第三届地球系统科学大会设立了“ 海洋碳循环与碳汇：现代过程与地质演变” 专题。本专题吸引了国内外活跃于多学科相关领域的专家学者积极参与, 成为本届大会最大的session之一。研讨内容展示了若干创新性学术思想和新兴起的研究方向, 例如, 大洋碳循环长周期的溶解有机碳假说; 跨越时空、古今结合同步研究生物泵(Biological Pump, BP)和微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)的思路; 古菌新代谢途径及其链接水柱与沉积物、链接古今方面的作用; 中元古代有机碳埋藏分数与微生物群落及大气含氧量之间的关系等。这些内容既体现了微生物参与的碳循环的多学科交叉、古今结合的特点, 又展示了未来创新性研究的广阔前景。

海洋储碳的主要机制包括基于理化过程的“ 溶解度泵(Solubility Pump, SP)” 和基于有机碳(Particulate Organic Carbon, POC)的沉降BP等^[1]。SP和BP理论为我们理解海洋碳循环和储碳过程做出了巨大贡献。然而时至今日, 观测到的若干自然现象无法由这些已知的理论给出合理的解释。新近提出的MCP理论为解决这个难题提供了新的视角和思路。

MCP理论是指作为占海洋生物量主体的微型生物通过自身的生命活动, 将容易利用的活性溶解有机碳(Labile Dissolved Organic Carbon, LDOC)或半活性溶解有机碳(SemiLDOC, SLDOC)转化成难以利用的惰性溶解有机碳(Recalcitrant DOC, RDOC)进而起到储碳的过程(图1)^[2]。

MCP与BP的相互作用不但影响着现代海洋过程, 而且极有可能影响过并决定了地球历史上古海洋中碳库的变化。在本专题中, 汪品先院士分析了BP与MCP对应变化的原因, 提出了“ 大洋碳循环长周期的溶解有机碳假说” , 可望回答长期困扰学界的一些难题(图2)。比如, 大洋无机碳δ ¹³C超越冰期旋回的长周期问题, 之前提出的“ 沉降雨假说” 、“ 碱度假说” 等都难以合理解释。MCP理论指出海洋碳循环除了经由颗粒碳的快通道之外, 还有经由惰性溶解有机碳(RDOC)的慢通道。这个慢通道在地球历史上曾导致了元古代海洋巨大的RDOC碳库, 那个RDOC碳库比现代海洋RDOC库大两个数量级, 对调节当时的气候变化至关重要。显生宙以来BP逐渐发育成熟。在外力作用下BP-MCP的动态变化决定了有机碳主要进入“ 慢速通道” 还是“ 快速通道” , 导致海水δ ¹³C波动。比如, 地球轨道驱动的全球季风强度控制着海洋营养物的供应, 而季风盛衰受岁差控制, 岁差又受偏心率调控。如此, 就建立起解释上述问题的“ 时空隧道” ^[3]。

图1

Fig.1

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	图1 海洋中2种主要储碳机制示意图[2]Fig.1 Major biological processes involved in carbon cycling in the ocean[2]

图2

Fig.2

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	图2 大洋碳循环长周期的溶解有机碳假说示意图[3]Fig.2 The DOC hypothesis for the longeccentricity cycle of oceanic 13C[3]

在当今全球变暖的背景下, 海洋升温将加剧海洋层化、减弱水柱混合, 从而减少来自深水向真光层的营养盐补充, 使得表层水更加贫瘠。在这种情况下, 初级生产过程及其产品结构将发生变化, 溶解有机碳比例上升、颗粒有机碳比例下降。已有数据表明南极海区初级生产力的大部分以颗粒有机碳形式存在, 而热带海区初级生产力的大部分流向溶解有机碳库。可见, 气候变化引起的BP和MCP的变化可能是惊人的, 气候变暖将削弱BP, 而MCP的相对重要性将增强。MCP的储碳效应, 沿着纬度梯度, 从极地到热带海域; 沿着营养盐梯度, 从近岸富营养区域到远洋贫营养区域; 沿着深度梯度, 从表层海水到深层海水, 逐步加强, 由BP主导的碳封存过渡到MCP主导的碳封存^[4]。

