加强海洋生物碳泵地质演化的研究

　　海洋生物碳泵的地质演化是一个涉及地球系统各圈层相互作用的前沿科学难题, 被列入了国家自然科学基金委员会和中国科学院联合资助的地球系统科学发展战略研究报告. 如果说现代海洋生物碳泵的研究目的在于查明海洋储碳的途径和机制并服务于碳中和等目标的话, 那么古海洋生物碳泵则更多地记录了它与一些重大地质事件的关系, 包括古气候的冷暖变化、海洋缺氧事件、生物大灭绝事件等涉及地球整个表层系统乃至地球深部过程的一些重要环节.

　　“生物泵演化与重大地质事件”专辑的10篇文章以海洋生物碳泵与重大地质事件的关系为主线, 从现代海洋出发, 一直回溯到不同地质时期的海洋. 这些成果不仅阐述生物碳泵的机制和途径, 而且还探索与古气候变化、古海洋缺氧、古海洋生态系统的灾难及其复苏等重大地质事件的关系, 涉及地球深部和表层系统的诸多联动地质过程, 勾勒了一幅比较生动的地球系统演化画卷.专辑的两篇文章[1,2]解读了海洋碳循环的一些具体机制和地质演化框架.

　　谢树成等人[1]概括了自生命起源以来海洋生物碳泵随生物演化和气候环境变迁而出现的阶段性变化, 阐述了不同地质时期海洋生物碳泵的总体特征, 提出了未来需要解决的一些科学难题, 打开了一个可望通向碳中和策略出口——“时空隧道”. 焦念志等人[2]提出了溶解度泵、碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵之间的协同作用模型,并引导出若干可验证的科学假说和海洋增汇方案, 为建立系统的海洋生态增汇理论和可行的负排放路径夯实基础.

　　这一观点实现了从过去单一碳泵的研究拓展到各个碳泵之间相互作用的研究, 为系统地揭秘海洋碳汇机制、全面地评估海洋储碳能力、无缝连接基础科学前沿研究与应用领域的实践奠定了基础.海洋生物碳泵与古气候的关系是碳循环研究的一个核心科学问题. 陈祚伶[3]总结了古新世-始新世极热事件碳循环研究, 认为当时的快速增温事件是由地球表层的还原碳库(包括天然气水合物和冻土有机质)造成的, 而CO2施肥效应和海洋“生物泵”效率的提高则加快了这个事件的回返.

　　这一案例显示了地球系统在一定范围内对气候系统具有一定的自我反馈和调节能力. 张兴亮[4]提出黏土矿物通过吸附海洋的惰性溶解有机碳可能对海侵黑色页岩作出了重要贡献的假说, 认为在海平面快速上升的海侵超覆过程, 或者远洋深层水上涌时, 可将深水的惰性溶解有机碳运输到浅水区域, 被黏土矿物吸附而形成地质时期的黑色页岩, 成为海洋碳汇的重要途径, 从而对古气候产生重要影响. 这一观点为海洋溶解有机碳对气候的长期调节作用提供了一种可能的途径.生物碳泵与古海洋缺氧事件的关系一直是很重要的话题.

　　张俊鹏等人[5]分析了古生代的缺氧事件, 在早寒武世-晚志留世, 海洋先后发生8次不同规模的缺氧事件, 是在大气含氧量增加的背景下发生的海洋缺氧事件, 其中的海洋生物碳泵作出了一定的贡献, 但有待于后续定量化的评估. 陈曦等人[6]则分析了白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间碳循环扰动, 认为大火成岩省岩浆作用是碳循环扰动的触发因素, 而海洋生产力提升和缺氧条件导致大规模有机质埋藏是OAE2期间海水碳同位素总体呈正偏的直接原因. 这一案例清晰地指出了地球系统的深部过程与表层系统之间存在紧密的联动作用.在生物大灭绝前后, 海洋生物碳泵如何变化一直备受关注.

　　贾恩豪等人[7]讨论了显生宙最大规模生物灭绝发生前后海洋初级生产者的三阶段变化, 即从以浅海大陆架的底栖藻类和浮游疑源类为主导的古生代型, 到古生代-中生代之交由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊型, 再到由远洋钙质超微浮游生物为主导的现代型. 后者在中生代的繁盛增强了大洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力, 提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力. 姜仕军[8]提出白垩纪-古近纪生物大灭绝后,主要初级生产者从较大的颗石藻转变为较小的微型浮游生物, 更多难降解的惰性溶解有机碳能够下沉到海底, 增强微型生物碳泵效率, 同时微型生物还能从海洋表层中去除足够的营养盐和有害物质, 改善事件后恶化的海洋物理化学环境, 为整个海洋生态系统的恢复和发展铺平道路. 这两个案例都显示了当海洋生态系统出现重大灾难后, 小小微生物是如何对后续生态系统的发展作出贡献的.

