海洋生物泵

海洋的生态环境中以生物或生物行为为动力，将碳元素从海洋表面向深层传递的过程

海洋生物泵是指在海洋的生态环境中以生物或生物行为为动力，将碳元素从海洋表面向深层传递的过程。

概况

由有机物生产、消费、传递、沉降和分解等一系列生物学过程构成的碳从表层向深层的转移称之为生物泵。海洋的生态环境中，在海水处于垂直稳定状态下，碳要实现从表层向深层的垂直转移需完成两个步骤：1．从溶解态转化为颗粒态；2．沉降。正是一系列的生物学过程完成了这两个步骤。首先是生活在真光层(也叫有光层)内的大量的浮游植物进行光合作用吸收cq将其转化为颗粒态，即有生命的颗粒有机碳(Living POC)，大多为单细胞藻类，粒径几个到几十微米。然后，通过食物链(网)，逐级转化为更大的颗粒(浮游动物、鱼等)。未被利用的各级产品将死亡、沉降和分解。转化过程中产生的粪便、蜕皮等也构成大颗粒沉降，即非生命颗粒有机碳(Non—living POC)的沉降。生活在不同水层中浮游动物的垂直洄游也构成了有机物由表层向深层的接力传递。由于沉降速度低，小颗粒有机物，如单细胞藻类在离开真光层不远即死亡分解，只有大颗粒有机物才能抵御微生物的分解活动得以到达深层，乃至沉积物中，进入长周期循环或“永世不得翻身”。光合作用产品中有相当一部分是以溶解有机碳的形式释放到海水中，动植物的代谢活动也产生大量溶解有机碳。它们的一部分将无机化进入再循环，也有相当一部分被异养微生物利用再次转化为颗粒态(微生物自身生物量)，并通过微型食物网(Microbial foodweb)再进入主食物网。上述海洋的生态环境中由有机物生产、消费、传递、沉降和分解等一系列生物学过程构成的碳从表层向深层的转移称之为海洋生物碳泵。

生物泵过程

生物泵是以一系列生物为介质，通过光合作用将大气中的无机碳转化为有机碳，之后在食物网内转化、物理混合、输送及沉降将碳从真光层传输到深层中的过程。

地球大气CO2在海水中的溶解吸收是通过海洋浮游植物的光合作用而进行的。

海洋中的浮游动物吞食浮游植物，食肉类的浮游动物吃食草类浮游动物。

这些生命系统所产生的植物和动物碎屑沉降在海洋中，某些沉降物将分解并作为营养物回到海水中，但也有一些（大约1%），到达深海或海床，在那里被沉积而不再进入碳循环。

海洋生物泵主要分为3个阶段，具体如图《生物泵过程》所示：

生物泵效率

生物泵效率是表征生物过程对大气CO2的去除能力，影响生物泵效率的物理—化学过程很多，就生物生态过程来说，诸如生物量、初级生产力、群落结构、食物链与微食物环、呼吸过程等过程均会影响其对有机碳的输出效率。

总的来说，影响生物泵效率的因素主要有以下几个：

（1）营养盐的限制；（2）铁的作用；（3）固氮作用；（4）生态系统结构

作用及意义

海洋生物泵是全球碳循环的重要组成部分，调节上层海洋有机碳颗粒向下层海洋的传输，对维持大气CO2浓度具有重要作用。生物泵的作用主要是通过CO2的转化实现碳的向下转移和营养盐的消耗升高表层水的碱度，从而降低水中的P（CO2），促进大气CO2向海水中扩散。

生物泵的净化效果是减少表层海水中的碳含量使得它可以从大气中获取更多的二氧化碳以恢复表层平衡。海洋浮游植物通过光合作用吸收大气CO2、释放出氧气，成为海洋食物链中其它各级生物的有机质食物来源，同时产生各种钙质生物骨骼或壳体，死亡后的残骸逐渐沉降到洋底。这就犹如水泵那样，将上层海水中的CO2最终被“抽提”输送到洋底沉积物之中。一般来说，海洋初级生产力越高，大气CO2浓度就越低。

