揭示地球大气CO2含量的变化历史及其导致这些变化的机制一直以来是古气候学研究的热点,因为从中获得的碳循环和气候变化机制可以协助我们更好的预测未来气候变化。南极冰芯记录显示,在两万年前的末次冰盛期,大气CO2的浓度比温暖的全新世(1万年前至公元1850年)低约100
ppm。那么,冰期的大气CO2到哪里去了呢?又是受哪些机制控制呢?
过去几十年来,这些全球性问题吸引了古海洋、古气候学界的广泛关注。

研究碳循环相关的陆地、海洋及其界面的关键生物地球化学过程与机理是减少气候预测不确定性和建立新一代碳循环模型的基础。立项之初,这个集结了清华大学、中科院植物所、北京师范大学、西北农林科技大学、中科院寒旱所、天津科技大学等单位的专家就决心自主研发碳循环模式及碳循环—气候耦合模式,揭示海陆碳循环—气候的互馈作用,服务国家决策和国际谈判。

南大洋的酸化研究其实是从其作为碳汇吸收二氧化碳开始的。南大洋是地球上一个重要的碳汇区,占海洋对人为二氧化碳吸收量的30%-40%。

相对于全新世,北大西洋在末次冰盛期更有效的碳吸收机制示意图

“现在都是通过数据说话。这些新研究有助于对当前全球碳循环进行收支估算,促进不同生态系统的连接,加强中国在这一领域的国际话语权。”该项目参与者、西北农林科技大学副教授朱求安表示。

加强长期观测

该研究成果于2019年5月15日在线发表在国际学术期刊《自然通讯》(Nature
Communications)上。第一/通讯作者为黄土与第四纪地质国家重点实验室客座研究员于际民博士,我室金章东研究员和张飞博士为共同作者,研究团队来自澳大利亚、美国、英国和中国的14人组成。此项工作得到黄土与第四纪地质国家重点实验室和中国科学院对外合作重点项目等的支持。

“现在,这个项目结束了,但相关研究并没有终止。”林光辉说,“这类创新性的研究不可能一次性地把问题全部解决完,所以培养年轻有潜力的下一代是项目的核心目标之一。”据悉,5年来,项目组已经通过现场实践“练兵”、参加国际研讨会、申请国内外基金等多种方式对年轻人才进行全方位、多层次的培养。

“受低温和上升流的影响,南大洋pH和碳酸钙饱和度较低,因此南大洋是最易因大气二氧化碳浓度升高而发生酸化的海域之一。”论文第一作者、自然资源部第一海洋研究所副研究员薛亮说。

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然而,全球范围内作为重要碳汇之一的红树林面积正在以每年约1%~2%的速度递减。林光辉表示,幸运的是,与全球情况相反,当前我国红树林面积在以每年2%~3%的速度增加,这与国家重视和呼吁保护与恢复红树林有很大关系。他表示,相关研究对开发我国海岸带蓝碳潜力,用于抵消工业CO2排放提供了很好的科技支撑。

薛亮等研究发现,在SAM增强时期的南半球夏季,极区海洋酸化速率明显快于单纯由大气二氧化碳浓度增加所致的酸化速率,而在亚南极区情况则相反——其酸化速率慢于或相当于单纯由大气二氧化碳浓度增加所致的酸化速率;在SAM变化趋势不显著时期,极区海洋酸化速率相当于单纯由大气二氧化碳浓度增加所致的酸化速率,而亚南极区海洋酸化速率则明显快于单纯由大气二氧化碳浓度增加所致的酸化速率。

大量数据显示,大洋碳储库变化对大气CO2有非常重要的影响。现在普遍接受的观点是,大气CO2的变化主要受控于南大洋CO2释放强度的变化。不过,与其它系统一样,大气CO2浓度的变化既受“碳源”的控制,也会受到“碳汇”的控制,大气CO2浓度是两者相对变化共同影响的结果。虽然我们对南大洋碳储库已有很多研究,但是我们对北大西洋这个碳汇的变化历史却知之甚少,这妨碍了我们对大气CO2系统的全面认识。在一定程度上,这是由于对北大西洋碳循环研究手段的匮乏所致。

