区视作“海洋荒漠”的传统观点。
同时，科学家们发现，从小时到年代际的时间尺度上，该区域的生物地球化学特征均呈现显著的变化。从春季到秋季，即使在缺少氮营养盐的情况下，两个时间序列站依然可以观测到海水二氧化碳浓度的规律下降。进一步的研究表明，这种二氧化碳浓度的减少及其伴随的碳封存，部分是由固氮作用支撑的光合作用导致的。此外，在年代际尺度上，两个时间序列站均观测到海洋生物量及生产力呈增加趋势，这与全球海洋生产力总体下降的认知相矛盾，需要进一步探究。
综上所述，基于这两个海洋时间序列站开展的相关研究具有重要的科学价值。其研究结果不仅挑战了部分传统观点，还为我们提供了探究副热带流涡区生物地球化学过程的新视角，对增进了解副热带流涡区有至关重要的作用。
关于副热带流涡区，有哪些尚未解决的问题？
首要的问题是，副热带流涡区是否真的是“海洋荒漠”，它们的生产力是否像我们传统认知的那样低。虽然科学家们在夏威夷时间序列站观测到了中等水平的生产力，这在一定程度上与“海洋荒漠”的特征相悖；但是，整个副热带流涡区的生产力水平在空间上存在较大差异，单个时间序列站的结果显然无法代表整个区域。卫星遥感虽然能覆盖较大的监测范围，但仍然无法给出一致且可靠的生产力估计。
另一个待解决的问题是，调控副热带流涡区真光层有机碳输出的关键机制是什么？
解决这些问题有助于评估副热带流涡区中的碳汇潜力，探索通过增加海洋碳汇缓解全球变暖的可行途径。然而，由于副热带流涡区远离大陆，且营养盐浓度很低，想要回答这些问题非常困难，亟需开发灵敏度更高的仪器和分析方法，用于准确测定营养盐浓度及生物量水平。
同时，我们还建议构建协作观测网络，涵盖包括科考船、时间序列站、自动化平台和卫星遥感在内的多种观测手段，获取更多更全面的副热带流涡区数据，并与生物地球化学模型整合，或使用诸如机器学习和人工智能等新算法进行处理，充分发挥它们的价值。
EOS Editor’s Vox是AGU出版部门的博客，用于推荐在AGU相关期刊上发表的重要研究论文。
原文链接：https://eos.org/editors-vox/ocean-deserts-could-help-capture-co2-and-mitigate-global-warming
拓展阅读：
Dai, M., Luo, Y.-W., et al., (2023). Upper ocean biogeochemistry of the oligotrophic North Pacific subtropical gyre: from nutrient sources to carbon export. Reviews of Geophysics, 61(3), e2022RG000800. https: //doi.org/10.1029/2022RG000800
供稿｜慈东箭、郭利果
编辑｜朱佳
审核｜罗亚威、曹知勉
