成果速递 | 西北太平洋中纬度区域的冬季藻华与混合层碳泵


近日,我室邢小罡副研究员等在国际知名期刊Geophysical Research Letters上发表论文“Enhanced Winter Carbon Export Observed by BGC-Argo in the Northwest Pacific Ocean”。研究利用生物地球化学浮标(BGC-Argo)数据,分析了西北太平洋中纬度区域混合层快速变化引起的冬季藻华与混合层碳泵特征,合作者包括美国缅因大学柴扉教授、Mark Wells教授,我室陈双玲副研究员以及林生博士后。



海洋生物泵通过浮游植物的光合作用不断将大气中的CO2吸收进入上层海洋,并持续以有机碳的形式向下层海洋传输,对于维持大气CO2浓度、缓解全球变暖具有重要的调控作用。混合层碳泵(Mixed-layer Pump)是生物泵的重要组成,通过混合层的快速变化,颗粒有机碳由透光层向弱光层大量输出(图1)。之前学界普遍认为这一过程仅出现在冬春交替之时,且仅在高纬度海区的输出效率较高。本研究利用实验室前期在西北太平洋中纬度区域投放的BGC-Argo浮标,获取了连续9个月的逐日高频观测数据(图2),发现从1月末至3月初,间歇性的冬季风暴导致海洋上混合层的快速变化,混合层变浅时发生藻华,混合层加深时则发生表层颗粒物向深层的快速输出。单次混合层碳泵事件一般仅持续5天时间,但在1个半月内向真光层之下的碳输出总量达到8.927C m-2, 其量级相当于该海区年平均碳输出效率的2倍,甚至可达北大西洋春季藻华碳输出效率的30%。
 

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图1 混合层碳泵过程的示意图。t0和t2代表开始和结束时间,对应的混合层较浅(MLD0和MLD2),t1代表深混合事件(MLD1);红色曲线代表水柱中颗粒有机碳的分布。“碳泵阶段”(t0至t1)通过混合层加深将海表面的浮游植物快速向下输运,同时为混合层内补充了营养盐;“藻华阶段”(t1至t2)的浅混合层隔离了之前输出的颗粒物(图中(C+D)-(A+B))回到海表面,从而完成表层颗粒物的快速输出。而由于混合层再次变浅、混合层内光照充足产生的藻华事件,这也为下一次的混合层碳泵提供了新的生物量。
 

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图2 BGC-Argo浮标的位置和观测剖面的时间序列(2018年12月-2019年4月)。(a) 浮标轨迹;(b) 温度;(c) 叶绿素浓度;(d) 颗粒有机碳浓度;(e) 荧光可溶性有机物浓度剖面。黑色实线代表混合层深度、白色虚线代表3月17日之前浮标一直处于“再循环流涡区”的中心。
 

这些发现刷新了我们对混合层碳泵的认识——中纬度海区混合层碳泵的输出效率可以与高纬度海区相当、发生时间比预期早、发生频率也比预期高。通过模拟常规Argo浮标10天观测频率以及提高到5天观测频率的结果,发现这些低频观测明显低估了碳输出效率(相较逐日数据的计算结果减少90%),甚至可能完全错过所有的混合层快速变化事件,表明了逐日高频观测在海洋生物泵研究中的重要性。本研究不仅发现天气尺度的混合层碳泵在海洋碳输出过程中扮演非常重要的角色,同时证明了BGC-Argo浮标对于偶发事件的观测与研究(如台风、大气沉降等)具有很高的利用价值。


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