海洋生物如何影响海洋碳封存，生物泵中碳通量衰减的驱动因素

海洋生物泵通过将碳封存在海洋内部，在调节地球气候方面发挥着至关重要的作用。这种机制是将颗粒有机碳最初通过光合作用产生的地表水输送到海洋深层，在那里可以封存数百年甚至数千年。然而，了解碳通量衰减（到达海洋深处的颗粒有机碳数量的减少）仍然一个的关键挑战。

越来越多的证据表明，微生物过程、浮游动物活动、海洋含氧量条件，甚至气候变化都会影响生物泵的效率。一项新的研究深入探索了碳通量衰减的驱动因素，以加深我们对海洋碳封存机制的理解。

生物泵和碳通量衰减

生物泵是海洋生态系统将碳从大气转移到深海的一系列过程。初级生产者，如浮游植物，通过光合作用从大气中捕获碳，形成有机物。这些物质随后被浮游动物消耗，剩余的碳要么被微生物利用，要么以颗粒有机碳的形式沉积下来。

下沉的颗粒有机碳会经历多种过程，从而减少到达深海的碳量，包括微生物再矿化、浮游动物粪便颗粒的产生和沉积。随着时间的推移，大部分碳会通过微生物活动转化回二氧化碳，然后到达深海，并在那里储存数百年。

碳通量衰减的关键驱动因素

1、颗粒有机碳的微生物降解

碳通量衰减的最重要驱动因素之一是微生物再矿化。当颗粒有机碳沉入水柱时，它会被各种微生物分解，包括细菌和古细菌。这些微生物将有机物分解成更简单的化合物，如二氧化碳 (CO₂)、甲烷 (CH₄)和其他溶解的有机形式。

海洋中的微生物群落高度多样化，在不同海洋区域的碳衰减中发挥着重要作用。这些群落利用不同的酶途径来降解有机物质。因此，微生物过程可以显著减少到达深海的碳量，因为其中大部分在下沉之前会转化回二氧化碳。

2、浮游动物和粪便颗粒的产生

除了海洋中的微生物，浮游动物通过捕食浮游植物和其他微生物并产生粪便颗粒，在生物泵中发挥着关键作用。这些富含碳的粪便颗粒沉入海底，有助于长期碳封存。浮游动物粪便颗粒的产生和沉入是碳从表层海洋输出到深海的主要途径。

然而，有几个因素会影响这一过程的效率。浮游动物群落的组成和行为，以及海洋酸化和变暖等环境压力因素，都会改变粪便颗粒的大小、密度和碳含量，影响其下沉速度和下沉过程中的再矿化。浮游动物还可能在粪便颗粒下沉之前通过微生物降解改变其中的有机碳，这进一步影响深海中封存的碳量。

3、氧气最低区

最低含氧区也对对碳通量衰减有重大影响。最低含氧区是海洋中氧气浓度极低的区域，通常位于200至1000米深处。低氧浓度会影响微生物活动和浮游动物行为，从而改变碳再矿化率和生物泵的效率。

研究表明，最低含氧区可能通过减少微生物活动充当碳汇，从而使更多的颗粒有机碳沉入更深的低氧水域，并可能在那里被封存更长时间。然而，气候变化和海洋酸化可能会改变最低含氧区的位置和强度，从而对未来生物泵的效率产生潜在的重大影响。

4、环境因素

海洋分层、上升流和环流模式等物理因素也会影响生物泵的效率。例如，上升流将深海中富含营养的水带到海面，刺激浮游植物大量繁殖，从而增加海面的碳产量。然而，由于全球变暖而加剧的海洋分层可能会减少营养物质的供应并改变海洋生物的分布，从而影响深海的碳通量。

此外，海洋变暖和酸化预计将影响浮游植物的生产力、浮游动物群落的组成以及微生物再矿化的速度，所有这些都会导致碳通量衰减。了解这些相互作用对于预测生物泵在缓解气候变化方面未来的作用至关重要。

新的研究发现

一项新的研究，研究人员使用名为C-RESPIRE的双粒子拦截器和孵化器进行了现场实验，该装置被部署在多个中深层深度这使得他们能够直接在海洋中测量微生物介导的颗粒有机碳通量衰减。

研究发现，与附着在颗粒上的微生物相比，浮游动物在通量衰减中发挥着更大的影响力，微生物降解导致不同海洋状态下通量衰减的7-29%。

颗粒有机碳通量的衰减遵循明显的深度相关模式，即随着粒子下沉得更深，通量会减少。这种模式受到多种环境因素的影响，包括温度、氧气供应和营养物浓度。这种衰减在所有海洋区域并不均匀。

颗粒有机碳通量衰减的垂直趋势与低纬度地区的强烈温度梯度有关，而温度在中纬度和高纬度地区的作用较小。微生物再矿化率在不同地点和深度之间存在显著差异，在高颗粒有机碳通量下观察到的再矿化率最低。

该研究解构了马丁曲线，揭示了驱动不同海洋区域微生物介导的颗粒有机碳通量衰减的潜在机制。这项研究挑战了一些关于颗粒有机碳深度衰减的传统假设，尤其是著名的“马丁曲线”，该曲线表明通量随深度均匀呈指数下降。相反，这项研究引入了一个更细致的模型，该模型考虑了影响碳衰减的生物和物理过程的变化，揭示了驱动不同海洋区域微生物介导的颗粒有机碳通量衰减的潜在机制。

研究表明，海洋中碳通量的衰减受到生物过程的复杂相互作用的影响，这些过程包括有机颗粒的微生物降解和浮游动物对颗粒有机碳的消耗。微生物活动和浮游动物摄食对于控制与深度相关的碳通量下降都至关重要，这是海洋碳封存效率的重要决定因素。

思考

不同的微生物群落如何与下沉的颗粒相互作用？微生物酶在有机物下沉之前分解有机物方面发挥什么作用？

浮游动物群落的组成和行为如何影响生物泵的整体效率？环境变化（例如海洋酸化、变暖）如何影响浮游动物对碳通量的贡献能力？

最低含氧区具体如何影响颗粒有机碳衰减？从长远来看，最低含氧区在碳封存方面的效率是更高还是更低？

参考文献：M. Bressac, E. C. Laurenceau-Cornec, F. Kennedy, A. E. Santoro, N. L. Paul, N. Briggs, F. Carvalho & P. W. Boyd ，Decoding drivers of carbon flux attenuation in the oceanic biological pump.  Nature volume 633, pages587–593 (2024)，doi.s41586-024-07850-x

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