北极海洋生物碳泵效率在气候变化与陆源输入作用下的降低

作者及发表信息
本研究由来自德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所（Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung）的Laurent Oziel领衔，联合多国学者（包括美国伍兹霍尔海洋研究所、德国不来梅大学等）共同完成，于2025年2月发表在《Nature Climate Change》（Volume 15, Pages 171–179），DOI: 10.1038/s41558-024-02233-6。

学术背景

科学领域与研究动机
研究聚焦于北极海洋生物碳泵（Biological Carbon Pump, BCP）对气候变化的响应机制。北极是全球变暖最快的区域之一，其生态系统变化直接影响全球碳循环。尽管IPCC类模型（如CMIP6）预测北极净初级生产力（Net Primary Production, NPP）将因海冰减少而上升，但陆源碳与养分输入（如河流和海岸侵蚀）的影响长期被忽视。本研究首次量化了陆源输入与气候变暖对BCP效率的协同作用，揭示了其对北极碳汇功能的削弱效应。

核心问题
北极BCP通过浮游植物固碳并将有机碳输送至深海，是调节大气CO₂的关键过程。然而，近期研究发现：
1. 北极暖化速率达全球平均的2倍，海冰消退加速光合作用但加剧营养盐限制；
2. 永久冻土融化和海岸侵蚀释放大量陆源碳与氮，可能改变海洋生态 stoichiometry（元素化学计量比）；
3. 现有模型未充分整合陆源输入，导致碳汇潜力评估存在偏差。

研究目标
通过高分辨率生物地球化学模型，量化2100年前气候变化与陆源输入对北极BCP效率的影响，并揭示其反馈机制。

研究方法与流程

1. 模型构建与实验设计
- 模型工具：采用全球海洋-海冰-生物地球化学耦合模型FESOM2.1-RECOM3，水平分辨率4.5公里，专为北极区域优化。
- 模拟场景：
- 基准模拟（Terr）：包含河流与海岸侵蚀的碳/氮输入，采用高排放情景SSP3-7.0。
- 对照模拟（NoTerr）：剔除陆源输入，其他参数相同。
- 多情景对比：SSP1-2.6（低排放）、SSP2-4.5（中排放）、SSP5-8.5（极高排放）。
- 数据输入：陆源通量基于观测数据集，动态耦合月尺度河流流量与气温异常。

2. 关键指标量化
研究定义了BCP效率的四大核心指标：
1. 生物驱动的表层pCO₂变化：反映光合与呼吸作用的净效应；
2. 输出效率（Export Efficiency）：输出通量（100米以深）与NPP的比值；
3. 转移效率（Transfer Efficiency）：600米以深碳通量与输出通量的比值；
4. 深海碳储存（DICremin）：基于表观氧利用率（AOU）估算生物源碳储量。

3. 反馈机制解析
通过对比不同时期（1970s vs. 2090s）和情景（Terr vs. NoTerr），分离气候变化（温度、海冰、CO₂浓度）与陆源输入的独立贡献。

主要结果

1. 气候驱动的BCP效率下降
- NPP增加但碳输出效率降低：2090年NPP上升75%（SSP3-7.0），但输出效率下降38%（碳）和30%（氮），主因再矿化速率（Remineralization）加速（+55%）。
- 关键机制：
- 表层水温升高促进浮游植物小型化（C:N比上升），降低颗粒碳沉降速率；
- 中深层（100–600米）升温1.8倍于全球平均，呼吸作用增强导致氧气下降（Extended Data Fig. 2b）；
- 化学缓冲能力（Revelle Factor）上升，削弱CO₂吸收效率（图5c）。

2. 陆源输入的强化效应
- CO₂释放：陆源碳通过海岸带强烈释放（2090年约32.7±3.3 TgC/yr），抵消北极碳汇的至少10%（33 TgC/yr）。
- 营养盐循环：陆源氮输入（2.6 TgN/yr）通过多次再矿化放大为6.5 TgN/yr，但加速有机质降解，导致转移效率下降1.5%。

3. 多情景一致性
所有排放情景均显示BCP效率下降，但高排放情景（SSP3-7.0）下：
- 碳输出效率额外降低18%；
- 深海碳储存（DICremin）减少13%，主因侧向碳流失（Extended Data Fig. 6）。

结论与价值

科学意义
1. 挑战传统认知：即使NPP上升，北极碳汇功能仍因BCP效率下降而削弱，揭示了“生产力悖论”。
2. 陆源作用量化：首次明确陆源输入贡献了BCP效率降低的10%，并驱动沿海CO₂释放。
3. 模型改进方向：呼吁IPCC类模型整合陆源动态，优化有机质降解参数化。

应用价值
- 气候政策：北极碳汇潜力可能被高估，需调整全球碳预算模型；
- 生态预警：小型化浮游生物群落与高C:N比将威胁北极鱼类与哺乳动物生存。

研究亮点

1. 方法创新：首次在4.5公里分辨率模型中耦合陆源输入与高动态生物地球化学过程；
   
2. 多指标协同：联合输出/转移效率、DICremin等指标全面评估BCP效率；
   
3. 跨尺度验证：结果与CMIP6多模型集合一致，强化结论可靠性（Extended Data Figs. 4–5）。
   

其他有价值内容：实验敏感性测试（如陆源碳分配至溶解态或颗粒态有机库的差异）表明，有机质降解路径的模型假设需进一步优化（Supplementary Table 2）。