鱼类在海洋碳循环中的作用及研究展望

碳中和是应对气候变化的必由之路,海洋负排放是实现碳中和的重要途经。海洋作为地球最大碳库,研究发现越来越多的海洋和海岸带生物参与碳循环,并对海洋碳汇产生重要贡献。鱼类作为海洋生态系统中最重要组成部分之一,其在海洋碳循环中的作用还没有引起足够的重视。最新研究表明海洋鱼类在无机碳循环中发挥了重要作用,深化对鱼类参与碳循环过程的认识、量化其固碳潜力将有助于丰富海洋碳循环研究。本文首先系统梳理了鱼类参与碳循环的过程和机制等研究进展。鱼类通过产生碳酸盐粪便、水平和垂直迁移运输、生物扰动、生物碳和“尸体”碳以及食物网消耗与传输等方式参与海洋碳循环。鱼类参与碳循环的证据和参与海洋碳循环的重要性逐渐凸显。其次,本文提出目前鱼类参与碳循环研究存在的问题与挑战,包括渔业捕捞源汇之争、水产养殖业的机遇和挑战以及准确量化鱼源碳酸盐的困难,仍有待理论和方法学的深化研究和技术的革新去解决。最后本文提出鱼类参与碳循环的研究展望,及其在全球气候变化背景下的潜在机遇,同时结合当前渔业碳汇的发展进程以及行业需求,提出渔业减排固碳发展路径建议。本文旨在提升鱼类在海洋碳循环贡献和服务生态系统的潜力的认识,为海洋碳汇和渔业碳汇研究提供新的视角。

全球海洋碳循环模式MOM4_L40对碳和营养物自然分布的模拟

本文介绍了国家气候中心发展的一个全球海洋碳循环环流模式,并分析评估了该模式的基本性能.该模式是在美国地球物理流体动力学实验室(GFDL,Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)的全球海洋环流模式MOM4(Modular Ocean Model Version 4)基础上发展的一个垂直方向40层、包含生物地球化学过程的全球三维海洋碳循环环流模式,简称为MOM4_L40(Modular Ocean Model Version 4 With 40Levels).该模式在气候场强迫下长期积分1000年,结果分析表明,与观测相比,模式较好地模拟了海洋温度、盐度、总二氧化碳、总碱、总磷酸盐的表面和垂直分布特征.模拟的海洋总二氧化碳分布与观测基本相符,表层为低值区,其下为高值区,高值区域位于10°S—60°N之间,但2000m以上模拟值较观测偏小,2000m以下模拟值较观测偏大.总体来说,MOM4_L40模式是一个可信赖的海洋碳循环过程模拟研究工具.

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO2为283×10-6条件下,积分3 100a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO2浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO2的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO2的源区。在1980s海洋吸收CO2速率(以C计)为1.38Pg/a,1990s为1.55Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。

海洋碳循环模式(Ⅱ)──对印度洋的模拟结果分析

把建好的海洋碳模式应用于印度洋区域，模拟得到了印度洋中与碳有关各化学量的表层分布、垂直分布和沿子午线面的等值线分布。与实测的ＧＥＯＳＥＣＳ（ＧｅｏｃｈｅｍｉｃａｌＯｃｅａｎ—Ｓｅｃｔｉｎｎ Ｓｔｕｄｙ）数据作对比，模式较好地再现了印度洋上营养盐浓度、总碳浓度、总碱度和溶解氧的二维分布。通过模拟还发现，在稳定状态下，大气和海洋中总碳含量的分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件，水平扩散系数Ｋｈ和光合作用常数率Ｋｇ对各化学量的分布有较大影响（以前有学者认为不太重要，如 Ｂａｅｓ［１］）；南印度洋中纬地区 １０°Ｓ至 ３０°Ｓ是１４Ｃ的重要向下渗透区域，人为排放的ＣＯ２可通过这片渗透区从海洋的表层输入海洋的深层。

赴德国马普气象研究所学习海洋碳循环模式总结

1概况 2013年9月6日至12月2日，国家气候中心气候模式室吴方华博士应Tatiana Ilyina博士邀请，赴德国马普气象研究所（MPI-M：Max Planek Institute for Meteorology）进行学术访问，将MPI-M发展的全球海洋碳循环模式（HAMOCC：Hamburg Model of the Ocean Carbon Cycle）最新版本5．2成功移植到国家气候中心气候系统模式BCC—CSM的海洋分量模式MOM中，并完成稳定性测试和模拟结果合理性的检验工作。访问期间有幸参加了MPI-M的年会和NCAR命令行语言（NCL）软件使用培训。

