2020年9月10日，地學領域權威期刊《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）在線發表了我院張瑤教授聯合多個課題組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與供給不平衡的缺口可由側向傳輸顆粒物及其所支撐的黑暗固碳填補。
深海，黑暗、低溫、高壓，看似惡劣的環境卻孕育著豐富的、多樣的、代謝活躍的生物圈（主要是微生物），深海中包含著全球海洋75%的原核生物（細菌、古菌）和50%的原核生物生產力。然而，缺少了光照，深海生物圈的能量來源靠什么供給呢？
海洋真光層的浮游植物通過光合作用將二氧化碳（CO2）轉化為顆粒有機碳（POC），其中大部分的POC在真光層內被再礦化成CO2返回到大氣中。大約有1%–40%的有機碳從真光層輸出至深海，其在深海被再礦化的速率雖遠低于表層，但由于溫鹽躍層的存在，深海水不與表層海水發生交換，因而在深海積累了較高濃度的溶解無機碳（DIC），這就是我們熟知的“生物泵”。同時，POC的微生物降解過程產生惰性溶解有機碳（RDOC）儲存于深海，即為“微型生物碳泵”。因此深海微生物的代謝活動決定了海洋儲碳的形式。
顯然，沉降POC是深海生物圈能量供給的一個重要來源，真光層底部POC輸出量的高低決定了其對深海生物圈能量供給的多寡。深海微生物對碳的需求理論上應與沉降顆粒通量一致。研究表明，微生物生物量生產隨深度降低，其剖面趨勢與基于沉積物捕獲器數據的沉降顆粒通量模型基本一致；但是，微生物群落的呼吸速率隨深度剖面的減少遠小于生物量生產的減少。因此，深海微生物碳需求比沉降顆粒物通量高得多。即，表層沉降的有機碳不足以滿足深海微生物的碳和能量需求。這種顯著的供需不平衡在大西洋和太平洋均有報道，而在中國南海差異更大。這是長期困擾學術界的經典問題。這意味著有更多樣的能量來源和能量代謝模式我們還未識別到。
該研究工作集成了南海多年觀測數據，綜合分析了Biogeochemical-Argo數據、真光層輸出通量、深海沉降顆粒物通量、氮營養鹽分布、硝化菌分布、黑暗固碳量和細菌生物量生產力；估算了真光層輸出來源的顆粒有機碳、側向傳輸來源的顆粒有機碳、微生物黑暗固碳以及溶解有機碳庫對深海微生物碳需求的貢獻。發現了南海北部海盆與南部海盆顯著的碳供需差異；揭示了南海北部側向傳輸顆粒物及其所支撐的微生物黑暗固碳對深海碳需求的顯著貢獻，填補了北部海盆巨大的碳供需不平衡缺口。該研究工作描繪了邊緣海物理-化學-生物串級耦合過程和機理，暗示了側向傳輸過程對深海生物地球化學循環及海洋儲碳的重要意義。
圖1. 南海北部海盆相較于南部海盆顯著的側向傳輸為深海提供了更多的顆粒有機碳
圖2.（a、b）南海北部海盆近似平衡的深海碳供需。（c）南海北部側向傳輸帶來更多的顆粒有機碳，隨著顆粒有機碳在深海的再礦化，活性有機碳（LOC）降解、（相對）惰性有機碳（ROC）積累（更多地積累在南部海盆）。
該研究工作由我院微生物海洋學、海洋碳循環、氮循環、海洋觀測及物理海洋學等課題組，聯合自然資源部第二海洋研究所和德國漢堡大學多個團隊合作完成，我院博士生沈嘉明為論文第一作者，張瑤教授為論文通訊作者。
該研究得到了科技部國家重點研發計劃全球變化及應對重點專項“近海生態系統碳匯過程、調控機制及增匯模式”、國家自然科學基金重大研究計劃“南海深部過程演變”、“水圈微生物驅動地球元素循環的機制”、創新研究群體“海洋氮循環與全球變化”等項目的資助。
論文來源：
Jiaming Shen, Nianzhi Jiao, Minhan Dai, Haili Wang, Guoqiang Qiu, Jianfang Chen, Hongliang Li, Shuh-Ji Kao, Jin-Yu Terence Yang, Pinghe Cai, Kuanbo Zhou, Weifeng Yang, Yifan Zhu, Zhiyu Liu, Mingming Chen, Zuhui Zuo, Birgit Gaye, Martin G. Wiesner, and Yao Zhang* (2020). Laterally transported particles from margins serve as a major carbon and energy source for dark ocean ecosystems. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL088971. https://doi.org/10.1029/2020GL088971
全文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2020GL088971