MCP不仅在现代海洋中对碳循环起着重要作用, 在地质历史时期也存在。例如, 特殊性类脂标记物和碳同位素已经证明了MCP是新元古代大型溶解有机碳库的主要贡献者, 白垩纪中期的缺氧事件伴随了浮游古菌固碳作用的增强^[5]。新近人们已经认识到, 古菌群在边缘海碳循环中起着重要的作用^{[6, 7]}。

生态系统的改变往往表现在微生物群落结构的改变。古菌广泛分布于全球各种环境的陆地和水体中, 对全球碳、氮的物质循环有重要影响, 但对古菌在海洋中的分布、生态功能以及基因组学, 生理学、生物化学方面的了解仍然非常有限。在对珠江至南海北部不同深度水体中古菌的丰度、分布以及生态学/生物化学功能研究中发现古菌种群分布随着盐度的改变而改变, 珠江口上游淡水水体以产甲烷广古菌中的Methanomicrobiales为主, 咸淡水混合区及珠江口出口浅海区域以奇古菌Thaumarchaeota为主, 南海北部深水区则主要由广古菌中的Thermoplasmata组成^[7]。由于自养奇古菌能够利用氧化氨根离子获取的能量进行二氧化碳的固定, 提示这类古菌在河口区域及浅海区域可能起到了重要的碳汇作用。利用来源于奇古菌的古菌醇(crenarchaeol)以及主要来源于广古菌的GDGT-0的含量也显示了这两类古菌的群落结构。随着盐度梯度的变化, 在盐度较低的珠江流域及河口区, GDGT-0为主要成分而古菌醇相对含量较低, 显示产甲烷广古菌在淡水区域为主要古菌群; 而在咸水深海区, 古菌醇含量急剧增加, 并维持在相对稳定的状态, 显示奇古菌为这一环境中的主要生物种群^[8]。

在地球历史上, 没有出现动物的中元古代以及发生最大生物灭绝的二叠纪-三叠纪之交是两个关键地质时期, 分别体现了大气环境、陆地环境通过微生物影响海洋的碳循环。在中元古代, 动物还没有出现, 是个微生物主导的世界。华北中元古代的地质记录显示, 碳酸盐碳同位素组成与(碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值)存在很好的相关性, 暗示了13~16亿年前有机碳埋藏分数f_org很低, 大约5%, 远比现代海洋的20%~25%要低得多。有机碳同位素组成在浅水(潮间带)比深水(潮下带及以下)大约偏重6‰ 。这些不同于现代环境的特点, 与这一时期的特殊环境条件密切相关, 反映了当时大气环境(如含氧量)通过影响海洋微生物组成进而影响碳循环^[9]。

与中元古代还没有出现动物不同, 二叠纪— 三叠纪之交(约2.52亿年前)则发生了显生宙以来最大的生物灭绝事件并导致了一些微生物(如蓝细菌、绿硫细菌等)的爆发^[10]。包括华南在内的全球12条剖面的绿硫细菌脂类分子记录显示, 在生物大灭绝后, 硫化楔开始向深水区扩展。同时, 硫化强度和陆源输入具有很高的相关性。它反映了生物大灭绝期间海— 陆之间的相互作用通过微生物来影响包括碳循环在内的生物地球化学循环^[11]。

本次会议的学科交叉、古今结合产生的效应超出了会议本身。一个例子是：会上提出的若干科学假说, 引发了对验证假说的大型科学实验设施的需求。十多名与会人员在上海会后的第三天, 又聚会厦门参加了大科学工程“ 气候模拟海洋实验体系(Marine Environmental Chamber System, MECS)” 的国际论证会, 从不同学科方向、不同地质时期、重大地史事件、和当今全球变化等多方面提出了各自的科学需求。来自5个国家和地区的12位专家与来自国内高校和科研院所的同行共30余人进行了热烈讨论。展示了通过科学与技术相互促进、不同学科交叉融合、古今链接反演验证等途径来探讨重大科学问题(海洋碳汇、海洋酸化、海洋硫化、海洋缺氧、雪球地球、生物大灭绝等)、获取前所未有的参数、实现突破与创新的广阔前景。