一个地球系统模式模拟的气候变化对海洋碳循环的影响

使用维多利亚大学的地球系统模式进行模拟,选取1800-2500年间较高的CO2浓度情景（RCP8.5）,分析由于CO2增加引起的气候变化对海洋碳循环的影响.当气候敏感度为3.0K时,相对于无气候变化,到2100年,由于大气CO2增加造成的气候变化导致海表面温度升高2.7K,北大西洋深水流量减少4.5 Sv,海洋对人为碳的年吸收减少0.8 PgC;比较人为溶解无机碳在海洋中的垂直累积分布,发现气候变化对海洋吸收大气CO2的影响在北大西洋区域最明显.1800-2500年,相对于不考虑气候变化的情景,模式模拟的气候变化导致整个海洋对人为碳的累积吸收总量减少23.1％,其中北大西洋减少32.0％.此外,比较不同气候敏感度（0～4.5 K,间隔为0.5 K）的模拟结果发现,气候敏感度越高,气候变化对海洋吸收CO2能力的抑制作用越明显.

海洋碳循环过程中的海水微表层泵

在海洋现场调查和实验室研究取得大量数据的基础上,对海洋碳循环过程中诸如溶解泵/物理泵、生物泵、陆架泵等理论观点之外,提出一种新“泵”即海水微表层(SML)泵.由此引出三个推论:(ⅰ)“pH-深度”曲线的左-右扭转的非对称性;(ⅱ)“浓度-深度”曲线的非线性;(ⅲ)SML泵作用的影响范围的差异性.最后讨论了中国黄海和南海是大气CO2的“源”或“汇”的问题.

印度洋二维碳循环模式中表层CO_2分压分布对物理和生化过程的敏感性试验

利用二维印度洋碳循环模式的模拟结果,集中对表层海洋中的CO2分压分布及其控制因子、海洋生物对海气CO2交换的影响、海洋营养物含量的改变和海洋环流的改变对大气CO2浓度的影响等进行了深入的分析和讨论,并与实际的GEOSECS观测数据的分析结果做比较;研究了与表层海洋CO2分压相关的海洋条件,较详细讨论了形成海洋表层CO2源与汇系统的决定因素及其相对重要性,得到了海洋热力因子和海洋环流对海洋表层的CO2化学过程起着决定性作用而生物过程仅处于次要地位的重要结论。此外,还利用建立的海洋碳模式进行了一些有意义的数值试验,详细讨论了海洋的物理化学因子改变对大气CO2浓度的可能影响。

^(234)Th/^(238)U不平衡法及其在海洋颗粒物循环研究中的应用

一直以来,对于测定从海洋表层到深层整个全水柱的颗粒物输出通量都是一个很大的挑战。放射性元素^(234)Th因其合适的半衰期(t_(1/2)=24.1d)和超强的颗粒物活性而被广泛应用于示踪颗粒物的循环以及和生物有关的海洋过程,并且^(234)Th/^(238)U不平衡法因其采样简单且能得到高分辨率的垂向和水平向数据而具有更远的发展前景。主要介绍了^(234)Th/^(238)U不平衡法的原理、发展历史、采样和分析方法及其在海洋颗粒物循环过程和其他海洋学研究中的应用、存在的问题和发展前景,并重点探究其对于研究颗粒物有机物再矿化过程和受控机制以及深海碳循环的可能。

两代耦合海浪的地球系统模式FIO-ESM全球碳循环过程发展

自然资源部第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM是自主研发的、以耦合海浪模式为特色的地球系统模式,包括物理气候模式和全球碳循环模式。该模式从第一代版本FIO-ESM v1.0发展到第二代版本FIO-ESM v2.0,其物理气候模式和全球碳循环模式都取得了改进与提升。FIO-ESM v2.0全球碳循环模式的海洋碳循环模式由v1.0的营养盐驱动模型升级为NPZD(Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus)型的海洋生态动力学碳循环模型,陆地碳循环模型由v1.0的简单的光能利用率模型升级为考虑碳氮相互作用的碳氮(CN)耦合模型;大气碳循环模型仍为CO_(2)的传输过程,考虑了化石燃料排放、土地利用排放等人为CO_(2)排放量。在物理过程参数化方案方面,FIO-ESM v2.0全球碳循环过程在考虑浪致混合作用对生物地球化学参数的作用的基础上,增加了海表面温度的日变化过程对海-气CO_(2)通量的影响。已有数值模拟试验结果表明,FIO-ESM v2.0在考虑了更加复杂的碳循环过程后仍具有较好的全球碳循环模拟能力,为进一步开展海洋与全球碳循环研究提供了更有力的支撑工具,从而更好地服务于国家的双碳目标。

