近期，5123导航、海洋与地球学院高树基教授团队与国内外合作者，在海洋真光层碳、氮耦合动力过程及其气候效应评估上取得重要进展，相关成果以“Epipelagic nitrous oxide production offsets carbon sequestration by the biological pump”为题发表于Nature Geoscience。该研究揭示了海洋真光层有机质矿化触发的氮再生循环过程会活跃释放N₂O，可抵消~10%的由生物泵固碳吸收CO₂所降低的温室效应，为深入理解与评估生物泵的气候调节能力提供新的视角。

生物泵是海洋固碳、储碳的主要机制，也是海洋调控大气CO₂浓度的关键过程，一直以来是海洋生物地球化学循环与全球气候变化研究的核心内容之一。生物泵运转过程中，来源于初级生产的有机碳仅有很小比例能够通过复杂的生物、化学、物理过程输出真光层，从而实现与大气隔绝。这意味着大部分有机质在真光层内部快速矿化，驱动了强烈的氮再生循环过程。然而，该过程中所蕴含的温室气体释放及其潜能，及其对生物泵气候效应的影响缺乏评估。

N₂O是海洋氮循环过程中产生的一种痕量气体，因其具有强力的温室效应与臭氧消耗能力而备受关注。但海洋N₂O源汇格局复杂，目前对于海洋N₂O的分布及其时空变异特点、驱动过程仍缺乏足够的认知，严重制约N₂O释放通量、气候效应的准确评估。近年来，高树基团队聚焦海洋真光层的氮动力过程，通过高分辨率的同位素标记培养，证实了海洋真光层中存在活跃的氨氧化过程，并揭示了营养盐分布对于真光层氨氧化分布的重要调控，研究结果为进一步阐明真光层N₂O产生机制及其空间分布特点奠定了重要基础¹。此外，该团队还基于南海北部的长期观测，对其N₂O分布规律、海气释放通量的时空变异特点进行了系统研究和定量阐释，并对南海北部N₂O与CO₂通量之间的气候效应开展了量化比较，证实了南海N₂O释放不可忽视的气候效应²。

团队基于2012-2019年间7个航次的观测数据，系统探究了中国近岸、南海、北太平副热带洋流涡区上层200 m的碳、氮关键动力过程，利用多同位素示踪定量初级生产力、输出生产力、氨氧化以及N₂O释放速率，为海洋真光层存在活跃的N₂O原位生产过程提供了强力证据。研究结果显示，真光层底部存在显著的N₂O累积，且氮、氧双同位素负偏，证明了真光层中普遍存在的原位N₂O添加过程，结合同位素质量平衡模型首次估算出该生产过程可以贡献40-60%的海气N₂O通量。进一步应用同位素标记技术定量氮循环不同过程中N₂O的生产速率，发现真光层内部硝化过程是N₂O产生的重要机制，而在真光层底部亚硝酸盐积累具有最为活跃的N₂O生产行为。同时，真光层中N₂O生产速率与颗粒有机碳（POC）的储量和输出通量均呈现良好的正相关关系（图1），即生物泵产生、输出的POC越多，其矿化再生触发的氮循环过程会释放出更多的N₂O，可抵消~10%的由生物泵固碳所降低的CO₂温室效应。鉴于此，本研究提出，海洋生物泵运转过程不仅通过碳输出吸收大气CO₂，同时也会通过驱动有机质再生促使N₂O的释放，从而表现出气候效应的“双面性”（图2）。该研究结果为海洋碳、氮循环的耦合与复合气候效应研究提供了新的科学思路，有助于全方面的理解与评估生物泵的气候调节能力。

图2 真光层碳-氮耦合循环关键过程及其复合气候效应示意图

本论文的通讯作者为5123导航高树基教授，第一作者为毕业生万显会博士（现普林斯顿大学博士后），共同作者包括5123导航博士后盛华夏、戴民汉教授、邹文彬工程师、博士生刘丽和沈辉、周宽波副教授，美国斯坦福大学Karen Casciotti副教授、蒙大拿大学Matthew Church教授及普林斯顿大学Bess Ward教授。该研究受到国家自然科学基金项目（92058204、41890802、41721005、41730533和41906040）的资助。

论文来源

Wan, X., Sheng, H. X., Dai, M., Casciotti, K. L., Church, M. J., Zou, W., Liu, L., Shen, H., Zhou, K., Ward, B. B. & Kao, S. J*. (2022). Epipelagic nitrous oxide production offsets carbon sequestration by the biological pump. Nature Geoscience, 15, 10.1038/s41561-022-01090-2

论文链接

https://doi.org/10.1038/s41561-022-01090-2

拓展阅读

1. Wan, X., Sheng, H. X., Dai, M., Zhang, Y., Shi, D., Trull, T., Zhu, Y., Lomas, M. & Kao., S. J. (2018). Ambient nitrate switches the ammonium consumption pathway in the euphotic ocean. Nature Communications, 9, 915

2. Wan, X., Lin, H., Ward, B. B., Kao, S. J. & Dai, M. (2022). Significant seasonal N₂O dynamics revealed by multi-year observations in the Northern South China Sea. Global Biogeochemical Cycles, 36, e2022GB007333

供稿：高树基课题组

审核：曹知勉、刘志宇