海洋生物碳泵的地質(zhì)演化是一個(gè)涉及地球系統(tǒng)各圈層相互作用的前沿科學(xué)難題, 被列入了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合資助的地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告. 如果說(shuō)現(xiàn)代海洋生物碳泵的研究目的在于查明海洋儲(chǔ)碳的途徑和機(jī)制并服務(wù)于碳中和等目標(biāo)的話, 那么古海洋生物碳泵則更多地記錄了它與一些重大地質(zhì)事件的關(guān)系, 包括古氣候的冷暖變化、海洋缺氧事件、生物大滅絕事件等涉及地球整個(gè)表層系統(tǒng)乃至地球深部過(guò)程的一些重要環(huán)節(jié).

　　“生物泵演化與重大地質(zhì)事件”專輯的10篇文章以海洋生物碳泵與重大地質(zhì)事件的關(guān)系為主線, 從現(xiàn)代海洋出發(fā), 一直回溯到不同地質(zhì)時(shí)期的海洋. 這些成果不僅闡述生物碳泵的機(jī)制和途徑, 而且還探索與古氣候變化、古海洋缺氧、古海洋生態(tài)系統(tǒng)的災(zāi)難及其復(fù)蘇等重大地質(zhì)事件的關(guān)系, 涉及地球深部和表層系統(tǒng)的諸多聯(lián)動(dòng)地質(zhì)過(guò)程, 勾勒了一幅比較生動(dòng)的地球系統(tǒng)演化畫卷.專輯的兩篇文章[1,2]解讀了海洋碳循環(huán)的一些具體機(jī)制和地質(zhì)演化框架.

　　謝樹成等人[1]概括了自生命起源以來(lái)海洋生物碳泵隨生物演化和氣候環(huán)境變遷而出現(xiàn)的階段性變化, 闡述了不同地質(zhì)時(shí)期海洋生物碳泵的總體特征, 提出了未來(lái)需要解決的一些科學(xué)難題, 打開了一個(gè)可望通向碳中和策略出口——“時(shí)空隧道”. 焦念志等人[2]提出了溶解度泵、碳酸鹽泵、生物泵和微型生物碳泵之間的協(xié)同作用模型,并引導(dǎo)出若干可驗(yàn)證的科學(xué)假說(shuō)和海洋增匯方案, 為建立系統(tǒng)的海洋生態(tài)增匯理論和可行的負(fù)排放路徑夯實(shí)基礎(chǔ).

　　這一觀點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了從過(guò)去單一碳泵的研究拓展到各個(gè)碳泵之間相互作用的研究, 為系統(tǒng)地揭秘海洋碳匯機(jī)制、全面地評(píng)估海洋儲(chǔ)碳能力、無(wú)縫連接基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究與應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ).海洋生物碳泵與古氣候的關(guān)系是碳循環(huán)研究的一個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題. 陳祚伶[3]總結(jié)了古新世-始新世極熱事件碳循環(huán)研究, 認(rèn)為當(dāng)時(shí)的快速增溫事件是由地球表層的還原碳庫(kù)(包括天然氣水合物和凍土有機(jī)質(zhì))造成的, 而CO2施肥效應(yīng)和海洋“生物泵”效率的提高則加快了這個(gè)事件的回返.

　　這一案例顯示了地球系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)對(duì)氣候系統(tǒng)具有一定的自我反饋和調(diào)節(jié)能力. 張興亮[4]提出黏土礦物通過(guò)吸附海洋的惰性溶解有機(jī)碳可能對(duì)海侵黑色頁(yè)巖作出了重要貢獻(xiàn)的假說(shuō), 認(rèn)為在海平面快速上升的海侵超覆過(guò)程, 或者遠(yuǎn)洋深層水上涌時(shí), 可將深水的惰性溶解有機(jī)碳運(yùn)輸?shù)綔\水區(qū)域, 被黏土礦物吸附而形成地質(zhì)時(shí)期的黑色頁(yè)巖, 成為海洋碳匯的重要途徑, 從而對(duì)古氣候產(chǎn)生重要影響. 這一觀點(diǎn)為海洋溶解有機(jī)碳對(duì)氣候的長(zhǎng)期調(diào)節(jié)作用提供了一種可能的途徑.生物碳泵與古海洋缺氧事件的關(guān)系一直是很重要的話題.

