焦念志

深海碳庫成因之謎

氣候變化是當(dāng)今最大的全球性環(huán)境問題。人類活動導(dǎo)致大氣二氧化碳（CO2）持續(xù)升高是加劇氣候變化的主因。海洋是地球上最大的碳庫，吸收了工業(yè)革命以來人類活動排放CO2的三分之一，是全球氣候變化的“調(diào)節(jié)器”。海洋碳庫調(diào)節(jié)氣候變化的主要組分是溶解在水里的有機(jī)碳（DOC）。一方面，海洋DOC總碳量與大氣碳庫相近，如果與大氣有交換，則勢必影響氣候變化。另一方面，海洋DOC中約95%是生物難以降解的惰性溶解有機(jī)碳（RDOC），海洋RDOC的平均年齡約5 000年，RDOC的積累可以緩解氣候變化。早在半個世紀(jì)之前，科學(xué)家們就認(rèn)識到RDOC碳庫的重要性，然而其成因卻一直是個懸而未決的科學(xué)難題，美國科學(xué)家在《自然》雜志刊文稱其為難解之謎（Enigma）。

海洋微生物碳泵——揭開深海碳庫成因之面紗

海洋微生物碳泵（Microbial Carbon Pump， MCP），指的是海洋微生物的生理生態(tài)過程與生物地球化學(xué)過程把有機(jī)碳從可被利用的活性態(tài)轉(zhuǎn)化為不可利用的惰性溶解有機(jī)碳，從而長期封存的儲碳機(jī)制（圖1）。RDOC的不可利用性有兩種形式，一種是化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難被降解的有機(jī)碳，另一種是濃度極低而多樣性很高的一類有機(jī)碳。二者對應(yīng)于相應(yīng)的學(xué)說，前者叫 “結(jié)構(gòu)惰性假說”，后者叫“稀釋假說”。我們在南海的實(shí)際研究以及其他國際同行的研究結(jié)果都表明，結(jié)構(gòu)惰性的有機(jī)碳是深海RDOC的主要貢獻(xiàn)者。特別是在加拿大的Aquatron大型海洋生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系（水體117 000升）進(jìn)行的長周期生態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，不僅證實(shí)微生物碳泵儲碳機(jī)制的客觀存在，而且證明微生物碳泵效率極高，在不到一年的時間里即可把浮游植物產(chǎn)生的活性DOC轉(zhuǎn)化成與南海深海中RDOC十分接近的化合物（圖2）。RDOC在海洋的滯留時間在千年尺度，微生物的轉(zhuǎn)化效率卻如此之高，著實(shí)令人驚訝。

微生物雖個體極小，但種類繁多，生物量更是巨大。據(jù)估算，單海洋光合微生物每天固定產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)的量就可與陸地所有植物固定的有機(jī)碳量相當(dāng)。微生物碳泵的過程，包括了病毒裂解細(xì)菌細(xì)胞、原生動物捕食細(xì)菌產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)碎屑、細(xì)菌群落反復(fù)降解有機(jī)質(zhì)、古菌等自養(yǎng)微生物直接合成有機(jī)質(zhì)，等等。海洋碳循環(huán)和生物儲碳機(jī)制還存在一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，與生物生態(tài)過程密不可分。若從非生物的角度看RDOC的循環(huán)，光（光降解作用）、熱（海底火山熱液）、物理吸附沉降等過程均加速了海水RDOC的循環(huán)或從水體中移除，而巨大的海洋RDOC庫不僅未見“瘦身”，原位觀測數(shù)據(jù)更是指出RDOC庫在緩慢累加?？梢?，微生物碳泵是巨大海洋RDOC碳庫形成的主要機(jī)制，解開了半個世紀(jì)前美國科學(xué)家提出的RDOC碳匯成因之謎的面紗。

圖1 微生物碳泵（圖中右側(cè)的泵狀示意圖）——海洋微生物把有機(jī)碳從活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為惰性溶解有機(jī)碳，從而實(shí)現(xiàn)對碳的長期封存（仿 Jiao et al., 2010 Nature Review Microbiology）

