祁第团队在Global Biogeochemical Cycles发表成果揭示南大洋近岸被忽视的碳汇及碳封存能力

近日，集美大学极地与海洋研究院祁第教授课题组联合国内外研究人员在南大洋人为二氧化碳跨陆架输送研究方面取得最新进展。相关成果以“Transport of Anthropogenic Carbon From the Antarctic Shelf to Deep Southern Ocean Triggers Acidification”为题发表于国际知名期刊Global Biogeochemical Cycles.
该研究基于GLODAP数据库及全球共享数据，通过TrOCA, ∆C*，TTD三种经典定量方法揭示了南极近岸四大底层水（AABW）主要源地人为碳分布趋势，发现其与南极底层水AABW的形成过程紧密相关，并由此促进人为碳的跨陆架输送与深海封存，引发底层水体年代际酸化，以上过程继而促进该区域上层水体对大气CO2的吸收。该研究强调了这些底层水生成区在深海碳封存中的重要作用，为气候变化背景下南大洋碳汇的准确估算提供重要参考。
研究背景
南大洋吸收和储存了大量的人为二氧化碳（Cant），但主要由于季节性数据和覆盖率不足，人们很少关注南纬 60°以南的南极沿岸地区。在此区域，高密度陆架水为从陆架斜坡向深海输送二氧化碳提供了一个有效机制，特别是在南极底层水（AABW）形成区附近。然而，AABW的形成对人为碳封存的贡献及其后果仍不清楚，模型的准确性也因为与陆架水形成相关的过程过于复杂而备受挑战，因此，基于实测数据的底水生成区对人为碳封存的研究亟待开展，也是目前南大洋在碳封存方面面临的一大挑战。
% q- Y! p+ Z) j% E研究方法和创新点
: K6 D. d+ |3 y- A4 M本研究基于综合观测数据集（1974-2018年），展示了在南极洲周围四个主要的 AABW 形成区，罗斯海（Ross Sea）、阿德利高地（Adélie Land）、普里兹湾（Prydz Bay）、威德尔海（Weddell Sea），人为二氧化碳由陆架向深海（>2000米）的输送。主要创新点在于，全面而直观地展示了南极大陆架斜坡上的人为碳向深海累积的证据；AABW的形成过程促使人为碳以每年25.0 ± 4.7 Tg C的速度向下迁移，并维持了表层海洋对大气CO2的强吸收；这种快速迁移进一步引发了AABW水体每年以-0.0006±0.0001 pH单位的速率变化，且酸化速度远比其他大洋深海更快。
研究内容
本研究基于综合数据集，采用TrOCA, ∆C*，TTD三种方法计算得到人为碳在四大底水生成区的分布特征，并通过人为碳的深层渗透，人为碳浓度在AABW形成路径上相对较高的人为碳浓度，以及陆架斜坡上的人为碳浓度高于其他中低纬度边缘海等显著特征，发现AABW形成区域存在明显的由陆架向深海的人为碳迁移迹象[亮点1]。

                               
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图 1 由TrOCA、∆C* 和 TTD 方法计算的罗斯海（Ross Sea）、阿德利高地（Adélie Land）、普里兹湾（Prydz Bay）、威德尔海（Weddell Sea）的人为碳垂直分布。
2 N9 A9 Y) q; R$ G8 a3 D通过人为碳在与AABW形成有关的水团中的分布以及CFC-12在陆架-陆坡-海盆分布特征的进一步佐证，揭示了南极近岸被低估的碳封存能力是由AABW形成过程驱动的。随后本研究估算出环南极四大底水形成区域由陆架向海盆的人为碳净输送通量（25.0 ± 4.7 Tg C yr-1），这种输送使得上层水域的人为碳浓度保持在较低水平，以维持较强的二氧化碳吸收能力（16.9 ± 3.8 Tg C yr-1）[亮点2]。
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% Z8 P5 e' R% ]3 O, \9 k" F/ x图2 泛南极人为碳（Cant）输出通量概览。(a) 普里兹湾无机碳的输送示意图；(b-e) 四个冷的 AABW 形成区的碳输出通量
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( k( n' J4 {, }% H7 P2 @' a图3 更新的泛南极周边海域海-气CO2通量（mol C m-2 yr-1）。中间为各子区域海-气CO2通量的平均值。
9 }0 X0 C' v6 h0 b- m由于 AABW 形成过程驱动的 CO 2 深海迁移， AABW 的酸化速率显著，为 -0.0006 ± 0.0001 pH unit yr -1 ， 是其他深海的 3 倍。并通过一阶泰勒展开式分解影响因子，发现人为碳的累积是造成 AABW 水体酸化速率较高的主要原因 [ 亮点 3] 。该研究结果阐明了 AABW 在控制南大洋碳吸收和储存以减缓气候变化方面的突出作用，而其副作用（如酸化）也可能通过全球海洋输送带扩散到其他大洋盆地。
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图4 南大洋深层（AABW）pH 值的长期趋势
. J7 }9 t! U7 i+ C% z8 u% Q. [4 t研究团队
厦门大学海洋与地球学院张双博士为论文的第一作者，集美大学极地与海洋研究院的祁第教授、吴瀛旭副教授、陈立奇教授为共同通讯作者。美国特拉华大学的Wei-Jun Cai教授以及澳大利亚联邦科学与工业研究组织海洋与大气部CSIRO的Wenju Cai教授，美国国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室NOAA的Richard A. Feely教授，南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）的王召民教授、刘成彦副研究员、杨清华教授、罗一鸣教授、程晓教授，德国基尔GEOMAR的Toste Tanhua教授，中国科学院大气物理研究所的李熙晨教授，中国气象科学研究院的丁明虎教授，自然资源部第二海洋研究所的徐忠胜博士，巴西格兰德联邦大学的Rodrigo Kerr等人作为共同作者对此论文做出贡献。
论文得到国家自然科学基金、国家重点研发计划重点专项、南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）开放基金等项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1029/2023GB007921

                               
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信息来源：集美大学极地与海洋研究院。