近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室高樹基教授團隊與國內外合作者在海洋真光層碳、氮耦合動力過程及其氣候效應評估上取得重要進展，相關成果“Epipelagic nitrous oxide production offsets carbon sequestration by the biological pump”發表于Nature Geoscience。該研究揭示了海洋真光層有機質礦化觸發的氮再生循環過程會活躍釋放N2O，可抵消約10%的由生物泵固碳吸收CO2所降低的溫室效應，為深入理解與評估生物泵的氣候調節能力提供新的視角。
生物泵是海洋固碳、儲碳的主要機制，也是海洋調控大氣CO2濃度的關鍵過程，一直是海洋生物地球化學循環與全球氣候變化研究的核心內容。生物泵運轉過程中，來源于初級生產的有機碳僅有很小比例能夠通過復雜的生物、化學、物理過程輸出真光層，從而實現與大氣隔絕。這意味著大部分有機質在真光層內部快速礦化，驅動了強烈的氮再生循環過程。然而，該過程所蘊含的溫室氣體釋放及其潛能，及其對生物泵氣候效應的影響缺乏評估。
N2O是海洋氮循環過程中產生的一種痕量氣體，因具有強力的溫室效應與臭氧消耗能力而備受關注。但海洋N2O源匯格局復雜，目前對于海洋N2O的分布及其時空變異特點、驅動過程仍缺乏足夠的認知，嚴重制約N2O釋放通量、氣候效應的準確評估。近年來，高樹基團隊聚焦海洋真光層的氮動力過程，通過高分辨率的同位素標記培養，證實了海洋真光層中存在活躍的氨氧化過程，并揭示了營養鹽分布對于真光層氨氧化分布的重要調控，研究結果為進一步闡明真光層N2O產生機制及其空間分布特點奠定了重要基礎1。此外，該團隊還基于南海北部的長期觀測，對其N2O分布規律、海氣釋放通量的時空變異特點進行了系統研究和定量闡釋，并對南海北部N2O與CO2通量之間的氣候效應開展了量化比較，證實了南海N2O釋放不可忽視的氣候效應2。
基于2012-2019年間7個航次的觀測數據，該團隊系統探究了中國近岸、南海、北太平副熱帶洋流渦區上層200 m的碳、氮關鍵動力過程，利用多同位素示蹤定量初級生產力、輸出生產力、氨氧化以及N2O釋放速率，為海洋真光層存在活躍的N2O原位生產過程提供了強力證據。研究結果顯示，真光層底部存在顯著的N2O累積，且氮、氧雙同位素負偏，證明了真光層中普遍存在的原位N2O添加過程，結合同位素質量平衡模型首次估算出該生產過程可以貢獻40-60%的海氣N2O通量。進一步應用同位素標記技術定量氮循環不同過程中N2O的生產速率，發現真光層內部硝化過程是N2O產生的重要機制，而在真光層底部亞硝酸鹽積累具有最為活躍的N2O生產行為。同時，真光層中N2O生產速率與顆粒有機碳（POC）的儲量和輸出通量均呈現良好的正相關關系（圖1），即生物泵產生、輸出的POC越多，其礦化再生觸發的氮循環過程會釋放出更多的N2O，可抵消~10%的由生物泵固碳所降低的CO2溫室效應。鑒于此，該研究提出，海洋生物泵運轉過程不僅通過碳輸出吸收大氣CO2，同時也會通過驅動有機質再生促使N2O的釋放，從而表現出氣候效應的“雙面性”（圖2）。該研究結果為海洋碳、氮循環的耦合與復合氣候效應研究提供了新的科學思路，有助于全方面的理解與評估生物泵的氣候調節能力。
圖1 本研究水柱（0-200 m）積分POC儲庫與氨氧化速率、N2O產生速率相關性分析。
圖2 真光層碳-氮耦合循環關鍵過程及其復合氣候效應示意圖
該論文的通訊作者為廈門大學高樹基教授，第一作者為畢業生萬顯會博士（現為普林斯頓大學博士后），共同作者包括廈門大學博士后盛華夏、戴民漢教授、鄒文彬工程師、博士生劉麗和沈輝、周寬波副教授，美國斯坦福大學Karen Casciotti副教授、蒙大拿大學Matthew Church教授以及普林斯頓大學Bess Ward教授。該研究受到國家自然科學基金項目（92058204、41890802、41721005、41730533和41906040）的聯合資助。
文章來源
Wan, X., Sheng, H. X., Dai, M., Casciotti, K. L., Church, M. J., Zou, W., Liu, L., Shen, H., Zhou, K., Ward, B. B. & Kao, S. J. (2022). Epipelagic nitrous oxide production offsets carbon sequestration by the biological pump. Nature Geoscience, 15, 10.1038/s41561-022-01090-2
文章鏈接
https://doi.org/10.1038/s41561-022-01090-2
拓展閱讀
1. Wan, X., Sheng, H. X., Dai, M., Zhang, Y., Shi, D., Trull, T., Zhu, Y., Lomas, M. & Kao., S. J. (2018). Ambient nitrate switches the ammonium consumption pathway in the euphotic ocean. Nature Communications, 9, 915
2. Wan, X., Lin, H., Ward, B. B., Kao, S. J. & Dai, M. (2022). Significant seasonal N2O dynamics revealed by multi-year observations in the Northern South China Sea. Global Biogeochemical Cycles, 36, e2022GB007333
供稿：高樹基課題組
編輯：劉琰冉、蘇穎
審核：曹知勉、劉志宇、唐騰鳳