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　　海洋生物碳泵受到诸多生源要素的强烈影响, 而磷的影响之前研究较少. 黄天正等人[9]讨论了磷循环对中元古代海洋生物泵的影响, 提出了中元古代生物泵长期由原核生物主导, 维持着铁化海洋, 加上较弱的构造活动等因素导致了贫磷的海洋, 进而限制了生物的演化, 出现了“沉寂的十亿年”或者“无聊的十亿年”. 相反, 张水昌等人[10]则提出在中元古代大陆架的氧化沉积物中, 将有更多的磷因有机质降解得到再循环, 从而刺激了以蓝细菌为主的初级生产者, 海洋中的固碳能力和产氧潜力因而可能比现在人们所认识到的还要更高.受限于篇幅, 本专辑旨在抛砖引玉, 介绍了一些典型地质时期海洋生物碳泵的演化及其与重大地质事件的关系, 以期推动我国古海洋生物碳泵深入而系统的研究, 为实现我国传统地质学向地球系统科学的转型发展提供一个窗口.

　　参考文献：

　　1 Xie S C, Jiao N Z, Luo G M, et al. Evolution of biotic carbon pumps in Earth history: Microbial roles as a carbon sink in oceans (in Chinese). ChinSci Bull, 2022, 67: 1715–1726 [谢树成, 焦念志, 罗根明, 等. 海洋生物碳泵的地质演化: 微生物的碳汇作用. 科学通报, 2022, 67: 1715–1726]

　　2 Jiao N Z, Dai M H, Jian Z M, et al. Research strategies for ocean carbon sequestration mechanisms and effects (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022,67: 1600–1606 [焦念志, 戴民汉, 翦知湣, 等. 海洋储碳机制及相关生物地球化学过程研究策略. 科学通报, 2022, 67: 1600–1606]

　　3 Chen Z L. Carbon-cycle dynamics during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1704–1714 [陈祚伶. 古新世-始新世极热事件(PETM)碳循环研究进展. 科学通报, 2022, 67: 1704–1714]

　　4 Zhang X L. Marine refractory dissolved organic carbon and transgressive black shales (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1607–1613 [张兴亮.海洋惰性溶解有机碳库与海侵黑色页岩. 科学通报, 2022, 67: 1607–1613]

　　5 Zhang J P, Li C, Zhang Y D. Geological evidences and mechanisms for oceanic anoxic events during the Early Paleozoic (in Chinese). Chin SciBull, 2022, 67: 1644–1659 [张俊鹏, 李超, 张元动. 早古生代海洋缺氧事件的地质记录与背景机制. 科学通报, 2022, 67: 1644–1659]

　　6 Chen X, Guo H F, Yao H W, et al. Processes and forcing mechanisms of the carbon cycle perturbation during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2(in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1677–1688 [陈曦, 郭会芳, 姚翰威, 等. 白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间碳循环扰动的过程与机制. 科学通报, 2022, 67: 1677–1688]

　　7 Jia E H, Song H J, Lei Y, et al. Paleozoic-Mesozoic turnover of marine biological pump and Mesozoic plankton revolution (in Chinese). Chin SciBull, 2022, 67: 1660–1676 [贾恩豪, 宋海军, 雷勇, 等. 古-中生代海洋生物泵演变与浮游革命. 科学通报, 2022, 67: 1660–1676]

　　8 Jia S J. Collapse and recovery of the marine biological carbon pump across the Cretaceous-Paleogene mass extinction (in Chinese). Chin Sci Bull,2022, 67: 1689–1703 [姜仕军. 海洋生物碳泵对极端环境变化的响应及其恢复: 以白垩纪-古近纪生物大灭绝为例. 科学通报, 2022, 67: 1689–1703]

　　9 Huang T Z, Wang R M, Shen B. The phosphorus cycle and biological pump in Earth’s middle age: Reappraisal of the “Boring Billion” (inChinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1614–1623 [黄天正, 王瑞敏, 沈冰. 中年地球的磷循环与生物泵: 再谈“沉寂的十亿年”. 科学通报, 2022, 67:1614–1623]

　　10 Zhang S C, Wang H J, Wang X M, et al. Mesoproterozoic marine biological carbon pump: Source, degradation, and enrichment of organic matter(in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1624–1643 [张水昌, 王华建, 王晓梅, 等. 中元古代海洋生物碳泵: 有机质来源、降解与富集. 科学通报,2022, 67: 1624–1643]

　　作者：谢树成1†*, 焦念志2†, 汪品先3†