浮游有孔虫壳体重量的古海洋学应用

海洋沉积物中浮游有孔虫壳体重量同时受到上层海洋钙化过程和深海碳酸钙溶解作用的影响,是一种潜在的古海洋代用指标。基于全球大洋表层沉积物的指标现代过程校准,发现当深海碳酸根离子饱和度<20μmol·kg-1,溶解作用开始显著影响浮游有孔虫壳体重量。易溶种的壳体重量对碳酸根离子饱和度的响应更加敏感,可以作为可靠的深海碳酸根离子饱和度代用指标。当深海碳酸根离子饱和度>20μmol·kg-1,浮游有孔虫壳体重量可反映其钙化程度。基于该指标的古海洋学研究揭示了冰期旋回中浮游有孔虫钙化过程主要响应海水碳酸盐系统和温度变化;上新世以来太平洋深海碳酸根离子饱和度演化主要受控于海平面、南大洋冰盖/海冰和全球温盐环流变化。浮游有孔虫壳体重量指标为探索海洋碳循环演化提供了有力工具。

^(234)Th作为海洋学中示踪剂的研究进展

234Th是海洋中日、周、月时间尺度上和颗粒物运动有关的过程的良好示踪剂,常用于海洋碳循环最为重要的区域———真光层中颗粒物的循环,以及和生物中介有关的及一些相对较快发生的海洋过程的研究2。34Th对我们研究由CO2循环导致的全球变暖问题,了解各种元素和化合物在海洋中的分布行为和最终归宿,促进全球质量平衡归宿模型的构建,研究某海域的生物泵与初级和新生产力,促进我们对海洋的进一步了解并引导它健康可持续地为人类所利用等方面有着重要的意义。简要论述了234Th作为海洋学中示踪剂的原理和发展过程,比较了目前所使用的各种采样和测量方法,详细介绍了它在垂直通量、颗粒物循环、水平传输和沉积物动力学等方面的应用,并针对目前存在的问题和不足简要归纳了未来研究的方向。到目前为止,234Th仍然是最快的自然颗粒物活性计时器,而样品处理、分辨率和处理量等方面的进步则推动了234Th在海洋学研究中更广泛的应用。开阔大洋中很多234Th工作都是在JGOFS计划的支持下进行的,因此,234Th应用的潜在前景可针对JGOFS计划未完成的问题而进行深入研究。

海底泥火山的甲烷迁移与转化及其对海洋碳输入的影响

海底通过泥火山释放的富甲烷流体是海洋甚至大气重要的碳源之一,对该系统内甲烷迁移与转化过程开展研究,有助于精确估算其碳排放总量。系统调研了国内外文献,认识到泥火山的碳排放具有强烈的时、空变化特征。在时间上,甲烷的排放主要发生在泥火山的喷发期和平静期,而在其消亡之后只出现微量的渗漏;在空间上,一个单独的泥火山中心、翼部和外缘分别发育强甲烷气泡泄漏、中等强度富甲烷和溶解无机碳(DIC)的流体泄漏以及大面积的DIC微渗漏;甲烷厌氧氧化和碳酸盐岩沉淀作用在翼部最强,对碳排放的拦截最有效,而在中心和外缘均较慢。全球陆坡和深水盆地沉积物通过泥火山向上释放的深部来源的甲烷通量为0.02 Pg C·a−1,这些碳可能引发海水缺氧、酸化和影响海-气交换通量,从而在千年尺度甚至更短时间内影响海洋吸收大气二氧化碳的能力。将来需要进一步对海底泥火山的发育数目和喷发周期进行统计,对不同类型的泥火山开展精细调查,以准确评估沉积物中自下而上的碳排放对海洋碳循环的影响,完善全球碳循环模式。

