海洋生物碳泵的地質(zhì)演化是一個涉及地球系統(tǒng)各圈層相互作用的前沿科學(xué)難題, 被列入了國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院聯(lián)合資助的地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告. 如果說現(xiàn)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(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表層系統(tǒng)乃至地球深部過程的一些重要環(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(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)動地質(zhì)過程, 勾勒了一幅比較生動的地球系統(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(xué)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(xié)同作用模型,并引導(dǎo)出若干可驗證的科學(xué)假說和海洋增匯方案, 為建立系統(tǒng)的海洋生態(tài)增匯理論和可行的負(fù)排放路徑夯實基礎(chǔ).

　　這一觀點實現(xiàn)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(tǒng)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(chǔ)科學(xué)前沿研究與應(yīng)用領(lǐng)域的實踐奠定了基礎(chǔ).海洋生物碳泵與古氣候的關(guān)系是碳循環(huán)研究的一個核心科學(xué)問題. 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(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(xiàn)的假說, 認(rèn)為在海平面快速上升的海侵超覆過程, 或者遠(yuǎn)洋深層水上涌時, 可將深水的惰性溶解有機碳運輸?shù)綔\水區(qū)域, 被黏土礦物吸附而形成地質(zhì)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(chǎn)生重要影響. 這一觀點為海洋溶解有機碳對氣候的長期調(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, 認(rèn)為大火成巖省巖漿作用是碳循環(huán)擾動的觸發(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)的深部過程與表層系統(tǒng)之間存在緊密的聯(lián)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(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)對碳循環(huán)擾動的緩沖能力. 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(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, 為整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和發(fā)展鋪平道路. 這兩個案例都顯示了當(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：我國海洋牧場生態(tài)安全監(jiān)管政策設(shè)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(huán)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(dǎo), 維持著鐵化海洋, 加上較弱的構(gòu)造活動等因素導(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(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, 以期推動我國古海洋生物碳泵深入而系統(tǒng)的研究, 為實現(xiàn)我國傳統(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, 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(guān)生物地球化學(xué)過程研究策略. 科學(xué)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(huán)研究進(jìn)展. 科學(xué)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(xué)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(zhì)記錄與背景機制. 科學(xué)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(jì)大洋缺氧事件OAE2期間碳循環(huán)擾動的過程與機制. 科學(xué)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(xué)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(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, 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, 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(zhì)來源、降解與富集. 科學(xué)通報,2022, 67: 1624–1643]

　　作者：謝樹成1†*, 焦念志2†, 汪品先3†