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近期，bat365在线平台官方网站東思嘉助理教授及其合作者，圍繞海洋碳循環中的反應速率和通量大小問題，通過測定不同海洋顆粒物中的穩定碳同位素随水深的變化，限定了赤道東太平洋缺氧水域中的顆粒有機碳和顆粒無機碳在沉降過程中的生物地球化學過程，提出淺層海洋水體中有機碳呼吸作用對無機碳溶解有明顯的促進作用，而該作用在缺氧區由于呼吸作用無法發生而受到了顯著抑制。相關研究成果以題為“Carbon Cycling in Marine Particles Based on Inorganic and Organic Stable Isotopes”的論文形式，發表在地球化學領域知名學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。

研究背景

海洋通過洋流和溶解碳酸鹽體系調控着全球碳循環和氣候，由顆粒有機碳的垂向運輸形成的“海洋生物碳泵(biological carbon pump)”源源不斷地将碳從海表層“泵入”并儲藏在深海，在此過程中，碳酸鈣，即顆粒無機碳，對于有機碳的下沉、埋藏以及有機碳-無機碳之間的生物化學相互作用起到了重要且複雜的影響。一方面，由于碳酸鈣形成過程降低海水堿度和pH、提升pCO₂，因此碳酸鈣向深部水體的沉降過程被稱為“碳酸鹽反泵（counter carbon pump）”，對于大氣二氧化碳而言是一個碳源。另一方面，碳酸鈣作為顆粒有機碳的“配重”，對有機碳起到了“壓倉作用（ballasting）”，通過增大海洋顆粒物的密度加速了有機碳的下沉和生物碳泵的效率，有利于有機碳在深海的保留和封存。然而碳酸鈣在什麼水深溶解？海洋顆粒物中的碳酸鈣溶解是否還受到除了水體過飽和度以外的其他因素影響？相關針對海洋顆粒物中的“碳酸鈣循環”的研究，以及“碳酸鈣-有機碳的相互作用”，相較于“有機碳”生物地球化學過程的研究仍十分匮乏。

同位素是指示海洋生物地球化學過程的重要工具，海洋鈣化生物的¹⁸O和¹³C相對于海水溶解無機碳中的同位素成分存在着動力學分餾效應，這一效應稱作“生命效應（vital effect）”，生命效應在不同的生物物種中各不相同。然而，由于海雪顆粒物中碳酸鈣的¹³C數據匮乏，對于海洋無機碳循環的通量計算和全球模拟不得不采用一些簡化假設，如2021年全球海洋碳同位素模拟中将溶解無機碳到碳酸鈣的分餾系數不分生物物種簡化為+1‰（Claret et al., 2021），對于海洋碳循環通量的構建造成了很大不确定性。

本項研究通過測量海洋溶解無機碳（DIC）、以及不同海雪顆粒中的顆粒有機和無機碳（POC，PIC）中的穩定碳同位素，為海洋水體中的多種生物地球化學過程，尤其是海雪顆粒中的碳酸鈣溶解過程提供了新的同位素證據。

研究結果

研究者采集并測量了科科斯群島海域五個采樣點的海水溶解無機碳、浮遊生物拖網捕集的浮遊生物顆粒有機和無機碳、沉積物捕集器捕集的沉降顆粒有機碳和無機碳、大體積原位泵捕集的懸浮顆粒有機碳和無機碳、表層海底沉積物中的顆粒有機碳和無機碳、以及顯微鏡下挑選出的翼足類軟體動物（文石生物）和四種浮遊及底栖有孔蟲（方解石生物）的穩定碳同位素¹³C，其中，大體積原位泵采集的海洋顆粒物涵蓋兩種粒徑的顆粒：>51μm的大粒徑顆粒 (LSF) 和0.5-51μm小粒徑顆粒 (SSF) （圖1）。不同的顆粒物采集方法采集到的顆粒有機碳的¹³C存在高達10‰的差異，無機碳存在高達6‰的差異，而同一采集方法（大體積原位泵）在0到3000米水深采集的顆粒有機碳和無機碳也存在約5‰和3‰的差異。由于深海中的每單位體積内的顆粒物濃度極低，其中顆粒無機碳（碳酸鈣）濃度為顆粒有機碳的1/10，而>51μm的大粒徑顆粒又僅為小粒徑顆粒的1/20到1/10，因此采集到達到同位素檢測限的海洋顆粒物樣品需要原位過濾大量海水以及精細的樣品處理和分析，本研究通過同一水域水體中、0-3000米全深度的上百個有效測試點，為海洋顆粒物中的碳同位素研究和碳酸鈣循環研究提供了全新的、大量的、具有統計意義的數據。

