2019-09-26 14:00:01
为浮游生物在海洋碳储存中的关键作用提供了新见解

海洋是地球上最强大的二氧化碳存储机器,但关于存储和相互关联的无数生物之间的连锁过程,仍然存在许多谜团。

现在,由于在《海洋科学前沿》杂志上发表了一系列论文,佛罗里达州立大学的研究人员正在努力使人们更加清楚地了解海洋的碳储量,其构成生物的因素以及可能限制其效率的因素。

在三项关于生物碳泵的研究中,海洋中的光合藻类产生的二氧化碳被转移到海底并储存了几千年的过程。海洋学副教授Mike Stukel及其合作者发现,浮游动物在微观上至关重要,通常在碳的运输和封存中的作用被低估,有时甚至是对立。

斯托克尔说:“这些生物通过产生富含碳的粪便颗粒而迅速沉入海洋,从而为生物碳泵做出了贡献。” “但是,一些浮游动物也以沉没的颗粒为食,从而降低了生物碳泵的效率。”

生物碳泵每年运输约5-12公吨的碳,其量与人类每年通过燃烧化石燃料产生的二氧化碳量相似。

然而,成百上千米的饥饿浮游动物在地表以下数百米处经常消耗富含碳的颗粒,这些颗粒向海床下沉,中断了运输过程。

斯托克尔说:“这可以防止碳被隔离在更深的深度,并确保将其更快地返回大气层。”

斯托克尔说,大多数关于浮游动物在全球生物地球化学循环中的作用的研究主要集中在磷虾和类似的共同群体上,假设它们的行为代表了海洋中所有浮游动物的代表。但是他的研究表明,这些微量生物可以改变,有时甚至阻碍生物碳泵。

在对两种特定类型的浮游动物,食栖动物和翼足类动物进行的调查中,Stukel和他的团队发现,这些下沉的以颗粒物为食的生物可能会影响碳的传输,就像磷虾这样的更丰富的悬浮物-食性浮游动物一样,后者以漂浮的有机物为食更靠近海洋表面的物质。

他说:“某些物种具有非常不同的特征,这使它们在海洋生物地球化学中具有极大的重要性。”

浮游动物从地表到较深水域的定期垂直迁移对于海洋中碳的运输和安全隔离至关重要。 Stukel和FSU研究生Thomas Kelly发现,这些不倦的旅行者所占的碳传输量比以前的估计所暗示的要多得多。

Stukel和Kelly使用先进的集成生态系统模型评估了海平面藻类的生产率,生物量估计以及鱼类和浮游动物的猎物需求。他们的模型表明,地表以下数百米的生物体对代谢的需求比预期的迁移者传递的碳要多。

结果:垂直迁移的浮游动物的大量碳迁移在生态上比预期的重要。

斯托克尔说:“以前对与迁移有关的碳通量的大多数估计表明,迁移仅占向下通量的5%至20%。” “但是,我们的研究表明,先前的结果可能低估了移民的真正重要性,并且它实际上可能在沿海生产性地区贡献了总通量的近一半。”

研究人员拥有一系列评估生物碳泵中富碳颗粒通量的策略。其中一些工具,例如漂移的沉淀物收集器,需要在研究船上花费大量时间,而这通常是一笔高昂的费用。

另一种称为光学成像的方法,使科学家可以用水下相机拍摄颗粒的详细照片,并使用颗粒大小的轮廓来获得对其在整个水柱中运动的新认识。

斯托克尔说:“从理论上讲,从理论上讲,颗粒大小与沉降速度和碳含量之间都应存在关系。” “如果我们能够测量粒子的大小和丰度,并且这些理论关系成立的话,我们可以通过对海洋中的粒子拍照来估算粒子通量。”

Stukel和FSU研究生Christian Fender在测试中采用了更具成本效益的光学成像方法。他们发现,用于从图像轮廓测量颗粒通量的常规算法在“加利福尼亚当前生态系统”中表现特别差。 Stukel说,主要问题是算法未能充分考虑较重,快速沉没的浮游动物粪便颗粒,这是该地区总体颗粒通量的重要组成部分。

为了响应这一发现,研究小组开发了一种算法,该算法旨在根据加利福尼亚州当前生态系统的特定条件,根据粒径估算流量。这些特别定制的参数使浮游动物粪便颗粒的重要性得以凸显,大大超过了标准算法。

研究表明,为了最大程度地利用更实惠的光学成像策略,研究人员需要密切关注他们正在研究的特定环境和颗粒。

“我们的结果表明,相机不仅需要量化粒子的大小,还需要对粒子的类型进行分类,” Stukel说。

Stukel及其团队进行的三项研究揭示了对世界上最重要的碳传输过程之一的微观力学的新见解。除了强调经常阻止高碳颗粒螯合的闸门浮游动物以及生物碳泵中浮游生物迁移者在历史上被低估的作用之外,该研究还对如何更好地评估全球变化的海洋环境中的碳通量提出了重要建议。

斯托克尔说,要获得对生物碳泵的更全面了解的最好方法是,对浮游生物的全貌进行更深入的了解,以使其保持泵入状态。

他说:“考虑到它们在生物碳泵中的不同作用,重要的是,科学家不仅要考虑在特定区域中有多少浮游动物,而且还要关注这些群体的多样性和功能作用。”

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