　　張俊鵬等人[5]分析了古生代的缺氧事件, 在早寒武世-晚志留世, 海洋先后發(fā)生8次不同規(guī)模的缺氧事件, 是在大氣含氧量增加的背景下發(fā)生的海洋缺氧事件, 其中的海洋生物碳泵作出了一定的貢獻(xiàn), 但有待于后續(xù)定量化的評(píng)估. 陳曦等人[6]則分析了白堊紀(jì)大洋缺氧事件OAE2期間碳循環(huán)擾動(dòng), 認(rèn)為大火成巖省巖漿作用是碳循環(huán)擾動(dòng)的觸發(fā)因素, 而海洋生產(chǎn)力提升和缺氧條件導(dǎo)致大規(guī)模有機(jī)質(zhì)埋藏是OAE2期間海水碳同位素總體呈正偏的直接原因. 這一案例清晰地指出了地球系統(tǒng)的深部過(guò)程與表層系統(tǒng)之間存在緊密的聯(lián)動(dòng)作用.在生物大滅絕前后, 海洋生物碳泵如何變化一直備受關(guān)注.

　　賈恩豪等人[7]討論了顯生宙最大規(guī)模生物滅絕發(fā)生前后海洋初級(jí)生產(chǎn)者的三階段變化, 即從以淺海大陸架的底棲藻類和浮游疑源類為主導(dǎo)的古生代型, 到古生代-中生代之交由藍(lán)細(xì)菌和其他自養(yǎng)細(xì)菌為主導(dǎo)的特殊型, 再到由遠(yuǎn)洋鈣質(zhì)超微浮游生物為主導(dǎo)的現(xiàn)代型. 后者在中生代的繁盛增強(qiáng)了大洋生物泵和碳酸鹽泵的固碳能力, 提升了海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳循環(huán)擾動(dòng)的緩沖能力. 姜仕軍[8]提出白堊紀(jì)-古近紀(jì)生物大滅絕后,主要初級(jí)生產(chǎn)者從較大的顆石藻轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的微型浮游生物, 更多難降解的惰性溶解有機(jī)碳能夠下沉到海底, 增強(qiáng)微型生物碳泵效率, 同時(shí)微型生物還能從海洋表層中去除足夠的營(yíng)養(yǎng)鹽和有害物質(zhì), 改善事件后惡化的海洋物理化學(xué)環(huán)境, 為整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和發(fā)展鋪平道路. 這兩個(gè)案例都顯示了當(dāng)海洋生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)重大災(zāi)難后, 小小微生物是如何對(duì)后續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)的.

　　海洋生物論文：我國(guó)海洋牧場(chǎng)生態(tài)安全監(jiān)管政策設(shè)計(jì)

　　海洋生物碳泵受到諸多生源要素的強(qiáng)烈影響, 而磷的影響之前研究較少. 黃天正等人[9]討論了磷循環(huán)對(duì)中元古代海洋生物泵的影響, 提出了中元古代生物泵長(zhǎng)期由原核生物主導(dǎo), 維持著鐵化海洋, 加上較弱的構(gòu)造活動(dòng)等因素導(dǎo)致了貧磷的海洋, 進(jìn)而限制了生物的演化, 出現(xiàn)了“沉寂的十億年”或者“無(wú)聊的十億年”. 相反, 張水昌等人[10]則提出在中元古代大陸架的氧化沉積物中, 將有更多的磷因有機(jī)質(zhì)降解得到再循環(huán), 從而刺激了以藍(lán)細(xì)菌為主的初級(jí)生產(chǎn)者, 海洋中的固碳能力和產(chǎn)氧潛力因而可能比現(xiàn)在人們所認(rèn)識(shí)到的還要更高.受限于篇幅, 本專輯旨在拋磚引玉, 介紹了一些典型地質(zhì)時(shí)期海洋生物碳泵的演化及其與重大地質(zhì)事件的關(guān)系, 以期推動(dòng)我國(guó)古海洋生物碳泵深入而系統(tǒng)的研究, 為實(shí)現(xiàn)我國(guó)傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)向地球系統(tǒng)科學(xué)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供一個(gè)窗口.