圖1 淺層水體中“呼吸作用誘導的碳酸鈣溶解”和深部水體中“過飽和度驅動的碳酸鈣溶解”

在數據測量的基礎上，研究者進一步構建了針對海洋顆粒中碳濃度和同位素含量的箱式模型，以确定并量化海洋顆粒中的生物地球化學過程（圖2）。結合不同深度水體溶解氧含量、碳酸鈣過飽和度這兩個環境條件（圖1a,d），研究結果顯示，碳酸鈣過飽和水體中的溶解氧對有機碳呼吸作用及其誘導的碳酸鈣溶解發揮了關鍵作用。在氧氣充足的淺海，有機碳分解可以誘導碳酸鈣在過飽和的水體中發生溶解，但是在缺氧區由于有機碳無法分解，呼吸作用受到抑制，碳酸鈣也同步被保存。據此研究者提出，在淺海高有機碳-高氧氣含量條件、深海低碳酸鈣過飽和度條件下，“呼吸作用誘導”和“水體過飽和度誘導”兩種不同碳酸鈣溶解機制同時存在（圖3）。此外，研究者評估了有孔蟲（方解石）、顆石藻（方解石）、翼足類（文石）等不同生物成因碳酸鈣在兩種溶解模式中的貢獻。飽和深度以下的水體中，由于顆石藻較有孔蟲密度較小、沉降速率較慢，過飽和度驅動的碳酸鈣溶解以顆石藻溶解為主，而由于顆石藻和有孔蟲在碳同位素分餾中的不同生命效應，導緻海洋顆粒物中的總體碳酸鈣¹³C随深度加深逐漸變化。在淺層水體的透光區中，因為呼吸作用誘導的碳酸鈣溶解對于不同粒徑的生物碳酸鈣殼體不存在差異，故顆粒中的同位素成分随着深度加深沒有明顯變化。對于有機碳的¹³C，有機碳的再礦化作用移除了富¹³C的部分，并且由于>51μm的大粒徑顆粒在海洋水體中的濃度遠低于0.5-51μm小粒徑顆粒，再礦化作用對于大粒徑顆粒的¹³C影響更加顯著。同時，由于富¹³C的異養或化能自養微生物吸附小粒徑顆粒，導緻小粒徑顆粒的¹³C随深度的變化趨近于零。

這一工作利用¹³C為海洋顆粒物中的多個生物地球化學過程提供了全新證據，通過大量的樣品測試和顆粒物¹³C箱式模型，提出并驗證了海洋水體中的碳酸鈣溶解過程受到海水水化學和有機碳呼吸作用的雙重影響，并且指出了水體氧氣含量對于海洋碳酸鈣循環的影響，為構建全球模型及評估海洋固碳效率提供了重要數據及理論支撐。

圖2 深部水體中，通過箱式模型模拟的濃度和同位素随水深的變化（小倒三角符号）與觀測結果（大正三角符号）的對比，模型涵蓋的生物地球化學過程包括，水體過飽和度驅動的碳酸鈣溶解（貧¹³C）、有機碳再礦化作用（富¹³C）、異養或化學自養微生物對小型顆粒的附着（富¹³C）

圖3 海洋中碳酸鈣、有機碳與水體氧氣和碳酸鈣過飽和度的關系示意圖

研究團隊及資助

論文的第一作者及通訊作者為bat365在线平台官方网站東思嘉助理教授，合作者包括美國加州理工學院、伍茲霍爾海洋研究所、南加州大學、法國巴黎薩克雷大學的學者。本研究得到國家重點研發計劃（2023YFF0805003）和關鍵物質循環前沿科學中心中央高校基本科研業務費(2024QNXZ06, 2024300416)的支持。

論文信息：Sijia Dong *, Frank J. Pavia, Adam V. Subhas, William R. Gray, Jess F. Adkins, William M. Berelson. Carbon Cycling in Marine Particles Based on Inorganic and Organic Stable Isotopes, Geochimica et Cosmochimica Acta,2024, ISSN 0016-7037,

https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.10.005.