海洋微生物碳泵與氣候效應(yīng)

已有研究表明，全球變暖將加劇海洋水體分層，不利于海水混合，將減少深海營養(yǎng)鹽向有光層的輸送，進(jìn)而降低自養(yǎng)生物光合作用固碳。然而異養(yǎng)細(xì)菌的活動將隨溫度升高而增強(qiáng)，這將使得微生物碳泵相對加強(qiáng)。海洋微生物不僅在現(xiàn)代，而且在地球環(huán)境和古氣候演化中也扮演了舉足輕重的角色。大氣氧化、雪球地球、生命大爆發(fā)和數(shù)次生物大滅絕，都與之息息相關(guān)。與板塊構(gòu)造學(xué)說并列為地球科學(xué)兩大理論的“米蘭科維奇理論”闡述地表氣候旋回的驅(qū)動機(jī)制，該理論強(qiáng)調(diào)地球軌道參數(shù)（偏心率、斜率和歲差）調(diào)控地表不同緯度和不同季節(jié)的太陽輻射量變化，而北半球65度夏季太陽輻射量的周期性變化控制地表氣候變化的冰期旋回。然而，偏心率對太陽輻射的貢獻(xiàn)理論值不足0.1%，不足偏心率在碳同位素比值地質(zhì)記錄中的1%。海洋地質(zhì)學(xué)家汪品先院士在這一領(lǐng)域有著獨(dú)到的見解，經(jīng)過多年矢志不渝的研究和思考，根據(jù)微生物碳泵理論提出了溶解有機(jī)碳假說，用于解釋海洋碳儲庫的40萬年長偏心率周期的氣候效應(yīng)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用箱式模型進(jìn)行了初步驗(yàn)證，完善了“米蘭科維奇理論”。

圖2 微生物碳泵在短短的一年時間里把浮游植物產(chǎn)生的活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成與南海深海中RDOC十分接近的化合物，表明其效率極高（仿Jiao et al., 2018 National Science Review）

圖3 陸海統(tǒng)籌：減少陸地施肥，增加海洋碳匯應(yīng)對氣候變化（仿Jiao,Wang and Xu, 2018 National Science Review）

海洋微生物碳泵與緩解氣候變化措施

目前，聯(lián)合國氣候變化專門委員會（IPCC）已將海洋微生物碳泵納入《海洋與冰凍圈》特別報(bào)告，不僅介紹了微生物碳泵的科學(xué)概念，并將其作為減排增匯緩解氣候變化的可能措施，為這一領(lǐng)域科學(xué)研究和政策制定指引了新的方向?；谖⑿蜕锾急迷?，針對近海富營養(yǎng)海區(qū)，通過降低陸地營養(yǎng)鹽輸入，可望實(shí)現(xiàn)增加近海儲碳的目的。目前，陸地普遍存在過量施肥，導(dǎo)致大量營養(yǎng)鹽輸入海洋，形成了近海的氮、磷等富營養(yǎng)環(huán)境；過量的營養(yǎng)鹽會刺激海洋微生物降解更多的有機(jī)質(zhì)，包括來自陸源有機(jī)碳在近海富營養(yǎng)化海洋環(huán)境中進(jìn)一步被呼吸轉(zhuǎn)化為二氧化碳重新釋放到大氣中。若能夠控制陸源營養(yǎng)鹽的輸入，將會提高微生物碳泵的生態(tài)效率。美歐科學(xué)家在各種自然環(huán)境的統(tǒng)計(jì)資料以及河流實(shí)驗(yàn)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。因此，海陸統(tǒng)籌（圖3），合理減少農(nóng)田土壤施肥，減少陸地營養(yǎng)鹽向海洋的排放量，將使微生物碳泵在近海更加有效地將有機(jī)碳惰性化，并隨后由海流帶入大洋進(jìn)行長期儲碳。這將是一個既現(xiàn)實(shí)可行、又無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的增匯途徑。