　　參考文獻(xiàn)：

　　1 Xie S C, Jiao N Z, Luo G M, et al. Evolution of biotic carbon pumps in Earth history: Microbial roles as a carbon sink in oceans (in Chinese). ChinSci Bull, 2022, 67: 1715–1726 [謝樹成, 焦念志, 羅根明, 等. 海洋生物碳泵的地質(zhì)演化: 微生物的碳匯作用. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1715–1726]

　　2 Jiao N Z, Dai M H, Jian Z M, et al. Research strategies for ocean carbon sequestration mechanisms and effects (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022,67: 1600–1606 [焦念志, 戴民漢, 翦知湣, 等. 海洋儲(chǔ)碳機(jī)制及相關(guān)生物地球化學(xué)過(guò)程研究策略. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1600–1606]

　　3 Chen Z L. Carbon-cycle dynamics during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1704–1714 [陳祚伶. 古新世-始新世極熱事件(PETM)碳循環(huán)研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1704–1714]

　　4 Zhang X L. Marine refractory dissolved organic carbon and transgressive black shales (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1607–1613 [張興亮.海洋惰性溶解有機(jī)碳庫(kù)與海侵黑色頁(yè)巖. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1607–1613]

　　5 Zhang J P, Li C, Zhang Y D. Geological evidences and mechanisms for oceanic anoxic events during the Early Paleozoic (in Chinese). Chin SciBull, 2022, 67: 1644–1659 [張俊鵬, 李超, 張?jiān)獎(jiǎng)? 早古生代海洋缺氧事件的地質(zhì)記錄與背景機(jī)制. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1644–1659]

　　6 Chen X, Guo H F, Yao H W, et al. Processes and forcing mechanisms of the carbon cycle perturbation during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2(in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1677–1688 [陳曦, 郭會(huì)芳, 姚翰威, 等. 白堊紀(jì)大洋缺氧事件OAE2期間碳循環(huán)擾動(dòng)的過(guò)程與機(jī)制. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1677–1688]

　　7 Jia E H, Song H J, Lei Y, et al. Paleozoic-Mesozoic turnover of marine biological pump and Mesozoic plankton revolution (in Chinese). Chin SciBull, 2022, 67: 1660–1676 [賈恩豪, 宋海軍, 雷勇, 等. 古-中生代海洋生物泵演變與浮游革命. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1660–1676]

　　8 Jia S J. Collapse and recovery of the marine biological carbon pump across the Cretaceous-Paleogene mass extinction (in Chinese). Chin Sci Bull,2022, 67: 1689–1703 [姜仕軍. 海洋生物碳泵對(duì)極端環(huán)境變化的響應(yīng)及其恢復(fù): 以白堊紀(jì)-古近紀(jì)生物大滅絕為例. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1689–1703]

　　9 Huang T Z, Wang R M, Shen B. The phosphorus cycle and biological pump in Earth’s middle age: Reappraisal of the “Boring Billion” (inChinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1614–1623 [黃天正, 王瑞敏, 沈冰. 中年地球的磷循環(huán)與生物泵: 再談“沉寂的十億年”. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67:1614–1623]

　　10 Zhang S C, Wang H J, Wang X M, et al. Mesoproterozoic marine biological carbon pump: Source, degradation, and enrichment of organic matter(in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1624–1643 [張水昌, 王華建, 王曉梅, 等. 中元古代海洋生物碳泵: 有機(jī)質(zhì)來(lái)源、降解與富集. 科學(xué)通報(bào),2022, 67: 1624–1643]

　　作者：謝樹成1†*, 焦念志2†, 汪品先3†