我实验室王杉霖教授课题组与合作者以"The Ballast Effect of Terrigenous Lithogenic Particles from Rivers and Its Influence on POC Fluxes in the Ocean" 为题，在Global biogeochemical cycles期刊发表最新研究结果。
该研究基于全球河流入海的悬浮泥沙通量数据构建陆源岩性物质强迫场，将陆源岩性颗粒(Terrigenous Lithogenic Particles, TLP)对颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon, POC)的压载作用纳入通用地球系统模型，揭示了陆源岩性物质输入对全球海洋POC通量以及生物地球化学循环的潜在影响。该成果强调了在海洋生物地球化学模型中考虑陆源岩性物质压载作用的重要性。
研究背景
海洋中矿物对颗粒有机碳的压载效应，是指通过增加颗粒聚集体的密度或者保护有机质免受快速的再矿化，从而促进有机碳向更深层海洋沉降，这种现象对生物碳泵的输出效率至关重要。压载矿物包括生源矿物碳酸钙和蛋白石，以及来自沙尘、河流和海岸侵蚀来源的岩性矿物，其中生源矿物和沙尘对生物地球化学循环的影响，在海洋生物地球化学模型中已被大量研究，而河流或海岸侵蚀来源的岩性物质却被忽略。但近年来的研究表明，河流或海岸侵蚀入海的岩性颗粒能够在到达海洋后发生跨陆架或陆坡输送，这可能对大陆边缘甚至远洋区域的POC通量产生重大影响。为探究这一问题，研究团队利用中等复杂度的全球生物地球化学模型开展了一系列敏感性模拟实验，估算了陆源岩性颗粒对全球海洋POC通量的潜在影响及其在生物地球化学循环中发挥的作用。
研究结果
研究团队利用包含全球主要河流的入海悬浮泥沙信息的数据库，构建了TLP强迫场，其中考虑了TLP入海后的两种状态：完全沉降在河口区或同时发生跨陆架（和陆坡）向海输送。后者又包括两种向海输送形式（图1）：一种是在近表层运输，另一种是在海洋底部运输，该输送过程基于以往研究建立的TLP浓度随离岸距离增加而衰减的经验函数来描述。综上，研究总共考虑了三类不同的TLP分布及传输情景：TLP完全沉降在河口区；或绝大部分沉降在河口区、其余极小部分在海洋近表层向外海运输；或绝大部分沉降在河口区、其余极小部分在海洋底部向外海运输。最终将这三类TLP分布及传输情景应用于通用地球系统模型，进行敏感性模拟实验以评估TLP压载作用对全球海洋POC通量的影响。
图1 TLP跨陆架（和陆坡）向海输送的示意图：(a)和(b)分别为在海洋近表层或海洋底部输送。其中实心黑点表示TLP，曲线箭头表示TLP沉降，规则箭头表示颗粒物有机质(POM)垂直下沉。
结果显示，TLP沿陆架（和陆坡）底部向深海输送时，模拟的全球海洋100m及以深的POC通量发生显著变化：在亚热带环流区，模拟的TLP压载作用导致POC通量增强，而在热带太平洋和中高纬度地区，TLP导致POC通量减弱（图2）。引发这种空间变化的原因是，TLP压载作用促进了POC在大陆边缘海沉降和更多埋藏，同时导致溶解铁在相应区域的埋藏增加，从而减少了大陆边缘铁通过侧向平流向开阔海洋的输送，造成亚南极和热带海洋上升流区的铁限制增强以及更多常量营养盐盈余，随后盈余的常量营养盐通过Ekman输运至邻近的亚热带环流区。总之，TLP的压载作用引发了全球海洋的生物可利用铁和常量营养盐分布的改变，使亚热带环流区域的初级生产力和POC输出通量随着常量营养盐限制的减弱而提高，而亚南极和热带上升流区域的初级生产力和POC通量受铁限制的增强而下降。整体上，全球海洋100m输出界面的POC通量减少了0.9 Pg C/a，表明未考虑陆源岩性矿物的海洋生物地球化学模型可能高估了生物碳泵，指出在模型中添加陆源岩性矿物压载作用的必要性。
图2 敏感性实验与对照实验模拟的0~100 m的年平均铁(左)和磷酸盐(右)浓度差异。上排和下排分别为TLP在海洋近表层或在海洋底部向海输送时的敏感性实验。
图3敏感性实验与对照实验模拟的100 m和1000 m处POC年通量差异。左侧和右侧分别为TLP在海洋近表层或在海洋底部向海输送时的敏感性实验。
研究团队及资助
该论文第一作者为厦门大学2019级博士生李莎莎，通讯作者为王杉霖教授，共同作者包括自然资源部第二海洋研究所李宏亮研究员和厦门大学唐甜甜副教授。该研究获得国家自然科学基金(41976215, 42376233)资助，致谢UC-Irvine的J. Keith Moore 教授、厦门大学王桂芝教授、蔡平河教授与简星副教授。
论文来源及链接
Li, S., H. Li, T. Tang, and S. Wang, 2024. The Ballast Effect of Terrigenous Lithogenic Particles From Rivers and Its Influence on POC Fluxes in the Ocean. Global Biogeochemical Cycles, 38(5), e2024GB008155.
https://doi.org/10.1029/2024GB008155
