封面说明：应对气候变化是全球共识. 海洋是地表最大的碳库, 在地球历史上对调节气候变化发挥了举足轻重的作用. 深入研究海洋碳汇的形成过程与储碳机制, 对实现碳中和目标具有重要理论意义和应用价值. 本期报道的“ 生物泵演化与重大地质事件 ”专辑的目的正在于此. 封面图示海洋生物介导的3种储碳机制——生物泵(biological carbon pump, BCP)、碳酸盐泵(carbonate carbon pump, CCP)和微型生物碳泵(microbial carbon pump, MCP). 详见焦念志等人的文章.
特邀编辑：谢树成
中国地质大学(武汉)教授, 中国 科学院院士, 生物地质与环境地 质国家重点实验室主任, 国家自 然科学基金委员会地球生物学 创新研究群体负责人. 获得两项 国家自然科学二等奖、首届全 国创新争先奖. 主要从事地球生 物学研究.
特邀编辑： 焦念志
厦门大学微生物和生态圈层研究所所长、国家自然科学基金委海洋碳汇与生物地球化学过程基础科学中心项目首席科学家. 两次获国家自然科学二等奖. 主要从事海洋微型生物及其资源环境效应研究.
特邀编辑：汪品先
同济大学教授, 中国科学院院 士. 主持了中国海首次大洋钻 探, 国家自然科学基金“南海 深海过程演变”重大研究计划. 致力于推进我国深海科学研 究和地球系统科学的发展. 获 国家自然科学奖、欧洲地球 科学联盟的米兰科维奇奖等 荣誉.
编者按
加强海洋生物碳泵地质演化的研究
海洋生物碳泵的地质演化是一个涉及地球系统各圈层相互作用的前沿科学难题, 被列入了国家自然科学基金委员会和中国科学院联合资助的地球系统科学发展战略研究报告. 如果说现代海洋生物碳泵的研究目的在于查明海洋储碳的途径和机制并服务于碳中和等目标的话, 那么古海洋生物碳泵则更多地记录了它与一些重大地质事件的关系, 包括古气候的冷暖变化、海洋缺氧事件、生物大灭绝事件等涉及地球整个表层系统乃至地球深部过程的一些重要环节. “生物泵演化与重大地质事件”专辑的10篇文章以海洋生物碳泵与重大地质事件的关系为主线,从现代海洋出发, 一直回溯到不同地质时期的海洋. 这些成果不仅阐述生物碳泵的机制和途径, 而且还探索与古气候变化、古海洋缺氧、古海洋生态系统的灾难及其复苏等重大地质事件的关系, 涉及地球深部和表层系统的诸多联动地质过程, 勾勒了一幅比较生动的地球系统演化画卷.
专辑的两篇文章解读了海洋碳循环的一些具体机制和地质演化框架.谢树成等人概括了自生命起源以来海洋生物碳泵随生物演化和气候环境变迁而出现的阶段性变化, 阐述了不同地质时期海洋生物碳泵的总体特征,提出了未来需要解决的一些科学难题, 打开了一个可望通向碳中和策略出口——“时空隧道”.焦念志等人提出了溶解度泵、碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵之间的协同作用模型, 并引导出若干可验证的科学假说和海洋增汇方案, 为建立系统的海洋生态增汇理论和可行的负排放路径夯实基础. 这一观点实现了从过去单一碳泵的研究拓展到各个碳泵之间相互作用的研究, 为系统地揭秘海洋碳汇机制、全面地评估海洋储碳能力、无缝连接基础科学前沿研究与应用领域的实践奠定了基础.
海洋生物碳泵与古气候的关系是碳循环研究的一个核心科学问题.陈祚伶总结了古新世-始新世极热事件碳循环研究, 认为当时的快速增温事件是由地球表层的还原碳库(包括天然气水合物和冻土有机质)造成的, 而CO2施肥效应和海洋“生物泵”效率的提高则加快了这个事件的回返. 这一案例显示了地球系统在一定范围内对气候系统具有一定的自我反馈和调节能力.张兴亮提出黏土矿物通过吸附海洋的惰性溶解有机碳可能对海侵黑色页岩作出了重要贡献的假说, 认为在海平面快速上升的海侵超覆过程, 或者远洋深层水上涌时, 可将深水的惰性溶解有机碳运输到浅水区域, 被黏土矿物吸附而形成地质时期的黑色页岩, 成为海洋碳汇的重要途径, 从而对古气候产生重要影响. 这一观点为海洋溶解有机碳对气候的长期调节作用提供了一种可能的途径.
生物碳泵与古海洋缺氧事件的关系一直是很重要的话题.张俊鹏等人分析了古生代的缺氧事件, 在早寒武世-晚志留世, 海洋先后发生8次不同规模的缺氧事件, 是在大气含氧量增加的背景下发生的海洋缺氧事件, 其中的海洋生物碳泵作出了一定的贡献,但有待于后续定量化的评估.陈曦等人则分析了白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间碳循环扰动, 认为大火成岩省岩浆作用是碳循环扰动的触发因素, 而海洋生产力提升和缺氧条件导致大规模有机质埋藏是OAE2期间海水碳同位素总体呈正偏的直接原因. 这一案例清晰地指出了地球系统的深部过程与表层系统之间存在紧密的联动作用.
