海洋生物碳泵的地質演化是一個涉及地球系統各圈層相互作用的前沿科學難題, 被列入了國家自然科學基金委員會和中國科學院聯合資助的地球系統科學發展戰略研究報告. 如果說現代海洋生物碳泵的研究目的在于查明海洋儲碳的途徑和機制并服務于碳中和等目標的話, 那么古海洋生物碳泵則更多地記錄了它與一些重大地質事件的關系, 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表層系統乃至地球深部過程的一些重要環節.

　　“生物泵演化與重大地質事件”專輯的10篇文章以海洋生物碳泵與重大地質事件的關系為主線, 從現代海洋出發, 一直回溯到不同地質時期的海洋. 這些成果不僅闡述生物碳泵的機制和途徑, 而且還探索與古氣候變化、古海洋缺氧、古海洋生態系統的災難及其復蘇等重大地質事件的關系, 涉及地球深部和表層系統的諸多聯動地質過程, 勾勒了一幅比較生動的地球系統演化畫卷.專輯的兩篇文章[1,2]解讀了海洋碳循環的一些具體機制和地質演化框架.

　　謝樹成等人[1]概括了自生命起源以來海洋生物碳泵隨生物演化和氣候環境變遷而出現的階段性變化, 闡述了不同地質時期海洋生物碳泵的總體特征, 提出了未來需要解決的一些科學難題, 打開了一個可望通向碳中和策略出口——“時空隧道”. 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同作用模型,并引導出若干可驗證的科學假說和海洋增匯方案, 為建立系統的海洋生態增匯理論和可行的負排放路徑夯實基礎.

　　這一觀點實現了從過去單一碳泵的研究拓展到各個碳泵之間相互作用的研究, 為系統地揭秘海洋碳匯機制、全面地評估海洋儲碳能力、無縫連接基礎科學前沿研究與應用領域的實踐奠定了基礎.海洋生物碳泵與古氣候的關系是碳循環研究的一個核心科學問題. 陳祚伶[3]總結了古新世-始新世極熱事件碳循環研究, 認為當時的快速增溫事件是由地球表層的還原碳庫(包括天然氣水合物和凍土有機質)造成的, 而CO2施肥效應和海洋“生物泵”效率的提高則加快了這個事件的回返.

　　這一案例顯示了地球系統在一定范圍內對氣候系統具有一定的自我反饋和調節能力. 張興亮[4]提出黏土礦物通過吸附海洋的惰性溶解有機碳可能對海侵黑色頁巖作出了重要貢獻的假說, 認為在海平面快速上升的海侵超覆過程, 或者遠洋深層水上涌時, 可將深水的惰性溶解有機碳運輸到淺水區域, 被黏土礦物吸附而形成地質時期的黑色頁巖, 成為海洋碳匯的重要途徑, 從而對古氣候產生重要影響. 這一觀點為海洋溶解有機碳對氣候的長期調節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, 海洋先后發生8次不同規模的缺氧事件, 是在大氣含氧量增加的背景下發生的海洋缺氧事件, 其中的海洋生物碳泵作出了一定的貢獻, 但有待于后續定量化的評估. 陳曦等人[6]則分析了白堊紀大洋缺氧事件OAE2期間碳循環擾動, 認為大火成巖省巖漿作用是碳循環擾動的觸發因素, 而海洋生產力提升和缺氧條件導致大規模有機質埋藏是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的深部過程與表層系統之間存在緊密的聯動作用.在生物大滅絕前后, 海洋生物碳泵如何變化一直備受關注.

　　賈恩豪等人[7]討論了顯生宙最大規模生物滅絕發生前后海洋初級生產者的三階段變化, 即從以淺海大陸架的底棲藻類和浮游疑源類為主導的古生代型, 到古生代-中生代之交由藍細菌和其他自養細菌為主導的特殊型, 再到由遠洋鈣質超微浮游生物為主導的現代型. 后者在中生代的繁盛增強了大洋生物泵和碳酸鹽泵的固碳能力, 提升了海洋生態系統對碳循環擾動的緩沖能力. 姜仕軍[8]提出白堊紀-古近紀生物大滅絕后,主要初級生產者從較大的顆石藻轉變為較小的微型浮游生物, 更多難降解的惰性溶解有機碳能夠下沉到海底, 增強微型生物碳泵效率, 同時微型生物還能從海洋表層中去除足夠的營養鹽和有害物質, 改善事件后惡化的海洋物理化學環境, 為整個海洋生態系統的恢復和發展鋪平道路. 這兩個案例都顯示了當海洋生態系統出現重大災難后, 小小微生物是如何對后續生態系統的發展作出貢獻的.

　　海洋生物論文：我國海洋牧場生態安全監管政策設計

　　海洋生物碳泵受到諸多生源要素的強烈影響, 而磷的影響之前研究較少. 黃天正等人[9]討論了磷循環對中元古代海洋生物泵的影響, 提出了中元古代生物泵長期由原核生物主導, 維持著鐵化海洋, 加上較弱的構造活動等因素導致了貧磷的海洋, 進而限制了生物的演化, 出現了“沉寂的十億年”或者“無聊的十億年”. 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質降解得到再循環, 從而刺激了以藍細菌為主的初級生產者, 海洋中的固碳能力和產氧潛力因而可能比現在人們所認識到的還要更高.受限于篇幅, 本專輯旨在拋磚引玉, 介紹了一些典型地質時期海洋生物碳泵的演化及其與重大地質事件的關系, 以期推動我國古海洋生物碳泵深入而系統的研究, 為實現我國傳統地質學向地球系統科學的轉型發展提供一個窗口.

　　參考文獻：

　　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演化: 微生物的碳匯作用. 科學通報, 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. 海洋儲碳機制及相關生物地球化學過程研究策略. 科學通報, 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)碳循環研究進展. 科學通報, 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.海洋惰性溶解有機碳庫與海侵黑色頁巖. 科學通報, 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, 張元動. 早古生代海洋缺氧事件的地質記錄與背景機制. 科學通報, 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, 郭會芳, 姚翰威, 等. 白堊紀大洋缺氧事件OAE2期間碳循環擾動的過程與機制. 科學通報, 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. 科學通報, 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. 海洋生物碳泵對極端環境變化的響應及其恢復: 以白堊紀-古近紀生物大滅絕為例. 科學通報, 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. 中年地球的磷循環與生物泵: 再談“沉寂的十億年”. 科學通報, 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: 有機質來源、降解與富集. 科學通報,2022, 67: 1624–1643]

　　作者：謝樹成1†*, 焦念志2†, 汪品先3†