是什么导致南大洋碳汇能力下降？又会出现怎样的转变？

What is causing the decline in carbon sink capacity in the Southern Ocean? And what will be the shift?

南大洋虽然只占全球海洋面积的约20%，却吸收了人类活动排放的二氧化碳总量的40%左右，然而，过去的几十年里，南大洋的碳吸收能力呈现出显著的波动，在20世纪90年代吸收出现停滞，在21世纪初又重新增强，未来南大洋能否继续高效吸收CO₂是否仍然充满不确定性呢？随着全球变暖加剧和臭氧层恢复，南大洋的碳汇能力将如何变化？

自20世纪后半叶以来，由于南极臭氧层的破坏改变了南半球的大气环流，臭氧减少导致平流层冷却，增强极地涡旋，使得南大洋的西风带向极地方向移动并加速，这一现象在夏季尤为明显。而更强的风会增强搅动海洋表层，使表层与深层海水混合更剧烈，导致混合层加深，同时，风驱动洋流变化，促进深海富含CO₂的海水上涌，从而减少海洋表层的碳吸收能力。

在1990年代，由于臭氧层破坏达到峰值，南大洋的碳吸收能力出现了停滞，这一时期的臭氧效应使表层溶解无机碳增加了约8 μM，表层溶解无机碳又是衡量海水CO₂含量的指标，由于表层CO₂含量的增加，抵消了部分人类排放的CO₂被海洋吸收的效应。同时，由于深层海水CO₂浓度更高，上升流的增强会导致表层海水无机碳增加，进而减少了海洋从大气中吸收CO₂的能力。

自2000年以来，由于《蒙特利尔议定书》的成功实施，臭氧层开始缓慢恢复，风场增强的趋势有所减弱。然而，此期间温室气体的排放持续增加，又成为影响南大洋的新主导因素。

为了探究未来南大洋的碳汇能力如何变化，研究团队利用地球系统模型UKESM1分析了1950-2100年间臭氧消耗物质和温室气体对南大洋碳汇的影响，研究表明，虽然过去几十年臭氧层破坏主导了南大洋的风场变化，但21世纪的气候变暖将成为主要驱动力，而碳-气候反馈的作用正在减弱。

研究分析海洋混合层深度（MLD）与溶解无机碳（DIC）的关系的公示如下，式中MLD是海洋表层受风混合影响的深度，直接影响无机碳从深层向上输送，当MLD加深时，更多高DIC的深层水被输送到表层，可能减少海洋的碳吸收能力，从而可能削弱海洋碳汇。

$delta text{DIC} = delta text{MLD} cdot frac{delta text{DIC}}{delta z}$

研究同时考虑翻转流（MOC）对表面溶解无机碳变化的贡献，研究假设南纬 50° 或以下的表面顺时针翻转单元中的水在南纬 50° 以南通风，将额外的溶解无机碳从深处带到表面。式中，MOC是海洋经向翻转环流，影响深层水和表层水的交换，MOC增强会促进富含DIC的深层水上升，增加表层DIC浓度，但与MLD的影响不同，MOC的增强还可能促进深水形成，从而增强碳汇效应。

$delta text{DIC} = delta text{MOC} cdot Delta text{DIC}_{text{deep-surface}}$

由于南大洋是铁是关键限制因素，为了计算由于铁肥引起的初级生产力变化而导致的DIC变化，研究首先计算由于MLD变化引起的表面铁浓度变化，然后，根据涉及营养和光照限制的生长公式，通过计算 Fe 刺激的初级生产力增强来估算 DIC 的变化。当海洋混合层深度变化增加表层铁的供应时，浮游植物生长增强，促进生物固碳，降低表层DIC，该公式量化了铁供给对生物碳泵的调控作用。

$delta text{DIC} = -1 cdot frac{delta mu}{delta text{Fe}} cdot delta text{Fe} cdot mu L cdot text{DIAT} cdot 365.25 cdot f$

模型预测显示，21世纪上半叶，臭氧恢复和温室气体增加的影响相互抵消，风场变化趋于平稳，但到了21世纪下半叶，温室气体的影响远超过臭氧恢复，导致南大洋表层水温上升、混合层变浅，以及经向翻转环流增强，经向翻转环流有影响深海与表层海水交换的关键过程，导致南大洋碳汇能力减弱。

与臭氧的季节性影响不同，温室气体引起的风力增强在所有季节都较为均匀。在SSP3-7.0高排放情景下，到21世纪末温室气体导致的风速增加可达0.63米/秒，南大洋将升温约1.6°C，混合层变浅5.9米，经向翻转环流增强3.6百万立方米/秒。

图：使用受观测约束的生物地球化学值，计算出 SST、MOC、MLD 和生物碳吸收 (BIO) 等臭氧强迫和温室气体强迫气候反馈对南大洋表面 DIC 浓度 (50°S 以南) 平均变化的有效贡献

温度变化引起的DIC变化计算为，给定初始表面pCO 2 时，海气平衡条件下DIC储存能力随温度变化的变化（见材料与方法）。根据统计显著的线性趋势估算出的反馈以黑色粗体标出。( A ) 历史时间段：1950-2000年；( B ) 2000-2050年，SSP 3-7.0；( C ) 2050-2100年，SSP 3-7.0；( D ) 2000-2050年，SSP 1-2.6；( E ) 2050-2100年，SSP 1-2.6。

为什么南大洋的碳-气候反馈在减弱呢？尽管未来南大洋的环流仍会因气候变化发生显著改变，但这些变化对碳吸收的影响正在减小，研究认为垂直碳梯度减小和温室气体补偿效应是主要影响因素。

由于人类排放的CO₂持续进入海洋，表层和深海的溶解无机碳浓度差异变小，使得环流变化对表层碳含量的影响减弱；另外，温室气体导致的混合层变浅减少溶解无机碳上升作用与经向翻转环流增强增加溶解无机碳上升作用几乎相互抵消，最终只有水温升高对CO₂溶解度的影响占主导。

研究估计，到21世纪末，海表温度上升导致二氧化碳溶解度下降成为影响碳汇的最主要因素，虽然物理环境变化对碳汇的绝对影响依然存在，但相对于直接由大气二氧化碳浓度升高驱动的变化，其相对重要性显著下降，但并不会大规模CO₂释放，形成碳源。

这项研究揭示了南大洋碳汇动态的关键转变，从臭氧主导到温室气体主导，从环流控制到温度控制，尽管南大洋物理环境将持续变化，但这些变化对碳循环的影响将在本世纪逐渐减弱。

❓思考题：未来南大洋的碳吸收能力主要受什么影响？

A.海洋生物的光合作用增强
B.温室气体增加导致水温上升，降低CO₂溶解度
C.南大洋的海冰完全消失
D.臭氧层完全恢复，风场恢复正常

参考文献：Decreasing importance of carbon-climate feedbacks in the Southern Ocean in a warming climate. Science Advances，16 May 2025，Vol 11, Issue 20，DOI: 10.1126/sciadv.adr3589