5123导航郭卫东教授课题组在地学领域权威期刊《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）发表了题为“Temperature-regulated turnover of chromophoric dissolved organic matter in global dark marginal basins”的最新研究成果，揭示了温度对于南海、日本海、地中海等边缘海盆中深层海洋惰性溶解有机碳库（RDOC）周转的调控机制。基于CMIP5模式数据，预测了未来升温情景下边缘海盆及开阔大洋惰性碳库的响应趋势，为全球气候变化背景下海洋碳汇研究提供了新的视角。
海洋储存了与大气CO2碳储量基本相当的溶解有机碳库，其中93%储存在水深200m以下的暗海洋内部，绝大部分都是微生物不易利用的RDOC组分。这些RDOC组分在海水中可停留几百至上千年，因而成为海洋碳汇的重要储库。在全球变暖的大背景下，深海水温也随之增加，深海惰性有机碳库对于升温会产生什么响应，这种响应对于全球气候变化又会产生什么反馈，成为海洋碳汇研究的重要课题。
由于半封闭的地形特点，边缘海盆内部往往具有不同于开阔大洋的通风和水循环特征，进而表现出有别于开阔大洋内部的活泼碳源供应和微生物耗氧特征。此外，边缘海盆内部对于升温也更为敏感，因而边缘海盆内部溶解有机质的周转及其对于升温的响应，可视为海洋碳汇研究的现实世界证据。日本海中层（0.1-2.4°C）、南海中层（4-15°C）和深层（2-4°C）、地中海（13-15°C）相当于一组海盆尺度的温度梯度培养系统，故而成为探究温度调控深海DOM周转的“天然实验室”（图1）。
图1 南海、西太调查站位及文献资料中的日本海、地中海调查站位
基于太平洋、印度洋和南大洋等开阔大洋内部的研究表明，类腐殖质组分的荧光强度（FDOMH）与吸光组分CDOMUVA（以aCDOM(325)表示）与表观耗氧量（AOU）呈正相关关系，因此溶解有机质（DOM）的光谱分析能有效示踪海洋无光层中微生物介导的活泼碳向惰性碳的转化过程，其斜率变化可以量化这些DOM组分的产生效率，再结合现场氧消耗速率数据，可以进一步定量评估这些有机组分的周转。由于深海水团的碳、氧信号还包括水团物理输运和混合的贡献，本研究分别通过三端元混合模型（南海）、氧消耗速率逆推法（日本海）和水团原型值（archetypal value）（地中海和开阔大洋）的方法将其扣除，得到各个海盆内部由现场生地化过程产生的“净”DOM光谱参数和“净”AOU之间的相关关系（图2）。
图2 南海、日本海和地中海“净”DOM光谱参数与“净”AOU信号之间的相关关系
南海中、深层、日本海中层、地中海中层及西地中海深层均观测到“净”FDOMH与“净”AOU信号之间仍为正相关关系，“净”aCDOM(325)在南海中、深层也均与“净”AOU呈正相关；但在东地中海深层，“净”FDOMH与“净”AOU已经转为负相关关系，地中海中深层的“净”aCDOM(325)也转为与“净”AOU呈显著负相关，说明这些组分表现为比大洋更进一步的现场降解阶段，而非仅停留在现场产生阶段。这些结果表明，边缘海盆内部DOM光学组分存在一个产生-降解的反应系列。
将上述反应系列与海盆内部温度参数进行综合分析，我们发现升温有助于提高类腐殖质荧光组分（FDOMH）的现场产生效率，但会降低CDOM吸光组分aCDOM(325)的现场产生效率（图3a-c）。但是，当温度较高（~14°C）但活泼碳底物不足时（真光层输出的可降解有机碳浓度低，如地中海），微生物将不得不耗费更多的能量利用一些（半）惰性碳源来维持新陈代谢，表现出“深海活泼碳限制”特征。
图3 (a-c) 南海、地中海、日本海和开阔大洋DOM光学组分现场产生/降解效率与位温（θ）的关系以及（d）氧消耗速率（OUR）与温度关系图
基于第5次国际耦合模式比较计划（CMIP5）下共计19个海洋模型结果，结合三个海盆以及全球大洋内部氧消耗速率（OUR）与温度之间的关系曲线，我们预测在中等强度温室气体排放情景下（RCP 4.5），到2100年3个边缘海盆和开阔大洋升温幅度在0.07~0.79℃之间，耗氧速率理论上将增加3%~178%，FDOMH和CDOMUVA的现场产生速率会增加3%~43%（地中海除外），其中日本海惰性碳的现场产生对升温最为敏感。考虑到升温还会导致输出生产力降低（全球大洋平均结果），未来海洋内部微生物可能会越来越多地消耗（半）惰性碳源，最终导致深海RDOC碳库惰性程度增加，但储量减小，对于气候变化将形成一个正反馈，这凸显了全球早日实现碳达峰、碳中和目标的紧迫性。
本研究从现场观测数据入手，以光谱技术为手段，解析了温度调控边缘海盆溶解有机碳周转过程，未来还需要多种技术手段和模拟实验来深入研究海洋固碳、储碳过程对温度的响应机制。
本论文第一作者为王超博士，合作者包括5123导航李炎教授、郭香会副教授、庄伟副教授和加利福尼亚大学戴维斯分校Randy A. Dahlgren教授。本研究工作得到了国家自然科学基金委面上项目（41876083）、中科院海洋所“科学”号高端用户培养项目（KEXUE2017G11、KEXUE2018G03）的资助，样品采集方面得到了国家自然科学基金委共享航次计划、“东方红2号”科考船、“嘉庚”号科考船的大力支持。
论文来源：
Wang C., Guo W. D.*, Li Y., Dahlgren R. A., Guo X. H., Qu L. Y., Zhuang W. (2021). Temperature-regulated turnover of chromophoric dissolved organic matter in global dark marginal basins. Geophysical Research Letters, 48(19): e2021GL094035, DOI: 10.1029/2021GL094035.
论文链接：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094035
