温度升高，生物泵如何成为主要的海洋碳汇

长期以来，海洋一直被认为是地球碳循环的重要组成部分，是吸收大气中二氧化碳 (CO₂) 的主要吸收器。在海洋封存碳的各种过程中，生物泵是最重要的机制之一。该过程涉及海洋浮游植物吸收二氧化碳，然后通过光合作用将二氧化碳转化为有机碳。这些生物死亡并下沉后，这些有机碳随后被运输到深海，从而有效地长期封存碳。

在最近的研究中，研究人员探索了温度超调情景下海洋碳汇的动态，研究发现生物泵可能成为此类温度超调后碳封存的主要机制。

海洋在全球碳循环中的作用

海洋覆盖了地球表面的71%，在全球气候系统中扮演着至关重要的角色。特别是在碳循环中，海洋不仅是全球最大的碳库之一，还在调节大气中二氧化碳（CO2）的浓度方面发挥着关键作用。近几十年来，全球海洋吸收了大气中约 25% 的人类活动 CO 2排放量，从而显著抑制了全球变暖的进程。

海洋吸收 CO 2发生在海面，空气中的 CO 2溶解在海水中，海水表水中的碳以三种溶解形式存在：二氧化碳、碳酸氢盐和碳酸根阴离子。海洋碳循环并不是一条单行道，因为三种形式的溶解碳彼此处于平衡浓度平衡状态。一个参数的变化会立即导致另外两个参数的补偿反应。有研究数据表明：自工业化开始以来，海洋酸度增加了 26%。

海洋碳循环主要通过3种机制，分别是物理泵机制、生物泵机制、植物泵机制。

其中，生物泵是全球碳循环的基本组成部分。浮游植物是漂浮在海洋上层的微小植物，它们通过光合作用吸收二氧化碳。当这些生物死亡或被海洋动物吞食时，它们细胞中所含的碳会沉入海洋深层，通常会到达海底，在那里储存数百年甚至数千年。这一过程在缓解大气中的二氧化碳浓度以及调节地球气候方面发挥着至关重要的作用。

新的研究发现

GEOMAR 亥姆霍兹基尔海洋研究中心引导的一项新的研究，研究人员利用中等复杂程度的地球系统模型来评估百年时间尺度上各种理想温度超调情景下海洋二氧化碳吸收和储存机制的变化，这种方法使他们能够模拟长期气候和碳循环动态。

研究发现，在中等温度超调情景下，海洋碳汇从主要受物理泵（海洋环流过程）主导转变为更受生物泵驱动。最初，随着全球气温上升，由于海洋分层增加，物理泵机制在二氧化碳储存中占主导地位。这意味着与大气直接接触的海洋表层水吸收二氧化碳的效率更高。然而，一旦发生温度超调，海洋温度升高，生物泵就会逐渐成为主导机制。由浮游植物、海洋生物及其通过生物过程储存的碳驱动的生物泵在长期（数百年的时间尺度上）碳储存中发挥着越来越重要的作用。

生物泵的碳封存能力对变暖十分敏感，虽然生物泵在超调后优势有所增强，但也无法免受变暖带来的负面影响，如海洋缺氧和海洋生态系统结构变化等。缺氧（由于气候变暖导致海洋深层氧气耗尽）被认为是影响生物泵效率的一个关键因素。在低氧环境中，海洋生物的碳储存效率会下降，这可能会降低生物泵的长期碳封存能力。

该研究强调，虽然生物泵对于长期碳封存至关重要，但其在多个世纪的时间尺度上储存碳的能力仍不确定。温度过高后通过生物泵储存的碳可能会随着时间的推移抵消大气中的二氧化碳，但生态系统退化和氧气损失可能会限制这种能力。在温度超调之后，海洋可以继续充当主要的碳汇，但生物泵的碳封存效率可能会下降，从而降低其作为永久性碳去除解决方案的可靠性。

海洋分层、脱氧和碳封存之间的关系

与海洋变暖及其对碳封存的影响有关的一个主要问题是海洋缺氧现象。随着海洋变暖和分层加剧，深海中的氧气含量会降低，进而影响生物泵的效率。较低的氧气含量会阻碍深海中有机物的分解，从而可能导致碳循环的变化。

当浮游植物产生的有机物沉入深海并分解时，生物泵就能有效运作。然而，当氧气稀缺时，分解过程就会减慢，碳可以储存更长时间。这意味着在缺氧严重的地区，原本会循环回大气的碳反而会留在深海中，从而有效地增强长期碳封存。

然而，低氧区域碳储存量的增加可能会带来意想不到的后果，例如缺氧区域的产甲烷细菌会释放甲烷（一种强效温室气体） 。

海洋酸化对生物泵的影响

海洋酸化是影响海洋碳封存的另一个重要因素。随着大气中二氧化碳浓度的上升，很大一部分过量碳被海洋吸收，导致 pH 值降低和海水酸化。这可能会影响海洋生物，特别是珊瑚和某些类型的浮游植物等钙化生物，它们依靠碳酸钙形成外壳。

生物泵的效率与碳酸钙的生产密切相关，碳酸钙在碳储存和碳向深水垂直运输中都发挥着作用。钙化生物数量的减少可能会减少无机碳向深海的流动，从而改变海洋生态系统的结构和海洋碳封存的能力。有研究表明，非钙化浮游植物物种可能会在未来的海洋条件下占据主导地位，这可能会改变碳封存机制并增强有机碳储存。

思考

在长期尺度上，特别是在持续的全球变暖和缺氧条件下，生物泵的碳储存能力有多稳定？因气候变暖而加剧的海洋分层现象如何影响营养物质的可用性和生物泵的碳封存效率？大气中二氧化碳增加造成的海洋酸化如何影响生物泵的碳输出和长期储存效率？生物泵效率与其他气候过程（例如温度、冰盖和大气二氧化碳浓度）之间的反馈回路是什么？

参考文献：Wolfgang Koeve, Angela Landolfi, Andreas Oschlies & Ivy Frenger，Marine carbon sink dominated by biological pump after temperature overshoot.  Nature Geoscience volume 17, pages1093–1099 (2024)，doi. s41561-024-01541-y

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