海陆协同,追踪碳循环

不过,有证据表明,南大洋正在变暖、变淡、变酸,而且它作为全球海洋最大的碳汇,其储碳能力可能正在降低。

本周《自然通讯》发表了一项有关全球碳收支的研究成果。研究表明,末次冰盛期北大西洋碳吸收显著增强,其对大气二氧化碳的降低起到了关键作用。该研究发现,冰期大气CO2的降低不仅受南大洋碳排放减少的影响,也和北大西洋碳吸收的增加密切相关。这一结论是基于海洋沉积物中多指标(包括营养盐、碳酸根、温度和盐度)重建而得出的。更重要的是,该研究首次有效地“分离”出了与海洋-大气CO2交换通量的信号,这为研究过去大气CO2的变化机制提供了新手段。

与耦合器类似,林光辉向记者表示,此次项目成果的另一个特点就是“研究数据完全共享,与国际接轨,使相关数据获得了国际认可”。例如,项目建立的中国红树林生态系统碳通量观测网是中国碳通量观测网和全球碳通量观测网的重要组成部分;创建的集生态数据管理、可视化和在线分析为一体的FluxDATAONE数据共享平台可促进学者之间的长期合作;TRIPLEX-GHG相关模型参加了包括全球碳计划和北美碳计划模型比较在内的多项国际研究合作计划,P-Model被选为欧洲太空局实时全球生态系统生产力监测项目的模型,可对美国航天局的全球MODIS
GPP产品进行新的重要补充。

“尽管海洋酸化主要是由大气二氧化碳浓度升高引起的,但局地物理和生物地球化学过程可以显著减弱或加剧海洋酸化。”薛亮表示,确定这些调节海洋酸化的过程和因素对于准确预测未来海洋酸化的程度及影响十分重要。

于际民博士领导的国际研究团队通过多个沉积岩芯地球化学指标的重建(包括有孔虫化石的硼同位素、B/Ca比值、Cd/Ca比值等),开发了一个估计海洋-大气CO2交换通量的新方法,国际上首次估算了北大西洋海洋-大气之间交换CO2的变化幅度。与其它指标方法比较,该方法的一个优点是:所得的海洋-大气CO2交换通量可与大气CO2变化更直接的联系起来。结果表明,与全新世相比,在末次盛冰期北大西洋吸收CO2的效率高了两倍。计算表明,冰期北大西洋的高效碳吸收导致大洋深海碳存储提升约100千兆吨,相当于约50
ppm大气CO2的降低。这些数据说明,北大西洋的碳吸收对冰期大气CO2的降低起到了很大的作用。北大西洋更大的经向海表水温差、更高的营养物质利用率可能导致了该海区冰期碳吸收效率增高的主要原因。同时,该论文所开发的研究方法为估算南大洋海洋-大气CO2变化历史、以至更全面地认识南大洋-北大西洋在大气CO2变化中的相对重要性提供了新的视角和途径。

“水晶地球”,预测未来发展

“之前有人通过计算机模拟做过一些工作,但是得出的结果大相径庭。”薛亮及其合作者到处搜集数据,温度、盐度、二氧化碳分压……他们通过分析多源历史观测数据,发现SAM对南大洋酸化速率有明显调控作用。

论文链接:Yu, J., Menviel, L., Jin Z.D., et al. More efficient North
Atlantic carbon pump during the Last Glacial Maximum. Nature
Communications, 2019.10: 2170,

长期以来,我国没有自己的耦合器,地球系统模式发展只能依赖国外耦合器。刘利与同事不断攻克技术难题,做出了我国首个自主设计研发的地球系统模式耦合器C-Coupler1,填补了我国耦合器软件的空白,把我国耦合器研究推到世界先进水平。

独特的第五大洋

创新同时意味着挑战。由于受到诸如土地利用变化、养殖等人为活动的干扰以及强烈的时空动态变化,对精确的红树林碳平衡数据仍需进一步研究。此外,作为当前气候预测与全球变化研究面临的最具挑战性的任务之一,陆海间碳运输和转化的量化及模拟仍缺乏可靠的技术方法,对其过程及机理还需要进一步深入研究。“现在,初步的‘水晶球’原型有了,但很多核心技术还要继续完善。”林光辉说。

南大洋幅员广阔,远离大陆,约占海洋总面积的六分之一,同时横跨三个大洋、邻接海冰区、上覆西风带,气候极其恶劣,获取现场数据困难。

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