热带太平洋表面水中CO_2对ElNio事件响应的数值模拟

文中用一个带生物泵的三维全球海洋碳循环模式模拟了热带太平洋表面水中 CO2 总量(TCO2 )在 El Nino和 La Nina事件期间的变化。试验结果表明 ,西北太平洋 (0～ 2 0°N,1 2 0～1 50°E)和赤道中东太平洋 (1 0°S～ 1 0°N,1 50°E～ 90°W)两个海区在 El Nino事件期间表面水TCO2 和海气分压差 (ΔPCO2 )的变化十分显著。El Nino期间 ,西北太平洋 TCO2 和 ΔPCO2 都增加 ;赤道中东太平洋 TCO2 和 ΔPCO2 都减少 ;La Nina期间 ,它们的变化与 El Nino期间相反。模拟的El Nino期间热带太平洋表面水中 TCO2 和 ΔPCO2 的变化趋势与观测事实吻合得较好。

琉球群岛邻近海域溶解有机碳的初步研究

测定了１９９７ 年７ 月份琉球群岛邻近海域的溶解有机碳（ＤＯＣ） ，发现ＤＯＣ的最高浓度存在于表层水中，为１６３μｍｏｌ／Ｌ，底层水ＤＯＣ的平均浓度为５０μｍｏｌ／Ｌ左右，最低为３９μｍｏｌ／Ｌ，且浓度相对保持恒定。黑潮北端ＤＯＣ的浓度要高于南端，研究认为东海是ＤＯＣ的一个源。

透明胞外聚合颗粒物碳输运新途径

目前大家普遍认为,透明胞外聚合颗粒物(Transparent Exopolymer Particles,TEP)因其独特的凝聚效应导致碳通量向海底输出。但是,近几年的研究表明TEP不仅影响了碳沉降途径,其本身能够悬浮甚至向海水表层迁移,导致其在海洋微表层(SurfaceMicro-layer,SML)积累,最终显著影响海洋表层碳通量。TEP和其他颗粒物聚集形成凝聚物后,其运动趋势则由凝聚物中TEP的含量占比,即最终颗粒物密度所决定。一个新的值得注意的现象是,密度低的TEP通过与其他微粒聚合形成表面活性物质(Surface-active Substances,SAS),会在海洋–大气界面形成薄膜,显著影响海–气CO2交换通量,甚至对全球气候变化造成影响。

IPCC确定的几种未来大气CO_2浓度水平对人为CO_2排放的限制

用三维海洋碳循环模式和一个简单的陆地生物圈模式计算了ＩＰＣＣ（政府间气候变化委员会）未来大气ＣＯ２情景中海洋和生物圈的吸收，并结合上地变化的资料得出燃料的排放值。结果表明：尽管在所有的构想下，为了使大气中ＣＯ２浓度达到稳定必须减少排放，但对应不同的ＩＰＣＣ未来大气ＣＯ２情景，对人为ＣＯ２排放的限制是很不相同的。

极地浮游病毒的研究进展

对极地海洋病毒的国内外研究现状进行扼要阐述,尤其是海冰融化对病毒的生态影响。内容包括极地海域的浮游病毒丰度、多样性及在碳循环中的作用研究以及中国在极地科考中所进行的与浮游病毒相关的工作,并提出了今后在极地海域要解决的与病毒相关的科学问题。

惰性的类腐殖质溶解有机质在能量匮乏的海洋沉积物中支持深部微生物群落

海洋沉积物孔隙水中溶解有机质(Dissolved organic matter,DOM)的主要组成部分是类腐殖质DOM,通常被认为是惰性的.然而,针对自然环境中类腐殖质DOM的生物活性的研究非常有限,这使得我们对其在支持深部生命和调节长时间尺度碳循环中发挥的作用的认知尚不明确.本研究从富营养的珠江口到寡营养的南海北部海盆采集了5根沉积物重力柱,通过模拟其中类腐殖质DOM的反应速率,分析其与微生物群落的相关性,来评估类腐殖质DOM的生物活性.研究发现,近岸与深海沉积物中类腐殖质DOM与微生物的相互作用关系存在明显的差异.在有机质丰富的近岸沉积物中,一些在深层沉积物中富集的微生物类群与类腐殖质DOM相关,然而大部分的微生物类群与类蛋白质DOM高度相关.微生物参与的类蛋白质DOM的转化可能导致类腐殖质DOM的产生.然而在有机质匮乏的深海沉积物中,超过70%的微生物类群与类腐殖质DOM紧密相关,并且类腐殖质DOM在深层沉积物中被净消耗.深海沉积物中,微生物对类腐殖质DOM的消耗使得表层约5m的沉积物中类腐殖质DOM的产生通量只有近岸沉积物的十分之一,显著降低了深海沉积物向海水扩散惰性DOM的通量,从而影响长时间尺度的海洋碳循环.