成果速遞 | 西北太平洋中緯度區域的冬季藻華與混合層碳泵


近日,我室邢小罡副研究員等在國際知名期刊Geophysical Research Letters上發表論文“Enhanced Winter Carbon Export Observed by BGC-Argo in the Northwest Pacific Ocean”。研究利用生物地球化學浮標(BGC-Argo)數據,分析了西北太平洋中緯度區域混合層快速變化引起的冬季藻華與混合層碳泵特征,合作者包括美國緬因大學柴扉教授、Mark Wells教授,我室陳雙玲副研究員以及林生博士后。



海洋生物泵通過浮游植物的光合作用不斷將大氣中的CO2吸收進入上層海洋,并持續以有機碳的形式向下層海洋傳輸,對于維持大氣CO2濃度、緩解全球變暖具有重要的調控作用。混合層碳泵(Mixed-layer Pump)是生物泵的重要組成,通過混合層的快速變化,顆粒有機碳由透光層向弱光層大量輸出(圖1)。之前學界普遍認為這一過程僅出現在冬春交替之時,且僅在高緯度海區的輸出效率較高。本研究利用實驗室前期在西北太平洋中緯度區域投放的BGC-Argo浮標,獲取了連續9個月的逐日高頻觀測數據(圖2),發現從1月末至3月初,間歇性的冬季風暴導致海洋上混合層的快速變化,混合層變淺時發生藻華,混合層加深時則發生表層顆粒物向深層的快速輸出。單次混合層碳泵事件一般僅持續5天時間,但在1個半月內向真光層之下的碳輸出總量達到8.927C m-2, 其量級相當于該海區年平均碳輸出效率的2倍,甚至可達北大西洋春季藻華碳輸出效率的30%。
 

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圖1 混合層碳泵過程的示意圖。t0和t2代表開始和結束時間,對應的混合層較淺(MLD0和MLD2),t1代表深混合事件(MLD1);紅色曲線代表水柱中顆粒有機碳的分布。“碳泵階段”(t0至t1)通過混合層加深將海表面的浮游植物快速向下輸運,同時為混合層內補充了營養鹽;“藻華階段”(t1至t2)的淺混合層隔離了之前輸出的顆粒物(圖中(C+D)-(A+B))回到海表面,從而完成表層顆粒物的快速輸出。而由于混合層再次變淺、混合層內光照充足產生的藻華事件,這也為下一次的混合層碳泵提供了新的生物量。
 

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圖2 BGC-Argo浮標的位置和觀測剖面的時間序列(2018年12月-2019年4月)。(a) 浮標軌跡;(b) 溫度;(c) 葉綠素濃度;(d) 顆粒有機碳濃度;(e) 熒光可溶性有機物濃度剖面。黑色實線代表混合層深度、白色虛線代表3月17日之前浮標一直處于“再循環流渦區”的中心。
 

這些發現刷新了我們對混合層碳泵的認識——中緯度海區混合層碳泵的輸出效率可以與高緯度海區相當、發生時間比預期早、發生頻率也比預期高。通過模擬常規Argo浮標10天觀測頻率以及提高到5天觀測頻率的結果,發現這些低頻觀測明顯低估了碳輸出效率(相較逐日數據的計算結果減少90%),甚至可能完全錯過所有的混合層快速變化事件,表明了逐日高頻觀測在海洋生物泵研究中的重要性。本研究不僅發現天氣尺度的混合層碳泵在海洋碳輸出過程中扮演非常重要的角色,同時證明了BGC-Argo浮標對于偶發事件的觀測與研究(如臺風、大氣沉降等)具有很高的利用價值。


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