近日，5123导航、海洋与地球学院黄毅彬副教授团队在海洋碳输出效率与调控机制研究中取得重要进展，相关研究成果以“Biological production of distinct carbon pools drives particle export efficiency in the Southern Ocean”为题，发表于Geophysical Research Letters. 研究团队利用海上机器人“生物地球化学剖面浮标（BGC-Argo）”阵列开展观测，揭示了海水中不同形态碳库生产比例的差异对碳输出效率的调控机制，为解释“南大洋海洋生物泵输出效率与初级生产力负相关”现象提供了新的视角。
研究背景
海洋生物泵是由浮游生物介导的颗粒有机碳生产、循环并向深海输出的过程，是海洋固碳和储碳的重要机制，对维持海洋碳汇功能以及调控地球系统气候至关重要。碳输出效率是衡量生物泵运行效率的重要指标，其定义为每单位浮游植物光合作用固定的总有机碳通过食物网循环后，最终被转化成颗粒物输出通量的比值。该比值被广泛应用于遥感和地球系统模型中用于反演区域到全球尺度的海洋碳输出通量。
传统观点认为，碳输出效率通常与初级生产力正相关，即初级生产力越高的海区，碳输出效率越高。然而，一些近期研究发现，在南大洋、北大西洋等海区，碳输出效率与初级生产力呈显著负相关。目前科学界对上述负相关关系的驱动机制仍知之甚少，这限制了对海洋生物固碳机理和效率的理解，也给精确定量海洋碳汇潜能及其评估其相关气候效应带来了不确定性。
研究结果
研究团队利用海上机器人—“生物地球化学剖面浮标(BGC-Argo)”的高频观测，集成了63个浮标，涵盖113组季节变化的观测数据，解析了南半球跨“亚热带寡营养-亚极地-海冰覆盖区”海洋碳输出效率。同时，团队整合了研究海区的历史船基观测数据集，验证了基于海洋机器人新方法获得的碳输出效率的合理性。
分析发现，船基观测和海洋机器人的观测结果皆显示，初级生产力和颗粒物有机碳输出效率在南大洋呈现显著负相关关系。在南大洋亚极地海区，由于光照和铁元素的限制，初级生产力较低，但颗粒物碳输出效率却呈现高值(图1)。相反，在寡营养海区、亚极地海区过渡带以及海冰覆盖区等初级生产力相对较高的区域，碳输出效率却很低。
图1. 基于海上机器人和船基观测获得的不同生态系统中初级生产力、不同碳库生产和输出、以及碳输出效率的空间变化
为进一步揭示海洋生物泵输出效率和初级生产力负相关之谜，团队研发了一套原创技术框架。该框架通过联立海上机器人携带的多种化学和生物光学传感器的观测数据，结合化学计量学理论，获取了不同生态系统中各种形态碳库的生产与输出比值。团队成员将各种形态碳库生产的数据与碳输出效率开展关联性分析，发现不同生态系统的碳库组分差异解释了南大洋生物泵输出效率与初级生产力的负相关现象(图2)。具体而言，在南大洋亚极地生产力较低的海区，更高比例的浮游植物光合作用生产的有机碳被转化为具有重力沉降特性的颗粒态，驱动了更高的碳输出效率。同时，该区域存在较高的颗粒无机碳生产，这些高密度的颗粒无机碳可作为“压舱物”，进一步提高碳的输出效率。而在初级生产力较高的海冰覆盖区，其在春夏季期间出现的极昼现象提升了光的可利用，虽促进了溶解态有机碳的生成，但降低了颗粒碳的输出效率。在寡营养海区，在高光照和营养限制的双重影响下，浮游植物生产的有机碳通过食物网循环后，有很大比例最终被转化成溶解态形式，或者悬浮在上层水中，降低了该区域的碳输出效率。
上述研究结果强调了不同碳库的生产以及食物网功能结构差异对碳输出效率的调控，为理解南大洋海洋生物泵输出效率和初级生产力负相关之谜提供了新的视角。同时，该研究也为估算海洋大尺度碳输出效率提供了新的技术手段，推动了前沿海洋观测技术在碳循环领域的应用。
研究团队及资助
该论文第一作者兼通讯作者为5123导航黄毅彬副教授，共同作者包括美国国家海洋与大气管理局太平洋海洋环境实验室研究员Andrea Fassbender。该研究获得国家自然科学基金重点项目(42130401)等的联合资助。
论文来源及链接
Huang Y.B., Fassbender J. A., Biological production of distinct carbon pools drives particle export efficiency in the Southern Ocean. Geophysical Research Letters, 2024. doi:10.1029/2023GL107511
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023GL107511
