气候变化和陆地输入使北冰洋的生物碳泵减少40%，对全球碳储存的影响

北冰洋是全球碳循环的重要组成部分，由于气候变暖和陆源物质的不断涌入，北冰洋正在经历重大的环境变化，这些变化可能会破坏生物碳泵。一项新的研究深入探讨了气候变化和陆源物质输入增加如何降低这种碳汇的有效性，从而可能加剧全球气候变化的研究结果。

北冰洋的生物碳泵

生物碳泵是指碳被上层海洋中的浮游植物等光合生物固定，通过食物链转移，最终随着有机物的沉淀而被封存在深海中的过程。这一机制对于调节大气中的二氧化碳以及进而控制地球气候至关重要。在北冰洋，尽管该地区的表面积与热带海洋相比较小，但生物碳泵在全球碳循环中发挥着不成比例的作用。

北冰洋的生物生产力在很大程度上受到海冰、营养物质可用性和该地区独特的环境条件的影响。然而，最近的研究表明，气候变化（特别是温度升高）和陆源输入增加的综合影响可能会在未来几十年大幅降低其效率。

气候变化对北冰洋的影响

北极的变暖速度是全球平均水平的两倍多，这种现象被称为“北极放大”。气温升高导致海冰快速融化、海洋分层变化和营养物质供应模式改变，这些变化直接影响该地区的生物生产力。海冰融化使海洋的新区域可以接受阳光照射，这最初可能会促进浮游植物的生长。然而，初级生产力的提高不足以抵消对碳泵的负面影响。

北极地区最显著的气候变化之一是海洋分层的变化。随着表面温度上升，海洋变得更加分层，较暖的海水位于较冷、密度更大的海水之上。这种分层减少了来自深水的营养物质的混合，从而限制了浮游植物等初级生产者可获得的营养物质的数量。营养物质供应的减少降低了生物生产力，从而降低了深海中封存的碳量。

此外，永久冻土的融化和强烈沿海风暴频率的增加，导致陆地上的有机物质释放到北冰洋，加剧了碳循环的变化。

陆源输入及其在碳动力学中的作用

陆源输入是指来自陆地的物质，包括溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)和无机营养物。在北冰洋，这些输入主要是由于风暴活动增加和气温升高导致永久冻土融化和海岸线侵蚀的结果。这些输入对生物碳泵有双重影响，它们最开始的时候可以刺激微生物活动和浮游植物生长，但它们的长期影响对碳封存的益处较小。

陆源输入导致沿海地区二氧化碳释放量大幅增加，从而降低了北冰洋碳汇的总体效率。来自陆地的有机碳流入量增加往往更容易被海洋表面的细菌和其他微生物重新矿化，从而导致二氧化碳重新释放到大气中。

此外，由于陆源物质包括有机和无机化合物，其流入北极水域会改变海洋的化学成分，使其不利于长期碳封存。高浓度的营养物，特别是氮和磷，会引发藻类大量繁殖，消耗可用氧气并破坏海洋生态系统，从而进一步阻碍生物泵储存碳的能力。

新的研究发现

阿尔弗雷德韦格纳研究所-亥姆霍兹极地和海洋研究中心引导的一项新的研究，使用了一个最先进的高分辨率海洋生物地球化学模型，该模型包括河流和海岸侵蚀的碳和营养输入。

这项研究一项引人注目的发现是预测到本世纪末北冰洋生物碳泵的效率将下降高达40%，其中陆源输入贡献了10%。

陆源输入，包括来自陆地的有机物质，导致沿海地区二氧化碳大量释放，降低了北冰洋作为碳汇的能力。据预测，由于这些释放气体的过程，每年将有33TgC被释放回大气中，使北冰洋的碳吸收减少至少10%。

气候变化预计将改变浮游植物的生产力，而浮游植物的生产力在生物碳泵中起着关键作用，预计温度升高和海洋分层变化将降低浮游植物驱动的二氧化碳封存效率。冰盖减少和变暖导致的营养物质供应改变是这些变化的主要驱动因素。

研究还提到，由于气候变暖海冰融水分层将使生物碳泵延迟长达4个月，使其从输出过程转变为保留过程，这一转变进一步削弱了北冰洋在全球碳循环中的作用。

令人惊讶的是，即使预期浮游植物会大量繁殖，陆源营养输入的增加也会导致更多的营养物质滞留在沿海地区，而不是输出到深海，这种影响削弱了北极在长期碳储存中的作用，导致净碳封存量减少。

这项研究为北冰洋碳循环的未来描绘了一个令人担忧的情景，预计到2100年，北极的生物碳泵效率将降低40%。北极生物碳泵的潜在减弱对全球气候调节具有重大影响，北极地区是气候变化最敏感的地区之一，其碳循环的任何中断都可能对更广泛的地球系统产生连锁反应，随着北极储存碳的效率降低，更多的二氧化碳和甲烷可能会留在大气中，从而进一步加剧全球变暖和环境变化。

思考

陆源输入如何与北冰洋的生物过程相互作用？沿海地区二氧化碳排放量增加对北极碳汇有何长期影响？生物多样性在维持生物碳泵的效率方面起什么作用？生物碳泵与海洋环流变化之间的反馈机制是什么？

参考文献：Laurent Oziel, Özgür Gürses, Sinhué Torres-Valdés, Clara J. M. Hoppe, Björn Rost, Onur Karakuş, Christopher Danek, Boris P. Koch, Cara Nissen, Nikolay Koldunov, Qiang Wang, Christoph Völker, Morten Iversen, Bennet Juhls & Judith Hauck ，Climate change and terrigenous inputs decrease the efficiency of the future Arctic Ocean’s biological carbon pump.  Nature Climate Change (2025)，doi.s41558-024-02233-6

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