西太平洋最小含氧带对基于生物泵传输效率的生源要素循环的影响

The biological pump featuring the vertical transport of carbon is one of the key processes of the marine carbon cycle, which is the link of carbon cycle among the atmosphere, the hydrosphere and the biosphere. The oxygen minimum zone has significantly changed the mineralization rate of particulate organic carbon, but the relationship between the development of the minimum oxygen zone and the transfer efficiency of the biological pump has not yet been clear, and its effects and mechanism on the cycle of biogenic elements represented by carbon remain unclear. Based on the study of the formation mechanism of the oxygen minimum zones in the Western Pacific, this project will explore the distribution of the oxygen minimum zones and its response to global warming. The Vertical fluxes of particulate matter in the above, in and below the oxygen minimum zone were measured to estimate the transport efficiency of biological pumps in the Western Pacific. Based on the measure of carbon and nitrogen isotopes, amino acids, amino sugars or other new featured markers in the particulate matter from the Western Pacific, a new indicator system, which can distinguish the relative contributions of particulate matters deposited from the upper water column or generated in-situ, will be set up. And then the source of particulate matter in the water below the oxygen minimum zone will be analyzed. The degradation process and the release of biogenic elements of particulate matter inside and outside the oxygen minimum zone will be discussed, and its effect on the transport efficiency of biological pumps and the cycle of biogenic elements will be quantified in the Western Pacific. The results of the project will provide the theoretical basis for further understanding the effect of dissolved oxygen escape on the biogenic elements cycle in the ocean.

以碳的垂直输送为主要特征的生物泵是海洋碳循环的关键过程之一，也是连接大气圈、水圈和生物圈之间碳循环的纽带。最小含氧带的存在显著改变了颗粒有机碳的矿化速率，但目前尚未确定最小含氧带的发育程度与生物泵传输效率的关系，其对以碳为代表的生源要素循环所造成的后果和机制仍不明了。本项目将在研究西太平洋最小含氧带形成机制的基础上，探讨西太平洋最小含氧带的发育及其对全球变暖的响应；测定最小含氧带上部、内部和下部的颗粒物沉降通量，估算西太平洋生物泵传递效率；分析西太平洋颗粒物中碳、氮同位素、氨基酸、氨基糖或其它新型的特征标志物，构建新的指标体系以区分沉降颗粒物中上层水体沉降和原位生产的相对贡献，解析最小含氧带下部水层中颗粒物的来源；探讨最小含氧带内、外颗粒物的降解过程和生源要素释放特征，明确最小含氧带对西太平洋生物泵传递效率和生源要素循环的影响，为深入认识大洋海水溶解氧逸失对生源要素循环的影响提供理论依据。

本项目是重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”支持下的培育项目，计划通过对西太平洋最小含氧带（OMZ）对基于生物泵传输效率的生源要素循环影响的研究，探讨大气圈、水圈和生物圈之间碳循环的纽带关系，并以此为切入点，为解决核心科学问题“（二）西太平洋流固界面跨圈层物质与能量交换过程”提供支撑。.为了研究颗粒有机碳从表层穿过OMZ被输送到深层大洋的效率和降解问题，通过外海调查、数据收集和数据构建等多种方法获得了西太平洋海水中温度、盐度、流速、流向、叶绿素a、pH、DO、TOC、TIC、NO3-N、NO2-N、NH4-N、PO4-P、SiO3-Si和海水颗粒物中POC、PON、POP、PIN、PIP、δ13C、δ15N，以及粗、细颗粒物中的24种氨基酸、谷氨酸（Glu）和苯丙氨酸（Phe）中的单体同位素δ15NGlu和δ15NPhe等数十种参数，以及全球大洋16208个POC沉降通量数据和1992-2020年1°ⅹ1°每年12各月的表层海水pCO2数据。在这些数据的基础上，发现近30年来全球大洋碳汇的强度在不断加强，但存在较大波动，赤道太平洋区域碳源汇的变化是造成这种波动的主要原因；太平洋碳汇中西太平洋碳汇占98%以上，东西太平洋之间的碳汇强度差异日益增加，但这种差异并没有造成温带东、西太平洋表层海水酸化速度的显著差异；海水温盐跃层分层和大洋环流是控制西太平洋OMZ范围和上边界深度的主要因素；还利用氨基酸组成及其单体同位素分析了不同水层颗粒有机质的来源及其活性，发现上层水体中有机质活性相对较高，以浮游植物产生新鲜的颗粒有机质为主，OMZ和下层水体中颗粒有机质活性相对较低，异养细菌对有机质的降解和贡献为主要影响因素；OMZ的存在显著降低了颗粒有机碳（POC）的降解速率，且OMZ强度越大，则POC的降解越慢；影响POC降解速率的不仅仅是溶解氧含量，还包括微生物类群；近三十年来全球大洋碳汇增强和最小含氧带扩张并没有使更多的POC被输送到大洋深层（＞2000m）。.所获得上述研究成果在一定程度上体现了碳穿过海-气界面进行大洋，以及在大洋中由表层穿过最小含氧带进入大洋深层的关键过程，为解决西太平洋“跨圈层物质能量循环”提供了理理支撑。