近日，我院黄邦钦教授团队与近海海洋环境科学国家重点实验室（厦门大学）黄毅彬副教授团队合作，在南海弱光层再矿化速率定量及碳收支研究中取得新进展，相关成果以“Constraining the twilight zone remineralization in the South China Sea basin: Insights from the multi-method intercomparison”为题，发表于海洋科学主流期刊Progress in Oceanography.
研究背景
海洋生物泵是海洋固碳和储碳的关键机制,对维持海洋碳汇功能和调控全球气候至关重要。弱光层，通常定义为真光层底部至1000m之间的区域,是有机物从表层向深层转移的“中转站”,约有超过70% 从上层输出的颗粒有机碳在该区域被再矿化分解。因此，精确量化弱光层内有机物的再矿化速率对评估海洋生物泵效率以及理解碳循环十分重要。然而，当前学界对于弱光层再矿化过程以及维持该过程的有机碳来源的认知还十分有限。一方面，基于不同研究方法估算得到的弱光层矿化速率存在显著差异；另一方面，以弱光层有机物再矿化速率表征的深层碳需求难以与目前已知的上层碳供应相平衡。目前尚无法确定这种不平衡是源于碳需求定量的偏差，还是由于对碳供应考虑不够全面所致。这些不确定性严重阻碍了我们对弱光层生物泵过程的全面理解。
研究结果
为了更加精准地量化弱光层再矿化速率以及深海碳收支平衡，研究团队选取西太平洋最大的边缘海—南海作为研究区域。在技术手段上，引入三种独立的观测方法对南海弱光层再矿化速率开展对比/集成分析，包括 (1) 生物地球化学剖面浮标 (BGC-Argo) 携带的溶解氧传感器的高频观测；(2) 细胞电子系统传递培养实验 (in vivo INT)；(3) 基于同位素示踪的原核生物呼吸和基于生物量的估算的浮游动物呼吸的综合检测 (PR+ZR) (图1)。研究发现，基于三种不同方法观测得到的弱光层再矿化速率都随深度呈显著的指数衰减，约80%的再矿化发生在400m以浅。弱光层再矿化速率的水柱积分显示，BGC-Argo和PR+ZR估算的结果较为一致，分别为5.1±0.5和6.4±3.0mol C m-2 yr-1 ，相比之下，in vivo INT 方法估算弱光层再矿化速率为30.0±6.1mol C m-2 yr-1，比其余两种方法高接近一个数量级 (图2)。
图1 研究区域及方法
图2 基于三种方法观测的南海弱光层再矿化速率
为进一步评估不同方法观测弱光层再矿化速率的合理性，研究团队集成了南海弱光层的多种有机碳来源数据来全面地分析深海碳收支平衡 (图3)。结果显示，上层的颗粒有机碳沉降是支持弱光层再矿化过程最主要的有机碳来源，为1.9±1.2mol C m-2 yr-1，占约40%的总有机碳来源；溶解有机碳输入和水平输送的颗粒有机碳量值相当，分别为1.1±0.4 和1.1±0.2mol C m-2 yr-1；弱光层微生物化能自养产生的有机碳占总有机碳来源的14.6%， 为0.7±0.4mol C m-2 yr-1。相比之下，由浮游动物昼夜垂直迁移介导的有机碳输送仅为0.01±0.02mol C m-2 yr-1，不到弱光层总有机碳供应的1%。综合估算得到弱光层的总有机碳供应约为4.8±1.3mol C m-2 yr-1，与BGC-Argo和PR+ZR的结果相当 (两种方法均值为5.7±1.5mol C m-2 yr-1)。由此表明，BGC-Argo和PR+ZR方法更为合理，而in vivo INT方法可能高估了弱光层的再矿化速率。
本研究基于学科交叉、多手段耦合的思路，在海盆尺度上综合运用船基培养实验、自动化观测设备、同位素示踪、遥感反演和历史数据集成等多样化手段，通过交叉比较和集成分析，精确量化了南海弱光层有机物再矿化速率，揭示多种有机碳输入对平衡弱光层碳收支的关键作用。为理解低纬度边缘海弱光层的生物泵运作机制、生态过程以及碳循环提供了重要参考。
图3 南海弱光层碳收支
研究团队及资助
该论文第一作者为我院2020级博士生徐超，通讯作者为我院黄邦钦教授和近海海洋环境科学国家重点实验室（厦门大学）黄毅彬副教授，共同作者还包括英国思克莱德大学陈炳章博士，厦门大学硕士毕业生向明旺、博士生张宇宸、邱国强博士和王海黎教授级高级工程师。该研究获得国家自然科学基金委重点项目和中央高校基本科研业务费等联合资助。
论文来源及连接
Xu, C., M. Xiang, B. Chen, Y. Huang, G. Qiu, Y. Zhang, H. Wang, and B. Huang (2024), Constraining the twilight zone remineralization in the South China Sea basin: Insights from the multi-method intercomparison, Progress in Oceanography, 103316.
https://doi.org/10.1016/j.pocean.2024.103316
文、图 | 徐超
责任编辑 | 黄邦钦
排版 | 曾鹏
