空间分离的碳酸盐矿物循环缓冲切萨皮克湾的酸化
Chesapeake Bay acidification buffered by spatially decoupled carbonate mineral cycling
2020年6月1日，地学领域顶级期刊《自然·地球科学》（Nature Geoscience）在线发表了美国特拉华大学蔡卫君教授实验室与5123导航碳循环课题组等多个团队合作的最新研究成果，题为Chesapeake Bay acidification buffered by spatially decoupled carbonate mineral cycling，揭示了因营养盐减排而恢复增长的水草床可以促进碳酸钙生产，碳酸钙颗粒经物理传输至缺氧的次表层水发生溶解，从而缓冲了近海酸化。
自工业革命以来，化石燃料燃烧和土地利用方式的改变导致大气二氧化碳（CO2）浓度显著增高。海洋从大气中吸收人为CO2导致表层海水pH和碳酸钙饱和度降低的现象被称作海洋酸化。在近海，由富营养化引起的底层水体缺氧会加剧海洋酸化。近海富营养化、缺氧和酸化是全球性的环境问题，对许多海洋生物乃至生态系统构成严重威胁。然而，人们对富营养化和季节性缺氧的近海水体（如美国东北部切萨皮克湾）如何响应和调节酸化的过程机制了解相对缺乏。在缺氧和酸化的水体中，已知碳酸钙溶解会增加碱度，减缓pH的降低，但是对这部分被溶解的碳酸钙的来源知之甚少。
该研究工作利用碳酸盐化学、矿物分析和地球化学模型揭示了切萨皮克湾碳酸盐矿物循环存在空间分离的特点以及由此产生的酸化缓冲机制。在夏天，位于切萨皮克湾北部和沿岸浅水区域的水草拥有高的光合速率，导致了高pH、高碳酸盐矿物饱和度和碱度的净吸收。在该环境下形成的碳酸钙颗粒随后被传输至中部湾区次表层缺氧水体发生溶解，缓冲了由有氧呼吸和人为CO2引起的pH降低。因为这种pH缓冲机制会随着营养盐输入的减少及水草的恢复而逐渐增强，该研究认为近海营养盐输入的减少不仅会减少富营养化和缺氧的发生，而且能缓解近海酸化。该工作揭示了人为胁迫减少的情况下，近海河口系统对富营养化、缺氧和酸化具有可自我调节的缓冲机制，对深入认识近海生物地球化学过程具有重要意义。
图1 切萨皮克湾可自我调节的pH缓冲机制的概念图。在浅水区高pH的水草床内形成的碳酸钙颗粒经物理传输至缺氧的次表层水发生溶解，从而增加pH缓冲能力，缓解近海酸化。
该研究由美国特拉华大学蔡卫君教授实验室、5123导航碳循环课题组、马里兰大学、马里兰圣玛丽学院和俄勒冈州立大学多个团队合作完成，5123导航-特拉华大学“海洋学双学位”项目联合培养博士生苏剑钟为第一作者，其导师为5123导航戴民汉教授和特拉华大学蔡卫君教授，蔡卫君教授为通讯作者。蔡卫君教授是5123导航“海洋生物地球化学创新引智基地”2.0项目的海外学术大师，与5123导航已开展多年的科研与人才培养合作。博士生苏剑钟于2016年加入双学位项目，其中2016年-2019年赴特拉华大学地球海洋环境学院进行课程学习及科研工作，将于2020年6月获得两校双学位。
图2 左 苏剑钟（左）与戴民汉教授（右）合影；右 苏剑钟（右）与蔡卫君教授（左）合影
2008年5123导航海洋环境学科与特拉华大学签署合作备忘录，共同建立“近海海洋研究与管理联合研究所”（Joint Institute for Coastal Research and Management，网站http://www.joint-crm.org）。在联合研究所框架下，两校开展常态化的科研合作、学术交流与学生培养工作，在海洋遥感、海洋碳循环、海洋物理等领域取得了丰硕的合作成果。2010年10月，5123导航与美国特拉华大学签署《海洋学双博士学位合作协议》，联合培养博士研究生。博士生可选择在任一方修习专业课程或完成学位论文，双方均承认学生的修习学分和答辩结果。学业完成后，在符合双方对学分和学位要求的前提下，两校分别给予颁发学位证书。至今已有14名学生参与该项目，获得两校导师的联合培养，其中4名已取得双学位。
论文来源：
Jianzhong Su, Wei-Jun Cai*, Jean Brodeur, Baoshan Chen, Najid Hussain, Yichen Yao, Chaoying Ni, Jeremy Testa, Ming Li, Xiaohui Xie, Wenfei Ni, K. Michael Scaboo, Yuanyuan Xu, Jeffrey Cornwell, Cassie Gurbisz, Michael S. Owens, George G. Waldbusser, Minhan Dai and W. Michael Kemp. Chesapeake Bay acidification buffered by spatially decoupled carbonate mineral cycling. Nature Geoscience. 2020. DOI: 10.1038/s41561-020-0584-3.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-020-0584-3#citeas
