科学家在量化南大洋排碳通量研究方面获进展

作为巨大的碳储库，海洋对不同时间尺度的大气二氧化碳（CO₂）变化起着至关重要的作用。南极冰心记录了千-百年尺度大气CO₂波动，但是这些波动具体是受哪些海洋过程调控呢？这一问题至今尚未解决。为更准确地预测未来大气CO₂变化，人们亟需深入理解全球碳和营养物质循环及其与温盐环流的耦合机制，这也是深入理解全球碳循环-气候变化机制的一个重要渠道。

由于海–气CO₂交换发生在海洋表层，因此大多数科学家凭借生长在表层海洋的生物载体（如浮游有孔虫的钙质壳体、硅藻的蛋白石骨骼等）来开发不同指标，用以研究海洋与大气的碳交换。然而，依据这些载体指标所获得的数据信号存在着诸多不确定性和时空差异，从而影响碳循环机制的准确理解。例如，大多数有孔虫类和硅藻主要生长在春、夏两季，即便基于它们的测试表明某海域向大气释放CO₂，也不能断言该海域是大气的一个碳源，因为在春、夏两季释放的CO₂可能会在其他季节又被海洋重新吸收，而年均CO₂净释放量可能甚小。

与表层海洋对比，海洋内部水体可综合全年的海–气CO₂交换信号，基本不受季节变化的影响。因此，在一定程度上，海洋内部水体可更好地反映大范围海域对大气CO₂的影响。不过，海洋内部碳循环也受多个过程调节，并非所有过程都可直接反映海–气CO₂交换信息。譬如，生物降解作用会增加深海中的碳含量，但是仅有一部分碳含量增加与海–气CO₂交换直接相关（即碳从大气封存到了深海)，而其他部分的碳含量增加则是碳在海洋内部的转移（比如，碳从浅海被转移到深海）。显然，若要探索大气CO₂变化机制，海–气交换部分的CO₂是关键信息。那么，如何从海洋内部海水数据中提取有价值的海–气CO₂交换信号呢？这是全球碳循环研究中一个关键而极具挑战性的任务。

针对这一关键任务，青岛海洋科学与技术试点国家实验室研究员于际民领衔的国际研究团队开发了一种全新的、可有效反映海–气CO₂交换的示踪计—DICas（Nature Communications，2019）。利用这一新型示踪计，并结合数值模拟，该研究团队巧妙地量化了南大洋排碳通量，进而揭示了末次冰消期海洋与大气之间的CO₂交换过程。结果发现，在末次冰消期早期，海洋内部水体主要是通过南大洋向大气释放CO₂，控制着千年尺度大气CO₂变化。更有意义的是，该研究提出了一种新的机制，有效地解释了大约1.46万年前Bolling暖期所呈现的百年尺度CO₂快速上升的现象：即南极中层水向南大洋的骤然扩张。与其他水体相比，南极中层水对大气CO₂的封存效率低，因此该水体的扩张会降低海洋对大气CO₂的封存能力，从而导致大气CO₂上升。这表明，海洋内部水体的大气CO₂封存能力与洋流循环密切相关。

相关研究成果于近日发表在Nature Geoscience上。于际民为第一/通讯作者，中国科学院地球环境研究所研究员金章东为第三作者。这项工作由来自青岛海洋科学与技术试点国家实验室、澳大利亚国立大学、美国伍兹霍尔研究所、中科院、澳大利亚新南威尔士大学、美国康涅狄格大学等单位的科学家组成的国际团队完成。

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海–气交换示踪计与全球其他记录的对比