研究历史及现状起源及发展

海洋碳主要有3种存在形式：

溶解无机碳（DIC），溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）

其大致比例是2 000：38：1。

生物体产生和持有的碳主要为DOC和POC，基本上都是通过初级生产过程实现的。基于海洋对大气CO2的调节能力，海洋碳循环主要受两种机制调控：溶解泵(solubility pump，又称物理化学泵)和生物泵（biological pump）。溶解泵是一个生物地球化学概念，是将溶解无机碳从海洋表层传输到海洋体系中的过程。生物泵是以一系列生物为介质，通过光合作用将大气中的无机碳转化为有机碳，之后在食物网内转化、物理混合、输送及沉降将碳从真光层传输到深层中的过程。

在早期碳循环研究中，溶解泵受到极大的重视，但随着大气CO2分压的持续增高，海洋表层的溶解泵趋于饱和。此时，生物泵过程却在持续不断地工作，因此，海洋生物泵日益成为科学家的研究热点。研究者正在设想通过提高某些海区的新生产力，加速生物泵的运转以提高海气界面碳通量。

研究现状

我国对生物泵的研究历史较短，相关研究较少，研究涉及的范围较窄，下面介绍一些国内相关研究进展。黄邦钦等在全球气候变化背景下，研究了海洋浮游植物生物量及群落结构的变动趋势，探讨了浮游植物群落结构演变与厄尔尼诺—南方涛动（ENSO），太平洋年代际涛动（PDO）和北大西洋涛动（NAO）等现象的关联，分析了群落结构与生物泵效率的耦合关系；金心等通过溶解度泵模式与包含溶解度泵和生物泵的组合模式的对比研究表明生物过程产生的海气通量的量级非常大，在高纬度和赤道地区两种泵的量级差不多，只是高纬度地区两者的符号相反，而赤道地区两者的符号相同；徐永福等使用一个包括浮游生物和无生命氮的食物网描述海洋上层的生物过程，并将此生物模式用于佛罗里达海峡的一个固定位置和从佛罗里达海峡流经挪威海的一个水团中，研究显示生物泵对水团吸收大气CO2的贡献约为16%；对海洋生物泵的组成结构和时空变化的研究有初步认识，主要是对浮游植物、海雪等颗粒物质的碳通量进行的估算，但是对于TEP的研究还很缺乏。研究海洋生物泵的效率和机制是未来科研工作的重点，对于预测全球海洋变暖具有重要的意义。

2024年3月，2023年度中国海洋与湖沼十大科技进展评选结果揭晓，厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室王为磊教授团队科研成果“全球海洋生物碳泵估算研究取得突破”成功入选。王为磊教授团队的研究成果对全球海洋生物碳泵分布格局作出可靠评估，揭示了平流和扩散对有机碳输出的重要影响，调和了总碳输出和深层海洋呼吸作用的碳需求之间的矛盾，首次提出海洋生物碳泵的时间域分布，论证了有机碳通量主要由停留时间较短的部分主导，表明大部分有机物生产在海洋中快速循环，为海洋碳循环的研究和发展奠定了科学基础。研究成果于2023年发表在国际顶级科学期刊《自然》上。

未来挑战

海洋—大气耦合模型的初步结果表明，未来100年，由于表层水变暖，海洋的层化作用会加强，热量环流会减弱。这不仅会削弱物理泵的作用，而且会改变提供至上层海洋的营养盐通量，进而对生物泵有明显影响。以下科学问题有待深入的探讨：

（1）长期的时间系列采样仍需重视，从而有可能更深入地了解时间演化现象；

（2）最近对大陆架区域的观测表明，不少的大气CO2被吸收到海洋边缘海域；未来的研究必须确定沿岸海域整体是否是人类来源的碳“汇”区，并定量确定沿岸水体与大洋水体之间的碳交换通量；

（3）铁的可利用性会影响到浮游生物种群结构。全球变暖有可能改变风速及其模式，陆地的开发利用有可能改变尘埃的来源，这些均会导致铁提供量的变化，从而可能影响到HNLC区域生物泵的效率，改变海洋吸收大气CO2的能力。

（4）全球气候会影响到海洋环流模式，由此改变NO3-，SiO32-,PO43-等的生物可利用量；

（5）当前的研究主要集中于100～200m及近海底区域，但已认识到，由生物泵输送的有机物的降解主要发生在真光层以下至500～1000m的区域，未来的研究有待加强此区域研究；

（6）颗粒物的输出与降解是生物泵中的重要环节，未来的生物泵地球化学模型必须加入有关颗粒有机物、溶解有机物转化方面的信息；

（7）对浮游动物主动迁移所导致的输出过程的研究有待加强。

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