在生物大灭绝前后, 海洋生物碳泵如何变化一直备受关注.贾恩豪等人讨论了显生宙最大规模生物灭绝发生前后海洋初级生产者的三阶段变化, 即从以浅海大陆架的底栖藻类和浮游疑源类为主导的古生代型, 到古生代-中生代之交由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊型, 再到由远洋钙质超微浮游生物为主导的现代型. 后者在中生代的繁盛增强了大洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力, 提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力.姜仕军提出白垩纪-古近纪生物大灭绝后, 主要初级生产者从较大的颗石藻转变为较小的微型浮游生物, 更多难降解的惰性溶解有机碳能够下沉到海底, 增强微型生物碳泵效率, 同时微型生物还能从海洋表层中去除足够的营养盐和有害物质, 改善事件后恶化的海洋物理化学环境, 为整个海洋生态系统的恢复和发展铺平道路. 这两个案例都显示了当海洋生态系统出现重大灾难后, 小小微生物是如何对后续生态系统的发展作出贡献的.
海洋生物碳泵受到诸多生源要素的强烈影响, 而磷的影响之前研究较少.黄天正等人讨论了磷循环对中元古代海洋生物泵的影响, 提出了中元古代生物泵长期由原核生物主导, 维持着铁化海洋, 加上较弱的构造活动等因素导致了贫磷的海洋, 进而限制了生物的演化, 出现了“沉寂的十亿年”或者“无聊的十亿年”. 相反,张水昌等人则提出在中元古代大陆架的氧化沉积物中, 将有更多的磷因有机质降解得到再循环, 从而刺激了以蓝细菌为主的初级生产者, 海洋中的固碳能力和产氧潜力因而可能比现在人们所认识到的还要更高.
受限于篇幅, 本专辑旨在抛砖引玉, 介绍了一些典型地质时期海洋生物碳泵的演化及其与重大地质事件的关系, 以期推动我国古海洋生物碳泵深入而系统地研究, 为实现我国传统地质学向地球系统科学的转型发展提供一个窗口.
编者按
加强海洋生物碳泵地质演化的研究
谢树成, 焦念志, 汪品先
观点
海洋储碳机制及相关生物地球化学过程研究策略
焦念志, 戴民汉, 翦知湣, 王晓雪, 张锐
实现碳中和, 既要减排也要增汇. 海洋有巨大的增汇潜力. 本文介绍了生物驱动的海洋储碳机制: 生物泵、微型生物碳泵和碳酸盐泵, 提出三者之间协同作用模型和研究策略, 为建立系统的海洋生态增汇理论夯实基础.
海洋惰性溶解有机碳库与海侵黑色页岩
张兴亮
在海侵过程中, 海洋惰性溶解有机物与黏土沉积物充分混合并被吸附后沉积, 经成岩作用后形成海侵黑色页岩. 惰性溶解有机碳的埋藏和保存机制很可能是有机碳从海洋储库到地质储库转移的一种新途径, 同时也可能代表一种新的海侵黑色页岩成因机制.
“中年地球”的磷循环与生物泵: 再谈“沉寂的十亿年”
黄天正, 王瑞敏, 沈冰
通过分析中元古代磷循环与现今磷循环的差异及对碳循环的影响, 指出了陆源磷输入、风化过程中磷的活化与海洋氧化还原控制的有机/无机磷埋藏比例共同造成“沉寂的十亿年”间碳循环与生物演化的不活跃.
评述
中元古代海洋生物碳泵: 有机质来源、降解与富集
张水昌, 王华建, 王晓梅, 叶云涛
中元古代地表碳循环长期处于稳态, 研究其机制对认识地球宜居演化具有重要意义. 本文从有机质来源、降解与富集等方面论述了影响中元古代海洋生物碳泵的主要地球化学过程, 并定量计算了惰性可溶有机碳库的规模.
早古生代海洋缺氧事件的地质记录与背景机制
张俊鹏, 李超, 张元动
古生代见证了大气O2与CO2含量的波动及海洋动物的爆发与辐射. 同时, 多期次的海洋缺氧事件可与生物灭绝相关联, 记录为可全球对比的碳同位素漂移事件. 这些地球系统变化, 成为探究早期生命与环境协同演化的重要窗口.
古生代-中生代之交海洋生物泵演变与浮游革命
贾恩豪, 宋海军, 雷勇, 罗根明, 姜仕军
探究深时海洋生产者以及生物泵的组成与演变, 对深入理解海洋碳循环过程具有重要作用. 本文讨论了晚古生代-早中生代海洋生产者与生物泵的演化过程, 特别是浮游生物革命在海洋生态系统演化和碳循环中的作用.
白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间碳循环扰动的过程与机制
陈曦, 郭会芳, 姚翰威, 韩凯博, 汪恒慧
本文介绍了白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间全球古环境演化的研究进展, 综合分析了古环境参数, 如大陆风化强度、古温度、CO2浓度、海洋生产力和海水氧化还原条件等, 对OAE2期间碳循环扰动的控制作用.
白垩纪-古近纪生物大灭绝后海洋生物碳泵的破坏与恢复
姜仕军
6600万年前白垩纪-古近纪生物大灭绝终结了恐龙时代, 同时重创当时海洋绝对优势的初级生产者——颗石藻. 初级生产者在极端环境下的破坏与灾后恢复过程, 对于研究当今海洋生物碳泵变化及其控制机制具有重要的借鉴意义.
古新世-始新世极热事件碳循环研究进展
陈祚伶
古新世-始新世极热事件是由巨量CO2注入到海气系统而引发的快速增温事件. 本文系统梳理了该事件发生时期的碳循环过程, 重点讨论了该事件的发生机制、碳源、碳排放量以及碳的吸收过程.
海洋生物碳泵的地质演化: 微生物的碳汇作用
谢树成, 焦念志, 罗根明, 李东东, 汪品先
本文综述了自生命起源以来海洋生物碳泵的演化历史及其与生物演化的关系, 阐述了地质时期海洋生物泵和微型生物碳泵的相对变化及其对大氧化事件、大冰期形成的重要贡献, 提出了未来拟解决的重大挑战性科学难题.
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