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中国海洋大学在我国边缘海有机碳循环研究中取得新进展
2021-08-11 17:09
中国海洋大学
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  近期,中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验(以下简称海化重点实验室)有机地球化学研究团队在我国边缘海有机碳循环研究中取得系列重要进展,成果相继发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》(2篇,Nature Index 期刊)、《Environmental Science & Technology》(Nature Index 期刊)和《Global Biogeochemical Cycles》(Top期刊)等国际知名期刊。

  边缘海是有机碳埋藏的核心区域,尽管只占全球海洋面积的8%,其有机碳埋藏通量贡献了全球海洋有机碳埋藏通量的80%以上。因此,有机碳在边缘海的埋藏影响着全球碳的收支平衡。中国边缘海是典型的陆架边缘海,每年可以接收大量来自黄河、长江和珠江的有机碳、颗粒物和营养盐等陆源物质,在多种水动力作用的影响下形成了多个泥质沉积区,但是不同泥质区地理位置和沉积环境的差异,其有机碳的来源、埋藏机制存在很大不同。上述成果系统研究了黄河、长江和珠江沉积物输运系统中有机碳的迁移和转化过程,量化了不同来源有机碳在河口及边缘海的埋藏通量和埋藏效率,揭示了人类活动和自然变化过程对有机碳埋藏的影响,旨在为深入理解边缘海沉积有机碳的埋藏效率和碳汇意义提供科学依据,服务国家碳中和战略决策。

  针对河口内陆源有机碳迁移转化过程及控制机制尚不清楚的难题,通过应用总有机碳及生物标志物单体碳同位素手段对珠江口体系开展了研究,发现陆源有机碳的14C年龄在珠江口内发生了快速老化。提出双向的潮汐搬运和沉积再悬浮过程延长了沉积物的净输运时间和氧气暴露时间,导致有机碳在河口内发生了降解和老化。计算出珠江口内陆源有机碳的降解每年会消耗0.47Mt的溶解氧并向大气中释放0.36Mt二氧化碳,该过程会改变河口内的氧化还原状态,从而影响水生和底栖生物栖息地的生物多样性和稳定性(Hou et al., ES&T, 2021)。

图1 有机碳14C年龄在珠江口颗粒物和沉积物中的分布(左)及珠江口内有机碳循环示意图(右)(Hou et al., ES&T, 2021)

  边缘海有机碳的埋藏效率量化和机制研究一直是研究的热点和难点。通过有机地球化学技术手段并结合矿物物理特性参数,研究发现:(1)渤海、黄海的陆源有机碳主要由非现代有机碳组成,且陈化有机碳占主导;(2)陆源有机碳在中国边缘海的埋藏效率显著高于海源有机碳,可能是因为大量陈化有机碳(千年尺度老碳)的输入使陆源有机碳不易在边缘海的输运过程中发生降解,而冷涡环流则增加了沉积物的输运路径,使更多的海源有机碳(新鲜碳)在沉降过程中发生降解;(3)陆源有机碳在渤海、黄海的埋藏效率显著高于全球平均水平,陆源有机碳的年龄和矿物保护是陆源有机碳高埋藏效率的主控因子;(4)通过对比建坝前后不同来源有机碳的埋藏通量,发现建坝后陆源有机碳的埋藏通量下降了2/3,表明大坝建设显著降低了有机碳在中国东部边缘海的埋藏(Yu et al., GCA, 2021; Zhao et al., GBC, 2021)。

图2 我国东部边缘海泥质区不同来源有机碳的输运和埋藏通量(Zhao et al., GBC, 2021)

  基于现代过程的研究认知,进一步开展了对东海泥质区沉积记录中有机碳14C年龄老化现象的研究,提出海平面变化调控有机碳年龄的观点。在中晚全新世(高海平面),陆源有机碳经由河口搬运至沉积区的历程中经历了强烈沉积-再悬浮过程,由此产生的水动力老化是有机碳表观年龄的主要贡献者。在冰消期阶段(低海平面),近岸水动力过程对古海岸的侵蚀导致更多的古老有机碳被搬运至济州岛西南泥质区,这一过程增加了古老陆源有机碳的贡献比例进而产生较高的有机碳表观年龄。此外,通过集成数据,提出中纬与高纬边缘海陆源有机碳的埋藏通量对气候/环境强迫的不同响应:北极陆架对冰消期融水事件(Melt Water Pulse)事件响应敏感,而在东海陆架对海平面变化引起的水动力过程响应敏感(Zhang et al., GCA, 2021)。

图3.东海与北极陆架陆源有机碳埋藏通量比较(Zhang et al.,GCA,2021)

  上述系列研究成果是海化重点实验与海洋化学创新引智基地的多位国际合作伙伴的合作下共同完成的,包括海外学术大师美国佛罗里达大学的Thomas Bianchi教授及瑞士苏黎世联邦理工学院Timothy Eglinton 教授和华盛顿大学Julian P. Sachs教授等。Eglinton教授2021年在PNAS发表文章,系统阐述了影响陆地生源有机碳周转的气候因素,海化重点实验室在中国主要河流及边缘海的研究成果是其研究结论的主要支撑,彰显了海化重点实验室在有机碳循环方面研究的国际影响力。上述系列成果由海化重点实验室博士生侯鹏飞、博士后赵彬和于蒙等为第一作者,赵美训教授、姚鹏教授、李大伟副教授等为通讯作者。研究工作获得了国家自然科学基金委重点国际(地区)合作研究项目、重点项目和科技部国家重点研发计划等的资助。

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