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学科交叉集成研究解答深海生物圈碳及能量来源

发布日期:2020-09-28


2020910日,地学领域权威期刊《地球物理研究通讯》(Geophysical Research Letters)在线发表了我研究所张瑶教授联合多个课题组交叉集成研究的成果——“Laterally transported particles from margins serve as a major carbon and energy source for dark ocean ecosystems”,揭示了深海生物圈碳需求与供给不平衡的缺口可由侧向传输颗粒物及其所支撑的黑暗固碳填补。

深海,黑暗、低温、高压,看似恶劣的环境却孕育着丰富的、多样的、代谢活跃的生物圈(主要是微生物),深海中包含着全球海洋75%的原核生物(细菌、古菌)和50%的原核生物生产力。然而,缺少了光照,深海生物圈的能量来源靠什么供给呢?

海洋真光层的浮游植物通过光合作用将二氧化碳(CO2)转化为颗粒有机碳(POC),其中大部分的POC在真光层内被再矿化成CO2返回到大气中。大约有1%–40%的有机碳从真光层输出至深海,其在深海被再矿化的速率虽远低于表层,但由于温盐跃层的存在,深海水不与表层海水发生交换,因而在深海积累了较高浓度的溶解无机碳(DIC),这就是我们熟知的生物泵。同时,有机碳的微生物降解过程产生惰性溶解有机碳(RDOC)储存于深海,即为微型生物碳泵。因此深海微生物的代谢活动决定了海洋储碳的形式。

显然,沉降POC是深海生物圈能量供给的一个重要来源,真光层底部POC输出量的高低决定了其对深海生物圈能量供给的多寡。深海微生物对碳的需求理论上应与沉降颗粒通量一致。研究表明,微生物生物量生产随深度降低,其剖面趋势与基于沉积物捕获器数据的沉降颗粒通量模型基本一致;但是,微生物群落的呼吸速率随深度剖面的减少远小于生物量生产的减少。因此,深海微生物碳需求比沉降颗粒物通量高得多。即,表层沉降的有机碳不足以满足深海微生物的碳和能量需求。这种显著的供需不平衡在大西洋和太平洋均有报道,而在中国南海差异更大。这是长期困扰学术界的经典问题。这意味着有更多样的能量来源和能量代谢模式我们还未识别到。

该研究工作集成了南海多年观测数据,综合分析了Biogeochemical-Argo数据、真光层输出通量、深海沉降颗粒物通量、氮营养盐分布、硝化菌分布、黑暗固碳量和细菌生物量生产力;估算了真光层输出来源的颗粒有机碳、侧向传输来源的颗粒有机碳、微生物黑暗固碳以及溶解有机碳库对深海微生物碳需求的贡献。发现了南海北部海盆与南部海盆显著的碳供需差异;揭示了南海北部侧向传输颗粒物及其所支撑的微生物黑暗固碳对深海碳需求的显著贡献,填补了北部海盆巨大的碳供需不平衡缺口。该研究工作描绘了边缘海物理-化学-生物串级耦合过程和机理,暗示了侧向传输过程对深海生物地球化学循环及海洋储碳的重要意义。

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3 南海北部海盆相较于南部海盆显著的侧向传输为深海提供了更多的颗粒有机碳

该研究工作由18新利体育官网近海海洋环境科学国家重点实验室、18新利体育官网海洋微型生物与地球圈层研究所、海洋与地球学院的微生物海洋学、海洋碳循环、氮循环、海洋观测及物理海洋学等课题组,联合自然资源部第二海洋研究所和德国汉堡大学多个团队合作完成,18新利体育官网博士生沈嘉明为论文第一作者,IME张瑶教授为论文通讯作者。

该研究得到了科技部国家重点研发计划全球变化及应对重点专项“近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式”、国家自然科学基金重大研究计划“南海深部过程演变”、“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”、创新研究群体“海洋氮循环与全球变化”等项目的资助。


论文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2020GL088971